在人类活动频繁、生态敏感区域中，对人与自然关系的时空耦合性进行评估

《Ecological Indicators》：Spatiotemporal coupling assessment of human–nature relationships in ecologically sensitive areas under intensive anthropogenic activities

定量评估人地系统耦合协调机制及生态阈值对可持续发展至关重要。本研究基于"模式-互作-机理-阈值"框架，采用2000-2020年1km网格数据，构建RSEI生态质量指数与HF人类活动强度指数，运用耦合协调度模型、Geodetector空间检测和约束线阈值分析方法，揭示河南黄河流域人地关系时空演变规律：生态质量呈"先升后降再微升"趋势，2015年达到最低值0.506，2020年有所恢复；58%区域存在人地失衡，其中人类主导失衡区占比超28%；温度和交通可达性是主要驱动因素，生态响应阈值呈现"上升-下降-反弹"波动，预计2030年达32.7（超过2010峰值）；HF III级区域（30≤HF<40）需重点防范持续干扰导致的生态退化风险。

　　本研究聚焦于黄河中游河南省段的人与自然关系的时空耦合分析，旨在揭示生态质量与人类活动强度之间的互动机制及其阈值效应。通过构建“模式—互动—机制—阈值”的综合分析框架，结合多源数据和多种分析方法，为区域生态管理提供了科学依据。

黄河中游的河南省段是中国地理环境最为复杂和多样的区域之一，其地貌特征包括黄淮海平原与黄土高原的交界地带，具有典型的侵蚀与沉积并存的复合地貌系统。该区域同时也是重要的粮食生产基地和人口密集区，长期的高强度农业开发和日益加剧的人与自然矛盾对生态安全构成了挑战。因此，精准量化人类活动对生态环境的影响，并构建适合该敏感区域的人与自然耦合研究框架，对于实现区域的高质量发展具有重要意义。

在研究方法上，采用了遥感生态指数（RSEI）与人类足迹（HF）作为衡量生态质量和人类活动强度的主要指标。RSEI通过整合归一化植被指数（NDVI）、湿润指数（Wet）、地表温度（LST）和归一化建成区与土壤指数（NDBSI）等四个关键生态指标，能够从多个维度评估区域生态环境质量。HF则综合了人口密度、夜间灯光、建成区、耕地、草地、道路、铁路和航道等多维度的人类活动数据，能够全面反映人类活动的强度与分布。研究将这些指标应用于1公里分辨率的时空分析，从而实现对人与自然关系的精细化刻画。

研究发现，从2000年至2020年，河南省段的生态质量总体上经历了波动改善、下降和恢复的过程。RSEI的平均值在2015年降至最低点，但随后有所回升。HF则呈现出持续上升的趋势，尤其在2015至2020年间增长最为显著。生态质量与人类活动强度之间表现出显著的负空间相关性，尽管两者在2000至2010年和2015至2020年期间同步上升，但这种上升趋势与生态质量的下降形成了明显的矛盾。

在空间分布上，RSEI的中等水平占据主导地位，覆盖超过48%的区域，主要集中在中东部平原地带。良好和优秀水平的区域则相对较小，分别占18%和6%。而较差水平的区域虽然面积较小，但其增长趋势显著，特别是在2015年之后。HF的分布则呈现出不同的格局，其中第三等级（20–30）占据主导地位，主要集中在北部和中部地区。第一等级（0–10）和第二等级（10–20）主要分布在西部和西南部的山地与丘陵地带，而第四等级（30–40）和第五等级（40–50）则集中于城市密集区。

通过耦合协调度模型和标准差椭圆分析，研究发现，人与自然关系的耦合协调度整体呈现不均衡状态，占研究区域总面积的58%以上。其中，人类主导的不协调区域面积最大，占据了研究区域的28%以上。而生态主导的不协调区域主要分布在西部和西南部的高海拔地区，面积占研究区域的24%。协调区域则相对较少，仅占研究区域的不足42%。此外，耦合协调度的重心迁移路径表明，区域生态与人类活动的互动关系在不同时间段内呈现出显著的变化趋势。

研究进一步揭示了影响人与自然耦合协调的关键驱动因素。温度和距离到主要道路被确定为主要影响因素，其解释力（q值）在所有研究时期均超过了0.25。温度对生态系统的调控作用体现在植被生长、物质循环等关键生态过程，而距离到主要道路则反映了区域交通可达性对人类活动空间分布的影响。其他自然因素如降水、地形等虽然也对耦合协调有影响，但其解释力相对较低。经济和社会因素如GDP、人口密度等则在不同时期展现出不同的作用模式。

此外，研究还通过约束线方法和分段线性回归方法识别了RSEI对HF的响应阈值。结果显示，从2000年至2020年，RSEI对HF的响应阈值呈现出“上升—下降—反弹”的趋势，并预计到2030年将超过2010年的峰值。这一趋势表明，随着人类活动强度的持续增加，生态系统的响应能力可能受到更大的挑战。特别值得注意的是，HF等级为III（30≤HF<40）的区域，主要分布在研究区域的中部和北部，这些区域应成为未来生态治理的重点，以避免持续的人类活动对生态系统的进一步破坏。

本研究还对人与自然关系的协同演化过程进行了深入探讨。2000年至2010年，生态质量经历了显著的恢复阶段，这主要得益于中国“退耕还林”政策的实施，该政策将坡度超过25度的耕地转化为森林或草地，有效遏制了水土流失并促进了大规模生态修复。然而，从2010年至2015年，随着新型城镇化进程的加快，人类活动强度显著增加，生态质量则呈现下降趋势。2015年至2020年，尽管生态治理力度加大，但人类活动的持续增长仍对生态系统的恢复造成阻碍，生态质量仍未完全恢复到2000年的水平。

在讨论部分，研究指出，温度作为主要的自然驱动因素，其持续上升趋势对生态系统的稳定性构成挑战。高温度区域集中于研究区域的中东部平原地带，而低温度区域则主要分布在西部高海拔地区。温度的上升可能加剧生态系统的脆弱性，使得生态质量的发展滞后于社会经济发展。同时，距离到主要道路作为重要的社会经济因素，其对人类活动空间分布的影响不容忽视。随着交通基础设施的不断扩展，该区域的交通可达性提高，进一步推动了人类活动的集中发展。

此外，研究还发现，降水作为自然因素之一，虽然其单独解释力较低，但与其他自然因素（如温度、坡度）之间存在显著的交互作用。这些交互作用在不同时期表现出不同的特征，例如在2000年和2005年，降水与温度和坡度之间呈现出非线性增强的协同效应，而在2010年之后，这种协同效应有所减弱。降水的总体趋势是下降，并伴随显著的年际波动，这可能对生态系统的恢复产生一定的影响。

研究进一步探讨了人类活动强度对生态质量的约束效应。从2000年至2020年，RSEI在HF梯度增加的过程中持续下降，表明人类活动对生态系统的长期制约作用。然而，当HF达到某一临界点后，RSEI的下降速度加快，这一现象可能预示着生态系统的临界转变。同时，研究预测，到2030年，RSEI对HF的响应阈值将达到32.7，这表明生态系统的适应能力尚未完全恢复，需要进一步加强生态治理措施。

本研究的局限性在于，所采用的RSEI主要基于MODIS数据，可能受到云层干扰和大气散射等因素的影响。此外，HF指标虽然整合了多种社会经济数据，但未能完全反映工业结构和空间经济布局等更深层次的社会经济属性。因此，未来的研究可以考虑引入更高分辨率的数据和更全面的社会经济指标，以进一步提升人与自然关系分析的精度和深度。

研究结果表明，为了实现人与自然的协调发展，需要采取更加科学和系统的生态管理策略。特别是在HF等级为III的区域，应加强生态治理，防止由于持续的人类活动而导致的生态系统退化。同时，通过建立多尺度分析框架，结合更长的遥感数据序列和政策文本，可以进一步优化生态治理策略，提高生态响应阈值预测的准确性。

综上所述，本研究为河南省段的生态治理和可持续发展提供了科学依据。通过对人与自然关系的时空耦合分析，揭示了生态质量与人类活动强度之间的复杂互动机制，并指出了影响这种互动的关键因素。未来，随着人类活动的进一步发展和生态环境的持续变化，需要更加精细的生态监测和更加灵活的生态治理策略，以实现人与自然的和谐共生。