土地利用冲突与生态系统健康的耦合响应机制：基于GWRF-SHAP模型的结构与功能视角

《Ecological Informatics》：Coupling response mechanisms of land use conflicts and ecosystem health using the GWRF-SHAP model: A structural and functional perspective

本研究针对土地利用冲突与生态系统健康相互作用机制不清的问题，以昆明市为案例，构建了融合结构与功能双维度的土地利用冲突分析框架。研究人员运用耦合协调度模型和广义可加模型揭示了土地利用功能冲突与生态系统健康呈倒U型关系，土地利用结构冲突与生态系统健康呈非线性负相关，并基于地理加权随机森林-SHAP可解释性空间机器学习模型识别出人类活动强度、土地利用程度等关键驱动因子及其阈值效应。成果发表于《Ecological Informatics》，为高原山地城市土地资源优化配置和区域生态协同治理提供了理论依据。

　　

在快速城镇化和人口持续增长的背景下，人地关系日趋紧张，土地利用冲突频发，对区域可持续发展构成严峻挑战。土地利用冲突不仅表现为土地结构失衡、资源配置低效，还会引发生态系统健康水平下降，如土壤侵蚀、生物多样性丧失等生态退化问题。然而，现有研究多关注土地利用结构冲突与生态系统健康的相互作用，对土地利用功能冲突的作用及其非线性驱动机制尚不明确。特别是在地形复杂、生态脆弱的典型高原山地城市，如何从结构与功能双维度揭示土地利用冲突与生态系统健康的耦合响应关系，成为土地科学和生态学交叉领域的重要课题。

为深入探究上述问题，研究人员以典型高原山地城市昆明为研究区，构建了1 km×1 km网格尺度的综合分析框架。研究首先从结构冲突和功能冲突两个维度量化了土地利用冲突，并基于活力-组织力-恢复力框架评估了生态系统健康。通过耦合协调度模型和广义可加模型揭示了二者间的非线性相互作用关系，进而采用地理加权随机森林模型结合SHAP可解释性算法，识别了关键驱动因子的非线性影响和阈值效应。

研究结果显示，昆明市土地利用功能冲突、土地利用结构冲突和生态系统健康均表现出显著的空间异质性。2010-2020年间，土地利用功能冲突和土地利用结构冲突的重心持续南移，而生态系统健康整体呈波动上升趋势。耦合协调度分析表明，土地利用功能冲突与生态系统健康的交互关系呈现具有双阈值的倒U型曲线，而土地利用结构冲突与生态系统健康则表现为单阈值的非线性负相关。空间上，二者的耦合协调度以北高南低为主要特征，高度协调区域主要分布在北部山区。

在驱动机制方面，人类活动强度、土地利用程度、高程、坡度、距市中心距离和距县城距离是影响耦合协调度的关键因子，均表现出明显的非线性特征和阈值效应。其中，人类活动强度与土地利用程度的二阶交互作用对耦合协调度的影响最强。当人类活动强度低于3.263时对土地利用功能冲突与生态系统健康的耦合协调度产生轻微正向影响，超过此阈值后则转为负向抑制；土地利用程度的阈值点为3.449，低于此值时正向促进耦合协调度，超过后则产生负向影响。

本研究创新性地将结构与功能维度同时纳入土地利用冲突分析框架，并开发了GWRF-SHAP可解释性空间机器学习模型，有效揭示了土地利用冲突与生态系统健康之间的复杂非线性关系和空间异质性特征。研究成果不仅为理解高原山地城市人地系统耦合机制提供了新视角，也为区域国土空间优化和生态保护修复政策的制定提供了科学依据。特别是在全球变化背景下，研究发现的阈值效应为制定差异化的土地利用管控策略提供了重要参考，对推动区域生态安全和可持续发展具有重要实践价值。