粤港澳大湾区生态系统健康与服务的时空关联及非线性互馈机制研究

本综述系统评估了粤港澳大湾区（GBA）2000–2020年间生态系统健康（EH）与四项关键生态系统服务（ESs：碳固存CS、净初级生产力NPP、粮食生产FP、水源涵养WY）的时空演变与耦合关系。研究结合VOR模型、InVEST模型、双变量空间自相关分析与XGBoost-SHAP机器学习方法，揭示了EH与ESs存在稳定协同型（CS、NPP）和动态权衡型（FP、WY）两类关联模式，为高城镇化区域生态修复目标制定提供了理论依据。

　　

1 引言

生态系统通过提供多种生态系统服务（ES）维持人类社会运转，其健康状态（EH）与服务功能的关系在快速城市化区域尤为复杂。粤港澳大湾区（GBA）作为中国经济发展核心区，过去20年城镇化进程显著改变了地表景观格局，给自然生态系统带来巨大压力。尽管现有研究已分别探讨EH和ESs的评估方法及空间特征，但二者间的内在关联机制，尤其是在高城镇化地区的非线性响应特征，仍缺乏系统研究。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区为粤港澳大湾区，面积约5.6×10⁴ km²，属亚热带季风气候，植被以常绿阔叶林为主。北部多山，中部及沿海以平原为主。2000–2020年间，该区域经历了剧烈的土地利用变化，城市化过程对生态系统造成显著影响。

2.2 数据来源与处理

研究整合多源数据，包括气象站数据、遥感影像、土壤属性、土地利用等，所有空间数据统一至WGS 1984 UTM Zone 49N坐标系，并采用克里金插值法生成气象栅格数据。

2.3 生态系统健康量化

采用VOR框架（活力-组织力-恢复力）评估EH。生态系统活力通过归一化植被指数（NDVI）衡量；组织力通过香农多样性指数（SHDI）、蔓延度指数（CONTAG）和斑块凝聚指数（COHESION）三个景观指标量化；恢复力则通过InVEST模型中的生境质量子模块评估。

2.4 生态系统服务量化

选取四项关键ESs：

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  碳固存（CS）：采用InVEST模型的碳储存与固结模块，基于不同土地利用类型的碳密度数据计算；
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  净初级生产力（NPP）：利用MOD17A3HGF006数据集获取；
• •
  水源涵养（WY）：通过InVEST年度产水模块，采用水量平衡法计算；
• •
  粮食生产（FP）：结合NDVI与统计年鉴中的粮食产量数据，按栅格NDVI占比进行空间分配。

2.5 EH与ESs关联特征分析

采用双变量Moran’s I方法分析ESs与EH的空间关联特性，包括全局和局部空间自相关，识别高-高、低-低、高-低和低-高四种聚集类型。进一步利用XGBoost-SHAP机器学习模型揭示变量间的非线性关系，通过SHAP依赖图刻画ESs对EH的贡献模式。

3 结果

3.1 ESs与EH的时空变化

2000–2020年间，GBA内EH和多数ESs的低值区范围扩大，71.75%的区域出现EH退化，反映出快速城市化的深远影响。EH中位数从0.29升至0.32，数据离散度逐渐增加。CS和NPP变化趋势不显著，但低值区呈扩散态势。FP下降最为明显，单位栅格产量中位数从2.19t降至0.50t。WY波动幅度最大，中位数变化达197.77 mm。

3.2 ESs与EH的空间关联特征

EH与CS、NPP呈现显著正空间相关（全局Moran’s I > 0.65），高-高聚集区主要分布在GBA外围森林带，低-低聚集区集中于广州、佛山、深圳和东莞核心区。EH与FP、WY则呈负相关，FP与EH以低-高聚集为主（占33%以上），WY与EH的关联模式年际波动大，空间分异明显。

3.3 ESs与EH的变量关联特征

XGBoost-SHAP分析显示：

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  CS、NPP与EH呈近似线性正相关，拟合精度最高（R2分别为0.68和0.53）；
• •
  FP与EH呈非线性关系：低值区正相关，超过10t后曲线平缓，且峰值在20年间右移；
• •
  WY与EH关系为负相关，且年际波动显著，受气候因素（特别是降水）驱动明显。

4 讨论

4.1 ESs与EH的稳定协同关系

CS、NPP与EH的协同关系源于其共有的生态过程基础——光合作用与碳循环。健康植被生态系统不仅维持较高初级生产力，还通过碳固存增强系统稳定性。外围森林区的高EH和高CS/NPP印证了生态系统结构完整性对功能维持的重要性。

4.2 ESs与EH的动态权衡关系

FP和WY与EH的权衡关系主要受外部扰动驱动：FP提升依赖农药、除草剂和单一种植，这些活动简化了生态系统结构，导致EH下降；WY则强烈依赖降水，气候波动和城市化导致的地表不透水化共同加剧其与EH的负相关。

4.3 关联模式的层次性分化

ESs与EH的关系呈现明显层次性：CS、NPP等基础代谢类服务与EH形成稳定协同；而FP、WY等对外部扰动敏感的服务则呈现动态权衡。这一分化源于生态过程对外部干扰的响应差异，也体现了生态系统在支持与服务供给之间的内在权衡机制。

5 结论

本研究揭示了GBA内EH与ESs之间存在“稳定协同”和“动态权衡”两类关联模式，深化了对快速城市化区域生态系统状态与功能关系的理解。CS和NPP与EH协同提升，而FP和WY则受人类活动和气候扰动呈现权衡特性。研究成果可为类似高速城镇化区域的生态修复与可持续管理提供理论支持和实践依据。