《Scientific Reports》：Quantitative assessment of ecological security and its influencing factors in the Danjiangkou Reservoir based on a health–risk–service framework
编辑推荐：
本研究针对南水北调中线核心水源地丹江口水库（DR）生态安全（ES）评估体系不完善、驱动机制不明确等问题，构建了融合生态系统健康（EHI）、生态风险（ERI）与生态系统服务（ESsI）的生态安全指数（ESI）评估框架，结合XGBoost-SHAP模型揭示了自然-人为-景观因素对ESI的非线性驱动效应。结果表明：2003–2023年ESI呈波动上升趋势，超过95%区域生态安全等级达中等以上；NDVI（归一化植被指数）和LPI（最大斑块指数）为主要正向驱动因子，而HDI（人类干扰指数）与城市化（Urban）呈负向阈值效应。该研究为跨流域调水工程水源区生态管控提供了科学依据。
作为南水北调中线工程的核心水源地，丹江口水库的生态安全直接关系到华北地区数亿人口的饮水安全与区域可持续发展。然而，在调水工程建设和运行过程中，水库周边频繁的土地利用转换、大规模人口迁移以及城市化扩张，给这一生态脆弱区带来了生态系统退化、景观破碎化、水土流失等严峻挑战。传统生态安全评估多聚焦单一维度，难以全面捕捉复杂人为干扰下生态系统的协同演变机制，且缺乏对驱动因子非线性效应的深入解析。为此，中国地质大学（武汉）的研究团队在《Scientific Reports》发表最新研究，通过构建“健康-风险-服务”多维评估框架，揭示了丹江口水库2003–2023年生态安全的时空演化规律及其驱动机制。
为精准评估生态安全，研究团队首先整合遥感、气象、地形等多源数据，构建了以生态系统健康（EHI）、生态风险（ERI）和生态系统服务（ESsI）为核心的三维评价体系。其中，EHI综合了植被活力（NDVI）、景观组织性（异质性、连通性等指标）和生境质量；ERI通过景观扰动指数与脆弱性指数量化外部威胁；ESsI则涵盖了水源涵养、土壤保持、碳储存和生物栖息地功能四大关键服务。三者通过几何平均生成生态安全指数（ESI），以反映生态安全的非补偿性特征。为验证结果可靠性，研究引入遥感生态指数（RSEI）进行相关性分析，并采用3 km网格单元进行热点探测与驱动因子解析。在方法创新上，团队突破传统线性模型的局限，引入XGBoost机器学习算法与SHAP解释性模型，精准识别了NDVI、LPI、HDI等因子对ESI的非线性影响及阈值效应。
时空分布特征
研究显示，2003–2023年丹江口水库ESI均值从0.701升至0.712，整体生态安全水平稳步提升。空间上，高值区（安全等级为“高”和“较高”）持续集中于森林覆盖率的北部和南部山区，而低值区（“低”和“较低”）主要分布在以耕地和建设用地为主的中部县区（如丹江口、淅川、云阳），但其面积随时间显著缩小。热点分析进一步证实，ESI空间聚集性稳定，热点区（高值聚集）与冷点区（低值聚集）分别对应森林主导区和人类活动密集区。
评估框架有效性验证
通过ESI与RSEI的显著性相关分析（R2> 0.8, P < 0.001），证实了“健康-风险-服务”框架的可靠性。两者空间分布高度一致：高值区均位于生态本底优良的森林地带，低值区重叠于人类干扰强烈的城镇区域，且2003–2023年低值范围明显收缩，反映了生态修复工程的积极成效。
驱动机制的非线性解析
XGBoost-SHAP模型揭示，ESI受多因子交互驱动，且存在明显阈值效应。NDVI和LPI始终为最重要的正向贡献因子，但其促进作用仅在超越特定阈值后显著增强（如NDVI阈值从2003年的0.80升至2023年的0.83）。相反，HDI和Urban（城市化水平）呈负向影响：当HDI介于0.075–0.125时对ESI有微弱正贡献，可能源于低强度生态管理活动（如坡耕地整治）的积极效应；但一旦超过0.125或Urban > 0.01，其负面效应急剧放大，表明人类活动强度需严格控制在生态承载力范围内。
生态管理的政策启示
研究强调，丹江口水库生态安全治理需采取“分区管控、阈值预警、动态适应”策略。针对中部冷点区，应严格限制城市扩张与高强度开发，通过生态廊道建设提升景观连通性；对高值区需强化保护红线管控，防范生态退化风险。此外，基于NDVI和LPI的阈值效应，植被恢复工程应注重质量提升而非单纯面积扩张，例如通过促进森林斑块融合增强生态系统韧性。
该研究首次将机器学习可解释性模型应用于大型调水工程水源地生态安全评估，突破了传统方法在非线性机制识别中的局限。提出的“健康-风险-服务”框架不仅为丹江口水库的生态管控提供了量化工具，也可推广至其他生态脆弱区的可持续发展规划。未来研究可进一步融合高分辨率遥感与地面监测数据，结合情景模拟揭示生态安全演变的因果链条，为跨流域调水工程的长期生态安全提供更精准的决策支持。
