岛屿陆海相互作用：生态系统服务视角下的权衡、协同与驱动因素

《Regional Studies in Marine Science》：Land-Sea interactions on islands: trade-offs, synergies, and drivers from an ecosystem service perspective

　　

摘要：理解陆地生态系统服务与近海海洋生态功能之间的时空关联性，对于陆海统筹管理具有重要意义。本研究以平潭岛为研究区域，利用2010年、2015年和2020年的数据，采用生态系统服务评估与权衡综合模型（InVEST）评估水源涵养（WY）、土壤保持（SR）、碳储存（CS）和栖息地质量（HQ），并采用垂直综合生产力模型（VGPM）估算海洋初级生产力（OPP）。在将各变量统一到共同空间尺度后，应用Spearman相关性分析、空间交叉相关分析和地理探测器识别空间关联及其潜在驱动因素。结果显示，2010年至2020年间，陆地生态系统服务总体呈下降或波动下降趋势，近海海洋初级生产力也呈下降趋势，且具有明显的空间梯度。OPP与SR呈正相关，与CS、HQ和WY呈负相关，且大多数关联随时间推移而减弱。数字高程模型（DEM）衍生高程、年降水量（AP）、归一化植被指数（NDVI）、潜在蒸散发（PET）和距大陆距离（DM）的解释力相对较高，但单项q值普遍低于0.5。这些发现从空间关联的角度拓展了对岛屿陆海生态关联的认识，为揭示陆地生态系统服务与近海海洋生态功能之间的空间耦合特征提供了新的分析方法，并为优化岛屿生态空间、实施分区管理以及推进陆海统筹框架下的综合治理提供了科学依据。

引言

岛屿是典型的陆海界面社会-生态系统，其特征是陆地面积有限、海岸线-面积比率高以及陆地与海洋之间的空间距离短。由于陆地集水区与相邻近海海域紧密相连，陆地径流、营养盐和泥沙输运、海洋水动力过程（Fang等，2018；Becker，2022；Danise等，2022）以及人类活动压力（Crook等，2015；Brown等，2017；Kim & Park，2017）均可能导致近海生态环境发生变化。因此，岛屿为研究陆地生态变化与近海海洋生态响应之间的关联性提供了重要的研究场域。陆海相互作用（LSI）一般指在人类活动影响下，陆地系统与海洋系统之间水、物质、能量和生物过程的交换与迁移。然而，陆海物质输运在时空上高度动态变化，直接识别其内在机制通常需要长期连续观测径流、营养盐和泥沙通量以及水动力条件，而这些数据往往难以获取。与内陆大陆地区相比，岛屿的生态变化可能对相邻海洋环境产生更为直接的潜在影响，而近海海洋条件的变化反过来也可能对岛屿社会经济活动和生态安全产生更强的影响。

为从功能角度刻画岛屿陆地生态系统，本研究引入生态系统服务（ES）概念作为分析框架。生态系统服务是连接生态系统结构、生态过程与人类福祉的重要纽带（Carpenter等，2009）。在岛屿环境中，陆地生态系统提供水源调节、土壤保持、碳储存和栖息地维持等功能（Smith等，2017；Hao等，2020；Du等，2024）。图1展示了本研究涉及的生态系统服务的主要类型及分类。不同的陆地生态系统服务共同受土地利用、气候、地形和人类活动的影响，同时可能通过径流、泥沙输运和营养盐迁移等过程，跨越陆海界面与相邻海洋环境产生空间关联。因此，全面理解生态系统服务及其空间分异是识别陆地生态功能与近海海洋生产过程之间潜在空间关联的基础，也是支持生态系统管理和陆海统筹空间规划的前提（Xu等，2024）。据此，从生态系统服务视角考察陆地生态功能与近海海洋生态状况之间的关联，有助于揭示功能层面上潜在的陆海生态关联。

考虑到数据连续性、空间尺度一致性和模型适用性等方面的局限，并借鉴已有研究，本研究选择水源涵养（WY）、土壤保持（SR）、碳储存（CS）和栖息地质量（HQ）来表征平潭岛主要的陆地生态系统服务，同时以海洋初级生产力（OPP）作为近海海洋生态响应的指标。OPP是指浮游植物通过光合作用固定无机碳并将其转化为有机物的速率，它是海洋生态系统中能量输入和物质循环的基础过程，与海洋食物网的维持、生物资源的形成以及近海生态系统的生产力密切相关。OPP对水温、光照条件、营养盐供给和近海环境条件的变化较为敏感，因此可在一定程度上反映近海海洋生产过程的时空差异。然而，OPP主要表征海洋生态系统的生产力维度，并未涵盖海洋生态系统服务的全部内涵。据此，本研究采用WY、SR、CS和HQ来表征主要的陆地生态系统服务，而采用OPP来表征近海海洋生产过程，重点关注其时空动态及空间关联性。

此类分析的前提是对陆地生态系统服务和近海OPP进行连续且可比的空间量化。现有的生态系统服务评估方法主要包括货币价值评估（Chen等，2025）、生物物理评估（Han等，2025）和能值评估（Yang等，2019）。其中，基于生物物理过程的空间显式模型尤其适合刻画生态系统服务的空间异质性。生态系统服务评估与权衡综合模型（InVEST）利用土地利用、遥感及其他相关环境数据，将生态系统结构和过程转化为生态系统服务的空间显式估算值，从而为不同尺度的生态系统管理和空间规划提供定量支撑（Li等，2021）。例如，Xu等（2024）应用InVEST模型考察了中国平潭岛2000年至2020年间栖息地质量、水源涵养、土壤保持和碳储存的时空动态。Shifaw等（2024）同样利用该模型评估了同一时期尼罗河流域水源涵养、碳储存、栖息地质量和土壤保持的时空分布。

生态系统服务并非孤立存在。不同服务往往受共同的生态过程和环境条件影响，因此可能在空间上表现出协同或权衡关系。已有研究通常将两种生态系统服务之间的正相关解释为协同，负相关解释为权衡（Huang, Wu，2023）。为识别此类关系，研究者已采用多种方法，包括Spearman相关性分析（Xia等，2023）、方向性权衡/协同强度指数（Li等，2025）以及双变量空间自相关分析（Zheng等，2020），从而从统计和空间两个维度刻画服务间关系。

尽管权衡/协同分析最初主要用于研究不同生态系统服务之间的关系，但其内在逻辑涉及生态功能或过程在时空上的正负关联。因此，这一分析视角为探索不同空间生态系统的潜在功能关联提供了有用基础。在岛屿环境中，陆地生态系统服务与近海海洋初级生产力属于不同的空间域，严格来说，OPP并非生态系统服务。然而，两者均受自然环境条件和人类活动影响，并可能通过径流、泥沙输运和营养盐迁移等陆海过程产生联系。据此，本研究将生态系统服务权衡/协同研究中识别正负关联的分析逻辑拓展至陆地生态系统服务与近海OPP之间的空间关系。通过考察其正负统计关联及空间分异，探索岛屿上陆地生态功能与近海海洋生产过程之间的潜在空间关联。

然而，需要指出的是，统计相关性并不意味着因果性的生态关系。相关性分析主要揭示不同服务在样本或空间单元上是否同向或反向变化，但无法证明某一生态系统服务的变化必然导致另一服务的变化。这一问题对岛屿尤为重要。陆地生态系统服务不仅与陆地系统内部存在交互作用，还可能通过径流、泥沙输运和营养盐迁移等陆海界面过程与近海海洋生态系统相联系。由于陆地和海洋系统在空间上不重叠，基于相同空间单元的常规相关性分析往往不足以刻画陆地生态功能与近海海洋过程之间的空间关联。Medina-Roldan等（2024）应用多种方法考察了意大利东北部生态系统服务之间的关系，并进一步利用双变量局部空间自相关探索了发生在空间不重叠区域的生态系统服务之间的权衡与协同，为研究不同空间域之间的生态关系提供了有用的方法论视角。在此基础上，我们引入生态系统服务权衡与协同的分析框架，并将其拓展至空间不重叠的陆海系统，以探索岛屿上陆地生态功能与近海海洋生产过程之间的潜在空间关联。

由于生态系统服务受不同时空尺度上的多种自然和社会经济因素的影响，这些因素之间的交互作用可能进一步改变生态系统服务功能。因此，识别各因素的相对影响对于生态系统服务的有效调控与管理以及提升其整体功能表现至关重要（Van Schoubroeck等，2024）。在自然因素中，降水、地形和植被覆盖在生态系统服务的形成与维持中发挥重要作用（Bowen等，2007；Lloret等，2022；Ren等，2025）。人口密度、土地利用模式和城镇化等社会经济因素可显著改变生态系统服务的供给。在沿海地区尤为明显，快速城镇化、建设用地扩张和土地围垦可能扰动自然生态系统、削弱区域生态系统服务功能，并对沿海生态安全与完整性构成风险（Chi等，2023）。

地理探测器（GD）是一种用于识别空间分层异质性的统计方法。其q统计量衡量解释变量的空间分层与因变量空间变异的对应程度。因此，q统计量代表统计解释力而非因果关系。Li等（2021）利用地理探测器对淇河流域的环境和人为因素进行了分析，识别了两类生态系统服务关系的空间分异。Xia等（2023）利用地理探测器研究了中国海南岛流域内塑造生态系统服务关系的主导因素。据此，我们利用地理探测器比较不同自然和人为因素对陆地生态系统服务与近海海洋生产力空间关联模式的相对解释力。

在此背景下，我们选择平潭岛作为研究区域，因为它为研究陆海生态关联提供了具有代表性的场景。平潭岛位于台湾海峡，是中国重要的沿海岛屿，具有显著的陆海过渡特征，目前正处于快速发展阶段，并伴有大量人类干扰（Xu等，2024）。我们整合了生态系统服务评估与权衡综合模型（InVEST）和垂直综合生产力模型（VGPM），对平潭岛的陆地生态系统服务和近海海洋初级生产力进行了空间评估，并进一步考察了其统计关联与空间分异。本研究的总体分析框架和流程如图2所示。通过上述工作，我们旨在为识别岛屿上潜在的陆海生态关联提供新视角，同时比较自然和社会经济因素的解释力，以更好地理解这些关系背后的环境背景与空间异质性。

具体而言，本研究围绕三个目标展开：（1）评估平潭岛2010年、2015年和2020年四种陆地生态系统服务和近海海洋初级生产力（OPP）的时空变化；（2）分析陆地生态系统服务与相邻海域OPP之间的空间关系，识别潜在的陆海生态关联；（3）比较自然环境因素和人为因素对不同空间关联模式的相对解释力，并讨论分析的局限性及其对陆海统筹空间规划的启示。

研究区域

平潭岛位于中国福建省福州市平潭综合实验区，地理坐标为东经119°32′–120°10′、北纬25°15′–25°45′，总面积为267.13 km2。

其地理位置如图3所示。平潭岛位于台湾海峡西北部，东临台湾海峡，西隔狭窄水道与大陆相望。该岛属亚热带海洋性季风气候，夏季炎热多雨，冬季温和少雨。

从2010年到2020年，平潭岛邻近海域的水产养殖、珊瑚礁、碳储存、栖息地质量和渔业产值均呈现出显著的空间异质性（图4）。碳储存值在岛屿内陆地区普遍较高，在沿海建成区较低。高值区主要分布在植被覆盖率较高的地区，而低值区则集中在开发建设强度较大的区域。研究期内碳储存的整体空间格局相对稳定，尽管局部区域存在一定波动。

2010年至2020年间，平潭岛的水产养殖、珊瑚礁、碳储存和栖息地质量均表现出明显的空间异质性，但其空间格局和时空变化各不相同。高碳储存值和高栖息地质量值主要分布在自然植被覆盖较好的区域，而较低值则集中在建成区。这与以往研究表明自然植被向人工地表转化会减少碳储存和降低栖息地质量的结果一致。水产养殖和珊瑚礁则表现出不同的空间格局。

以平潭岛及其邻近海域为研究区，本研究利用InVEST模型评估了陆地生态系统服务，采用VGPM模型估算了近海渔业产值，并分析了它们之间的空间关联及解释因子。主要结论如下：（1）2010年至2020年期间，陆地生态系统服务呈现出显著的空间异质性。高碳储存值和高栖息地质量值主要集中在植被覆盖率较高的区域，而较低值则出现在建成区。水产养殖和珊瑚礁也表现出一定的空间分异特征。

未引用参考文献（Chalkiadakis等，2022；Chen，2025；Dai等，2016；De Abreu等，2025；Guan等，2024；Jiang等，2018；Lin等，2025；Liu和Wen，2024；Mukhopadhyay等，2024；Shao等，2020；Tasneem和Ahsan，2024；Temmerman等，2013；Wen等，2023；Wu等，2025；Yang和Huang，2021；Zhang等，2025；Zhu等，2024）。

作者贡献声明：廖一博：调查、数据管理。张坤成：监督、经费获取。王曦：数据管理。曾江宁：调查、经费获取。马宗源：可视化、数据管理。周坚：调查、数据管理。何金山：论文撰写与编辑、数据管理。徐维旺：原稿撰写、可视化、资源获取、方法设计、经费获取、概念设计。陈少阳：可视化、监督、调查、经费获取。

利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢：本研究受海南南沙珊瑚礁生态系统国家野外科学观测研究站开放基金（NSICR24205）、自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室开放研究基金（MED202401）、国家重点研发计划（珊瑚礁海洋环境安全与可持续发展专项 2023-3.1）以及国家自然科学基金（42506232）资助。

作者：徐维旺｜陈少阳｜王曦｜曾江宁｜廖一博｜张坤成｜周坚｜何金山｜马宗源