确定广西北部湾城市群生态系统服务价值与景观生态风险时空变化的驱动机制：基于XGBoost-SHAP框架的见解

《Marine Environmental Research》：Identifying the Driving Mechanisms of Spatiotemporal Changes in Ecosystem Service Value and Landscape Ecological Risk in the Beibu Gulf Urban Agglomeration, Guangxi: Insights from an XGBoost-SHAP Framework

　　摘要
快速的城市化和高强度的土地开发可能会加剧生态系统服务的退化以及景观生态风险（LER）的累积。明确生态系统服务价值（ESV）与LER之间的时空关系及其背后的驱动因素对于优化区域空间格局和确保区域生态安全至关重要。以广西北部湾城市群为研究对象，本研究利用2000年至2020年的土地利用数据分析了ESV和LER的时空动态，建立了基于ESV-LER耦合的生态分区框架以识别生态功能异质性，并应用XGBoost-SHAP模型量化自然和人为因素的非线性驱动效应和阈值。研究结果表明：(1) 2000年至2020年间，建成区显著扩张，耕地与林地的双向转换是土地利用变化的主要特征。ESV总体保持稳定，外围地区的ESV值较高，而城市中心的ESV值较低。LER主要处于低到中等较低水平，高风险地区呈斑块状分布，ESV与LER之间存在显著的负空间相关性。(2) 根据ESV和LER的耦合特征，研究区域被划分为四个生态区（生态保护区、控制区、改善区和保护区），其中控制区和保护区占主导地位，形成了山区保护和平原开发的空间格局。(3) 土地利用结构，尤其是耕地和林地的比例，对ESV和LER的分布模式贡献最大，而地形（DEM）则施加了根本性的限制。关键驱动因素对ESV和LER表现出明显的非线性阈值和区间敏感性效应，人类活动因素（人口密度和道路距离）在低海拔平原地区的影响更为显著。基于ESV-LER耦合的差异化分区调控，结合对关键驱动因素的阈值导向管理，可以为精细的生态系统治理和可持续区域发展提供科学依据。

引言
快速的城市化伴随着经济活动和人口规模的扩大，加剧了人类对土地系统的干扰，加速了土地覆盖的变化，增加了生态空间结构的破碎化（Cao等人，2024年）。这些过程对生态系统功能和稳定性产生了重大负面影响，通过科学优化的区域空间调控增强生态韧性成为可持续城市发展和空间治理的核心问题（Zhang等人，2024年）。科学的生态系统评估为合理的生态分区和管理提供了基础（Audebert等人，2024年）。随着生态区域化研究的发展，学者们从多个角度进行了系统的探索，包括理论基础、方法论途径和应用实践。早期的研究主要关注自然背景条件，通常选择气候、地形和植被作为区分生态区域的主要标准（Jin等人，2016年；Wang等人，2024年）。随着对人类影响的关注增加，土地利用类型和空间景观模式逐渐被纳入分区框架，以反映人为干扰的强度和范围（Duan等人，2021年；Li等人，2024d）。后续研究强调生态敏感性，以识别对外部干扰反应强烈的区域（Zheng等人，2019年），同时对生态脆弱性进行评估和分类，以表征区域生态承载风险（Li等人，2024a；Lv等人，2024年）。目前，大多数研究采用多指标综合分析来表征区域生态系统服务价值（ESV）（Chen等人，2024年；Chen等人，2022年；Li等人，2022年）。这些方法通常首先估计各种ESV以比较不同区域的生态功能，然后结合景观模式和干扰强度来评估生态风险水平（Li等人，2024c）。一些研究进一步将ESV与景观生态风险（LER）结合起来，根据它们的空间对应关系划分区域类型，并将结果作为生态分区和管理的重要参考（Yu等人，2024年）。
ESV代表了生态系统对人类社会和自然环境的综合贡献，包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，广泛用于识别生态重要区域并指导保护和资源分配（Roy等人，2024年）。相比之下，LER强调在自然或人为干扰下景观结构损害的概率和严重程度、生态过程的破坏以及功能退化，从而指示生态系统的脆弱性和不稳定性，并支持生态安全评估和风险预警（Ye等人，2024年）。将ESV和LER整合在一个统一的分析框架中，可以同时识别提供高服务但面临高风险的复合优先区域，以及服务程度中等但风险显著的脆弱区域，从而支持差异化的保护、恢复和可持续利用策略（Jia等人，2023年）。
沿海城市群是陆地和海洋过程在紧密连接的城市场、农业区和自然景观中相互作用的复杂区域。它们的生态模式受到内陆土地利用变化和沿海过程的共同影响，导致生态系统服务供给和生态风险的显著空间异质性。城市扩张、港口建设和海岸线硬化取代了自然栖息地，破坏了生态网络，并限制了沿海生态系统的向内陆迁移，从而减少了生态系统服务并增加了生态风险（Lansu等人，2024年）。这些效应不仅取决于失去的生态土地数量，还取决于景观组成、配置和连通性的变化（Wu，2013年；Mitchell等人，2015年）。ESV表征了生态系统提供的效益，而LER反映了在干扰下生态稳定性和功能的潜在损失。将ESV和LER结合起来，可以区分在压力下的高价值区域与服务提供薄弱但生态风险高的区域（Roces-Díaz等人，2022年；Roy等人，2024年；Ye等人，2024年；Jia等人，2023年）。
先前的沿海研究评估了基础设施扩张和景观变化对海岸线、栖息地和生态系统服务的影响（Bugnot等人，2021年；Floerl等人，2021年；Meixler等人，2023年）。然而，ESV和LER通常被单独研究，导致它们的空间对应关系和相关驱动因素不够明确。仅基于ESV的评估可能会忽视已经处于压力下的有价值的生态系统，而仅基于风险的评估则无法表明如果这些区域恶化会失去哪些服务。此外，分区研究经常描述空间类别而未充分解释其自然和人为驱动因素，而区域范围内的线性关系可能掩盖了非线性响应和空间异质性。因此，需要一个结合ESV-LER和非线性驱动因素分析的耦合框架来支持差异化的沿海管理。
广西北部湾城市群（GXBGUA）是进行此类分析的合适案例。该地区包括内陆的大都市中心南宁，以及以港口为主的城市北海、钦州和防城港，还有广阔的森林、耕地、河流、沿海湿地和河口环境。从山区向低海拔平原和沿海发展区的转变形成了强烈的环境和开发梯度，使重要的生态区域靠近城市、工业和港口相关的干扰。先前的研究表明，北部湾地区的ESV对区域和社会经济变化有响应（Huang等人，2023年）。本研究在此基础上，进一步探讨了ESV和LER的空间耦合及其差异化的相关因素。
传统的相关性和回归方法在表示多重预测因子之间的复杂相互作用和非线性响应方面能力有限（Mitani和Lindhjem，2022年；Xie等人，2024年；Li等人，2024b）。因此，使用XGBoost来模拟土地利用、环境、社会经济和可达性变量之间的关系，同时使用SHAP来解释它们的贡献和响应模式（Liu等人，2024年；Lundberg等人，2020年；Tang等人，2025年；Sun等人，2024年）。这些模式被解释为基于模型的关联，而不是因果阈值。

本研究旨在：(1) 描述2000年至2020年间GXBGUA的土地利用、ESV和LER的变化；(2) 根据ESV和LER的空间关系划分生态区；(3) 使用XGBoost-SHAP识别与2020年空间模式相关的自然和人为因素；(4) 提出差异化的生态保护和生活空间治理优先事项。

研究区域
GXBGUA（20°26′N–24°02′N，106°33′E–110°53′E）包括南宁、北海、钦州、防城港、崇左和玉林等城市。陆地景观从沿海平原逐渐过渡到内陆丘陵和平原。该地区具有亚热带季风气候，特点是高温、高湿度以及同步的降雨和高温，为农业和林业生产以及多样的生态系统分布创造了有利条件。

土地利用变化分析
研究区域的土地利用类型呈现出明显的交织马赛克空间格局（图3），其中耕地和林地是主要类别。2000年至2020年间，土地利用结构的特点是耕地面积减少，林地扩大，建成区快速增长。面积统计数据显示（表3），耕地面积从26,730.33平方公里减少到24,482.81平方公里，而林地面积从43,740.35平方公里增加到45,360.68平方公里；这两类土地的变化共同影响了...

ESV变化对生态分区的影响
先前在北部湾地区的研究将生态系统服务价值（ESV）的变化与土地利用转变和社会经济发展联系起来。ESV的损失主要集中在城市扩张区域，而在受生态保护和恢复影响的区域则更为明显（Huang等人，2023年）。此外，生态功能的退化主要发生在北部湾经济区的中部和南部城市化地区，而农业用地的转换...

结论
(1) 2000年至2020年间，GXBGUA的土地利用模式发生了显著变化，表现为林地扩张、耕地大幅减少以及建设用地的快速增长。这些变化反映了城市化和工业发展对生态空间的侵蚀。在这种背景下，ESV等级结构主要为中等和中低水平，形成了一个空间格局，即人类活动强度较高的区域往往...

作者贡献声明
Dahai Liu：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督
Zhantu Chen：撰写 – 审稿与编辑、验证、正式分析、数据管理、概念化
Ze Liang：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、数据管理、概念化
Feili Wei：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化
Linjia Hou：撰写 – 原始草案、可视化、验证、正式分析、数据管理

未引用的参考文献
中华人民共和国国家发展和改革委员会，2008年；中华人民共和国国家发展和改革委员会，2019年。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
本文支持的原始数据将在作者的要求下提供。

资金来源
本研究得到了国家自然科学基金（42461015）、广西壮族自治区哲学和社会科学研究项目（24GLF004）、广西师范大学2025年国家自然科学基金联合培养项目（2025PY037）的资助。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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