可解释生态阻力建模与基于生物多样性的生态一致性评估——用于海南热带雨林国家公园热带森林廊道构建

《Forests》：Interpretable Ecological Resistance Modeling and Biodiversity-Based Ecological Consistency Assessment for Tropical Forest Corridor Construction in Hainan Tropical Rainforest National Park, China

　　

热带森林国家公园日益受到栖息地破碎化和生态连通性下降的威胁。生态网络研究通常依赖主观加权的阻力面，缺乏充分的模型一致性评估和可解释性。本研究开发了一个可解释的机器学习框架，通过整合生态系统服务评估、使用极端梯度提升（eXtreme Gradient Boosting, XGBoost）的生态阻力建模、使用沙普利加性解释（Shapley Additive Explanations, SHAP）的模型解释、基于生物多样性的生态一致性评估和电路理论来优化生态安全格局。以中国海南热带雨林国家公园为案例，研究人员使用生态系统服务与权衡综合评估（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs, InVEST）模型评估了2000年、2010年和2020年的四种生态系统服务，并使用形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA）识别了生态源。使用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）构建的代理阻力面与XGBoost代理阻力面通过基于生物多样性的生态一致性评估进行了比较。XGBoost被视作一个可解释的非线性候选模型，而非基于其优越的分类性能进行选择。随后识别了生态廊道、瓶颈点（pinch points）和屏障区域（barrier areas）。结果表明：（1）生态系统服务从2000年到2010年下降，到2020年恢复。源自XGBoost模型的生态阻力先增后减。SHAP分析确定海拔、归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）和人类足迹是高生态阻力的主导预测因子。（2）基于物种丰富度的生物多样性生态一致性评估显示，XGBoost派生阻力与物种丰富度之间的斯皮尔曼相关系数在2000年、2010年和2020年分别为?0.657、?0.656和?0.626，并且始终强于采用传统AHP加权阻力面所得的结果。基于XGBoost派生的生态阻力面，识别出了关键生态廊道、瓶颈点和屏障区域，揭示了以五指山、尖峰岭、鹦哥岭和霸王岭为中心的生态连通网络。（3）提出了一个包含“两核、两生态屏障带、三区、多廊道”的空间生态安全格局。本研究为热带森林保护区提供了一个可解释且可转移的森林景观连通性保护与生态恢复框架。

可解释生态阻力建模与生物多样性一致性评估：海南热带雨林国家公园廊道构建研究解读

热带森林国家公园正面临栖息地破碎化和生态连通性下降的威胁，而法定保护区的有效性常受制于景观连通性不足。传统生态网络研究多采用主观加权的阻力面，缺乏对模型一致性和可解释性的充分检验。该领域存在三个待解决问题：其一，机器学习派生的阻力面是否比传统专家加权阻力面获得更好的生物多样性一致性证据，尚未得到实证检验；其二，阻力面的多时期表现是否稳定尚不清楚；其三，阻力面的生态现实性很少与外部生物多样性信息对照。为此，研究人员以中国海南热带雨林国家公园（Hainan Tropical Rainforest National Park, HTRNP）为案例，开发了一种可解释的机器学习框架，将生态系统服务评估、极端梯度提升（eXtreme Gradient Boosting, XGBoost）生态阻力建模、沙普利加性解释（Shapley Additive Explanations, SHAP）、基于生物多样性的生态一致性评估和电路理论相结合，以优化生态安全格局。研究选取2000年、2010年和2020年三个时期，基于多种生态系统服务识别生态源，利用XGBoost-SHAP优化和解释生态阻力，并以14种国家一级保护野生动物的潜在栖息地丰富度作为外部证据，开展跨时期的生物多样性一致性评估，最后应用电路理论识别生态廊道、瓶颈点和屏障区域。该研究为热带森林保护区提供了可解释且可转移的森林景观连通性保护与生态恢复框架。

主要关键技术方法包括：运用InVEST模型评估水涵养、土壤保持、碳储存和栖息地质量四项生态系统服务；运用MSPA识别核心斑块并提取生态源；采用AHP构建常规综合阻力面，并以栖息地质量派生标签训练XGBoost构建代理阻力面；利用SHAP解释阻力预测因子的贡献；基于14种保护物种的Area of Habitat（AOH）物种丰富度，通过空间分块重采样和Spearman相关评估生物多样性一致性；使用Linkage Mapper和Circuitscape提取生态廊道、瓶颈点和屏障区域。样本来源为HTRNP，面积4271.77 km²，涵盖9个县级行政单元。

研究结果如下：

**3.1 生态系统服务重要性的时空演变**：通过InVEST模型对2000、2010、2020年的评估显示，综合生态系统服务重要性呈“下降—恢复”趋势，高值区集中在鹦哥岭、吊罗山和五指山，低值区与水库、居民点和农业景观相关。碳储存稳定，栖息地质量高，土壤保持先升后降，水产量下降后恢复。

**3.2 土地利用类型的时空演变**：土地覆盖以森林为主（>90%），森林面积增加，水域扩大，草地减少。土地利用转移以森林延续和扩张、水体增加为主，建设用地沿林缘扩张可能局部破坏连通性。

**3.3 生态源识别**：2000、2010、2020年分别识别出65、58、67个生态源斑块，面积占比40.3%、37.9%、43.1%。大型生态源集中于鹦哥岭、霸王岭、五指山、尖峰岭、吊罗山等国家级自然保护区，为海南长臂猿等旗舰物种提供栖息地。

**3.4 生态阻力面的构建及时空演变**
**3.4.1 XGBoost作为候选代理阻力模型**：空间分类评估不支持基于预测性能优劣选择XGBoost，研究重点是比较AHP与XGBoost两个代理阻力面的生态一致性。
**3.4.2 生态阻力的时空动态**：XGBoost阻力面显示阻力先增后减，高阻力区对应居民点、道路、水库、旅游区等；频率分布呈正态且左移，表明低阻力区集中，生态流约束降低。
**3.4.3 XGBoost模型中生态阻力因子的贡献**：SHAP分析显示海拔是主导因子，NDVI和人类足迹次之；人类足迹贡献在2010年上升，2020年下降。

**3.5 生态廊道构建与关键生态节点**：2000、2010、2020年分别识别133、124、128条廊道，平均长度3589、4240、3268 m。廊道网络西部密度高于东部，主要连接尖峰岭—猕猴岭、五指山—鹦哥岭等。瓶颈点集中在狭窄段，是物种移动的瓶颈；屏障区域在三年分别有33、26、36个，主要分布于尖峰岭、大广坝水库等，其中四个高优先级屏障区对海南长臂猿和海南坡鹿的潜在扩散重要。

**3.6 模型验证**
**3.6.1 单一阻力因子的相关性分析**：阻力因子相关性矩阵显示无严重线性共线性，支持XGBoost捕捉非线性关系。
**3.6.2 替代阻力面的生物多样性生态一致性**：XGBoost阻力面与保护物种丰富度的Spearman相关系数在三年分别为?0.657、?0.656、?0.626，而AHP阻力面为?0.36至?0.28，XGBoost的负相关显著更强，低阻力区与高阻力区物种丰富度差异更大，表明XGBoost阻力面具有更强的生物多样性一致性。

讨论部分总结了基于“生态源—阻力面—廊道”框架的生态安全格局，包括“两核、两生态屏障带、三区、多廊道”。两核为鹦哥岭—霸王岭、吊罗山—五指山生态源复合体；两带为东部（吊罗山—七仙岭—五指山—俄托岭—卡法岭）和西部（猕猴岭—俄贤岭—霸王岭—南高岭）生态屏障带；三区为核心保护区、生态恢复区和适度利用区；多廊道分三级，一级连接主要生态源，二级穿越中等人类干扰区，三级连通效率最低需优先恢复。针对海南长臂猿等物种，廊道应优化鹦哥岭—霸王岭等连接，并考虑食源植物恢复。管理上建议保留森林—草地—湿地复合生态系统，控制水库运行和旅游开发，加强边缘区生态修复。

在结论部分，研究人员指出，生态系统服务为可持续发展提供必要生态基础。尽管生态安全格局研究已取得很大进展，但很少有研究将生态系统服务评估与保护野生动物的生物多样性信息整合起来评估和优化生态网络。在本研究中，研究人员将生态系统服务评估与MSPA结合识别生态源，并纳入国家一级保护野生动物物种丰富度评估替代阻力面的生态一致性。共享环境信息和缺乏独立运动观测，使得不能将更强的相关性解释为更精确的运动阻力或功能连通性的证据。在此基础上，为HTRNP制定了“两核、两生态屏障带、三区、多廊道”的生态安全格局。主要结论如下：（1）综合生态系统服务指数从2000年的0.415降至2010年的0.386，2020年回升至0.411；碳储存先降后稳，栖息地质量下降后恢复，土壤保持指标先升后降，水涵养能力亦先降后恢复。（2）在所有三个研究时期，XGBoost派生阻力面显示了比传统AHP加权阻力面更强的生物多样性相关阻力梯度，与保护物种丰富度的Spearman相关系数约为传统方法的2倍（?0.66至?0.63对?0.36至?0.28）。（3）生态源总面积先降后增，空间分布与生态系统服务重要性格局一致；生态阻力配置由分散的高阻力斑块转向低阻力集中，表明生态过程约束降低；廊道数量亦先降后恢复，网络以霸王岭、尖峰岭、鹦哥岭和五指山为中心，西部廊道密度高于东部。（4）基于生态安全格局时空变化，提出了“两核、两生态屏障带、三区、多廊道”空间配置，为HTRNP的连通性保护、恢复优先排序和适应性管理提供了景观尺度框架。