中国东部山地丘陵区生态系统服务供需与人类福祉之间的非线性关系及基于临界阈值的空间分区

《Journal of Environmental Management》：Nonlinear relationship and critical thresholds-based spatial zones between ecosystem services supply-demand and human well-being in the mountain-hilly regions, Eastern, China

　　

•区域生态系统服务供需错配在时间上持续存在。
•区域人类福祉差异有所缩小，尤其在安全和健康福祉方面。
•高水平耦合协调度区域主要通过中低水平协调区域的转化而扩展。
•耦合协调度对影响因素表现出显著的非线性和多重阈值响应，表明不同服务包之间存在空间异质性。
•区分系统指标和外部因素提高了对耦合协调度的解释力。

**引言**

生态系统服务是指人类社会从生态系统中获得的多样利益与贡献，包括供给服务、调节服务、文化服务和支撑服务（Costanza等，2014；Madrigal-Martínez等，2025），从而将人类福祉与自然资源联系起来，支持人类生存及各类产业的发展（如农业、旅游业、工业等）（Remme等，2021；Li等，2024c）。山区和丘陵地区以其多样化的地形地貌、丰富的生态组成（如森林、草地、淡水、食物生产、动物等）和复杂的生态过程为特征（Palau和Claramunt-López，2024）。这些区域的生态系统服务供给能力通常高于其他地区，尤其在水资源保持、土壤保持、碳固存、水质净化、自然灾害调节和生物多样性维护等方面；然而，这些服务正日益受到全球人口增长和人类活动加剧带来的压力影响（Mengist等，2020）。因此，山区和丘陵地区是维护区域生态安全、保障生态功能稳定、减缓贫困以及推动周边区域可持续发展的关键空间单元（Schaafsma等，2021；Zhao等，2025）。近年来，随着工业化和城镇化进程的加速以及气候变化的加剧，山区和丘陵地区的环境正在快速变迁，建设用地扩张，耕地和生态用地减少，自然灾害频发、水资源短缺和环境污染等问题不断出现，主要表现为低海拔区域和山前地带（Elsen等，2020；Grêt-Regamey和Weibel，2020）。随着人地关系的日益紧张，山区和丘陵地区的基本生态功能逐渐减弱，生态系统服务供需之间长期存在显著的空间错配或失衡问题，严重威胁了人类福祉的持续提升和生态安全格局的优化。

探索生态系统服务与人类福祉之间的复杂关系一直是缓解人地矛盾、促进自然生态系统健康及居民福祉改善的关键所在（Aguado等，2018；Li等，2023）。基于联合国人类发展指数（HDI）、可持续发展目标（SDGs）、马斯洛需求层次理论和千年生态系统评估（MA）的人类福祉评估框架已被广泛应用于构建多维度的、客观与主观相结合的人类福祉指标体系，以评估不同区域的人类福祉水平（Hamann等，2016；Leviston等，2018；Qiu等，2022）。人类福祉反映了居民在身心健康、安全、和谐社会关系、自由选择和物质繁荣等方面的良好生活状况（Gilbert等，2016）。生态系统服务对人类福祉的贡献不仅取决于其生物物理供给能力，还取决于社会需求程度以及生态系统服务供需匹配的程度（Quintas-Soriano等，2019；Huang等，2024）。生态系统服务供需的空间不平衡，表现为高供给区与高需求区之间的错配，可能制约区域发展并对居民可持续生计、健康和安全福祉产生不利影响（Schirpke等，2019）。由于山区和丘陵地区在区域异质性、尺度效应、生态系统服务类型、人类福祉维度、生态系统服务稀缺性、利益相关者偏好、研究者视角和 government policies 等方面存在差异，生态系统服务供需与人类福祉之间的关系呈现出复杂且非线性的特征（Kareiva等，2007；Zulian等，2018；Uchiyama等，2025；Hallaj等，2026）。

尽管已有大量研究表明，生态系统服务评估方法主要包括货币价值法（如当量因子法）、能值分析（太阳能值）、经验公式法和生物物理量模型（如InVEST模型）（Coscieme等，2014；González-García等，2020；Wu等，2022）。这些研究通常关注生态系统服务供需或单一生态系统服务的供给及其与人类福祉的耦合关系，包括生态系统服务供给与客观人类福祉之间的相关性，以及生态系统服务感知与主观人类福祉之间的交互作用，从而揭示生态系统服务对人类福祉的综合影响（Li等，2024a；Peng等，2024；Xia和Gómez-Baggethun，2026）。这些研究可能忽视了多种生态系统服务供需之间复杂的协同与权衡关系及其对人类福祉的综合影响。近年来，中国一些研究利用高斯混合模型和自组织映射（SOM）明确划分了生态系统服务包-人类福祉空间区域，并通过XGBoost-SHAP模型探索其驱动因素（Liu等，2025）。生态系统服务包是指具有相似空间或时间模式的生态系统服务的反复组合（Saidi和Spray，2018），能够识别多种生态系统服务之间的组合关系或服务包类型（Raudsepp-Hearne等，2010），从而为多种生态系统服务供需同时出现错配或失衡的问题提供针对性解决方案。与仅关注生态系统服务供给共现的服务供给包不同（Shen等，2020），生态系统服务供需包捕捉了多种生态系统服务在供需平衡、盈余或短缺方面的空间组合，通过生态系统服务供需比（ESDR）加以反映。这一方法不仅有助于揭示多种生态系统服务之间的多维交互作用和耦合模式，还为生态系统管理和政策决策提供了科学依据。

现有研究在探讨生态系统服务与人类福祉之间的空间或时间关系时，常采用Spearman或Pearson相关分析、空间自相关分析（如双变量局部Moran's I分析）、k-means或层次聚类方法、系统动力学模型以及耦合协调度模型（Yang等，2024），揭示了不同生态系统服务-人类福祉关系模式在方向和强度上的显著差异（Liu和Wu，2025）。与广阔平原相比，正在进行城市扩张和人类活动加强的山区和丘陵地区的利益相关者对生态系统服务评估、关键因素识别、灾后监测和灾害早期预警，以及经济社会发展与生态环境保护关系协调管理的需求更为迫切。传统耦合生态系统服务与人类福祉驱动因素分析主要集中于识别关键影响因素，方法主要包括线性回归、地理探测器、DPSIR模型和随机森林（Hou等，2014；Li等，2024a；Li等，2025c）。近期研究表明，山区和丘陵地区的城镇化、综合生态系统服务供需和人类福祉之间呈现出强烈的耦合关系（Tan等，2023）。然而，现有研究中使用的传统方法在捕捉高维度和非线性关系方面能力有限，特别是在量化各因素的正负贡献和阈值效应方面。相比之下，机器学习方法，尤其是XGBoost-SHAP方法，将XGBoost的高预测性能与SHAP值的可解释性相结合（Parsa等，2020），提供了一种有效工具，能够实现对各因素贡献、交互作用及阈值效应的精确量化识别（Wang等，2024）。尽管已有上述进展，但众多研究是在国家尺度、城市群或中国主要流域（如京津冀地区）（Zhang等，2016）、长江三角洲地区、黄河流域、青藏高原和黄土高原等层面探讨生态系统服务供给与人类福祉的耦合关系（Wang等，2025；Wang等，2026b）。相关研究利用可解释机器学习方法，采用HDI探讨了用城市生态系统服务价值与人类福祉的耦合关系（Yao和Fang，2025）。此外，现有研究从水-能-粮纽带视角出发，利用PLS-SEM模型探讨了中国黄河流域生态系统服务供给与人类福祉的关联（Zhang等，2025b）。然而，山区和丘陵地区在社会经济发展水平和居民生活质量方面存在显著差异，生态系统服务供需的空间模式及服务包构成变化较大。这使得在该区域进一步探索生态系统服务与人类福祉之间的关系、区分系统相关指标和外部因素之间的差异以及潜在阈值效应具有重要的研究价值。

为弥补上述研究空白，本研究整合多源数据与社会-生态系统评估模型，对山区和丘陵地区的ESDR模式进行了量化和空间制图；并基于多种生态系统服务的ESDR模式，利用SOM识别生态系统服务供需包，从而揭示生态系统服务盈余、短缺和平衡的主导组合；定量评估人类福祉的时空动态变化；并探究ESDR与人类福祉之间的耦合协调度。最后，引入XGBoost-SHAP这一可解释机器学习方法，揭示不同生态系统服务供需包下影响因素对耦合协调度的差异化影响及潜在阈值效应。

**研究区域**

研究区域位于中国山东省中南部的山区和丘陵地区，总面积为7.83×103 km2，地处黄河流域与淮河流域之间（图1a），主要包括泰山和蒙山（Li等，2025b）。该研究区域总体特征为中部和东部地势较高（丘陵和山地），向周边逐渐降低（平原和低洼地）。该地区属于温带季风气候……

**生态系统服务供需评估**

通过整合多源社会经济和自然环境数据集，利用InVEST模型、当量因子法和经验统计模型对区域关键生态系统服务的供给和需求进行了评估，包括水资源产出、食物生产、碳储存、氮素保留、土壤保持、生境质量和文化服务。相关计算细节见附录表S2和表S3。采用生态系统服务供需比（ESDR）来量化……

**ESDR和生态系统服务供需包的时空格局**

水资源产出、食物生产、土壤保持、碳储存、氮素保留、文化服务和生境质量的供给、需求和ESDR的空间分布格局相对稳定，但存在明显的空间差异和错配现象（图3，附录图S1–S8）。除氮素保留外，高值且正ESDR区域代表其余生态系统服务的盈余区，主要集中分布在山区，而低值且负ESDR区域……

**生态系统服务供需与人类福祉之间的关系及影响因素**

生态系统服务与人类福祉之间通过各种交互作用存在相互联系和耦合关系，受物理地理环境、时空尺度、生态系统服务供需类型或指标、发展阶段、技术进步以及土地利用变化、GDP、人口、管理策略等多种社会经济因素的影响（Breslow等，2016；Yang等，2024；de Knegt等，2025）。生态系统服务供需与人类福祉之间的关系呈现出明显的聚类特征……

**结论**

本研究利用多源数据和社会-生态系统评估模型，量化了ESDR和人类福祉模式，使用SOM识别了生态系统服务供需包，评估了ESDR与人类福祉之间的耦合协调度，并利用XGBoost-SHAP方法识别了耦合协调度相关变量的非线性响应和潜在阈值效应。主要结论如下：（1）ESDR在时间和空间上呈现出相对稳定的格局，但在2000~2023年期间区域间供需错配现象持续存在。

**CRediT作者贡献声明**

Yongge Li：撰写——初稿、可视化、资金获取、概念构思。Wei Liu：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。Meng Zhu：撰写——审阅与编辑、软件、资源、方法论。Qi Feng：监督、资源、概念构思。Xinwei Yin：可视化、资源、数据整理。Xiaomiao Li：方法论、数据整理。

**利益冲突声明**

作者声明，没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金委员会（项目编号：42501363）和中国山东省自然科学基金青年项目（ZR2024QD288）资助。

Yongge Li | Wei Liu | Meng Zhu | Qi Feng | Xinwei Yin | Xiaomiao Li