城市化背景下，渤海沿岸城市聚集区景观美学与生态系统服务的时空异质性及其驱动因素

《Journal of Environmental Management》：Spatio-temporal heterogeneity and drivers of landscape aesthetics and ecosystem services in the Bohai Rim urban agglomeration under urbanization

渤海湾地区景观美学与生态系统服务协同机制及驱动因素研究，采用多模型综合分析方法，揭示1990-2023年间景观美学与碳汇、栖息地质量等五类服务的时空演变规律、空间分异特征及非线性交互机制，识别关键驱动因子并提出分区管理策略。

　　

马东玲|王倩|黄庆吉|于逸凡|闫英伟

山东建筑大学测绘与地理信息学院，济南，250101，中国

摘要

随着全球城市化进程的加速，生态系统服务（ESs）与景观美学（LA）之间的关系已成为理解可持续发展的关键问题。然而，关于沿海城市聚集区中LA与多种ESs之间的相互作用及其驱动机制的研究相对较少。本研究以渤海沿岸地区（BRR）为研究对象，探讨了LA与五种ESs（包括碳储存（CS）、栖息地质量（HQ）、食物生产（FP）、土壤保护（SC）和水资源产出（WY）在时空上的演变、协同效应及权衡关系，以及其驱动因素。通过整合相关性分析、偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）、多尺度地理和时间加权回归（MGTWR）、双变量空间自相关分析和极端梯度提升（XGBoost）等方法，建立了一个综合分析框架。研究结果表明：（1）1990年至2023年间，FP、SC和WY总体呈上升趋势，而HQ则持续下降；（2）大多数ES对之间存在协同效应，PLS-SEM进一步表明调节功能（SC、CS）、支持功能（WY、HQ）和文化/供给功能（LA、FP）之间存在显著的正相关；（3）CS、HQ、FP和SC与LA在很大程度上具有协同作用，而WY在大多数地区与LA存在权衡；（4）双变量空间自相关分析显示LA-ES关系存在显著的空间聚集现象，高-高聚集区主要位于山东和辽宁两省，低-低聚集区位于京津冀地区；（5）XGBoost有效识别出关键驱动因素，其中因素G是LA的主要决定因素，因素G和E分别是SC和WY的主要驱动因素。基于这些发现，我们提出了基于分区的管理和优化策略，以提升BRR地区的ESs水平。本研究为城市化背景下ESs的驱动机制提供了新的见解，并为区域生态保护和长期可持续发展提供了重要的理论支持。

引言

生态系统服务（ESs）是指人类直接或间接从生态系统功能中获得的多种效益（Costanza等人，1997；Tonyalo?lu，2020）。随着全球城市化进程的加快，城市扩张和人口聚集带来的多维压力显著改变了生态系统结构和功能（Jia等人，2023），导致ESs的空间分布日益不均，加剧了ESs失衡等问题。景观美学（LA）作为文化服务的重要组成部分，代表了生态系统提供的审美和休闲价值。它不仅反映了人类的精神和文化需求，也是区域吸引力和居民生活质量的一个指标。然而，在快速的城市化进程中，LA常常与其他ESs之间存在复杂的协同效应和权衡关系。这些相互作用深刻影响着区域生态功能，对人类福祉和可持续发展具有重要意义。尽管人们对ESs之间的权衡和协同效应越来越感兴趣，但针对文化服务（特别是LA）与多种ESs之间相互作用的系统和定量研究仍然有限。因此，从大规模和长期动态的角度研究LA与其他ESs之间的相互作用及其驱动机制至关重要，这为增强多维生态系统功能的协同效应和促进城市化地区的可持续发展提供了科学支持。

ESs之间的关系本质上是复杂多样的，通常分为三种类型：协同效应、权衡关系和无关关系（Su和Liu，2023）。权衡关系指的是一种服务的增强可能导致另一种或多种服务提供的减少；而协同效应则表明两种或多种ESs同时增加或减少，从而相互强化（Cai，2022）。这些复杂的相互作用受到人类活动和生态系统内部复杂过程的共同影响（Lang和Song，2018）。因此，研究渤海沿岸地区（BRR）中LA与ESs之间的空间差异和相互作用机制对于优化土地利用规划、提升区域美学价值和文化服务效益以及实现多种生态系统功能的协调发展至关重要。近年来，关于ESs相互作用的研究主要集中在相互作用机制（Cheng等人，2022）、驱动因素（Li等人，2024）和情景模拟（Peng等人，2024）方面。常见的分析方法包括皮尔逊和相关性分析、空间自相关分析以及地理加权回归（GWR）（Sun等人，2024；Yuan等人，2022；Zuo和Gao，2022）。虽然这些方法能有效揭示局部地区或特定时间范围内的ESs相互作用特征（Hou等人，2023；Liu等人，2024b；Zuo和Gao，2022），但它们通常依赖于线性假设和固定尺度（Cheng等人，2024；Rong等人，2022）。为了解决这些局限性，多尺度地理和时间加权回归（MGTWR）模型引入了多尺度空间和时间参数，使每个变量在不同空间和时间尺度上具有不同的回归系数（Liu等人，2021b）。这更精确地反映了解释变量对因变量的多尺度影响，有效解决了空间异质性和时间动态性问题。结合双变量空间自相关分析，MGTWR能够全面监测LA与其他ESs之间的相互作用机制，深入揭示快速城市化背景下的时空聚类模式。

ESs之间的相互作用机制受到社会、经济和自然因素的综合影响（Liu等人，2022；Shao等人，2022）。然而，ESs复杂的、非线性的和多维的驱动机制仍然是重大的分析挑战。尽管地理和时间加权回归（GTWR）和多尺度地理加权回归（MGWR）等模型已被广泛应用，并能有效捕捉驱动因素的时空异质性（Xue等人，2024；Zhang等人，2023a），但它们对线性假设的依赖限制了其揭示多因素复杂非线性相互作用的能力。偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）为量化多个潜在变量之间的关系提供了强大的框架，但其高模型复杂性和严格的数据要求限制了其广泛应用。极端梯度提升（XGBoost）作为一种梯度提升决策树模型，在处理非线性、高维数据方面具有显著优势，能够高精度和稳健地捕捉多因素相互作用（Liu等人，2023a；Ma等人，2024）。其自动特征选择和防止过拟合的能力使其特别适合于解析社会、经济和环境驱动因素之间的复杂相互作用。因此，本研究引入XGBoost来探索城市化背景下ESs的动态驱动机制，提供了关于多因素相互作用的全面和创新视角。

作为中国三大沿海经济区之一，BRR是一个集农业、工业和商业于一体的多功能城市聚集区，包括以工业/商业为主的城市、工农业混合城市以及以农业或资源为导向的城市。LA的表现及其与ESs的相互作用受到土地利用结构和城市功能类型的强烈影响。例如，在以农业为主的城市中，LA主要表现为大规模农田景观；而在以旅游或生态为导向的城市中，其价值与森林景观和城市公园等绿地密切相关。作为多功能复合城市聚集区，BRR在LA特征及其与多种ESs的相互作用方面表现出明显的空间异质性和类型差异。然而，现有研究主要集中在陆地ESs上，对沿海和近岸海洋生态系统服务的关注相对较少（Li等人，2021）。虽然一些研究探讨了土地利用变化对ESs的影响，并确定了区域景观模式变化背后的驱动因素（Zhang等人，2023b），但不同ESs之间的协同效应和权衡关系——尤其是涉及文化服务（如LA）的关系——仍不够清楚。随着快速城市化加剧了景观破碎化和土地利用变化，BRR地区的景观美学和生态功能日益退化，加剧了生态平衡与可持续区域发展之间的矛盾。因此，迫切需要在更广泛的空间尺度上研究LA与多种ESs之间的协同效应和权衡关系，以及其背后的驱动机制。这些努力对于缓解生态冲突、促进区域绿色发展和优化BRR地区的城市规划至关重要。

因此，本研究聚焦于BRR地区的15个城市，建立了多维ES评估框架。通过整合InVEST模型、基于核的归一化差异植被指数（KNDVI）以及一个涵盖自然度、异质性、景观变异性和可访问性四个维度的LA评估系统，量化了1990年至2023年的碳储存（CS）、LA、栖息地质量（HQ）、水资源产出（WY）、食物生产（FP）和土壤保护（SC）。为了探究城市化背景下LA与ESs之间的内在相互作用机制，我们应用了皮尔逊相关系数、PLS-SEM、MGTWR和双变量空间自相关分析。此外，我们引入了XGBoost模型来捕捉自然、社会和经济驱动因素对ESs的非线性影响，克服了传统线性模型在驱动因素分析中的局限性。基于这些发现，本研究为BRR制定了一个分层管理框架，基于LA与ESs之间的协同效应和权衡关系。本研究旨在：（1）分析BRR地区LA和五种ESs因素的时空分布和动态变化；（2）识别各种ESs之间的协同效应和权衡关系；（3）揭示LA与其他ESs之间的相互作用机制；（4）确定不同驱动因素对LA和ESs的影响程度。整个研究框架如图1所示。本研究不仅丰富了文化服务与供给服务之间相互作用的理论理解，也为BRR地区的生态系统治理提供了理论支持。

研究区域

研究区域

渤海沿岸地区位于中国北部西太平洋沿岸，范围大约在115°E ?124°E和35°N-43°N之间（图2）。它包括整个渤海周边海域以及邻近黄海的沿海区域，涵盖天津市和河北、辽宁、山东两省的部分地区。本研究重点关注该地区的十五个代表性城市：沧州、秦皇岛、唐山、大连、葫芦岛、锦州、盘锦等。

渤海地区ESs的时空变化

总体而言，BRR地区的ESs表现出显著的空间异质性，过去30年来各个ESs的空间分布模式相对稳定。具体而言，HQ呈现出明显的南北分布梯度，北部数值较高，南部数值较低，天津和河北成为分界线。相比之下，CS的分布较为均匀，区域差异不明显（图3）。对于HQ，较高数值（0.4–0.6）主要出现在...

渤海沿岸地区ES的时空变化分析

本研究探讨了BRR地区ESs和LA的时空分布、演变及其相互关系，为生态调节和城市规划提供了理论支持。研究结果表明，BRR地区ESs的分布特征与以往研究结果一致（Liu等人，2023b；Ren等人，2023a，2023b）。值得注意的是，CS较低的地区主要集中在沿海地带，这是由于该地区的土壤盐分较高所致。

结论

本研究量化了BRR地区的LA和五种ESs因素，分析了它们的时空异质性，并评估了它们之间的协同效应和权衡关系。通过MGTWR和双变量空间自相关分析，我们探讨了城市化背景下LA与ESs之间的相互作用机制。此外，XGBoost模型用于识别每种ES的主要驱动因素，为区域生态系统管理和保护提供了宝贵见解。

作者贡献声明

马东玲：撰写——初稿、项目管理、方法论、资金获取、概念化。王倩：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。黄庆吉：可视化、软件。于逸凡：监督、数据管理。闫英伟：软件。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42171435）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2020MD025）以及山东建筑大学的博士基金项目（项目编号：X21079Z）的支持。