多尺度耦合视角下山西黄河流域生态系统服务供给-流动-需求的驱动机制与可持续管理策略

《iScience》：Scale-dependent drivers of ecosystem service supply-flow-demand couplings in the Shanxi Yellow River Basin, China

　　本研究针对生态系统服务(ES)供给与需求(ESSD)的空间错配问题，以山西黄河流域(SYRB)为案例，创新性地构建了“网格-流域-县区”三尺度分析框架，整合冗余分析(RDA)与极端梯度提升(XGBoost)模型，揭示了温度、降水、人口密度与GDP等关键因子的尺度依赖性驱动规律。研究发现：1）多数ES供给总体满足需求，但空间聚集性与异质性随尺度扩大而加剧；2）ES流动(ESF)方向存在显著分化，休闲服务(OR)与作物生产(CP)呈城乡逆向流动，而水土保持(SC)等服务则沿自然路径输送；3）机器学习识别出自然生态因子在网格尺度主导供给，社会经济因子在县区尺度主导需求失衡。该研究为流域生态补偿与空间规划提供了可推广的多尺度治理路径。

　　

随着人类活动对自然生态系统影响的持续加剧，全球范围内生态系统服务（ES）的供给与需求之间出现了日益严重的空间失衡。这种失衡在生态敏感性与经济发展压力交织的区域尤为突出，山西黄河流域（SYRB）正是此类典型区域。该地区作为国家能源基地，长期面临生态保护与工业开发的尖锐矛盾，上游水源涵养区与下游城市群之间的ES流动路径复杂，而行政边界与生态边界的不匹配进一步加剧了治理困境。传统研究多局限于单一尺度的静态评估，缺乏对ES跨尺度传递机制及驱动因素的动态解析，导致管理策略往往难以落地。

为解决这一难题，Wu Shurong、Li Ruobin等研究人员在《iScience》发表了题为“Scale-dependent drivers of ecosystem service supply-flow-demand couplings in the Shanxi Yellow River Basin, China”的研究。团队以2020年SYRB的六类关键ES（栖息地质量HQ、土壤保持SC、休闲服务OR、产水量WY、碳固存CS、作物生产CP）为对象，构建了“网格（1 km²）-流域-县区”三尺度嵌套分析框架，结合冗余分析（RDA）与XGBoost机器学习模型，揭示了ES供给-流动-需求（SFD）耦合关系的尺度效应及驱动机制。

研究主要技术方法包括：1）基于InVEST、RUSLE等模型量化ES供给，结合人口加权分布法评估需求；2）通过改进的引力模型与断点公式模拟ES流动路径，区分自然路径（如水文通道）与人为路径（如交通网络）；3）利用Spearman相关网络分析ES间的权衡-协同关系；4）采用地理探测器和机器学习解析社会生态因子（如NDVI、GDP、人口密度）对ESSD的多尺度影响。

多尺度下ES供给与需求的空间匹配特征

研究发现，HQ、SC、OR、WY和CS的供给高值区集中分布于西北部吕梁山与东南部太行山生态功能区，而CP主导中部平原地带。需求则呈现以城市为核心向外辐射的格局，高值区与人口密度、GDP分布高度吻合。ES供给-需求比（ESDR）分析表明，除CP外多数ES在流域内可实现自给，但错配程度随尺度扩大而加剧：网格尺度能捕捉局部异质性（如山区与河谷的SC差异），流域尺度因水文单元整合使上下游互补性增强，而县区尺度则清晰暴露了城市群ES赤字问题（如太原、临汾核心区）。

ES权衡-协同关系的尺度演变

相关分析显示，HQ与CS在所有尺度均呈现最强协同效应（相关系数>0.8），而HQ与CP则表现为显著权衡。随着尺度从网格扩大到县区，ES间相关性强度整体提升，且CP与其他ES的权衡效应被放大。值得注意的是，ES需求层面的协同关系（如HQ与CP需求同步增长）在ESDR层面逆转为权衡，反映出区域资源分配的内在矛盾。

生态系统服务流动的路径模拟

ES流动模拟揭示：HQ与CS通过大气、生物迁移等途径呈多向扩散；SC与WY沿河流自然路径单向输送；OR与CP则依赖交通网络进行人为驱动流动。其中，OR呈现“需求区向供给区主动靠近”的独特模式（如城市居民前往山区休闲），而其他ES主要从生态功能区流向城市集聚区。流域尺度上，ES流动连接了上游水源区（Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ子流域）与下游城市群（Ⅳ、Ⅴ子流域），县区尺度进一步凸显了核心城市对周边ES的吸纳效应。

社会生态驱动因子的尺度分异

机器学习模型识别出温度、降水、NDVI、GDP和人口密度为关键驱动因子。自然因子（如NDVI、降水）在网格尺度主导ES供给，而社会经济因子（如GDP、人口密度）在县区尺度对需求失衡的影响显著增强。因子交互作用显示，地形与人类活动的组合效应对ES空间分异解释力最强（q>0.5）。例如，高人口密度区域通过侵占生态空间加剧了WY、CS等调节服务的赤字。

结论与启示

本研究通过多尺度SF_D耦合框架，系统性解析了SYRB地区ES动态的尺度依赖规律，并提出分层治理策略：1）针对扩散型ES（如CS、HQ），建立跨区域生态补偿机制，依据ES流动量量化下游对上游的补偿标准；2）对路径依赖型ES（如WY、SC），强化流域纵向补偿，重点维护上游水源区生态功能；3）在网格尺度保护自然流动通道，县区尺度优化土地利用布局，严格划定生态保护红线。该框架为全球类似流域的生态治理提供了可迁移的方法论支持，尤其对协调生态安全与区域发展矛盾具有重要实践意义。

研究的局限性在于未涵盖时间动态分析，且ES流动模拟未完全纳入人为干扰因子（如政策、文化）。未来需结合长期观测数据，进一步揭示ES流动的时空演化机制，为动态适应性管理提供支撑。