黄土高原典型丘陵沟壑区生态系统服务时空演变与驱动机制研究——以陕西延安为例

本研究针对黄土高原丘陵沟壑区生态系统服务（ESs）的协同与权衡关系，综合运用GeoDetector和地理加权回归（GWR）模型，揭示了1990-2020年水产量（WY）、土壤保持（SC）、碳汇（CS）和粮食生产（GP）的时空演变规律及驱动机制。研究发现，延安地区ESs整体呈协同增强趋势，政策通过土地利用变化间接调控ESs，为黄土高原生态治理与可持续发展提供了科学依据。

　　

黄土高原作为全球水土流失最严重的区域之一，其生态系统服务（Ecosystem Services, ESs）的可持续供给长期面临严峻挑战。延安作为典型的黄土丘陵沟壑区，自1979年率先实施退耕还林工程（GFGP）以来，虽显著改善了生态环境，却也引发了水资源短缺、耕地减少等新矛盾。如何平衡生态恢复与粮食安全、厘清自然-人类-政策多重驱动下的ESs交互机制，成为区域可持续发展的核心科学问题。

针对这一难题，陕西师范大学的研究团队以延安为研究对象，系统分析了1990-2020年间水产量（WY）、土壤保持（SC）、碳汇（CS）和粮食生产（GP）四大关键ESs的时空演变规律。研究创新性地构建生态系统服务综合指数（ESCI），结合地理探测器（GeoDetector）和地理加权回归（GWR）模型，揭示了多尺度驱动机制。相关成果发表于《Ecological Indicators》，为黄土高原生态治理提供了精准调控的理论基础。

研究采用多源数据融合与模型联用的技术路径：基于30米分辨率土地利用数据（1990-2020年）和1公里气象数据，运用InVEST模型量化WY、SC、CS；通过NDVI与县域统计数据的空间关联计算GP；采用马尔科夫转移矩阵分析土地利用变化；利用Theil-Sen斜率估计和Mann-Kendall检验评估ESs趋势；最后通过GeoDetector和GWR解析自然-人文因子的驱动效应。

研究结果显示四大核心发现：

1. ESs时空演变特征：1990-2020年，WY、SC、CS和GP均值分别增长5.6%、5.6%、-0.9%和37.6%，ESCI从0.56升至0.60。空间上WY、CS、GP呈南高北低格局，而SC分布较为分散。
2. 土地利用转型效应：退耕还林使林地面积增加12.3%，草地增加5.8%，同时沟道土地整治工程（GLCP）弥补了耕地流失，保障了GP增长。
3. 驱动机制解析：降水（q=0.85）和NDVI（q=0.82）是WY的主控因子；坡度（q=0.82）主导SC空间分异；NDVI与土壤质地共同调控CS；GP则受耕地比例（q=0.91）和化肥施用（q=0.61）驱动。政策通过改变森林/草地比例间接影响水文过程。
4. 协同-权衡关系：ESs间协同效应占比达68%，其中WY-GP协同性最强（R=0.72），SC-CS最弱（R=0.18）。空间上协同区集中于植被覆盖高的南部，权衡区则分布在人类活动密集的西北部。

讨论部分指出，延安的生态治理成效显著体现在三方面：一是植被恢复使SC效率提升，二是沟道整治实现了"增地不减产"，三是政策组合（GFGP+GLCP）缓解了生态-粮食冲突。但研究也警示，过度造林可能导致土壤干化，未来需优化植被配置模式。该成果的创新价值在于：

1. 构建了"自然-人文-政策"三元驱动解析框架，突破传统单因素分析局限；
2. 提出ESCI指数实现多服务协同评价，为生态系统健康诊断提供新工具；
3. 证实了黄土丘陵区"梯田-林地-草地"优化配置的可行性，为全球类似脆弱生态区治理提供范式。

这项研究不仅为黄土高原生态保护与高质量发展提供了决策依据，更启示我们：在气候变化与人类活动双重压力下，未来生态工程需兼顾短期效益与长期可持续性，通过智能监测与动态调控，实现"绿水青山"与"金山银山"的协同共赢。