中国北方草地生态系统中水土保持服务的供需协调及其驱动机制

《Journal of Environmental Management》：Supply–demand coordination of soil conservation services and its driving mechanism in grassland ecosystems of northern China

　　

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  构建了草地水土保持的耦合协调框架。
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  供给增加与需求下降共同促进了生态盈余。
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  耦合协调度随生态供需比的增加呈现非线性增长趋势。
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  自然因素主导了草地水土保持的供需驱动。

引言

生态系统服务（ES）是指人类从自然生态系统中获得的物质产品和调节效益的总和（Costanza等，1997）。ES的供给是指生态系统在特定时期内维持服务产出的潜在能力（Burkhard等，2012），而其需求则反映了人类社会对这些服务的实际消耗或潜在依赖（Wei等，2023）。在各类ES中，调节服务对维持生态平衡至关重要。作为关键的调节服务，水土保持在控制土壤侵蚀、维持土地质量和确保生态恢复项目有效性方面发挥着重要作用。全球范围内，约三分之一的陆地面积目前受到严重土壤侵蚀的影响（Borrelli等，2017），这一挑战因气候变化加剧和人类活动强化而进一步恶化。这些压力共同导致ES供给下降和需求增加，从而造成日益严重的失衡（Wang等，2022）。因此，研究水土保持服务的供需动态对于准确识别生态赤字和制定有针对性的差异化管理策略至关重要。

针对ES的单服务评估已逐步发展为对多种服务之间的权衡、协同以及供需空间匹配的综合分析（Xu J.等，2025）。这一范式转变反映了从关注生态系统服务能够提供什么，到探索何种策略能够平衡人类需求与生态供给的根本转变（Yahdjian等，2015）。因此，在定量评估技术、供需协调机制和驱动因素分析等方面已取得显著进展（Chen等，2025；Huang等，2025；Liang和Zhang，2025）。

在水土保持服务评估方面，基于通用土壤流失方程（USLE）和修正通用土壤流失方程（RUSLE）及其改进模型的定量评估已逐渐成熟，并广泛应用于流域和行政级别的水土管理（Borrelli等，2017）。为弥补以往研究局限于供给评估的不足，近期研究引入了生态供需比（ESDR）、供需差和服务盈余等创新指标，初步刻画了供需关系的结构状态（Baró等，2016）。然而，现有研究仍严重偏向供给侧，对ES需求的动态演变和空间异质性特征的认识有限。这种不平衡制约了对供需错配的空间精准识别，削弱了政策干预的有效性和针对性。

在供需协调评价方面，耦合协调度（CCD）模型已成为衡量生态系统中水土保持服务供需协调水平的核心工具（Lai和Qi，2025；Shi和Wei，2024）。遥感（RS）时间序列数据的引入为动态监测提供了技术支持。一些学者尝试将这些数据结合，探索供需协调关系的时序演变特征（Huang等，2024；Qiu等，2025；Yang L.等，2025）。现有大多数模型依赖静态阈值和线性假设，限制了其捕捉生态系统与人类社会之间非线性和反馈驱动相互作用的能力。关于供需关系的驱动机制，当前研究主要强调气候变化和人类活动的独立效应（Tian等，2025）；然而，变量选择仍然狭窄，不足以反映复杂的相互作用或空间分异。因此，在协调的供需评估、非线性耦合机制、关键驱动因素的阈值识别以及空间异质性的显式表征方面仍存在关键空白。此外，大多数现有研究聚焦于森林或农业系统（Górriz-Mifsud等，2016；Roberts等，2021），而对草地生态系统——尤其是生态脆弱区的草地生态系统——的关注相对较少，尽管其对土壤侵蚀和土地退化的脆弱性很高。

在中国北方，草地生态系统不仅是抑制沙尘暴、固定流动沙丘和保持水土的关键生态屏障，还是重要的河流源头区和关键的水源涵养区（Bai等，2020）。其生态功能在保障国家生态安全方面占据着不可替代的战略地位（Yang和Liu，2025）。尽管近几十年来，由于大规模生态恢复项目旨在应对全球变暖和湿润化加剧，区域生态条件有所改善，但气候变化与人类活动的双重压力仍持续导致草地退化、生物多样性丧失和土壤侵蚀等一系列问题，威胁着草地生态系统的健康（Harris，2010）。

在此背景下，水土保持服务的供需失衡日益凸显（Zhou等，2025）。虽然以往研究考察了中国北方草地中植被恢复和水土保持措施的效果，但大多数研究侧重于静态评估，缺乏对ES供需时空演变格局、协调水平及多尺度驱动机制的系统分析（Cao等，2020；Lv等，2026）。在复杂的人地相互作用机制下，对自然因素和人类干预如何共同塑造供需协调格局及其空间异质性的定量识别仍探索不足。

基于上述背景，本研究聚焦中国北方草地生态系统，探讨长期内水土保持服务的供需关系及其驱动机制。我们整合了连续遥感数据（2000-2023）与RUSLE模型、CCD模型、机器学习（ML）方法和地理加权回归（GWR），系统评估了供需格局、协调特征及多尺度驱动机制。具体而言，我们旨在解决三个核心问题：①水土保持服务的供需关系时空演变格局是什么？②如何定量刻画供需之间耦合协调度（CCD）模型的时空动态？③驱动水土保持服务供需协调的关键因素是什么，其空间效应如何变化？

章节摘要

研究区域

中国北方的草地是欧亚草原带向东延伸的重要组成部分，也是中国天然草地资源的主要主体。地理上，它覆盖内蒙古、新疆、青海、甘肃、四川、西藏、宁夏、陕西、山西、河北、辽宁、吉林和黑龙江等13个省（自治区）（图1），占中国天然草地总面积的85%以上（Bai等，2020；Tuo等，2024）。

水土保持供需的时空变化

从2000年到2023年，我们观察到中国北方草地生态系统水土保持供需发生了显著的时空变化。总体而言，水土保持的供给能力呈持续增长趋势，从2000-2006年的182.94 t/hm²增至2012-2023年的192.14 t/hm²。相比之下，水土保持需求呈波动的下降趋势，从2000-2006年的13.11 t/hm²降至2012-2023年的11.19 t/hm²。与此同时，ESDR

北方草地生态系统中水土保持服务供需的空间匹配格局

结果表明，2000年至2023年间，中国北方草地生态系统中水土保持服务的供需关系发生了显著且正向的转变。总体而言，供给能力呈上升趋势，而需求强度则呈波动下降趋势。因此，ESDR缓慢增长，反映出区域生态系统服务功能的整体增强以及逐渐趋向生态盈余的状态。这一结果

结论

本研究系统调查了2000年至2023年间中国北方草地水土保持服务的供需协调及其时空演变。ES的供需结构持续优化，导致生态盈余逐渐扩大。在研究期内，水土保持服务的供给呈持续上升趋势，而需求则波动并总体下降。因此，总体

CRediT作者贡献声明

Jing Cheng：撰写——初稿，形式分析，数据管理，概念构思。Rentao Liu：撰写——审阅与编辑，资金获取。Peng Wang：软件，方法论。Wenzhi Zhao：撰写——审阅与编辑。Marcelo Sternberg：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（U25A20765；32360318）、宁夏自然科学基金（2023AAC01002; 2026AAC020018）、中央引导地方科技发展专项经费（2024FRD05049）以及宁夏科技创新团队项目（2024GKLRLX15; 2025RXTDLX01）的资助。

Jing Cheng|Rentao Liu|Peng Wang|Wenzhi Zhao|Marcelo Sternberg