黄河流域天然林与人工林水土保持的时空演变及驱动机制

《Scientific Reports》：Spatiotemporal evolution and driving mechanisms of soil conservation in natural forests and plantations of the Yellow River Basin

　　**摘要**黄河流域森林生态系统在维持区域生态安全和水土保持（SC）方面发挥着关键作用。然而，天然林与人工林对水土保持的贡献及其变化背后的驱动机制仍缺乏充分理解。本研究整合了土地利用、植被、地形和气候等多源数据集，利用生态系统服务与权衡的集成评估（InVEST）模型量化水土保持，并通过空间分析和极端梯度提升–Shapley可加解释（XGBoost-SHAP）框架探讨其驱动机制。结果表明，2000年至2020年间，黄河流域森林总面积从7.98×10? km2增至11.08×10? km2，增幅达38.8%。人工林的扩张是此次森林增长的主要来源，然而，森林类型的转变可能会显著改变生态系统结构和生态功能。流域水土保持呈现持续增长趋势。天然林的水土保持在2000–2010年间增长了17.72%，随后趋于稳定；而人工林在两个时期分别增长了108.95%和54.75%，成为水土保持总体提升的主要贡献者。空间上，在流域上游和中游，天然林的水土保持高于人工林；而在下游地区，人工林的水土保持高于天然林，凸显了森林类型和空间分布格局对生态功能的重要影响。驱动因素分析显示，年均降水量、地表粗糙度和坡度是两类森林共同调控水土保持的因子，表明水分可利用性和地形侵蚀过程在塑造水土保持格局中起着主导作用。然而，不同类型森林之间表现出不同的生态响应。在天然林中，净初级生产力和树高对水土保持的贡献更强，而在人工林中，树高和叶面积指数是水土保持的主要驱动因子。这些发现表明，天然林的水土保持与其长期的演替发育、较高的生产力和更强的结构完整性密切相关，而对人工林而言，优化林分结构对于提升水土保持能力至关重要。在黄河流域水分可利用性的约束下，应优先保护天然林的生态完整性，并通过优化树种选择和林分结构管理来提高人工林的生态系统服务功能和水分利用效率。本研究为水分限制区域的生态修复和森林管理提供了有价值的参考。