基于多尺度非线性响应的生态系统服务供需协调管理及其权衡

《Journal of Environmental Management》：Coordinated management of ecosystem service Supply–Demand and trade-offs based on nonlinear responses across multiple scales

　　

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  生态系统服务（ES）的赤字和更强的权衡主要出现在城市化地区和西北部（LP）。
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  基于ESDR的分区划分在多个行政层级上划分了4、5和6个子区域。
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  CESDR通常对森林和草地的比例表现出驼峰形响应。

引言

生态系统服务（ES）的供需平衡对于维持生态系统的稳定性和环境的可持续性至关重要（Liu等人，2026年）。 several联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 2、SDG 6、SDG 7和SDG 15，都依赖于ES的可持续供应（Tian等人，2025a）。然而，这种平衡日益受到破坏，全球近60%的生态系统服务经历了不同程度的退化（IPBES，2022年）。资源禀赋和人类需求的时空异质性导致了特定尺度或时间段内ES供需的广泛不匹配（Tian等人，2025b；Li等人，2026a）。

理解ES供需的动态演变对于可持续的生态系统管理和合理的资源分配非常重要。现有研究揭示了ES研究中显著的尺度效应，不同空间范围和分辨率下的研究结果存在差异（Larondelle和Lauf，2016；Yan等人，2025；Zhao等人，2025）。单尺度评估可能无法充分捕捉现实世界的复杂性（Roces-Díaz等人，2018；Pereira，2020）。尽管许多研究进行了多尺度评估，但不一致的空间划分方法（包括行政单位、流域和规则网格）常常阻碍了有意义的比较和结果在不同尺度间的转移（He等人，2023；Zhang等人，2026）。

现实世界中的生态系统是复杂的适应性系统，具有非线性和多个稳定状态，这些特性无法通过简单的线性模型完全表示（Berdugo等人，2022；Li等人，2026b）。最近的研究越来越多地采用非线性方法，如广义加性模型（GAMs）和可解释的机器学习方法，来量化复杂的生态响应（Han等人，2026；Yuan等人，2026）。非线性响应可以揭示关键生态因素的响应特征，为生态系统管理提供有用的见解（Wang等人，2026；Wu等人，2026）。然而，大多数研究将单个ES的供需状况作为因变量，这限制了对多个ES之间权衡和协同作用机制的理解。鉴于ES之间存在内在的权衡，实现多个服务的平衡发展仍然具有挑战性（Zeng等人，2023；Lyu等人，2024）。因此，综合管理策略应同时考虑ES供需平衡和权衡，以支持区域生态可持续性（Wang等人，2024）。本研究采用综合视角，探讨了整体ES供需平衡和对社会生态驱动因素的非线性响应。

黄土高原（LP）具有复杂的地貌和显著的生态异质性，是一个典型的生态脆弱区域。在过去二十年里，密集的生态恢复和快速的城市化推动了该地区的深刻生态转变，加剧了ES供需之间的空间不匹配（Hui等人，2025）。因此，以LP作为研究区域，本研究开发了一个综合框架来支持ES供需和权衡的管理。具体来说，本研究旨在：（1）描述多个尺度上ES供需平衡和权衡/协同关系的空间模式；（2）基于ES供需组合划定生态管理区域；（3）描述特定区域的非线性响应，并对关键社会生态驱动因素（SEDs）建模ES供需平衡和权衡的临界点。通过整合多尺度模式分析、生态分区和非线性响应分析，该框架加深了对ES供需动态的理解，并为LP的生态管理提供了见解。

章节片段

研究区域

黄土高原位于中国中北部（100°54′–114°33′E, 33°43′–41°16′N），覆盖7个省份的341个县，面积约为640,000平方公里（图1a）。该地区地形多样，包括山地、丘陵和平原，海拔范围从84米到5206米，呈现出明显的从西北到东南的梯度（图1b）。黄土高原具有大陆性季风气候，年平均气温为4–14℃，年降水量为150–820毫米（Zhang等人，2021）。自20世纪90年代以来

多尺度生态系统服务供需模式和相互作用

除非另有说明，否则结果是在行政尺度上呈现的，相应的流域和网格基础结果在支持信息中提供（图S2–S5）。CESDR结果显示整个LP的ES供应总体过剩，东南部的值较高，西北部的值较低。不平衡区域从城市核心向周边地区扩展（图3a）。五种ES的匹配状态不同，顺序如下

生态系统服务供需模式和相互作用

ES供需平衡是区域可持续性潜力的重要指标（Deng等人，2021）。本研究探讨了其在LP多个尺度上的空间模式和相互作用。CESDR显示了不同土地利用类型（LULC）之间的明显梯度，按以下顺序递减：森林>草地>耕地>未利用土地>建筑用地>水体（表S7）。高剩余区域主要集中在LP的东南部，那里有广阔的自然和半自然森林景观

结论

本研究开发了一个综合框架，结合了多尺度模式分析、基于ESDR的分区划分和非线性响应评估，来研究LP中的ES供需动态。CESDR和ES_权衡表现出从东南到西北的梯度，过剩和协同作用区域集中在LP的东南部，而赤字和更强权衡则出现在城市化和西北部地区。多尺度评估揭示了明显的尺度依赖性特征，较粗的尺度能够捕捉到

CRediT作者贡献声明

Changyan Yin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，正式分析，数据整理，概念化。Weixiang Cai：撰写 – 原稿，概念化。Chenyun Bai：正式分析。Ziyan Chen：方法论。Xiaoyang Han：撰写 – 原稿。Yuanjun Zhu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Ming'an Shao：撰写 – 审稿与编辑。Jiangbo Qiao：撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（U24A20629、42377316、42307412和42007011）和中国高校科学基金（Z1090125022）的支持。

Changyan Yin|Weixiang Cai|Chenyun Bai|Ziyan Chen|Xiaoyang Han|Yuanjun Zhu|Ming'an Shao|Jiangbo Qiao