生态系统服务是指生态系统形成和维持的人类赖以生存发展的环境条件与效用。据联合国千年生态系统评估报告，全球生态系统服务评估的24项服务中，15项正在退化。水资源短缺、水土流失、沙漠化、生物多样性减少等一系列生态问题对我国生态安全造成严重威胁。生态系统服务的形成依赖于一定的空间和时间尺度上的生态系统结构与过程，使生态系统服务烙上了鲜明的尺度特征；不同尺度下的生态系统服务关系的不同，驱动机制也有所不同，由此导致了不同的生态系统管理策略。开展生态系统服务评估研究，探讨生态系统服务演变特征及调控机制，对生态系统管理，保障生态安全具有重要意义。

    黄土高原是我国水土流失最为严重的地区，降雨少而集中、黄土层深厚、地貌复杂、植被破坏等使黄土高原生态建设面临严峻的威胁。生态环境的恶化导致生态系统服务提供能力受到影响，使当地社会经济良性发展受到制约。近年来实行的一系列生态保护政策，尤其是退耕还林还草工程的实施，使黄土高原植被得到恢复，水土流失有所控制，生态环境得到一定程度的改善。本研究以黄土高原地区和延河流域沟壑区为研究区，基于模型对泥沙调控、产水服务/水源涵养、NPP生产三项服务进行了评价，并对不同尺度下三种服务的关系进行了探讨；采用典型相关分析方法，对生态系统服务驱动因素及其尺度特征进行了研究。具体包括以下内容：

(1)基于模型的黄土高原生态系统服务评估

采用InVEST模型对1975、1990、2000、2008四年黄土高原的泥沙调控和产水服务进行了评估；采用CASA模型对1990、2000、2008三年黄土高原NPP生产服务进行了评估。InVEST模型采用USLE (Universal Soil Loss Equation)计算泥沙截持，采用Budyko参数和年均降雨量计算产水服务。本研究对模块进行了改进，基于土壤质地利用EPIC模型计算土壤侵蚀性K值，降雨因子R采用了CSLE中的半月降雨量方法；产水量中潜在蒸散发Et0的计算采用了Penman-Monteith方程；CASA模型中多年时间序列蒸散发数据通过ETWatch方法计算。

本研究中用泥沙输出减少来表征泥沙截持服务。结果表明1975、1990、2000、2008四年泥沙输出都呈现出西北低、东南高的格局。从时间变化来看，泥沙输出从1975年的7.31ton/ha升到1990年的7.49ton/ha，略有增加；1990年后泥沙输出降低，从1990年的7.49ton/ha降到2000年的5.78ton/ha，进一步降至2008年的4.16ton/ha。总体上，1975-2008年间泥沙输出呈减少态势，表明泥沙截持服务得以加强。泥沙输出变化量呈现出复杂的空间格局；一方面，占整个黄土高原63.2%的南部区域表现出泥沙输出减少的态势；另一方面，在黄土高原东北和西北区域泥沙输出仍有局部加剧的现象。从当年现状及年际变化情况来看，泥沙输出呈现出随时间“空间均值化”的态势，即随着时间变化泥沙输出空间差异减少。

1975、1990、2000、2008四年黄土高原产水量也呈现出西北低、东南高的空间格局。平均产水量从1975年的869.41ton/ha降到了1990年的846.0ton/ha，进一步降到了2000年的546.0ton/ha，2008年产水量为609.2ton/ha。产水量增加的区域分布在黄土高原北部，约占41%；剩余的59%南部区域产水量下降。与泥沙截持类似，产水量也呈现出随时间空间差异减少的趋势。

1990、2000、2008三年NPP生产呈现出西北低、东南高的空间格局。与1990年和2000年NPP剧烈变化相比，2008年黄土高原NPP变化较缓和，大量中间值区域存在。1990，2000年NPP平均值基本恒定，约为7ton/ha/a，2008年增加至8.72ton/ha/a。1975-2008年间，黄土高原76.7%的地区NPP增加，23.3%的区域零星分布着NPP减少的区域。

采用SPSS11.5的皮尔逊相关性双尾检验对泥沙输出、产水量、NPP现状值和随时间变化值进行相关性分析，结果表明：泥沙输出与产水量无论是各年现状值还是多年变化量都呈正相关(r2=0.776**)。NPP与泥沙输出和产水量在各年现状值呈正相关，但多年变化量NPP与后二者则呈现负相关(r2分别为−0.422** 和−0.240**)。由于多年变化量可以有效地剔除本底值的影响，所以变化量关系更能客观反映不同服务的相互关系。产水量与泥沙截持呈现一定的权衡(tradeoff)的关系，NPP与泥沙截持呈现一定的协同(synergy)关系，NPP与产水服务呈现一定的权衡关系。

气候变化和土地利用是大尺度下生态系统服务变化的主要影响因素。相关性分析表明降雨的减少与产水量减少和泥沙输出减少有密切关系(r2=0.980**；r2=0.791**)。温度升高对产水量有负作用(r2=-0.350**)。耕地转换到林/草地与泥沙截持和NPP显示出很强的空间关联性(r2=0.313**和r2=0.488**)。

(2)生态系统服务变化及其驱动力的尺度特征

以黄土高原和延河流域两个尺度来研究生态系统服务变化及驱动力的尺度特征。延河流域生态系统服务中，泥沙截持采用了RUSLE方法，水源涵养采用了综合蓄水能力法，NPP生产采用CASA模型。考虑到数据来源问题，只对两个尺度下2000和2008两年的服务进行了计算。

在黄土高原尺度上，泥沙输出、产水、NPP生产均呈现出相似的西北低、东南高的格局。2000-2008年间整个黄土高原地区泥沙调控功能有所增强，体现在平均泥沙输出从2000年的5.78ton/ha降至2008年的4.16ton/ha。空间上，黄土高原南部地区泥沙调控有所增强，而北部与西部则有所减弱。2000-2008年间产水服务加强，从1090.92ton/ha增加到了1218.44ton/ha。产水服务增强的区域位于黄土高原南部，而北部区域则表现为产水服务减少。NPP方面，与2000年相比，2008年中间值区域有所增加。2000-2008年间，整个黄土高原NPP平均值由3.077ton/ha增加到3.926ton/ha；NPP减少区域主要呈零星状分布在黄土高原东南部及一些边缘地带。

在延河流域尺度上，生态系统服务的变化较为复杂：泥沙调控在2000年呈现出南高北低的格局，2008年则呈现出西高东低的格局。2000-2008年间，延河流域泥沙调控服务总体上呈现出增加的趋势，由2000年的78.69ton/ha增加到2008年的113.55ton/ha，且增长趋势呈现出西北高东南低的空间格局。水源涵养在2000年呈现西北到东南递增的空间格局，2008年水源涵养空间格局略有变化，东北部分乡镇生态系统服务增强趋势明显。2008年比2000年水源涵养服务增加，由2000年的397.52ton/ha增加到2008年的651.37ton/ha，且呈现出由东北部呈放射形递减的格局。NPP生产2000年呈现出从西北到南部递增的空间格局，2008年东部NPP生产增加的趋势更加明显。2000-2008年间NPP生产服务大幅增加，由2000年的4.94ton/ha到2008年的11.06ton/ha，呈现出由西北到东南递增的空间格局。

生态系统服务的相互关系也呈现出明显的尺度特征，采用SPSS软件对生态系统服务的差值的相关性分析表明。与黄土高原尺度上泥沙输出与产水量呈显著正相关，固碳与二者相关性不强的情况相比。在延河流域小尺度上，泥沙截留与水源涵养呈正相关，而与NPP生产呈负相关。泥沙输出与产水量服务之间或泥沙截留与水源涵养之间高相关性的可能原因是共同的生态过程所驱使。在延河流域上泥沙截留与NPP的高相关性可能是由于植被类型有关，即NPP增长主要与乔木的关系密切，而灌木林和草地的配置更有利于泥沙的截留。

选取了一系列社会经济和自然因素作为生态系统服务驱动备选指标进行典型相关分析。结果表明：①在延河流域尺度上，2000年，第一个典型变量将水源涵养从其它服务中区分出来(0.943括号内为典型载荷，下同)；自变量组中对应的解释变量是年平均降雨量(0.814)。第二个典型变量将NPP生产从其它服务中分离出来(0.444)；与之对应解释变量是平均日照时数(0.763)。2008年，第一个典型变量将NPP生产分离出来(0.973)，对应解释变量为年降雨量(-0.827)和年均温(-0.848)。2000、2008年两年差值的第一个典型变量将土壤保持分离出来(-0.952)，对应的解释变量为年降雨量(-0.970)。②黄土高原尺度上，在2000年，第一个典型变量将产水服务从其它服务分离出来(0.998)，相应的解释变量为年均降雨量(0.975)。第二个典型变量将NPP生产从其它服务分离出来(0.534)，其对应的解释变量为坡度(0.715)、非农产值(-0.542)、人口密度(-0.503)。第三个典型变量将泥沙调控服务分离出来(0.675)，对应解释变量分别是粮食单产(-0.828)和农业产值(-0.699)。在2008年，第一个典型变量将产水服务区分出来(-0.986)，对应解释变量为年降雨量(-0.966)；第二个典型变量将NPP生产从其它服务分离出来(0.673)，对应解释变量为坡度(0.685)、人口密度(-0.472)、非农产值(-0.404)、年均温(0.381)；第三个典型变量将泥沙调控从其它服务分离开出(-0.344)，其对应的解释变量为粮食单产(0.777)、坡度(-0.559)。2000和2008年差值的典型相关分析的第一个典型变量将产水服务分离出来(0.998)，对应的解释变量为年降雨量(0.996)。第二个典型变量将NPP生产分离出来(0.998)，对应的解释变量为年均温(-0.916)；第三个典型变量将泥沙调控服务区分出来(0.783)，对应的解释变量为农业产值(0.709)。③综合分析表明：在较小尺度上，自然因素年降雨量、日照时数、温度、坡度是驱动泥沙截持、水源涵养、NPP生产的主要因素，其中又以降雨的作用最为普遍。随着尺度的加大，除自然因素如年降雨量和地形(坡度)对生态系统服务影响较大外，社会经济因素的驱动效果逐渐显现出来，其中尤以人口密度、农业产值、非农业产值、粮食单产等因素影响最为明显。