Investigar los patrones de diferenciación espacio-temporal y los factores impulsores de la oferta y demanda de servicios ecosistémicos (SE) es de gran importancia para la alerta temprana de riesgos de desequilibrio ecosistémico e identificar conflictos de oferta y demanda de recursos naturales regionales. Este estudio toma como objeto de investigación el área típica de superposición carbón-grano (CGOA) en el este de China, dividiéndola en municipios mineros (MT) y municipios no mineros (NMT) para un análisis comparativo. Al integrar el modelo InVEST, el índice de relación oferta-demanda de SE (ESDR), el modelo de cuatro cuadrantes y el algoritmo XGBoost-SHAP, el estudio revela sistemáticamente las características de diferenciación espacio-temporal y los mecanismos impulsores de la oferta y demanda de SE desde 2000 hasta 2020. Los resultados indicaron que: (1) el servicio de producción de grano (GP) mantuvo un excedente continuo de oferta y demanda, con el ESDR de las áreas NMT superando al de las áreas MT en 2020. El ESDR del servicio de producción de agua (WY) fue significativamente influenciado por fluctuaciones interanuales en la oferta, mostrando déficits en varios años. La disminución del servicio de secuestro de carbono (CS) y el aumento brusco de las emisiones de carbono llevaron a una disminución continua en el ESDR del servicio de CS, con las áreas MT enfrentando un mayor riesgo de déficit de carbono. (2) La heterogeneidad espacial de la oferta y demanda de SE fue significativa, con los servicios de GP y CS exhibiendo una típica estructura espacial dual urbano-rural, y la región en general estaba dominada por el patrón de coincidencia oferta-demanda de SE de Tipo II (ESDM). El ESDR del servicio de WY generalmente disminuye de sureste a noroeste en toda la región, con el patrón de ESDM de Tipo IV dominando en la mayoría de los años. (3) Las actividades humanas son la fuerza impulsora central que da forma a los patrones de oferta y demanda de SE. Entre estas, la intensidad del uso del suelo exhibe un efecto no lineal, la alta densidad de población demuestra un efecto inhibitorio, y las áreas MT son más significativamente afectadas por el hundimiento causado por la minería del carbón. Los factores ambientales naturales impulsan principalmente el servicio de WY. Los hallazgos de la investigación pueden proporcionar una referencia científica para la asignación coordinada de recursos naturales regionales y el desarrollo sostenible del sistema humano-terra.