北洛河上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化與土地利用耦合關(guān)系研究

［關(guān)鍵詞］ 退耕還林（草）；土地利用；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；時(shí)空變化；北洛河上游；黃土高原

［摘 要］ 以北洛河上游丘陵溝壑區(qū)為研究區(qū)，借助2000年、2020年的地形、土地利用、植被和土壤等數(shù)據(jù)，運(yùn)用InVEST、CASA、RUSLE等模型研究植被恢復(fù)措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，分析產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用類型變化的耦合關(guān)系及不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性，結(jié)果表明：主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢(shì)，草地和林地則呈增加趨勢(shì)；植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤保持、生境質(zhì)量均呈增加趨勢(shì)，而產(chǎn)水量則呈減少趨勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)林地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高；產(chǎn)水量與其余3項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤保持、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和生境質(zhì)量之間均呈正相關(guān)關(guān)系。深入研究黃土高原地區(qū)退耕還林（草）背景下生態(tài)工程的實(shí)施成效及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，能為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供決策支撐。

［中圖分類號(hào)］ S157.1" [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.05.017

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的環(huán)境基礎(chǔ)，人類能從自然生態(tài)系統(tǒng)中獲取必要的物質(zhì)[1]，但是隨著人類活動(dòng)極大地改變了生物圈，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生了明顯變化。特別是在干旱和半干旱地區(qū)，氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響容易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系失衡，迫切需要通過(guò)合理的生態(tài)恢復(fù)措施來(lái)恢復(fù)和加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此，近年來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用關(guān)系成為熱點(diǎn)，研究成果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)發(fā)展和改善人居、生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

黃土高原位于我國(guó)中部偏北，地理?xiàng)l件復(fù)雜、降水少且集中、植被稀少，特別是長(zhǎng)期不合理的人類活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)成為我國(guó)土壤侵蝕最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。為了防止水土流失，國(guó)家在黃土高原北洛河上游等區(qū)域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的植被恢復(fù)工程，短時(shí)間內(nèi)區(qū)域土地利用和植被覆蓋發(fā)生了顯著變化[2]，導(dǎo)致各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也發(fā)生了不同程度的變化：一些逐漸增加，如植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和土壤保持[3-4]；另一些則趨于減少，如產(chǎn)水量等[5-6]。明確各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化規(guī)律，厘清不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水土保持和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于此，本研究以北洛河上游丘陵溝壑區(qū)為研究區(qū)，借助地形、土地利用、植被和土壤等數(shù)據(jù)，運(yùn)用InVEST、CASA、RUSLE等模型研究黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，分析產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用變化的耦合關(guān)系及不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性，希望能為黃土高原地區(qū)土地利用調(diào)整、生態(tài)恢復(fù)工程建設(shè)等提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

北洛河發(fā)源于陜西省定邊縣草梁山，于大荔縣三河口進(jìn)入渭河，是黃河的二級(jí)支流，流域地理位置為東經(jīng)107°33′33″～110°10′30″、北緯34°39′55″～37°18′22″，覆蓋陜、甘兩省5地（市）18縣（區(qū)）。以北洛河上游黃土丘陵溝壑區(qū)（即吳旗水文站控制范圍以上）作為研究區(qū)，位置見圖1。研究區(qū)范圍內(nèi)北洛河干流長(zhǎng)294 km，流域面積3 408 km2，占北洛河流域總面積的12.7%；降水空間分布不均，降水量呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減的變化趨勢(shì)；黃土層深厚，抗侵蝕能力較差，是黃河中游粗泥沙主要來(lái)源區(qū)；自1997年響應(yīng)國(guó)家號(hào)召實(shí)施退耕還林（草）工程以來(lái)，流域內(nèi)植被覆蓋度顯著提高，水土流失狀況得到了明顯改善。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選擇4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，即產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力。選取2000年、 2020年研究區(qū)兩期衛(wèi)星影像，其中：2020年衛(wèi)星影像源自USGS（http：//glovis.usgs.gov），生成分辨率為30 m的土地利用地圖，土地利用類型分為耕地、草地、林地、建設(shè)用地和水域5類；2000年土地利用分類數(shù)據(jù)下載于黃土高原數(shù)據(jù)中心（http：//loess.data.cn），土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)與2020年相同。DEM數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/HYPERLINK\"http：//www.gscloud.cn/\"），數(shù)據(jù)精度為30 m。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自《陜西土壤志》，包括土壤類型、質(zhì)地、厚度、密度、可用含水量等。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.cnHYPERLINK\"http：//data.cma.cn\"）2000年、2020年相關(guān)數(shù)據(jù)，包括降水量、溫度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等日尺度數(shù)據(jù)。選取2000年、2020年分辨率為250 m的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，下載于NASA-USGS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中心（https：//lpdaac.usgs.gov）。

2.2 研究方法

基于柵格空間尺度，結(jié)合2000年、2020年研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用InVEST、RUSLE和CASA模型計(jì)算產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，分析其時(shí)空變化及與土地利用類型變化的關(guān)系；基于2020年估算成果，利用ArcGIS軟件進(jìn)行隨機(jī)采樣，共選取2 500個(gè)柵格點(diǎn)，采用因子分析法分析產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系。

2.2.1 產(chǎn)水量

采用InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊，基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)和年均降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)水量模擬。研究區(qū)土地利用類型j中柵格x的年產(chǎn)水量Yjx計(jì)算公式[7-8]為

Yjx=（1-Ajx/Px）×Px（1）

式中：Ajx為土地利用類型j中柵格x的年實(shí)際蒸散量，單位mm；Px為柵格單元x的年降水量，單位mm。

2.2.2 生境質(zhì)量

生境質(zhì)量是指生態(tài)環(huán)境能夠提供的適應(yīng)自然生態(tài)條件的能力，具有較強(qiáng)的地域性。生境質(zhì)量的高低能反映區(qū)域生境的破碎程度，以及對(duì)生境退化的抗干擾能力。基于InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊，根據(jù)景觀類型敏感性和外界威脅強(qiáng)度計(jì)算得到生境質(zhì)量指數(shù)，其值介于0～1之間。

閆瑞等：北洛河上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化與土地利用耦合關(guān)系研究

生境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算公式[3，9-10]為

Qxj=Hj×{1-[Dxjz/（Dxjz+kz）]}（2）

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為土地利用類型j的生境適合性；Dxj為土地利用類型j中柵格x所受脅迫水平；k為半飽和常數(shù)，通常取Dxj最大值的一半；z為歸一化常量，通常取2.5。

2.2.3 土壤保持

根據(jù)修正的通用土壤流失方程（RUSLE），土壤保持量計(jì)算公式[11]為

A=R×K×L×S×（1-C）×P（3）

式中：A為土壤保持量，單位t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕因子，單位MJ/（hm2·a）；K為土壤可蝕性因子，單位t·h/（MJ·mm）；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。各因子獲取方法見參考文獻(xiàn)[12-16]。

2.2.4 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力

基于CASA模型，將植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的估算轉(zhuǎn)化為對(duì)植被的光合有效輻射與光能利用參數(shù)的計(jì)算。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力Nxt計(jì)算公式[17-18]為

Nxt=Axt×εxt（4）

式中：Axt為柵格x在t月吸收的光合有效輻射，單位MJ/m2；εxt為柵格x在t月的實(shí)際光能利用率，單位g/MJ。

3 退耕還林（草）對(duì)北洛河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

3.1 土地利用類型時(shí)空變化

2000年、2020年研究區(qū)土地利用類型變化見表1，土地利用類型空間分布變化見圖2。由表1和圖2可知，2000—2020年研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢(shì)，草地和林地則呈增加趨勢(shì)。這種變化趨勢(shì)表現(xiàn)出與退耕還林（草）政策下人工植被重建恢復(fù)工程實(shí)施時(shí)間一致的特點(diǎn)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化

2000—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分布發(fā)生了明顯變化，見圖3。時(shí)間分布上，產(chǎn)水量呈減少趨勢(shì)，從2000年的27.47 mm減少至2020年的17.05 mm；土壤保持量、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、 生境質(zhì)量指數(shù)則呈增加趨勢(shì)，分別從2000年的10.83 t/（hm2·a）、1 846.28 g/m2、0.42，增加至2020年的29.0 t/（hm2·a）、4 445.30 g/m2、0.49。空間分布上，結(jié)合土

地利用和植被覆蓋度空間分布，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)生明顯變化的區(qū)域與土地利用和植被覆蓋變化位置接近，說(shuō)明退耕還林（草）等導(dǎo)致的土地利用變化是引起研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的重要原因。

3.3 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型和價(jià)值在不同土地利用類型上的分布具有一定差異。為便于對(duì)比分析，對(duì)2000年、2020年研究區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱的影響，根據(jù)土地利用類型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖4。在耕地、草地中，生境質(zhì)量和產(chǎn)水量是主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力次之，最后是土壤保持；林地中，生境質(zhì)量是最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；水域中，生境質(zhì)量是最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，產(chǎn)水量、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力次之，最后是土壤保持；建設(shè)用地中，產(chǎn)水量是主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2000—2020年，各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也發(fā)生了一定變化。不同土地利用類型對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貢獻(xiàn)大小不同，采用2000年和2020年的平均值排序?yàn)椋荷迟|(zhì)量，水域gt;林地gt;草地gt;耕地gt;建設(shè)用地；土壤保持，林地gt;草地gt;耕地gt;建設(shè)用地gt;水域；植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，林地gt;水域gt;草地gt;耕地gt;建設(shè)用地；產(chǎn)水量，耕地gt;建設(shè)用地gt;草地gt;林地gt;水域。總體來(lái)說(shuō)，在流域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)中，林地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)性分析

基于2020年遙感影像中2 500個(gè)柵格點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，采用因子分析法分析4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用。結(jié)果表明，Kaiser-Meyer-Olkin檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.662，P＜0.001，說(shuō)明4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在顯著相關(guān)性。其中，產(chǎn)水量與其余3項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤保持、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和生境質(zhì)量之間均呈正相關(guān)關(guān)系，見表2。

隨著退耕還林（草）等措施的實(shí)施，黃土高原一些地方的水土流失得到了有效治理，但是黃土高原地區(qū)本身水資源不足，是制約植被恢復(fù)的重要因素。在水資源匱乏的情況下，大量種植喬灌木會(huì)導(dǎo)致耗水量增加。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究表明，產(chǎn)水量與土壤保持之間的關(guān)系處于權(quán)衡之中，植被恢復(fù)得越好，土壤侵蝕控制效果越好，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致耗水量增加、產(chǎn)水量減少。從流域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，建議在植物栽植和水資源利用之間取得平衡，合理確定林草措施類型和面積。

4 結(jié)論

近年來(lái)在黃土高原北洛河流域?qū)嵤┑拇笠?guī)模的植被恢復(fù)工程在一定程度上改變了流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。研究結(jié)果表明：①2000—2020年主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢(shì)，草地和林地則呈增加趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)表現(xiàn)出與退耕還林（草）政策下人工植被重建恢復(fù)工程實(shí)施時(shí)間、區(qū)域一致的特點(diǎn)。②2000—2020年研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤保持、生境質(zhì)量均呈增加趨勢(shì)，而產(chǎn)水量則呈減少趨勢(shì)。不同土地利用類型對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貢獻(xiàn)大小不同，總體來(lái)說(shuō)林地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高。③產(chǎn)水量與其余3項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤保持、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和生境質(zhì)量之間均呈正相關(guān)關(guān)系。④從流域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，建議在植物栽植和水資源利用之間取得平衡，合理確定林草措施類型和面積，實(shí)現(xiàn)水資源高效分配和水土保持可持續(xù)發(fā)展。

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基金項(xiàng)目： 陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021JQ-330）

第一作者： 閆瑞（1988—），女，山西臨汾人，助理研究員，博士，研究方向?yàn)橥恋馗脖蛔兓c水文效應(yīng)。

通信作者： 張曉萍（1971—），女，河南焦作人，研究員，博士生導(dǎo)師，從事區(qū)域水土保持研究。E-mail： 43908521@qq.com

（責(zé)任編輯 李楊楊）

［引用格式］ 閆瑞，張曉萍，易海杰，等.北洛河上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化與土地利用耦合關(guān)系研究[J].中國(guó)水土保持，2024（5）：59-63.