變化環境影響下張承地區水源涵養和土壤保持服務及其權衡與協同關系研究

王 盛,李亞文,李 慶,胡世雄,王金鳳,李文靜

1 山西師范大學地理科學學院, 太原 030000

2 河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發應用工程技術研究中心, 石家莊 050011

3 賓夕法尼亞州立東斯特勞斯堡大學地理系, 東斯特勞斯堡 18301- 2999

生態系統服務是人類通過生態系統直接或間接獲取的各種效益,主要分為供給、調節、支持及文化服務四種類型[1—2]。它是人類可持續發展的基礎,也是國家與區域生態安全的戰略保障[3—4]。近年來,隨著工業化和城鎮化的快速發展,人類活動加劇,全球生態系統服務一直處于不斷退化中。千年評估報告指出全球24項生態系統服務中,有15項正在退化[5]。當前,生態系統服務評估研究已成為地理學、生態學等多學科的熱點和前沿。水源涵養和土壤保持服務作為重要的生態系統調節服務,在調節徑流、涵蓄土壤、減少水土流失、補充地下水等方面具有重要影響[6—7],并且在生態系統的能量流動、物質循環等環節發揮著不可忽視的作用[8]。由于生態系統服務的復雜性及差異性,常常表現出此消彼長的權衡關系及同時增強或減弱的協同關系[9]。因此,準確評價水源涵養和土壤保持服務及其權衡與協同關系,對于促進區域可持續發展,推進生態安全,提高人類福祉具有重要意義[10]。

張家口-承德地區(張承地區)作為京津冀地區重要的生態屏障,在風沙防治、環境凈化、保持水土以及涵養水源等方面具有重要的作用。2018年,河北省政府劃定“生態保護紅線”,指出冀北燕山山區、承德壩上高原東北部地區主要發揮著水源涵養、土壤保持功能[11],進一步明確了張承地區對于京津冀地區生態服務的重要功能。近年來,張承地區廣泛開展了“水源涵養林”建設等一系列生態治理工程,在減少水土流失等方面成效顯著,但其環境問題尚未根本解決,部分地區仍存在生態退化現象。隨著京津冀一體化以及第24屆冬季奧林匹克運動會在北京、張家口市的聯合舉辦,張承地區成為社會關注熱點并將迎來新一輪的發展契機,但區域發展與生態保護如何協調的問題也亟待解決。

生態系統服務的早期評估存在研究對象單一、評價標準不同、結論片面等問題[12—13],為滿足定量評估的需求,InVEST、SoLVES、ARIES和SWAT等多種評估模型相繼出現,其中InVEST模型具有驅動數據易獲取、參數調整簡便、結果可視化等優點,應用最為廣泛[14—16]。運用InVEST模型,鞏飛等[17]定量評價了張北壩上地區水源涵養功能的空間分布特征,發現林地的水源涵養能力最強,旱地的水源涵養總量最大,水源涵養總量空間分布不均勻。李怡穎等[18]估算了張家口市1981—2015年水源涵養量并對其時空變化特征進行分析,結果表明水源涵養量呈微弱下降趨勢,空間上表現為康保、宣化周圍區縣增加,沽源、蔚縣等減少。許丁雪等[19]估算張家口-承德地區土壤保持量,發現灌木林地的土壤保持能力最強。隨著研究的深入,學者們開始關注不同生態系統服務之間的復雜關系。劉華妍等[20]運用SPSS相關分析法發現北京市水源涵養和土壤保持服務之間存在顯著權衡關系。王曉萌[21]運用局部空間自相關法分析河北省縣域尺度下土壤保持與農作物生產的權衡/協同空間集聚特征,發現協同關系主要分布在隆化、灤平和康保縣；權衡關系在蔚縣、陽原縣較為集中。張宇碩和吳殿廷[22]研究表明,京津冀地區水源涵養與土壤保持服務在區縣尺度上表現出明顯的協同關系,土地利用是生態系統服務的主要影響因子,且影響程度呈上升趨勢。

目前,對于張承地區生態系統服務的研究,主要集中在水源涵養、土壤保持服務的時空變化評估以及土地利用因子影響,缺乏氣候因素對生態系統服務的影響及未來預測的綜合性研究；在權衡協同關系研究中,主要基于統計關系的數量分析,缺乏空間內部異質性的精細描述。因此,本研究以生態分區及生態功能區為單位,利用InVEST模型的產水和土壤保持模塊模擬了2000—2019年張承地區水源涵養、土壤保持2種生態系統服務,分析時空變化特征；從空間像元尺度上評估二者的權衡與協同關系。在此基礎上,設立多種情景定量討論氣候變化對水源涵養和土壤保持服務的影響程度；利用CA-Markov模型,模擬2030年自然發展、生態保護和規劃控制3種情景下的土地利用結構,評估土地利用變化對水源涵養和土壤保持服務的影響。為未來張承地區的健康發展提供科學指導,使其更好地發揮對京津冀地區的生態保護作用,促進人地關系和諧發展。

1 研究區概況

圖1 張家口-承德地區(張承地區)的地理位置及生態分區概況 Fig.1 Location and ecological zone in Zhangjiakou-Chengde area

張承地區(39°18′—42°37′N, 113°50′—119°15′E, 圖1)位于河北省北部,毗鄰北京市,占地面積7.6×104km2。地貌以高原、山地、丘陵為主,地勢由西北向東南傾斜。氣候類型以溫帶大陸性季風氣候為主,冬冷夏熱、水熱同期。區域水資源豐富,河流眾多,主要有永定河、潮白河、遼河、大清河、灤河、大凌河、北三河、內陸河等,大多屬于海河流域上游河段。依據中國生態系統評估與生態安全數據庫(http://www.ecosystem.csdb.cn/index.jsp),結合地區地貌及植被類型,將張承地區劃分為3個生態區和14個生態功能區(表1)。其中(A)壩上高原草原與農業生態區地勢由南向北降低,年均溫-0.3—3.5℃,年降水量340—450mm,多大風,西部多為栗鈣土,東部多為黑沙土和灰色森林土,水資源缺乏,該區超載放牧導致草地退化、水土流失問題嚴重。(B)冀北及燕山山地落葉闊葉林生態區以低山、丘陵為主,年降雨量600—700mm,水資源豐富,為灤河、潮白河等水系的上游或發源地,植被種類繁多,是水源涵養和土壤保持的重點地區。(C)永定河上游山間盆地林農草生態區以盆地和低山丘陵為主,年均溫10℃以上,年降水量380—510mm,該區主要生態問題是土壤侵蝕、水土流失[23—24]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究的基礎數據包括氣象、水文、DEM、土地利用和土壤等資料。氣象數據源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/),包括2000—2019年研究區周邊30個氣象站點的日尺度降水、潛在蒸發數據；水文水資源數據主要來源于河北省和海河流域水資源公報,用于InVEST模型產水模塊的參數率定；DEM來源于中國科學院地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),為SRTM 90m分辨率柵格數據；土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),包括2000、2005、2010、2015、2018年5期空間分辨率100m×100m的柵格數據,劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類；土壤數據包括土壤類型圖和土壤屬性數據,由中國科學院南京土壤所的中國1∶100萬土壤數據庫獲得。

表1 張家口-承德地區(張承地區)生態區及生態功能區

2.2 研究方法

2.2.1InVEST模型產水和土壤保持模塊

InVEST模型產水模塊以氣象、土地利用類型、土壤及其它數據為基礎,廣泛應用于供水服務。產水量與地形指數、土壤飽和導水率、徑流流速系數等參數結合可計算出最終的水源涵養量[25—26]。模型的主要算法:

(1)

(2)

(3)

(4)

TI=Log(D/S·P)

(5)

WC=min(1,249/V)·min(1,0.9·TI/3)·min(1,K/300)·Y

(6)

式中,WCxj和Yxj為柵格x中土地利用類型j的年水源涵養量(mm)和產水量(mm)；AET為年實際蒸散發量(mm),Px為年降水量(mm),氣象數據采用ANUSP-LIN42模型空間插值得到；ωx為無量綱參數,表示植被年需水量與年降水量的比值；Rxj為潛在蒸發量(ETox)與降水量(Px)的比值,即Budyko干燥度指數[25]；Z為季節常數,取值范圍一般在0—30之間,根據《河北省水資源公報》中張承地區地表水資源總量率定確定；AWCx為植物有效含水量(mm),利用非線性擬合土壤AWC估算模型得到[27]；Kxj為植被蒸散系數,S為土壤深度(mm),取值借鑒海河流域和河北省相關研究成果[15,28]；TI為地形指數,無量綱；D為區域匯水量,無量綱；P為坡度比；V代表流速系數；K代表土壤飽和導水率(cm/d)。

土壤保持是地表植被對水土流失量的降低,也是對研究區上游泥沙的攔截。在InVEST模型中考慮了地塊攔截上游沉積物的能力,土壤保持量為土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分的總和。土壤侵蝕減少量為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差,其中潛在土壤侵蝕量為無植被覆蓋和任何水土保持措施下的土壤侵蝕量,實際土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和水土保持措施下的土壤侵蝕量。模型的主要算法為:

SEDRETx=Rx·Kx·LSx·(1-Cx·Px)+SEDRx

(7)

(8)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(9)

式中,SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量(t)和泥沙持留量(t)；USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際土壤侵蝕量(t)；SEx代表泥沙持留效率；Rx為降水侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),利用Wischmeier公式基于月降水量和年降水量計算[29]；Kx為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1),利用Williams等建立的公式計算[30]；LSx為坡度坡長因子,無量綱；Cx和Px分別為植被與經營管理因子和水土保持措施因子,借鑒河北省相關研究成果[15],對C、P因子賦值,如表2。

表2 不同土地利用類型的植被經營管理因子C和水土保持措施因子P[15]

2.2.2權衡和協同關系計算方法

權衡關系是指一種生態系統服務隨其他生態系統服務的增加而減少、或者隨其他生態系統服務的減少而增加,呈現出此消彼長的關系；協同關系是指兩種生態系統服務具有同樣的上升或降低趨勢,一種服務的增加會對另一種服務產生一定的促進和增幅作用。采用逐像元偏相關的時空統計制圖方法定量評估生態系統服務之間的相互關系[31],不僅可以研究生態系統服務連續的時間演變規律,還可以對其相互關系進行明晰的定量制圖。具體計算步驟為：

(10)

(11)

式中,ES1與ES2分別代表2種生態系統服務；r為ES1與ES2之間的相關系數,若r>0,表明生態系統服務之間存在協同關系,r<0存在權衡關系,r=0則無相關關系；i、j分別代表柵格數據中像元的行、列號；n為柵格數據的時間序列。r12(ij)代表降水量發生變化時,ES1與ES2在像元ij上的相關系數,同理求得r13(ij)、r23(ij)；r代表在降水量不變的情況下,ES1與ES2在像元ij上的一級偏相關系數,以此劃分權衡與協同系數的顯著性等級為：極顯著協同(r>0,P<0.05)；顯著協同(r>0, 0.050,P>0.1)；權衡(r<0,P>0.1)；顯著權衡(r<0, 0.05

2.2.3CA-Markov模型及未來2030年土地利用狀況預測

CA-Markov模型綜合了Markov模型長期預測、CA模型復雜空間系統演變的優勢[32],能更準確地從時空尺度上模擬土地利用類型的變化。Markov模型主要依據初始時期到另一不同時期的狀態間轉移概率與矩陣,預測未來某時刻的土地利用變化趨勢[33]。

St+1=St·Pij

(12)

式中,St和St+1分別為t和t+1時刻土地利用系統的狀態；Pij為狀態轉移矩陣。

元胞自動機(CA)是一種時間、空間、狀態都離散的局部格網動力學模型,具有模擬復雜系統時空演化過程的能力[34—36]。

St+1=f(St,n)

(13)

式中,S為元胞有限、離散的狀態集合；t和t+1表示不同的時刻；n為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉換規則。

運用CA-Markov模型,共設置3種情景模擬2030年張承地區的土地利用變化,并進一步預估水源涵養和土壤保持量的發展動態。(1)自然發展情景：土地利用變化延續2000—2019年的土地轉移速率,土地類型之間的轉變不受到外界人為、政策、社會等因素的影響；(2)生態保護情景：根據《河北省土地利用總體規劃》中合理利用農耕地、加強保護生態用地的要求,設置林地、草地、耕地、水域轉換為建設用地的面積分別減少90%、90%、50%、20%,并禁止未利用地轉換為建設用地；(3)規劃控制情景：依據《河北省“十四五”規劃》中擴大城市空間等規定,設置耕地、林地、草地和未利用地向建設用地轉換的面積增加3%,并禁止水域轉換為建設用地。

3 結果與分析

3.1 時空變化特征

3.1.1時間變化特征

圖2 2000—2019年張承地區水源涵養量和土壤保持強度的年際變化Fig.2 Interannual variation of water conservation and soil conservation intensity in ZC area from 2000 to 2019

2000—2019年張承地區水源涵養量和土壤保持強度的年際變化如圖2所示。近20年來,張承地區單位面積平均水源涵養量為38.4mm,相當于水源涵養總量為29.0×108m3,其年際變化整體上呈現波動上升趨勢,平均增長率為9.7mm/10a,與京津冀水源涵養量呈增加趨勢的研究成果一致[37]。其中,2012年單位面積水源涵養量最大,達到66.2mm；2002年最小,僅有25.9mm。根據水量平衡原理,水源涵養量的增加是降水的年際增加趨勢(47.2mm/10a)和潛在蒸發的減少趨勢(20.4mm/10a)共同作用的結果。研究區多年平均土壤保持強度(即單位面積土壤保持量)為191.0t/hm2,年際變化呈現微弱減少趨勢,減少率為-0.50t hm-2a-1,與京津冀土壤保持量下降結果一致[22]。而多年平均實際和潛在土壤侵蝕強度分別為3.3t/hm2和157.9t/hm2,其變化均呈現極微弱增加趨勢。

3.1.2空間分布格局與變化特征

圖3展示了張承地區2000s(2000—2009年)、2010s(2010—2019年)水源涵養量的空間分布及其變化特征。從空間分布看,總體上水源涵養量表現為西低東高的分布格局,尤其是2010s這種特征更為顯著。水源涵養服務高值區主要分布在冀北及燕山山地(B區),單位面積水源涵養量達45.6mm,其中B5生態功能區的水源涵養能力最強(54.4mm)。水源涵養服務低值區集中分布在A區,單位面積水源涵養量為29.0mm,尤其是壩上高原西部地區(A1、A2和A5區)。從空間變化特征看,2000s—2010s研究區91.0%的面積水源涵養量有所增加,平均增加了13.0mm。不同生態區水源涵養量增加存在明顯差異,B區增加最多(16.2mm),尤其是B5區增加了20.5mm；C區次之(11.3mm),而A區最少(9.1mm)。

圖3 2000s、2010s、2000s—2010s張承地區水源涵養量空間格局及變化特征Fig.3 Spatial pattern and change characteristics of water conservation in ZC area in 2000s, 2010s, and 2000s—2010s

圖4 2000s、2010s、2000s—2010s張承地區土壤保持強度的空間格局及變化特征Fig.4 Spatial pattern and change characteristics of soil conservation intensity in ZC area in 2000s, 2010s, and 2000s—2010s

研究區2000s、2010s單位面積土壤保持量的空間分布及其變化特征如圖4。與水源涵養量的空間分布相似,土壤保持強度也呈西低東高的分布格局,具體表現為冀北及燕山山地(270.2t hm-2a-1)>永定河上游(158.0t hm-2a-1)>壩上高原地區(32.1t hm-2a-1)。不同生態功能區的土壤保持能力差異巨大,單位面積土壤保持量最高的B5區達到507.3t hm-2a-1,而最低的A1區僅為14.8t hm-2a-1,二者相差34倍。從空間變化特征看,2000s—2010s,研究區48.0%土地面積的土壤保持量減少,40.1%土地面積的土壤保持量增加,11.9%的區域則不變。整體上以減少為主,減少了18.3×106t,這與近年來張承地區耕地、林草地轉化為建設用地有關。不同生態區土壤保持強度變化存在明顯差異,B和A區分別減少8.1和2.5t hm-2a-1,而C區增加6.6t hm-2a-1,尤其C1區增加了24.6t hm-2a-1。從土地利用及其變化看,B和A區林草地面積基本保持不變,而建設用地迅速增加(B區增加252.9%；A區增加58.4%),很可能是土壤保持強度減少的主要原因；C區土壤保持強度增加可能是由于林地、草地等生態用地面積擴大(1.2%),降水增多(15.9%)引起。

3.2 權衡與協同關系分析

圖5 生態功能區水源涵養和土壤保持服務空間協同與權衡關系 Fig.5 Spatial trade-off and synergy of water conservation and soil conservation services in different ecological function area

在空間像元尺度,對張承地區水源涵養和土壤保持服務的權衡與協同關系進行定量分析(圖5)：協同關系的像元面積占比為51%,權衡關系占比為45%,協同關系所占區域略多于權衡關系。從空間分布上看(圖5和6),B、C區協同像元占比均超過50%,以協同關系為主；尤其在承德南部(B4和B5生態功能區)顯著/極顯著協同關系的像元占比超過10%。A區權衡和協同的像元占比分別為48.0%和45.0%,整體上權衡關系略占優勢。從不同土地利用類型看,林地、草地協同面積占比分別為57.6%、54.7%,其中林地顯著/極顯著協同面積占比合計12.0%,而草地也達到9.8%。其它土地利用類型則為權衡關系占優勢,其中未利用地權衡像元占比為54.5%,其次為耕地52.6%。從不同坡度看,不同坡度帶都以協同關系為主,沒有明顯差異。然而,隨著坡度的增大,顯著/極顯著協同的像元比例逐漸增加(7.8%—15.4%),顯著/極顯著權衡的像元比例逐漸減少(3.7%—0)。說明坡度較大的山區水土保持的協同效益更優。

圖6 不同生態功能區、土地利用類型和坡度條件下的水源涵養與土壤保持服務協同與權衡關系Fig.6 Trade-off and synergy between water conservation and soil conservation services under ecological function area, land use and slope interval

3.3 水源涵養和土壤保持服務的影響因素分析

3.3.1氣候敏感性實驗

水源涵養、土壤保持服務受氣候影響,特別是降水的影響。保持土地利用條件不變,以2010s的平均氣候狀況為基準,對降水和潛在蒸發量分別調整30%和10%以定量評估張承地區水源涵養量、土壤保持量的變化趨勢(圖7)。在潛在蒸發不變的條件下,降水±30%引起水源涵養量變化102.7%和-67.9%,降水±10%引起水源涵養量變化31.4%和-26.8%。而在降水不變的條件下,潛在蒸發±30%造成水源涵養量變化-27.2%和46.0%,潛在蒸發±10%造成水源涵養量變化-10.8%和13.1%。水源涵養量與降水呈現顯著正相關(r=0.90,P<0.01),與潛在蒸發呈現不顯著負相關(r=-0.37,P>0.1),綜合來看,降水變化對水源涵養服務的影響遠大于潛在蒸發,降水增加(潛在蒸發減少)引起的水源涵養量變幅大于降水減少(潛在蒸發增加),而且在降水劇烈變化時對水源涵養量變幅造成的影響更大。在潛在蒸發弱(70%)、正常(100%)和強(130%)的條件下,降水-30%造成水源涵養量的變幅分別為-63.8%、-67.8%和-66.2%,差異很小；但降水+30%引起水源涵養增加量為86.5%、102.7%和117.1%。由此可知,干旱氣候條件下潛在蒸發對研究區水源涵養服務貢獻有限,但濕潤氣候條件下潛在蒸發的影響顯著增強。相比而言,氣候變化對土壤保持服務的影響相對簡單,降水變化與土壤保持強度呈極顯著線性正相關關系(r=1,P<0.01),降水每增加(減少)10%引起土壤保持強度增加(減少)74.7t/hm2。

圖7 氣候驅動力對水源涵養和土壤保持服務的影響Fig.7 Impacts of climate drivers to water conservation and soil conservation services

3.3.2不同情景下2030年土地利用、水源涵養和土壤保持服務的發展動態

情景模擬可預測不同發展預設(自然發展、生態保護、規劃控制)前提下區域未來土地利用、水源涵養量和土壤保持量的變化趨勢。從土地利用類型看(圖8, 表3),張承地區以林地、耕地和草地為主,面積之和達到總面積的94.9%。2000—2018年,建設用地面積增加最為顯著(1600km2),其次是林地(460km2),二者激增主要由耕地轉移而來,凈轉換面積達1590km2,造成耕地面積大量減少,建設用地的擴張主要是由于近年來人口增加及城市化進程對土地資源的需求快速增長,而耕地減少、林地增加在一定程度上反映了區域生態修復工程和政策的有效實施。相較于2018年,2030年土地利用變化最顯著的特征是規劃控制和自然發展情景下建設用地快速擴張,分別增加了1710km2(64.0%)和1630km2(61.0%),而生態保護情景下建設用地萎縮1530km2(-57.3%)。與自然情景相比,生態情景模擬下林草地面積增加顯著,共增加2860km2。

圖8 2030年自然發展、生態保護和規劃控制情景下土地利用、水源涵養量和土壤保持強度的空間分布Fig.8 Spatial distribution of land use, water conservation and soil conservation intensity under natural development, ecological protection and planning control scenarios in 2030

表3 2000、2018和2030年不同情景下土地利用變化狀況

2030年自然發展、生態保護和規劃控制情景下張承地區水源涵養和土壤保持服務的空間分布如圖8。與2010s相比,3種情景下水源涵養量均呈現不同程度的增加趨勢,表現為生態保護情景(39.68mm, 88.4%)>規劃情景(28.12mm, 62.7%)>自然情景(22.87mm, 51.0%)。說明未來人類活動干預將顯著增強區域水源涵養能力。從空間分布上看(表4),B區的水源涵養能力最強,C區次之,A區最弱；相較于2010s(或2000s),2030年3種不同情景下水源涵養量的增幅與百分比也為B區>C區>A區。說明區域整體水源涵養能力都顯著增強,但空間分布格局未發生明顯變化。相比于水源涵養,未來張承地區土壤保持能力略有提升,3種情景下沒有明顯差異。空間上土壤保持能力的強弱順序為B區>C區>A區,且未來的分布格局也未發生變化,這與水源涵養量時空變化特征較為一致。

表4 2000s、2010s和2030年不同情景下各生態功能區水源涵養量和土壤保持量狀況

4 討論與結論

4.1 討論

本研究水源涵養量持續增加的結論與京津冀地區相關研究一致[19,37—38],證明InVEST模型具有良好的區域動態評估性能。也說明2000年以來京津冀生態環境支撐區(如水源涵養林)建設、山水林田湖草生態修復等工程措施的效果顯著。整體上水源涵養和土壤保持服務之間以協同關系為主,這與其他學者采用皮爾遜相關、生態系統服務簇等方法的研究成果一致[39—41]。然而,在研究區內部,兩種服務的空間關系呈現顯著異質性。水源涵養與土壤保持能力最強的冀北及燕山山地(B區)顯著協同關系面積最大,該區多為緩坡丘陵地形,林草地面積廣闊,植被覆蓋度達76.1%,植被類型以華北落葉松林為主,林冠層截留作用顯著,起到了減輕土壤侵蝕和涵養水源的生態功效。壩上高原(A區)地區兩種服務呈微弱的權衡關系,具體表現為水源涵養服務趨好,而土壤保持服務并不理想,土壤侵蝕并未明顯減輕。近年來,壩上高原地區降雨量和降雨強度增強[42—43],過量降水濺蝕、沖刷作用顯著,造成土壤保持功能下降[44]。這說明自然因素(尤其是降水)對土壤保持服務的影響比人為因素(生態措施)更為重要,但生態措施也一定程度上起到緩解作用。不同生態系統服務的共同因素或主導因素在其空間復雜關系中發揮了重要作用,未來在宏觀層面上探討不同區域各種生態系統服務權衡與協同關系的深層次原因將成為重要研究方向[45]。

已有研究[22]發現,氣候、土地利用變化是影響京津冀地區產水量和土壤侵蝕量的主導因素。本研究量化了主要氣候因子對水源涵養服務的影響程度,發現降水對水源涵養量的影響遠大于潛在蒸發,降水與水源涵養量呈非線性的正相關,降水劇烈變化對水源涵養量造成的影響更大。同時土地利用類型及變化對水源涵養服務作用明顯,不同土地利用類型的水源涵養能力順序為：林地(56.5mm)>草地(35.5mm)>耕地(26.1mm)>建設用地(19.4mm)>未利用地(17.3mm)。未來預測結果也表明人為干擾(生態保護、規劃控制情景)下水源涵養能力明顯提升(62.7%—88.4%)。說明降水因子和土地利用都是引起水源涵養量變化的關鍵因素。對于土壤保持服務,降水是重要影響因子,降水量每增加(減少)10%引起土壤保持強度增加(減少)74.7t/hm2。而土地利用變化影響不大,未來3種情景下土壤保持強度增幅不超過5%。空間關系表明坡度較大的山區水土保持協同效益更優,對不同坡度土壤保持強度進行統計,土壤保持能力隨坡度增大表現為先增加后減小,單位面積土壤保持量的最大坡度范圍是16—20°。主要是因為林地在這一區域分布范圍廣,人類活動干預少。這與我國其他區域的研究結論相似,劉婷等[46]指出延河流域土壤保持量隨坡度變化規律明顯,25°的坡面是土壤保持量的關鍵帶。而劉洋[47]發現疏勒河土壤保持量存在坡度臨界值,坡度超過35°時土壤保持量減少。

因此,在開展生態管理時,需同時考慮多種因素的綜合影響,以制定更合理的政策措施。為改善張承地區水源涵養和土壤保持服務,建議繼續加大京津風沙源治理、三北防護林和退耕還林還草等國家重點生態工程建設；盡可能限制建設用地的增加以保護環境,提高植被覆蓋度,尤其是加強保護關鍵坡度帶(16—20°),是今后水土保持工作應重點關注的區域。

4.2 結論

(1)2000—2019年張承地區年均水源涵養量、土壤保持強度為38.4mm、191.0t/hm2,其年際變化分別呈增加和微弱減少趨勢。空間上均呈現西低(壩上高原)東高(冀北及燕山山地)的分布格局。

(2)張承地區水源涵養和土壤保持服務總體上呈協同關系,但不同生態區存在顯著空間異質性,壩上高原多為權衡關系,而在燕山山地、永定河上游以協同關系為主。在開展生態管理時,需考慮到整體與局部空間的不同以及多種因素的綜合影響,以制定更合理的生態保護政策。

(3)降水和土地利用類型及變化是作用于張承地區水源涵養服務的關鍵因子,而土壤保持服務主要受降水和坡度的影響。情景預測結果表明,在人類活動(如生態保護、規劃控制政策)干擾下,2030年研究區水源涵養能力將顯著提升,而土壤保持能力增幅不大。