北洛河上游生態系統服務時空變化與土地利用耦合關系研究

［關鍵詞］ 退耕還林（草）；土地利用；生態系統服務；時空變化；北洛河上游；黃土高原

［摘 要］ 以北洛河上游丘陵溝壑區為研究區，借助2000年、2020年的地形、土地利用、植被和土壤等數據，運用InVEST、CASA、RUSLE等模型研究植被恢復措施對生態系統服務的影響，分析產水量、土壤保持、生境質量和植被凈初級生產力4項生態系統服務與土地利用類型變化的耦合關系及不同生態系統服務之間的相關性，結果表明：主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢，草地和林地則呈增加趨勢；植被凈初級生產力、土壤保持、生境質量均呈增加趨勢，而產水量則呈減少趨勢，總體來說林地提供的生態系統服務價值最高；產水量與其余3項生態系統服務之間均呈負相關關系，而土壤保持、植被凈初級生產力和生境質量之間均呈正相關關系。深入研究黃土高原地區退耕還林（草）背景下生態工程的實施成效及生態環境效應，能為區域生態環境管理提供決策支撐。

［中圖分類號］ S157.1" [文獻標識碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.05.017

生態系統服務是人類社會賴以生存和發展的環境基礎，人類能從自然生態系統中獲取必要的物質[1]，但是隨著人類活動極大地改變了生物圈，生態系統服務發生了明顯變化。特別是在干旱和半干旱地區，氣候變化和人類活動的綜合影響容易導致生態系統服務間的關系失衡，迫切需要通過合理的生態恢復措施來恢復和加強生態系統服務功能。因此，近年來研究生態系統服務之間的相互作用關系成為熱點，研究成果對生態系統服務可持續發展和改善人居、生態環境具有重要意義。

黃土高原位于我國中部偏北，地理條件復雜、降水少且集中、植被稀少，特別是長期不合理的人類活動，導致該區成為我國土壤侵蝕最為嚴重、生態環境最為脆弱的地區之一。為了防止水土流失，國家在黃土高原北洛河上游等區域實施了大規模的植被恢復工程，短時間內區域土地利用和植被覆蓋發生了顯著變化[2]，導致各項生態系統服務也發生了不同程度的變化：一些逐漸增加，如植被凈初級生產力和土壤保持[3-4]；另一些則趨于減少，如產水量等[5-6]。明確各項生態系統服務的時空變化規律，厘清不同生態系統服務之間的相關關系，對實現區域內水土保持和可持續發展具有重要意義。基于此，本研究以北洛河上游丘陵溝壑區為研究區，借助地形、土地利用、植被和土壤等數據，運用InVEST、CASA、RUSLE等模型研究黃土高原地區植被恢復措施對生態系統服務的影響，分析產水量、土壤保持、生境質量和植被凈初級生產力4項生態系統服務與土地利用變化的耦合關系及不同生態系統服務之間的相關性，希望能為黃土高原地區土地利用調整、生態恢復工程建設等提供數據支持。

1 研究區概況

北洛河發源于陜西省定邊縣草梁山，于大荔縣三河口進入渭河，是黃河的二級支流，流域地理位置為東經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）。以北洛河上游黃土丘陵溝壑區（即吳旗水文站控制范圍以上）作為研究區，位置見圖1。研究區范圍內北洛河干流長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，降水量呈現由東南向西北逐漸遞減的變化趨勢；黃土層深厚，抗侵蝕能力較差，是黃河中游粗泥沙主要來源區；自1997年響應國家號召實施退耕還林（草）工程以來，流域內植被覆蓋度顯著提高，水土流失狀況得到了明顯改善。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究選擇4種生態系統服務，即產水量、土壤保持、生境質量和植被凈初級生產力。選取2000年、 2020年研究區兩期衛星影像，其中：2020年衛星影像源自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、建設用地和水域5類；2000年土地利用分類數據下載于黃土高原數據中心（http：//loess.data.cn），土地利用分類標準與2020年相同。DEM數據下載于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/HYPERLINK\"http：//www.gscloud.cn/\"），數據精度為30 m。土壤數據來自《陜西土壤志》，包括土壤類型、質地、厚度、密度、可用含水量等。氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma.cnHYPERLINK\"http：//data.cma.cn\"）2000年、2020年相關數據，包括降水量、溫度、風速和日照時數等日尺度數據。選取2000年、2020年分辨率為250 m的歸一化植被指數數據，下載于NASA-USGS數據產品中心（https：//lpdaac.usgs.gov）。

2.2 研究方法

基于柵格空間尺度，結合2000年、2020年研究區相關數據，利用InVEST、RUSLE和CASA模型計算產水量、土壤保持、生境質量和植被凈初級生產力4項生態系統服務價值，分析其時空變化及與土地利用類型變化的關系；基于2020年估算成果，利用ArcGIS軟件進行隨機采樣，共選取2 500個柵格點，采用因子分析法分析產水量、土壤保持、生境質量和植被凈初級生產力4項生態系統服務之間的相關關系。

2.2.1 產水量

采用InVEST模型中的產水量模塊，基于Budyko水熱耦合平衡假設和年均降水量數據進行產水量模擬。研究區土地利用類型j中柵格x的年產水量Yjx計算公式[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 生境質量

生境質量是指生態環境能夠提供的適應自然生態條件的能力，具有較強的地域性。生境質量的高低能反映區域生境的破碎程度，以及對生境退化的抗干擾能力。基于InVEST模型中的生境質量模塊，根據景觀類型敏感性和外界威脅強度計算得到生境質量指數，其值介于0～1之間。

閆瑞等：北洛河上游生態系統服務時空變化與土地利用耦合關系研究

生境質量指數計算公式[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的生境質量指數；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，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

根據修正的通用土壤流失方程（RUSLE），土壤保持量計算公式[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[12-16]。

2.2.4 植被凈初級生產力

基于CASA模型，將植被凈初級生產力的估算轉化為對植被的光合有效輻射與光能利用參數的計算。植被凈初級生產力Nxt計算公式[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月的實際光能利用率，單位g/MJ。

3 退耕還林（草）對北洛河流域生態系統服務的影響

3.1 土地利用類型時空變化

2000年、2020年研究區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年研究區土地利用結構發生了顯著變化，主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢，草地和林地則呈增加趨勢。這種變化趨勢表現出與退耕還林（草）政策下人工植被重建恢復工程實施時間一致的特點。

3.2 生態系統服務價值時空變化

2000—2020年研究區生態系統服務價值時空分布發生了明顯變化，見圖3。時間分布上，產水量呈減少趨勢，從2000年的27.47 mm減少至2020年的17.05 mm；土壤保持量、植被凈初級生產力、 生境質量指數則呈增加趨勢，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，結合土

地利用和植被覆蓋度空間分布，生態系統服務價值發生明顯變化的區域與土地利用和植被覆蓋變化位置接近，說明退耕還林（草）等導致的土地利用變化是引起研究區生態系統服務價值變化的重要原因。

3.3 不同土地利用類型生態系統服務價值動態變化

生態系統服務類型和價值在不同土地利用類型上的分布具有一定差異。為便于對比分析，對2000年、2020年研究區各項生態系統服務進行柵格數據標準化處理，消除量綱的影響，根據土地利用類型對生態系統服務價值進行統計，見圖4。在耕地、草地中，生境質量和產水量是主要的生態系統服務，植被凈初級生產力次之，最后是土壤保持；林地中，生境質量是最主要的生態系統服務；水域中，生境質量是最主要的生態系統服務，產水量、植被凈初級生產力次之，最后是土壤保持；建設用地中，產水量是主要的生態系統服務。

2000—2020年，各土地利用類型的生態系統服務也發生了一定變化。不同土地利用類型對各生態系統服務貢獻大小不同，采用2000年和2020年的平均值排序為：生境質量，水域gt;林地gt;草地gt;耕地gt;建設用地；土壤保持，林地gt;草地gt;耕地gt;建設用地gt;水域；植被凈初級生產力，林地gt;水域gt;草地gt;耕地gt;建設用地；產水量，耕地gt;建設用地gt;草地gt;林地gt;水域。總體來說，在流域整體生態系統服務當中，林地所提供的生態系統服務價值最高。

3.4 生態系統服務的相關性分析

基于2020年遙感影像中2 500個柵格點相關數據，采用因子分析法分析4種生態系統服務之間的相互作用。結果表明，Kaiser-Meyer-Olkin檢驗統計量為0.662，P＜0.001，說明4種生態系統服務之間存在顯著相關性。其中，產水量與其余3項生態系統服務之間均呈負相關關系，而土壤保持、植被凈初級生產力和生境質量之間均呈正相關關系，見表2。

隨著退耕還林（草）等措施的實施，黃土高原一些地方的水土流失得到了有效治理，但是黃土高原地區本身水資源不足，是制約植被恢復的重要因素。在水資源匱乏的情況下，大量種植喬灌木會導致耗水量增加。生態系統服務研究表明，產水量與土壤保持之間的關系處于權衡之中，植被恢復得越好，土壤侵蝕控制效果越好，但同時也會導致耗水量增加、產水量減少。從流域內各種生態系統服務可持續發展的角度來看，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 結論

近年來在黃土高原北洛河流域實施的大規模的植被恢復工程在一定程度上改變了流域的生態系統服務。研究結果表明：①2000—2020年主要土地利用類型中耕地呈減少趨勢，草地和林地則呈增加趨勢，且變化趨勢表現出與退耕還林（草）政策下人工植被重建恢復工程實施時間、區域一致的特點。②2000—2020年研究區植被凈初級生產力、土壤保持、生境質量均呈增加趨勢，而產水量則呈減少趨勢。不同土地利用類型對各生態系統服務貢獻大小不同，總體來說林地提供的生態系統服務價值最高。③產水量與其余3項生態系統服務之間均呈負相關關系，而土壤保持、植被凈初級生產力和生境質量之間均呈正相關關系。④從流域內各種生態系統服務可持續發展的角度來看，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，實現水資源高效分配和水土保持可持續發展。

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基金項目： 陜西省自然科學基金項目（2021JQ-330）

第一作者： 閆瑞（1988—），女，山西臨汾人，助理研究員，博士，研究方向為土地覆被變化與水文效應。

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

（責任編輯 李楊楊）

［引用格式］ 閆瑞，張曉萍，易海杰，等.北洛河上游生態系統服務時空變化與土地利用耦合關系研究[J].中國水土保持，2024（5）：59-63.