寧夏中部干旱帶土地利用轉化對產水服務價值的影響分析

關鍵詞：土地利用類型；產水深度；產水服務價值;PLUS模型；InVEST模型；中部干旱帶中圖分類號：S157 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j. issn. 1000-0941.2025.06.023引用格式：.中部干旱帶土地利用轉化對產水服務價值的影響分析[J].中國水土保持，2025（6） ：82-88.

土地作為人類生產生活的現實載體，是進行生產活動必需的物質條件和自然基礎，也是經濟改革發展、資源環境管理調控的關鍵[1]。現階段土地利用的突出矛盾是土地利用轉化與糧食安全、生態安全之間的矛盾，特別是干旱生態脆弱區以生態恢復與治理為主要功能，當生態系統的完整性受到破壞、生態環境逐漸由自然狀態轉化為人為狀態時，區域生態安全就會受到威脅[2-4]。土地利用類型直接關系著生態系統的服務功能及生態安全，因此基于生態系統和人類福祉的土地利用類型變化、生態系統服務價值等研究受到學者們的重點關注[5]。我國內陸干旱及半干旱區經濟與生態博弈突出，生態壓力與生態效應大，解決其土地資源與生態服務價值可持續性維系的問題，是生態文明與人地共生的前提，而有效產水量不足是制約內陸干旱及半干旱地區經濟發展與生態可持續發展的根本原因[。產水服務作為生態系統供給服務中的一項重要組成部分，其合理性評估對改善區域水資源管理具有重要作用。

土地利用轉化是一個動態的演進過程，包括顯性與隱性形態在時空范圍內的同時變動[7]。產水情況作為土地利用轉化隱性形態產出之一，其依賴于土地顯性形態的變化。王玉純等[8在對石羊河流域的研究中指出，土地變動會對產水服務能力造成較大影響，如林地蒸散量與耕地相比較大，因而“退耕還林”

會造成產水服務的衰退；張維琛等[9在以內蒙古塔布河流域為例的研究中進一步指出，不同地形與氣候對產水服務產生主要影響，而不同土地利用方式會影響地區水土保持和水資源供應，進而對產水服務造成影響；丁菊等[0]則以黃河流域為研究對象，指出人類活動強度的增加會抑制產水服務的供給。

作為國家重點生態功能區和多民族聚居區，經濟發展、社會穩定、生態建設多維任務交織，其土地利用選擇直接決定著經濟發展的質量與生態保護效果。特別是中部干旱帶生態極其脆弱，如何結合區域資源稟賦實現“治脆”與“防脆”相結合，提升內在韌性，是高質量發展與生態保護先行示范區建設、干旱區生態系統建設亟待解決的問題。水、土是干旱區進一步發展的瓶頸資源，為滿足經濟發展與生態治理的雙重任務要求，給土地利用的權衡選擇及政策制定提供有力支撐，本研究以中部干旱帶四縣（區）作為研究單元，分析近20a土地利用類型的變動，利用In-VEST模型對生態服務價值中的產水服務價值作評價，并進一步結合PLUS模型對未來的土地利用格局、產水服務價值進行模擬。

1材料與方法

1. 1 研究區概況

中部干旱帶（ 36^°54^′～38^°23^′N ， 104^°17^′～ 107^°39^′E ）處于黃土高原和青藏高原的交會地帶，海拔 1212～2951m ，包括鹽池縣、同心縣、紅寺堡區、海原縣、中寧縣山區、沙坡頭區山區、原州區北部、西吉縣西部等區域。區內水資源短缺，呈干旱半干旱氣候特征，2000—2020年不同地點年均降水量 200～400 mm ，蒸發量大于 2000mm ，降水少、蒸發量大、水土流失嚴重，生態脆弱。2020年研究區人均生產總值為3.37萬元（同期全區人均生產總值為5.5萬元），經濟不發達，是生態與經濟博弈突出的區域。本研究選擇完全屬于中部干旱帶的行政單元海原縣、同心縣、紅寺堡區、鹽池縣作為研究區域，土地面積為22185.54km² 。研究區概況見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1土地利用類型動態度

土地利用類型動態度表達了一定時間范圍內某種土地利用類型的變化，分為單一土地利用類型動態度和綜合土地利用類型動態度[11]。公式分別為

式中： Y 為單一土地利用類型動態度； X_b?X_a 分別為研究期末、初某類土地利用類型的面積，單位 km²;T 為研究時長，單位 a;C 為綜合土地利用類型動態度; L_k

為研究初期第 k 類土地利用類型的面積，單位 km² ：L_k-g 為研究期內第 k 類土地轉化為第 g 類土地利用類型面積的絕對值，單位 km² 。

1. 2.2 PLUS模型

PLUS模型是基于柵格數據，挖掘土地利用類型擴張的驅動因素，最終實現土地利用類型模擬及預測的模型[12-15]。考慮數據的可獲得性、相關性和差異性，借鑒已有研究基礎[16-17]，本研究從自然環境、經濟社會、交通條件篩選土地利用類型轉化的驅動因子，包括高程、坡度、氣溫、降水量、GDP、人口密度、距一級道路距離、距二級道路距離、距三級道路距離、距鐵路距離共10個因子。模型中需要對鄰域權重做出設定，鄰域權重會直接影響不同土地利用類型間的相互轉換過程，其值越大表明該土地利用類型變動的概率越大。依據相關文獻[18-20]以及多次精度試驗，結合現有研究及干旱帶實際情況對參數做出調整，確定耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地鄰域權重分別為 0.360，0.027，0.180，0.034，0.300，0.067 0

1.2.3 產水量測算

利用 InVEST 模型中的產水量模塊計算土地利用產水深度[21-22]，公式為

Y_xj=P_x-E_TAxj

ω_x=ZA_x/P_x

A_x=min（D_max，D_root）W_x

W_x=54.509-0.132m_sAN-0.003m_sAN²-0.055m_sIL-0.006m_sIL²-0.738m_cLA+0. 007m_CLA ²- 2.668m_C+ 0.501m_C ²

式中： Y_xj 為 j 類土地利用類型柵格 x 的產水深度，單位mm E_TAxj 為 j 類土地利用類型柵格 x 的實際年蒸散量，單位 mm;P_x 為柵格 x 的年降水量，單位 mm;ω_x 為表達氣候與土壤屬性關系的非物理參數； R_xj 為Budy-ko 干燥指數，定義為潛在蒸散發與降水量之比； Z 為Zhang系數，代表降水季節性特點的常數，結合2020年水資源公報，設置為 3.4;A_x 為柵格 x 植被有效利用含水量，單位 mm;D_max 為最大土壤深度，單位mm;D_root 為根系深度，單位 mm;W_x 為柵格 x 植被可利用水含量; m_SAN?m_SIL?m_CLA?m_C 分別為砂粒、粉粒、黏粒和有機物的質量分數。

1.2.4 數據來源及預處理

本研究中應用的DEM數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，氣象數據來源于國家地球系統科學數據中心，土壤類型數據來源于LandsatTM遙感影像解譯，土壤根系深度數據來源于中國土壤數據庫；其余土壤數據來源于世界土壤數據庫（HSWD）。部分缺失數據采用鄰域均值進行插補獲取。

2 結果與分析

2.1土地利用類型空間特征

2.1.1 土地利用類型分析

中部四縣（區）2000年、2010年、2020年土地利用數據見圖2。由圖2可知，中部干旱帶四縣（區）主要土地利用類型為草地和耕地，而未利用地、林地、建設用地和水域相對較少。耕地集中分布于清水河沿線以及南部降水較多的黃土高原地區，林地主要分布在中部大羅山、南部六盤山和米缸山，草地廣泛分布于研究區，建設用地集中于城鎮，未利用地主要分布在中部干旱地區的山區。紅寺堡區耕地、水域面積增加，林地、草地面積減少;同心縣林地、水域面積增加，耕地、草地面積變動較小;鹽池縣耕地、林地、水域面積較穩定，草地面積減少；海原縣耕地、林地、草地面積較為穩定，水域面積減少

使用OriginPro軟件繪制2000—2020年研究區土地轉移矩陣桑基圖，見圖3。由圖3可知，2000—2020年耕地面積增加，林地面積先減少后增加，草地面積不斷減少;草地轉出量最高，且轉出量大于轉入量，是耕地、建設用地以及林地面積增加的主要來源;耕地轉出量次之，轉入量大于轉出量，大多轉換為建設用地和林地。

2.1.2 土地利用轉化強度

表1為2000—2020年研究區各類土地利用類型變動情況。由表1可知，2000—2020年研究區綜合土地利用轉化強度逐漸上升，尤其后期土地利用轉化強度較為劇烈，這與建設用地變化有較高的一致性，主要是受到人口增加、經濟發展的影響。建設用地面積變化最強烈，且呈顯著增加趨勢;耕地、未利用地也隨著生態保護政策的實施，面積小幅度增加；草地、林地、水域面積20a來呈減少趨勢

2.2土地利用變化的產水服務價值變化特征

2.2.1中部干旱帶產水特征分析

土地利用的產水服務價值是基于Budyko曲線和年均降水量進行評估的。本研究通過InVEST模型對研究區土地利用類型的單位面積產水深度進行測算（見圖4），結果表明：

1）整體上，研究區20a間產水總量、平均產水深度均大幅提升，且前10a增幅大于后 10a ，產水總量由2000年的1.77億 m³ 增加到2020年的7.07億m³ ，平均產水深度由2000 年的 9.59mm 增加到2020年的 38.36mm 。空間上柵格單元產水深度由“西高東低”逐漸向“東高西低\"轉變。

2）空間上，2000年高值區集中于海原縣以及紅寺堡區、同心縣交界的局部區域，高值區較少，整體產水深度以中低值為主；2010年高值區域明顯擴大，呈現由原有高值區向四周擴張的趨勢，東部地區產水顯著提升；2020年高值區進一步擴張，以紅寺堡區及鹽池縣為主要擴張區域。蒸散量大于降水量是影響區域產水量的關鍵因素，因此要強化高效利用、保護、管理水資源，農業方面要強化高效率用水，林草業要加大投入強化林草業建設與保護，加強土地利用與生態系統服務協同發展。

2.2.2產水強度變化

20a間研究區產水量呈增加趨勢，2000—2010年變化較為劇烈，多數地區產水量有顯著的提升；2010—2020年產水量變化較為顯著的區域集中于鹽池縣西部。年均產水深度與產水總量均呈現增長趨勢，產水深度最大的為2020年海原縣的 48.87mm ，同時其產水量達到最高為2.67億 m³ 。年均產水深度依次為海原縣（ （36.63mm） gt; 同心縣（ 25.38mm ） gt; 鹽池縣（24.38mm ） gt; 紅寺堡區（ 14.26mm 。

2.2.3不同土地利用類型的產水能力分析

產水服務特征與土地利用類型密切相關，各土地利用類型的產水總量與平均產水深度見表2。由表2可知，不同年份各土地利用類型平均產水深度大小關系均為：建設用地gt;未利用地 gt; 耕地 gt; 草地 gt; 林地。原因在于城市化增加了不透水面面積，降水入滲少，產水深度有所提升;林地、耕地、草地產水深度較低的原因，一方面在于植物蒸騰作用，另一方面在于對地表徑流具有攔蓄作用。

2.3土地利用類型轉化的驅動因素探測

基于土地利用類型轉化格局與強度，對土地利用轉化驅動因素進行分析，采取用地擴張分析策略（LEAS）求得數據，結果表明：耕地轉化擴張主要驅動因子數值大小關系為人口密度（0.181） gt; 降水量（0.128） gt; 地區生產總值（0.125）；林地擴張主要驅動因子數值大小關系為高程 （0.272）gt; 氣溫 （0.194）gt; 人口密度（0.107）；草地轉化擴張主要驅動因子數值大小關系為人口密度（0.145） gt; 坡度（0.137） gt; 降水量（0.130）；水域轉化擴張主要驅動因子數值大小關系為坡度 （0.392）gt; 高程 （0.216）gt; 氣溫（0.084）；建設用地轉化擴張主要驅動因子數值大小關系為人口密度（0.221） gt; 坡度 （0.148）gt; 距三級道路距離（0.108）；未利用地轉化擴張主要驅動因子數值大小關系為GDP（0.157） gt; 坡度 （0.140）gt; 降水（0.139）。社會因子中人口的影響占主要地位，自然因子中以降水量、坡度和氣溫為主要因子。耕地、建設用地、草地三類土地擴張的最大驅動因子均為人口密度。

2.4土地利用類型及產水服務價值模擬預測

2.4.1土地利用類型轉化模擬預測

結合元胞自動機與基于閥值遞減機制的多類型隨機斑塊種子的CA模型預測模擬。利用2000年、2010年土地利用類型數據進行預測，以2020年數據進行精度檢驗。結果表明Kappa系數為0.82（大于0.75），總體精度為 88% ，研究區模擬效果理想，表明PLUS模型可用于研究區土地利用類型轉化預測研究。以此對2030年土地利用進行模擬預測，結果見圖5。

由圖5可知，未來中部干旱帶各土地利用類型間面積轉化仍較為劇烈，耕地、水域、建設用地進一步擴張，建設用地增長幅度繼續提高，林地、草地、未利用地有所減少。轉化方向上草地仍為最大的轉出方，轉出大于轉入，土地凈轉出最大，是耕地、水域、建設用地的主要來源;耕地轉出其次，轉入大于轉出，土地凈轉入；水域轉出最少，轉入面積大于轉出面積；建設用地為最大的轉入方，轉入面積呈現顯著的增長趨勢，土地凈轉入最大;林地、未利用地轉入轉出基本持平，變化相對較小。

2.4.2土地利用的產水服務價值模擬預測

假定其他條件不變，根據PLUS模型預測得到的研究區2030年土地利用數據，模擬預測2030年的產水服務，并分析探討其變化規律。

基于2030年土地利用類型的年產水深度預測顯示（見圖6），2030年研究區土地利用的產水服務量為7.33億 m³ ，較2020年增大 3.6% ，平均產水深度為39.77mm 。空間上低值區明顯縮減，高值區占比擴大。產水深度明顯變化的區域集中在鹽池縣，以及鹽池縣、紅寺堡區、同心縣三縣（區）的交界地帶

3 結論與討論

3.1 結論

通過對2000—2020年中部干旱帶四縣（區）土地利用轉化及產水深度變化特征、驅動因素分析，對未來10a發展進行模擬，得出以下結論：

1）20a間年中部干旱帶草地、林地、水域減少，耕地、建設用地、未利用地增加；土地利用類型轉化主要集中于林地、草地變化為耕地，耕地變化為建設用地，研究期后 10a 內轉化強度較劇烈。

2）20a間整體產水服務能力增強，前10a增幅高于后 10a 。空間上產水高值區域向北擴張，低值區逐漸減少；產水深度與土地利用類型密切相關，大小關系為建設用地 gt; 未利用地 gt; 耕地 gt; 草地 gt; 林地

3）模擬預測顯示，2030年建設用地進一步擴張，主要驅動因子是人口密度，草地為轉出方，建設用地為轉入方；基于2030年土地利用類型預測的年產水量為7.33億 m³ ，平均產水深度為 39.77mm 。

4）人口密度增加、經濟社會發展驅動建設用地擴張，不透水面面積增加造成產水深度加大。產水量在受到降雨與蒸散直接影響的同時，還受到植被覆蓋類型及程度的影響，植被覆蓋度與區域生態循環系統密切相關。中部干旱帶產水深度的增加源于不透水面的擴張，是對降雨等自然資源過多依賴的表現，為進一步降低這種依賴性，需要協同土地利用類型、加強林地草地的恢復治理、推進生態系統的高質量運行

3.2 討論

中部干旱帶生態環境極其脆弱，承擔著生態保護、經濟高質量發展及易地搬遷移民穩定可持續發展的多維任務，資源環境是掣肘。如何合理配置土地資源、提升土地轉化的生態服務價值，降低經濟發展對自然資源的依賴性，實現生態與經濟共贏，是干旱生態脆弱區亟待解決的問題。高標準基本農田建設項目的實施，使得耕地的數量和質量得到提高；建設用地呈轉入增長趨勢，轉入大于轉出，說明土地利用中建設用地的擴張轉化面積較多，其原因一方面是公共服務基礎設施的完善，另一方面是城鎮化建設對土地需求的增加。林地面積先減后增，退耕還林、天然林保護計劃等效果初現。2000—2020年，中部干旱帶水域產水深度為0，這與劉嬌等[23]對金沙江干熱河谷地區的研究結果相一致，主要原因在于區域蒸散量遠高于降水量，相關產水服務結論與楊潔等[24]、徐銘璟等[25]對黃河流域的研究結論相同，與和娟等[2對生態脆弱區的汾河源頭及彭立等[27]對四川盆地的研究結果相似。

結合中部干旱帶的實證提出以下建議：一是增強人口、經濟發展與土地資源需求適配性，兼顧生態系統供容及維育能力。經濟發展、人口增長與集聚帶來的生產、生活對土地新的需求，土地利用類型顯性轉化的同時往往對生態系統維持自我更新與發展的能力帶來壓力，干旱區耕地轉化的數量與質量應以生態系統的供容、維育能力為前提。二是干旱區需以高質量發展與生態保護為核心，強化土地利用長期規劃，權衡多維功能。高質量發展與生態保護是干旱區的重要任務，生態治理與保護是其核心內容，需要加強土地利用長期規劃、權衡，發揮各類土地的多維功能。人口密度是耕地、建設用地擴張的主要驅動因子，要滿足人口和城市發展土地需求，就需要加強土地利用規劃，重視干旱區的生態價值，加強管控提升其生態服務水平。三是加強土地整治，提高資源利用率，發掘土地資源價值。進一步加大土地的生態改良投入，利用科技創新對土地資源進行改良、整治，提高土地資源的利用率，發掘土地資源的經濟價值、社會價值、生態服務價值。四是提升生態恢復治理水平、加強風險識別與管控，實現生態系統的穩定與協同。自然資源的豐度取決于良好的生態系統，而自然資源的利用受人類干擾的強度直接影響生態系統的穩定性。因此，要加強生態恢復治理，提升資源質量，同時協調人地關系，加強資源利用與管理的風險識別與管控，完善資源開發利用的響應機制，實現生態系統的穩定性與協同性。

本研究基于研究區土地利用類型，研究其對產水服務價值的影響，為后續土地利用規劃提供可能的借鑒。但是，一方面隨社會生活的快速發展，相關要素都處于動態變化當中，本研究中未能充分考察相鄰年份對于研究時段的影響，結果可能存在一定的偏差；另一方面受制于模型自身的局限性，可能無法準確模擬復雜的水文過程或人類活動對產水量的影響。因此，在未來的研究中可以進一步完善，進行更為深入的探討。

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（責任編輯 楊傲秋）