山地水土要素耦合效應(yīng)及土地利用的優(yōu)化配置*

石培禮，耿守保

①中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；②中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與社會福祉和區(qū)域發(fā)展緊密相關(guān)。山地占全球陸地面積的22 %，卻為地球50 %的人口提供了淡水、食物和纖維、遺傳資源、木材、能源和抵御災(zāi)害的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了決定作用[1-2]。山區(qū)不僅蘊藏和儲存了大量的自然資源，還具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性和供給生態(tài)產(chǎn)品等多種功能，并與經(jīng)濟社會發(fā)展形成一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其資源開發(fā)與生態(tài)服務(wù)同山區(qū)乃至國家的發(fā)展息息相關(guān)[3]。在山地系統(tǒng)中，水、土和溫度無疑是最為重要的環(huán)境要素和資源，如何根據(jù)水、土和熱量因子的地帶性規(guī)律，研究水土要素的耦合格局及其生態(tài)和資源環(huán)境效應(yīng)，合理利用水、土資源對山地可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水、土長期被作為自然資源開發(fā)，強調(diào)水資源和土地資源的空間匹配程度、開發(fā)潛力和資源環(huán)境承載力研究[4-5]，而對水分和土壤養(yǎng)分的有效性及其耦合的生態(tài)效應(yīng)，以及對山地植被分布、生產(chǎn)力及生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性的研究重視不夠，而后者在指導(dǎo)山地水土資源的合理開發(fā)和利用中也具有重要的作用。因此，需要重視水、土要素的環(huán)境效應(yīng)及其資源效用的綜合研究。

山地提供了豐富的生態(tài)、社會和氣候效益，但長期只關(guān)注森林木材生產(chǎn)或者糧食生產(chǎn)的供給功能，而對其他生態(tài)服務(wù)，如固碳、水資源供給等功能重視不夠。在氣候變化和山區(qū)開發(fā)日益增強的驅(qū)動作用下，山地生態(tài)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同的研究突顯其重要性，特別是山地作為低海拔地區(qū)的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)安全屏障具有重要意義。隨著氣候變化和人類需求的不斷提高，增加了某些功能的需求，必定導(dǎo)致其他一些功能的數(shù)量和質(zhì)量的降低，導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)的失衡[6]。典型的例子是，山區(qū)植樹造林增加了森林覆蓋度，降低了水土流失，森林的固碳功能增加，卻降低了河流徑流，水資源供給量減少[7-8]。因此，如何協(xié)調(diào)各種生態(tài)服務(wù)功能之間的關(guān)系，增加人類需求旺盛的生態(tài)服務(wù)，就需要進行土地利用的空間優(yōu)化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理。然而，優(yōu)化這些因素通常是基于長期經(jīng)驗進行的，容易導(dǎo)致難以預(yù)測的結(jié)果，特別是在變化環(huán)境影響下，后果更加難以預(yù)料[9]。

土地利用和人類活動的驅(qū)動顯著地影響著山地多功能的發(fā)揮。只有在局地、景觀和區(qū)域尺度的土地利用規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)管理中，綜合考慮和權(quán)衡山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，才能提供協(xié)調(diào)、可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)多功能服務(wù)。在全球變化的背景下，土地利用的優(yōu)化和可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理對維持山區(qū)及周邊地區(qū)人類生計具有重要意義[10]。為此，我們需要探究并量化水土要素及土地利用對多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響及其機制。然而，迄今為止，土地利用的優(yōu)化研究更多考慮的是供給功能的影響，而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)節(jié)功能及功能之間的權(quán)衡和協(xié)調(diào)研究不夠[11]。因此，亟需進行山地水土要素的耦合效應(yīng)、區(qū)域土地利用優(yōu)化和生態(tài)系統(tǒng)多功能的權(quán)衡研究，并提出山地水土耦合和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的區(qū)域土地利用優(yōu)化研究框架，并應(yīng)用于山區(qū)國土開發(fā)及空間利用的研究。

1 水土要素耦合的內(nèi)涵及其區(qū)域分異

水、土是山地自然地理的基本要素，由其產(chǎn)生的資源環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)服務(wù)功能是人類生存、生活和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其耦合狀況、優(yōu)化配置和高效利用是山地科學(xué)關(guān)注的焦點。

耦合是指系統(tǒng)之間通過各種作用而彼此影響的現(xiàn)象，表現(xiàn)為系統(tǒng)間相互作用和相互協(xié)調(diào)的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系[12]。山地水、土要素首先表現(xiàn)為環(huán)境因子，又是可資開發(fā)利用的自然資源。從生態(tài)學(xué)角度來看，水、土是影響生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程和功能的環(huán)境要素，表現(xiàn)在水分和土壤養(yǎng)分及其相互作用對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和生產(chǎn)力的影響。從地理學(xué)視角去理解，水、土是支持社會生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素，具有資源屬性，其在時間和空間上的匹配性呈現(xiàn)功能特征，功能的強弱在于其匹配程度，即時空耦合關(guān)系。受地理條件、氣候變化和人類活動等的綜合影響，水、土?xí)r空匹配關(guān)系的地域特征極其明顯，而山地因地形梯度和氣候梯度的差異，水、土耦合關(guān)系更為復(fù)雜[1]。人們可以根據(jù)環(huán)境要素的異質(zhì)性和資源的匹配程度，遵循山地的地帶性規(guī)律，開發(fā)山地水土資源，從生態(tài)系統(tǒng)獲取滿足人類需求的生態(tài)服務(wù)。研究水、土要素耦合對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和脆弱性的影響，合理利用水土資源，優(yōu)化水土資源空間利用，權(quán)衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)服務(wù)的協(xié)調(diào)，提高生態(tài)系統(tǒng)的整體效益，是山區(qū)發(fā)展亟待破解的重大課題。

水、土作為環(huán)境要素，表現(xiàn)出較強的耦合性，但在強烈的變化環(huán)境中會出現(xiàn)解耦聯(lián)現(xiàn)象，尤其表現(xiàn)為水、土資源匹配的失衡。土壤養(yǎng)分和水分通常呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，降水較多的地區(qū)，土壤水分和養(yǎng)分條件都較好[13-15]，但在熱帶山地降水很高的環(huán)境中，由于淋溶作用也會導(dǎo)致養(yǎng)分的降低，特別是出現(xiàn)有效磷的降低[16-17]。對于水、土資源來說，在降水量高的濕潤區(qū)通常耦合性較好，對區(qū)域社會-生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的促進作用就越強，表現(xiàn)出較高的生產(chǎn)力。相反，在干旱半干旱生態(tài)環(huán)境中，水資源作為最重要的限制因素，限制了土地資源的開發(fā)，也嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性[18]。在變化環(huán)境的影響下，水、土資源不匹配及矛盾凸顯，成為山區(qū)發(fā)展的瓶頸，給區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展帶來很大的不確定性。水土資源配置失衡，導(dǎo)致土地資源難以利用，水土流失等災(zāi)害頻發(fā)，生產(chǎn)力低下[3]。

2 水、土要素耦合及其效應(yīng)的研究進展

水土要素的耦合研究多強調(diào)水土資源的匹配及其對資源開發(fā)的影響，而較少關(guān)注水分的有效性和土壤養(yǎng)分對生態(tài)過程的影響。水土資源是水資源和土地資源的合稱。廣義的水資源包括地球上所有的天然水，而習(xí)慣上的定義是可供人類利用的水；土地資源是指已經(jīng)被人類所利用和可預(yù)見的未來能被人類利用的土地。土地資源位置固定，不能移動，在區(qū)位上存在肥力和生產(chǎn)力的差異[19]。為此，水土資源耦合研究在宏觀上關(guān)注水資源的調(diào)配和單位土地面積上的水資源量對土地資源開發(fā)利用的約束性，強調(diào)水土資源協(xié)調(diào)度及其資源效應(yīng)、資源環(huán)境承載力。鑒于生態(tài)過程在驅(qū)動水、土資源及其環(huán)境效應(yīng)中的重要作用，在水土要素耦合效應(yīng)的框架中還需加強水土要素對生態(tài)過程及其影響機制的研究。

2.1 水土資源的匹配

長期以來，水和土被視為資源，主要考慮水資源和土地資源的協(xié)調(diào)、土地資源開發(fā)和生產(chǎn)力的提升。在農(nóng)業(yè)資源開發(fā)中，水資源具有流動性和可調(diào)配性，而土地資源是固定的、不可轉(zhuǎn)移的，水土資源的匹配表現(xiàn)為水資源供應(yīng)區(qū)與消耗區(qū)在時間上的分離與空間上的組合，應(yīng)用于水土資源優(yōu)化配置與平衡研究[20]。水土資源耦合(或稱為匹配)研究就是進行水土資源配置，即資源分配或布局。優(yōu)化配置是指在一定條件下，以提高水土資源利用效率和達到最優(yōu)的生態(tài)經(jīng)濟效益為目的，并希望實現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用，最終實現(xiàn)經(jīng)濟效益目標(biāo)、社會效益目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境效益目標(biāo)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一[19]。一般情況下，選擇一種主導(dǎo)性目標(biāo)，進行水資源區(qū)域再分配，協(xié)調(diào)地區(qū)間和部門間的分配，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，以達到水土資源的最佳匹配狀態(tài)，最終實現(xiàn)水土資源高效可持續(xù)利用的目的。姚華榮等[21]和吳紹洪等[22]利用灰色線性規(guī)劃模型，根據(jù)生態(tài)先行、統(tǒng)籌兼顧和因地制宜的原則，以水資源為約束因素，以防沙治沙、經(jīng)濟發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展為目的，對首都圈防沙治沙區(qū)進行了水土資源的優(yōu)化配置。

在農(nóng)業(yè)區(qū)的研究中，水土耦合更多的是關(guān)注可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源量與耕地之間的空間協(xié)調(diào)程度，并與水土資源承載力作綜合分析。劉彥隨等[5]提出了水土資源匹配系數(shù)的概念，采用單位耕地面積的廣義農(nóng)業(yè)水資源量測度方法反映水資源供給量和耕地資源空間適宜性的量比關(guān)系，用以表征區(qū)域可供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源與耕地資源在時空分配上的均衡性。鄭重等[23]則利用“系統(tǒng)耦合”理論，對水土耦合的概念作出了全面的解釋，認(rèn)為應(yīng)該將水土子系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的“耦合鍵”，將有限的水資源和土地資源進行生態(tài)位和時空上的系統(tǒng)耦合效應(yīng)增大和景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計，以維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡，實現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用，達到經(jīng)濟、社會和生態(tài)綜合效益最優(yōu)化。但他僅從理論上進行了探討，還缺乏深入的案例研究。

2.2 山地土壤水分有效性和土壤質(zhì)量耦合

水土耦合從地理資源學(xué)的角度來理解，其耦合效應(yīng)實際上是指單位土地資源面積上的水資源的分配情況。但從生態(tài)學(xué)的角度來看，這種耦合方法存在諸多缺陷。比如在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，通常關(guān)注灌溉用水的多少及其有效性，以及土壤肥力的高低。因此，將已有的水土資源耦合效應(yīng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上時，存在的最大問題是：單純考慮水資源調(diào)配，未考慮土壤肥力的作用。其次，考慮更多的是藍水資源，而對綠水資源考慮較少。藍水資源是基于對水資源可控性的理解，而綠水則是基于對水資源有效性的認(rèn)識，植物生長主要依靠綠水[24]。從水資源角度來說，藍水雖然是水量的多少，而實際上土壤水才是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物水分供應(yīng)的最重要來源，是“四水轉(zhuǎn)換”的樞紐[25]。因此，如果忽略了綠水的作用，就不太適合自然植被水土耦合效應(yīng)的研究。

土壤養(yǎng)分作為水土耦合關(guān)系的要素，長期沒有得到重視，從水土耦合角度對土壤養(yǎng)分(或土壤質(zhì)量)的定量分析還很少。除了土壤養(yǎng)分外，還有土壤質(zhì)地、機械組成和微生物的活動狀況，這就是在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用較多的土壤質(zhì)量，是土地利用規(guī)劃中必須綜合考慮的重要問題[26]。因此，土壤質(zhì)量是反映水、土要素耦合效應(yīng)的綜合土壤指標(biāo)，理應(yīng)得到重視。

另外，在山地環(huán)境中，地形地貌(如山地垂直帶)造成的溫度梯度也是必須考慮的重要因素。山地水土要素的相互作用與山地垂直帶的溫度變化密切相關(guān)，這不僅給熱量條件的地帶性分異產(chǎn)生影響，還會影響到土壤有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分有效性和植被生產(chǎn)力等生態(tài)過程。因此，溫度也是影響山地水土要素耦合效應(yīng)的關(guān)鍵要素，影響到植物的物候節(jié)律和水分需求的季節(jié)性[27]，在季節(jié)和年度上呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化和年度變異規(guī)律[28]。

綜上所述，山地水土要素的耦合實際上是在一定溫度影響下，水分和土壤質(zhì)量相互作用的結(jié)果，外化為水、土耦合的資源效應(yīng)，這就是水土資源的匹配和優(yōu)化配置的實質(zhì)問題?；谏鲜龅睦斫?，從環(huán)境要素的角度分析，水分、土壤養(yǎng)分和溫度的耦合就是山地水土要素耦合的特征，會對山地植被生產(chǎn)力及其響應(yīng)環(huán)境變化的敏感性產(chǎn)生影響。因此，山地水土要素耦合可以通過土壤有效水、植被生長所需的最低溫度和土壤質(zhì)量綜合起來的指數(shù)來表征。

這里，我們將山地水土要素耦合指數(shù)定義為：

其中，WSCI是水土耦合指數(shù)，Tmin是最低溫度，AWC是土壤有效水，SQ是土壤質(zhì)量，i表示相應(yīng)的指數(shù)。

我們以太行山區(qū)為例，采用土壤養(yǎng)分、質(zhì)地、離子交換等11項能反映對植被影響的土壤屬性作為評價土壤質(zhì)量的指標(biāo)，構(gòu)建土壤質(zhì)量綜合評價的最小數(shù)據(jù)集。根據(jù)土壤容重屬性，對最小數(shù)據(jù)集中的評價指標(biāo)進行土層整合，利用線性歸一化的方法進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并采用熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重，最后各指標(biāo)無量綱化后的值與相應(yīng)的權(quán)重乘積后求和，獲得土壤質(zhì)量。土壤水分有效性采用蒸散發(fā)(AET)和潛在蒸散發(fā)(PET)的比值進行計算，利用RS-PM模型對蒸散發(fā)進行估算。水土耦合指標(biāo)計算的分辨率為1 km×1 km。溫度指標(biāo)考慮方面，因為最低溫度是植物生長的限制因子，我們采用 Jolly使用的日最低溫度閾值為-2 ℃和5 ℃來估算溫度對植物生長影響的限制作用[27]。采用(1)式計算了太行山區(qū)的水土耦合指數(shù)及土壤、水分和溫度在空間上對植被生長的限制狀況，如圖1所示。

通過太行山區(qū)各氣象站點WSCI與NDVI(歸一化植被指數(shù))的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，兩者具有正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)均達到0.7以上，表明我們的水土要素耦合指數(shù)能夠反映植被生產(chǎn)力的變化。由于溫度的影響，太行山區(qū)水土耦合指數(shù)呈現(xiàn)較強的季節(jié)變化，冬季耦合指數(shù)大多數(shù)地區(qū)較低，主要受到最低溫度的影響，隨著溫度升高水土耦合指數(shù)也逐漸增加。在夏季主要受到溫度、水分和土壤質(zhì)量三者的共同作用，表現(xiàn)出較大的區(qū)域差異。太行山區(qū)溫度受限天數(shù)高值區(qū)主要分布在高海拔地區(qū)，低海拔平原地區(qū)溫度受限較少。水分受限天數(shù)高值區(qū)主要分布在中低海拔，而高海拔地區(qū)受限較少(圖1)。

2.3 水土要素耦合及生態(tài)效應(yīng)的研究框架

根據(jù)水、土要素耦合及其生態(tài)與資源環(huán)境效應(yīng)，我們提出了“格局—效應(yīng)—土地利用優(yōu)化”的研究框架(圖2)。水、土要素的格局包括水分有效性、土壤質(zhì)量和溫度的耦合狀況，也包括土地利用優(yōu)化過程中的水資源和土地資源的匹配狀況。前者可以通過我們定義的水土要素耦合指數(shù)計算，后者可以通過常規(guī)的水土資源匹配情況，即單位面積土地上水資源的分配情況來刻畫。效應(yīng)就是水土要素耦合對植被生態(tài)系統(tǒng)功能的響應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，前者包括對植被分布、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等生態(tài)功能的影響，以及水土要素組合對環(huán)境變化下生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的影響；后者是指水土耦合在綜合環(huán)境要素影響下，氣候變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能、調(diào)節(jié)功能以及支持功能的影響。根據(jù)水土要素耦合的生態(tài)效應(yīng)，并借鑒天然植被的分布，可為人工植被的布局和生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

在研究山地水土要素對生態(tài)系統(tǒng)過程和功能影響的基礎(chǔ)上，可以了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的現(xiàn)狀和空間變異特征，還可以根據(jù)人類對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求進行土地利用的優(yōu)化，使希望獲取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最大化。在山地生態(tài)系統(tǒng)中，可以根據(jù)山地垂直帶植被的分布和土地的適宜性劃分生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間。在生產(chǎn)空間，重點考慮水資源土地資源的匹配度、水熱狀況和植被生產(chǎn)力，布局不同的農(nóng)作物或經(jīng)濟植物，目的是達到生態(tài)和經(jīng)濟效益的最大化。鑒于山地為低地和下游地區(qū)提供水資源服務(wù)，在大多數(shù)地區(qū)水資源短缺的今天意義尤為重大。通常采取優(yōu)化生產(chǎn)、生活空間的土地利用，降低植被的耗水量，增大河流徑流量，為平原地區(qū)提供更多的水資源服務(wù)。

在研究方法方面，主要采用聯(lián)合國千年評估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架[29]，采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡和協(xié)調(diào)的方法體系，設(shè)置水土資源約束條件下的土地利用方式變化情景，估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，調(diào)整以使希望獲取的生態(tài)服務(wù)功能最大化。土地利用優(yōu)化通常采用線性規(guī)劃、系統(tǒng)動力學(xué)、多目標(biāo)決策模型和 GIS技術(shù)相結(jié)合的方法[30-31]，而評價指標(biāo)權(quán)重的確定大多采用層次分析法[32-33]，評價指標(biāo)的優(yōu)劣分級通常采用模糊數(shù)學(xué)的方法[34]。

圖1 太行山區(qū)水土耦合指數(shù)(a)及土壤(b)、水分(c)和溫度(d)對植被生長限制的空間分布( (a)中，數(shù)值越大，表示水土耦合效應(yīng)越好； (b)～(d)中，數(shù)值越大，表示植被受相應(yīng)因子的限制越多)

2.4 太行山區(qū)水土要素耦合及土地利用的優(yōu)化配置

太行山區(qū)屬于我國北方土石山區(qū)，是京津冀大中城市及華北平原的水源保障與風(fēng)沙屏障，對于維持區(qū)域生態(tài)安全具有重要作用[35]。近年來，水資源短缺及其相關(guān)的環(huán)境問題已經(jīng)成為區(qū)域社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要挑戰(zhàn)，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對于維持區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。太行山區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)海拔差異，可以分為低山丘陵區(qū)、中山區(qū)和亞高山區(qū)。中山以上的地帶，由于多年的太行山綠化工程等生態(tài)建設(shè)工程的成效，以及山區(qū)人口的外遷，植被得到恢復(fù)，水土流失已經(jīng)成為次要的環(huán)境問題[36]。從20世紀(jì)80年代開始，各水文站觀測年徑流均呈減少的趨勢。為了給京津冀和華北平原持續(xù)的水資源供應(yīng)，優(yōu)化山地土地利用，協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的供給功能和調(diào)節(jié)功能成為重要的研究課題。在鞏固太行山區(qū)長期生態(tài)建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，對山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行功能定位劃分：亞高山區(qū)的次生林帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以調(diào)節(jié)和支持功能為主，強調(diào)氣候調(diào)節(jié)，集水產(chǎn)流；中山區(qū)的公益林和人工林帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同時兼顧調(diào)節(jié)、支持與生產(chǎn)功能，注重侵蝕控制以及水分和養(yǎng)分循環(huán)；低山丘陵區(qū)建設(shè)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)，以生產(chǎn)功能為主，兼顧其他功能，但要注重各功能協(xié)調(diào)，通過農(nóng)林配置，降低水資源消耗，為低地平原區(qū)提供持續(xù)的水資源服務(wù)[37]。

圖2 山地水土要素耦合的“格局—效應(yīng)—土地利用優(yōu)化”的研究框架

丘陵區(qū)是農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營區(qū)域，生產(chǎn)和生活耗水量大，水分脅迫嚴(yán)重，水土資源匹配矛盾突出，影響到山地整體服務(wù)功能的發(fā)揮。農(nóng)林結(jié)構(gòu)配置與用水調(diào)配問題不僅事關(guān)太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)耗水與水量平衡、社會經(jīng)濟發(fā)展問題，而且關(guān)系到為京津冀地區(qū)提供多少水資源的問題。在明確太行山區(qū)水土資源耦合格局的基礎(chǔ)上，對于匹配狀況良好的土地利用方式予以保留，對匹配狀況不良的土地利用方式進行優(yōu)化。同時，考慮到區(qū)域氣候差異以及不同植被的生長特性，分區(qū)域、分海拔提出土地利用方式的優(yōu)化方案，調(diào)整植被種植類型和結(jié)構(gòu)，如種植農(nóng)作物、經(jīng)濟果木、藥材、能源植物等。

基于SWART水文模型和InVest模型的產(chǎn)水模塊，依據(jù)水量平衡的估算方法，研究太行山區(qū)山地垂直帶異質(zhì)性對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響及權(quán)衡機制，水資源供給服務(wù)在不同海拔梯度帶的生產(chǎn)和消耗特征，并根據(jù)水土資源耦合格局下的土地利用優(yōu)化配置方案，分析太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務(wù)的時空變化及其成因，以及山區(qū)水資源向域外的轉(zhuǎn)移量，從而估算太行山區(qū)土地利用不同優(yōu)化模式對京津冀地區(qū)的水量貢獻。

3 研究展望

水、土要素耦合的生態(tài)與資源環(huán)境效應(yīng)是山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成的基礎(chǔ)，維系著山區(qū)居民生計和可持續(xù)發(fā)展。為了協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，就需要進行生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)管理，進行土地利用的優(yōu)化配置。未來研究的優(yōu)先方向如下：

(1) 變化環(huán)境下水土要素耦合時空格局變化

根據(jù)山地氣候變化的區(qū)域特征，分析典型山地垂直帶和區(qū)域降水變化格局與土壤水分響應(yīng)特征，分析土壤水分的區(qū)域氣候響應(yīng)特征、土壤質(zhì)量及土地適宜性特征與規(guī)律，研究山地垂直梯度上氣候、地形和植被等因子綜合影響下土壤質(zhì)地、土壤水分和水土要素耦合時空規(guī)律，闡明不同生態(tài)功能區(qū)水、土要素耦合作用下生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性與穩(wěn)定性。

(2)水土耦合的生態(tài)效應(yīng)和資源環(huán)境效應(yīng)

分析氣候變化和人類活動影響下水、土要素耦合作用導(dǎo)致的植被凈初級生產(chǎn)力時空格局及尺度特征，闡釋水分和養(yǎng)分脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)適應(yīng)機制。建立生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，探究不同水分脅迫影響下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性及其維持機制。根據(jù)水、土地資源的耦合效應(yīng)，研究區(qū)域水土資源可持續(xù)承載力，并依據(jù)山地植被地帶性規(guī)律，進行退化山地系統(tǒng)的植被恢復(fù)，確定不同生態(tài)功能區(qū)植被群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置方案，研究植被的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

(3)基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的土地利用優(yōu)化

基于生態(tài)優(yōu)先原則，以研究區(qū)生態(tài)—生產(chǎn)—生活空間目標(biāo)協(xié)調(diào)的水、土資源優(yōu)化配置為目標(biāo)，分析土地資源利用與水資源供給的平衡關(guān)系。構(gòu)建以土地利用類型為決策變量和水資源可利用量為主要約束變量的多目標(biāo)優(yōu)化模型，綜合考慮山地環(huán)境條件和利益相關(guān)方的土地利用愿景，權(quán)衡土地利用與經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益的沖突，探求不同生態(tài)功能區(qū)時空多尺度水土資源優(yōu)化配置方案，提出適合不同生態(tài)功能區(qū)的水土資源空間優(yōu)化利用和植被配置措施。評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)域外溢特征，探究水土資源耦合的可持續(xù)利用方向與調(diào)控機制。

(4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與生態(tài)補償機制

在山地不同水、土要素的耦合作用下，生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境要素的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致對某一主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行選擇時，會損害到其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供, 導(dǎo)致預(yù)期之外的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)衰退，即多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡的過程[38]。要廣泛開展山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系，以及變化環(huán)境下不同水、土要素耦合對生態(tài)系統(tǒng)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，系統(tǒng)地協(xié)調(diào)山地內(nèi)部和區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并構(gòu)建山地及周邊區(qū)域間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和受益者之間清晰的生態(tài)補償機制。

(2018年1月8日收稿)

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