土地利用變化對太行山區(qū)水源涵養(yǎng)功能的影響研究

摘要：太行山是京津冀城鎮(zhèn)群和華北平原的生態(tài)屏障和重要的水源涵養(yǎng)地，為探究土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響，基于土壤、土地利用、DEM、氣象等數(shù)據(jù)，借助InVEST模型定量評估太行山區(qū)的水源涵養(yǎng)功能，并分析土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響。結(jié)果表明：（1）2000—2020年太行山區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)總量為53.67×108" m3，呈現(xiàn)出W型的變化趨勢；水源涵養(yǎng)深度均呈現(xiàn)出由南向北、由東向西逐漸降低的空間分布特征。（2）不同地類的水源涵養(yǎng)功能強弱差異明顯，依次為草地＞林地＞未利用地＞耕地＞建設(shè)用地＞水域。（3）林地和耕地與水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，而草地、建設(shè)用地和未利用地與水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。

關(guān)鍵詞：InVEST模型；水源涵養(yǎng)；土地利用；時空變化；太行山

中圖分類號：X171.1；K930文獻標志碼：A文章編號：16735072（2025）02016208

Study on the Impact of Land Use Changeson Water Conservation Function in Taihang Mountains

LI Qinglan，WANG Chengwu，WANG Zhoufeng，XIE Liang

（School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500）

Abstract：The Taihang Mountains are an ecological barrier and an important water conservation area for the BeijingTianjinHebei urban agglomeration and the North China Plain.To explore the impact of land use changes on the water conservation function，based on soil，land use，DEM，and meteorological data，we quantitatively assessed the water conservation function of the Taihang Mountains with the help of the InVEST model，and explored the impact of land use changes on the water conservation function.The results show that：（1） From 2000 to 2020，the total average annual water conservation in the Taihang Mountains was 5367×108 m3，showing a Wshaped trend.The depth of the water conservation all presents the spatial distribution of gradually decreasing from the south to the north and from the east to the west.（2） The water conservation functions of different land use types differ significantly，with the following order of magnitude：grassland gt; forest land gt; unused land gt; cropland gt; construction land gt; water.（3） Forest land and cropland show significant positive correlation with the water conservation function，while grassland，construction land and unused land show significant negative correlation with the water conservation function.

Keywords：InVEST model; water conservation; land use; spatial and temporal variation; Taihang Mountains

水源涵養(yǎng)功能是重要的生態(tài)服務(wù)功能，在生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域水循環(huán)中發(fā)揮著水源供給、調(diào)節(jié)徑流、水土保持等關(guān)鍵作用。土地利用變化是自然環(huán)境和人類活動綜合作用的結(jié)果，直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的演化過程，進而驅(qū)使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。土地利用變化主要通過改變下墊面條件間接改變區(qū)域蒸發(fā)、入滲、產(chǎn)流等水文過程，從而使區(qū)域水源涵養(yǎng)功能發(fā)生變化［1］。水源涵養(yǎng)功能與土地利用變化聯(lián)系密切，相互影響，并共同影響著一個地區(qū)的社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究水源涵養(yǎng)功能對土地利用變化的響應(yīng)對區(qū)域土地資源和水資源的管理具有重要意義。

近年來，空間分析技術(shù)在生態(tài)水文過程研究中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學者運用VIC（Variable Infiltration Capacity）［2］、SCSCN（Soil Conservation Service Curve Number）［3］、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）［4］和InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）等模型來探討區(qū)域水源的涵養(yǎng)功能。其中，InVEST模型具有廣泛的適用性和強大的動態(tài)性，能夠基于GIS平臺實現(xiàn)生態(tài)服務(wù)功能的可視化與空間分析。在水源涵養(yǎng)功能的模擬和評估分析中，InVEST模型具有一定的優(yōu)勢，被國內(nèi)外學者廣泛應(yīng)用，如利用InVEST模型評估加納普拉河［5］、伊朗半干旱森林［6］和埃塞俄比亞Winike［7］等流域的供水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，驗證了模型在流域尺度的準確性和適用性；基于InVEST模型模擬流域［811］、山區(qū)［12］、市縣［1314］等不同尺度的水源涵養(yǎng)功能及其時空分布，并分析和探討了水源涵養(yǎng)對土地利用與氣候變化的響應(yīng)。以上研究表明，InVEST模型在不同地理環(huán)境的研究區(qū)中均取得了較好的應(yīng)用效果，是量化評估水源涵養(yǎng)的有效工具。隨著人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾日益加劇，對土地利用變化導致的生態(tài)系統(tǒng)價值響應(yīng)的研究變得尤為重要。而目前的研究多聚焦于水源涵養(yǎng)功能的時空變化及其影響因素［67，910，13］，對土地利用與水源涵養(yǎng)之間耦合關(guān)系的研究相對較少［1415］，需要進一步探討。值得一提的是，InVEST模型可以根據(jù)山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特點和實際情況進行參數(shù)本地化調(diào)整，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值，從而定量地評估水源涵養(yǎng)的效益。這有助于更深入了解不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)功能，并更好地進行土地利用與水源涵養(yǎng)之間耦合關(guān)系的系統(tǒng)研究。

中國的山地面積約占陸地國土空間的64.89%［16］，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是國家可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)基底。山地生態(tài)系統(tǒng)在水源涵養(yǎng)、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持、物質(zhì)生產(chǎn)資料供給等方面具有突出的作用［17］，山地生態(tài)系統(tǒng)提供的功能不僅服務(wù)于山區(qū)本身的發(fā)展，更在國家生態(tài)安全格局中起著骨架作用。太行山區(qū)是華北平原和京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)功能區(qū)，但受自然環(huán)境變化以及人類活動的影響，區(qū)域水土流失嚴重。目前，有學者對太行山區(qū)土地利用景觀格局時空變化［18］、氣候與植物覆蓋度的耦合關(guān)系［19］、土壤侵蝕時空分異［20］、水資源供需關(guān)系［21］等進行了研究，但缺少土地利用變化與水源涵養(yǎng)功能之間耦合關(guān)系的研究。為此，本文運用InVEST模型，從水源涵養(yǎng)功能變化的角度分析評估土地利用變化對其的影響，以期為太行山區(qū)土地利用規(guī)劃管理、水資源合理配置提供參考。

1研究區(qū)概況

太行山區(qū)（110°19′—116°40′E，34°35′—40°46′N）是中國東部地區(qū)的重要山脈和地理分界線，位于山西省與華北平原之間（圖1），縱跨北京、河北、山西、河南4個省市［22］，面積約為13.48萬km2，平均海拔約為861 m。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣溫從南到北逐漸降低，年平均氣溫約為10 ℃；南部地區(qū)年均降水量為550～650 mm，北部地區(qū)為400～550 mm［21］，降水主要集中在7—9月，這段時間暴雨較多從而引起嚴重的水土流失；主要土地利用類型為耕地、林地和草地，三者占總面積的90%左右；主要植被類型為溫帶落葉闊葉林；主要土壤類型是山地褐土；太行山區(qū)是黃河流域和海河流域的重要水源區(qū)，孕育了眾多河流，包括漳河、沁河、丹河、子房河、峪河、淇河等大型河流。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源本文所采用的數(shù)據(jù)主要為土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、生物物理系數(shù)表、Zhang系數(shù)、流速系數(shù)和地形指數(shù)。所有柵格數(shù)據(jù)空間分辨率均統(tǒng)一重采樣為1 km，并投影為WGS_1984_UTM_Zone_50坐標系。

土地利用數(shù)據(jù)采用中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）提供的2000、2005、2010、2015、2020年5期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。根據(jù)研究需求，使用ArcGIS軟件將原始土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的25個二級地類重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個一級地類。

氣象數(shù)據(jù)包括降水和潛在蒸散量，均來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn）提供的逐月數(shù)據(jù)集。使用ArcGIS軟件將nc數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，再利用空間分析工具將逐月數(shù)據(jù)進行年度累加合成得到年數(shù)據(jù)。

土壤數(shù)據(jù)包括土壤深度、植物可利用含水量和土壤飽和導水率，來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（https：//www.fao.org/home/en/）里提供的HWSD1.2土壤數(shù)據(jù)集。其中，土壤深度可以直接從該數(shù)據(jù)集中獲取，植物可利用含水量則利用該數(shù)據(jù)集提供的土壤中砂粒、粉粒、粘粒以及有機碳含量計算得出［9］，土壤飽和導水率是基于該數(shù)據(jù)集中的土壤砂粒、粘粒含量等計算獲得［23］。

生物物理系數(shù)表（表1）包括土地利用類型（LULC_desc）、代碼（lucode）、植被根系深度（root_depth）、蒸散系數(shù)（Kc）及實際蒸散發(fā)AET計算公式（LULC_veg），其中蒸散系數(shù)參考前人研究結(jié)果［2426］和InVEST用戶指南得出。

Zhang系數(shù)表征區(qū)域降水格局和水文地質(zhì)特征的氣候季節(jié)因子，其值介入1～10。根據(jù)太行山區(qū)相關(guān)參考文獻發(fā)現(xiàn)當Zhang系數(shù)取5.86時，InVEST模型模擬產(chǎn)水量的效果較好，具有顯著的線性關(guān)系［21］。

流速系數(shù)以美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護局提供的國家工程手冊中的流速坡度景觀表格里的數(shù)據(jù)為基準值，再乘以1000得到。

地形指數(shù)是基于DEM數(shù)據(jù)，使用ArcGIS軟件中坡度工具計算百分比坡度柵格數(shù)據(jù)，最后利用公式計算得到［23］。

2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀展現(xiàn)研究區(qū)域在不同時期不同地類之間的面積變化和轉(zhuǎn)移方向［27］。采用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以定量分析太行山區(qū)2000—2020年各地類的面積變化及轉(zhuǎn)移去向，為太行山區(qū)土地資源規(guī)劃管理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐，幫助決策者更好地理解和規(guī)劃土地利用。

2.3水源涵養(yǎng)量計算

InVEST模型的產(chǎn)水量模塊是基于水量平衡原理，再結(jié)合降水、潛在蒸散發(fā)、土壤深度、植被可利用含水量和土地利用等參數(shù)計算獲得區(qū)域產(chǎn)水量［28］。本文采用InVEST模型3.10.2版本的產(chǎn)水量模塊來計算太行山區(qū)的產(chǎn)水量。在得到產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上，綜合考慮研究區(qū)不同地類的流速系數(shù)、地形指數(shù)和土壤飽和導水率等因素，計算出太行山區(qū)的水源涵養(yǎng)量［911］。

2.4情景模擬法

為了更準確地探究土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響，需要排除氣候因素對研究結(jié)果產(chǎn)生的干擾。

2.5Pearson相關(guān)分析

使用SPSS軟件計算Pearson相關(guān)系數(shù)來分析不同土地利用類型與水源涵養(yǎng)之間的相關(guān)性。Pearson相關(guān)系數(shù)取值在-1～1，其絕對值大小代表不同土地利用類型對水源涵養(yǎng)的影響程度，越大代表相關(guān)性越強［15］。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用變化分析2000—2020年太行山區(qū)土地利用空間分布（圖2）和面積變化（表3）結(jié)果表明：（1）從土地利用類型構(gòu)成看，以耕地、林地、草地為主，多年平均面積占比分別為36.13%、28.97%和26.75%；其次依次為建設(shè)用地（5.19%）和水域（1.36%）；未利用地面積最小，僅占0.13%。（2）從土地利用空間分布上看，太行山區(qū)耕地主要分布在四周及南部地區(qū)，林地主要分布在東北部和西南部地區(qū)，草地主要分布在東南部、中部及中北部地區(qū)，建設(shè)用地則分布在經(jīng)濟發(fā)達的城市地區(qū)，水域和未利用地零散分布在研究區(qū)內(nèi)。（3）從土地利用變化趨勢看，20年來各地類的面積變化特征表現(xiàn)為“三增三減”。具體來說，林地、水域和建設(shè)用地面積增加，耕地、草地和未利用地面積減少，其中，耕地面積減少最多，由50 729.64 km2減至46 680.6 km2，建設(shè)用地面積的增幅最大，為87.23%，由5652.29 km2增至10 582.61 km2。（4）從土地利用類型轉(zhuǎn)換方式看，研究區(qū)內(nèi)各地類之間轉(zhuǎn)換頻繁。耕地是太行山區(qū)近20年來轉(zhuǎn)出面積最多的地類，主要轉(zhuǎn)為草地、建設(shè)用地和林地，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積遠大于轉(zhuǎn)出面積。

3.2太行山區(qū)水源涵養(yǎng)空間格局

2000—2020年太行山區(qū)產(chǎn)水量的模擬結(jié)果顯示（表4）：太行山區(qū)多年平均產(chǎn)水深度和產(chǎn)水總量分別為121.76 mm和165.09×108 m3。在2000—2020年，產(chǎn)水深度和產(chǎn)水總量均呈現(xiàn)先減少后增加、再減少后增加的W型趨勢。到了2020年，產(chǎn)水深度和產(chǎn)水總量達到最大值，分別為16648 mm和225.47×108 m3。而最低值出現(xiàn)在2005年，分別為96.56 mm和131.05×108 m3。

2000—2020年太行山區(qū)的水源涵養(yǎng)量結(jié)果顯示（表4）：多年平均水源涵養(yǎng)深度和水源涵養(yǎng)總量分別為39.59 mm和53.67×108 m3，2005年水源涵養(yǎng)深度和水源涵養(yǎng)總量達到最低值，分別為29.47 mm和40.00×108 m3，最高值出現(xiàn)在2020年，分別為57.78 mm和78.25×108 m3。在這20年里，水源涵養(yǎng)總量以1.50×108 m3·a-1的速率增長。可以看出，水源涵養(yǎng)量的變化趨勢與產(chǎn)水量變化一致，呈現(xiàn)出W型變化趨勢。這種W型變化趨勢主要受到氣候變化、人類活動和自然環(huán)境等多種因素的綜合影響。在太行山區(qū)這一特定地理環(huán)境中，降水量的W型變化可能是導致水源涵養(yǎng)量和產(chǎn)水量呈現(xiàn)W型變化趨勢的主要原因。

2000—2020年太行山區(qū)水源涵養(yǎng)深度空間格局具有一致性，均呈現(xiàn)出由南向北、由東向西逐漸降低的空間分布特征（圖3）。水源涵養(yǎng)深度作為水源涵養(yǎng)功能的量化指標，能夠很好地表征單元面積上水源涵養(yǎng)量的大小，進而揭示不同地區(qū)水源涵養(yǎng)功能的強弱［29］。太行山區(qū)的水源涵養(yǎng)深度高值區(qū)主要集中在晉城市東部、長治市東南部和忻州市五臺山等地區(qū)，這些地區(qū)的降水量較為豐富［30］，同時林地和草地的覆蓋率較高，導致蒸散發(fā)量相對較少。水源涵養(yǎng)深度的低值區(qū)面積較大且主要分布在太行山北部地區(qū)，主要受到降水量的顯著影響?？傮w來看，太行山地區(qū)降水量和潛在蒸散發(fā)量的差值越高的地區(qū)，水源涵養(yǎng)功能也相應(yīng)越高；反之，差值越低的地區(qū)，水源涵養(yǎng)功能則相對較低。

3.3不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量

不同地類水源涵養(yǎng)深度反映不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)功能強弱。2000—2020年不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)深度與水源涵養(yǎng)總量的統(tǒng)計結(jié)果顯示（表5）：太行山區(qū)土地利用類型水源涵養(yǎng)深度為草地＞林地＞未利用地＞耕地＞建設(shè)用地＞水域，表明草地的水源涵養(yǎng)功能最強，其水源涵養(yǎng)深度達46.84 mm，水域的水源涵養(yǎng)功能最弱。林地、草地和耕地是水源涵養(yǎng)總量的主要貢獻地類，它們分別占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的32.78%、31.52%和30.83%。相比之下，建設(shè)用地和未利用地提供的水源涵養(yǎng)量僅占總量的3.37%，而水域的水源涵養(yǎng)量始終為0。盡管未利用地的水源涵養(yǎng)功能強于耕地和建設(shè)用地，但由于耕地和建設(shè)用地的面積遠大于未利用地，因此未利用地的水源涵養(yǎng)總量遠遠低于耕地和建設(shè)用地。這表明各地類的水源涵養(yǎng)總量不僅取決于水源涵養(yǎng)功能，還受到分布面積的影響。

3.4土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響

將水源涵養(yǎng)情景模擬法的模擬結(jié)果與2000年實際情況進行對比（表6），不同情景下的產(chǎn)水深度和產(chǎn)水總量表現(xiàn)出以下趨勢：2000年＞情景1＞情景2＞情景3＞情景4。而對于水源涵養(yǎng)深度和水源涵養(yǎng)總量，則呈現(xiàn)出以下趨勢：情景1＞2000年＞情景2＞情景3＞情景4。

太行山區(qū)土地利用類型面積與水源涵養(yǎng)的相關(guān)系數(shù)表明（表7）：除水域之外，其他地類面積與水源涵養(yǎng)深度和水源涵養(yǎng)總量之間均存在顯著相關(guān)性。

土地利用的水源涵養(yǎng)深度表征不同用地類型水源涵養(yǎng)功能的強弱，水源涵養(yǎng)總量表征不同用地類型水源涵養(yǎng)對區(qū)域水源涵養(yǎng)貢獻的大小。因此，在水源涵養(yǎng)功能方面，耕地和林地與水源涵養(yǎng)功能呈顯著正相關(guān)關(guān)系，未利用地、草地和建設(shè)用地與水源涵養(yǎng)功能呈顯著負相關(guān)關(guān)系；相關(guān)性大小依次為：未利用地＞耕地＞草地＞建設(shè)用地＞林地。在區(qū)域水源涵養(yǎng)貢獻方面，耕地、林地和草地與水源涵養(yǎng)貢獻呈顯著正相關(guān)關(guān)系，建設(shè)用地和未利用地與水源涵養(yǎng)貢獻呈顯著負相關(guān)關(guān)系；相關(guān)性大小依次為：未利用地＞耕地＞建設(shè)用地＞林地＞草地。

4結(jié)論與討論

本文基于InVEST模型的年產(chǎn)水量模塊，結(jié)合太行山區(qū)的各類數(shù)據(jù)進行參數(shù)本地化調(diào)整，進而對該區(qū)的水源涵養(yǎng)功能進行評估分析。結(jié)果表明，太行山區(qū)不同土地類型的水源涵養(yǎng)功能存在顯著差異。土地利用變化主要通過改變地表下墊面，進而影響土壤下滲量、蒸散發(fā)量和理化性質(zhì)等因素，從而影響水源涵養(yǎng)深度［14，31］。植被根系和土壤結(jié)構(gòu)能夠有效地攔截和吸收降水，減緩水流的流速，從而減少水土流失并增強水源涵養(yǎng)功能［12］。草地和林地由于其常年植被覆蓋，具有強大的植被截留、下滲和蓄水能力，因此具有較高的水源涵養(yǎng)功能［3234］。在城鎮(zhèn)化過程中，應(yīng)重視草地和林地的開發(fā)和保護，充分發(fā)揮其水源涵養(yǎng)作用。耕地由于作物種植季節(jié)的影響，有時會出現(xiàn)植被覆蓋度低、土地裸露的情況，因此水源涵養(yǎng)功能相對較低。建設(shè)用地會導致地表下墊面硬化，不透水面面積增加，進而改變下墊面的滲透性、滯水性等特性，對區(qū)域水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生影響［3132］。

土地利用變化對區(qū)域水源涵養(yǎng)具有重要的影響作用。水源涵養(yǎng)受到氣候和人類活動等多方面的影響［9，1213］。鑒于氣候因素存在不可控性，土地利用變化作為人類可控因素，研究其對水源涵養(yǎng)的影響更具有實踐價值［15，32］。土地利用變化不僅改變了區(qū)域地表結(jié)構(gòu)，還對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程產(chǎn)生了深遠影響，從而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［35］。多年來，太行山區(qū)的主要土地利用類型為耕地、林地和草地，合計占據(jù)研究區(qū)總面積的近九成。山區(qū)耕地與建設(shè)用地呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，建設(shè)用地面積不斷增加。在2000—2015年，建設(shè)用地面積的增長速度相對緩慢，在2015—2020年，增長速度則急劇上升。耕地面積變化趨勢恰好與之相反。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于城鎮(zhèn)化進程的快速推進以及社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，導致周邊大量的耕地和草地被迫轉(zhuǎn)化為滿足城鎮(zhèn)新增人口生活需求的建設(shè)用地［32］。

深入探究土地利用變化對水源涵養(yǎng)功能的影響，不僅有助于協(xié)調(diào)區(qū)域水土資源矛盾，改善生態(tài)安全狀況，而且能夠為生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學依據(jù)，從而促進可持續(xù)發(fā)展。太行山區(qū)作為華北平原重要的生態(tài)屏障，對京津冀城市群的社會經(jīng)濟發(fā)展起著不可或缺的支撐作用。因此，維護太行山區(qū)的水源涵養(yǎng)功能，實施科學的土地資源利用政策具有重要的意義。由于InVEST模型在計算柵格單元產(chǎn)水量時未能考慮地表水和地下水對產(chǎn)水量的影響，可能對研究結(jié)果的準確性產(chǎn)生一定的影響。因此，在未來的研究中要進一步加強InVEST模型的參數(shù)驗證，以提高模型在不同區(qū)域的適應(yīng)性和可靠性。

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