景观指标的选择及其对水文特征的影响：智利土地利用变化对水资源的影响

《Frontiers in Environmental Science》：Landscape metrics selection and influence over hydrological signatures: land use change’s effect over water resources in Chile

本研究基于智利马波河集水区两个典型集水区，整合景观格局指标（LM）与水文改变指标（IHA），通过LASSO回归筛选出关键LM（如SHAPE_MN、SPLIT），揭示形状与聚合指标对月均流量（15%-98%）和极端事件（25%-99%）的主导作用。对比常规业务（BAU）与战略规划（PROT）情景，发现低干预集水区PROT更有效缓解水文退化，而高度城市化集水区需结合绿色基础设施。摘要长度：99字

　　干涸地区对水资源短缺和人为景观变化极为敏感，这类生态系统占据了地球陆地面积的40%以上，具有重要的生态和社会经济价值。然而，它们在面对气候变化和人类活动带来的压力时，表现出显著的脆弱性。研究指出，土地利用变化对水文格局的影响日益显著，尤其是在水资源紧张的地区。本研究通过引入一种创新框架，将类级景观指标（LM）与水文变化指标（IHA）相结合，评估土地利用变化如何影响干涸地区的水文系统。研究聚焦于智利马伊波河流域的两个流域——Rinconada de Maipú（RM）和Los Almendros，利用LASSO回归方法识别出对水文变化有显著影响的景观指标，为土地利用规划与水资源管理的融合提供了新的视角。

在干涸地区，水文特征如峰值流量、基流贡献和流量季节性是衡量水资源可用性和生态系统健康的重要指标。这些特征通常受到人类活动如城市化、农业集约化和森林砍伐的显著影响，这些活动改变了土地覆盖的组成和空间格局。例如，在土耳其的Terkos流域，研究发现，城市扩张导致的不透水面积（ISA）增加15%，使得峰值流量上升了45%。此外，景观碎片化程度增加的边缘密度加剧了水文连通性，加速了受干扰流域的径流过程。因此，理解土地利用变化对水文响应的影响，不仅有助于评估生态系统的稳定性，也为水资源管理提供了科学依据。

景观指标作为衡量土地空间格局的工具，能够揭示土地利用变化如何通过物理机制影响水文过程。例如，土地利用类型的百分比（PLAND）与洪涝频率之间的关系在黄淮海流域得到了验证，而景观碎片化程度则与地下水枯竭和土壤侵蚀密切相关。在埃塞俄比亚的上蓝尼罗河流域，景观连通性（Contagion）与泥沙输出呈负相关，表明分散的植被分布会加剧侵蚀过程。这些研究强调了空间格局在调节水文过程中的作用，尤其是在水资源受限的环境中。

尽管已有诸多研究探讨了景观与水文之间的关系，但仍有重要的知识空白。例如，干涸地区的独特水文特征如间歇性径流和植被脉冲生长模式尚未得到充分研究。此外，许多水文模型未能充分考虑景观指标的类级差异，尽管证据表明不同土地覆盖类型的景观指标对水文响应的影响是不同的。例如，森林边缘密度和城市边缘密度对蒸散发和径流的影响存在显著差异，但这些细微的差异往往被忽视。因此，针对干涸生态系统，需要系统性的评估方法，以识别最相关的景观指标，并将其纳入水文模型中。

本研究旨在填补这些空白，通过分析两种典型干涸流域——RM和Los Almendros——的土地利用变化，识别出对水文特征具有显著影响的类级景观指标。研究使用LASSO回归方法，建立景观指标与水文响应之间的实证关系，从而为土地利用规划和水资源管理的整合提供框架。这一框架不仅能够帮助政策制定者预测未来土地利用情景下的水文变化，还能为平衡农业扩张与地下水可持续性、缓解城市洪涝等问题提供可行的解决方案。

研究方法采用多时相的Landsat图像（1990年至2017年），结合SAGA-GIS平台，根据WUDAPT协议对本地气候区进行分类，生成54幅空间地图。土地利用最初被划分为17个类别，但为简化分析并保持可操作性，重新划分为五个主要类别：城市、农业、植被、裸土和水体。通过计算这些类别的景观指标，研究能够量化土地利用变化对水文特征的影响。此外，研究采用“正常水年”（即流量反映长期平均需求的年份）作为分析基础，以排除极端气候事件或异常管理措施对水文响应的干扰。

LASSO回归方法被用于分析景观指标对水文变化指标（IHA）的影响。LASSO回归特别适用于高维数据集，因为它能够通过引入L1正则化，自动筛选出对水文响应影响显著的变量，同时减少模型复杂性，避免过拟合问题。通过这种方法，研究确定了74个景观指标（占116个指标的64%）对水文特征具有显著影响。其中，形状和聚集性指标如城市斑块大小（SHAPE_MN）和农业分散度（SPLIT）显示出与水文变化的强相关性。这些指标解释了水文特征变化的范围从每月流量变化（IHA 1）的15%到98%，以及极端事件（IHA 2）的25%到99%。这些结果表明，景观结构对水文过程的影响具有高度的非线性和情境依赖性。

在RM流域，城市化显著增加了峰值流量，同时减少了基流。而在Los Almendros流域，农村荒废导致植被恢复，从而稳定了基流。未来情景分析进一步揭示了不同情境下的水文响应差异。在Los Almendros，由于人为干预较少，战略土地利用规划（PROT）比“照常经营”（BAU）更有效地缓解了水文退化。然而，在高度城市化的RM流域，PROT的效益有限，需要采取更多措施来限制水文影响。这一发现强调了在不同流域背景下，土地利用规划策略的适应性至关重要。

本研究的局限性在于样本量较小，这可能影响模型的稳定性和泛化能力。此外，LASSO回归方法本身具有相关性，无法完全排除非线性和交互作用的影响。因此，未来研究应考虑结合物理水文模型和实验数据，以更全面地理解景观变化对水文响应的因果关系。同时，研究也指出，尽管某些土地利用类型在流域面积中占比较小，其特定的空间格局和景观指标仍可能对水文过程产生显著影响。例如，在Los Almendros流域，城市和农业用地的面积虽然不大，但其形状和碎片化程度对水文响应具有重要作用。

本研究的结果对政策制定者和相关利益方具有重要启示。在Los Almendros流域，应优先考虑农业生态区划和河岸缓冲带的建立，以保障基流的稳定性，支持小规模农业活动。而在RM流域，需要推行紧凑型城市发展模式，并引入绿色基础设施措施，如透水铺装和雨水管理系统，以缓解城市化带来的洪涝风险和水文碎片化问题。此外，在区域层面，将战略土地利用规划框架与适应性水资源分配政策相结合，对于平衡不同用水需求和提升干涸地区的抗风险能力至关重要。

综上所述，本研究为干涸地区的土地利用与水文管理提供了科学依据和实践指导。通过整合类级景观指标和水文变化指标，研究揭示了土地利用变化对水文过程的复杂影响，强调了空间格局在调节水文特征中的关键作用。研究结果不仅有助于理解干涸地区生态系统的脆弱性，还为制定可持续的水资源管理政策和土地利用规划提供了可复制的工具。在面对日益加剧的气候压力和水资源短缺挑战时，这种整合方法能够为政策制定者提供更全面的视角，以实现生态与社会经济的双重目标。