植被优化提高了山区生态系统的水资源保护功能

《Journal of Hydro-environment Research》：Vegetation optimization improves water conservation function in a mountainous ecosystem

本研究以陕西段汉江流域为对象，采用InVEST模型评估水保功能，通过森林地类适宜性评估优化土地利用，使水保量提升36.97%，验证了整合生态评估与植被优化的有效性。

　　本研究探讨了山地生态系统中水文调节功能的提升方法，并以汉江流域陕西段（SSHRB）作为案例区域，评估了当前的水文调节能力，并提出了优化土地利用和地表覆盖结构的策略。水文调节功能是生态系统服务中的重要组成部分，对于区域水资源的可持续利用和生态环境服务的改善具有关键作用。研究发现，目前SSHRB地区约80.44%的土地利用和地表覆盖类型不适合支持水文调节功能。通过优化，森林、草地和灌木地的面积比例显著变化，导致水文调节能力从4104.44×10?立方米提升至5614.34×10?立方米，提高了36.97%。这些结果表明，将土地适宜性评估与植被优化相结合，能够系统性地提升水文调节功能，为生态修复和可持续流域管理提供可行的策略和科学依据。

山地生态系统覆盖了地球约25%的陆地面积，全球约12%的人口居住在山地地区。然而，山地生态系统直接或间接地为超过50%的全球人口提供各种资源。山地生态系统是典型的自然-人类耦合系统，由于其陡峭的环境梯度和社会-生态复杂性，它们也是最容易受到干扰的生态系统之一。水资源安全对于城市地区的可持续发展至关重要。研究表明，2015年全球约90%的大城市面临供水风险，其中低收入和中等收入国家的城市面临更为严重的水资源短缺问题。水文调节功能作为生态系统服务的核心功能之一，因其在保持土壤湿度、改善区域水文条件、调节径流和水文循环、确保可持续供水方面的重要作用而受到全球关注。山地森林生态系统在防止土壤侵蚀和水文调节方面发挥着关键作用，因此，研究山地生态系统服务，特别是水文调节功能，对于维护山地生态系统的稳定性以及促进人类社会的可持续发展具有重要意义。

水文调节功能本身具有复杂性和多维性，因为它涵盖了生态系统中的各种过程和相互作用，例如土壤侵蚀控制、地表和地下水流量调节、水资源储存等。这些过程受到多种因素的影响，包括土地利用模式、气候条件、土壤理化性质、地形特征和人类活动。水文调节功能涉及的生态系统包括农田、森林、灌木地、草地和湿地，它们通过特定的结构特征与水进行互动。这种互动有助于调节水流动和循环，从而实现有效的水资源管理和调控。因此，对山地生态系统中水文调节功能进行定量评估，并探索其时空分布模式，对于增强当地水资源能力、实现有效水资源管理以及优化水文调节措施具有重要的科学意义。

气候因素和土地利用类型被广泛认为是影响水文调节功能的两个主要驱动因素。气候因素如降水和蒸散发是自然因素，具有内在属性，由自然过程塑造，无法人为改变。相比之下，土地利用类型与人类活动密切相关，被视为可控因素，因此，通过优化土地利用类型可以增强水文调节功能。研究表明，优化土地利用结构和适当恢复植被的策略可以提升水文调节功能，从而改善水文条件，促进生态修复。自20世纪80年代以来，中国政府启动了一系列生态修复项目，旨在改善生态环境质量，包括退耕还林工程（GFGP）、退耕还草工程（RGGP）、沙尘源治理工程（SSCP）和防护林体系建设工程（SBDP）。这些项目有效重构了土地利用类型和植被空间格局，为生态系统修复和可持续发展做出了贡献。

已有研究对实施生态修复项目的地区进行了生态修复效果的定量评估。例如，在石羊河流域，退耕还林工程使总水文调节能力提高了6.41%。张等（2024）对2009年至2019年间中国生态修复项目的成效进行了定量评估，结果显示，国家的生态修复项目使生态系统服务价值增加了2.53万亿元人民币，其中超过65%的增加归功于生态系统调节服务。在陕西省，自20世纪80年代实施退耕还林工程以来，到2015年，该地区的水资源产出和水文调节能力分别减少了1.281×10?立方米和7.74×10?立方米，表明陕西省北部地区的水文调节功能有所下降。这些结果凸显了土地利用类型和植被空间配置变化对水文调节功能变化的高不确定性。我们假设这种不确定性主要源于森林土地适宜性的不确定性。不合理的或设计不当的生态修复策略可能会阻碍植被生长，长期来看甚至可能导致生态系统退化。因此，在实施生态修复项目之前，进行森林土地适宜性评估至关重要。

随着地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和计算机技术的不断发展，各种用于生态系统服务的水文模型已被广泛应用于流域水文调节功能的定量评估。由斯坦福大学、世界自然基金会（WWF）和大自然保护协会（TNC）联合开发的生态系统服务与权衡综合评估模型（InVEST模型）因其高精度的模拟能力、灵活的参数调整和出色的时空可视化能力，已成为评估水文调节功能的主要工具。尽管已有大量研究探讨了水文调节功能的时空特征和影响因素，但针对增强水文调节功能的有效策略及其定量评估的研究仍然较为匮乏。此外，将水文调节功能评估与森林土地适宜性评估相结合以最大化效益的研究也尚未深入。

秦岭-大巴山地区是全球生物多样性热点之一，同时也是中国经济发展滞后和贫困率较高的区域。该地区存在生态保护与经济社会发展之间的显著矛盾。作为秦岭-大巴山生物多样性与水文调节区域的一部分，汉江流域陕西段（SSHRB）为解决这些全球性挑战提供了理想的案例研究区域。该地区是南水北调中线工程和汉江-渭河工程的核心水源地。然而，该地区的部分山地生态环境已遭受严重退化，突显了人类与环境之间的相互作用。该地区的地形多样，具有显著的高程和坡度变化，导致水文调节能力在空间上具有高度异质性。这种异质性表明，森林土地的适宜性在景观中存在较大差异。然而，当前的土地利用实践，如大面积的农田耕作，往往在生态系统中统一应用，忽视了生态差异，反映了人类活动的主导作用。本研究旨在通过以下方式解决这些问题：（i）识别水文调节功能的修复区域；（ii）在这些修复区域中，基于森林土地适宜性评估制定植被优化策略；（iii）定量评估植被优化对水文调节功能的影响。我们期望这些研究结果能够为未来山地生态系统的生态修复项目的设计和实施提供有价值的见解和可行的建议。通过将科学评估与实际策略相结合，本研究旨在为区域水文调节功能的更有效和可持续提升做出贡献。