植被优化提升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

　　韩朝晖|戴天桥|王志瑞|郭华明|王帆|牛秋生|徐多勋|郭发|贾旭中国地质调查局西安矿产资源调查中心，中国西安710100摘要提升水资源保护功能对于区域水资源的可持续利用及生态系统服务的改善至关重要。气候条件与土地利用类型是影响水资源保护的关键因素，但二者之间的相互作用往往使得有效管理变得复杂。虽然通过将农田转变为林地或草地等举措来提升水资源保护效果已得到广泛应用，但由于林地适宜性的差异，其成效仍不确定。我们选择汉江流域的陕西段作为研究区域，运用INVEST模型和林地适宜性评估方法，对当前的水资源保护功能进行了评价，并通过优化土地利用与土地覆盖类型来进一步提升该功能。研究结果表明，目前修复区域中80.44%的土地利用类型并不适合用于水资源保护。经过优化后，林地、草地和灌木地的比例发生了显著变化，使得修复区域的水资源保护量从4,104.44×106立方米增加到5,614.34×106立方米，提升了36.97%。这些发现表明，将土地适宜性评估与植被优化相结合，有助于系统地提升水资源保护功能。这一方法为生态修复和可持续流域管理提供了可行的策略，对于面临类似挑战的地区具有重要的应用价值。引言地球上约25%的土地为山区，全球约有12%的人口居住在山区，然而山区直接或间接地为超过50%的世界人口提供各种资源（Ives，1997）。山区生态系统属于典型的自然-人类耦合系统，由于环境梯度大且社会生态结构复杂，它们也是最容易受到干扰的生态系统之一（Vigl等人，2016；Palomo，2017；Chakraborty，2021；IPBES，2022）。水资源安全对于城市地区的可持续发展至关重要（Fl?rke等人，2018；Koop等人，2022）。研究表明，2015年全球大约90%的大城市面临供水风险，而低收入和中等收入国家的城市则面临更为严重的缺水问题（Liu等人，2024）。作为生态系统服务的核心功能之一（Wang等人，2021），水资源保护功能因其在保持土壤湿度、改善区域水文状况、调节径流和水文循环以及确保可持续供水方面的关键作用而受到全球广泛关注（Chen等人，2022；Jia等人，2024；Li等人，2021；Petus等人，2018；Yin等人，2022）。山区森林生态系统在防止土壤侵蚀和节约水资源等方面发挥着重要作用（Zhao等人，2012；Schroter等人，2015）。因此，研究山区生态系统服务，尤其是水资源保护功能，对于维护山区生态系统稳定和促进人类社会可持续发展具有重要意义。水资源保护功能本质上是复杂且多维的，它涉及生态系统内的多种过程和相互作用，如防止土壤侵蚀、调节地表水与地下水流动、储水等（Hu等人，2020；Wallington和Cai，2020；Xu等人，2020；Zheng等人，2020）。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、土壤物理化学性质、地形以及人类活动（Gong等人，2017；Li等人，2021）。它涉及到农田、林地、灌木地、草地和湿地等生态系统，这些生态系统通过特定的结构特征与水发生相互作用，从而帮助调节水流和水文循环，便于有效管理和调控水资源（Xiong等人，2018）。因此，定量评估山区生态系统的水资源保护功能并探究其时空分布规律，对于提升当地水资源能力、有效管理水资源以及优化水资源保护工作具有重要的科学意义。气候因素和土地利用类型被普遍认为是影响水资源保护功能的两个主要驱动因素（Berghuijs等人，2017；Gao等人，2017；Qiao等人，2023）。降水与蒸发等气候因素是受自然过程影响的自然因素，无法改变。而土地利用类型则与人类活动密切相关，属于可控制因素，通过优化土地利用类型可以提升水资源保护功能。研究表明，优化土地利用结构以及合理恢复植被等措施能够提升水资源保护功能，进而改善水文状况并促进生态修复（Hu等人，2021；Wang等人，2019）。自20世纪80年代以来，中国政府实施了一系列旨在改善环境质量的生态修复项目，包括退耕还林工程、退牧还草工程、沙尘源治理工程以及防护林建设工程。这些举措有效地改变了土地利用类型和植被空间分布格局，为生态系统修复和可持续发展做出了贡献（Bryan等人，2018）。以往的研究已经对实施过生态修复项目的地区的生态修复效果进行了定量评估。例如，在石羊河流域，退耕还林工程使总水资源保护能力提升了6.41%（Wang等人，2019）。Zhang等人（2024）对中国2009年至2019年的生态修复效果进行了定量评估，结果显示，该国的生态系统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%的增长来自生态系统调节服务（Zhang等人，2024）。在陕西省，自20世纪80年代实施退耕还林工程后，到2015年，该地区北部的水量和水资源保护量分别减少了1.281×108立方米和7.74×108立方米，表明陕西北部的水资源保护功能有所下降（Wang和Gong，2022）。这些结果反映出，由于土地利用类型和植被空间格局的变化，水资源保护功能的变化存在很大的不确定性。我们推测，这种不确定性主要源于林地适宜性的不确定性。不恰当或设计不良的生态修复策略可能会阻碍植被生长，久而久之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，对修复区域进行林地适宜性评估是十分必要的。随着地理信息系统、遥感技术和计算机技术的不断发展，各种用于评估生态系统服务的水文模型已被广泛应用于流域水资源保护功能的定量评估中。由斯坦福大学、世界自然基金会和自然保护协会共同开发的生态系统服务与权衡综合评估模型（INVEST模型，Cao等人，2023；Divinsky等人，2017），因其高精度的模拟能力、灵活的参数调整功能以及出色的时空可视化功能，已成为评估水资源保护功能的主要工具。尽管已有大量研究探讨了水资源保护功能的时空特征及其影响因素，但针对提升该功能的有效策略及其效果定量评估的研究仍然相对较少。此外，将水资源保护功能评估与林地适宜性评估相结合以最大化效益的研究也尚未得到充分探索。秦岭-大巴山地区是全球生物多样性热点区域之一，同时也是中国经济发展滞后、贫困率较高的地区。该地区在生态保护与经济社会发展之间存在显著矛盾（Yu等人，2021）。汉江流域的陕西段位于秦岭-大巴山生物多样性及水资源保护区内，是应对这些全球性挑战的理想研究案例。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，该地区部分山区的生态环境已出现严重退化，这凸显出人与环境相互作用的复杂性（Li等人，2024；Wang等人，2024）。该地区地形多样，海拔和坡度差异较大，导致水资源保护能力存在明显的空间异质性。这种异质性表明，不同区域的林地适宜性存在很大差异。但目前普遍采用的土地利用方式，如大规模开垦农田，往往在各类生态系统中统一实施，忽视了生态系统的差异性，体现了人类活动的主导作用。本研究旨在通过以下途径解决这些问题：（一）确定水资源保护功能修复区域；（二）基于这些修复区域内的林地适宜性评估结果，制定植被优化策略；（三）定量评估植被优化对水资源保护功能的影响。期望我们的研究能为未来山区生态系统的生态修复项目的设计与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，本研究旨在为更高效、更可持续地提升区域水资源保护功能做出贡献。材料与方法。水量与水资源保护我们计算得出，汉江流域陕西段的总量水量为318.24×108立方米，水资源保护量为244.1×108立方米。为验证这些结果，我们将计算出的水资源保护量与2018年汉中市、安康市和商洛市政府发布的水资源公报中的总水量进行了比较，后者为262.24×108立方米。计算值与报告值之间的差异仅为6.92%，显示出很高的准确性。影响水资源保护功能的因素水资源保护功能是一种重要的调节型生态系统服务，受气候、人类活动、地形、土壤质地以及土地利用类型等多种因素的影响（Zhang等人，2012；Li等人，2021；Liu等人，2020）。其中，气候和土地利用类型被公认为两大主要驱动因素（Berghuijs等人，2017；Gao等人，2017；Li等人，2021；Qiao等人，2023）。就气候因素而言，降水和蒸散作用会直接影响……结论在本研究中，我们提出了一种提升山区生态系统水资源保护功能的有效框架，即首先通过评估水资源保护功能来确定修复区域，然后再结合林地适宜性评估来优化植被配置。总体而言，植被优化在提升水资源保护功能方面表现良好。这些发现表明，将土地适宜性评估纳入考量具有显著效果。未引用参考文献Pascual等人，2022；Schr?ter等人，2015；Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b；Zhao等人，2020。利益冲突声明作者声明没有已知的财务利益或可能影响本文研究结果的个人关系。致谢本研究得到了中国地质调查局项目（DD20230481和DD20242666）、北京市自然科学基金（项目编号5242017）、中央高校基本科研业务费（项目编号2-9-2022-043）以及中国地质大学（北京）高性能计算平台的共同支持。同时，我们也感谢编辑、副编辑以及匿名审稿人提出的宝贵意见和建议，这些意见对我们完善研究起到了重要作用。