中国西北部疏勒河流域生态系统水资源服务时空演变规律研究：结合未来气候变化与土地利用变化的影响

《Ecological Indicators》：Spatiotemporal evolution pattern of water yield service of ecosystems in the Shule River Basin, Northwest China, integrating future climate and land use changes

本研究基于FLUS模型模拟疏勒河流域2030和2050年土地利用变化，结合InVEST模型量化水资源时空分布，并利用Geodetector分析多因素交互作用。结果表明：2020年流域78.6%为沙漠，南部高水产量与北部低水产量显著相关；自然发展和生态保护情景下南部Subei地区水产量增幅最大（2050年达1.474亿吨），而SSP119情景因过度开发导致北部Yumen水产量下降；降水和地形（DEM）是主要驱动因素（q值＞0.9），其次为温度和坡度，人活动影响权重最低。

　　### 中文解读：水资源变化与生态保护在疏勒河流域的模拟与分析

水资源是人类活动和经济社会发展的关键要素，它不仅保障了人类的生存基础，还维持着地球生态系统的平衡。在面对全球气候变化和人类活动的影响下，疏勒河流域的水资源产出变化成为研究的重点。本研究通过结合土地利用变化与未来气候情景，利用InVEST模型对疏勒河流域2030年和2050年的生态系统水资源产出进行了模拟，并引入Geodetector模型分析了环境因素对水资源产出变化的影响，以期为区域水资源合理配置和流域综合管理提供科学依据。

#### 研究背景与意义

疏勒河流域位于中国河西走廊最西端，是一个典型的干旱内陆河流域，也是中国河西地区三大内陆河之一。该区域的生态条件复杂而脆弱，面临土壤盐碱化和土地沙漠化等严峻挑战。这些自然和人为因素共同作用，使得水资源的分布和变化对当地农业生产和居民生活产生深远影响。因此，了解未来水资源产出的变化趋势及其驱动机制，对于推动该区域的经济发展和保障生态环境具有重要意义。

全球气候变化和人口增长对自然环境和生态过程产生了显著影响，导致水资源短缺问题日益突出。特别是在干旱内陆河流域，水资源的变化直接影响到绿洲的形成和沙漠化进程，进而对区域经济和社会的可持续发展构成威胁。疏勒河流域作为干旱区的重要组成部分，其水资源的可获得性在北半球普遍较低，且在不同区域存在较大的差异。因此，评估该区域未来水资源产出的变化，并探索其背后的驱动机制，成为研究的核心目标。

#### 研究方法与数据

本研究使用了多种数据来源，包括土地利用数据、未来气候数据、人口密度、地形数据、降水和温度等。这些数据经过预处理，统一为1公里的空间分辨率，以便于进行区域尺度的分析。为了评估土地利用变化，研究采用了FLUS模型，该模型结合了细胞自动机（CA）和随机森林（RF）算法，能够准确模拟土地利用类型之间的转化过程。同时，FLUS模型引入了人工神经网络（ANN）算法，用于计算土地利用类型的适宜性概率，从而提高模拟的准确性和效率。

为了评估水资源产出，研究使用了InVEST模型，该模型基于水文平衡原理，通过网格单元对不同景观类型的供水能力进行定量估算。InVEST模型能够提供直观的评估结果，有助于理解生态系统服务的变化趋势。此外，Geodetector模型被用于分析不同自然和人为因素对水资源产出变化的影响，并揭示这些因素之间的相互作用。Geodetector模型具有两个主要优势：一是能够检测数值和定性数据；二是可以检测两个因素及其与依赖变量之间的相互作用。

#### 研究结果与分析

在2020年，疏勒河流域的土地利用类型中，沙漠占据了总面积的78.6%，是主要的土地利用类型。其他土地利用类型如草地、农田、水域和森林分别占18.4%、1.53%、0.62%和0.53%。而在2030年和2050年，沙漠依然是主要的土地利用类型，但其面积在某些情景下可能会有所变化。例如，在自然发展和农田保护情景下，沙漠面积会有所减少，而在生态保护情景下，沙漠面积可能会增加。

在水资源产出方面，2020年高产出区域主要集中在疏勒河流域的南部，而低产出区域则主要位于北部和东部。2030年，在自然发展和农田保护情景下，玉门地区的水资源产出显著增加。2050年，水资源产出在SSP245和SSP585情景下会更加显著，特别是在疏勒、瓜州和玉门地区。此外，不同情景下的水资源产出呈现出不同的变化趋势，其中Subei地区的水资源产出最高，而敦煌地区的水资源产出最低。

在影响因素方面，研究发现降水是影响疏勒河流域水资源产出的最重要因素，其次是数字高程模型（DEM）、温度、坡度、GDP、土地利用类型、坡向和人口密度。其中，降水对水资源产出的影响最为显著，其次是DEM和温度。这些因素之间的相互作用表明，水资源产出的变化并非单一因素所致，而是多种因素共同作用的结果。

#### 讨论与启示

研究结果表明，未来疏勒河流域的水资源产出将受到气候变化和土地利用变化的双重影响。在SSP119、SSP245和SSP585情景下，水资源产出的变化趋势各不相同。例如，在SSP585高排放情景下，由于气温升高和降水增加，水资源产出在短期内会有所增长，但长期来看，由于冰川消融和地下水过度开采，水资源产出可能会出现下降趋势。因此，水资源管理需要结合气候适应策略，建立干旱预警系统，储备应急水源，并对冰川区进行生态保护。

此外，研究还发现，疏勒河流域的水资源产出呈现出明显的空间分布特征，即南部地区水资源产出较高，而北部地区水资源产出较低。这一现象与该区域的地形和植被覆盖有关。南部地区地形较高，植被覆盖率相对较高，有利于水资源的形成和积累。而北部地区地形较为平坦，植被覆盖率较低，导致水资源产出减少。因此，在制定水资源管理策略时，应特别关注南部地区的生态保护，以维持其较高的水资源产出能力。

#### 结论

综上所述，疏勒河流域的水资源产出受到多种因素的影响，其中降水、地形和温度是最主要的驱动因素。未来水资源产出的变化趋势表明，在不同气候情景和土地利用情景下，水资源产出的分布和总量将有所不同。因此，水资源管理需要综合考虑自然和人为因素，并采取相应的措施以保障水资源的可持续利用。同时，研究还强调了区域协作的重要性，指出跨县域的合作能够有效减少水资源在边界的损失，从而提高整个流域的水资源产出能力。

本研究通过结合FLUS、InVEST和Geodetector模型，揭示了气候和土地利用变化对水资源产出的相互作用，为干旱内陆河流域的水资源管理提供了新的视角和方法。未来的研究可以进一步考虑引入更复杂的模型，如冰川质量平衡模型和地下水模型，以提高水资源产出预测的准确性，并支持区域的可持续发展。