改进的INVEST模型用于分析1990年至2020年间中国西南部高山峡谷地区水资源保护的时空变化及其驱动因素

《Environmental Surfaces and Interfaces》：Modified InVEST model for spatiotemporal variations of water conservation and its driving factors in the southwestern alpine Canyon region of China from 1990 to 2020

本研究通过改进InVEST模型，纳入NDVI植被指数，分析了1990-2020年中国西南阿尔卑斯峡谷区（SACR）水资源保持的时空变化。结果表明：1）模型改进后，水资源保持趋势从每年-1.37毫米（p=0.071）转为+1.06毫米（p=0.067）；2）空间上，64.87%区域保持能力提升，其中30.33%显著增加，主要位于东坡和东南部；3）主导驱动因素为降水（q=0.80）、海拔（q=0.58）和NDVI（q=0.53）。该研究为高原生态恢复和水资源管理提供了科学依据。

　　在高海拔地区，水资源的保护和可持续利用是维持生态系统稳定和保障水资源安全的关键因素。随着全球气候变化的加剧以及人类活动对自然环境的影响不断加深，对水资源保护功能及其驱动因素的准确量化评估显得尤为重要。近年来，生态学与水文学领域的研究者们致力于开发和改进模型，以更全面地反映植被动态对水资源保护的贡献。本文聚焦于中国西南部高山峡谷区（Southwest Alpine Canyon Region, SACR），通过改进版的InVEST模型，对1990年至2020年间该区域的水资源保护功能及其变化趋势进行系统分析，进一步揭示其与自然环境因素之间的复杂关系。这种改进不仅提升了模型对植被变化的敏感性，还为该区域的生态保护和水资源管理提供了科学依据。

SACR地处中国长江流域，涵盖四川、西藏和云南三省的交界地带，总面积约为61万平方公里。该区域地势复杂，海拔跨度从60米到7261米，具有显著的垂直梯度和多样的气候条件。这些地理特征决定了SACR生态系统在水资源保护方面的重要性，同时也使得传统的水资源评估方法难以准确捕捉其空间异质性和动态变化。因此，本文引入了改进的InVEST模型，结合植被动态数据，以更全面地反映植被变化对水资源保护的影响。

InVEST模型是一种广泛应用于生态服务评估的工具，能够基于气候、土壤和植被等数据，模拟区域内的水产量。然而，传统的InVEST模型主要关注植被类型，而忽视了植被覆盖度的变化，这可能导致对实际植被状况及其对水文过程影响的评估不够全面。为了弥补这一不足，本文将归一化植被指数（NDVI）作为关键参数纳入模型，以更好地反映植被动态对水资源保护的贡献。NDVI作为一种长期、连续且广泛验证的遥感数据，能够有效捕捉植被覆盖度的变化趋势，并与模型中的其他参数保持一致的值域范围。这种改进使模型能够更准确地评估植被变化对水资源保护的影响，特别是在植被覆盖度显著变化的区域。

研究结果显示，过去三十年间，SACR的年均降水呈下降趋势，而气温、蒸散发和植被覆盖度则有所上升。在原始模型下，水资源保护能力呈现非显著的下降趋势（?1.37 mm/a，p = 0.071），而在改进模型中，这一趋势转变为非显著的上升趋势（1.06 mm/a，p = 0.067）。特别是2000年之后，原始模型显示水资源保护能力持续下降，而改进模型则呈现出小幅上升的趋势。这一变化表明，植被覆盖度的提升在一定程度上缓解了降水减少对水资源保护能力的负面影响，从而增强了模型对实际生态状况的反映。

在空间分布方面，原始模型检测到SACR中36.91%的区域出现了显著的下降趋势，主要集中在中南部和西南部。相比之下，改进模型显示64.87%的区域呈现出积极的变化趋势，其中30.33%的区域显示出统计学意义上的显著增加，主要分布在东部。这一结果进一步说明，植被覆盖度的变化对水资源保护能力的影响具有显著的地域差异性。东部地区由于植被覆盖度较高，其水资源保护能力得到了明显增强，而中南部和西南部则由于降水减少和植被覆盖度变化较小，表现出较弱的水资源保护能力。

为了进一步揭示水资源保护能力的变化机制，本文采用了地理探测器（Geodetector）方法，对降水、气温、蒸散发、植被覆盖度、海拔、坡度等关键因素进行了定量分析。研究发现，降水（q = 0.80）是影响水资源保护能力的主导因素，其与水资源保护能力的空间分布具有高度一致性。此外，海拔（q = 0.58）和植被覆盖度（q = 0.53）也表现出较强的解释能力。值得注意的是，植被覆盖度与降水的交互作用对水资源保护能力的影响尤为显著，其q值达到0.89，表明植被覆盖度的提升能够显著增强降水对水资源保护的贡献。这一发现不仅证实了降水在水资源保护中的核心地位，也强调了植被覆盖度在调节水文过程中的重要作用。

从空间异质性角度来看，SACR的水资源保护能力受到多种环境因素的共同影响。其中，降水、气温和蒸散发的变化对水资源保护能力的影响较为直接，而植被覆盖度和地形特征（如海拔和坡度）则通过间接机制发挥作用。研究发现，降水的增加能够显著提升水资源保护能力，尤其是在降水较多的区域。同时，植被覆盖度的提升也能够有效增强土壤的水吸附和储存能力，从而提高区域内的水资源保护水平。此外，地形特征如海拔和坡度对水资源保护能力的影响具有显著的空间差异性，低海拔和缓坡地区的水资源保护能力通常较高，而高海拔和陡坡地区则表现出较低的水资源保护能力。

进一步的交互分析表明，某些环境因素的协同作用对水资源保护能力的影响远大于单一因素的作用。例如，降水与植被覆盖度的交互作用（q = 0.89）以及降水与土地利用类型的交互作用（q = 0.90）均表现出较强的解释能力。这说明，植被覆盖度和土地利用类型在一定程度上能够放大降水对水资源保护的影响，从而增强模型对区域水资源保护变化趋势的捕捉能力。此外，降水与气温的交互作用（q = 0.51）也显示出一定的增强效应，表明气候变化对水资源保护能力的影响具有复杂性。

研究还探讨了不同土地利用类型对水资源保护能力的影响。结果显示，森林生态系统具有最高的水资源保护能力，其次是灌丛、耕地和草地生态系统。这与植被覆盖度的高低密切相关，森林覆盖度较高的区域通常能够更有效地拦截降水、减少地表径流、增强土壤的水保持能力。因此，保护和恢复森林生态系统对于提升SACR的水资源保护能力具有重要意义。此外，植被覆盖度的提升还能够有效减少土壤侵蚀，从而促进区域生态系统的可持续发展。

从管理实践的角度来看，SACR的水资源保护能力受到地形、气候和植被覆盖度的共同影响。尽管降水呈下降趋势，但植被覆盖度的增加在一定程度上缓解了这一趋势，使水资源保护能力整体呈现出上升趋势。这表明，植被在调节水文过程和增强水资源保护方面具有不可替代的作用。因此，未来应加强植被保护和恢复措施，特别是在关键的水资源保护区域，以进一步提升该区域的水资源保护能力。同时，还需要结合地形特征和气候条件，制定差异化的水资源管理策略，以适应不同区域的生态特点和水文需求。

然而，研究也指出了一些局限性和不确定性。尽管改进的InVEST模型在一定程度上提高了对植被变化的捕捉能力，但其模拟结果仍可能存在偏差。例如，模型对地表径流与地下水流的相互作用的简化处理可能影响对实际水资源保护能力的评估。此外，由于SACR地区位于青藏高原东南部，其复杂的地理环境和广泛分布的冻土进一步限制了数据的获取和分析精度。因此，未来的研究可以考虑引入更高分辨率的遥感数据或结合多指数分析，以提高植被对水资源保护影响的量化精度。

综上所述，本文通过改进的InVEST模型对SACR地区的水资源保护能力进行了系统的评估，揭示了降水、植被覆盖度和地形特征等关键因素对该区域水资源保护的影响。研究结果表明，植被覆盖度的增加在一定程度上能够增强水资源保护能力，尤其是在降水减少的背景下。这为该区域的生态保护和水资源管理提供了科学依据，同时也强调了在面对气候变化和人类活动的双重压力下，加强植被保护和恢复措施的重要性。未来的研究应进一步探索植被与水文过程之间的复杂关系，并结合多源数据和多尺度分析，以更全面地理解水资源保护能力的动态变化及其驱动机制。