山西黄河流域“三生”空间重...和降水变化对产水服务的影响_姬倩倩.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.14山西黄河流域“三生”空间重构和降水变化对产水服务的影响姬倩倩，潘换换，吴树荣，武志涛，杜自强（山西大学黄土高原研究所，山西 太原030006）摘要：山西黄河流域是我国重要的能源与化工基地，近年来，一直面临着水土流失严重、水资源短缺等问题，研究该区域的产水服务可以为黄河流域能源化工区高质量发展提供决策参考。本文从降水变化和“三生”空间重构的视角出发，基于InVEST模型和情景模拟法，分析了20002020年“三生”空间变化和降水变化对流域产水服务的影响。结果表明：山西黄河流域“三生”空间整体呈现出生态生产生活的空间格局，生态空间面积略有减少，农业生产用地缩减明显，工矿生产、城镇生活及乡村生活用地面积增幅明显。2000年山西黄河流域的平均产水量为89.57 mm，2020年平均产水量为138.01 mm，20002020年产水量有所增加；通过不同情景分析表明降水变化对产水量变化的贡献率为80.4%，“三生”空间变化对产水量的贡献率为19.6%。关键词：三生空间；产水服务；黄河流域；山西生态系统服务主要指人类从生态系统中获得的惠益，是生态学及相关学科研究的热点1。其中，产水服务是具有供给与调节功能的重要生态系统服务之一，其主要指示降水直接有效转化为地表径流、土壤水和地下水的能力。作为连接流域自然生态系统与社会经济系统的桥梁，产水服务对于流域水循环、泥沙输出等诸多生态功能以及人类生存发展起到至关重要的作用2-3。随着人类对水资源需求的扩张，以及水资源污染、水资源浪费等现象的出现，部分地区水资源短缺问题凸显4，导致区域经济和社会的可持续发展受限。在此背景下，研究生态系统的产水服务对工矿生产、社会生活、农业灌溉、水资源的管理和开发具有重要意义。目前，产水服务的研究主要集中于区域的产水量、水源涵养量、水资源供给与需求的时空格局、权衡与协同相互关系、水文过程模拟、水生态足迹、服务空间流动研究等相关方面。魏培洁等5对疏勒河上游产水量进行了时空分析；汪晓珍等6对黄土高原生态系统的水源涵养与其他服务之间的权衡及协同关系进行了研究；张珈玮7进行了泾河流域水文过程模拟预测及生态环境需水研究；贾陈忠等8研究了山西省水资源生态足迹时空变化特征及驱动因素。这些研究从各个方面对产水服务进行了深入的探讨。研究表明，产水服务受气候变化和土地利用/土地覆被的综合影响。气候变化通过改变地区降水量、气温和蒸散量来影响产水量9。比如，戴尔阜等10通过InVEST模型对产水服务进行评估，认为气候是导致产水服务空间差异的主要原因。土地利用变化可能通过改变入渗速率和蒸散速率，从而影响水量、营养盐浓度和泥沙量。包玉斌等11发现退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对陕北黄土高原地区水源涵养产生了重要影响。Shirmohammadi等12模拟了未来气候和土地利用变化并评估了其对伊朗半干旱森林流域产水量的影响。已有的研究都表明产水服务受这二者的影响，但是气候变化和土地利用/土地覆被变化对产水服务影响的定量评估仍显不足。土地利用变化提出以来，其研究方法和理论不断创新13-14。其中，基于土地功能视角的“三生”空间转型研究是目前进行综合性研究的新方向之一15，收稿日期：2022-04-27；修订日期：2022-09-13基金项目：国家自然科学基金项目（U1810101，41977412，41871193）；山西省研究生教育创新项目（2021Y118）作者简介：姬倩倩（1995-），女，硕士研究生，主要从事生态系统服务和土地变化方面的研究工作.E-mail:通讯作者：杜自强.E-mail:132142页1期姬倩倩等：山西黄河流域“三生”空间重构和降水变化对产水服务的影响其主要是通过土地的生产、生态及生活3种功能类型之间相互转变来实现16。中共十八大报告着眼于国土空间发展和土地利用功能变化，提出构建“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的“三生”空间17，这一空间划分方法与国内外广泛认可的可持续发展的生态生产生活“三支柱”理念不谋而合18，为从“三生”空间的结构功能转变角度来深入研究土地功能转变及其对自然生态系统的影响创造了新途径。苏迎庆等19对汾河流域生态空间进行了多情景模拟预测；司晓君20对中原城市群“三生”用地转型及其生态环境效应研究；滑雨琪等21对固原市原州区“三生”用地及生态系统服务价值变化进行了研究；勾蒙蒙等22对“三生”视角下的三峡库区土地利用转型的生态系统服务价值效应进行了研究；王越23进行了基于生态系统服务价值的“三生”空间格局优化研究。这些研究集中在“三生”用地预测、转型或“三生”空间对生态系统服务价值的影响，基于“三生”空间重构角度来研究其对生态系统服务质量变化的影响关注不足。从“三生”空间视角研究土地利用变化对生态系统服务的影响可以为区域“三生”空间规划提供参考。黄河流域地理环境复杂，生态环境脆弱，是对人类活动和气候变化相对敏感的区域之一24-25。近年来，黄河流域因其重要的生态作用，已引起国家高度重视26。山西黄河流域作为我国能源化工重要基地，水资源短缺一直是限制其发展的因素之一，同时，还面临着生态环境恶化等一系列问题，研究山西黄河流域产水服务现状及降水变化和“三生”空间转型对产水服务的影响，可以为该流域土地空间资源的科学规划与管理以及维持流域供水功能稳定提供重要的理论基础。本文运用InVEST模型，分析山西黄河流域产水量的时空变化特征，探讨“三生”空间转型和降水量变化对产水服务的影响，以期为制定山西黄河流域生态保护政策提供理论参考。1研究区概况黄河由老牛湾入晋，从西、南两侧流过山西省，至碾盘沟出晋。山西黄河流域位于山西省的西部（3459 4029 N，11024 11354 E），总面积97138 km2，涵盖全省面积一半以上（图1）。流域内地形起伏变化明显，有山地，丘陵、盆地等多种地貌，地势从东北向西南递减，东北部以山地丘陵为主，西南部以盆地为主。该流域的气候为大陆性气候，四季分明，雨热同期，受纬度差异和地形条件的影响，整体呈现自北向南、从山地到盆地气温逐渐图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area13340卷干旱区研究升高的趋势。流域位于黄土高原东部，土质以泥土和含砂土为主，土地贫瘠，遇大暴雨极易被侵蚀，水土流失严重，生态本底差，水资源短缺是该区域生态保护和高质量发展主要限制性因素之一。2数据与方法2.1 数据来源及处理山西黄河流域2000年、2020年两期土地利用数据来自中国科学院资源环境与数据中心（https:/ 数据来自地理空间数据云（http:/ 000 000土壤数据库。通过 ArcGIS对数据进行提取、插值和裁剪等处理后得到所需数据。在对“三生”空间进行划分时，以土地的自然属性作为主要参考要素，参考已有研究30-31的分类方案，对土地的基础数据进行划分，将土地分为3个一级地类，8个二级地类（表1）。2.2 研究方法2.2.1土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵，是指利用矩阵方法从研究起始至结束对各土地利用类型的转换面积进行描述14，是开展对各种土地用途变动方向、数量分类研究的理论基础，也能够具体揭示土地功能的转移变化。计算公式如公式（1）所示：Sab=()S11 S1nSn1 Snn（1）式中：S、a、b、n分别代表土地面积、研究开始时的土地利用类型、研究结束时的土地利用类型、土地利用类型的数量。2.2.2 产水量模型单位面积产水量指某一区域在单位时段内单位面积所产生的水量，在气候调节和水资源供给等方面作用显著32。早期的产水量评估以定量分析和统计分析为主，随着基于多因子综合分析的模型工具不断开发和发展，InVEST模型实现了产水量的空间表达，其应用最为广泛33。InVEST模型产水量基于Budyko水热耦合平衡来评估水源供给能力34，计算公式为：Y(x)=()1-AET(x)P(x)P(x)（2）AET(x)P(x)=1+PET(x)P(x)-1+(PET(x)P(x)1（3）式中：单位栅格x的年产水量（mm）、年降水量（mm）和实际蒸散量（mm）分别用 Y(x)、P(x)和 AET(x)加以表示；PET(x)为潜在蒸散量；为自然气候-土壤性质的非物理参数。2.2.3 情景模拟法利用情景模拟法模拟出20002020年山西黄河流域降水量变化和“三生”空间变化对产水量的影响（表 2），情景模拟包括情景 1：20002020年降水量未发生变化，仅“三生”空间发生变化，与 2000年基准年产水量相比，来研究“三生”空间转型对产水量的影响；情景2：20002020年“三生”空间未发生变化，仅降水量发生变化，与2000年基准年产水量相比，来研究降水量发生变化对产水量的影响。降水和“三生”空间变化对流域产水量变化的贡献程度通过如下公式进行量化34：Wl=l/(p+l)100%（4）Wp=p/(p+l)100%（5）表1 山西黄河流域“三生”空间土地利用分类Tab.1“Production-living-ecology”space land use classification in the Yellow River Basin of Shanxi一级地类生产空间生态空间生活空间二级地类农业生产用地工矿生产用地林地生态用地牧草生态用地水域生态用地其他生态用地城镇生活用地乡村生活用地对应的土地利用类型水田、旱地工矿建设用地有林地、灌木林地、疏林地、其他林地高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地河渠、湖泊、水库和坑塘、冰川和永久积雪地、海涂、滩地沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地、其他城镇用地乡村用地1341期姬倩倩等：山西黄河流域“三生”空间重构和降水变化对产水服务的影响式中：Wl和Wp分别代表“三生”空间转型和降水变化两个因素对研究区产水量变化所做的贡献程度；l和p则分别代表这两种情景下产水量的变化量。3结果与分析3.1“三生”空间土地利用转型特征基于土地功能的“三生”空间用地分类方案，得到了20002020年山西黄河流域的“三生”空间用地分布（图2）。从空间分布来看，生态空间是研究区的主要用地类型，生产空间位居其后，生活空间仅占流域的小部分。从“三生”空间的二级分类来看，林地、牧草生态用地和农业生产用地分布最为广泛。生态空间中林地生态用地主要分布在山西黄河流域中部的吕梁山脉，中东部的太岳山和南部的中条山，牧草生态用地主要分布在西部，水域生态用地零星分布在太原盆地、临汾盆地和运城盆地。生产空间主要分布在太原、临汾及运城盆地。生活空间的分布与生产空间大致相同，由于人类的生产和生活活动紧密相依，因而其用地类型的空间分布也往往一致。从空间规模变化来看，生态空间和生产空间用地面积均有一定的缩减，与2000年相比，生态空间减少了0.97%，生产空间减少了2.67%；生活空间用地面积的变化与前两者不同，用地面积增长至2000年的1.65倍。为了进一步探析“三生”空间的重构特征，基于二级地类构建土地转移矩阵（表 3）。结果表明，20002020年，林地、牧草地、水域和其他生态用地4类生态空间所占面积均有减少。生态空间各个地类主要转向农业生产用地，其中，牧草生态用地最为显著，转入农业生产用地面积占生态用地转入农表2 情景设置Tab.2 Scenarios settings used in this study情景设置情景1情景2影响因素土地利用数据2020年2000年气候数据2000年2020年图2 20002020年山西黄河流域“三生”空间分布Fig.2 Spatial distribution of“production-living-ecology”space in the Yellow River Basin of Shanxi during 2000-202013540卷干旱区研究业生产用地比重的