黑河中游土地利用与景观格局的水文效应分析

　　摘要：区域土地利用与景观格局对水文效应具有重要影响。作者以地处西北内陆干旱区的黑河中游为研究区，基于土地利用数据(2000、20lO和2014年)、气候数据(1999—2015年)及基础地理信息数据，采用InVEST模型、最小二乘回归、空间回归及地理加权回归等方法，揭示土地利用与景观格局对产水的影响。结果表明：1)黑河中游产水量东南多、西北少，且有逐年减少趋势，这与当地土地利用与景观格局的变化有直接关系。2)在土地利用尺度上，林地、水体、耕地等用地类型有助于促进产水，建设用地和未利用地则抑制产水;在景观尺度上，景观类型越丰富、斑块分布越均匀，越有利于产水，反之则抑制产水。3)空间回归模型消除回归残差的空间负相关性，地理加权回归提升了模型性能。该研究结果可为区域生态系统管理提供参考。

　　关键词：土地利用;景观格局;水文效应;lnVEST模型;回归分析;黑河中游

　　随着社会经济的发展，水资源已成为全球多地区发展的限制因子之一。作为生态系统的重要服务功能，区域水资源的产生与供给对确保灌溉农业、工业及旅游业的发展，促进居民生活水平的提高具有重要意义。因此，流域生态系统产水服务及其影响机制的研究逐渐成为水文学、流域规划与管理等领域的研究热点’31。

　　已有研究表明：在长时间尺度上，气候是降水、产水等水资源变化的主导因素;但在较短时间尺度上，土地利用/覆被变化(1anduseandlandcoverchange，Lucc)才是水文效应的重要影响因素H1。揭示和预测LuCC的水文效应，对指导区域土地利用规划，优化区域水土资源配置，以及流域的可持续发展至关重要¨。。近年来，关于土地利用与水文过程关系的研究正逐渐增加，特征参数∽j、卫星遥感。7o、水文模型旧1等方法技术被综合应用，植被变化、农田增减、城镇化等用地变化被认为可能影响水文过程H。1“。

　　目前，大部分研究都关注于土地利用比例对水文过程的影响，而对景观格局的水文效应研究较少¨“;而且，在探讨土地利用水文效应时，较多研究采用相关分析和多元线性回归分析的方法，没有考虑到空间因子，忽略了空间依赖性和空间非平稳性对水文效应的影响。自20世纪60年代起，随着计算机技术的发展，水文效应的研究方法由传统的统计分析向水文模型转变。InVEsT模型便是目前应用广泛的一种。InVEST(theintegratedvaluationofecosystemservicesandtradeoffst001)模型，全称“生态系统服务功能综合估价和权衡得失评估模型”，由美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)和世界自然基金会(wwF)联合开发而成旧。

　　使用该模型能够快捷地对包括产水功能在内的生态系统多种服务功能进行量化，从而很好地为政府及相关部门提供决策依据。基于此，本文选择水资源供需矛盾突出的黑河中游为研究区，建立InVEsT模型计算流域产水：一方面，将空间因子考虑在内，通过普通最小二乘回归、空间回归以及地理加权回归等多种方法，分析土地利用类型与流域产水的关系;另一方面，结合主成分分析筛选景观指数，进一步揭示景观格局与区域产水的关系，从而为区域土地利用规划与决策提供参考，促进水土资源的持续利用。

　　1研究区概况

　　黑河是中国第2大内陆河，发源于祁连山中段，流经青海、甘肃、内蒙古3省自治区¨3|。黑河莺落峡至正义峡之间为中游，东靠武威和金昌，西至嘉峪关和酒泉，南与青海省接壤，北和内蒙古毗邻，具体范围介于E97020’～102012’，N37。28’～39。57’。中游干流全长185km，总面积约1.96万km2。黑河中游地处青藏高原向内蒙古高原的过渡地带，海拔在1234～4886m之间，地势东南高西北低，其北部山地和走廊平原属温带大陆性干旱气候，南部祁连山区为高寒半干旱气候。

　　年降水量仅54.9—436.2mm，且年内分布不均，多集中在6—9月;但全年蒸发量高达1700mm¨“。黑河中游是典型的灌溉农业绿洲，也是整个流域人类活动最为密集、绿洲最为集中、经济最为发达的地区¨“。流域人均可利用水资源量为1250m3(仅为全国平均水平的57%)，是典型的资源型缺水地区。本研究所需数据包括基础地理信息数据、土地利用数据、气象数据和土壤数据等。

　　基础地理信息数据来自中国科学院寒区旱区科学数据中心的黑河计划数据管理中心(www.heihedata.org)。土地利用数据包括黑河中游2000、2010和2014年土地利用栅格数据。其中，2000年土地利用数据来源于中国科学院“八五”重大应用项目¨“，2010、2014年土地利用数据是通过黑河中游Landsat影像进行人机交互式目视解译得到，解译精度均>88%。研究中，将土地利用类型划分为耕地、草地、林地、水域、建筑用地和未利用地6类，数据的空间分辨率为30m。

　　气象数据来自中国气象数据网(cdc.nmic.cn/home.do)。对研究区及其周边的11个气象站点求得多年平均降水量，再通过普通克里金插值得到黑河中游多年平均降水量。使用“改进的哈格里夫斯”(modifiedHargreaves)公式计算并插值得到多年平均参考蒸散量Ⅲo。土壤深度、植物可利用含水量数据均来自世界土壤数据库(HwsD)，空间分辨率为1km。DEM数据来自美国马里兰大学全球土地覆被数据库，分辨率为30m。基于DEM数据，在ArcGIs中使用Hydr0109y工具将研究区划分为20个子流域。

　　2研究方法

　　2.1基于InVEST模型的产水量模拟

　　InVEsT模型产水模块的计算原理，主要是通过降水量减去蒸发蒸腾水量来得到产水量。该模型忽略地表水与地下水的交互作用，不区分地表径流、地下径流以及基流。

　　3结果分析

　　3.1黑河中游产水量时空格局2000、2010和2014年的产水量分别为1.73亿、1.63亿和1.38亿m3，呈现出逐年减少趋势，尤其是2010年至2014年，产水最减少幅度更大。

　　3.2黑河中游土地利用的水文效应

　　3.2.1土地利用水文效应的普通最小二乘回归在土地利用水文效应的回归建模中，6类指标间具有线性关系，若同时将其作为自变量，会造成变量冗余;因此，先去掉草地(16.29%)、未利用地(57.38%)这2类用地(两者在研究区所占面积最大，会对其它类型用地面积指标值影响较大)，只将耕地、林地、水体、建设用地4类用地指标作为自变量，将极差标准化后的产水指标作为因变量，进行普通最小二乘回归。

　　3.2.2土地利用水文效应的空间回归空间依赖性检验能对模型选择做出判断。通过查看各普通最小二乘回归模型的空间依赖性检验结果，发现2010、2014年的回归模型中拉格朗日乘数均不显著(P>0.05)，表明对其保留OLs回归结果即可，而以2000年草地和未利用地为自变量的回归模型中，LM—lag不显著(P=0.28)而LM—error显著(尸=O.03)，表明有必要使用空间误差回归模型进行改进。于是，以2000年草地和未利用地指标为自变量，以产水深度为因变量，建立空间误差模型。空间回归与普通最小二乘回归结果相同，未利用地系数为负，抑制产水。

　　且空间误差模型的R2为0.71，而普通最小二乘回归的R2为0.59，可见模型性能得到的了较大提升。为检验空间回归模型效果，分别计算OLS和sEM的回归残差的全局Mc¨an’sI，从而检验回归模型的残差是否具有空间随机性。经过计算得到，0Ls残茇的Moran’sI为一0.43(|p=0.03)，表明0LS的残差具空问负相关性?而SEM残差的Moran’sI为0.12(Jp=0.11)，与0I.S相比，指数的绝对值明显减小，结合指数对应的，)值，可以认为空间误差模型消除了残差的空间负相关性。

　　3.2.3土地利用水文效应的地理加权回归

　　根据地理学第一定律，0Ls中的平稳性假设并二{F恒成立，而地理加权回归能够容许一些不平稳的数据被模拟。经汁算，2000年黑河中游产水深度的Mot.an’sI为O.32(，)=O.02)，表明因变量确实具有空间正相关性，适合采用地理加权州归模型进行拟合j以2000年草地和未利用地指标为白变量，以产水深度为因变量，建立地理加权回归模型。得到的R二为O.90，远高于0LS的尺=，证明地理加权回归明显地提升模型性能?地理加权回归模型对局部进行了回归，因此每个子流域都有1个回归系数。

　　4结论与讨论

　　1)黑河中游产水能力在2000—2014年期间呈现出减小趋势，与未利用地面积增加和林地面积减少、以及景观多样性和均匀度下降等景观格局变化有直接关系。2000、2010和2014年产水量分别为1.73亿、1.63亿和1.38亿m3。产水量空间分布不均匀，东南多、西北少，子流域间产水能力差异大，这与王蓓等。2钊的研究结论基本一致。

　　2)黑河中游水文效应的尺度特征明显。在土地利用尺度上，林地、水体、耕地等有助于促进产水，而建设用地和未利用地则抑制产水;在景观尺度上，景观类型越丰富、斑块分布越均匀，越有利于产水，这与前人的研究结论相近”0’2”。因此，结合黑河中游生态安全建设旧8|，对于北部地区，加强未利用地的封育保护，增加荒漠植被群落的稳定性，防止沙漠化的进一步扩展;对于水土条件较为优越的中部偏南地区，在维持地类多样性的同时，控制农业绿洲无序扩展，协调各类用地比例，提升景观斑块的均匀度，合理配置生态用水;对于产水量较高的南部地区，加快林草植被的保护与恢复，保障流域源头的森林生态屏障。

　　3)普通最小二乘回归、空间回归以及地理加权回归结果均能表明黑河中游未利用地整体上抑制产水。但与普通最小二乘回归模型相比，空间回归模型消除了回归残差的空间负相关性，使模型性能得到提升。地理加权回归使模型性能得到进一步提升，并揭示出未利用地回归系数的空间差异。

　　4)笔者从土地利用和景观格局2个尺度揭示黑河中游水文效应的影响因素与影响机制，为区域生态系统管理提供参考。本研究关注揭示土地利用活动对水文效应的影响，没有考虑气候变化对产水的影响。今后在更长时间序列的研究中，可结合气候变化来分析对流域产水的综合影响。另外，研究中所选的景观格局指数虽依据主成分分析和已有研究，但仍难避免主观因素的影响。未来研究可结合研究区实际情况改进景观格局指数筛选方法，深入探讨景观格局的水文效应。

　　5参考文献

　　[1]夏军，谈戈.全球变化与水文科学新的进展与挑战[J].资源科学，2002，24(3)：1.XIAJun，TANGe.Hydrologicalsciencetowardsglobalchange：Progressandchallenge[J].ResourcesScience，2002，24(3)：1.

　　土地资源论文投稿刊物：《资源科学》(月刊)创刊于1977年，是中国科学院地理科学与资源研究所主办的综合性学术期刊，刊登资源科学领域具有创新性的论文，报道最新的研究成果，发表相关的学术评论，介绍学科的前沿动态，为建立和发展资源科学理论体系、促进我国资源的可持续利用和资源管理服务。