摘要：區域土地利用與景觀格局對水文效應具有重要影響。作者以地處西北內陸干旱區的黑河中游為研究區，基于土地利用數據(2000、20lO和2014年)、氣候數據(1999—2015年)及基礎地理信息數據，采用InVEST模型、最小二乘回歸、空間回歸及地理加權回歸等方法，揭示土地利用與景觀格局對產水的影響。結果表明：1)黑河中游產水量東南多、西北少，且有逐年減少趨勢，這與當地土地利用與景觀格局的變化有直接關系。2)在土地利用尺度上，林地、水體、耕地等用地類型有助于促進產水，建設用地和未利用地則抑制產水;在景觀尺度上，景觀類型越豐富、斑塊分布越均勻，越有利于產水，反之則抑制產水。3)空間回歸模型消除回歸殘差的空間負相關性，地理加權回歸提升了模型性能。該研究結果可為區域生態系統管理提供參考。

　　關鍵詞：土地利用;景觀格局;水文效應;lnVEST模型;回歸分析;黑河中游

　　隨著社會經濟的發展，水資源已成為全球多地區發展的限制因子之一。作為生態系統的重要服務功能，區域水資源的產生與供給對確保灌溉農業、工業及旅游業的發展，促進居民生活水平的提高具有重要意義。因此，流域生態系統產水服務及其影響機制的研究逐漸成為水文學、流域規劃與管理等領域的研究熱點’31。

　　已有研究表明：在長時間尺度上，氣候是降水、產水等水資源變化的主導因素;但在較短時間尺度上，土地利用/覆被變化(1anduseandlandcoverchange，Lucc)才是水文效應的重要影響因素H1。揭示和預測LuCC的水文效應，對指導區域土地利用規劃，優化區域水土資源配置，以及流域的可持續發展至關重要¨。。近年來，關于土地利用與水文過程關系的研究正逐漸增加，特征參數∽j、衛星遙感。7o、水文模型舊1等方法技術被綜合應用，植被變化、農田增減、城鎮化等用地變化被認為可能影響水文過程H。1“。

　　目前，大部分研究都關注于土地利用比例對水文過程的影響，而對景觀格局的水文效應研究較少¨“;而且，在探討土地利用水文效應時，較多研究采用相關分析和多元線性回歸分析的方法，沒有考慮到空間因子，忽略了空間依賴性和空間非平穩性對水文效應的影響。自20世紀60年代起，隨著計算機技術的發展，水文效應的研究方法由傳統的統計分析向水文模型轉變。InVEsT模型便是目前應用廣泛的一種。InVEST(theintegratedvaluationofecosystemservicesandtradeoffst001)模型，全稱“生態系統服務功能綜合估價和權衡得失評估模型”，由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)和世界自然基金會(wwF)聯合開發而成舊。

　　使用該模型能夠快捷地對包括產水功能在內的生態系統多種服務功能進行量化，從而很好地為政府及相關部門提供決策依據�；�于此，本文選擇水資源供需矛盾突出的黑河中游為研究區，建立InVEsT模型計算流域產水：一方面，將空間因子考慮在內，通過普通最小二乘回歸、空間回歸以及地理加權回歸等多種方法，分析土地利用類型與流域產水的關系;另一方面，結合主成分分析篩選景觀指數，進一步揭示景觀格局與區域產水的關系，從而為區域土地利用規劃與決策提供參考，促進水土資源的持續利用。

　　1研究區概況

　　黑河是中國第2大內陸河，發源于祁連山中段，流經青海、甘肅、內蒙古3省自治區¨3|。黑河鶯落峽至正義峽之間為中游，東靠武威和金昌，西至嘉峪關和酒泉，南與青海省接壤，北和內蒙古毗鄰，具體范圍介于E97020’～102012’，N37。28’～39。57’。中游干流全長185km，總面積約1.96萬km2。黑河中游地處青藏高原向內蒙古高原的過渡地帶，海拔在1234～4886m之間，地勢東南高西北低，其北部山地和走廊平原屬溫帶大陸性干旱氣候，南部祁連山區為高寒半干旱氣候。

　　年降水量僅54.9—436.2mm，且年內分布不均，多集中在6—9月;但全年蒸發量高達1700mm¨“。黑河中游是典型的灌溉農業綠洲，也是整個流域人類活動最為密集、綠洲最為集中、經濟最為發達的地區¨“。流域人均可利用水資源量為1250m3(僅為全國平均水平的57%)，是典型的資源型缺水地區。本研究所需數據包括基礎地理信息數據、土地利用數據、氣象數據和土壤數據等。

　　基礎地理信息數據來自中國科學院寒區旱區科學數據中心的黑河計劃數據管理中心(www.heihedata.org)。土地利用數據包括黑河中游2000、2010和2014年土地利用柵格數據。其中，2000年土地利用數據來源于中國科學院“八五”重大應用項目¨“，2010、2014年土地利用數據是通過黑河中游Landsat影像進行人機交互式目視解譯得到，解譯精度均>88%。研究中，將土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、水域、建筑用地和未利用地6類，數據的空間分辨率為30m。

　　氣象數據來自中國氣象數據網(cdc.nmic.cn/home.do)。對研究區及其周邊的11個氣象站點求得多年平均降水量，再通過普通克里金插值得到黑河中游多年平均降水量。使用“改進的哈格里夫斯”(modifiedHargreaves)公式計算并插值得到多年平均參考蒸散量Ⅲo。土壤深度、植物可利用含水量數據均來自世界土壤數據庫(HwsD)，空間分辨率為1km。DEM數據來自美國馬里蘭大學全球土地覆被數據庫，分辨率為30m�；�于DEM數據，在ArcGIs中使用Hydr0109y工具將研究區劃分為20個子流域。

　　2研究方法

　　2.1基于InVEST模型的產水量模擬

　　InVEsT模型產水模塊的計算原理，主要是通過降水量減去蒸發蒸騰水量來得到產水量。該模型忽略地表水與地下水的交互作用，不區分地表徑流、地下徑流以及基流。

　　3結果分析

　　3.1黑河中游產水量時空格局2000、2010和2014年的產水量分別為1.73億、1.63億和1.38億m3，呈現出逐年減少趨勢，尤其是2010年至2014年，產水最減少幅度更大。

　　3.2黑河中游土地利用的水文效應

　　3.2.1土地利用水文效應的普通最小二乘回歸在土地利用水文效應的回歸建模中，6類指標間具有線性關系，若同時將其作為自變量，會造成變量冗余;因此，先去掉草地(16.29%)、未利用地(57.38%)這2類用地(兩者在研究區所占面積最大，會對其它類型用地面積指標值影響較大)，只將耕地、林地、水體、建設用地4類用地指標作為自變量，將極差標準化后的產水指標作為因變量，進行普通最小二乘回歸。

　　3.2.2土地利用水文效應的空間回歸空間依賴性檢驗能對模型選擇做出判斷。通過查看各普通最小二乘回歸模型的空間依賴性檢驗結果，發現2010、2014年的回歸模型中拉格朗日乘數均不顯著(P>0.05)，表明對其保留OLs回歸結果即可，而以2000年草地和未利用地為自變量的回歸模型中，LM—lag不顯著(P=0.28)而LM—error顯著(尸=O.03)，表明有必要使用空間誤差回歸模型進行改進。于是，以2000年草地和未利用地指標為自變量，以產水深度為因變量，建立空間誤差模型�？臻g回歸與普通最小二乘回歸結果相同，未利用地系數為負，抑制產水。

　　且空間誤差模型的R2為0.71，而普通最小二乘回歸的R2為0.59，可見模型性能得到的了較大提升。為檢驗空間回歸模型效果，分別計算OLS和sEM的回歸殘差的全局Mc¨an’sI，從而檢驗回歸模型的殘差是否具有空間隨機性。經過計算得到，0Ls殘茇的Moran’sI為一0.43(|p=0.03)，表明0LS的殘差具空問負相關性?而SEM殘差的Moran’sI為0.12(Jp=0.11)，與0I.S相比，指數的絕對值明顯減小，結合指數對應的，)值，可以認為空間誤差模型消除了殘差的空間負相關性。

　　3.2.3土地利用水文效應的地理加權回歸

　　根據地理學第一定律，0Ls中的平穩性假設并二{F恒成立，而地理加權回歸能夠容許一些不平穩的數據被模擬。經汁算，2000年黑河中游產水深度的Mot.an’sI為O.32(，)=O.02)，表明因變量確實具有空間正相關性，適合采用地理加權州歸模型進行擬合j以2000年草地和未利用地指標為白變量，以產水深度為因變量，建立地理加權回歸模型。得到的R二為O.90，遠高于0LS的尺=，證明地理加權回歸明顯地提升模型性能?地理加權回歸模型對局部進行了回歸，因此每個子流域都有1個回歸系數。

　　4結論與討論

　　1)黑河中游產水能力在2000—2014年期間呈現出減小趨勢，與未利用地面積增加和林地面積減少、以及景觀多樣性和均勻度下降等景觀格局變化有直接關系。2000、2010和2014年產水量分別為1.73億、1.63億和1.38億m3。產水量空間分布不均勻，東南多、西北少，子流域間產水能力差異大，這與王蓓等。2釗的研究結論基本一致。

　　2)黑河中游水文效應的尺度特征明顯。在土地利用尺度上，林地、水體、耕地等有助于促進產水，而建設用地和未利用地則抑制產水;在景觀尺度上，景觀類型越豐富、斑塊分布越均勻，越有利于產水，這與前人的研究結論相近”0’2”。因此，結合黑河中游生態安全建設舊8|，對于北部地區，加強未利用地的封育保護，增加荒漠植被群落的穩定性，防止沙漠化的進一步擴展;對于水土條件較為優越的中部偏南地區，在維持地類多樣性的同時，控制農業綠洲無序擴展，協調各類用地比例，提升景觀斑塊的均勻度，合理配置生態用水;對于產水量較高的南部地區，加快林草植被的保護與恢復，保障流域源頭的森林生態屏障。

　　3)普通最小二乘回歸、空間回歸以及地理加權回歸結果均能表明黑河中游未利用地整體上抑制產水。但與普通最小二乘回歸模型相比，空間回歸模型消除了回歸殘差的空間負相關性，使模型性能得到提升。地理加權回歸使模型性能得到進一步提升，并揭示出未利用地回歸系數的空間差異。

　　4)筆者從土地利用和景觀格局2個尺度揭示黑河中游水文效應的影響因素與影響機制，為區域生態系統管理提供參考。本研究關注揭示土地利用活動對水文效應的影響，沒有考慮氣候變化對產水的影響。今后在更長時間序列的研究中，可結合氣候變化來分析對流域產水的綜合影響。另外，研究中所選的景觀格局指數雖依據主成分分析和已有研究，但仍難避免主觀因素的影響。未來研究可結合研究區實際情況改進景觀格局指數篩選方法，深入探討景觀格局的水文效應。

　　5參考文獻

　　[1]夏軍，談戈.全球變化與水文科學新的進展與挑戰[J].資源科學，2002，24(3)：1.XIAJun，TANGe.Hydrologicalsciencetowardsglobalchange：Progressandchallenge[J].ResourcesScience，2002，24(3)：1.

　　土地資源論文投稿刊物：《資源科學》(月刊)創刊于1977年，是中國科學院地理科學與資源研究所主辦的綜合性學術期刊，刊登資源科學領域具有創新性的論文，報道最新的研究成果，發表相關的學術評論，介紹學科的前沿動態，為建立和發展資源科學理論體系、促進我國資源的可持續利用和資源管理服務。