山地水土要素耦合效应及土地利用的优化配置*

石培礼，耿守保

①中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；②中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049

山地生态系统服务与社会福祉和区域发展紧密相关。山地占全球陆地面积的22 %，却为地球50 %的人口提供了淡水、食物和纤维、遗传资源、木材、能源和抵御灾害的生态系统服务，在区域可持续发展中发挥了决定作用[1-2]。山区不仅蕴藏和储存了大量的自然资源，还具有涵养水源、调节气候、维持生物多样性和供给生态产品等多种功能，并与经济社会发展形成一体的复杂系统，其资源开发与生态服务同山区乃至国家的发展息息相关[3]。在山地系统中，水、土和温度无疑是最为重要的环境要素和资源，如何根据水、土和热量因子的地带性规律，研究水土要素的耦合格局及其生态和资源环境效应，合理利用水、土资源对山地可持续发展具有重要意义。

水、土长期被作为自然资源开发，强调水资源和土地资源的空间匹配程度、开发潜力和资源环境承载力研究[4-5]，而对水分和土壤养分的有效性及其耦合的生态效应，以及对山地植被分布、生产力及生态系统的脆弱性的研究重视不够，而后者在指导山地水土资源的合理开发和利用中也具有重要的作用。因此，需要重视水、土要素的环境效应及其资源效用的综合研究。

山地提供了丰富的生态、社会和气候效益，但长期只关注森林木材生产或者粮食生产的供给功能，而对其他生态服务，如固碳、水资源供给等功能重视不够。在气候变化和山区开发日益增强的驱动作用下，山地生态服务的权衡与协同的研究突显其重要性，特别是山地作为低海拔地区的水源涵养区和生态安全屏障具有重要意义。随着气候变化和人类需求的不断提高，增加了某些功能的需求，必定导致其他一些功能的数量和质量的降低，导致生态服务的失衡[6]。典型的例子是，山区植树造林增加了森林覆盖度，降低了水土流失，森林的固碳功能增加，却降低了河流径流，水资源供给量减少[7-8]。因此，如何协调各种生态服务功能之间的关系，增加人类需求旺盛的生态服务，就需要进行土地利用的空间优化和生态系统服务管理。然而，优化这些因素通常是基于长期经验进行的，容易导致难以预测的结果，特别是在变化环境影响下，后果更加难以预料[9]。

土地利用和人类活动的驱动显著地影响着山地多功能的发挥。只有在局地、景观和区域尺度的土地利用规划和生态系统管理中，综合考虑和权衡山区生态系统服务，才能提供协调、可持续的生态系统多功能服务。在全球变化的背景下，土地利用的优化和可持续生态系统服务的管理对维持山区及周边地区人类生计具有重要意义[10]。为此，我们需要探究并量化水土要素及土地利用对多个生态系统服务的影响及其机制。然而，迄今为止，土地利用的优化研究更多考虑的是供给功能的影响，而对生态系统服务的调节功能及功能之间的权衡和协调研究不够[11]。因此，亟需进行山地水土要素的耦合效应、区域土地利用优化和生态系统多功能的权衡研究，并提出山地水土耦合和生态系统服务权衡的区域土地利用优化研究框架，并应用于山区国土开发及空间利用的研究。

1 水土要素耦合的内涵及其区域分异

水、土是山地自然地理的基本要素，由其产生的资源环境效应和生态服务功能是人类生存、生活和社会经济可持续发展的基础，其耦合状况、优化配置和高效利用是山地科学关注的焦点。

耦合是指系统之间通过各种作用而彼此影响的现象，表现为系统间相互作用和相互协调的动态关联关系[12]。山地水、土要素首先表现为环境因子，又是可资开发利用的自然资源。从生态学角度来看，水、土是影响生态系统生态过程和功能的环境要素，表现在水分和土壤养分及其相互作用对生态系统的物质循环和生产力的影响。从地理学视角去理解，水、土是支持社会生态系统的基础要素，具有资源属性，其在时间和空间上的匹配性呈现功能特征，功能的强弱在于其匹配程度，即时空耦合关系。受地理条件、气候变化和人类活动等的综合影响，水、土时空匹配关系的地域特征极其明显，而山地因地形梯度和气候梯度的差异，水、土耦合关系更为复杂[1]。人们可以根据环境要素的异质性和资源的匹配程度，遵循山地的地带性规律，开发山地水土资源，从生态系统获取满足人类需求的生态服务。研究水、土要素耦合对生态系统的生产力和脆弱性的影响，合理利用水土资源，优化水土资源空间利用，权衡生态系统服务，实现区域生态服务的协调，提高生态系统的整体效益，是山区发展亟待破解的重大课题。

水、土作为环境要素，表现出较强的耦合性，但在强烈的变化环境中会出现解耦联现象，尤其表现为水、土资源匹配的失衡。土壤养分和水分通常呈现正相关关系，降水较多的地区，土壤水分和养分条件都较好[13-15]，但在热带山地降水很高的环境中，由于淋溶作用也会导致养分的降低，特别是出现有效磷的降低[16-17]。对于水、土资源来说，在降水量高的湿润区通常耦合性较好，对区域社会-生态系统和环境的促进作用就越强，表现出较高的生产力。相反，在干旱半干旱生态环境中，水资源作为最重要的限制因素，限制了土地资源的开发，也严重影响了生态系统的生产力和稳定性[18]。在变化环境的影响下，水、土资源不匹配及矛盾凸显，成为山区发展的瓶颈，给区域社会经济发展带来很大的不确定性。水土资源配置失衡，导致土地资源难以利用，水土流失等灾害频发，生产力低下[3]。

2 水、土要素耦合及其效应的研究进展

水土要素的耦合研究多强调水土资源的匹配及其对资源开发的影响，而较少关注水分的有效性和土壤养分对生态过程的影响。水土资源是水资源和土地资源的合称。广义的水资源包括地球上所有的天然水，而习惯上的定义是可供人类利用的水；土地资源是指已经被人类所利用和可预见的未来能被人类利用的土地。土地资源位置固定，不能移动，在区位上存在肥力和生产力的差异[19]。为此，水土资源耦合研究在宏观上关注水资源的调配和单位土地面积上的水资源量对土地资源开发利用的约束性，强调水土资源协调度及其资源效应、资源环境承载力。鉴于生态过程在驱动水、土资源及其环境效应中的重要作用，在水土要素耦合效应的框架中还需加强水土要素对生态过程及其影响机制的研究。

2.1 水土资源的匹配

长期以来，水和土被视为资源，主要考虑水资源和土地资源的协调、土地资源开发和生产力的提升。在农业资源开发中，水资源具有流动性和可调配性，而土地资源是固定的、不可转移的，水土资源的匹配表现为水资源供应区与消耗区在时间上的分离与空间上的组合，应用于水土资源优化配置与平衡研究[20]。水土资源耦合(或称为匹配)研究就是进行水土资源配置，即资源分配或布局。优化配置是指在一定条件下，以提高水土资源利用效率和达到最优的生态经济效益为目的，并希望实现水土资源的可持续利用，最终实现经济效益目标、社会效益目标和生态环境效益目标的协调和统一[19]。一般情况下，选择一种主导性目标，进行水资源区域再分配，协调地区间和部门间的分配，优化土地利用结构，以达到水土资源的最佳匹配状态，最终实现水土资源高效可持续利用的目的。姚华荣等[21]和吴绍洪等[22]利用灰色线性规划模型，根据生态先行、统筹兼顾和因地制宜的原则，以水资源为约束因素，以防沙治沙、经济发展和可持续发展为目的，对首都圈防沙治沙区进行了水土资源的优化配置。

在农业区的研究中，水土耦合更多的是关注可用于农业生产的水资源量与耕地之间的空间协调程度，并与水土资源承载力作综合分析。刘彦随等[5]提出了水土资源匹配系数的概念，采用单位耕地面积的广义农业水资源量测度方法反映水资源供给量和耕地资源空间适宜性的量比关系，用以表征区域可供农业生产的水资源与耕地资源在时空分配上的均衡性。郑重等[23]则利用“系统耦合”理论，对水土耦合的概念作出了全面的解释，认为应该将水土子系统作为生态系统的“耦合键”，将有限的水资源和土地资源进行生态位和时空上的系统耦合效应增大和景观生态规划设计，以维持土地生态系统的相对平衡，实现水土资源的可持续利用，达到经济、社会和生态综合效益最优化。但他仅从理论上进行了探讨，还缺乏深入的案例研究。

2.2 山地土壤水分有效性和土壤质量耦合

水土耦合从地理资源学的角度来理解，其耦合效应实际上是指单位土地资源面积上的水资源的分配情况。但从生态学的角度来看，这种耦合方法存在诸多缺陷。比如在农业生态系统中，通常关注灌溉用水的多少及其有效性，以及土壤肥力的高低。因此，将已有的水土资源耦合效应应用到农业上时，存在的最大问题是：单纯考虑水资源调配，未考虑土壤肥力的作用。其次，考虑更多的是蓝水资源，而对绿水资源考虑较少。蓝水资源是基于对水资源可控性的理解，而绿水则是基于对水资源有效性的认识，植物生长主要依靠绿水[24]。从水资源角度来说，蓝水虽然是水量的多少，而实际上土壤水才是陆地生态系统植物水分供应的最重要来源，是“四水转换”的枢纽[25]。因此，如果忽略了绿水的作用，就不太适合自然植被水土耦合效应的研究。

土壤养分作为水土耦合关系的要素，长期没有得到重视，从水土耦合角度对土壤养分(或土壤质量)的定量分析还很少。除了土壤养分外，还有土壤质地、机械组成和微生物的活动状况，这就是在农田生态系统应用较多的土壤质量，是土地利用规划中必须综合考虑的重要问题[26]。因此，土壤质量是反映水、土要素耦合效应的综合土壤指标，理应得到重视。

另外，在山地环境中，地形地貌(如山地垂直带)造成的温度梯度也是必须考虑的重要因素。山地水土要素的相互作用与山地垂直带的温度变化密切相关，这不仅给热量条件的地带性分异产生影响，还会影响到土壤有机质的分解、养分有效性和植被生产力等生态过程。因此，温度也是影响山地水土要素耦合效应的关键要素，影响到植物的物候节律和水分需求的季节性[27]，在季节和年度上呈现显著的季节变化和年度变异规律[28]。

综上所述，山地水土要素的耦合实际上是在一定温度影响下，水分和土壤质量相互作用的结果，外化为水、土耦合的资源效应，这就是水土资源的匹配和优化配置的实质问题。基于上述的理解，从环境要素的角度分析，水分、土壤养分和温度的耦合就是山地水土要素耦合的特征，会对山地植被生产力及其响应环境变化的敏感性产生影响。因此，山地水土要素耦合可以通过土壤有效水、植被生长所需的最低温度和土壤质量综合起来的指数来表征。

这里，我们将山地水土要素耦合指数定义为：

其中，WSCI是水土耦合指数，Tmin是最低温度，AWC是土壤有效水，SQ是土壤质量，i表示相应的指数。

我们以太行山区为例，采用土壤养分、质地、离子交换等11项能反映对植被影响的土壤属性作为评价土壤质量的指标，构建土壤质量综合评价的最小数据集。根据土壤容重属性，对最小数据集中的评价指标进行土层整合，利用线性归一化的方法进行数据标准化，并采用熵值法确定各指标的权重，最后各指标无量纲化后的值与相应的权重乘积后求和，获得土壤质量。土壤水分有效性采用蒸散发(AET)和潜在蒸散发(PET)的比值进行计算，利用RS-PM模型对蒸散发进行估算。水土耦合指标计算的分辨率为1 km×1 km。温度指标考虑方面，因为最低温度是植物生长的限制因子，我们采用 Jolly使用的日最低温度阈值为-2 ℃和5 ℃来估算温度对植物生长影响的限制作用[27]。采用(1)式计算了太行山区的水土耦合指数及土壤、水分和温度在空间上对植被生长的限制状况，如图1所示。

通过太行山区各气象站点WSCI与NDVI(归一化植被指数)的相关分析发现，两者具有正相关关系，且相关性系数均达到0.7以上，表明我们的水土要素耦合指数能够反映植被生产力的变化。由于温度的影响，太行山区水土耦合指数呈现较强的季节变化，冬季耦合指数大多数地区较低，主要受到最低温度的影响，随着温度升高水土耦合指数也逐渐增加。在夏季主要受到温度、水分和土壤质量三者的共同作用，表现出较大的区域差异。太行山区温度受限天数高值区主要分布在高海拔地区，低海拔平原地区温度受限较少。水分受限天数高值区主要分布在中低海拔，而高海拔地区受限较少(图1)。

2.3 水土要素耦合及生态效应的研究框架

根据水、土要素耦合及其生态与资源环境效应，我们提出了“格局—效应—土地利用优化”的研究框架(图2)。水、土要素的格局包括水分有效性、土壤质量和温度的耦合状况，也包括土地利用优化过程中的水资源和土地资源的匹配状况。前者可以通过我们定义的水土要素耦合指数计算，后者可以通过常规的水土资源匹配情况，即单位面积土地上水资源的分配情况来刻画。效应就是水土要素耦合对植被生态系统功能的响应和生态系统服务的影响，前者包括对植被分布、生态系统生产力等生态功能的影响，以及水土要素组合对环境变化下生态系统脆弱性的影响；后者是指水土耦合在综合环境要素影响下，气候变化和人类活动对生态系统生产功能、调节功能以及支持功能的影响。根据水土要素耦合的生态效应，并借鉴天然植被的分布，可为人工植被的布局和生态建设提供依据。

在研究山地水土要素对生态系统过程和功能影响的基础上，可以了解生态系统服务的现状和空间变异特征，还可以根据人类对不同生态系统服务的需求进行土地利用的优化，使希望获取的生态系统服务最大化。在山地生态系统中，可以根据山地垂直带植被的分布和土地的适宜性划分生产、生活和生态空间。在生产空间，重点考虑水资源土地资源的匹配度、水热状况和植被生产力，布局不同的农作物或经济植物，目的是达到生态和经济效益的最大化。鉴于山地为低地和下游地区提供水资源服务，在大多数地区水资源短缺的今天意义尤为重大。通常采取优化生产、生活空间的土地利用，降低植被的耗水量，增大河流径流量，为平原地区提供更多的水资源服务。

在研究方法方面，主要采用联合国千年评估的生态系统服务评估框架[29]，采用生态系统服务权衡和协调的方法体系，设置水土资源约束条件下的土地利用方式变化情景，估算生态系统服务的变化，调整以使希望获取的生态服务功能最大化。土地利用优化通常采用线性规划、系统动力学、多目标决策模型和 GIS技术相结合的方法[30-31]，而评价指标权重的确定大多采用层次分析法[32-33]，评价指标的优劣分级通常采用模糊数学的方法[34]。

图1 太行山区水土耦合指数(a)及土壤(b)、水分(c)和温度(d)对植被生长限制的空间分布( (a)中，数值越大，表示水土耦合效应越好； (b)～(d)中，数值越大，表示植被受相应因子的限制越多)

2.4 太行山区水土要素耦合及土地利用的优化配置

太行山区属于我国北方土石山区，是京津冀大中城市及华北平原的水源保障与风沙屏障，对于维持区域生态安全具有重要作用[35]。近年来，水资源短缺及其相关的环境问题已经成为区域社会和经济发展的重要挑战，其生态系统服务对于维持区域生态安全具有重要意义。太行山区山地生态系统根据海拔差异，可以分为低山丘陵区、中山区和亚高山区。中山以上的地带，由于多年的太行山绿化工程等生态建设工程的成效，以及山区人口的外迁，植被得到恢复，水土流失已经成为次要的环境问题[36]。从20世纪80年代开始，各水文站观测年径流均呈减少的趋势。为了给京津冀和华北平原持续的水资源供应，优化山地土地利用，协调生态系统的供给功能和调节功能成为重要的研究课题。在巩固太行山区长期生态建设成果的基础上，对山区生态系统服务进行功能定位划分：亚高山区的次生林带生态系统服务以调节和支持功能为主，强调气候调节，集水产流；中山区的公益林和人工林带生态系统服务同时兼顾调节、支持与生产功能，注重侵蚀控制以及水分和养分循环；低山丘陵区建设农林复合系统，以生产功能为主，兼顾其他功能，但要注重各功能协调，通过农林配置，降低水资源消耗，为低地平原区提供持续的水资源服务[37]。

图2 山地水土要素耦合的“格局—效应—土地利用优化”的研究框架

丘陵区是农林复合经营区域，生产和生活耗水量大，水分胁迫严重，水土资源匹配矛盾突出，影响到山地整体服务功能的发挥。农林结构配置与用水调配问题不仅事关太行山区生态系统耗水与水量平衡、社会经济发展问题，而且关系到为京津冀地区提供多少水资源的问题。在明确太行山区水土资源耦合格局的基础上，对于匹配状况良好的土地利用方式予以保留，对匹配状况不良的土地利用方式进行优化。同时，考虑到区域气候差异以及不同植被的生长特性，分区域、分海拔提出土地利用方式的优化方案，调整植被种植类型和结构，如种植农作物、经济果木、药材、能源植物等。

基于SWART水文模型和InVest模型的产水模块，依据水量平衡的估算方法，研究太行山区山地垂直带异质性对不同生态系统服务的影响及权衡机制，水资源供给服务在不同海拔梯度带的生产和消耗特征，并根据水土资源耦合格局下的土地利用优化配置方案，分析太行山区生态系统水源供给服务的时空变化及其成因，以及山区水资源向域外的转移量，从而估算太行山区土地利用不同优化模式对京津冀地区的水量贡献。

3 研究展望

水、土要素耦合的生态与资源环境效应是山区生态系统服务形成的基础，维系着山区居民生计和可持续发展。为了协调生态系统服务，就需要进行生态系统生态服务管理，进行土地利用的优化配置。未来研究的优先方向如下：

(1) 变化环境下水土要素耦合时空格局变化

根据山地气候变化的区域特征，分析典型山地垂直带和区域降水变化格局与土壤水分响应特征，分析土壤水分的区域气候响应特征、土壤质量及土地适宜性特征与规律，研究山地垂直梯度上气候、地形和植被等因子综合影响下土壤质地、土壤水分和水土要素耦合时空规律，阐明不同生态功能区水、土要素耦合作用下生态系统的脆弱性与稳定性。

(2)水土耦合的生态效应和资源环境效应

分析气候变化和人类活动影响下水、土要素耦合作用导致的植被净初级生产力时空格局及尺度特征，阐释水分和养分胁迫下生态系统的生态适应机制。建立生态系统稳定性评价指标体系，探究不同水分胁迫影响下的生态系统可持续性及其维持机制。根据水、土地资源的耦合效应，研究区域水土资源可持续承载力，并依据山地植被地带性规律，进行退化山地系统的植被恢复，确定不同生态功能区植被群落结构的优化配置方案，研究植被的生态环境效应。

(3)基于区域生态系统服务提升的土地利用优化

基于生态优先原则，以研究区生态—生产—生活空间目标协调的水、土资源优化配置为目标，分析土地资源利用与水资源供给的平衡关系。构建以土地利用类型为决策变量和水资源可利用量为主要约束变量的多目标优化模型，综合考虑山地环境条件和利益相关方的土地利用愿景，权衡土地利用与经济、社会和生态效益的冲突，探求不同生态功能区时空多尺度水土资源优化配置方案，提出适合不同生态功能区的水土资源空间优化利用和植被配置措施。评估生态系统服务功能区域外溢特征，探究水土资源耦合的可持续利用方向与调控机制。

(4)生态系统服务的权衡与生态补偿机制

在山地不同水、土要素的耦合作用下，生态系统和环境要素的复杂相互作用导致对某一主导生态系统服务进行选择时，会损害到其他生态系统服务的提供, 导致预期之外的生态系统服务衰退，即多种生态系统服务功能权衡的过程[38]。要广泛开展山地生态系统服务的权衡关系，以及变化环境下不同水、土要素耦合对生态系统过程和生态系统服务功能的影响，系统地协调山地内部和区域的生态系统服务，并构建山地及周边区域间的生态系统服务供给和受益者之间清晰的生态补偿机制。

(2018年1月8日收稿)

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