1. 文章信息
文章题目：
Assessing impacts ofthe Ecological Retreat project on water conservation in the Yellow River Basin
发表期刊：
Science of the TotalEnvironment
（
10.753 /Q1
）
作者：
Guanyu Jia,WenminHu ?
（
Central SouthUniversity of Forestry and Technology
）
（
1
）以黄河流域为研究区，将产水量作为反映流域水源涵养功能的指标，基于
InVEST
模型产水模块对流域的水源涵养进行定量评价。
（
2
）分析土地覆盖变化引起的产水量转移特征，并区分四种生态退耕（
Ecological Retreat, ER
）工程在水源涵养方面的生态效益，包括森林恢复（
Forest rehabilitation, FR
）、草地恢复（
grasslandrestoration, GR
）、水体恢复（
Wetland recovery, WLR
）、湿地恢复（
waterbody recovery, WBR
）。
（
3
）引入机器学习方法来综合考虑
土地覆盖变化
、气候变化、植被生理系数和生态工程等因素的影响，以揭示影响水源涵养功能的关键因素，提高驱动指标选择的准确性。
本研究结果将为客观了解我国最大的
ER
工程提供有价值的参考，并指导政府进一步实施区域生态修复。
3. 材料和方法
3.1. 研究区域
3.2. 研究方法与技术路线
（
1
）通过中国土地利用
/
覆盖数据集（
CNLUCC
）和
ENVI 5.3
重新分类方法（表
1
）将
YRB
的土地格局确定为
8
个主要土地类型，并利用马尔可夫转移矩阵模拟分析了
ER
项目引起的土地格局变化。
（
2
）利用
InVEST
产水量模型对流域水源涵养功能进行了评价，定量评价了土地覆盖变化与产水量变化之间的转化关系，探讨并比较了不同模式对产水量的影响。（模型的主要参考因子：植被类型、土壤性质、植物含水量、土地覆盖、根系深度、海拔和耗水量。）
（
3
）利用随机森林模型对影响水源涵养功能的关键驱动指标进行了筛选和判别；运用主成分分析和聚类分析对所选指标进行分类；采用
Pearson
相关检验和显著性检验分析不同驱动指标对产水量的敏感性
。
4. 结果
4.1. 土地覆盖与水源涵养的变化特征
4.1.1. ER 工程前后 土地覆盖 变化特征
4.1.2 ER 工程前后产水量变化特征
4.2. ER 工程对水源涵养的影响
4.2.1. 土地覆盖 变化对水源涵养的影响
( 1 ) 土地覆盖 变化特征
（ 2 ） 土地覆盖 变化 对水源涵养的影响
4.2.2. 不同 ER 模式下水源涵养效益的综合比较
4.3. 气候变化对水源涵养的影响
4.4. 影响水源涵养的综合驱动因素分析
5. 讨论
5.1. ER 工程引起水源涵养变化的生态效应
（
1
）
ER
工程极大地改变了黄河流域的土地利用方式，土地利用方式的转移对产水量的转移具有积极作用，并能促进水源涵养水平的提高。
ER
工程引起的区域土地覆盖变化共增加产水量
46.32×10 3 hm 3
，产水量转移率达
98.53%
，而失水率达
86.14%
。产水量损失是由土地覆盖变化引起的产水能力差异造成的。而且，水资源因为生态工程而被过度消耗，大规模植树造林活动也加剧了干旱地区的局部用水压力。在未来全球气候变暖的背景下，水资源的短缺和消耗可能会变得更加严重。
ER
工程的进一步实施将对黄河流域的水量产生不可忽视的影响。
（
2
）平均产水能力的大小顺序为：森林恢复
>
草地恢复
>
湿地恢复
>
退耕
>
其他
>
水体恢复。总产水量的大小顺序为
:
草地恢复
>
退耕
>
森林恢复
>
湿地恢复
>
水体恢复
>
其他。森林恢复比草地恢复表现出更大的产水能力，但草地恢复表现出最显著的总产水量。草地的恢复周期比森林和湿地短，覆盖面积也比其他退耕模式大得多，可以在较短的时间内发挥更大的生态效益。森林恢复和草地恢复模式具有显著的产水效果，特别是草地恢复模式。湿地恢复在生态恢复过程中表现出一定的提高区域产水能力的潜力。因此，除了森林和草地恢复之外，保护湿地资源，积极推进湿地恢复将是政府在生态恢复过程中最大限度地节约水资源的可行途径。
5.2. 水源涵养变化的主要驱动指标
ER工程
前后对产水量产生影响的 驱动指标 的重要性高度一致。不同的是，
2000
年耕地和气温变化对产水量的影响更大，而 2018 年 参考蒸散发和植物水分含量对
产水量的影响更大。这种差异可能是由全球变暖和土地退耕活动。降水和实际蒸散发是影响产水量变化的最关键驱动因子。根系深度和干旱指数与产水量也表现出相关性。根系深度与森林恢复表现出显著的相关性，在森林恢复期间，
YRB
植被覆盖度显著增加。森林和草地恢复可以增加根系深度，在保水和土壤固结方面起着至关重要的作用，这可以增加植物有效水分含量。因此，加强植被恢复和增加根系深度将有助于改善区域水源涵养功能。不同陆地物种之间的水转移可能会导致产水量的增加或损失。
耕地
向
森林和草地
的转化增加了产水量，而
草地
向耕地
的转化导致了失水。因此，政府要想从
ER
项目中获得更有效的生态效益，应更加重视土地利用规划和土地结构调整。气候变化和土地覆盖变化对产水量变化的累积贡献率达到
62.3%
，表明气候变化和土地覆盖变化是影响水源涵养变化的最关键因素。此外，土地覆盖变化的影响大于气候变化的影响，这意味着减少人类活动可以提高产 水 量。此外，不同生态退耕模式与产水量的相关关系表明，提高森林恢复、草地恢复以及增加根系深度有利于水源涵养。
5.3. ER 工程经济效益与生态效益的权衡
（
1
）从生态效益看，
ER
工程显著提高了
YRB
上中游的植被盖度。特别是
森林恢复
和草地恢复
的生态效益表现出显著特征，有效提高了水源涵养能力。进一步的研究应侧重于不同生态工程的多种生态系统服务功能之间的权衡，以帮助政府在进行生态决策时实现生态效益最大化。
（
2
）从经济效益看，农业是
YRB
的主导产业，退耕不可避免地会影响农业生产，降低农业产值。为此，政府应安排专项资金巩固
ER
工程成果，支持农民粮田建设和发展林草经济，实现
ER
工程经济效益最大化。
（
3
）从生态效益和经济效益权衡的角度看，直接经济效益的顺序为：建设用地
>
耕地
>
森林
>
草地
>
其他土地。
ER
项目中，耕地的直接经济价值大于森林和草地 的直接经济价值 ，森林和草地的生态价值大于耕地的直接经济价值。因此，退耕的经济效益弱于生态效益，森林和草地恢复的生态价值远大于耕地的生态价值。
6. 结论
利用
InVEST
模型和机器学习方法，评价黄河流域生态退耕工程对水源涵养功能的影响。土地覆盖变化、气候变化和有效的生态退耕模式提高了水源涵养功能。生态退耕工程的总产水量比土地覆盖变化引起的失水量大
12.39%
，总产水量增加
46.32×10 3 hm 3
。
20
年来，退耕还林还草一直是生态退耕工程的主要任务，退耕还林和退耕还草已被证明具有可观的水源涵养效益。虽然湿地恢复的总产水量远低于森林恢复和草地恢复，但湿地的增加显示出提高平均产水能力的巨大潜力。在全球气候变暖的背景下，政府若要实现区域水源涵养效益最大化，在继续实施森林恢复和草地恢复的同时，应关注湿地恢复，因为保护和扩大湿地面积可能是未来提高水源涵养功能的潜在途径。此外，将随机森林、主成分与聚类分析、
Pearson
相关和显著性检验相结合，可以很好地筛选和分析关键驱动指标，有助于进一步揭示土地变化对水源涵养功能影响的驱动机制。
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