鸭绿江流域跨国界地区水土保持功能时空格局研究

常馨悦 董禹麟 包广道 苗正红 任志彬 张 达 冯恒栋 胡楠林

（1. 延边大学地理与海洋科学学院，吉林 延边 133002；2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室，吉林长春 130102；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130031；5. 吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

长期的无序开发利用使生态系统由结构退化向功能紊乱转变，导致水资源短缺、水土流失、沙漠化等一系列生态问题，直接威胁着区域生态安全[1]。水土资源是人类生存的重要基础，水土流失、水资源短缺是当前流域生态系统面临的重要生态环境问题[2]。近几十年来，鸭绿江流域内中朝两国面临着不同的水土资源问题。例如，我国东北地区农业的快速发展造成了较大的水资源压力[2]；朝鲜则为确保粮食供应而大量开发坡耕地，加剧了土壤侵蚀、削弱了生态系统的水源涵养能力[3]。社会经济发展直接改变着陆地生态系统结构与质量，不同社会经济背景下的生态系统功能具有一定的异质性。在鸭绿江流域，近30年来中国和朝鲜的社会经济发展水平差异大，两国对生态系统的开发、利用、保护的程度也不同[4-5]。针对鸭绿江流域内中朝两国开展水土保持功能变化的对比研究，发掘不同的驱动机制，可以为巩固我国东北的生态和边境安全、加强东北亚的可持续发展能力提供科学参考。

生态系统具备多功能的特性，不同的功能之间存在着协同或权衡的关系[6-10]。研究表明，在不同海拔、坡度等地形地貌特征下，产水能力和土壤保持能力的空间差异明显[11]。然而，二者间的共生关系是不明确的，这制约了相关科研、管理等从业人员制定具有针对性的生态系统保护、管理方案和措施。特别是，鸭绿江流域属于跨国界地区，通过识别、对比水源涵养和土壤保持功能间的共生关系，对于构建可持续发展、生态环境保护的国际合作机制是重要的。本研究以鸭绿江流域为对象，定量分析1988—2018年鸭绿江流域中国、朝鲜两侧的产水、土壤保持等功能的时空演变特征及其共生关系，并探讨驱动机制，为建立鸭绿江流域跨国界地区的可持续发展途径奠定基础。

1 研究区概况

鸭绿江以长白山天池为源头，沿中朝边境流向西南，于辽宁省丹东市汇入北黄海。河流全长795 km，流域面积6.45×104km2，有浑江、虚川江、秃噜江、瑷河等多条支流，其中我国境内流域面积3.25×104km2，朝鲜境内流域面积3.20×104km2。鸭绿江流域位于北温带大陆性气候区。全区地势由东向西倾斜，中国地势较为平缓；朝鲜整体海拔相对较高。

作为巨大的生态水库、生态肺及木材等林副业产品的主要产区，中朝两国对鸭绿江进行了不同程度的开发利用。中国一侧主要集中于浑江流域中下游，以中低海拔丘陵山地为主，地处我国辽东-吉南成矿带核心区；朝鲜一侧据统计大型水库有8座，另有多处跨流域引水工程及其他水利工程[12]。由于人工设施的兴建，加之洪水冲刷及泥沙堆积的影响，鸭绿江流域水土流失问题长期以来受到国际社会的广泛关注。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1土地利用数据

土地利用数据基于Google Earth Engine（GEE）平台，应用Landsat地表反射率的TM、ETM+、OLI传感器遥感影像，空间分辨率30 m，影像行列号分别为116/031、116/032、1 170/31、117/032、118/031、118/032。

本研究定义的土地利用类型包括林地、草地、水体、旱地、建成区、湿地、水田7类。在GEE中，应用基于JavaScript语言的Multilevel Decision Rule分类器进行土地利用分类[13]，选取归一化植被指数（NDVI）和改进归一化植被指数（MNDVI）等光谱指数对土地利用类型进行提取[14]，为了避免NDVI数据的饱和，采用由NDVI计算得到的植被覆盖度（FVC）来提取植被，具体计算公式如下：

式中：R、G、NIR和SWR1分别为传感器中红、绿、近红外与短波红外1波段；N DVIsoil与NDVIveg分别表示裸地与植被的N DVI指数。

通过在Google Earth中随机选择验证点。由于高分辨率影像缺失，在2004年、2009年和2018年影像中收集了677个验证样本。基于分层采样的方法[15]，验证了1988年、1998年、2008年、2018年土地利用数据精度，结果表明，总体精度为0.85±0.14。

2.1.2气象数据

气象数据来源于美国国家海洋和大气管理局国家环境信息中心（https://www.ncei.noaa.gov），选取鸭绿江流域及邻近地区18个气象站点获得1988年、1998年、2008年、2018年降水数据，进行反距离权重（IDW）空间插值，得到流域年降雨侵蚀力栅格图。

土壤数据来源于世界土壤数据库和全球土壤理化性质网格数据（ISRIC），（http://isric.org/explore/soilgrids），选取砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、有机质含量；土地利用和数字高程模型（DEM）数据来源于Google Earth Engine。基于以上数据，本研究采用InVEST模型3.9.0版本开展鸭绿江流域跨境地区水土保持功能研究。

2.2 产水生态功能评估

InVEST模型在不同土地利用场景下，对生态系统功能及其价值变化进行模拟、分析和评估，为决策者权衡人类活动的效益和影响提供科学依据。研究选取模型产水子模块模拟鸭绿江流域的产水功能。产水模块的基础是水量平衡法，结合气候、地形和下垫面土地利用类型计算得出每个栅格的产水量。基于Budyko曲线和年降水量的计算方法如下：

式中：Yxj为土地覆被类型j上栅格单元x的年均平均产水量；AETxj是土地覆被类型j在栅格x上的年实际蒸散量；Px是栅格x上的年降水量。

2.3 土壤保持生态功能评估

研究选取InVEST模型泥沙输移比子模块模拟鸭绿江流域跨国界地区的土壤保持功能，具体计算方法如下：

式中： RKLSx是基于地貌和气候条件下栅格x的潜 在 土 壤侵蚀量（t）； USLEx和 USLEy分别是考虑了管理、工程措施后栅格及其上坡栅格y的实际侵 蚀 量（t）；Rx、Kx、 LSx、Cx、Px分 别 为 栅格x的降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长坡度因子、植被覆盖管理因子和土壤保持措施因子。

本研究采用章文波等[16]提出的逐月降雨量数据估算降雨侵蚀力模型；利用侵蚀—生产力模型（EPIC）中提出的计算方法计算土壤可蚀性因子[17]；植被经营管理因子和土壤保持措施因子参考了相关研究成果[18-19]和InVEST模型使用手册中的建议数值。

3 结果与分析

3.1 鸭绿江流域土地利用时空演变

1988—2018年鸭绿江流域跨国界地区不同土地利用类型的分布面积和及其变化率分别见图1和表1。

由图1a和表1可知，林地与旱地是鸭绿江流域的主要土地利用类型。1988—2018年，水体、水田、旱地、建成区面积呈增—减—减变化，林地和湿地呈增—减—增变化，草地呈增—增—减变化；林地、湿地、水田、建成区面积增加，草地、水体、旱地面积减少；7种类型中水田面积变化最为明显，增加了211.846%。其中，1988—1998年，7种类型的面积均出现增长，其中水田面积变化尤为明显，增长了494.756%；1998—2008年，除草地面积增长外，其余土地利用类型面积均出现不同程度的减少，湿地面积减少最明显；2008—2018年，湿地面积增长、草地和水田面积减少均较明显。

由图1b和表1可知，1988—2018年中国流域林地、湿地、水体、建成区面积呈增—减—增变化，水田和旱地呈增—减—减变化，草地呈减—增—减变化；林地、水田、建成区面积增加，草地、湿地、水体、旱地面积减少；7种类型中水田面积变化最为明显，增加了127.517%。其中，1988—1998年，除草地面积减少外，其余土地利用类型面积均出现不同程度的增加，其中水田面积变化尤为明显，增长了593.837%；1998—2008年，除草地面积增长外，其余土地利用类型面积均出现不同程度的减少，湿地面积减少最明显；2008—2018年，湿地面积增长、草地和水田面积减少均较明显。

图 1 1988—2018年不同土地利用类型面积变化率Fig. 1 Change rate of different land use types from 1988 to 2018

表 1 1988—2018年不同土地利用类型空间分布Table 1 Spatial distribution of different land use types from 1988 to 2018 km2

由图1c和表1可知，与中国一侧存在明显差异，1988—2018年朝鲜流域林地、草地、水体、建成区面积呈增—减—减变化，湿地、水田、旱地面积呈增—减—增变化；湿地、水田、旱地、建成区面积增加，林地、草地、水体面积减少；7种类型中湿地、水田面积变化尤为明显，分别增加了131.61%和330.63%。期间，1988—1998年，7种类型的面积均出现增长，其中湿地、水田面积变化尤为明显，分别增长了131.615%，330.628%；1998—2008年，7种类型的面积均出现减少，其中湿地面积变化最明显；2008—2018年，湿地面积增长、水体面积减少均较明显。

3.2 水土保持功能时空分布变化

3.2.1产水功能时空分布变化

1988—2018年鸭绿江流域跨国界地区不同土地利用类型的产水量及其变化率分别见图2和表2。

图 2 1988—2018年不同土地利用类型产水功能变化Fig. 2 Changes of water yield function of different land use types from 1988 to 2018

表 2 1988—2018年不同土地利用类型产水功能空间分布Table 2 Spatial distribution of water yield in different land use types from 1988 to 2018 108 mm

由图2a和表2可知，1988—2018年，林地、湿地、水体、旱地、建成区产水量呈增—减—增变化，草地呈减—增—减变化，水田呈增—减—减变化；除草地和旱地产水量减小外，其余土地利用类型产水量均出现不同程度的增加，水田产水量增加最明显，增加了243.609%。其中，1988—1998年，除草地产水量减小外，其余土地利用类型产水量均出现不同程度的增加，水田产水量增加最明显，增加了389.386%；1998—2008年，除草地产水量增加外，其余土地利用类型产水量均出现不同程度的减小；2008—2018年湿地产水增加，草地产水减少较明显。

由图2b和表2可知，1988—2018年中国一侧林地、湿地、旱地产水量呈增—减—增变化，草地和建成区呈增—减—减变化，水体呈增—增—减变化，水田呈增—增—增变化；7种类型产水量均出现增长，其中水田产水量变化尤为明显，增长了387.476%。其中，1988—1998年，7种类型产水量均出现增长，其中水田产水量变化尤为明显，增加了351.689%；1998—2008年，除水体产水量增加，其余土地利用类型产水量均出现不同程度的减少；2008—2018年湿地产水增加，水体产水减少较明显。

由图2c和表2可知，1988—2018年朝鲜一侧湿地、水体、建成区产水量呈增—减—增变化，林地产水量呈减—减—增变化，草地呈减—增—减变化，旱地产水量呈减—减—减变化，水田呈增—减—减变化；林地、水体、水田、建成区产水量增加，草地、湿地、旱地产水量减少，湿地产水量减少最明显，减少234.157%。其中，1988—1998年，7种用地类型中水田产水量变化明显，增加了414.597%；1998—2008年，除草地产水量增加外，其余土地利用类型产水量均呈现不同程度的减少，湿地产水量减少最明显；2008—2018年，湿地产水量增加、草地和水田产水量减小均较明显。

3.2.2土壤保持功能时空分布变化

1988—2018年鸭绿江流域跨国界地区不同土地利用类型的土壤保持量及其变化率分别见图3和表3。

表 3 1988—2018年不同土地利用类型土壤保持功能空间分布Table 3 Spatial distribution of soil conservation functions in different land use types from 1988 to 2018 108 t

图 3 1988—2018年不同土地利用类型土壤保持功能变化Fig. 3 Changes of soil conservation function in different land use types from 1988 to 2018

由图3a和表3可知，1988—2018年林地、建成区土壤保持量呈增—增—增变化，草地呈减—减—增变化，湿地呈增—增—减变化，水体呈现增—减—增变化，水田呈现增—减—减变化，旱地呈现减—减—减变化；除草地和旱地土壤保持量减少外，其余土地利用类型土壤保持量均呈现不同程度的增加；7种用地类型中水田和建成区土壤保持量变化最明显，分别增加了319.441%和518.820%。其中，1988—1998年，除草地和旱地土壤保持量减少外，其余土地利用类型土壤保持量均呈现不同程度的增加，水田土壤保持量增加最明显，增加了571.311%；1998—2008年，湿地和建成区土壤保持量增加较明显；2008—2018年，除湿地和旱地外，其余土地利用类型的土壤保持量变化均较明显。

由图3b和表3可知，1988—2018年中国一侧林地、水体、水田、旱地土壤保持量呈增—减—增变化，草地呈减—增—增变化，湿地呈增—增—减变化，建成区呈增—增—增变化；除草地土壤保持量减少外，其余土地利用类型土壤保持量均呈现不同程度的增加，建成区土壤保持量增加最明显，增加了91.151%。其中，1988—1998年，除草地土壤保持量减少外，其余土地利用类型土壤保持量均呈现不同程度的增加，建成区土壤保持量增加最明显，增加了424.607%；1998—2008年，湿地土壤保持量增加、旱地土壤保持量减少均最明显；2008—2018年，仅草地土壤保持量减少。

由图3c和表3可知，1988—2018年朝鲜一侧林地和建成区土壤保持量呈增—增—增变化，湿地和水体呈增—减—增变化，草地呈减—减—增变化，水田呈增—增—减变化，旱地呈减—减—减变化；林地、水体、水田、建成区土壤保持量增加，草地、湿地、旱地土壤保持量减少，水田土壤保持量变化尤为明显，增长了477.801%。其中，1988—1998年，水田土壤保持量变化尤为明显，增长了1 069.325%；1998—2008年，林地土壤保持量增加、湿地土壤保持量减少较明显；2008—2018年水田土壤保持增加，草地土壤保持减少最明显。

3.3 鸭绿江流域不同高程下水土保持功能权衡/协同关系

3.3.1全流域

根据1988—2018年鸭绿江流域产水与土壤保持功能评估结果，按100 m间隔将不同土地利用类型依照高程进行划分，得出1988—2018年土地利用及水土保持垂直梯度变化图（图4）。由图4和表4可知，流域产水、土壤保持功能均随海拔变化先增加后减小，表现出协同关系,2008年相关性较弱。相关系数为0.953～0.964，相关性极显著（P<0.01）。对比图4a、4b、4c、4d能看出，当位于海拔500 m以下时，产水、土壤保持功能协同增加，林地面积比重增大；海拔500～2 200 m，产水、土壤保持功能随海拔升高协同减小，林地面积存在小幅波动；海拔2 200 m以上，各功能变化趋势不明显，总量处于低值状态，受海拔影响较小，此时林地面积明显减小，草地和旱地为此时主要用地类型。产水功能受土地利用变化影响较土壤保持更明显。

图 4 1988—2018年土地利用及水土保持垂直梯度变化Fig. 4 Vertical changes of land use and conservation of water and soil from 1988 to 2018

表 4 1988—2018年鸭绿江流域水土保持功能相关关系随海拔变化Table 4 Changes of soil and water conservation function with altitude in the Yalu River Basin from 1988 to 2018

3.3.2中国一侧

从图5和表5可知，1988—2018年产水与土壤保持功能随海拔变化先增加后减小，表现为明显的协同关系，2018年相关性较弱。相关系数在0.965～0.972，相关性极显著（P<0.01）。对比图5a、5b、5c、5d能看出，林地、旱地、水田和草地受海拔变化影响较明显；海拔低于500 m，产水、土壤保持功能相关性强，且高于流域总体相关性，此时林地、旱地比重随海拔升高逐渐扩大；海拔500～1 500 m，二者表现为协同减小，林地面积波动减小。对比图5c、5d，2018年产水、土壤保持功能峰值处林地比例明显高于2008年；海拔1 500 m以上，产水、土壤保持功能总量整体减小，此时旱地、草地为主要用地类型。

表 5 1988—2018 年鸭绿江流域中国一侧水土保持功能随海拔变化关系Table 5 Changes of soil and water conservation function with altitude in China part of the Yalu River Basin from 1988 to 2018

图 5 1988—2018年中国流域土地利用及水土保持垂直梯度变化Fig. 5 Vertical changes of land use and water and soil conservation from 1988 to 2018 in China

3.3.3朝鲜一侧

从图6和表6可知，与中国一侧不同，1988—2018年朝鲜一侧水土保持功能在不同年份随海拔变化差异较大，且出现权衡关系，2008年相关性较弱。相关系数在0.938～0.964，相关性极显著（P<0.01）。对比图6a、b、c、d能看出，林地、旱地和水田受海拔变化影响较明显；海拔低于700 m，产水、土壤保持功能协同增加，此时林地和旱地比重随海拔升高逐渐扩大；海拔700～1 000 m，二者表现为协同减小，相关系数处于0.990～0.998，仅2018年通过0.05水平的显著性检验；海拔1 000～1 300 m，除1988年外，产水、土壤保持功能随海拔变化呈现权衡关系，相关系数处于-0.945～-0.879，林地和旱地仍为主要用地类型，且旱地表现为小幅减小；海拔1 300 m以上，产水、土壤保持功能协同减小，林地、旱地和草地为主要用地类型，且草地随海拔升高不断扩张；1988—2018年朝鲜一侧流域产水、土壤保持峰值逐渐向海拔低处偏移。

表 6 1988—2018 年鸭绿江流域朝鲜一侧水土保持功能随海拔变化关系Table 6 Changes of soil and water conservation function with altitude in North Korea part of the Yalu River Basin from 1988 to 2018

图 6 1988—2018年朝鲜流域土地利用及水土保持垂直梯度变化Fig. 6 Vertical changes of land use and water and soil conservation from 1988 to 2018 in North Korea

4 结论与讨论

通过对鸭绿江流域跨境地区水土保持生态系统功能时空变化及权衡协同关系的研究，主要得出以下结论：1）林地、旱地为流域内主要用地类型；2）1988—2018年鸭绿江流域跨境地区水土保持总量增加。中国一侧产水量增加79.29%，土壤保持总量增加14.24%，朝鲜一侧产水服务总量增加14.36%，土壤保持服务总量增加60.59%；3）流域整体水土保持功能在不同海拔高度处均表现为明显的协同关系，与中国一侧流域变化相同。朝鲜一侧水土保持功能随海拔变化表现为协同—权衡—协同转化的过程。

建国初期，我国东北地区作为一个木材生产基地，为全国提供粮食和木材等产品，导致植被严重退化，土壤侵蚀和沙漠化等生态问题[20]。1998年，中国将生态恢复和保护作为森林经营的重点，启动天然林保护工程，实施森林分类管理新制度，而后中国东北地区木材采伐水平下降，森林面积和蓄养水平缓慢增加[21]。1999年，国家开始提出并实施退耕还林（草）、荒山造林等一系列大规模生态修复工程，至2018年，中国一侧流域耕地面积已低于朝鲜一侧。由于欠缺对湿地价值认识，长期以来，我国未能正确处理社会经济发展与生态环境保护之间的关系，农田水利建设等活动破环了湿地补给水源[22]，因此中国一侧湿地面积退化较为严重，从而应该着重湿地保护。与中国一侧流域不同，朝鲜由于在90年代末期经济主要靠与中国的贸易支撑[23]，修建水电站和大型水库意图发展电力打开经济困难的局面，破坏了耕地、林地和居住地，这造成朝鲜一侧流域耕地、林地和居住地在1998—2008年大幅下降。由于不同土地利用类型的蒸散能力、土壤含水量、枯落物持水量以及冠层截留量均存在差异，且受到世纪洪涝灾害的影响[24]，不同土地利用类型在时间和空间上存在明显的产水能力差异[9-11]，同时，不同类型土地面积变化及类型转换影响着泥沙输出量，而泥沙输出量影响区域土壤保持能力。自然条件及气候变化、人类活动、社会经济等方面的因素推动土地利用变化[25]，而土地利用变化直接或间接地影响到区域生态系统功能[26-27]。

本研究中1998—2018年间鸭绿江流域中国一侧水土保持峰值总体向低海拔处移动。由此可见，生态系统结构变动会导致其功能发生相应转变[28]。朝鲜面临粮食短缺、经济困难等问题，需要加强农业现代化和推进工业化、城市化来改善自然环境[25]，这些进程加剧了森林生态系统退化[26]，水土保持总量低迷。在一定的阈值内，产水量增加能够在一定程度上促进土壤保持以及固碳等生态系统服务的发挥[27-28]。流域水土保持功能呈现明显的协同关系，一方面由于海拔和土地利用等自然因素的影响，产水量随之呈现先增加后减小的趋势；另一方面，由于不同海拔的人类活动强度不同，土壤保持能力随之变化，也呈现先增加后减小的趋势。

本研究利用海拔与土地利用将水土保持功能的垂直空间分布进行表达，探究产水、土壤保持生态系统功能间相互关系，这与Liu等[29]发现生态系统功能随海拔变化呈现的相关性类似，但对于不同海拔处相关性变化的驱动机制还需进一步研究。相关系数法能够定量表达生态系统功能权衡/协同的关系，但无法充分反映内部机理和作用机制，因此需要借助其他方法对其进一步探讨。有学者认为生态系统服务之间的关系随时间的变化表现出阶段性和差异性[30-33]，本研究虽讨论了1988—2018年水土保持生态系统服务随时间变化的特点，但由于仅考虑到4年间的变化，更长时间序列连续时间段的研究可提高不同生态系统功能间关系的可靠性。产水、土壤保持等生态系统的结构和过程决定着生态系统的功能表现，其关系客观存在而不以人的意志为转移，只有关注到人的需求，将这些功能与人类福祉相联系，最终才能形成生态系统服务[34]，这也为下一步的研究提供方向。