دانشگاه ایلام مدیریت جامع حوزه های آبخیز 2783-4581 مقالات آماده انتشار 2025 11 15 Hydrological Ecosystem Services Modeling and Their Linkage to Landscape Metrics and Change Processes in the Talar Watershed مدل‌سازی خدمات هیدرولوژیک بوم‌سازگان و ارتباط آن‌ها با سنجه‌ها و فرآیندهای تغییر سیمای سرزمین در حوزه آبخیز تالار 731727 10.22034/iwm.2025.2067686.1244 FA محسن ذبیحی گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران 0000-0001-9843-0831 حمیدرضا مرادی گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران 0000-0002-4601-4702 عبدالواحد خالدی‌درویشان گروه مهندسی آبخیزداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران 0000-0002-5596-5411 مهدی غلامعلی‌فرد گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران 0000-0001-9172-9507 Journal Article 2025 08 03 <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">Extended Abstract <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">Introduction: <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">Hydrological ecosystem services (HES), such as water yield and sediment retention, are fundamental to ecological balance and sustainable resource management. However, these critical functions are increasingly disrupted by rapid land use and landscape changes driven by human activities. These dynamics are effectively captured by landscape metrics, which quantify the spatial configuration, composition, and structure of land cover patches. This study aims to model and predict key HES in the Talar watershed, Mazandaran Province, Iran, and to quantitatively examine their relationships with landscape metrics and the processes of landscape change. <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin'; letter-spacing: -.5pt; mso-bidi-language: FA;">Materials and methods: <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin'; letter-spacing: -.5pt; mso-bidi-language: FA;">The research employed a multi-step methodological framework. First, land use/land cover (LULC) maps for 1989, 2000, and 2014 were generated using the Support Vector Machine (SVM) classifier. A projected LULC map for 2030 was then created using a Markov chain integrated with the Land Change Modeler (LCM). A suite of landscape metrics—including Number of Patches (NP), Patch Density (PD), Largest Patch Index (LPI), and others—was calculated using FRAGSTATS software. Concurrently, specific landscape change processes (e.g., deformation, shift, creation) were quantified for each LULC class using TerrSet. The InVEST model was applied to simulate and project the HES of water yield and sediment retention for all study years, including the 2030 scenario based on current change trends. Finally, the relationships between the landscape metrics, change processes, and ecosystem service delivery were analyzed using Pearson correlation coefficients in SPSS. <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin'; letter-spacing: -.5pt; mso-bidi-language: FA;">Results and <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">Discussion:<span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';"> The Land Change Modeler demonstrated excellent performance in predicting LULC changes (Klocation = 0.969, Kno = 0.964). Projections for 2014–2030 indicate significant shifts: a decline in forest (–14.86 km²) and rangeland (–19.85 km²) areas, contrasted with an expansion of rainfed agriculture (+21.01 km²) and residential areas (+13.60 km²). Pearson correlation analysis revealed that most spatial pattern indices, except for patch density and edge density, had significant correlations with both water yield and sediment retention. The Perimeter-Area Ratio (SHAPE_AM or a similar PA metric) exhibited the strongest correlation (0.699 for water yield; 0.782 for sediment retention). An inverse relationship was found between the Largest Patch Index (LPI) and these services, suggesting that the dominance of large, consolidated patches can negatively impact hydrological functions. Furthermore, the Landscape Shape Index (LSI) for forest and rangeland patches decreased over the 25-year period, a trend associated with reduced water yield and sediment retention. Analysis of change processes showed that the expansion of rainfed agriculture increased water yield but decreased sediment retention, while the decline in forest cover negatively impacted both services, highlighting the adverse consequences of deforestation. <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">Conclusion: <span style="font-size: 10.0pt; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-ascii-theme-font: major-bidi; mso-fareast-font-family: Calibri; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-theme-font: major-bidi; mso-bidi-font-family: 'B Nazanin';">The findings indicate that ongoing land use changes and landscape fragmentation are likely to degrade hydrological ecosystem services and reduce the ecological resilience of the Talar watershed. This study confirms the significant influence of landscape structure on water yield and sediment retention, with metrics like the Perimeter-Area Ratio serving as strong indicators. The negative correlation with the Largest Patch Index and the detrimental impact of forest loss underscore the need for integrated land use planning and targeted conservation strategies in northern Iran. The combined methodology of spatial modeling, landscape metric analysis, and change process assessment provides a robust and practical framework for evaluating and predicting ecosystem services at the watershed scale, offering valuable insights for sustainable environmental management. چکیده مبسوط مقدمه: خدمات هیدرولوژیک بوم‌سازگان، ازجمله تولید آب و نگهداشت رسوب، برای حفظ تعادل بوم‌شناختی و پایداری منابع طبیعی ضروری هستند. با این حال، تغییرات سریع کاربری اراضی و الگوهای سیمای سرزمین ناشی از فعالیت‌های انسانی، این کارکردها را به‌طور فزاینده‌ای مختل کرده‌اند. پویایی‌ کاربری اراضی از طریق سنجه‌های سیمای سرزمین که ترکیب، ساختار و آرایش لکه‌های کاربری اراضی را توصیف می‌کنند، بازتاب می‌یابند. شاخص‌های پیکربندی فضایی ابزار مؤثری برای کمی‌سازی و تحلیل این الگوهای فضایی هستند. در همین راستا، این پژوهش با هدف مدل‌سازی و پیش‌بینی خدمات هیدرولوژیک بوم‌سازگان و بررسی ارتباط آن‌ها با سنجه‌های و فرآیندهای تغییر سیمای سرزمین در حوزه آبخیز تالار در استان مازندران انجام شده است. مواد و روش‌ها: به‌منظور نیل به اهداف پژوهش، نقشه‌های کاربری اراضی سال‌های 1368، 1379 و 1393 با روش ماشین بردار پشتیبان و نقشه پیش‌بینی شده در سال 1409 با روش زنجیره مارکوف و مدلساز تغییر سرزمین در منطقه مطالعاتی تهیه شد. در ادامه، مجموعه‌ای از شاخص‌های ساختار سیمای سرزمین شامل تعداد لکه، تراکم لکه، شاخص بزرگترین لکه و غیره در محیط نرم‌افزار Fragstats و همچنین فرآیندهای تغییر سیمای سرزمین شامل تغییر شکل، جابه‌جایی، ایجاد و غیره در هر یک از طبقات کاربری اراضی با نرم‌افزار TerrSet استخراج شد. خدمات هیدورلوژیک تولید آب و نگهداشت رسوب نیز در سال‌های مطالعاتی و شرایط آتی با توجه به سناریوی تداوم روند فعلی تغییر کاربری اراضی در آبخیز تالار با بهره‌گیری از مدل InVEST مدل‌سازی و پیش‌بینی شد. در مرحله بعد، ارتباط سنجه‌ها و فرآیندهای تغییر سیمای سرزمین با عملکرد خدمات مورد اشاره در محیط نرم‌افزار SPSS با استفاده از ضریب همبستگیPearson مورد سنجش قرار گرفت. نتایج و بحث: یافته‌های پژوهش حاکی از عملکرد بسیار خوب مدل مدلساز تغییر سرزمین در پیش‌بینی کاربری اراضی آبخیز تالار است (Klocation=0.969 و Kno=0.964). نتایج نشان داد که از سال 1393 تا 1409، مقدار تغییر مساحت کاربرهای کشاورزی دیم، جنگل، کشاورزی آبی، باغ، مرتع و منطقه مسکونی به‌ترتیب 01/21، 86/14-، 66/5-، 76/5، 85/19- و 60/13 کیلومترمربع خواهد بود. علاه بر این، در بازه زمانی مذکور، مراتع و جنگل‌ها بهترتیب از 5/1100 به 6/1080 کیلومترمربع و از 1/546 به 24/531 کیلومترمربع کاهش می‌یابند، در حالی که کشاورزی دیم از 79/45 به 8/66 کیلومترمربع و مناطق مسکونی از 62/27 به 22/41 کیلومترمربع افزایش خواهند یافت. نتایج تحلیل همبستگی Pearson نشان داد که به‌جز تراکم لکه و تراکم لبه، سایر شاخص‌های الگوی مکانی با خدمات هیدرولوژیک تولید آب و نگهداشت رسوب دارای ارتباط معنی‌دار بودند. در این میان، سنجه مساحت لکه بیشترین همبستگی را با هر دو خدمت داشته و ضرایب همبستگی به‌ترتیب برابر با 699/0 و 782/0 به‌دست آمد. ارتباط معکوس سنجه شاخص بزرگ‌ترین لکه با تولید آب و نگهداشت رسوب در آبخیز تالار به‌دست آمد که نشان‌دهنده تأثیر منفی افزایش یکپارچگی لکه‌های بزرگ کاربری بر ظرفیت بوم‌سازگان در ارائه این خدمات هیدرولوژیک است. شاخص شکل سیما در کاربری‌های جنگل و مرتع طی دوره ۲۵ ساله کاهش و در سایر کاربری‌ها افزایش یافته است. کاهش این شاخص با کاهش تولید آب و نگهداشت رسوب در آبخیز تالار همراه بوده است. یافته‌های حاصل از پژوهش در خصوص فرآیند تغییر ایجاد در کاربری اراضی کشاورزی دیم منجر به افزایش تولید آب و کاهش نگهداشت رسوب شده است. کاربری اراضی جنگل نیز طی دوره مطالعاتی با فرآیند تغییر تنزل منجر به کاهش خدمات تولید آب و نگهداشت رسوب در آبخیز تالار شده است. به‌بیان دیگر، کاهش پوشش گیاهی ناشی از تخریب جنگل منجر به کاهش نگهداشت رسوب در آبخیز تالار طی دوره پژوهش شده است. کاهش تولید آب نیز در کاربری جنگل به‌سبب کاهش مساحت 02/71 کیلومترمربعی آن از سال 1368 تا 1393 می‌باشد. نتیجه‌گیری: یافته‌ها نشان می‌دهد تداوم تغییرات کاربری اراضی و خردشدگی سیمای سرزمین می‌تواند موجب تضعیف خدمات هیدرولوژیک بومسازگان و کاهش تاب‌آوری بوم‌شناختی در آبخیز تالار شود. در این راستا، پژوهش حاضر نشان داد که تغییرات کاربری اراضی و ساختار سیمای سرزمین در آبخیز تالار تاثیر قابل توجهی بر خدمات هیدرولوژیک تولید آب و نگهداشت رسوب دارند. شاخص‌های سیمای سرزمین، به‌ویژه مساحت لکه، ارتباط معنی‌داری با این خدمات بوم‌سازگان داشتند و افزایش یکپارچگی لکه‌های بزرگ، تأثیر منفی بر عملکرد بوم‌سازگان داشت. کاهش پوشش جنگلی نیز به کاهش تولید آب و نگهداشت رسوب منجر شده است. این یافته‌ها بر اهمیت برنامه‌ریزی یکپارچه کاربری اراضی و حفاظت از منابع در شمال ایران تأکید دارد. به‌کارگیری رویکردی تلفیقی بر پایه مدل‌سازی مکانی، سنجه‌های سیمای سرزمین و تحلیل فرآیندهای تغییر، چارچوبی کاربردی برای ارزیابی و پیش‌بینی وضعیت خدمات بوم‌سازگان در مقیاس آبخیز فراهم می‌کند.