重点生态功能区建设对海南中部山区水源涵养功能的影响

2018-05-14张翠萍姜佳白杨

安徽农业科学 2018年5期

关键词：模型

张翠萍姜佳白杨

摘要以海南中部国家重点生态功能区（下称中部山区）为研究区域，基于InVEST模型，定量评价1998、2005和2013年生态系统水源涵养功能及空间变化特征，评价中部山区建设前后的水源涵养功能变化。结果表明：①研究区水源涵养量稳中趋降。1998、2005、2013年中部山区水源涵养总量分别为56.93亿、59.68亿、56.25亿m3。从流域看，昌化江流域贡献了最高的水源涵养量，其次为万泉河流域。②通过多年的保护建设，中部山区调节洪水作用增强。1998、2005、2013年中部山区总产水量分别为97.3亿、97.6亿、93.5亿m3。纵观3个年度中部山区的产水量，在2013年丰水年产水量较低，在1998、2005年平水年产水量较高，较好地起到了调节洪水的作用。从各流域情况看，昌化江流域贡献了最高的产水量，其次为万泉河流域。从时空分布来看，产水量由东向西逐步降低。③海南中部山区自2005年开始进行国家级重点生态功能区建设以来，天然林面积逐渐增加，生态系统防洪调水的功能大为加强。

关键词InVEST 模型；水源涵养；重点生态功能区

中图分类号S181文献标识码

A文章编号0517-6611（2018）05-0066-07

AbstractFocusing on the key ecological functional areas of central Hainan （Hainan EIA） as the research area，by InVEST modelling，the water conservation function and spatial differentiation characteristics of ecosystem in 1998，2005 and 2013 were quantitatively evaluated，and the changes of water conservation function before and after construction in central mountainous area were evaluated.The results showed：①Conserving water in the area slowly decreased.The total water conservation of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 5.693 billion，5.968 billion，5.625 billion m3，respectively.②Through years of protection and construction，Hainan EIA strengthened flood control.The total water yield of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 9.730 billion，9.760 billion，9.350 billion m3，respectively.Throughout the three years，the amount of water produced in Hainan EIA has been relatively lower in 2013 than it was in 1998 and 2005 which showed a better flood control.Changhuajiang River basin contributed the most followed by Wanquanhe River basin.The amount of water produced from east to west gradually decreased.③Since 2005，Hainan EIA has been established，natural forest in these areas has gradually increased and the flood control of the ecosystem has been greatly strengthened.

Key wordsInVEST modelling；Water conservation；Important Ecological Area

水源涵養是生态系统提供的重要服务功能之一，生态系统通过林冠、枯落物、根系以及土壤将降水拦蓄在系统内部，不仅可以满足系统内各个生态组分对水源的需求，还可以持续向外部提供水源[1-3]。因此，开展科学的生态系统水源涵养动态变化评估是生态建设和环境保护的基本前提，在水资源保护及生态安全的维持方面具有不可替代的作用。目前，国内外研究生态系统水源涵养量的方法主要有水量平衡法[4]、土壤蓄水能力法[5]、综合蓄水能力法[6]、年径流量法[7]、多因子回归法[8]等。这几种方法各有优缺点，土壤蓄水能力法较为简单，但忽略了蒸散的影响以及林冠、枯落物等作用层对水分的拦蓄作用，误差较大。年径流量法是指假设森林涵养水源量等于研究区内年径流量，方法比较简单，但忽略了蒸散耗水量，计算误差较大。综合蓄水能力法综合考虑了林冠层截留量、枯落物持水量和土壤层贮水量的方法，比较全面，但需要大量实测数据，计算起来比较复杂，这种方法计算的结果仅反映理论上最大的蓄水量，并不代表实际状态下森林的蓄水量。多因子回归法考虑了森林水源涵养量的主要相关因子，比较准确全面，但需要大量观测数据来确定回归系数，难以实际应用。水量平衡法是研究水源涵养机理的基础，能够较准确地计算水源涵养量，且容易操作，但也存在一定的局限性，一是区域内的蒸散难以准确测量；二是研究区内降水量、蒸散和地表径流的空间差异性一般被忽略掉，因此研究区的空间范围不宜过大[9-11]。

通过搜索文献发现，以水量平衡法为理论基础的InVEST 产水量模块来估算生态系统水源涵养量的研究较多，方法较为成熟[11-18]。 InVEST（the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool）模型是一种生态系统服务与权衡的综合评估模型，它是由美国斯坦福大学、世界自然基金（WWF）和大自然保护协会（TNC）于 2007 年联合开发的。与目前国内外其他生态系统服务功能评价的方法相比，InVEST 模型具有其自身的优势。首先，InVEST 模型输入参数较少，参数易获取、易提取，模型界面友好、操作简单，数据输入、存储和提取容易，使得该模型能够更广泛地被相关科研工作者掌握和使用。其次，模型采用的是空间分布式数据作为输入，同时输出的结果也是空间分布。有效地解决了服务功能空间化可视化的问题，结果可以直接用于分析服务功能空间分布特征及其空间异质性特征[19]。近年来，我国学者陆续运用 InVEST 模型对海南岛进行生态系统服务功能评估研究，多集中在土壤保持和水源涵养、氨氮净化等方面的功能评价。饶恩明等[20]探讨了海南岛生态系统土壤保持功能的空间特征及其影响因素；吴哲等[21]运用养分持留（水质净化）模型评估了海南岛氮、磷营养物负荷。

国家重点生态功能区是指承担水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护等重要生态功能，关系全国或较大范围区域的生态安全。加强国家重点生态功能区环境保护和管理，是增强生态服务功能，构建国家生态安全屏障的重要支撑。海南中部山区国家重点生态功能区（中部山区）是国务院2010年印发的《全国主体功能区规划》中确定25个国家重点生态功能区之一，功能定位为水源涵养和热带生物多样性保护[22]。海南省自2005年开始建设海南中部山区国家级重点生态功能保护区以来，取得了较好成效[23]。近年来，随着海南省国际旅游岛建设的推进，旅游业及各项经济工作迅猛发展，对自然资源的需求进一步增大，尤其是森林资源和水资源的需求增加，对中部山区水源涵养功能有一定影响。因此，研究水源涵养功能的变化特征，探讨其变化驱动因素，对于促进海南中部山区生态系统管理与保护有重要意义。该研究运用 InVEST模型中的产水量模块分析1998、2005和2013年3个年度海南岛的水源涵养功能空间分布特征及其变化，以期为海南中部山区水源涵养服务功能评估提供定量和可视化的结果。

1材料与方法

1.1研究区概况

海南中部山区地处海南岛中南部的山地和丘陵（图1），分布着广阔的热带雨林、季雨林，生物多样性丰富，是海南岛生态服务功能的重要区域。海南中部山区范围包括五指山市、琼中县等9市县41乡镇，面积 9 200余km2，占海南岛国土面积的27%，人口83.4万人，是海南岛的生态屏障、主要江河发源地、重要水源涵蓄区和水土保持重点预防保护区。境内气候属于季风热带，受东南季风所控制，年平均气温22.3～23.0 ℃，日照时间较长，雨量充沛，年平均降雨量在2 000 mm以上，多年平均水资源量为307亿m3。台风雨是海南降雨的主要来源，雨量分布的空间特征为东部多、西部少。境内主要河流多发源于黎母山山脉，全岛独流入海的河流共有154条。由于境内气候分异明显，北来寒流阻于山前，使北部山地丘陵气温较低，南部终年高温，成为常绿季雨林发育地区[24]。

1.2评估方法及参数处理

该研究使用InVEST模型的产水量模块进行水源涵养功能评估。该模型根据水量平衡原理计算流域产水量，根据水循环原理，通过降水、植物蒸腾、地表蒸发、根系深度和土壤深度等参数计算获得产水量，再用地形指数、土壤饱和导水率和流速系数对产水量进行修正获得水源涵养量，通过下述模型进行计算：

Yjx=（1-AETxjPxj）Pxj

式中，Yjx为第j土地利用类型栅格x的产水量；AETxj 为第j土地利用类型栅格x的每年实际蒸散量；Pxj 为第 j土地利用类型栅格x的年降雨量[18]。

InVEST 水源涵养模型需要输入的参数主要有潜在蒸散系数（Kc）、根系深度（root_depth）、流速系数（vel_coef）。潜在蒸散发是指水分充足的情況下，通过土壤蒸发和植物蒸散作用可能散逸的水量（mm）。该研究应用海南省气象局提供的多年蒸散数据以及站点信息，运用ArcGIS10进行插值获得栅格数据图层。根系深度是指由于环境的物理和化学特征不同，植物根系在土壤中能够延伸的最大深度（mm）。该研究根据中国热带农业科学院土壤研究所提供的数据资料，参考专家建议，运用ArcGIS10软件生成栅格数据图层。流速系数表示不同下垫面对地表径流运动的影响。以 USDA-NRCS 提供的国家工程手册上的流速-坡度-景观表格为基准，乘以 1 000 得到的。植被覆盖系数是指有植被覆盖即赋值为1，反之为0。以2005年SPOT5遥感影像（10 m分辨率）和2013年LANDSAT ETM遥感影像（15 m分辨率）为基础数据源，进行遥感解译，获得中部山区土地利用图层。分类系统包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、浆纸林、用材林、橡胶园、热作园、耕地、河流及坑塘、水库、城镇、农村居民点、工矿用地等（表1、2）。

1.3土地利用/覆盖

空间连续土地利用/覆被栅格图是所有水资源模型底图的关键组成部分。流域中所有区域都有相对应的土地利用类型。每个栅格对应一个土地利用类型的GIS栅格数据集。土地利用类型代码定义为整数。以1998、2005、2013年的LANDSAT ETM和 SPOT5遥感影像为基础数据源，15 m分辨率，进行遥感解译，获得中部山区土地利用图层。分类系统包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、浆纸林、用材林、橡胶园、热作园、耕地、河流及坑塘、水库、城镇、农村居民点、工矿用地等。

2结果与分析

2.1土地利用/覆盖由表3可知，1998—2005年用材林、热作园、橡胶园、河流及坑塘、居民点、工矿用地等面积均有所增加，其中橡胶园增加了1 353.95 km2，热作园增加了739.35 km2，增加面积较大。耕地、天然灌草地面积减少较大，其中耕地减少1 101.41 km2，草地减少1 255.81 km2。2005—2013年天然林、热作园、橡胶园、河流及坑塘、水库等面积有所增加，其中天然林增加了474.02 km2，橡胶园增加了220.21 km2，热作园135.15 km2，增加面积较大。天然灌草地、耕地、用材林等面积减少，其中天然灌草地减少437.41 km2，耕地减少233.18 km2。从以上数据可以得出，海南中部山区国家重点生态功能区建设后天然林面积有较大增加，很好地维持了热带雨林生态系统，保护效果显著。同时橡胶园、热作园的面积也有显著增加，而耕地、草地、用材林的面积显著减少。

从空间分布来看（图2），橡胶林主要分布在昌化江东北部琼中县境内，15年间所增加的面积主要分面在昌化江流域琼中县、五指山市和儋州市，原来的热作园地有不少面积转化为橡胶林。

2.2水源涵养量

2.2.1水源涵养量变化。由图3可知，1998、2005、2013年研究区水源涵养量呈降低趋势。1998年中部山区水源涵养总量为569 273万m3， 2005年水源涵养总量为596 831万m3， 2013年水源涵养总量为562 460万m3，略有下降（表4）。主要流域平均水源涵养量也呈下降趋势。1998、2005、2013年昌化江流域分别为562、579、549 m3/hm2，万泉河流域分别为993、1 042、988 m3/hm2（图3）。

水源涵养功能在区域内表现出明显的空间差异，水源涵养量由东向西逐渐递减（图4），橡胶园、热作园等区域水源涵养量较低。琼中县南部、保亭县、五指山等市县是天然林分布的主要区域，也是水源涵养功能最重要的区域，是昌化江、万泉河、太阳河、陵水河等河流的发源地。西部的东方、昌江、乐东等市县靠近工业区，天然林较少，橡胶园等人工植被覆盖面积较大，水源涵养功能渐弱。从海南中部国家重点生态功能保护区看，所规划的重点水源涵养区内，水源涵养量并不高，尤其是西部地区；一般水源涵养规划区内，东部区域水源涵养量尚可，西部地区水源涵养量明显较低（图5）。建议有关管理部门依据现状修编重点生态功能区。

2.2.2产水量变化。

从时间上看，研究区产水量逐渐降低。模型模拟结果表明，1998、2005、2013年中部山区总产水量分别为97.3亿、97.6亿、93.5亿m3。1998年中部山区总产水量为97.3亿m3，按海南省水资源公报公布的1998年全省水资源总量378.31亿m3计算，占全省水资源总量的25.7%；2005年中部山区总产水量为97.6亿m3，按海南省水资源公报公布的全省水资源总量304.46亿m3计算，中部山区占全省地表水资源总量的32.1%。2013年中部山区总产水量为93.5亿m3，按海南省水资源公报公布的全省水資源总量496.5亿m3计算，占全省水资源总量的19.2%。纵观3个年度中部山区的产水量，在2013年丰水年产水量较低，在1998、2005年平水年产水量较高，较好地起到了调节洪水的作用。从各流域情况看，昌化江流域贡献了最高的产量，其次为万泉河流域（图6）。

从空间分布看，中部山区产水量由东向西降低（图7）。天然林覆盖面积大的尖峰岭产水量反而较低，而产水量最高的区域分布在橡胶林面积较大的琼中县，这表明橡胶林等人工林截留水量能力较弱，天然林具有较强的水量截留能力。

3结论

（1）研究区水源涵养量呈降低趋势。1998、2005、2013年水源涵养总量分别为56.93亿、59.68亿、56.25亿 m3。从流域看，昌化江流域贡献了最高的水源涵养量，其次为万泉河

流域。研究区产水量亦逐年降低。1998、2005、2013年中部山区总产水量分别为97.3亿、97.6亿、93.5亿m3。从各流域情况看，昌化江流域贡献了最高的产水量，其次为万泉河流域。

（2）中东部地区橡胶园面积增长较快，水源涵养量逐年降低。

（3）海南中部国家级重点生态功能保护区自2005年开始建设以来，天然林面积显著增加，防洪调水的功能大为加强。2005—2013年，天然林面积增加了474.02 km2，增加了5.13%，与建设前相比，1998—2013年增加了457.00 km2，增加了9.37%。从产水量表现看，2013年丰水年，产水量降低，1998年枯水年，产水量较大，对防洪调水有较大作用。

（4）2013年产水量模拟结果与实际水资源量有较大偏差，原因在于2013年降雨量比常年高出60%左右，对模拟结果有影响。为了提高模拟结果的精确性，下一步将运用逐月气象数据，对水源涵养量和防洪调蓄功能进行精确模拟。

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