江西省水源涵养功能重要性评估技术研究

查东平，蔡海生，廖 兵，刘慧丽，苗世源

(1.江西省环境保护科学研究院，330039，南昌；2.江西农业大学/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室/江西农业大学富硒农业产业发展研究中心，330045，南昌；3.中科遥感科技集团有限公司，300384，天津)

0 引言

生态保护红线是指在区域国土空间范围内具有重要生态服务功能，且必强制实施严格保护的重要生态区域，涵盖了区域各类保护地与生态功能极重要和极敏感区域，为保障和维护国土生态系统安全的生命线和底线发挥重大作用。生态保护红线的划定和实施严格保护对于维护我国和区域生态系统战略安全格局，推进生态文明建设具有重大意义，是习近平生态文明建设的重要战略之一[1-4]。为确保区域生态系统功能不降低、保护面积不减少，用地性质不改变[5]的总体保护要求，对生态保护红线区域部分等级实施一条线进行管控[3,5-6]。新阶段，生态保护红线进行校核评估与调整作为一项全新的、探索性的研究，特别是如何结合各省省情来合理划定生态保护红线，是在划定过程中亟待解决的问题。

近年来，国内外学者对生态系统的水源涵养能力的评估方法和机理开展了大量研究。常用的模型有降水储蓄法[7-9]，该方法根据森林生态系统的蒸散发经验模型对森林生态对水的蓄积能力进行评估；林冠截留法[10]，该方法主要关注森林冠幅对降水的截留作用，未考虑土壤的径流量影响；多模型方法[11]，如InVEST模型[12-14]、SEBAL-SCS模型[14-15]和SEBS-SCS模型[16-19]。以上方法在森林对水源涵养的机理方面研究提供了一定参考，但是在省级尺度并不一定适合，如森林生态系统的蒸散发模型、林冠截留模型对空间格局关注不够[20-23]；多模型法所需参数较多，模型的计算工作量较大，步骤繁琐，存在一些难以克服的缺点，如InVEST只关注与土壤层面的水源涵养能力[12-14]，SEBAL-SCS依靠经验选择冷热点，温度和风速参数的反演具有较大的不确定性，在结果上可能存在误差[14-15]，SEBS-SCS模型对下垫面参数的要求较高，稳定修正函数存在一定的局限性[16-19]。本文采用水量平衡方程结合GIS空间分析功能，该方法将生态系统视为一个整体，从水量平衡的角度，将输入(降水量)与输出(蒸散发量和其他消耗量)之差作为水源涵养评估结果，原理简单，过程清晰，可适用于省级及以上大尺度层面的评估[24-26]，是《生态保护红线划定技术指南》所推荐的方法。研究成果在江西省生态保护红线划定与校核调整工作中得到了实际应用。

1 研究区概况

江西省地处中国东南偏中部长江中下游南岸，古称“吴头楚尾，粤户闽庭”，东邻浙江、福建，南连广东，西靠湖南，北毗湖北、安徽而共接长江。全省国土总面积为16.69万km2，约占全国土地总面积的1.7%[27]。

江西省得天时，受湿润亚热带季风气候之惠，享地利，省域与流域范围基本一致，水资源丰富，且自成体系，在江西省社会经济发展和生态系统总体格局形成具有重要地位[28-29]。江西省水资源与江西省高覆盖度森林资源与丰富的降水量密不可分，全省水系由赣江、信江、饶河、抚河和修水汇入鄱阳湖进入长江，江西省区域定性地貌和降水特性导致全省极易致洪[30-32]。

图1 区域位置

2 研究方法

水源涵养功能作为森林、湿地与草地等生态系统的重要功能之一，对天然降水进行蓄存与涵养，减缓河流水流失，对河流湖泊水进行调洪续枯，实现对大气水、河流水的循环调控[4,33-34]，减缓河流与湖泊水位的季节性波动，缓减洪水压力，提升枯水期水位，缓解干旱，维持与净化水质[35-38]。水源涵养功能一般以水源涵养量进行评估。

2.1 评估模型

水源涵养量通过采用水量平衡方程来计算，计算公式为[4]：

(1)

式中：T为研究区水源涵养总量(t)，Pm为研究区年总降水量(mm)，Rm为研究区年总地表径流量(mm)，ETm为研究区不同地类蒸散发量(mm)，Am为第m类生态系统类型面积(km2)，m为研究区第m类生态系统类型，n为研究区域生态系统类型总数[4,34,39]。

2.2 模型计算

2.2.1 降雨量数据计算 降雨量数据采用1981-2010年全省87个站点雨量数据和2011-2015年全省15个雨量站点数据计算平均年降雨量。将87个平均年降雨量数据结合1:25万地形数据采用协和克里金插值法得到全省降雨量数据。

图2 江西省降雨量空间分布

2.2.2 地表径流量 地表径流量计算公式为[4,34]：

R=(P×α)

式中：R为研究区域地表径流总量(mm)，P为研究区多年平均降水量(mm)，α为研究区平均地表径流系数[4,34]。

根据全省土地利用现状年度变更数据，并将不同地类与表1中各类生态系统类型分类系统进行匹配和赋值，通过空间计算得到全省径流系数分布图。

2.2.3 蒸散发量 蒸散发量数据采用1-12月及年参考作物蒸散量数据，数据记录了利用1961-2000年的全国740个气象站点观测数据。以气象数据空间化方法研究为基础，依托GIS技术、计算机技术和空间数据库技术计算作物蒸散量的空间分布数据，栅格的空间分辨率为1 km×1 km，重采样为250 m空间分辨率[4]。

表1 江西省各类生态系统地径流系数均值赋值情况表

序号生态系统类型径流系数序号生态系统类型径流系数1城镇用地10011农村居民点1002低覆盖度草地18.2712其它林地19.23高覆盖度草地4.7813疏林地19.24工交建设用地10014水田505灌木林地4.1715水库、坑塘06旱地7016滩地17河渠017有林地2.0388湖泊018沼泽地09裸土地10019中覆盖度草地9.3710裸岩100

图3 江西省径流系数

图4 江西省地表径流量

根据相关研究[40-42]，中部地区蒸散量与海拔存在一定的相关性，特别是海拔100 m以上相关性较为显著，表现为每升高100 m，蒸散量降低0.03%，因此通过DEM数据对蒸散量进行修正得到蒸散量因子栅格图。

海拔因子采用1:25万DEM数据进行最大值最小值法标准化到0～1之间，并重采样为250 m，图5为计算的1-Falt因子。

图5 江西省1-Falt因子布

图6 江西省蒸散发量

2.2.4 生态系统面积因子 生态系统数据采用30 m遥感影像进行解译。解译结果为矢量数据，并转为250 m栅格数据，如图7所示。

图7 江西生态系统类型

2.2.5 模型运算 将各因子统一成250 m分辨率的栅格数据，根据公式计算得到生态系统水源涵养量,经统计全省水源涵养总量为66.9 亿t/d。

图8 江西省水源涵养量

2.2.6 全省水源涵养量分级计算 通过模型计算，得到江西省水源涵养量栅格图,将计算结果进行归一化处理，对处理结果属性值进行由高到低排序累加计算服务值,将总值比例的50%与80%作为水源涵养功能评估极重要与重要分类限值[4,43]。分级设定情况见表2[4]。

表2 生态系统服务功能评估分级

图9 江西水源涵养极重要区评估结果

3 结果与分析

3.1 水源涵养量极重要区域空间分布特征

利用水量平衡方程计算得到的江西省水源涵养空间分布结构差异显著，各地分布不均，其中水源涵养极重要区域主要位于赣东、赣东北和赣西海拔较高的山区。根据评估分级结果，全省水源涵养极重要区域总面积44 052 km2，占全省总面积比例为26.39%，水源涵养重要区域总面积31 449 km2，占全省总面积比例为18.84%，水源涵养一般重要区域总面积91 426 km2，占全省总面积比例为54.77%(表3)。

表3 水源涵养量分级特征

3.2 水源涵养量极重要区域土地利用特征

将水源涵养极重要区域与第2次全国土地调查年度变更数据进行叠加，进而分析不难发现，水源涵养量极重要区几乎全部位于森林覆盖率高的区域。其中水源涵养极重要区域林地面积为39 025.31 km2，占比为88.59%；其次为耕地，面积为2 639.32 km2，占比为5.99%；第3为水域，面积为989.21 km2，占比2.25%(表4)。研究表明，植被覆盖度越高，植被越茂盛，植被对水源涵养的能力越强。

表4 水源涵养极重要区域土地利用类型

4 讨论

1)水源涵养功能重要性评估在生态保护红线中起关键性作用。根据《生态保护红线划定指南》，生态保护红线评估分为生态服务功能评估和生态敏感性评估[4,43]。结合江西省生态环境实际情况，评估内容主要包括水源涵养功能、水土保持功能重要性、生物多样性维护功能和水土流失敏感性等4个方面[3]。江西省作为长江重要的流域，每年为长江下游各省市生产生活提供超过2 000 亿t的清洁水源[44]，所以水源涵养在江西省生态保护红线划定中显得尤为重要。通过对江西省水源涵养功能重要性评估可为生态保护红线提供有力支撑。

2)水源涵养功能极重要性区域主要分布于赣东、赣东北、赣西等区域。根据分析结果，江西省水源涵养极重要区主要分布于上饶市、抚州市一带的武夷山脉及其周边区域，九岭山脉、罗霄山脉等区域。该区域是江西省重要生态格局“一湖五河三屏”[3]的重要组成部分。极重要区域通过26.39%的国土面积可保障全省50%的水源涵养量，具有重要的保护价值。

3)水源涵养极重要区域植被覆盖度高。水源涵养极重要区域主要覆盖类型为林地，占比达88.59%，且该区域年降水量较全省平均值高，高林地覆盖率和高降水量也是生物多样性丰富区域，对该区域的保护也可对生物多样性维护起较好效果。