1990—2017年承德市水源涵养功能时空变化格局与影响因素研究

王 冶，薛忠财①，王瑞丰，姜白杨，孙百生，常佳宁

(1.河北民族师范学院资源与环境科学学院，河北 承德 067000；2.河北省山区地质环境重点实验室，河北 承德 067000；3.河北省地矿局第四地质大队，河北 承德 067000)

水源涵养功能指生态系统在一定时空范围和条件下将水分保持在系统内的过程和能力，是陆地生态系统的重要生态服务功能之一[1]，包括调节河川径流量和蓄留水源的功能[2]。对区域水源涵养时空变化格局及其驱动因子进行分析和讨论，不仅可以揭示气候变化和人类干扰背景下水源涵养功能的时空演化过程，还对实现区域社会生态系统管理和可持续发展具有重要意义[3]。

传统的水源涵养量评估方法主要包括水量平衡法[4]、土壤蓄水法[5]、分布式水文法[6]和降水存储量法[7]等，但上述方法多是基于大量实测数据进行估算，对大区域进行估算时会产生较大误差。随着计算机科学的不断进步，目前，国外学者主要基于水文评估模型(SWAT模型[8])、水文生态模型(InVEST模型[9])和生态系统评价模型(GUMBO模型[10])对水源涵养量分布及动态特征进行研究，而国内学者则利用参数本地化后的模型对中国不同尺度、不同生态背景的区域，如黑河流域[11]、石羊河流域[12]、黄土高原[13]和淮河流域[14]等地区水源涵养功能进行评价，并取得较好的评估效果。近几十年来，气候变化和人类活动干扰导致河流水文的全球性变化[15]。同时，气候和土地利用是水源涵养功能的重要影响因素[16]。因此，深入了解水源涵养功能时空变化特征，揭示其变化的控制因素具有重要意义。承德市是连接京津冀辽蒙的区域性中心城市，是京津冀生态安全的重要屏障，也是水源涵养功能区的重要组成部分，在“阻沙源、涵水源”方面发挥着重要生态作用。鲁重生等[17]结合岩性从水化学角度分析承德地区水源涵养状况；石先闯等[18]提出承德市水源涵养提升措施与生态环境问题解决对策；潘梅等[19]分析了包括承德市在内的京津冀地区水源涵养时空变化及驱动因素；李庆旭等[20]基于生态服务价值化方法量化了承德地区水源涵养服务功能价值。相对于水源涵养量的差异比较，水源涵养量重心轨迹能够更为清晰地揭示其时空演变格局[21]。因此，定量描述承德市水源涵养功能重心变化及其影响因素，可为揭示该区域水源涵养功能时空变化特征提供依据。

综上所述，基于InVEST模型和重心迁移模型对承德市近28 a水源涵养功能时空演变格局进行分析，采用情景模拟法量化气候和土地利用/覆被变化对水源涵养功能重心迁移的影响程度，以期为推进承德市生态系统服务研究和京津冀水源涵养功能区规划提供科学支撑。

1 研究区概况

承德市位于河北省东北部(40°12′～42°37′ N，115°54′～119°15′ E)，总面积为3.95104km2。承德市地势由西北向东南倾斜，西北部位于内蒙古坝上高原地区，海拔多在1 200～2 000 m之间。该区季风气候明显，干湿季分明；6—8月为湿季，降水量占全年总降水量的56%～75%，气温由西向东逐渐增高。境内有滦河、潮河、辽河和大凌河4条水系，年均产水量为37.6108m3，是京津唐的重要水源地。研究区植被类型主要包括阔叶林、针叶林、灌丛、稀树灌草丛、高山稀疏植丛、草甸、沼泽和水生植被，土壤类型涵盖红壤、棕壤、褐土和高山土壤4大土壤系列。根据2017年土地利用类型统计，承德市以林地和草地等自然植被为主，其面积占比为76.79%，耕地次之，其面积占比为19.55%(图1)。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

InVEST模型产水模型输入参数包括降水量、潜在蒸散量、土地利用/覆被类型、土壤深度、植被可利用水、生物物理参数[9]和Zhang系数[12]等；水源涵养量的计算所需数据为地形指数、土壤饱和导水率和流速系数。降水数据来源于国家气象信息中心(http:∥data.cma.cn)和国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)，采用ArcGIS 10.0软件对降水量栅格数据进行叠加、裁剪获取；潜在蒸散发量基于气象数据采用modified-Hargreaves公式计算，所需的1990—2017年日最高气温、日最低气温和太阳顶层辐射数据来源于国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn)；1990、1995、2000、2005、2010、2015和2017年7期30 m空间分辨率土地利用/覆被类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http:∥www.resdc.cn)；土壤深度数据来源于世界土壤属性数据库(harmonized world soil database)；植被可利用水采用土壤质地及土壤有机质含量计算得到[22]；生物物理参数表参考InVEST用户指南和文献[13]确定；Zhang系数在结合承德市多年平均产水量的基础上，经过反复校验，确定其值为2.7。地形指数由土壤深度、百分坡度和汇水面积计算获得，所需的DEM数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)；土壤饱和导水率基于世界土壤属性数据库中研究区土壤黏粒、粉粒和粗砂百分比含量，采用Neuro Theta软件计算得出；流速系数根据各期土地利用/覆被情况结合模型参数表[23]获得。为量化土地利用/覆被对水源涵养量的影响，该研究引入土地利用综合指数，其值根据土地利用程度参数设定，采用土地利用综合指数模型[24]计算得到，取值范围为0～100，值越大表示土地利用程度越高，人为因素干扰越强，值越小则反之；净初级生产力(NPP)基于AVHRR遥感影像的土地覆被和植被指数数据产品，采用CASA模型[25]计算获得；归一化植被指数(NDVI)基于连续时间序列的Spot/vegetation Proba-V(http:∥www.vito-eodata.be，分辨率为1 km)遥感数据获取。

图1 2017年承德市区位及土地利用

2.2 研究方法

2.2.1水源涵养功能评估方法

研究区水源涵养功能基于InVEST模型产水模块进行分析和评价。InVEST模型根据水量平衡原理，通过各栅格单元降水量、蒸发量、土壤深度、土壤质地和植被根系深度参数估算产水量，再利用地形指数和土壤基础数据计算得到各子流域水源涵养量及深度。该模型综合考虑不同土地利用/覆被类型的土壤渗透性、地形差异和地表粗糙程度对地表径流的影响，能够较好地表达流域水源涵养量的空间分布状况及其影响水源涵养量的主要因素[13]，其计算公式为

Yxj，

(1)

(2)

式(1)～(2)中，R为水源涵养深度，即单位面积水源涵养量，mm；V为流速系数；I为地形指数(topographic index)；K为土壤饱和导水率，cm·d-1；Yxj为栅格单元x上土地利用类型j的年产水量，mm；Txj为栅格单元x上土地利用类型j的年实际蒸发量，mm；Pxj为栅格单元x上土地利用类型j的年降水量，mm。

2.2.2趋势分析及检验

采用最小二乘法定量计算水源涵养量的时空年际变化量与趋势，分析水源涵养量的时空变化特征，计算公式为

(3)

式(3)中，θslope为水源涵养量年际变化量，为正值时说明变化趋势是增加的，反之则减少；W为对应年序号的水源涵养量；i为年序号。此外，采用Mann-Kendall(M-K)趋势检验法对水源涵养量及其各影响因素进行时空变化趋势检验，旨在明确表达趋势变化的显著性，计算方法为

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Xj和Xk分别为时间序列中第j个和第k个水源涵养深度数值；n为时间序列长度；S为正态分布，其均值为0。统计量Z计算公式为

(6)

式(6)中，Z为正值表示序列呈上升趋势，反之，呈下降趋势；Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。在双边趋势检验中，在给定的置信水平α上，当|Z|≥1.28时，时间序列通过0.1显著性水平检验，呈较显著的变化趋势；|Z|≥1.64时，通过0.05显著性水平检验，呈显著变化趋势；|Z|≥2.32时，通过0.01显著性水平检验，呈极显著变化趋势。

2.2.3重心迁移模型

重心迁移模型广泛应用于水土流失、景观格局演变等空间过程与格局的诸多研究[26-28]，是反映对象在空间演变过程的有效方法。水源涵养深度重心的空间变化特征能够反映水源涵养功能的时空格局变化趋势，其计算公式为

(7)

(8)

(9)

式(9)中，dm为时段m内空间重心移动的距离，m；xt+m和xt分别为t+m和t时的水源涵养功能重心经度坐标；yt+m和yt分别为t+m和t时的水源涵养功能重心纬度坐标。

3 结果与分析

3.1 承德市水源涵养功能时空分布特征

总水源涵养量和水源涵养深度分别表征研究区水源涵养功能总体和空间分布的量化值。1990—2017年承德市多年平均总水源涵养量为33.12108m3·a-1，平均水源涵养深度为83.9 mm，呈现波动变化趋势(图2)，波动幅度达98.9 mm。平均水源涵养深度最大值出现在1990年，为137.1 mm，而最小值出现在2000年，为38.1 mm。2000年之前，承德市全域水源涵养深度均值为96.6 mm，呈下降趋势；2000年之后，水源涵养深度呈波动增长趋势，这与气候变化和研究区大力推行的退耕还林政策密切相关。承德市水源涵养深度在空间分布上整体呈现从西北向东南递增的趋势(图3)，大部分区域水源涵养深度处于100 mm以下。水源涵养深度高值区出现在承德市南部地区，平均值大于200 mm，主要包括滦河流域南部、柳河流域和瀑河流域等地区；低值区则出现在承德市西北部地区，平均值小于50 mm，主要包括丰宁坝上高原和围场坝上高原等地区。各县级行政区划水源涵养总量和水源涵养深度有明显差异(图3)，兴隆县和宽城县水源涵养深度较高，平均值为147.3 mm，涵养量为7.4108m3·a-1，其贡献占比为20.1%；围场县和丰宁县水源涵养深度较小，平均值为77.5 mm，水源涵养量为13.8108m3·a-1，其贡献占比为37.2%。

图2 1990—2017年承德市水源涵养深度变化

3.2 承德市水源涵养功能时空变化特征

如图4所示，承德市水源涵养深度变化范围在-19.9～18.5 mm·a-1，平均变化量为-0.9 mm·a-1，其中，隆化县中部、围场县南部和东部以及丰宁县南部增幅较大，平均增幅达11.2 mm·a-1；围场县中部和北部、滦平县东部以及双滦区西部降幅较大，平均降幅达-13.1 mm·a-1。M-K趋势显著性检验结果(图4)表明，1990—2017年承德市水源涵养功能多年平均变化量较小，北部大部分地区呈现显著减小趋势，而其他地区变化趋势不显著。

如图5所示，近28 a均水源涵养功能重心主要集中于承德市中部及南部，表明承德市东南地区水源涵养功能要高于西北地区。图5表明，2000年水源涵养功能重心较1990年向西北方向迁移，迁移距离为7.79 km，说明该时间段承德市西北部地区水源涵养功能的增量和增速均高于东南部地区；2010年水源涵养功能重心较2000年向东迁移9.02 km，说明该时段承德市东部地区水源涵养功能增量和增速均高于西部地区；2017年水源涵养功能重心较2010年向东南方向迁移14.87 km，说明该时段承德市东南部地区水源涵养功能增量和增速均高于西北部地区。近28 a，承德市水源涵养功能重心呈现西北—东南向波动的迁移状态，总体由西北向东南方向迁移，迁移距离为14.28 km。

图3 承德市平均水源涵养量分布特征

图4 承德市水源涵养深度变化态势时空分布及M-K变化趋势显著性检验

3.3 承德市水源涵养功能影响因素分析

研究[3]表明水源涵养功能时空变化的主要影响因素为气候、土地利用/覆被因子，故选取降水量、潜在蒸散发量、气温、土地利用综合指数、NPP和NDVI这6个因子展开分析。如图6所示，承德市降水量总体呈现减小趋势，潜在蒸散发量、气温、土地利用综合指数和NDVI总体均呈增大趋势，NPP呈现波动变化趋势。如图7所示，降水量显著减小区域集中于丰宁坝上高原、围场坝上高原及隆化县中部；潜在蒸散发、气温显著增加区域集中于承德市西部地区；土地利用综合指数显著增加区域为双滦、双桥两区；NPP显著减小区域位于承德市中部、南部地区，显著增加区域集中于北部地区；NDVI显著减小区域为双滦、双桥两区。

相关性分析结果(表1)表明，在气候因子中，水源涵养功能与降水量呈现明显正相关，而与潜在蒸散和气温相关性不明显。在土地利用/覆被因子中，水源涵养功能与土地利用综合指数呈显著负相关，与NDVI呈显著正相关，而与NPP相关性不明显。城镇化程度提高，使得土地利用综合指数增加，NDVI减小，进而导致枯落物持水量和林冠截留量减小，因此不利于水源涵养功能提升。

3.4 气候要素和土地利用/覆被变化对承德市水源涵养功能重心迁移的影响

为了量化气候要素与土地利用/覆被变化对承德市水源涵养功能重心迁移的影响程度，分别计算气候变化情景和土地利用/覆被变化情景2种情境水源涵养重心迁移距离(表2)。假设各阶段土地利用/覆被方式按前一时期输入，气候要素按实际情况输入，得到气候变化情境重心迁移距离；同理，假设各阶段气候要素按前一时期输入，土地利用/覆被方式按实际情况输入，得到土地利用/覆被变化情境重心迁移距离。基于不同情景重心迁移距离，得到气候要素和土地利用/覆被变化对承德市水源涵养功能重心迁移的贡献率。

图5 1990—2017年承德市水源涵养 功能重心分布及迁移轨迹

图6 1990—2017年承德市水源涵养功能各影响因素距平变化

NPP为净初级生产力,NDVI为归一化植被指数。

表1 承德市水源涵养深度与影响因素的相关性

表2 承德市气候与土地利用/覆被变化对水源涵养功能重心迁移距离的影响

如表2所示，1990—2017年气候和土地利用/覆被变化对承德市水源涵养功能重心迁移的贡献率分别为94.49%和5.51%。3个阶段气候变化对承德市水源涵养功能重心迁移的贡献率均超过90%，是水源涵养功能重心迁移的主导因素。但随着承德市城镇化进程的加快，建筑用地面积占比逐年增加，土地利用/覆被变化对水源涵养功能重心迁移的影响也在逐渐增大。因此，制定城镇化发展方案时要考虑自然生态系统的可持续发展和人类活动的用水需求。

4 讨论

该研究结果表明，气候因素是导致承德市水源涵养功能时空分异的主导因素，但是随着城镇化进程加快，土地利用/覆被因素的影响也在逐渐增大。这与前人研究结果相似，张福平等[11]研究结果表明降水量是制约黑河流域的主要气候因子；柳冬青等[28]研究结果表明白龙江流域水源涵养高值区主要集中于气候湿润区域，低值区则集中于土地利用强度较大区域；窦攀烽等[29]研究结果表明气候变化对宁波地区产水量的贡献率为97.56%，土地利用/覆被变化的贡献率为2.44%。笔者研究中，1990—2017年气候变化对于承德市水源涵养功能重心迁移的贡献率为94.49%，土地利用/覆被变化的贡献率为5.51%，对不同时期的情景模拟结果表明气候变化是水源涵养功能重心迁移的主导因素，但随着承德市城镇化发展，建筑用地面积占比逐年增加，综合土地利用综合指数增加及覆被情况变化，土地利用/覆被变化对水源涵养功能重心迁移的影响也在逐渐增大。气候变化影响了不同生态系统类型的产水量、蒸散作用、下渗过程和持水量；土地利用程度增加意味着城镇生态系统面积占比增加，城镇生态系统地面一般由混凝土、沥青和水泥等物质组成，形成不透水地表，降水到达不透水地表后以径流形式散失，减少了下渗到土壤的水量，难以形成水源涵养。笔者研究结果表明承德市平均水源涵养功能在空间分布上呈现从西北向东南递增的趋势，这种趋势主要是由气候的南北空间分异所致。承德市东南部地区降水量高于西北部地区，而降水量对于水源涵养功能的影响程度大于潜在蒸散发量[30]。根据水量平衡原理，东南部水量净收入大于西北部，导致承德市水源涵养功能南北差异的空间格局。近28 a承德市水源涵养功能呈现先减小后增加的波动变化趋势，水源涵养功能在2002年之后有所回升，这与该区域大力推行退耕还林政策的密切相关，NDVI与水源涵养功能呈显著正相关[28]，而退耕还林政策的实施使承德市部分地区土地利用程度下降，林、草地面积占比增加，从而在一定程度上提升了水源涵养功能。

该研究采用InVEST模型产水量模块对承德市水源涵功能进行定量评估，受资料收集限制，以2000、2005、2010、2015和2017年承德市水资源公报数据对模型计算得到的产水量进行验证，结果显示各年份模拟结果与实测数据相对误差均小于15%，其中，2017年误差仅为3.78%，表明模型计算结果具有较好的模拟精度。但模型自身局限性和数据精度等因素会影响计算结果准确性，InVEST模型在计算产水量时未考虑土壤深层含水量、人为地下水开采和地貌等因素的影响；由于模拟结果为以年为单位的产水量平均值，模型难以在较小时间尺度上精准计算产水量；InVEST模型中Zhang系数的选取在很大程度上会影响模型计算结果，该研究通过反复校验取Zhang系数为2.7，并通过了模型验证，表明模拟结果与实际情况较为符合，但该值精度的进一步提升还需结合大量实测数据进行修正和验证。

5 结论

(1)1990—2017年承德市多年平均水源涵养总量为33.12108m3·a-1，平均水源涵养深度为83.9 mm，在时间上呈现先减小后增加的波动变化趋势；在空间分布上总体上呈现从西北向东南递增的趋势。

(2)在水源涵养功能重心迁移方面，2000年水源涵养功能重心较1990年向西北方向迁移7.79 km，2010年较2000年向东迁移9.02 km，2017年较2010年向东南方向迁移14.87 km。近28 a承德市水源涵养功能重心呈现西北—东南向波动的迁移状态，总体由西北向东南方向迁移，迁移距离为14.28 km。

(3)水源涵养功能与降水量、NDVI呈显著正相关(P<0.05)，与土地利用综合指数呈显著负相关(P<0.05)，而与潜在蒸散发、气温和NPP相关性不显著。

(4)情景模拟法计算结果表明，1990—2017年气候和土地利用/覆被变化对承德市水源涵养功能重心迁移的贡献率分别为94.49%和5.51%，气候变化是水源涵养功能重心迁移的主导因素，土地利用/覆被变化对水源涵养功能重心迁移的影响逐渐增大。