基于InVEST 模型的迪庆州水源涵养量时空演变分析

张雨果,魏晓燕,寇卫利*，张永林

（1.西南林业大学,云南 昆明 650224；2.云南省测绘资料档案馆（云南省基础地理信息中心），云南 昆明 650034）

引言

生态系统服务作为生态系统向人类提供生存、发展的基本自然环境条件与效用，人类可持续发展的资源皆来源于生态系统[1]，水源涵养在各项生态系统服务中处于重要的中心地位，对其他生态服务功能都会产生巨大影响。国际上，诸多研究人员基于InVEST 模型对不同气象条件、不同地区、不同土地利用类型的生态系统水源涵养功能量进行估算和可用性验证方面获得了许多成功的应用研究[2-5]，如韩国森林生态系统水源涵养功能量估测、尼罗河流域盆地的不同部分的产水能力分析、在人口增长剧烈万隆市的水源涵养功能量评估以及其在英国的可用性研究。在国内，也有许多学者基于许多国外的研究成果，对InVEST 模型也进行了许多应用研究，如陕北黄土高原10 年间的水源涵养功能量、15 年间江苏的水源涵养量及其主要影响因素、岷江上游水源涵养功能量以及价值以及20 年间黄河流域产水量时空变化格局。基于此，本研究利用InVEST 模型，以位于青藏高原和云贵高原过渡地区的迪庆州为研究对象，估算其水源涵养功能量，并且分析讨论气候变化、土地利用类型变化对水源涵养功能量的影响，为保护我国西南地区高原水资源安全提供建议。

1 研究区概况

迪庆州位于云南西北部（97°31′～106°11′E,21°8′～29°15′N），下辖维西县、德钦县和香格里拉市，是藏、川、滇三省结合处，作为青藏高原向云贵高原的过渡带，地形地貌极为特殊，包含两大高原地形特征；其高程范围在1 413～6 633 m 之间，地势呈北高南低，海拔高差达5 220 m，气候条件差异显著，降水量分布极度不均；研究区是一个典型的高原生态敏感脆弱区，其土地利用类型呈垂直方向分布，由高海拔至低海拔依次为未利用地、草地、森林、农田、水域、建设用地；澜沧江、金沙江等多条亚洲重要河流流经该地区，迪庆州是长江上游水资源安全的重要生态保护屏障。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究数据主要包括2000-2018 年的土地利用/土地覆盖、降水量、潜在蒸散量。具体原始数据和数据来源见表1，坐标系统一设置为CGCS2000 投影坐标系，并对原始数据镜像统一重采样为30 m。

表1 数据类型及数据来源

2.2 研究方法

2.2.1 InVEST 模型

InVEST 模型由斯坦福大学、大自然保护协会（TNC，The Nature Conservancy） 与世界自然基金会（WWF，World Wide Fund for Nature）在2007 年联合开发。通过地形系数、土壤饱和导水率以及流速系数对产水量进行修正获得水源涵养量，计算方法如式（1）-（2）所示。

式中：WR 为研究区的水源涵养功能量（mm），K 为土壤饱和导水率（mm/d），利用Neuro Theta 软件计算获得；Velocity 为流速系数；TI 为地形指数。具体计算公式（2），其中Drainage_Area 为研究区栅格数量，无量纲；Soli_Depth 为土壤深度（mm）；Percent_Slope 为百分比坡度；Y(x)为利用InVEST 模型Water Yield模块计算的产水量结果。

2.2.2 土地利用类型转移矩阵

土地利用类型转移矩阵是一种研究分析土地利用转出面积和转入面积的系统分析学方法，能够对特定时间内土地利用类型转变方向和程度进行描述，表达式见式（3）

式中：M 为土地面积；n 为土地利用类型数量；a，b 分别为研究周期内开始和结束的土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 水源涵养时空分布特征

通过对InVEST 模型所获得的产水量结果进行修正得到研究区内2000-2018 年水源涵养功能量，2000年平均水源涵养深度和年度涵养量为120.69 mm、26.70×109m3，2005 年平均水源涵养深度和年度涵养量为88.28 mm、19.60×109m3，2010 年平均水源涵养深度和年度涵养量为101.8 mm、22.54×109m3，2015年平均水源涵养深度和年度涵养量为59.98 mm、13.28×109m3，2018 年平均水源涵养深度和年度涵养量为85.48 mm、18.93×109m3。迪庆州近20 年来，年平均水源涵养深度和年度涵养总量波动幅大较大，结果显示波动幅度分别为-26.59%、14.97%、-41.06%、42.52%，总体而言该地区年度涵养总量呈下降趋势。

如图1 所示迪庆州水源涵养的空间分布情况，可明显看到水源涵养功能量的空间分布格局差异较大，水源涵养深度较高的单元格主要集中分布于西南部海拔相对较低的澜沧江峡谷，北部、东北部则以水源涵养深度较低的栅格单元为主。这就导致研究区水源涵养深度空间格局呈现出自西南向东北逐渐降低分布特点，并且这种空间分布格局在不同的年份都具有较好的一致性。

图1 迪庆州水源涵养深度空间分布

3.2 气象因素对水源涵养量的影响

由于InVEST 模型评估的产水深度的方法实质上是每个栅格单元的年均降水量与实际蒸散量的差值，产水量通过修正后获得水源涵养量，这就使气象因素对水源涵养功能量的影响较大。研究区内2000-2018 年间年降水量与水源涵养深度类似，具体表现为西南高、东北低的趋势，总体而言呈下降趋势。以2000 年为基准，澜沧江流域降水量为整个研究区最高。2000-2005 降水量相对下降10.88%，2005-2010 降水量相对增加6.39%，2010-2015 降水量相对下降17.02%，2015-2018 降水量相对增长11.2%，虽然近20 年以来迪庆州降水量波动幅度较大，但是整体的空间分布格局特性变化不大。

近20 年间研究区受到多种因素的影响下年蒸散量不断变化，总体而言呈上升趋势。以2000 年为基准年蒸散量较高栅格单元主要集中城镇、河流附近，伴随着时间的发展，2000-2005 年研究区内平均蒸散量相对增加22.7%，其中大型流域和人口较多的城镇增加尤其明显；2005-2010 蒸发量相对减少3.58%，空间分布格局变化相对前一期并不明显；2010-2015 蒸发量相对增加26.65%，达到了五期数据的峰值，整个澜沧江流域都出现了明显增加；2015-2018 蒸发量相对减少18.7%，恢复到了相较于2005 年更低水平。

3.3 不同土地利用类型的水源涵养能力

本研究参考刘纪远将中国土地利用类型分为6个大类，也将迪庆州的土地利用类型分为6 个大类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。

由于土地利用类型的不同，导致土壤含水量、凋落物持水能力、蒸发能力及冠层截留水量均存在差异，所以不同土地利用类型水源涵养能力不同。表2 分别统计了迪庆州不同土地利用类型下水源涵养深度的差异，2000-2018 年水源涵养平均深度由高到低依次为林地、草地、耕地、未利用地、建设用地、水域。迪庆州属于湿润区，该地区的森林受到气候变化较为敏感，林地主要由乔木、灌木组成，根系较深，能在降雨量较大的季节更好地涵养土壤中的水源，减少地表径流。草地作为研究区内面积仅次于林地的土地覆盖类型，在降水量较低的年份凭借其自身特性能够减少水分的蒸发；耕地的水源涵养深度属于较高水平，但是耕地的水源涵养深度相较于其余土地利用类型受人为因素变化程度较大。

表2 迪庆州不同土地利用类型平均水源涵养深度（单位mm）

根据表3 所示研究区内林地的面积最大，其次为草地、未利用地、耕地、水域、建设用地。其中林地、草地、水域和建设面积均有不同程度地增加，而耕地和未利用地却出现了不同程度的减少。城市周围的部分耕地逐渐转换为建设用地，其中离城市距离较近的耕地逐渐转化为建设用地，部分耕地则通过退耕还林工程转化为林地，这种转变在香格里拉市区最明显。其中高质量林地成为林地面积增长的主要动力，而疏林地面积却大幅度减少。研究区内部分高山积雪融化之后，裸露出的土地发展成为草甸，随着时间的推移，草甸演变为灌木，这也导致灌木林、草地的面积不同程度地增加。总体而言，迪庆州土地利用类型逐步有利于增加水源涵养功能量方向发展，但由于受气象条件的限制并未出现水源涵养逐年递增的趋势。

表3 迪庆州土地利用变化矩阵

4 结论

本研究定量评价了迪庆州2000-2018 年生态系统的水源涵养能力，得到以下结论：（1） 在空间角度来看，研究区内水源涵养功能与降水量分布格局相似，均呈现出西南部向东北部逐渐递减趋势。（2） 从时间角度来看，迪庆州水源涵养量处于连续波动的状态，其波动状态与降水量的变化情况类似。（3） 从土地利用类型因素角度来看，该地区平均水源涵养深度具体表现为林地＞草地＞耕地＞未利用地＞水域＞建设用地。（4） 从2000 年～2018 年的土地利用转移类型来看，研究区土地利用类型向有利增强水源涵养的方向发展，但是受到降水因素的影响研究区水源涵养能力并未出现持续增强的态势。