南方丘陵山地帶水源涵養(yǎng)功能變化特征

張海波，張明陽(yáng)，王克林，秦建新 ，符 靜

隨著水資源需求量的不斷增加以及水環(huán)境的急劇惡化，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)作用已引起高度重視[1]。雖然一些人為工程在一定程度上能緩解水資源短缺的危機(jī)，但隨之而來(lái)的卻是各種環(huán)境問題。自然生態(tài)系統(tǒng)中森林、灌叢和草地等有著巨大的水源涵養(yǎng)功能，具有“天然綠色水庫(kù)”的美譽(yù)，并且能通過(guò)植被冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合作用來(lái)緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水和調(diào)節(jié)和流量[2]，而濕地更是區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定器和調(diào)節(jié)器，對(duì)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著重要意義[3]。因此，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的分析對(duì)了解地區(qū)水資源利用效益及生態(tài)環(huán)境具有重大的意義。目前評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)功能的方法主要有區(qū)域水量平衡法[4]、土壤蓄水法[5]、地下徑流增長(zhǎng)法[6]和降雨儲(chǔ)存量法[7]，同時(shí)一些學(xué)者采用InVEST模型進(jìn)行定量評(píng)估[8-10]，也有一些學(xué)者利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)合景觀格局變化來(lái)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化特征[11]。然而，當(dāng)前相關(guān)的研究多注重單一時(shí)相定量評(píng)估，對(duì)多時(shí)相動(dòng)態(tài)變化分析略顯不足。

南方丘陵山地帶作為我國(guó)主體生態(tài)功能區(qū)劃中“兩屏三帶”國(guó)家生態(tài)安全格局的重要組成部分，位于長(zhǎng)江流域與珠江流域的分水嶺及源頭區(qū)，主要為加強(qiáng)植被修復(fù)和水土流失防治，從而發(fā)揮華南和西南地區(qū)生態(tài)安全屏障作用，但目前涉及本區(qū)域的相關(guān)研究還十分匱乏[12]。因此，研究其十年（2000-2010年）間生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其變化特征，對(duì)了解其生態(tài)安全屏障的作用發(fā)揮與否以及生態(tài)環(huán)境工程的效益具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文在遙感（Remote Sensor,RS）與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System,GIS）的支持下，以2000、2005和2010年三期生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用降水貯存量法，替代工程法及轉(zhuǎn)移矩陣的方法，對(duì)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其變化特征進(jìn)行分析，獲得水源涵養(yǎng)功能變化的基本特征及變化的方向，以期為該區(qū)將生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)估提供科學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于 102.5°-116.9°E，22.4°-26.7°N（圖 1），涉及云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西六省共114個(gè)縣/區(qū)，總面積28.85萬(wàn)km2。地貌類型復(fù)雜多樣，平原臺(tái)地、丘陵、低山、中山和高山兼有，其中以丘陵為主（13.43萬(wàn)km2，面積比例45.26%）。坡地以緩坡和斜坡為主（面積比例分別為36.10%和29.65%）。地勢(shì)西高東低，北高南低，海拔為-25 m-3040 m。河流眾多，河網(wǎng)密度大，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫在14-22℃之間，年降水量為1300-1610 mm，降雨分布不均勻，呈由東部、東南部向西部、西北部減少的趨勢(shì)。土壤類型以黃壤、紅壤、赤紅壤和磚紅壤為主，另有少量石灰土、紫色土水稻土和潮土[13]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

以2000年、2005年、2010年的遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所），經(jīng)幾何校正、影像融合、遙感解譯等數(shù)據(jù)處理，最終將地表分為森林、農(nóng)田、草地、灌叢、濕地、人工表面和稀疏地7種生態(tài)系統(tǒng)類型，其中人工表面和稀疏地不參與計(jì)算；年平均降雨數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

1.3 計(jì)算與分析方法

1.3.1 水源涵養(yǎng)量 水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量估算采用降水貯存量法[14],即用生態(tài)系統(tǒng)的截留降雨和蓄水效應(yīng)來(lái)衡量其涵養(yǎng)水分的功能，生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能可理解為，相對(duì)于裸地降水過(guò)程中產(chǎn)流的減少，即僅在降雨強(qiáng)度大于產(chǎn)流降雨時(shí)，其水源涵養(yǎng)功能才得以發(fā)揮[15]。計(jì)算公式如下：

式中：Q為與裸地相比較，森林、草地、濕地、耕地、灌叢等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(mm/hm2·a)；為生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)（表 1）；J為區(qū)內(nèi)多年均產(chǎn)流降雨量（P>20 mm）(mm)；Jo為區(qū)內(nèi)多年均降雨總量 (1601.74 mm)；K為區(qū)內(nèi)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例(秦嶺-淮河以北取0.4，以南取0.6)；R為生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù)；Ro為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

1.3.2 水源涵養(yǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值 采用替代工程法對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量?jī)r(jià)值化，公式為[16]：

表1 研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)面積

式中：Vw為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的價(jià)值，Vw(x)為象元處涵養(yǎng)水源的價(jià)值，Q(x)為象元x處水源涵養(yǎng)量，Pw(x)為建成單位庫(kù)容的成本，我國(guó)1 m3庫(kù)容的成本為0.67元。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能分級(jí) 將生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估單元?jiǎng)澐譃楦撸?.8-1.0）、較高（0.6-0.8）、中（0.4-0.6）、較低（0.2-0.4）、低（0-0.2）五個(gè)等級(jí)。

式中：SSC表示標(biāo)準(zhǔn)化之后的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能值；SCx表示各評(píng)價(jià)單元（此處為柵格）生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量；SCmax和SCmin表示生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的最大值和最小值。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能變化 本文借助轉(zhuǎn)移矩陣分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能變化的結(jié)構(gòu)特征以及各級(jí)別水源涵養(yǎng)功能變化的方向，根據(jù)地圖代數(shù)原理，對(duì)任意兩期水源涵養(yǎng)功能等級(jí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算公式如下：

該公式使用范圍類型小于10種，式中Ci×j為k時(shí)期到k+1時(shí)期水源涵養(yǎng)功能等級(jí)變化數(shù)據(jù)為 k時(shí)期水源涵養(yǎng)功能等級(jí)數(shù)據(jù)，為k+1時(shí)期水源涵養(yǎng)功能等級(jí)數(shù)據(jù)，i和j分別表示不同的水源涵養(yǎng)等級(jí)[17-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能

研究區(qū)2000、2005和2010年水源涵養(yǎng)量空間分布大致呈現(xiàn)東高西低、東南高西北低的空間分布特征（圖2）。十年間水源涵養(yǎng)總量上升了1.61×108m3，經(jīng)濟(jì)價(jià)值上升了1.08×108元，三個(gè)年份水源涵養(yǎng)總量分別為856.40×107m3、864.96×107m3和872.47×107m3，水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為57.38×108元、57.95×108元和 58.46×108元（見表2）。不同生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量排序都是森林>農(nóng)田>灌叢>草地>濕地，其中森林水源涵養(yǎng)量比重大（三個(gè)年份分別69.17%、69.51%、69.91%），濕地生態(tài)系統(tǒng)由于面積比例?。?.19%、1.20%和1.24%）而水源涵養(yǎng)總量少（僅占3.84%、3.71%和3.66%）。不同生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)總量變化趨勢(shì)不盡相同，其中森林和草地生態(tài)系統(tǒng)呈上升趨勢(shì)，濕地、農(nóng)田和灌叢生態(tài)系統(tǒng)不同程度下降。

不同生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力除灌叢無(wú)明顯變化外，其余都發(fā)生了不同程度的變化，其中森林和草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力持續(xù)上升，濕地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力呈下降趨勢(shì)，十年間，各生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力大小排序?yàn)椋簼竦?森林>草地>灌叢>農(nóng)田（表2）。

圖2 研究區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布圖

表2 研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量

2.2 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能分級(jí)

研究區(qū)生態(tài)類型水源涵養(yǎng)功能高級(jí)別以濕地生態(tài)系統(tǒng)為主（表3），占全區(qū)總面積的比例較小，三個(gè)年份分別為1.18%、1.19%和1.23%，這主要是由于濕地生態(tài)系統(tǒng)所占的面積最?。?1.3%）導(dǎo)致；水源涵養(yǎng)功能在較高級(jí)別的生態(tài)系統(tǒng)以森林生態(tài)系統(tǒng)中的常綠闊葉林及濕地生態(tài)系統(tǒng)中的灌叢沼澤和草本沼澤為主，三者之和面積比例在三個(gè)年份分別為24.86%、24.92%和24.95%（表4）；水源涵養(yǎng)功能在中級(jí)別的生態(tài)系統(tǒng)主要有森林生態(tài)系統(tǒng)中的落葉闊葉林、常綠針葉林和針闊混交林以及草地生態(tài)系統(tǒng)，其區(qū)內(nèi)分布范圍廣泛；水源涵養(yǎng)功能在較低級(jí)別的生態(tài)系統(tǒng)以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，三個(gè)年份占全區(qū)總面積的比例分別為22.17%、21.89%和21.76%；低級(jí)別的生態(tài)系統(tǒng)分布較零散，其面積占全區(qū)總面積的比例較小，主要包括居住地、工業(yè)用地、交通用地、裸土等硬質(zhì)地面或植被稀少的地貌。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能變化

2000-2005年和2005-2010年這兩個(gè)時(shí)段中，水源涵養(yǎng)功能高等級(jí)轉(zhuǎn)換成較低等級(jí)的面積分別為87.22 km2和202.49 km2，轉(zhuǎn)換比率分別為2.6%和5.8%，轉(zhuǎn)換成低等級(jí)的面積分別為10.09 km2和25.30 km2，轉(zhuǎn)換比率分別為0.3%和0.7%。表明，受人類活動(dòng)的影響濕地生態(tài)系統(tǒng)有部分面積被轉(zhuǎn)換成了耕地和人工表面，且這種現(xiàn)象有持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

表3 研究區(qū)生態(tài)類型水源涵養(yǎng)量標(biāo)準(zhǔn)化值

表4 研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能各等級(jí)面積及其比例

兩個(gè)時(shí)段中低等級(jí)的水源涵養(yǎng)功能大量轉(zhuǎn)換成較低和較高等級(jí)（占其自身轉(zhuǎn)出率的63.13%和59.18%），其中轉(zhuǎn)換成較低等級(jí)的面積分別為79.60 km2和181.26 km2，轉(zhuǎn)換成較高等級(jí)的面積分別為106.66 km2和201.96 km2。有可能是部分裸土地被開發(fā)成耕地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而稀疏地的植被逐漸成長(zhǎng)，使得原本水源涵養(yǎng)功能低的稀疏地轉(zhuǎn)換成涵養(yǎng)功能較高的林地。受國(guó)家退耕還林，還草的政策影響，研究區(qū)部分農(nóng)田轉(zhuǎn)換成林地或草地。較低等級(jí)轉(zhuǎn)換成中等級(jí)的面積分別為2738.46 km2和1974.65 km2，轉(zhuǎn)換成較高等級(jí)的面積分別為1063.73km2和698.44km2，占自身轉(zhuǎn)出率的84.68%和79.82%。

從2000-2010總體上看，十年間，研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能的變化方向主要是向中和較高等級(jí)轉(zhuǎn)移，且各生態(tài)系統(tǒng)以向森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為主。除自身轉(zhuǎn)移的面積（分別為123272.87 km2和69715.72 km2）外，轉(zhuǎn)入的面積分別為8356.23 km2和 5829.38 km2。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

南方丘陵山地帶是“兩屏三帶”中的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境的好壞，直接影響著華南和西南地區(qū)的生態(tài)安全。本文分析結(jié)果一定程度表明，國(guó)家實(shí)施退耕還林、還草等生態(tài)工程取得了重大的效益。區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力整體得到了提升，生態(tài)環(huán)境得到了進(jìn)一步改善。但須指出的是區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)功能變化依然存在由高往低轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，有些生態(tài)系統(tǒng)如濕地生態(tài)系統(tǒng)仍然沒有得到有力的保護(hù)。

有效分析區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是建立長(zhǎng)效生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的基礎(chǔ)，可為進(jìn)一步生態(tài)建設(shè)提供保障。上世紀(jì)九十年代起，國(guó)家在云南、貴州、廣西和廣東開展了長(zhǎng)江、珠江流域防護(hù)林體系，1999年，區(qū)內(nèi)廣西、云南、貴州作為西部省份納入退耕還林工程建設(shè)范圍，2001年湖南和江西作為中部省份納入退耕還林工程范圍[20]。這一系列措施直接影響土地利用方式及土地覆被結(jié)構(gòu)變化。本文對(duì)水源涵養(yǎng)功能的變化方向進(jìn)行分析，一方面反映了水源涵養(yǎng)功能變化的趨勢(shì)，另一方面也初步反映了土地覆被類型間的轉(zhuǎn)換對(duì)水源涵養(yǎng)功能變化的影響。但文中涉及的生態(tài)系統(tǒng)類型較多，只能粗略對(duì)其說(shuō)明，在以后的研究中，可進(jìn)一步結(jié)合土地覆被類型的轉(zhuǎn)換分析其對(duì)水源涵養(yǎng)能力的影響強(qiáng)度，為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提供參考。

表5 不同級(jí)別水源涵養(yǎng)功能生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

不同生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力與總量是不相同的，從而它們對(duì)整個(gè)區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的貢獻(xiàn)率也有所區(qū)別。本文研究表明，研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量大小排序?yàn)樯?農(nóng)田>灌叢>草地>濕地，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力大小排序?yàn)椋簼竦?森林>草地>灌叢>農(nóng)田。雖然生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量大小與其涵養(yǎng)能力大小并無(wú)緊密關(guān)系，但森林生態(tài)系統(tǒng)依然是水源涵養(yǎng)功能的主要貢獻(xiàn)者（69.17%、69.51%、69.91%），因此森林生態(tài)系統(tǒng)仍是重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量估算的方法不盡相同，用不同方法估算的結(jié)果存在一定差異。本研究采用降水貯存量法對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量進(jìn)行估算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)水源涵養(yǎng)功能變化特征進(jìn)行分析。該方法所需數(shù)據(jù)容易獲取，計(jì)算過(guò)程也較簡(jiǎn)單，從分析結(jié)果來(lái)看，能有效的反映區(qū)域水源涵養(yǎng)功能變化特征，但由于沒有考慮到不同生態(tài)系統(tǒng)對(duì)此方法的限制性因素，一定程度上影響了物質(zhì)量估算結(jié)果的精度。因此今后可針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)采用多種方法進(jìn)行計(jì)算，以便更好的研究水源涵養(yǎng)功能及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2 結(jié)論

本文通過(guò)分析得到以下主要結(jié)論：2000-2010年間，研究區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布呈現(xiàn)東高西低、東南高西北低的特征，與降雨變化趨勢(shì)基本一致。其水源涵養(yǎng)總量呈上升趨勢(shì)，十年間總量上升了1.61×108m3，其上升的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1.08×108元。水源涵養(yǎng)功能主要集中在較高、中和較低等級(jí)，三者總面積比例三個(gè)年份分別為97.19%、97.00%和96.87%，水源涵養(yǎng)功能的變化方向主要是向中和較高等級(jí)轉(zhuǎn)移，整體呈現(xiàn)由低往高的變化特征。

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