石羊河流域水源涵養(yǎng)功能定量評估及空間差異

王玉純,趙 軍,付杰文,魏 偉

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730000

隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的迅速發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能受到越來越多的關(guān)注,并成為國內(nèi)外研究的熱點之一[1- 3]。水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)服務(wù)功能之一,是生態(tài)系統(tǒng)在一定的時空范圍和條件下,將水分保持在系統(tǒng)內(nèi)的過程和能力,在多種因素的作用下(如生態(tài)系統(tǒng)類型、地形、海拔、土壤、氣象等)具有復(fù)雜性和動態(tài)性特征[4]。生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)涵隨著人們對生態(tài)系統(tǒng)與水關(guān)系認(rèn)識的不斷深入而變化[5]。從早期對水源涵養(yǎng)功能的研究單指生態(tài)系統(tǒng)對河流水量的影響,到現(xiàn)在全面的理解水源涵養(yǎng)功能的各種表現(xiàn)形式,包括生態(tài)系統(tǒng)的攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、影響降雨量、凈化水質(zhì)等,人們越來越認(rèn)識到生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的重要性。

國內(nèi)外學(xué)者均對流域產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了廣泛的研究,但是研究的側(cè)重點各不相同。國內(nèi)學(xué)者主要是根據(jù)研究需求,通過不同的計算方法對流域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其時空變化進(jìn)行研究,如丁程鋒等[6]利用InVEST模型,結(jié)合氣候、土壤、地形等因素,通過假設(shè)云杉分布的不同情景,對烏魯木齊河流域水源涵養(yǎng)功進(jìn)行了定量評估和分析；劉璐璐等[7]根據(jù)綜合蓄水能力法,結(jié)合森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),分析了南北盤江流域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其時空分布格局；而國外學(xué)者則更注重研究影響流域產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)功能的水文、氣候要素,如Pessacg等[8]研究了降水因子的不確定性對位于干旱地區(qū)的阿根廷丘布特河流域產(chǎn)水量的影響；Marquèsa等[9]運用InVEST模型對西班牙東北部的Francolí流域產(chǎn)水量進(jìn)行了評估,并分析了氣候及降水模式的變化對該區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所產(chǎn)生的影響。

石羊河流域位于我國西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱地帶,而水資源是制約該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)安全的關(guān)鍵因素[10],其亦是退耕還林還草較早實施的區(qū)域。因此,研究該流域在土地利用變化情境下水源涵養(yǎng)功能和空間差異,對區(qū)域水土保持治理、合理配置水資源、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)管理和保護(hù)、科學(xué)實施退耕還林還草工程具有重要的現(xiàn)實意義。

許多專家和學(xué)者對石羊河流域的水資源問題已進(jìn)行了一些的研究,但大多數(shù)都是進(jìn)行定性分析[11- 13]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型可以評價當(dāng)前狀態(tài)和未來情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量和價值[14],能夠基于不同情景(如在不同土地覆被情景下)定量評估流域尺度產(chǎn)水量以及水源涵養(yǎng)功能[15- 16],近年來,已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于流域水源涵養(yǎng)評估中,但該模型還需要有針對性的改進(jìn)和完善,才能使其更適用于特定研究區(qū)域[17]。流域尺度水源涵養(yǎng)功能研究目前多集中于森林植被[18- 20],但流域生態(tài)系統(tǒng)植被類型并不僅僅是單一的森林植被,草地、耕地等地類都是流域的重要組成部分,對流域產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)功能都產(chǎn)生著重要影響[21]。故本文運用InVEST模型,定量評估石羊河流域產(chǎn)水量、水源涵養(yǎng)量及各地類水源涵養(yǎng)能力,分析其空間差異及原因,通過對模型相關(guān)參數(shù)的本地化修正來增強模型的區(qū)域適用性,并進(jìn)行水源涵養(yǎng)重要性空間分級,模擬不同退耕情景下石羊河流域產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量,同時通過情景模擬后結(jié)果的差異,基于最小模糊度法,確定合理退耕還林還草空間分布模式,以期為石羊河流域退耕還林還草工程、水資源保護(hù)和合理利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于西北干旱區(qū)東端,河西走廊東部,祁連山北麓,介于101°22′—104°16′E、36°29′—39°27′N間,流域面積4.16萬km2(圖1)。石羊河起源于南部祁連山,消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的民勤盆地北部,主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河這8條河流組成,多年平均徑流量15.75×108m3,產(chǎn)流面積1.1×104km2。多年平均降水量222 mm,人均水資源量約700 m3,耕地畝均水資源量約250 m3,屬典型的資源型缺水地區(qū)。石羊河流域內(nèi)地貌類型復(fù)雜,水熱資源的分布不均。石羊河流域是我國內(nèi)陸河流域中人口最密集、水土資源開發(fā)利用程度最高的流域之一,也是構(gòu)建國家生態(tài)保護(hù)屏障的重要地段[22]。由于特殊的自然地理條件和不合理的人類活動致使石羊河流域出現(xiàn)了地下水天然補給量少、區(qū)域性地下水位下降、土地沙化、鹽漬化加重、植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[23- 25]。

圖1 石羊河流域位置及氣象站點分布圖Fig.1 Location of Shiyang River Basin and meteorological station distribution

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所需的主要數(shù)據(jù)有：研究區(qū)2015年土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、2005—2015年氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等,具體數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理見表1。

表1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

2.2 研究方法

2.2.1 產(chǎn)水量模擬

InVEST產(chǎn)水量模塊是基于水量平衡原理,用各柵格的降水量減去實際蒸散發(fā)后的水量,進(jìn)而得到該柵格產(chǎn)水量。具體計算公式如下：

(1)

式中,Yx,j為j類土地利用/覆被類型、柵格x的產(chǎn)水量；AETx,j為j類土地利用/覆被類型、柵格x的年實際蒸散量；Px為柵格x中的年降水量。是布德科曲線(Budyko curve)的近似值,其計算公式如下[26]：

(2)

式中,Rx,j是土地利用/覆被類型j、柵格x處的布德科干燥度指數(shù),它是潛在蒸散與降水量的比值。ωx是改進(jìn)的、無量綱的植被可利用水量與年預(yù)期降水量；用于描述自然的氣候-土壤屬性的非物理參數(shù)。其計算方法如下：

(3)

式中,AWCx是植被可利用的體積含水量(單位mm),其值由土壤質(zhì)地和有效土壤深度決定。Zhang系數(shù)是表征降雨分布和深度的季節(jié)性參數(shù),其取值范圍在1—10之間,對于夏季降雨為主的季風(fēng)區(qū)流域Zhang系數(shù)接近于1[16]。

布德科干燥度指數(shù)Rx,j的計算公式如下：

(4)

式中,ETox是柵格x內(nèi)的潛在蒸散量,kx,j表示植被的蒸散系數(shù)。

2.2.2 水源涵養(yǎng)計算

用InVEST模型計算產(chǎn)水量之后,根據(jù)DEM計算地形指數(shù)D,考慮不同土壤的滲透性、不同土地利用類型地表徑流流速系數(shù)的影響,再計算水源涵養(yǎng)量,計算公式如下：

WR=min1,249/V×min1,0.9×D/3×min1,Ksoil/300×Y

(5)

式中,WR為多年平均水源涵養(yǎng)量(mm)；D為地形指數(shù),無量綱；Ksoil為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；V為流速系數(shù),Y為產(chǎn)水量。

(6)

式中,Watershed pixel count為集水區(qū)柵格數(shù)量,無量綱；Soil depth為土壤深度(mm)；Percent slope為百分比坡度。

2.2.3 輸入?yún)?shù)及本地化處理

模型需要輸入的參數(shù)(圖2)及本地化處理過程如(表2)所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量空間格局分析

由InVEST模型產(chǎn)水量公式(1),計算出石羊河流域及上游8條子流域的產(chǎn)水深度和產(chǎn)水量總值(圖4)。結(jié)果表明：研究區(qū)單元平均產(chǎn)水深度值為60.90 mm/a,產(chǎn)水總量為24.71×108m3/a。

研究區(qū)單元產(chǎn)水深度分布具有明顯的空間差異性,與降水量南多北少的分布情況一致(圖2),與蒸散量南低北高的分布情況相反,總體呈現(xiàn)出南高北低的趨勢,出現(xiàn)這種空間分布格局主要是由于垂直地帶分異因素造成的,南部是石羊河流域上游區(qū)域,位于祁連山北部,主要是山地地貌,屬山區(qū)河流,平均海拔3000 m左右,植被以森林、草地為主,單元平均降水量達(dá)251.50 mm,比全流域平均值高44.18 mm,單元平均實際蒸散量為119 mm,比全流域平均實值低26 mm；上游8條子流域單元平均產(chǎn)水深度分別為黃羊河127.56 mm、雜木河126.51 mm、大靖河123.58 mm、金塔河121.42 mm、古浪河109.08 mm、西營河105.03 mm、東大河99.94 mm、西大河92.16 mm。位于中部和北部的石羊河流域中下游地區(qū),海拔較低,植被以耕地為主,平均降雨量為175.63 mm,比全流域平均值低31.76 mm,單元平均實際蒸散量為176 mm,比全流域平均實值高31 mm；與研究區(qū)南部相比,中部及北部降水量偏小、蒸發(fā)量偏高,故產(chǎn)水量相對較小。

圖2 水源涵養(yǎng)模型空間參數(shù)Fig.2 Spatial parameters of water conservation model

所需參數(shù)Parameters本地化處理Localization processing降水量Precipitation2005—2015年石羊河流域及周邊共60個氣象站點月降水量數(shù)據(jù),用ANUSPLIN模型進(jìn)行空間插值,得到降水量空間柵格數(shù)據(jù),用交叉驗證法對插值進(jìn)行精度校正,信號自由度為10.6小于站點數(shù)的1/2 [27]潛在蒸散量Potential evapotranspiration2005—2015年石羊河流域及周邊共60個氣象站點的日最高溫、最低溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、平均相對濕度、日照時數(shù)、采用經(jīng)過參數(shù)校正的Penman-Monteith公式計算[28-29],然后再通過ANUSPLIN模型進(jìn)行空間插值處理,信號自由度為9.4小于站點數(shù)的1/2[30]植物可利用含水量Available water content of plants基于土壤普查數(shù)據(jù),土壤質(zhì)地組成與分類表。植物可利用含水量為田間持水量和永久萎蔫系數(shù)兩者之間的差值。分別由經(jīng)驗公式計算[31]Zhang系數(shù)Zhang value基期的降水徑流關(guān)系得到年平均自然徑流量,與多年平均(2005—2015年)自然徑流量,經(jīng)過反復(fù)校驗得出[32]。遵循數(shù)值最接近自然徑流量的原則[16]。估算Zhang系數(shù)為2.1(圖3)地形指數(shù)Topographic index根據(jù)土壤深度、百分坡度和匯水面積計算獲得土壤飽和導(dǎo)水率Saturated hydraulic conductivity of soil基于實地土壤粘粒、粉粒、和粗砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)值預(yù)測出研究區(qū)內(nèi)每種類型土壤的飽和導(dǎo)水率流速系數(shù)Velocity coefficient采用模型參數(shù)表數(shù)據(jù)百分比坡度Percentage slope基于GIS空間分析模塊,根據(jù)DEM算得

圖3 多年平均徑流量與模擬徑流的差異 Fig.3 The difference between annual natural runoff and simulated runoff

圖4 研究區(qū)單元產(chǎn)水深度圖及單元水源涵養(yǎng)量圖Fig.4 Unit water production depth and unit water conservation

3.2 水源涵養(yǎng)功能總體分析

3.2.1 水源涵養(yǎng)功能空間格局分析

基于產(chǎn)水量模擬結(jié)果,再根據(jù)公式(5)計算得到研究區(qū)水源涵養(yǎng)量。得出,研究區(qū)單元平均水源涵養(yǎng)量為23.97 mm,平均水源涵養(yǎng)總量為1.35×108m3。由圖4可知,研究區(qū)單元平均水源涵養(yǎng)量空間分布格局與單元產(chǎn)水深度空間分布格局基本一致,也呈現(xiàn)出南高北低的趨勢。

水源涵養(yǎng)高值區(qū)主要集中在石羊河流域南部上游區(qū)域,該區(qū)域產(chǎn)水量大,主要植被森林、草地的郁密度高,形成良好的土壤結(jié)構(gòu)及通風(fēng)狀況,其土壤下滲、持水能力較強[33- 34],水土保持功能較好,水源涵養(yǎng)功能強。研究區(qū)上游8條子流域單元水源涵養(yǎng)量由高到低分別為雜木河62.11 mm、黃羊河56.11 mm、大靖河54.52 mm、金塔河50.74 mm、古浪河48.90 mm、西營河48.71 mm、西大河42.59 mm、東大河41.79 mm。水源涵養(yǎng)總量由高到低分別為古浪河2.22×107m3、西營河1.87×107m3、大靖河1.69×107m3、東大河1.64×107m3、西大河1.61×107m3、雜木河1.23×107m3、黃羊河0.89×107m3、金塔河0.84×107m3。石羊河流域上游8條子流域水源涵養(yǎng)功能相差不大,與整個流域相比,水源涵養(yǎng)功能較強。

水源涵養(yǎng)功能低值區(qū)位于研究區(qū)中部及北部區(qū)域,該區(qū)域地勢相對平坦,是人類活動集中區(qū),耕地分布較多,東北部地區(qū)受騰格里和巴丹吉林沙漠影響,大部分土壤沙化嚴(yán)重,水源涵養(yǎng)量較低；且該區(qū)域自然植被面積少,未利用地面積大、分布廣,降水截留能力差,故總體水源涵養(yǎng)能力較差；但該區(qū)域散布著少量水源涵養(yǎng)較高的區(qū)域,結(jié)合土地覆被類型圖(圖2)可以看出,這些區(qū)域?qū)儆诹值胤植紖^(qū)。

3.2.2 不同地類的水源涵養(yǎng)功能分析

利用ArcGIS空間統(tǒng)計分析工具,分別計算出不同地類單元水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量,結(jié)果見表3。

表3 不同地類水源涵養(yǎng)量

各地類的水源涵養(yǎng)能力由其單元水源涵養(yǎng)量來體現(xiàn)。研究區(qū)不同地類單元水源涵養(yǎng)量依次為：林地>草地>耕地>建設(shè)用地>未利用地>水域。林地的土壤孔隙度較大,能夠明顯改善土壤結(jié)構(gòu),水源涵養(yǎng)能力最強；建設(shè)用地、未利用地、水域水源涵養(yǎng)能力均很低。水源涵養(yǎng)總量依次為：草地>林地>耕地>未利用地>建設(shè)用地>水域,草地的水源涵養(yǎng)能力較強,且所占面積較大,因此水源涵養(yǎng)總量最大；雖然未利用地的單元水源涵養(yǎng)量與水域、建設(shè)用地相差不大,但由于其所占面積很大,因此水源涵養(yǎng)總量遠(yuǎn)大于水域和建設(shè)用地,可見水源涵養(yǎng)總量的大小與各種地類面積有很大關(guān)系[35]。

3.3 水源涵養(yǎng)功能重要性空間分級

對區(qū)域水源涵養(yǎng)功能重要性進(jìn)行分級是合理分配、利用和保護(hù)水資源的前提。而定量準(zhǔn)確的評估區(qū)域水源涵養(yǎng)功能又是科學(xué)的對水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行重要性空間分級的前提。

利用InVEST模型對研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量評估,再根據(jù)《國家生態(tài)保護(hù)紅線—生態(tài)功能紅線劃定技術(shù)指南(試行)》中涵養(yǎng)水源重要生態(tài)功能區(qū)的分級方法,使用ArcGIS軟件中的分位數(shù)分類方法,對石羊河流域2015年水源涵養(yǎng)功能重要性進(jìn)行5級分類。水源涵養(yǎng)重要性評價能夠做到定量化和空間化,識別的重要區(qū)更為精細(xì)。

根據(jù)水源涵養(yǎng)功能的重要性分為5個重要性等級(表4)分別為極重要、高度重要、中等重要、較重要及一般重要。

表4 水源涵養(yǎng)功能重要性分級及面積百分比

結(jié)合圖1、圖5和表4可知,研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能重要性分級結(jié)果總體呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的階梯分布趨勢,其中一般重要區(qū)域所占面積最大,比例為53.94%。主要分布在中部和東北部的石羊河中下游區(qū)域,包括民勤縣、金昌市、永昌縣和武威市中北部地區(qū)；極重要和高度重要區(qū)域所占比例分別為10.41%和11.99%,主要分布于西南部的石羊河上游區(qū)域,包括肅南縣和天?？h；水源涵養(yǎng)功能較重要、中等重要區(qū)域,所占比例為11.77%和11.89%,主要分布于研究區(qū)下游和中上游的過度地帶,包括永昌縣南部與肅南縣接壤的地區(qū)、武威市南部與天?？h接壤地區(qū)以及古浪縣南部大部分地區(qū)。

圖5 研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能重要性空間分級 Fig.5 Importance spatial classification of water conservation function in study area

研究區(qū)水源涵養(yǎng)重要性分級與水源涵養(yǎng)功能空間分布格局基本一致,水源涵養(yǎng)極重要和高度重要地區(qū)降水較多、蒸發(fā)較小,分布著8條子流域、地表水系相對發(fā)達(dá),并且植被覆蓋度高,是石羊河流域水源涵養(yǎng)的重要生態(tài)區(qū)。根據(jù)分級結(jié)果,可將極重要和高度重要區(qū)域作為重點和優(yōu)先保護(hù)的地區(qū),并依此來制定生態(tài)保護(hù)、水資源開發(fā)利用等政策。

3.4 基于水源涵養(yǎng)功能的退耕還林還草模式

退耕還林還草是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措,其具體規(guī)劃實施時需要考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多種因素,是一項長期復(fù)雜的工程。為了更好的研究不同退耕還林還草模式的植被效應(yīng)對區(qū)域水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生的不同影響,本研究利用InVEST模型分別模擬不同土地利用變化情境下水源涵養(yǎng)量的差異,通過最小模糊度法得出合理的退耕還林還草模式。

3.4.1 情景模擬

本研究設(shè)定了3種變化情景：

情景1：研究區(qū)2015年現(xiàn)狀實際情況(圖5)；

情景2：退耕還林情景(將研究區(qū)內(nèi)所有耕地納為林地)；

情景3：退耕還草情景(將研究區(qū)內(nèi)所有耕地納為草地)。

在以上3種情景設(shè)置中,僅改變土地利用覆被類型,其他數(shù)據(jù)均與現(xiàn)狀保持一致。

為了在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下,對3種情景水源涵養(yǎng)量進(jìn)行對比分析,采用水源涵養(yǎng)功能重要性空間分級的分類方法,進(jìn)行分級,結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同退耕模式下的水源涵養(yǎng)功能圖Fig.6 Water conservation under different returning farmland model

分別計算3種情景下水源涵養(yǎng)總量及單元水源涵養(yǎng)量,結(jié)果如表5所示。

表5 不同情景的產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量

不同情景下的單元產(chǎn)水量順序為：情景1>情景3>情景2。可以看出,隨著林地、草地面積的增加,產(chǎn)水量有所減少,且退耕還林情景產(chǎn)水量最少。因為森林植被對土壤水分需求量大,蒸散發(fā)量也大于草地和農(nóng)作物,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分虧缺,故退耕還林情景產(chǎn)水量最低。不同情景下的單元水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量順序均為：情景2>情景3>情景1。在退耕還林情景下,單元水源涵養(yǎng)量增加到34.17 mm,此時林地面積最大,水源涵養(yǎng)總量增加到1.93×108m3；在退耕還草情景下,單元水源涵養(yǎng)量增加到26.88 mm,此時草地面積最大,水源涵養(yǎng)總量增加到1.52×108m3。與前文不同地類單元水源涵養(yǎng)功能的分析結(jié)果：林地>草地>耕地相吻合。

3.4.2 退耕還林還草模式

將情景1、2、3的結(jié)果進(jìn)行空間疊置,可以發(fā)現(xiàn),在研究區(qū)不同退耕方式對水源涵養(yǎng)的影響不盡相同。有些區(qū)域退耕還林對其原水源涵養(yǎng)量的提升很大,且明顯高于退耕還草的水源涵養(yǎng)量,這種情況即可視為“適宜退耕還林區(qū)”；而有些區(qū)域退耕還林與退耕還草對其原水源涵養(yǎng)量的提升相差不大,考慮到退耕還林的成本高于退耕還草,故把這些區(qū)域視為“適宜退耕還草區(qū)”；還有些區(qū)域無論是退耕還林、還是退耕還草與其原本耕地的水源涵養(yǎng)量相比均無太大差別,故將這些區(qū)域視為“保留耕地區(qū)”。

由于“退耕還林”、“退耕還草”、“保留耕地”3種類型的概念本質(zhì)上是模糊的,其水源涵養(yǎng)量差異值是有交疊的,很難從中明確判斷出其所屬類型,因此,本研究通過最小模糊度法來計算其隸屬函數(shù),從而確定3種類型的分類條件。用情景2與情景1進(jìn)行柵格計算,在結(jié)果中抽取30個樣點,并將情景1、情景2、情景3及情景3與情景1的柵格計算結(jié)果等作為判斷其所屬類別的先驗知識,樣本點的選取均勻的分布在流域的上中下游區(qū)域,結(jié)果如表6所示。

表6樣點水源涵養(yǎng)差異值統(tǒng)計表

Table6Statisticaltableofdifferenceofwaterconservation

圖7 耕地像元的三角形隸屬函數(shù)圖Fig.7 Triangular membership function of cultivated land pixels

按照統(tǒng)計學(xué)的觀點,評價指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的均值最能反映這個指標(biāo)的平均特征,偏離均值越大的值,其所反映的特征偏離平均特征越大,于是以情景2與情景1水源涵養(yǎng)的差值作為變量來描述耕地像元適合“退耕還林”“退耕還草”“保留耕地”這3個模糊概念時,圖7所示的是像元所屬類型的三角形隸屬函數(shù),需要進(jìn)一步確定待定參數(shù)t1和t2。

然而,t1和t2都是可變的,其中t1∈(14.0,36.4),t2∈(36.4,66.3)(14.0、36.4、66.3分別是3種類型情景2與情景1水源涵養(yǎng)差值的平均值),因此,3個模糊集的模糊度達(dá)到最小值時,參數(shù)t1和t2取值最佳。

設(shè)論域X={x1,x2,…,x30}={3.8,4.6,…,99.6},表示“保留耕地”、“退耕還草”、“退耕還林”這3個模糊概念的模糊集分別為A、B、C,選擇模糊熵作為模糊度的度量,則可以建立如下模型：

s.t.

其中

圖8 “保留耕地”、“退耕還草”和“退耕還林”3個模糊概念的隸屬函數(shù)圖Fig.8 Membership functions of three fuzzy concepts,“Reserved farmland”,“Returning farmland to grassland”and “Returning farmland to forests”

求解上述模型：t1=32.8,t2=65.0,得到描述模糊概念“保留耕地”、“退耕還林”和“退耕還草”的3個模糊集如圖8所示。

通過最小模糊度的分類條件,可以確定研究區(qū)內(nèi)適宜保留耕地的區(qū)域、適宜退耕還草的區(qū)域以及適宜退耕還林的區(qū)域。分布模式如圖9所示,可以看出,適宜保留耕地的區(qū)域主要分布于石羊河中下游地區(qū),該區(qū)域地勢平坦,降水量小、蒸發(fā)量大,單元水源涵養(yǎng)量小,無論是退耕還林還是退耕還草對其水源涵養(yǎng)量提升均不大,且就實際情況來說,該區(qū)域人口密集,是主要農(nóng)業(yè)區(qū),將其耕地保留也較為合理；適宜退耕還草的區(qū)域分布在石羊河上游和中下游的過度地帶,該區(qū)域水源涵養(yǎng)能力較差,雖然有一定的提升空間,但退耕還林與退耕還草對其水源涵養(yǎng)量的提升差異不大,綜合考慮到退耕還林、還草的經(jīng)濟(jì)成本及政策因素(退耕還林國家要支付每公頃補助22500元,而退耕還草為每公頃15000元),故將其劃為適宜退耕還草的區(qū)域；適宜退耕還林的地區(qū)位于石羊河流域南部,該區(qū)域降水較多,海拔較高,適宜林地生長,退耕還林后的水源涵養(yǎng)量明顯高于現(xiàn)狀及退耕還草后的結(jié)果,故這些區(qū)域?qū)儆谶m宜退耕還林區(qū)。

圖9 基于水源涵養(yǎng)功能退耕還林還草模式圖 Fig.9 Returning farmland to forest and grassland based on water conservation function

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)基于InVEST模型定量評估了石羊河流域產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)功能,并分析了其空間差異,得出：模型中的Zhang系數(shù)為2.1時,研究區(qū)產(chǎn)水量模擬效果最佳；研究區(qū)2015年單元平均產(chǎn)水深度值為60.90 mm,產(chǎn)水總量為24.71×108m3；單元平均水源涵養(yǎng)量為23.97 mm,水源涵養(yǎng)總量為1.35×108m3；單元產(chǎn)水深度與單元平均水源涵養(yǎng)量空間分布格局基本一致,呈現(xiàn)出南高北低的趨勢；研究區(qū)不同地類單元水源涵養(yǎng)能力以林地最強,草地的水源涵養(yǎng)總量最大。

(2)在對研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量評估的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了水源涵養(yǎng)功能重要性空間分級,得出：一般重要區(qū)域面積最大,占總面積的53.94%,主要位于研究區(qū)北部的石羊河中下游地區(qū),極重要和高度重要區(qū)域共占總面積的22.40%,主要位于研究區(qū)南部,即石羊河流域上游地區(qū)。

(3)對不同退耕模式進(jìn)行情景模擬,得出：研究區(qū)內(nèi)耕地全部納為林地時,單元水源涵養(yǎng)量及水源涵養(yǎng)總量均最高；研究區(qū)內(nèi)耕地全部納為林地或草地時,產(chǎn)水量均有所減少,且全部納為林地時,產(chǎn)水量最少；根據(jù)最小模糊度法,基于水源涵養(yǎng)功能角度,確定了退耕還林還草的合理模式。

4.2 討論

(1)雖然本文基于InVEST模型定量評價了石羊河流域水源涵養(yǎng)功能,并對其進(jìn)行重要性分級,但是由于流域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,在未來的研究中還需要進(jìn)一步定量考慮流域上、中、下游的水資源關(guān)系,定量分析中下游對上游區(qū)域水資源的需求,分層次、分等級的研究流域水資源分配和生態(tài)補償?shù)葐栴}。

(2)通過本文研究可以發(fā)現(xiàn),隨著林地、草地面積的增加,位于干旱半干旱地區(qū)的研究區(qū)產(chǎn)水量有所減少,會對下游綠洲用水帶來問題,并且可能會影響植被生長發(fā)育,甚至導(dǎo)致群落衰敗和生態(tài)系統(tǒng)退化,因此,應(yīng)遵循自然演替規(guī)律,重點關(guān)注區(qū)域土壤水管理,科學(xué)合理的制定退耕還林還草政策。