基于生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)的關(guān)中-天水區(qū)生態(tài)需水量測(cè)評(píng)

鐘旭珍, 王麗霞, 姚 昆, 張 素

(1.內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641100; 2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 西安 710054; 3.西昌學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 四川 西昌 615000)

生態(tài)需水量是指維持某一環(huán)境功能或環(huán)境目標(biāo)所需要的水資源量。對(duì)于生態(tài)需水的概念，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為生態(tài)需水量是保障生態(tài)系統(tǒng)基本功能正常運(yùn)行的最小水資源量[1-2]。針對(duì)不同的研究對(duì)象，生態(tài)需水的研究方法具有差異性[3]。如姜田亮等[4]結(jié)合0.618法、去極值法和間接計(jì)算法對(duì)干旱區(qū)天然植被生態(tài)需水量的參數(shù)進(jìn)行研究。李詠紅等[5]對(duì)同一項(xiàng)工程中不同階段不同保護(hù)目標(biāo)下河道內(nèi)生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算。岳東霞等[6]結(jié)合遙感和GUIS技術(shù)，計(jì)算了疏勒河流域近20 a生態(tài)承載力和天然植被生態(tài)需水量，并探討了二者的時(shí)空耦合關(guān)系。趙亮生等[7]采用Tontana法、水量平衡方程及標(biāo)準(zhǔn)定額法計(jì)算了洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)功能的最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水，并結(jié)合水資源承載力模型，分析了研究區(qū)水資源的可承載人口數(shù)量。馬龍龍等[8]利用SEBAL模型對(duì)鹽池縣的蒸散演變及生態(tài)需水規(guī)律進(jìn)行研究。Nouri等[9]以澳大利亞為研究區(qū)，利用WUCOLS方法對(duì)城市景觀需水量進(jìn)行計(jì)算。Surendran等[10]利用CROPWAT 8.0軟件研究了不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的不同作物需水量。

綜上可知，目前有關(guān)生態(tài)需水的研究已相對(duì)豐碩，部分學(xué)者從生態(tài)需水與生態(tài)承載力、水資源承載力、景觀格局[11]等的關(guān)系進(jìn)行探討，部分學(xué)者對(duì)植被生態(tài)需水進(jìn)行了預(yù)測(cè)，還有一些學(xué)者研究植被生態(tài)需水管理系統(tǒng)等[12]；但基于生態(tài)功能分區(qū)的植被—土壤復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)需水進(jìn)行測(cè)評(píng)的研究卻相對(duì)較少，且很少有學(xué)者結(jié)合預(yù)測(cè)模型對(duì)地表覆被進(jìn)行預(yù)測(cè)，測(cè)算未來規(guī)劃年份生態(tài)功能區(qū)生態(tài)需水；實(shí)際中，不同地區(qū)的生態(tài)條件存在差異性，其存在的生態(tài)問題和發(fā)揮的生態(tài)服務(wù)功能也不同[13-14]。我國(guó)西北地區(qū)存在生態(tài)環(huán)境先天脆弱和水資源短缺的狀況，對(duì)其開展基于生態(tài)功能分區(qū)的生態(tài)需水研究，對(duì)區(qū)域生態(tài)功能的保護(hù)和發(fā)展，水資源的合理分配和利用都將產(chǎn)生巨大的幫助作用，也會(huì)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。然而，至今對(duì)該地區(qū)生態(tài)需水展開研究的成果卻相對(duì)較少。

為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)生態(tài)需水較準(zhǔn)確的計(jì)算及預(yù)測(cè)，研究根據(jù)生態(tài)需水的定義，對(duì)研究區(qū)的生態(tài)功能進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，并基于評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)各功能區(qū)的生態(tài)需水現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)算；同時(shí)，為了解該地區(qū)生態(tài)需水未來的發(fā)展趨勢(shì)，研究又結(jié)合CA-MArkov模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；以期為該地區(qū)生態(tài)規(guī)劃措施的制定提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)中—天水區(qū)地跨陜西省關(guān)中地區(qū)和甘肅省東部的天水市，共8個(gè)區(qū)、市，地理坐標(biāo)為104°—110°E，33°—35°N，面積約為7.98104km2。南邊倚靠秦嶺，北邊以北山為界，西到甘肅天水市，東抵陜西潼關(guān)，地勢(shì)南北高中部低，自西向東傾斜，海拔為400～3 700 m，地貌類型多樣，有河谷、山地、黃土丘陵等。目前研究區(qū)面臨著如水土流失、水資源短缺等生態(tài)環(huán)境問題，有必要開展基于生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)的生態(tài)需水研究。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包Landsat ETM+/OLI，DEM，MODIS NDVI等遙感影像數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云；1∶250萬(wàn)陜西土壤質(zhì)地類型圖，來源于《陜西土壤》；1∶1 400萬(wàn)中國(guó)土壤質(zhì)地圖，來源于《中國(guó)土壤圖集》；1∶100萬(wàn)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，來源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所；研究區(qū)及周邊28個(gè)氣象站的氣象數(shù)據(jù)等，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于ENVI軟件，結(jié)合監(jiān)督分類和人工目視解譯，將研究區(qū)遙感影像解譯為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類土地利用類型[15]；基于GIS軟件，利用研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，提取流域邊界；選用像元二分模型，利用NDVI月合成數(shù)據(jù)，計(jì)算植被覆蓋度；氣象數(shù)據(jù)和土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)用來計(jì)算生態(tài)需水。

3 生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)

3.1 生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)指標(biāo)體系

根據(jù)生態(tài)功能分區(qū)的相關(guān)原則[14]，并在綜合分析該地區(qū)自然環(huán)境和人文環(huán)境的基礎(chǔ)上，選擇植被覆蓋度、干燥度指數(shù)、河道、土地利用方式、水源地等自然環(huán)境因子和古城等人文環(huán)境因子，依據(jù)全國(guó)自然地理各指標(biāo)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)特征，制定了研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)指標(biāo)體系[14]，具體情況詳見表1。

表1 生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)指標(biāo)體系

3.2 生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)結(jié)果

根據(jù)生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)指標(biāo)體系，分別對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到單因子評(píng)價(jià)結(jié)果?；趩我蜃釉u(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃分，在劃分過程中，對(duì)于生態(tài)功能重疊的地區(qū)，主要依據(jù)生態(tài)功能的重要性原則和主導(dǎo)性原則進(jìn)行歸并，同時(shí)結(jié)合流域界限或行政界限對(duì)重疊區(qū)域邊界進(jìn)行調(diào)整，即當(dāng)生態(tài)功能區(qū)劃邊界接近行政邊界時(shí)，應(yīng)努力協(xié)調(diào)行政邊界，以確保行政區(qū)域的空間連續(xù)性，以便于行政區(qū)的綜合規(guī)劃和管理。最終將研究區(qū)劃分為6大生態(tài)功能區(qū)(圖1)。

圖1 關(guān)中-天水區(qū)生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)

從圖1可以看出，農(nóng)業(yè)種植區(qū)主要分布于天水市北部和關(guān)中平原，面積約為2.58萬(wàn)km2，占研究區(qū)總面積的32.3%，要提高耕地質(zhì)量，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，科學(xué)地開發(fā)農(nóng)業(yè)種植地區(qū)；植被保護(hù)區(qū)主要分布于研究區(qū)南部秦嶺地區(qū)，面積約為3.03萬(wàn)km2，地區(qū)面積占比為37.9%，要重點(diǎn)保護(hù)原生森林，加強(qiáng)造林綠化，保護(hù)生物多樣性；防旱抗旱區(qū)主要分布于天水市南部、白水縣、韓城市、咸陽(yáng)市北部和銅川市北部等區(qū)域，面積約為1.75萬(wàn)km2，面積占比為22%，應(yīng)合理利用水資源，選用需水較小耐旱性較強(qiáng)的作物，控制區(qū)域干旱化；河道保護(hù)區(qū)主要分布于黃河5 km緩沖區(qū)和渭河3 km緩沖區(qū)，面積約為0.16萬(wàn)km2，僅占該地區(qū)總面積的2%，要加強(qiáng)河道水污染的治理和兩岸的水土保護(hù)工作；水源涵養(yǎng)區(qū)主要分布于洛南縣，面積約為0.3萬(wàn)km2，面積占比為3.7%。洛南縣森林覆蓋率達(dá)到90%以上，要加強(qiáng)建設(shè)水土保持林和水源涵養(yǎng)林，提高其生態(tài)服務(wù)和水源涵養(yǎng)功能；古城保護(hù)區(qū)主要分布于西安市主城區(qū)內(nèi)，面積約為0.17萬(wàn)km2，面積占比為2.2%，要保護(hù)和發(fā)揚(yáng)古城傳統(tǒng)文化，提高城市發(fā)展質(zhì)量。

4 基于生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)的生態(tài)需水測(cè)評(píng)

4.1 生態(tài)需水測(cè)評(píng)模型

4.1.1 植被生態(tài)需水測(cè)評(píng)模型 影響植被蒸散水平的主要因素包括氣候條件、土壤和植被生長(zhǎng)狀況等。研究選用的植被生態(tài)需水量測(cè)評(píng)模型為：

Wp=Ep×Ap=(ET0×Kc×Ks)×Ap

(1)

式中：Wp為植被生態(tài)需水(m3)；Ep為植被蒸散量(mm)；Ap為植被分布面積(m2)；ET0為參考作物潛在蒸散量(mm)；Kc為植被系數(shù)；Ks為土壤水分限制常數(shù)。研究采用植被在生長(zhǎng)期各月蒸散量的最小值來計(jì)算植被最小生態(tài)需水。

4.1.2 土壤生態(tài)需水測(cè)評(píng)模型 對(duì)于不同的區(qū)域，如果植被不是完全覆蓋，那么只有植被生長(zhǎng)下的土地的土壤含水量，才是真正意義上的土壤需水量。故利用GIS疊加分析工具對(duì)植被類型分布圖和土壤質(zhì)地分布圖進(jìn)行處理，得到植被—土壤類型分布圖。研究選用的土壤生態(tài)需水測(cè)評(píng)模型為：

Ws=as×Hs×As

(2)

式中：Ws為土層深度Hs下的土壤需水(m3)；as為植被區(qū)土壤含水定額(m3/m3)；Hs為土層深度(m)；As為植被區(qū)面積(m2)。植被的生長(zhǎng)阻滯含水量是指能夠維持植物生存和基本生長(zhǎng)所需要的土壤最小含水量。參考相關(guān)土壤文獻(xiàn)[16-18]，根據(jù)楊志峰等[19-20]對(duì)黃河流域植被生態(tài)需水的研究，以土壤含水量占土壤田間持水量的55%來確定土壤的最小需水等級(jí)，由于渭河流域?yàn)辄S河流域的二級(jí)子流域，同時(shí)結(jié)合課題組野外采集土壤樣本經(jīng)烘干法測(cè)得不同土壤質(zhì)地含水量，計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)資料里的土壤田間含水量接近，所以研究取田間持水量的55%作為土壤的最小含水定額來計(jì)算土壤最小生態(tài)需水[21-22]。

4.1.3 植被—土壤復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)需水量測(cè)評(píng)結(jié)果與分析 根據(jù)選用的生態(tài)需水測(cè)評(píng)模型，計(jì)算得到關(guān)中—天水區(qū)植被—土壤復(fù)合系統(tǒng)在生長(zhǎng)期多年平均單位面積最小生態(tài)需水量(表2)。

表2 關(guān)中-天水區(qū)植被-土壤復(fù)合系統(tǒng)生長(zhǎng)期最小生態(tài)需水 mm

結(jié)合表2分析可知，植被—土壤復(fù)合系統(tǒng)的最小生態(tài)需水是先增加后減少的趨勢(shì)，生態(tài)需水較高的時(shí)期主要出現(xiàn)在每年的6—8月，這和作物的發(fā)育生長(zhǎng)階段相一致。研究區(qū)北部北山及南部秦嶺地區(qū)是高度生態(tài)需水的主要集中區(qū)域，低度生態(tài)需水的區(qū)域相間分布于區(qū)域河流兩側(cè)，其中天水中、北部地區(qū)較為集中。高度生態(tài)需水的地區(qū)主要為與林地組合的各類景觀類型，其中林地—黏壤土的生態(tài)需水量最大，約為659.60 mm，比最低的景觀類型單位面積最小生態(tài)需水多293.26 mm。中度生態(tài)需水的景觀類型主要為草地—壤土、草地—黏壤土、耕地—砂壤土、耕地—壤土、耕地—黏壤土，其單位面積生態(tài)需水介于437.38～532.94 mm。草地—砂壤土、耕地—砂礫質(zhì)壤土、草地—砂礫質(zhì)壤土的單位面積最小生態(tài)需水均低于400 mm，其中草地—砂礫質(zhì)壤土最低，約為366.34 mm。

4.2 基于CA-Markov模型的土地覆被空間分布預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

元胞自動(dòng)機(jī)(CA,Cellular Automata)是一種能實(shí)現(xiàn)巨復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演變過程模擬的數(shù)學(xué)模型[23]，馬爾可夫模型(Markov Model)通過利用系統(tǒng)已有離散狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)傳遞概率來實(shí)現(xiàn)其未來發(fā)展?fàn)顩r的模擬預(yù)測(cè)[24-25]。將CA和Markov組合為CA-Markov模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)及空間分布進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[26]。

研究基于IDRISI 17.0軟件中的CA-Markov模型，以2010年、2015年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算其概率矩陣，迭代系數(shù)取10，過濾器為5×5，完成研究區(qū)2020年和2025年土地利用空間分布的預(yù)測(cè)(圖2)，各年份土地利用類型面積見表3，并利用ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)得到不同景觀類型和不同生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)需水(表4)。

2010—2025年期間，關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用面積減少的有耕地、草地、未利用地，土地利用面積逐年增加的有林地、建設(shè)用地、水域，變化幅度較大的為耕地、林地、草地和建設(shè)用地[26]。其中耕地面積減少了8 503 km2，這與國(guó)家退耕還林政策的實(shí)施和城市化的發(fā)展有關(guān)[27]。林地面積增加了7 982.58 km2，主要原因在于各重要森林保護(hù)區(qū)和渭河整治綠化工程的建設(shè)。建設(shè)用地面積增加了3 847.78 km2，主要分布于河流兩岸和西安等大中城市周邊。水域面積略有增加，這與各調(diào)水工程和人工水庫(kù)的修建有關(guān)。草地面積減少了3 324.95 km2，增加的耕地、林地和建設(shè)用地主要來源于草地的轉(zhuǎn)換。未利用地面積逐漸減少，表明區(qū)域土地利用開發(fā)效率不斷增強(qiáng)。

圖2 2015-2025年關(guān)中-天水區(qū)土地利用空間分布模擬結(jié)果與生態(tài)功能類型分布

表3 2010-2025年土地利用類型面積 km2

根據(jù)圖2分析可知，生態(tài)功能區(qū)的分布與土地利用方式密切相關(guān)。植被保護(hù)區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)分布的地區(qū)主要為林地，農(nóng)業(yè)種植區(qū)分布的地區(qū)主要為耕地，河道保護(hù)區(qū)分布的地區(qū)主要為水域，古城保護(hù)區(qū)分布的地區(qū)主要為建設(shè)用地，防旱抗旱區(qū)在耕地、林地、草地等都有分布。這表明生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)需水與土地利用方式存在相關(guān)性。

4.3 基于生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)尺度的生態(tài)需水量測(cè)評(píng)結(jié)果與分析

基于測(cè)算的植被—土壤系統(tǒng)多年平均生態(tài)需水量，利用ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，以CA-Markov模型模擬預(yù)測(cè)的2020年、2025年土地利用空間分布作為輸入圖層，以植被—土壤系統(tǒng)平均生態(tài)需水量柵格數(shù)據(jù)作為賦值圖層，統(tǒng)計(jì)得到2020年、2025年土地利用空間分布變化后的生態(tài)需水量，再以該圖層作為賦值柵格，以生態(tài)環(huán)境功能區(qū)作為輸入圖層，統(tǒng)計(jì)得到不同生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)需水量(圖3)。

表4 關(guān)中-天水區(qū)生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)面積及最小生態(tài)需水

由表4可知，不同年份生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)需水略有差異，從單位面積生態(tài)需水量來看，測(cè)評(píng)的3個(gè)年份中，古城保護(hù)區(qū)的單位面積生態(tài)需水量是最小的，原因在于古城保護(hù)區(qū)主要分布于西安城區(qū)，土地利用類型主要為建設(shè)用地，本研究未測(cè)評(píng)建設(shè)用地和水域的生態(tài)需水，其生態(tài)需水是留空白的，因此生態(tài)需水量??；植被保護(hù)區(qū)的單位面積生態(tài)需水量最大，原因在于林地的單位面積生態(tài)需水量是各種土地利用方式當(dāng)中最大的，而植被保護(hù)區(qū)主要分布的植被類型為林地，因此生態(tài)需水量大；值得注意的是2020年單位面積生態(tài)需水量最大的為水源涵養(yǎng)區(qū)。由圖2可知，2020年水源涵養(yǎng)區(qū)相比2015年、2025年其林地覆蓋面更廣，而對(duì)應(yīng)的2020年植被保護(hù)區(qū)內(nèi)有更多的林地轉(zhuǎn)換為了其他用地類型，因此，植被保護(hù)區(qū)單位面積生態(tài)需水量變小了，但比水源涵養(yǎng)區(qū)的單位面積生態(tài)需水僅小了0.43 mm。

從生態(tài)需水總量來看，測(cè)評(píng)的3個(gè)年份中，生態(tài)需水總量從小到大依次為：河道保護(hù)區(qū)、古城保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)、防旱抗旱區(qū)、農(nóng)業(yè)種植區(qū)、植被保護(hù)區(qū)，這與各功能區(qū)的面積順序保持一致。結(jié)合圖2分析可知，河道保護(hù)區(qū)和古城保護(hù)區(qū)主要分布的土地利用類型為水域和建設(shè)用地，因此生態(tài)需水量?。欢脖槐Ｗo(hù)區(qū)主要分布的土地利用類型林地，且又是各功能區(qū)中面積最大的，因此其生態(tài)需水總量最大。

圖3 2015-2025年關(guān)中-天水區(qū)功能分區(qū)尺度最小生態(tài)需水空間分布

5 結(jié) 論

關(guān)中—天水區(qū)生態(tài)功能區(qū)可劃分為河道保護(hù)、防旱抗旱和農(nóng)業(yè)種植等主要6類；林地—黏壤土和草地—砂礫質(zhì)壤土分別為單位面積生態(tài)需水的最大和最小兩端；各功能區(qū)內(nèi)，林地、耕地、草地越廣，生態(tài)需水量則越大；預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，植被保護(hù)區(qū)的單位面積生態(tài)需水量在2015年和2025年均最大，水源涵養(yǎng)區(qū)的單位面積生態(tài)需水量則在2020年達(dá)到最大值，但各年份植被保護(hù)區(qū)生態(tài)需水總量均為最大。

研究以生態(tài)功能分區(qū)為背景進(jìn)行生態(tài)需水測(cè)評(píng)，打破了傳統(tǒng)的以行政區(qū)劃為背景的研究，并測(cè)評(píng)了未來年份生態(tài)需水量，將生態(tài)功能區(qū)—土地利用方式—生態(tài)需水有機(jī)結(jié)合起來，分析研究區(qū)不同土地利用方式不同生態(tài)功能背景下的生態(tài)需水時(shí)空分布特征，測(cè)評(píng)結(jié)果可為相關(guān)部門對(duì)具有不同生態(tài)功能的地區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的水土資源利用和生態(tài)環(huán)境整治提供科學(xué)依據(jù)。需要指出的是，基于土地利用預(yù)測(cè)模型和生態(tài)功能分區(qū)的生態(tài)需水測(cè)評(píng)處于探索性階段，還存在一些問題需要深入思考和完善。如：(1) 生態(tài)功能分區(qū)需要考慮的因素較多，研究針對(duì)性的選取區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感因子構(gòu)建指標(biāo)體系，相關(guān)研究中，如何針對(duì)不同地區(qū)，綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，建立科學(xué)合理的生態(tài)功能分區(qū)指標(biāo)體系仍是研究難點(diǎn)之一；(2) 分區(qū)指標(biāo)閾值界定及技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題，針對(duì)不同地區(qū)確定指標(biāo)閾值需考慮區(qū)域差異性；(3) 生態(tài)需水等級(jí)性及未來年份生態(tài)需水的準(zhǔn)確測(cè)定問題，考慮到篇幅問題，研究?jī)H測(cè)評(píng)了最小生態(tài)需水，實(shí)際上，還可劃分適宜生態(tài)需水、飽和生態(tài)需水等。此外，由于植被、土地利用方式等具有時(shí)空變化性，研究基于多年平均生態(tài)需水量來測(cè)算未來年份生態(tài)需水，如何探尋更為準(zhǔn)確合理的方法來測(cè)算未來年份植被生態(tài)需水和土壤生態(tài)需水等問題有待進(jìn)一步研究。