南方丘陵山地帶水源涵養功能變化特征

張海波，張明陽，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境的急劇惡化，生態系統水源涵養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，但隨之而來的卻是各種環境問題。自然生態系統中森林、灌叢和草地等有著巨大的水源涵養功能，具有“天然綠色水庫”的美譽，并且能通過植被冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合作用來緩和地表徑流、補充地下水和調節和流量[2]，而濕地更是區域生態環境的穩定器和調節器，對地區的經濟和社會發展有著重要意義[3]。因此，生態系統水源涵養功能的分析對了解地區水資源利用效益及生態環境具有重大的意義。目前評價水源涵養功能的方法主要有區域水量平衡法[4]、土壤蓄水法[5]、地下徑流增長法[6]和降雨儲存量法[7]，同時一些學者采用InVEST模型進行定量評估[8-10]，也有一些學者利用轉移矩陣，結合景觀格局變化來分析生態系統服務功能的變化特征[11]。然而，當前相關的研究多注重單一時相定量評估，對多時相動態變化分析略顯不足。

南方丘陵山地帶作為我國主體生態功能區劃中“兩屏三帶”國家生態安全格局的重要組成部分，位于長江流域與珠江流域的分水嶺及源頭區，主要為加強植被修復和水土流失防治，從而發揮華南和西南地區生態安全屏障作用，但目前涉及本區域的相關研究還十分匱乏[12]。因此，研究其十年（2000-2010年）間生態系統水源涵養功能及其變化特征，對了解其生態安全屏障的作用發揮與否以及生態環境工程的效益具有重要現實意義。本文在遙感（Remote Sensor,RS）與地理信息系統（Geographic Information System,GIS）的支持下，以2000、2005和2010年三期生態系統類型數據為基礎，采用降水貯存量法，替代工程法及轉移矩陣的方法，對該區域生態系統水源涵養功能及其變化特征進行分析，獲得水源涵養功能變化的基本特征及變化的方向，以期為該區將生態系統管理和生態環境綜合評估提供科學參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于 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個縣/區，總面積28.85萬km2。地貌類型復雜多樣，平原臺地、丘陵、低山、中山和高山兼有，其中以丘陵為主（13.43萬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%）。地勢西高東低，北高南低，海拔為-25 m-3040 m。河流眾多，河網密度大，屬于亞熱帶季風氣候區，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。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 研究區地理位置

1.2 數據來源

以2000年、2005年、2010年的遙感影像為基礎數據（來源于中國科學院遙感與數字地球研究所），經幾何校正、影像融合、遙感解譯等數據處理，最終將地表分為森林、農田、草地、灌叢、濕地、人工表面和稀疏地7種生態系統類型，其中人工表面和稀疏地不參與計算；年平均降雨數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

1.3 計算與分析方法

1.3.1 水源涵養量 水源涵養功能物質量估算采用降水貯存量法[14],即用生態系統的截留降雨和蓄水效應來衡量其涵養水分的功能，生態系統的水源涵養功能可理解為，相對于裸地降水過程中產流的減少，即僅在降雨強度大于產流降雨時，其水源涵養功能才得以發揮[15]。計算公式如下：

式中：Q為與裸地相比較，森林、草地、濕地、耕地、灌叢等生態系統涵養水分的增加量(mm/hm2·a)；為生態系統面積(hm2)（表 1）；J為區內多年均產流降雨量（P>20 mm）(mm)；Jo為區內多年均降雨總量 (1601.74 mm)；K為區內產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為生態系統減少徑流的效益系數；Ro為產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

1.3.2 水源涵養經濟價值 采用替代工程法對研究區生態系統水源涵養量價值化，公式為[16]：

表1 研究區各生態系統面積

式中：Vw為區域生態系統涵養水源的價值，Vw(x)為象元處涵養水源的價值，Q(x)為象元x處水源涵養量，Pw(x)為建成單位庫容的成本，我國1 m3庫容的成本為0.67元。

1.3.3 生態系統水源涵養功能分級 將生態系統水源涵養量結果進行標準化，將標準化后的生態系統水源涵養功能評估單元劃分為高（0.8-1.0）、較高（0.6-0.8）、中（0.4-0.6）、較低（0.2-0.4）、低（0-0.2）五個等級。

式中：SSC表示標準化之后的生態系統水源涵養功能值；SCx表示各評價單元（此處為柵格）生態系統水源涵養量；SCmax和SCmin表示生態系統水源涵養量的最大值和最小值。

1.3.4 生態系統水源涵養功能變化 本文借助轉移矩陣分析區域生態系統水源涵養功能變化的結構特征以及各級別水源涵養功能變化的方向，根據地圖代數原理，對任意兩期水源涵養功能等級數據的轉移矩陣計算公式如下：

該公式使用范圍類型小于10種，式中Ci×j為k時期到k+1時期水源涵養功能等級變化數據為 k時期水源涵養功能等級數據，為k+1時期水源涵養功能等級數據，i和j分別表示不同的水源涵養等級[17-19]。

2 結果與分析

2.1 生態系統水源涵養功能

研究區2000、2005和2010年水源涵養量空間分布大致呈現東高西低、東南高西北低的空間分布特征（圖2）。十年間水源涵養總量上升了1.61×108m3，經濟價值上升了1.08×108元，三個年份水源涵養總量分別為856.40×107m3、864.96×107m3和872.47×107m3，水源涵養功能的經濟價值分別為57.38×108元、57.95×108元和 58.46×108元（見表2）。不同生態系統水源涵養總量排序都是森林>農田>灌叢>草地>濕地，其中森林水源涵養量比重大（三個年份分別69.17%、69.51%、69.91%），濕地生態系統由于面積比例小（1.19%、1.20%和1.24%）而水源涵養總量少（僅占3.84%、3.71%和3.66%）。不同生態系統的水源涵養總量變化趨勢不盡相同，其中森林和草地生態系統呈上升趨勢，濕地、農田和灌叢生態系統不同程度下降。

不同生態系統的水源涵養能力除灌叢無明顯變化外，其余都發生了不同程度的變化，其中森林和草地生態系統水源涵養能力持續上升，濕地和農田生態系統水源涵養能力呈下降趨勢，十年間，各生態系統水源涵養能力大小排序為：濕地>森林>草地>灌叢>農田（表2）。

圖2 研究區水源涵養量空間分布圖

表2 研究區不同生態系統水源涵養量

2.2 生態系統水源涵養功能分級

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

2.3 生態系統水源涵養功能變化

2000-2005年和2005-2010年這兩個時段中，水源涵養功能高等級轉換成較低等級的面積分別為87.22 km2和202.49 km2，轉換比率分別為2.6%和5.8%，轉換成低等級的面積分別為10.09 km2和25.30 km2，轉換比率分別為0.3%和0.7%。表明，受人類活動的影響濕地生態系統有部分面積被轉換成了耕地和人工表面，且這種現象有持續發展的趨勢。

表3 研究區生態類型水源涵養量標準化值

表4 研究區水源涵養功能各等級面積及其比例

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

從2000-2010總體上看，十年間，研究區水源涵養功能的變化方向主要是向中和較高等級轉移，且各生態系統以向森林生態系統轉換為主。除自身轉移的面積（分別為123272.87 km2和69715.72 km2）外，轉入的面積分別為8356.23 km2和 5829.38 km2。

3 討論與結論

3.1 討論

南方丘陵山地帶是“兩屏三帶”中的重要組成部分，其生態環境的好壞，直接影響著華南和西南地區的生態安全。本文分析結果一定程度表明，國家實施退耕還林、還草等生態工程取得了重大的效益。區內生態系統水源涵養能力整體得到了提升，生態環境得到了進一步改善。但須指出的是區內水源涵養功能變化依然存在由高往低轉換的現象，有些生態系統如濕地生態系統仍然沒有得到有力的保護。

有效分析區內生態系統水源涵養功能是建立長效生態補償機制的基礎，可為進一步生態建設提供保障。上世紀九十年代起，國家在云南、貴州、廣西和廣東開展了長江、珠江流域防護林體系，1999年，區內廣西、云南、貴州作為西部省份納入退耕還林工程建設范圍，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構變化。本文對水源涵養功能的變化方向進行分析，一方面反映了水源涵養功能變化的趨勢，另一方面也初步反映了土地覆被類型間的轉換對水源涵養功能變化的影響。但文中涉及的生態系統類型較多，只能粗略對其說明，在以后的研究中，可進一步結合土地覆被類型的轉換分析其對水源涵養能力的影響強度，為優化土地利用結構提供參考。

表5 不同級別水源涵養功能生態系統轉移矩陣（單位：km2）

不同生態系統水源涵養能力與總量是不相同的，從而它們對整個區域水源涵養功能的貢獻率也有所區別。本文研究表明，研究區不同生態系統水源涵養總量大小排序為森林>農田>灌叢>草地>濕地，生態系統水源涵養能力大小排序為：濕地>森林>草地>灌叢>農田。雖然生態系統水源涵養總量大小與其涵養能力大小并無緊密關系，但森林生態系統依然是水源涵養功能的主要貢獻者（69.17%、69.51%、69.91%），因此森林生態系統仍是重點保護對象。

水源涵養功能物質量估算的方法不盡相同，用不同方法估算的結果存在一定差異。本研究采用降水貯存量法對區域生態系統水源涵養功能物質量進行估算，并在此基礎上對水源涵養功能變化特征進行分析。該方法所需數據容易獲取，計算過程也較簡單，從分析結果來看，能有效的反映區域水源涵養功能變化特征，但由于沒有考慮到不同生態系統對此方法的限制性因素，一定程度上影響了物質量估算結果的精度。因此今后可針對不同生態系統采用多種方法進行計算，以便更好的研究水源涵養功能及其經濟價值。

3.2 結論

本文通過分析得到以下主要結論：2000-2010年間，研究區水源涵養量空間分布呈現東高西低、東南高西北低的特征，與降雨變化趨勢基本一致。其水源涵養總量呈上升趨勢，十年間總量上升了1.61×108m3，其上升的經濟價值為1.08×108元。水源涵養功能主要集中在較高、中和較低等級，三者總面積比例三個年份分別為97.19%、97.00%和96.87%，水源涵養功能的變化方向主要是向中和較高等級轉移，整體呈現由低往高的變化特征。

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