2000-2010年貴州省生態系統水源涵養功能變化特征

吳 松　安裕倫　李遠艷　郭海祥　安宏鋒

(1.江蘇省南通市環境監測中心站， 江蘇　南通　226006； 2.貴州師范大學地理與環境科學學院， 貴陽　550001；3.貴州省基礎地理信息中心, 貴陽　550004； 4.貴州省環境監測中心站， 貴陽　550002)

2000-2010年貴州省生態系統水源涵養功能變化特征

吳 松1安裕倫2李遠艷2郭海祥3安宏鋒4

(1.江蘇省南通市環境監測中心站， 江蘇南通226006； 2.貴州師范大學地理與環境科學學院， 貴陽550001；3.貴州省基礎地理信息中心, 貴陽550004； 4.貴州省環境監測中心站， 貴陽550002)

摘要：本文采用降水貯存量模型，結合轉移矩陣，對生態系統的水源涵養功能狀況及其空間特征進行了評估，得出以下結論：2000-2010年間貴州省水源涵養總量下降了4.3×107m3，其經濟價值下降了0.29×108元；森林生態系統是水源涵養功能最大貢獻者；水源涵養量的最大值出現在梵凈山等生態質量較高的地區；水源涵養功能向高等級轉化，呈現出較大的由劣轉好的趨勢，生態環境質量得到一定程度提高。

關鍵詞：水源涵養；生態系統服務；喀斯特

水是生態系統不可或缺的要素，隨著我國水資源需求量的不斷增加以及水環境的急劇惡化，水資源及其生態功能對環境產生的影響已成為熱點問題。水源涵養是生態系統的一個重要功能，聯合國千年生態系統服務評估(MEA)將生態系統的水源涵養功能視為生態系統服務功能中調節和供給服務的一個重要方面，在人口急劇增長、城市化加快及氣候迅速變化的大背景下，生態系統的水源涵養功能必須加以重點的保護和管理。

在一定的時空范圍和條件下，水源涵養功能的主要作用是將水分保持在生態系統內，但受氣候條件、土壤理化性質、地形地貌等因素的影響，不同的生態系統其水源涵養能力是不同的，一般地，森林、草地、濕地具有很強的水源涵養能力，荒漠等無植被覆蓋的地方水源涵養能力則很低[2-4]。目前，計算水源涵養功能物質量常用的方法主要有水量平衡法、土壤蓄水法、降水貯存量法和地下徑流增長法等，同時，部分學者利用Invest等模型對區域水源涵養功能展開定量評估[9-10]。這些研究多數是集中在單一時相上水源涵養功能的分析探討，而開展多時相的研究不僅可以定量評估不同時期的水源涵養能力，而且可以依據其長時期變化特征，為統籌考慮區域生態修復等生態系統管理實踐提供理論參考[11]。

貴州省是長江、珠江上游的重要生態安全屏障，由于以碳酸鹽巖為主的基巖分布廣泛，導致土層淺薄，透水性低，加上喀斯特通道、溶洞、裂隙等較多，地表存水能力低下，使得研究區涵養水源能力有限[12]。開展該區域水源涵養的分析研究，為建設和保護區域生態環境和準確把握區域水資源利用效益提供科學依據，對促進“水-生態-社會”的可持續發展具有重要的現實意義。本文以遙感和地面調查數據為基礎，結合水資源數據，應用降水貯存量模型評估生態系統的水源涵養功能狀況及其空間特征，

探討水源涵養功能十年變化(2000-2010年)趨勢和特征，以期為喀斯特區域脆弱生態環境的可持續管理提供科學依據。

1研究區域與數據來源

1.1研究區域

貴州省地處我國西南部云貴高原東斜坡上，介于北緯24.37°～29.13°、東經103.36°～109.35°，共有9個地級行政區劃單位，政區面積176 167 km2(圖1)。貴州省是一個喀斯特地貌極度發育、緯度較低、切割強烈、地表起伏度大、多山地的亞熱帶高原山區，喀斯特地貌面積占全省總面積的73%。全省由西向東呈階梯狀下降，并且自中部向北、東、南三面傾斜，屬亞熱帶季風氣候，大部分地區的年平均氣溫為14～18℃，年降水量為1 100～1 300 mm之間。河流以苗嶺為分水嶺，以北屬長江流域，以南屬珠江流域。植被類型多樣，具有明顯的亞熱帶性質。土壤類型以黃壤、紅壤、黃棕壤為主。

圖1　研究區位置示意

1.2數據來源

表1為以2000、2005、2010年3期30米分辨率Landsat TM/ETM數據為基礎數據，經過幾何校正、

表1　貴州省不同生態系統類型面積

配準等處理，利用eCognition軟件進行面向對象分類得到的土地覆蓋數據，將研究區劃分為森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮、裸地等生態系統類型，其中城鎮不參與計算。降水量數據根據貴州省水利廳公布的相應年份各縣區的《水資源公報》統計得到。

2研究方法

2.1水源涵養量的計算

本文采用降水貯存量法估算水源涵養功能物質量，即利用森林生態系統的蓄水效應來衡量其涵養水分的功能[13]。其公式如下：

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

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))；A為生態系統面積(hm2)；J為研究區多年均產流降雨量(P>20mm)(mm)；J0為研究區多年均降雨總量(mm)；K為研究區產流降雨量占降雨總量的比例，貴州地處南方區，因而取值0.6；R0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；R為與裸地比較，生態系統減少徑流的效益系數，本文主要采用相關經驗數據，通過分析不同植被類型樹冠截流、土壤截流以及枯落物截流的異同，并將原有分類標準細化，進而確定其他類型R值(表2)。

對于貴州省水源涵養功能的計算，主要建立在省域尺度上進行相關公式的運算，對于各地州市的水源涵養功能的計算，則以各地州市范圍為尺度，結合相應的數據進行計算。

2.2水源涵養功能價值的計算

本文采用替代工程法將研究區各個生態系統的水源涵養功能價值量化[9-14]，其計算公式為：

∑V(x)=∑Q(x)×P(x)

(4)

式中：V(x)為研究區各生態系統在像元x處水源涵養的價值；Q(x)為像元x處的水源涵養量；P(x)為我國建成單位庫容的成本，取0.67元/m3。

2.3水源涵養功能分級

在ArcGIS平臺下，通過柵格計算獲得2000年、2005年和2010年的生態系統水源涵養量。在同一標準上將各時期水源涵養量進行標準化，公式如下：

Qij=(Qijx-Qijmin)/(Qijmax-Qijmin)

(5)

式中：Qij表示標準化后的各生態系統的水源涵養功能值；Qijx表示評價單元所對應的水源涵養功能值；Qijmax表示生態系統水源涵養功能的最大值；Qijmin表示生態系統水源涵養功能的最小值；i、j分別表示生態系統類型和評價的年份。

表2　貴州省不同生態系統類型R值

注：貴州省湖泊、河流、水庫等濕地生態系統水源涵養量為系統平均儲水(蓄水)量，其數據由相關統計資料查到，所以此處不計入R值。

根據ArcGIS中的分位數分類法將生態系統水源涵養功能值進行標準化，并將標準化的結果劃分為低(0～0.05)、較低(0.05～0.1)、中(0.1～0.3)、較高(0.3～0.5)、高(0.5～1)5個等級，統計得到3期貴州省各等級水源涵養功能值所占面積以及比例。

3結果與分析

3.1貴州省生態系統水源涵養功能總體特征

2000年、2005年和2010年貴州省水源涵養量分別為19.44×107m3、17.77×107m3和15.14×107m3，而水源涵養功能的經濟價值分別為1.30×108元、1.19×108元和1.01×108元，研究區水源涵養總量及其經濟價值均呈現下降的趨勢。由于貴州省是一個典型的喀斯特分布區，地形破碎致使生態系統斑塊面積普遍偏小，因此計算出的生態系統水源涵養量偏小，分級為低的這一級別所占比例很大，價值總量偏低。從生態系統類型上看(表3)，森林生態系統是生態系統水源涵養功能的主要參與者和最大貢獻者。其主要原因是森林對降水的截流和緩沖，增加了土壤下滲，減少了徑流量，水源涵養能力強，因而應加強對森林生態系統的保護。而灌叢和耕地對降雨動能的阻截能力下降，加劇了地表徑流的形成，從而導致產流量的增加，水源涵養能力降低。從分布范圍來看(圖2)，黔東南州、梵凈山保護區、赤水保護區以及畢節威寧的草海自然保護區等的水源涵養量高，其中水源涵養量的最大值出現在黔東南地區，該區域屬于非喀斯特區域，森林覆蓋率高且呈現片狀分布?？傮w上，貴州省水源涵養呈現出分布不均、數值跨越度大的特點。

表3　研究區不同生態系統水源涵養總量　×107m3

圖2　2000—2010年貴州省生態系統水源涵養功能等級分布

3.2貴州省生態系統水源涵養功能分級評價

從表4和圖3中可以看出，2000-2010年生態系統水源涵養功能呈現出逐漸轉好的趨勢,低等級的面積所占比例逐漸減小，而其他4個級別所占比例都有不同程度的增加，水源涵養功能向高等級別轉換。低級比例2000年為64.7%，2005年為62.3%，而2010年則降到的57.3%，其他4個級別中高級這一級別面積所占比例增幅最大，3期的比例分別為11.6%，12.7%，15.5%。貴州省實行退耕還林政策，促使森林覆蓋率不斷增加，增大了截留率，是生態系統水源涵養功能逐漸轉好的主要原因。

表4　貴州省不同級別生態系統水源涵養量轉移矩陣　km2

圖3　2000—2010年貴州省生態系統水源涵養功能分級特征面積柱狀圖

3.3貴州省各地州市水源涵養功能評價

貴州省各地市州2000-2010年水源涵養功能區分布見圖4。

圖4　2000—2010年貴州省水源涵養功能各地州市面積分布柱狀圖

由圖4可以看出，貴州省各地州市的生態系統分級特征及變化情況與省域特征和變化方向基本一致。2000-2010年，黔東南州的水源涵養功能最好，中等以上面積由2000年的1 109.7 km2增加到2010年的1 338.9 km2，而較低等以下的面積的比例逐年降低，由2000年的66.9%降至2010年的60.2%，減少了近7個百分點，這主要是因為黔東南州森林覆蓋率高，生態環境狀況較好；畢節市的水源涵養功能狀況次之，中等以上面積由2000年的880.9 km2增加到2010年的1 033.4 km2，而較低等以下的面積的比例逐年降低，由2000年的70.1%降至2010年的65.3%，減少了近5個百分點，這主要是與退耕還林工程的實施，使得其林地面積大幅增加，生態環境得到改善有關，特別是畢節威寧的草海自然保護區等生態環境較好地區，水源涵養功能較高；遵義、銅仁、黔南和黔西南水源涵養功能狀況比較接近，其中遵義市等級較高以上的面積比例由2000年占全市面積的11.3%增加至2010年的15.4%，中等以下的面積所占比例較大，但隨著森林覆蓋狀況的改善，其比例下降明顯；黔南州水源涵養功能等級低的比例較大，其2000年面積所占比例為67.1%，到2010年則為59.8%，需采取生態措施進行改善；銅仁市、黔西南州水源涵養功能較高等級比重增加明顯，特別是梵凈山等植被覆蓋較好的地區，水源涵養功能較高；而貴陽市、安順市和六盤水市等水源涵養功能相對較低，其水源涵養功能較高等級以上面積所占比例相對較小，而2010年較低等以下面積所占比例分別達到77.3%、68.1%和71.9%，相比2000年略有降低，但在市域范圍內其比重仍很大，這主要是由于人口密度大，城市化的推進，墾殖指數非常高，坡耕地分布較廣，存在一定程度的水土流失，且因各種自然因素和人為因素的影響，使得其市域范圍內水源涵養功能較低等級的面積所占比例相對較大，生態環境狀況仍需改善。

4討論與結論

4.1討論

貴州省是國家主體生態功能區劃中的重要組成部分，是長江、珠江上游的重要生態安全屏障。從本文的分析結果可以看出，雖然10年間貴州省水源涵養功能由劣向良轉變，且退耕還林等生態工程也取得一定的成效，但總體來看，水源涵養功能較低。主要原因有以下方面：(1) 由于多種人為或非人為因素致使生態系統遭受破壞，且部分生態系統仍未得到有效的保護；(2) 貴州省碳酸鹽巖分布廣泛，其質地堅硬，節理發育，導致土層淺薄，加之喀斯特溶洞、裂隙等廣泛發育，使得地表水下滲溶蝕嚴重，地表存水能力低；(3) 在計算模型中，年均降水量是重要的參數之一，由于氣象因素的影響，3期的年均降水量逐期遞減，這對計算結果產生了一定程度的影響。因此，在繼續加強生態工程建設和森林封禁管護的同時，應遵循自然規律，優化土地利用結構，加強生態系統的科學保護和管理，促進經濟-生態的協調、可持續發展[15-16]。

有效分析水源涵養功能的變化特征，是建立長效生態補償機制的基礎。本文采用的降水貯存量模型，數據獲取容易，計算簡單，但計算過程中考慮的影響因素有限，且受降雨量影響較大，對估算結果的精度造成一定的影響。在今后的研究中對不同的生態系統可以考慮結合不同的計算模型進行綜合計算，從而提高估算水源涵養量及其經濟價值的精度。

4.2結論

(1) 從整體上看，2000-2010年間貴州省水源涵養總量下降了4.3×107m3，其經濟價值下降了0.29×108元。從生態系統類型上看，森林生態系統是生態系統水源涵養功能的主要參與者和最大貢獻者，應加強對森林生態系統的保護。從分布范圍來看，水源涵養量的最大值主要出現在梵凈山等生態質量較高的地區。

(2) 從各等級上看，2000-2010年生態系統水源涵養功能向高等級轉化。低等級的面積逐漸減小，由2000年的64.7%降低至2010年的57.3%，其他級別所占比例都有不同程度的增加，其中高等級面積所占比例增幅最大，3期的比例分別為11.6%，12.7%，15.5%，由此反映出貴州省近10年來水源涵養狀況呈現出較大的劣轉良趨勢。

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Characteristics of variation of water conservation in Guizhou Province from 2000 to 2010

Wu Song1, An Yulun2*, Li Yuanyan2, Guo Haixiang3, An Hongfeng4

(1. Nantong Environmental Monitoring Center Station, Nantong 226006;2.School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001;3. Foundational Geography Information Center of Guizhou Province, Guiyang 550004;4. Guizhou Environmental Monitoring Center Station, Guiyang 550081,China)

Abstract:Guizhou province is an important ecological security barrier for the upstream of the Yangtze River and Pearl River. But as a result of the widely distributed carbonate rock, the storage ability of the surface water is limited. The study on the water conservation, can provide scientific basis for accurately understanding the utilization of regional water resources, and promote the sustainable development of the "water-ecology-society". In this paper, the ecosystem function of water conservation and its spatial characteristics were evaluated by rainfall storage and transfer matrix. The results showed that from 2000 to 2010, the total amount of water conservation presented a decreasing trend and decreased by 4.3×107m3, and the economic value had fallen by 0.29 × 108 Yuan, in which the forest ecosystem was the largest contributor. The maximum value of water conservation mainly occurred in Mount Fanjing and others with high ecological quality. The ecosystem function of water conservation presented an obviously upgrading trend and has transformed into the higher grade. The quality of ecological environment in Guizhou has been improved to a certain extent.

Keywords:water conservation; ecosystem services; karst

收稿日期：2015-12-07；2015-02-15修回

作者簡介：吳松，男，1989年生，碩士，研究方向：環境遙感與GIS。E-mail:wsfly1217@163.com 通信作者： 安裕倫，男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向：自然地理學、GIS和環境遙感。E-mail:anyulun@126.com

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

* 國家自然科學基金(41161002)；貴州省科技攻關項目：黔科合GY字(2006)3022；貴州省省長基金：黔省專合字(2011)46號；貴州省環保廳項目：全國生態環境十年變化(2000-2010)遙感調查與評估貴州專題