浙江省麗水市蓮都區水源涵養功能動態變化及發展趨勢

俞佳駿，余樹全，梁立成，張 超，周文春

（1.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州311300；2.浙江省麗水市蓮都區林業局，浙江 麗水323000）

人類從生態系統中直接或間接地獲得的益處被定義為生態系統服務功能［1］。生態系統服務功能與人類的生存息息相關，為人和自然的連接提供了一種可以進行價值評估的方法，并為保護和恢復生態系統提供了論據基礎［2］。20世紀中期以來，全球氣候變暖，氣溫的上升加速了全球水循環變化，也加劇了極端水文事件的發生，導致了全球水資源的重新分配［3］。水源涵養服務功能是生態系統服務中的極為重要的組成部分，開展水源涵養功能現狀和未來變化的研究，對理解不同區域尺度在全球變暖趨勢下的響應具有重要意義。目前，測量水源涵養能力的方法主要有土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法、林冠截流剩余量法、水量平衡法、降水儲存量法、年徑流量法、地下徑流增長法和多因子回歸法［4］。InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）模型由斯坦福大學、大自然保護協會、世界自然基金會和其他相關機構共同開發［5］，其水源涵養功能模塊主要是基于水量平衡法進行測算。InVEST模型在國外已有諸多成功應用［6-10］，國內利用InVEST模型進行的水源涵養研究主要集中在空間格局評價方面［11-16］，對歷年的時空序列變化分析較少，結合CA-Markov模型［17］進行未來的預測尚未見到報道。浙江省麗水市蓮都區是浙江八大水系中甌江水系、靈江水系和飛云江水系的發源地。本研究利用InVEST水源涵養功能模塊和CA-Markov土地利用預測模型相結合的方法，分析蓮都區水源涵養功能的時空變化特征，可為浙江省提出的 “五水共治”重大決策部署提供科學依據，為區域水源涵養功能規劃提供理論指導。

1 研究區概況

蓮都區地處浙江省麗水市甌江上中游， 位于 28°06′～28°44′N， 119°32′～120°08′E， 總面積為 1 502 km2。地處括蒼山、洞宮山、仙霞嶺3條山脈之間。境內地形可分為河谷平原、丘陵、山地3種，其中，低丘和高丘占全區總面積的57.0%，低山、中山面積占全區總面積的30.2%，平均海拔為381 m。氣候屬中亞熱帶季風氣候類型，雨水充沛，溫暖濕潤，四季分明，具有明顯的山地立體氣候特征［18］。

2 研究方法

2.1 水源涵養評價方法

利用InVEST模型對水源涵養功能進行評價。該模型主要根據水量平衡原理，通過降水、植物蒸騰、地表蒸發、根系深度和土壤深度等參數計算產水量。在產水量的基礎上，考慮土壤厚度、滲透性、地形等因素的影響，利用地形指數、流速系數和土壤飽和導水率對產水量進行修正。根據式（1）計算獲得水源涵養量：

式（1）中：R為水源涵養量（mm）；Ve為流速系數；K為土壤飽和導水率（cm·d-1），根據式（2）計算；IT為地形指數，無量綱，根據式（3）計算；Y為產水量，根據式（4）計算。

土壤飽和導水率基于Cosby土壤飽和導水率傳遞函數計算。式（2）中，S和C分別代表砂粒和黏粒的含量（%）。

式（3）中：DA為集水區柵格數量；SD為土壤深度；PS為百分比坡度。

式（4）中：Yjx為年產水量；Px為年均降水量；為土地利用類型j柵格上單元x的年均蒸散量，由式（5）計算。

式（5）中：Rxj為土地利用類型j上柵格單元x的干燥指數，無量綱，為潛在蒸發量與降水量的比值，根據式（6）計算；ωx為植物年需水量和降水量的比值，是描述自然氣候和土壤性質的參數，根據式（8）計算。

式（8）中：Z為Zhang系數，表征降水季節性特征的一個常數，其值為1～10，降水主要集中在冬季時，其值接近于10，降水主要集中與夏季或季節分布均勻時，其值接近于1。AxWC為植被有效可利用水。

2.2 CA-Markov模型

元胞自動機（cellular automata,CA）是由Von NEUMANN等在20世紀40年代最早提出的一種時間、空間和狀態都離散的網格動力學模型。馬爾可夫鏈（Markov）是預測事件發生概率的一種數學方法，是基于隨機理論形成的一種具備 “無后效性”的特殊隨機運動過程，即t+1時刻的狀態只與t時刻的狀態有關［19］。CA-Markov模型是綜合了Markov鏈對長時間序列的預測和CA元胞自動機基于空間關系和規則動力學模擬的優點，能更加準確地從時間和空間上模擬土地利用類型變化的情況。

式（9）中： St，St+1為 t，t+1時刻土地利用系統狀態； Pij為狀態轉移矩陣。 式（10）中， S′t,S′t+1為 t， t+1時刻元胞狀態；Ud為d維的元胞空間及網格單元；Nt為t時刻鄰居的狀態組合；f為轉換規則。

2.3 數據來源及參數處理

根據模型所需參數，對各參數進行獲取及本地化處理。以1994年5月12日、2001年4月13日Landsat 5遙感影像、2008年7月5日Landsat 5遙感影像以及2015年10月13日Landsat 8 OLI影像為數據源，參考 “GLC2000土地覆被分類系統”將土地覆被類型［20］主要分為裸地、農田、城鎮、水體、針葉林、灌叢、闊葉林、竹林和針闊混交林等9類，采用隨機森林法進行土地覆被類型分類。降水等氣候數據根據蓮都區及周邊地區氣象站記錄的各年份數據進行插值獲得，2030年氣候數據來自于國家氣候中心參與政府間氣候變化專門委員會（IPCC）時根據北京氣候中心模型模擬所得［21-22］；土壤深度參考浙江省森林資源二類清查數據和1∶50萬浙江省土壤數據；根系深度及流速系數參數根據研究區前期外業調查和周邊地區已有研究，進行本地化處理獲得，盡量保證參數符合實際情況；土壤飽和水率［23］參考1∶50萬浙江省土壤數據，利用COSBY等［24］的土壤傳遞函數計算獲得；植物可利用水根據外業調查所得田間持水量數據，參考周文佐［25］的研究結果進行處理獲得；地形數據來源于日本地球遙感數據分析中心提供的30 m分辨率全球數字高程模型數據。

本研究利用InVEST模型計算水源涵養功能時均以30 m×30 m分辨率的柵格圖為參數來源，同樣也是以該分辨率柵格作為最小單位對結果進行輸出計算。輸出結果為水源涵養深度（mm）。通過單位換算匯總得出研究區水源涵養總量（m3）。以鄉鎮矢量邊界對研究區各地區水源涵養量進行統計，從而分析研究區水源涵養功能的數量及空間變化特征。

對遙感影像進行解譯后，由于地物光譜特征存在 “異物同譜”和 “同物異譜”現象，因此，2015年土地覆被類型是利用高精度影像和野外實地調查數據對研究區土地覆被類型分類進行精度驗證。對于1994，2001和2008年土地覆被類型分類無法進行野外實地調查驗證的問題，根據土地覆被類型具有一定規律性的特點，結合相關年份的統計年鑒、森林資源二類小班調查數據和當時的土地利用現狀圖等輔

式（6）中：k為作物系數，是作物蒸散量ET與潛在蒸散量的比值；是指假設平坦地面被特定矮稈綠色植物全部遮蔽，同時土壤保持充分濕潤情況下的蒸散量，采用式（7）計算。

3 結果分析

3.1 土地覆被數量與空間變化

從表1可以看出：2015年研究區針葉林的面積最大，達6.08×104hm2，其次是針闊混交林和闊葉林，分別為2.55×104hm2和2.16×104hm2，裸地、水體和灌木林的面積較小。1994-2015年，城鎮、闊葉林、竹林和針闊混交林面積均有不同程度增加，其中，針闊混交林增幅最大，其次分別是城鎮、闊葉林和竹林。裸地、農田、水體和針葉林面積均有不同程度的下降，其中，針葉林和裸地下降幅度最大，其次分別是農田和水體面積。

表1 不同年份不同土地覆被類型的面積和比例Table 1 Area and proportion of land cover in different years

從圖1研究區土地覆被空間分布狀況可以看出：1994-2001年，研究區中北部地區裸地面積顯著減少，被以針葉林為主的林地所替代；竹林、闊葉林和針闊混交林面積增長明顯，主要集中在研究區南部，峰源鄉和蓮都林場等地。2001-2008年，裸地面積持續減少，竹林、闊葉林和針闊混交林面積持續增加，在北部和東部部分地區增長明顯；同時在此期間，城鎮面積增長迅速，主要在萬象街道和白云街道原有城鎮基礎上呈現輻射型擴張，并在南明山街道地區發展形成新城區。2008-2015年，城鎮面積持續在研究區中部南明山街道等地快速擴張。同時，研究區北部和南部地區針葉林面積下降，闊葉林和針闊混交林面積提高。1994-2015年，蓮都區北部地區裸地被以針葉林為主的林地替代，南部地區針葉林逐漸被竹林、闊葉林和針闊混交林所替代，土地覆被類型空間分布格局變化較大。此外，21 a間蓮都區中部城鎮擴張明顯，人為活動增加，對生態環境干擾加劇。

圖1 研究區1994-2015年土地覆被類型圖Figure 1 Spatial characterisitic of land cover from 1994 to 2015

3.2 水源涵養能力評價

3.2.1 InVEST模型水源涵養驗證 通過查詢黃渡、小白巖、上顯灘3個水文站和五里亭水庫的水文記錄，獲得1994，2001，2008和2015年研究區的徑流深度數據。根據氣象數據查詢可知：研究區1994，2001，2008和2015年降水量分別為 1 453.0，1 460.0，1 147.0和1 674.0 mm。根據相關研究［26］可知：蒸散量約占實際降水量的30%。通過研究區降水量、蒸散量和徑流深度可以計算水源涵養深度（V），公式為V=P-E-C。其中：P為降水量，E為蒸散量，C為徑流深度。將相關參數代入計算，得出研究區各年份各水文記錄點的水源涵養深度值，并將實測結果與InVEST模型所得估算結果進行檢驗，結果如圖2所示。由圖2可知：估算值對實測值的回歸方程為y=0.9x+36.17，R2為0.83，表明方程擬合程度較高，InVEST模型能夠較為真實地反映研究區水源涵養功能。

圖2 InVEST模型精度檢驗Figure 2 Accuracy test of InVEST model

3.2.2 水源涵養量時間變化 1994-2015年，研究區水源涵養功能提高明顯。從表2可以看出：1994年研究區水源涵養總量為1.11×108m3，水源涵養深度為69.98 mm；2001年研究區水源涵養總量為1.57×108m3，水源涵養深度為98.40 mm；2008年研究區水源涵養總量達1.23×108m3，水源涵養深度為82.36 mm；2015年研究區水源涵養總量達1.83×108m3，水源涵養深度為114.01 mm。21 a間研究區水源涵養功能提高了62.92%。研究區水源涵養功能提高并非勻速，不同時期變化情況有所不同。1994-2001年水源涵養總量提高了0.46×108m3，水源涵養深度提高了28.42 mm，年均水源涵養功能增長5.10%，2001-2008年水源涵養總量減少了0.34×108m3，水源涵養深度降低了16.04 mm，年均水源涵養功能減少2.33%;2008-2015年，水源涵養總量增長了0.60×108m3，水源涵養深度提高了31.65 mm，年平均增長率為5.49%。但從研究區各年度水源涵養深度占降水量比例來看，1994年為4.82%，2001年為6.47%，2008年為7.18%，一直表現增長趨勢，但2015年由于降水量過高，水源涵養深度占降水量6.81%，稍有下降。從表2可以看出：21 a間研究區各鄉鎮水源涵養功能提高程度差異明顯，其中，水源涵養總量增長明顯的鄉鎮為雅溪鎮和黃村鄉，1994-2015年分別增長了9.72×106m3和9.68×106m3，分別提高了75.44%和71.42%。水源涵養總量增長較少的是萬象街道，增長0.02×104m3，僅提高了5.71%。水源涵養深度提高最為明顯的依然是雅溪鎮和黃村鄉，分別提高了82.70 mm和92.73 mm，提高比例分別為75.12%和70.94%。萬象街道的水源涵養深度提高最少，僅1.10 mm，提升比例僅為4.07%。從表3可以看出：研究區水源涵養功能變化呈現先增后減再增，總體提高的趨勢。但各鄉鎮地區水源涵養功能前中后期變化特征并不一致，其中萬象街道、蓮都林場和大港頭鎮后期年平均增長速率高于前期；白云街道、紫金街道、仙渡鄉、麗新畬族鄉、峰源鄉和南明山街道前后期年平均增長速率相近；其余各鄉鎮前期年平均增長速率高于后期。

表2 1994－2015年研究區水源涵養功能情況Table 2 Water retention of study area from 1994 to 2015

表3 1994－2015年各時期研究區水源涵養功能變化特征Table 3 Characteristics of water retention function in different periods from 1994 to 2015

3.2.3 水源涵養功能空間格局變化 從圖3可以看出：研究區1994，2001，2008，2015年的水源涵養功能空間差異明顯。1994年水源涵養深度為69.98 mm，僅東北部黃村鄉、北部雅溪鎮和南部峰源鄉部分地區水源涵養功能較高。2001年水源涵養深度為98.40 mm，南部峰源鄉、蓮都林場和東北部黃村鄉水源涵養功能好于其他地區，個別地區水源涵養深度達到300 mm以上，中部地區水源涵養功能較低；水源涵養深度較大的區域面積明顯增大。2008年研究區水源涵養深度為82.36 mm，水源涵養功能空間格局整體與1994年相似，但略好于1994年。2015年水源涵養深度為114.01 mm，水源涵養功能較高的地區為南部峰源鄉和蓮都林場，其次是東北部黃村鄉和雅溪鎮，水源涵養功能較低的區域主要分布在中部白云街道、萬象街道、南明山街道和碧湖鎮等地。水源涵養深度較大的區域面積明顯進一步增大。1994-2001年，研究區水源涵養深度僅中部城鎮和農田呈現減少趨勢，其他地區均有不同程度的增長，大部分地區增長量為20～40 mm，部分地區增長量達40 mm以上。2001-2008年，研究區水源涵養功能下降明顯，其中北部和中部地區降幅較大。2008-2015年，研究區水源涵養功能增長迅速，其中中部和北部地區水源涵養功能變化最為劇烈，南部地區水源涵養功能已處于較高水準，因此增長并不明顯。1994-2015年，研究區各地區水源涵養功能均有不同程度的增長，其中南部峰源鄉和蓮都林場尤為明顯，其次是蓮都區北部黃村鄉、雅溪鎮、巖泉街道和太平鄉等地，中部地區雖有一定程度的提高，但部分地區水源涵養功能仍處于較低的水平。對比土地覆被類型變化和水源涵養功能可以看出，森林植被面積的提高能有效改善區域水源涵養功能狀況。不過研究區2008年由于整體降水量較低，導致當年水源涵養量并不理想。

3.2.4 影響因子分析與模型精度驗證 選取2015年研究區水源涵養結果及其相關的12項因子（降水量、潛在蒸發量、植物可利用水、土壤深度、流速系數、土壤飽和導水率、地形指數、數字高程數據、實際蒸散量、森林面積比例、裸地城鎮面積比例和闊葉、針闊混交林面積比例），基于Arc GIS平臺，使用Arc GIS流域分析算法，將研究區劃分為122個小流域，并以小流域為單位統計水源涵養量及各因子平均值。利用SPSS 19.0對統計數據進行逐步回歸分析，保留顯著因子、剔除非顯著因子，方程最后得到R2為0.894，表明方程擬合程度較好，可信程度較高。由表4可知：土壤飽和導水率對研究區水源涵養功能的正面影響最大，闊葉、針闊葉混交林面積比例和降水量的正面影響次之，并且土壤飽和導水率會隨著植被的改善和群落的演替而提高［27-28］，因此，森林結構的改善將進一步改善水源涵養；裸地、城鎮面積比例有較高的負面影響，實際蒸散量的負面影響程度相對較小，但具有較高的負相關性。由此可以看出：影響研究區水源涵養功能的因素主要可分為兩大類：氣候因素和下墊面特征，其中下墊面特征對水源涵養功能的影響程度更高。下墊面特征因素表明當區域內土壤屬性改善，闊葉林、針闊混交林面積增加，裸地及城鎮面積減少時，相應的會增強區域內的水源涵養功能。氣候因素表明當區域內獲得更多的降水，并同時減少蒸散的情況下，水源涵養功能將隨著提高。以上因素是相輔相成，共同對水源涵養功能發揮作用的。研究區1994-2015年水源涵養功能提高的原因，主要是21 a間研究區森林面積的增加和結構的改善。

圖3 研究區水源涵養空間分布圖Figure 3 Spatial distribution characteristics of water retention in Liandu District

表4 水源涵養功能影響因素Table 4 Influencing factors of water retention

3.3 研究區2030年水源涵養能力的預測

3.3.1 土地覆被預測變化分析 基于1994和2001年土地覆被類型分類結果數據，利用CA-Markov模型對蓮都區2015年的土地覆被類型進行模擬，利用模擬結果與2015年土地覆被實際類型進行對比，檢驗其精度，得到Kappa系數為0.72，為中等一致性，模擬結果可信。基于2001和2015年土地覆被類型分類結果，利用CA-Markov模型對2030年蓮都區土地覆被類型進行模擬預測（表5）。如圖4所示：研究區2030年土地覆被類型整體與2015年差異不大。城鎮、闊葉林、竹林和針闊混交林均有不同程度的增長，其中針闊混交林增幅最大，面積和比例分別增長了3.40×104hm2和2.27%，城鎮、闊葉林和竹林的面積比例分別增長了1.10%，1.81%和1.49%。針葉林、灌木林、裸地、農田和水體呈現下降趨勢，其中針葉林降幅最大，面積和比例分別下降了9.57×104hm2和6.37%；裸地、農田、水體和灌木林略有下降，降幅較小。從空間上來看，2015-2030年，研究區北部變化相對明顯，原有針葉林逐漸被闊葉林、針闊混交林和竹林替代，變化部分主要發生于斑塊交接區域。研究區城鎮在原有基礎上穩定發展，在甌江兩岸逐漸擴張并相互連接，同時碧湖鎮的村落也逐步發展增大。雖然研究區城鎮發展分布廣泛，但由于研究區城鎮周邊公益林面積較大，限制了城鎮的向外快速擴張。

表5 研究區2030年土地覆被類型預測Table 5 Area prediction of land cover of Liandu District in 2030

圖4 2030年研究區土地覆被類型和水源涵養功能預測Figure 4 Prediction of land cover and water retention of Liandu District in 2030

3.3.2 水源涵養能力預測分析 預測結果顯示，研究區2030年水源涵養總量為1.81×108m3，水源涵養深度為112.90 mm，與2015年相比整體差異較小，略有下降。2030年研究區水源涵養能力最好為峰源鄉和黃村鄉，其水源涵養深度分別為228.27和223.29 mm，其次為蓮都林場、市白云山林場、巖泉街道、雅溪鎮、太平鄉、紫金街道和老竹畬族鄉，水源涵養深度均在100 mm以上，其余鄉鎮地區水源涵養深度均在100 mm以下。黃村鄉和雅溪鎮水源涵養總量較高，分別為2.32×107m3和2.23×107m3。根據模擬結果來看，蓮都區在未來增強水源涵養功能的任務仍十分艱巨。重點應該關注北部和西部地區，這2個地區有較高的水源涵養潛力。建議對其林型結構進行逐步改善，提高當地的生物多樣性水平，增強生態系統穩定性。南部地區為水源涵養最高的地區，應該繼續維護其目前的森林建設水平，保持現狀。中部地區是以城鎮分布為主，難以實現較好的水源涵養能力。因此，應該注重城鎮周邊山體植被修復和城市內部綠地建設，有效利用各類綠地，提高單位面積的水源涵養能力。

4 結論與討論

1994-2015年，蓮都區土地覆被類型變化明顯，森林面積和結構改善顯著。針闊混交林、闊葉林和竹林面積分別增加了1.42×104，1.06×104和0.84×104hm2， 裸地面積減少了1.91×104hm2。 森林面積的增加有效地改善生態系統環境，有利于蓮都區水源涵養功能建設和區域可持續發展。

21 a間，蓮都區水源涵養功能提高了69.92%，其中前期的增速要高于后期；從空間分布上來看，蓮都區水源涵養功能南部地區好于北部地區，中部地區最差，其中雅溪鎮和黃村鄉的水源涵養功能最好，21 a間水源涵養深度分別提高了82.70和92.73 mm，萬象街道的水源涵養功能最差，21 a間僅提高了1.10 mm。

2030年模擬結果顯示，蓮都區水源涵養功能與2015年差異不大，水源涵養深度和總量分別為112.90 mm和1.81×108hm3，西部和北部地區水源涵養提升潛力較大。

氣候因素和下墊面特征是影響蓮都區水源涵養功能的2個主要因素。下墊面因素中，土壤飽和導水率和不同土地覆被類型的面積比例對水源涵養功能有重要影響；在氣候因素變化難以控制情況下，唯一措施就是通過改善植被來提高區域水源涵養功能，保障區域水資源安全。

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