黔中城市群不同石漠化等級的水源涵養功能

羅毓融， 楊廣斌

(貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550025)

貴州省作為典型喀斯特省份，其生態環境尤為脆弱，水土流失嚴重，石漠化加劇等生態問題日趨加重。黔中城市群位于貴州省中部地區，包括貴陽市、遵義市、安順市、畢節市、黔東南州、黔南州和貴安新區7個市(州、區)的33個縣(市、區)，區域總面積5.38萬km2。據《黔中城市群發展規劃》指出，黔中城市群是貴州省建設國家生態文明試驗區、大數據綜合試驗區和內陸開放型經濟試驗區的重要支撐。水資源是構成生態系統不可缺少的要素之一，隨著社會與科技的發展，人類活動的加劇將原有的生態平衡打破，社會的可持續發展和人類的生存都面臨著挑戰。水源涵養通過截留降水、抑制蒸發，調節徑流和凈化水質等功能為生態系統和人類生活提供水資源[1]。關于水源涵養功能已有較多的研究報道，馬雪華[2]研究了土壤層厚度和非毛管孔隙度的乘積來表示土壤蓄水能力；郎奎建等[3]研究了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量的綜合蓄水能力；鄧坤枚等[4]通過降雨量和林冠截留率來計算林冠截留剩余量；張三煥等[5]通過平均降雨量與森林覆蓋率來計算降水儲存量等。鮮見關于不同石漠化等級水源涵養功能的研究報道。為此，選擇貴州省黔中城市群為研究區，利用遙感技術與GIS等空間技術，結合專家評判與層次分析法，運用水量平衡法研究其不同石漠化等級的水源涵養功能，以期為黔中城市群水源涵養功能的提高提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

貴州省2010年landsat8 影像，下載自USGS官網，利用ENVI等軟件對圖像進行幾何校正、輻射定標、剪裁等處理；氣象數據，來源于中國氣象數據網，并運用克里格插值法對獲取的34個氣象站點數據進行降水量及蒸發量的插值運算；植被覆蓋度數據，來源于美國國家航空航天局的MODIS反射率數據；土地利用數據，是通過從高分辨率影像上目視解譯得到；石漠化等級數據，來源于項目《喀斯特地區石漠化程度的空間分異格局和十年變化》；坡度數據，來源于地理空間數據云的DEM(GDEMDEM 30M 分辨率數字高程數據)數據經處理后得到。

1.2 研究區概況

黔中城市群地勢起伏較大，地貌類型復雜，平均海拔為1 100 m左右。由于地處喀斯特地區，部分區域巖溶地貌發育非常典型，石漠化較為嚴重。區域內河網密布，主要以烏江、清水江、赤水河、三岔河和六沖河等；區域內地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，物種豐富，植被覆蓋率較高，屬亞熱帶季風氣候區，降雨量充沛，冬無嚴寒，夏無酷暑；年平均氣溫14～17.6℃，年平均降水量896～1 342 mm。

1.3 方法

1.3.1 水源涵養量 根據前人的經驗及黔中城市圈的區域特征，參考文獻[6]的方法，采用水量平衡法計算貴州省黔中城市群2010年的水源涵養量(W，m3/a)。

W=(R-E)A

式中，W為水源涵養量(m3/a)，E為平均蒸散量(m3/a)；A為研究區面積(hm2)；R為平均降雨量(mm)。

1.3.2 水源涵養功能重要性評價指標的選擇及其權重與等級劃分

1) 指標的選擇。水源涵養是生態系統通過林冠層、枯落物、根系以及土壤層對降水進行再分配的復雜過程[7]，影響水源涵養功能的因素較多，在選取水源涵養功能重要性評價指標時必須遵循科學性、主導性、綜合性及可操作性原則。選擇具有代表性且能夠明顯反映出水源涵養功能差異的關鍵因子作為評價體系的指標。參考國內外水源涵養功能重要性評價指標的建立，結合黔中城市群的實際情況，選取土地利用類型、植被覆蓋度、降水量、蒸發量、土壤保持量和坡度作為評價體系的主要指標。

2) 評價指標的權重及等級劃分。在專家咨詢的基礎上，運用層次分析法計算水源涵養功能重要性評價體系各指標的相應權重(表1)，以GIS和RS為技術支撐，綜合考慮自然因素及人為活動等影響因子，并根據相關研究結果，確定各因子的分級標準(表2)。

表1 水源涵養功能重要性評價體系各指標的權重Table 1 Evaluation index system and weight of importance of water conservation function

表2 水源涵養功能各重要性區域的評價體系Table 2 Evaluation system of important regions of water conservation function

運用加權求和的方法綜合評價水源涵養功能的重要性，計算公式如下。

Ej=∑c(i,j)wij

式中，Ej為j空間單元水源涵養功能重要性綜合指數；C(i,j)為j空間單元第i個因素重要性等級值；wij為影響水源涵養功能重要性因子的權重。

2 結果與分析

2.1 黔中城市群水源涵養功能的重要性

黔中城市群水源涵養功能的重要性分為極重要、高度重要、中度重要、輕度重要和一般重要5個區域，其空間分布見封三圖Ⅰ。水源涵養功能極重要區和高度重要區占研究區總面積的49.35%，集中分布在東部和南部，較少分布于北部，該區域植被覆蓋度較高，覆蓋類型主要為林地類和草地類，且降水量較為豐沛，土壤蓄水能力較高，水源涵養功能重要性程度高。水源涵養功能中度重要區占研究區總面積的23.6%，主要分布在研究區河流水系發達的區域，該區域的水源涵養功能重要性程度較高。水源涵養功能輕度重要區占研究區總面積的18.7%，主要分布在北部地區，稀疏分布于東部地區、南部地區及西部地區，該區域的主要覆蓋類型為水田及旱地，其水源涵養功能較弱，加之人為活動的影響，該區域的水源涵養功能重要性較低。水源涵養功能一般重要區占研究區總面積的8.35%，該區域主要覆蓋類型為建設用地及裸地，蓄水能力差，水源涵養功能重要性程度低。

2.2 黔中城市群的石漠化等級

黔中城市群除非喀斯特地區外，其余區域皆存在石漠化現象，因此，石漠化狀況受喀斯特分布的影響較大。黔中城市群的石漠化土地面積占研究區總面積的19.17%，占研究區喀斯特地區總面積的24%，石漠化形勢相對嚴重。但研究區的石漠化等級主要為中度石漠化及輕度石漠化，占研究區石漠化總面積的92.29%，極重度石漠化和重度石漠化分布較少，僅7.71%。黔中城市群不同無石漠化等級所占面積依次排序為無石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>重度石漠化>極重度石漠化(封三圖Ⅱ)。

2.3 黔中城市群不同石漠化等級的水源涵養功能

從不同石漠化等級水源涵養功能的重要性區域看，高度重要區在各石漠化等級中所占面積最大，極重度、重度、中度和輕度石漠化等級地區的面積分別為11.62 km2、250.70 km2、1 584.91 km2和1 852.43 km2，該區域降水量大，植被覆蓋度高，蓄水能力強；一般重要區在各石漠化等級中所占面積最小，極重度、重度、中度和輕度石漠化等級所占的面積分別為4.26 km2、71.17 km2、368.40 km2和353.39 km2，該區域主要為建設用地，人類活動頻繁，蓄水能力差。在無石漠化區域，各水源涵養功能重要區所占面積依次為高度重要區>中度重要區>輕度重要區>極重要區>一般重要區。

從表3看出，在水源涵養功能極重要區，輕度石漠化面積最大，為878.45 km2；極重度石漠化面積最小，為8.2 km2。在水源涵養功能高度重要區，輕度石漠化面積最大，為1 852.43 km2；極重度石漠化面積最小，為11.62 km2。在水源涵養功能中度重要區，中度石漠化與輕度石漠化面積相對較大，二者所占面積接近，分別為1 133.78 km2和1 118.25 km2。在水源涵養功能輕度重要區，中度石漠化面積最大，其次為輕度石漠化；在水源涵養功能一般重要區，中度石漠化與輕度石漠化所占面積差距極小，極重度石漠化面積最小。

從喀斯特地貌與非喀斯特地貌看，非喀斯特地區各水源涵養重要性區域的面積依次為高度重要區>中度重要區>極重要區>輕度重要區>一般重要區。

表3 不同石漠化等級水源涵養功能重要性區域的面積Table 3 Important region area of water conservation function for different rocky desertification grades km2

3 結論與討論

人類活動使植被類型及土地的利用類型發生改變，從而直接影響區域水源涵養的變化；植被覆蓋度是描述生態系統的重要參數之一[8]，一般情況下，植被覆蓋度高的地區，植物生長茂盛，水源涵養量高，反之則水源涵養量低；由于水源涵養功能是多個水文過程及水文效應的綜合表現[9]，區域內的降水量、蒸發量、徑流量和水質情況等對水源涵養功能產生綜合影響。綜合自然和人為因素選取植被覆蓋度、降水量、蒸發量、坡度、土地利用類型、土壤保持量6個影響因子，基于專家判斷和層次分析法構建了水源涵養功能重要性評價體系，研究得到2010年貴州省黔中城市群水源涵養功能重要性的空間分布狀況。

研究結果表明，在各水源涵養功能重要性區域中主要以輕度石漠化為主，極重度石漠化極少，且水源涵養功能重要性越高其區域范圍內石漠化程度相對較低；但在各石漠化等級中，水源涵養功能重要性等級和石漠化等級并無嚴格線性關系，其等級間的相互關系較為復雜。

石漠化等級評價受植被覆蓋度、土地利用類型、坡度、基巖裸露率和降雨量等的影響，水源涵養功能重要性評價受植被覆蓋度、降水量、蒸發量、土地利用類型、土壤保持量和坡度的影響，二者在受到部分相同因素影響的同時，也互相作用。石漠化程度高的區域，一般植被覆蓋度低，在降水過程中土壤隨著雨水的流動而發生位置移動，加重該地區的水土流失，巖石裸露，并隨著時間的推移而演化為石漠化景觀，其水源涵養功能的重要性程度低。而水源涵養功能重要性程度高的區域，一般植被覆蓋度較高，水土保持能力較強，蓄水能力也相對較強，從而有利于植被的生長，減少水土流失，可有效防治石漠化的發生。