江西省水源涵養功能重要性評估技術研究

查東平，蔡海生，廖 兵，劉慧麗，苗世源

(1.江西省環境保護科學研究院，330039，南昌；2.江西農業大學/江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室/江西農業大學富硒農業產業發展研究中心，330045，南昌；3.中科遙感科技集團有限公司，300384，天津)

0 引言

生態保護紅線是指在區域國土空間范圍內具有重要生態服務功能，且必強制實施嚴格保護的重要生態區域，涵蓋了區域各類保護地與生態功能極重要和極敏感區域，為保障和維護國土生態系統安全的生命線和底線發揮重大作用。生態保護紅線的劃定和實施嚴格保護對于維護我國和區域生態系統戰略安全格局，推進生態文明建設具有重大意義，是習近平生態文明建設的重要戰略之一[1-4]。為確保區域生態系統功能不降低、保護面積不減少，用地性質不改變[5]的總體保護要求，對生態保護紅線區域部分等級實施一條線進行管控[3,5-6]。新階段，生態保護紅線進行校核評估與調整作為一項全新的、探索性的研究，特別是如何結合各省省情來合理劃定生態保護紅線，是在劃定過程中亟待解決的問題。

近年來，國內外學者對生態系統的水源涵養能力的評估方法和機理開展了大量研究。常用的模型有降水儲蓄法[7-9]，該方法根據森林生態系統的蒸散發經驗模型對森林生態對水的蓄積能力進行評估；林冠截留法[10]，該方法主要關注森林冠幅對降水的截留作用，未考慮土壤的徑流量影響；多模型方法[11]，如InVEST模型[12-14]、SEBAL-SCS模型[14-15]和SEBS-SCS模型[16-19]。以上方法在森林對水源涵養的機理方面研究提供了一定參考，但是在省級尺度并不一定適合，如森林生態系統的蒸散發模型、林冠截留模型對空間格局關注不夠[20-23]；多模型法所需參數較多，模型的計算工作量較大，步驟繁瑣，存在一些難以克服的缺點，如InVEST只關注與土壤層面的水源涵養能力[12-14]，SEBAL-SCS依靠經驗選擇冷熱點，溫度和風速參數的反演具有較大的不確定性，在結果上可能存在誤差[14-15]，SEBS-SCS模型對下墊面參數的要求較高，穩定修正函數存在一定的局限性[16-19]。本文采用水量平衡方程結合GIS空間分析功能，該方法將生態系統視為一個整體，從水量平衡的角度，將輸入(降水量)與輸出(蒸散發量和其他消耗量)之差作為水源涵養評估結果，原理簡單，過程清晰，可適用于省級及以上大尺度層面的評估[24-26]，是《生態保護紅線劃定技術指南》所推薦的方法。研究成果在江西省生態保護紅線劃定與校核調整工作中得到了實際應用。

1 研究區概況

江西省地處中國東南偏中部長江中下游南岸，古稱“吳頭楚尾，粵戶閩庭”，東鄰浙江、福建，南連廣東，西靠湖南，北毗湖北、安徽而共接長江。全省國土總面積為16.69萬km2，約占全國土地總面積的1.7%[27]。

江西省得天時，受濕潤亞熱帶季風氣候之惠，享地利，省域與流域范圍基本一致，水資源豐富，且自成體系，在江西省社會經濟發展和生態系統總體格局形成具有重要地位[28-29]。江西省水資源與江西省高覆蓋度森林資源與豐富的降水量密不可分，全省水系由贛江、信江、饒河、撫河和修水匯入鄱陽湖進入長江，江西省區域定性地貌和降水特性導致全省極易致洪[30-32]。

圖1 區域位置

2 研究方法

水源涵養功能作為森林、濕地與草地等生態系統的重要功能之一，對天然降水進行蓄存與涵養，減緩河流水流失，對河流湖泊水進行調洪續枯，實現對大氣水、河流水的循環調控[4,33-34]，減緩河流與湖泊水位的季節性波動，緩減洪水壓力，提升枯水期水位，緩解干旱，維持與凈化水質[35-38]。水源涵養功能一般以水源涵養量進行評估。

2.1 評估模型

水源涵養量通過采用水量平衡方程來計算，計算公式為[4]：

(1)

式中：T為研究區水源涵養總量(t)，Pm為研究區年總降水量(mm)，Rm為研究區年總地表徑流量(mm)，ETm為研究區不同地類蒸散發量(mm)，Am為第m類生態系統類型面積(km2)，m為研究區第m類生態系統類型，n為研究區域生態系統類型總數[4,34,39]。

2.2 模型計算

2.2.1 降雨量數據計算 降雨量數據采用1981-2010年全省87個站點雨量數據和2011-2015年全省15個雨量站點數據計算平均年降雨量。將87個平均年降雨量數據結合1:25萬地形數據采用協和克里金插值法得到全省降雨量數據。

圖2 江西省降雨量空間分布

2.2.2 地表徑流量 地表徑流量計算公式為[4,34]：

R=(P×α)

式中：R為研究區域地表徑流總量(mm)，P為研究區多年平均降水量(mm)，α為研究區平均地表徑流系數[4,34]。

根據全省土地利用現狀年度變更數據，并將不同地類與表1中各類生態系統類型分類系統進行匹配和賦值，通過空間計算得到全省徑流系數分布圖。

2.2.3 蒸散發量 蒸散發量數據采用1-12月及年參考作物蒸散量數據，數據記錄了利用1961-2000年的全國740個氣象站點觀測數據。以氣象數據空間化方法研究為基礎，依托GIS技術、計算機技術和空間數據庫技術計算作物蒸散量的空間分布數據，柵格的空間分辨率為1 km×1 km，重采樣為250 m空間分辨率[4]。

表1 江西省各類生態系統地徑流系數均值賦值情況表

序號生態系統類型徑流系數序號生態系統類型徑流系數1城鎮用地10011農村居民點1002低覆蓋度草地18.2712其它林地19.23高覆蓋度草地4.7813疏林地19.24工交建設用地10014水田505灌木林地4.1715水庫、坑塘06旱地7016灘地17河渠017有林地2.0388湖泊018沼澤地09裸土地10019中覆蓋度草地9.3710裸巖100

圖3 江西省徑流系數

圖4 江西省地表徑流量

根據相關研究[40-42]，中部地區蒸散量與海拔存在一定的相關性，特別是海拔100 m以上相關性較為顯著，表現為每升高100 m，蒸散量降低0.03%，因此通過DEM數據對蒸散量進行修正得到蒸散量因子柵格圖。

海拔因子采用1:25萬DEM數據進行最大值最小值法標準化到0～1之間，并重采樣為250 m，圖5為計算的1-Falt因子。

圖5 江西省1-Falt因子布

圖6 江西省蒸散發量

2.2.4 生態系統面積因子 生態系統數據采用30 m遙感影像進行解譯。解譯結果為矢量數據，并轉為250 m柵格數據，如圖7所示。

圖7 江西生態系統類型

2.2.5 模型運算 將各因子統一成250 m分辨率的柵格數據，根據公式計算得到生態系統水源涵養量,經統計全省水源涵養總量為66.9 億t/d。

圖8 江西省水源涵養量

2.2.6 全省水源涵養量分級計算 通過模型計算，得到江西省水源涵養量柵格圖,將計算結果進行歸一化處理，對處理結果屬性值進行由高到低排序累加計算服務值,將總值比例的50%與80%作為水源涵養功能評估極重要與重要分類限值[4,43]。分級設定情況見表2[4]。

表2 生態系統服務功能評估分級

圖9 江西水源涵養極重要區評估結果

3 結果與分析

3.1 水源涵養量極重要區域空間分布特征

利用水量平衡方程計算得到的江西省水源涵養空間分布結構差異顯著，各地分布不均，其中水源涵養極重要區域主要位于贛東、贛東北和贛西海拔較高的山區。根據評估分級結果，全省水源涵養極重要區域總面積44 052 km2，占全省總面積比例為26.39%，水源涵養重要區域總面積31 449 km2，占全省總面積比例為18.84%，水源涵養一般重要區域總面積91 426 km2，占全省總面積比例為54.77%(表3)。

表3 水源涵養量分級特征

3.2 水源涵養量極重要區域土地利用特征

將水源涵養極重要區域與第2次全國土地調查年度變更數據進行疊加，進而分析不難發現，水源涵養量極重要區幾乎全部位于森林覆蓋率高的區域。其中水源涵養極重要區域林地面積為39 025.31 km2，占比為88.59%；其次為耕地，面積為2 639.32 km2，占比為5.99%；第3為水域，面積為989.21 km2，占比2.25%(表4)。研究表明，植被覆蓋度越高，植被越茂盛，植被對水源涵養的能力越強。

表4 水源涵養極重要區域土地利用類型

4 討論

1)水源涵養功能重要性評估在生態保護紅線中起關鍵性作用。根據《生態保護紅線劃定指南》，生態保護紅線評估分為生態服務功能評估和生態敏感性評估[4,43]。結合江西省生態環境實際情況，評估內容主要包括水源涵養功能、水土保持功能重要性、生物多樣性維護功能和水土流失敏感性等4個方面[3]。江西省作為長江重要的流域，每年為長江下游各省市生產生活提供超過2 000 億t的清潔水源[44]，所以水源涵養在江西省生態保護紅線劃定中顯得尤為重要。通過對江西省水源涵養功能重要性評估可為生態保護紅線提供有力支撐。

2)水源涵養功能極重要性區域主要分布于贛東、贛東北、贛西等區域。根據分析結果，江西省水源涵養極重要區主要分布于上饒市、撫州市一帶的武夷山脈及其周邊區域，九嶺山脈、羅霄山脈等區域。該區域是江西省重要生態格局“一湖五河三屏”[3]的重要組成部分。極重要區域通過26.39%的國土面積可保障全省50%的水源涵養量，具有重要的保護價值。

3)水源涵養極重要區域植被覆蓋度高。水源涵養極重要區域主要覆蓋類型為林地，占比達88.59%，且該區域年降水量較全省平均值高，高林地覆蓋率和高降水量也是生物多樣性豐富區域，對該區域的保護也可對生物多樣性維護起較好效果。