海南島土地利用及產水量時空變化模擬

韓念龍，張亦清，張偉璇

(海南大學公共管理學院，海南 海口 570228)

土地利用變化對生態系統功能影響具有空間差異性，以生態系統碳循環為例，土地利用在熱帶和中高緯度地區分別導致碳釋放和碳匯兩種截然不同的變化[1]。熱帶地區土地利用改變導致反照率、蒸散發效率和地表粗糙率等變化的綜合效應引起溫度升高，從而對區域氣候產生影響，進而影響生態系統功能[2]。生態系統產水服務是生態系統重要功能之一，科學評估熱帶區域土地利用/覆被變化對生態系統產水功能的影響，對熱帶區域的水資源利用有著重要意義[3]。生態系統服務與權衡交易的綜合評估(integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)模型,其產水量模塊主要基于水量平衡原理，根據土地利用、氣候及土壤等要素實現對生態系統產水功能的定量、動態及可視化評估，目前已被學者應用于英國典型流域[4]、伊朗半干旱盆地[5]、橫斷山脈[6]、太湖流域[7]、三江源[8]、海南島[9]和大連市[10]等國內外區域生態系統產水服務的評估研究，均取得較好的模擬效果。

土地利用的類型、格局和強度變化都會影響生態系統服務[11]，依據土地利用模擬預測可以定量評估生態系統服務的發展趨勢，為未來生態系統的可持續發展提供支撐，這是當前生態與土地學科的交叉研究熱點。土地利用預測模型如CLUE-S(conversion of land use and its effects at small region extent)[12]、LUSD(land use scenario dynamics)[13]和FLUS(future land use simulation)[14]等的研究應用已比較成熟,其中FLUS模型基于元胞自動機及自適應慣性競爭機制，與其他模型相比模擬精度更高，廣泛應用于省級生態空間規劃[15]、城市邊界劃定[16]及農牧交錯帶土地利用優化[17]等方面，但較少應用于熱帶區域土地利用變化模擬對生態系統功能的影響。

海南島是我國典型的熱帶島嶼，作為一個獨立地理單元，隨著城鎮化進程加快及旅游資源的釋放，其生態系統功能受人類活動干擾發生的變化也較為明顯。在此過程中發生的大規模土地利用變化顯著影響了生態系統功能，而這些變化的趨勢對生態系統產水功能的進一步影響仍不清楚。為探明人類活動導致的土地利用變化以及趨勢對生態系統產水功能的影響，本文通過分析1995—2015年海南島土地利用變化趨勢，基于InVEST模型的產水模塊和空間制圖分析探討期間海南島的產水量變化趨勢及空間格局，分析各種土地利用類型的產水能力；同時基于FLUS模型進行2035年不同政策下的土地利用變化情景模擬，評估其對島嶼產水功能的影響，為海南島生態保護以及土地利用與水資源的保護與規劃提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

海南島位于我國南端，地處熱帶，位置在北緯18°10′～20°10′，東經108°37′～111°3′，陸域總面積約3.4萬km2，整體地形為四周低中間高，地貌結構復雜(圖1)。受熱帶季風氣候影響，海南島降雨比較豐沛，年均降水量約1 500 mm[9]。由于臺風頻繁及降雨時空分布不均等原因，海南島極易發生暴雨洪澇災害，洪澇災害風險由海南島中部地區向四周沿海地區逐漸增大，海南島東部及北部地勢平緩，人口密集，是發生洪澇災害的高風險區。據相關統計，1949—1979年海南島共出現洪澇災害20次,給社會經濟帶來很大損失[18-19]。2019年海南省地區生產總值5 309億元，比2018增長5.8%。常住人口為944.72萬人，城鎮化率為59.23%。根據海南自貿港建設的需求，未來常住人口仍將持續增加。2019年5月《國家生態文明試驗區(海南)實施方案》提出，為進一步發揮海南省的生態優勢，將海南定位為國家生態文明試驗區，為推進全國生態文明建設探索新經驗。由此可知，研究區自貿港建設在滿足經濟增長需要的同時，也面臨著生態文明建設的挑戰。

圖1 研究區示意圖

1.2 數據來源

研究數據主要包括用于產水量和未來土地利用變化的模擬所需數據。產水量模擬需要的數據包括土地利用、氣象及土壤數據等；未來土地利用變化模擬則利用自然、交通區位以及社會經濟等因素的空間驅動因子數據。具體來源如表1所示。

表1 數據來源

1.3 數據處理

產水量運算需要的數據包括土地利用、降水量、年潛在蒸散量、土壤深度、有效含水量和生物物理參數等。土地利用柵格數據是1995和2015年兩期基于Landsat TM/ETM遙感影像分類生成的空間分辨率為1 km的數據產品，根據GB/T 2010—2007《土地利用分類現狀》和海南島實際情況將土地利用類型分為耕地、林地、草地、園地、水域、建設用地和未利用地7類。氣象數據方面，為提升代表性，分別用1985—1995年和2005—2015年兩個時段表示1995與2015兩期的氣象特征。其中，基于海南島7個氣象站點(圖1)的日均降雨觀測數據，處理得到多年平均降水量，通過反距離加權插值得到1995和2015年兩期分辨率為1 km的降水量柵格數據；潛在蒸散量是基于7個氣象站點的氣溫、風速、日照時數和氣壓等日值數據，采用Penman-Monteith公式[20]計算并插值得出分辨率為1 km的柵格數據。土壤深度柵格數據基于南京土壤所中國1∶100萬土壤數據庫提取；有效含水量柵格數據根據土壤質地中砂粒、粉粒及黏粒的比例，采用土壤有效含水量經驗公式計算獲取，并通過重分類生成，兩者分辨率均為1 km。生物物理參數表的蒸散系數和植被根系深度分別根據聯合國糧農組織作物蒸散系數指南[21]和Canadell等[22]的研究得到。

FLUS模型除了相應的土地利用數據外，還包括自然、交通及社會經濟等驅動因子數據。其中，自然因子包括高程、坡度和到河流距離，這些數據從根本上影響著土地利用方式。研究采用SRTM 30 m分辨率的DEM數據，同時基于ArcGIS空間分析的坡度功能生成坡度數據。交通因素對土地利用格局也有較大影響，如城鎮會沿著交通道路沿線發展；交通通達性因子包括到一般公路、高速公路、城鎮中心的距離，利用ArcGIS歐式距離計算生成。社會經濟因素對土地利用格局也有著相當大的影響，本研究將海南各市縣的常住人口及地區生產總值數據進行空間格網化獲取社會經濟因子。

2 研究方法

2.1 InVEST模型的產水量模擬

InVEST模型產水量模塊主要基于水量平衡的假設估算方法，以某個柵格單元的降水量減去實際蒸散發量即為產水量。每個柵格單元x的年產水量Y的計算公式為

(1)

式中：ETA為柵格單元x的年實際蒸散量；P為柵格單元x的年降水量。兩者的比值即Zhang等[23]提出的近似Budyko曲線，計算公式為

(2)

其中

式中：ω為表征自然氣候與土壤性質的非物理參數；WAC為植被可利用水含量；Z為季節常數，代表區域降水分布及其他水文地質特征，取值范圍為1～10；R為干旱指數，定義為參考蒸散量ET0與降水量的比值；k為柵格單元x中植被蒸散系數。其中，ET0由Penman-Monteith公式[20]計算：

(3)

式中：Rx為地表凈輻射；G為土壤熱通量；Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線在T處切線斜率；γ為干濕表常數；Tmean為日平均溫度；u2為距地面2 m處風速；es為飽和水氣壓；ea為實際水氣壓。

2.2 基于FLUS模型的土地利用變化預測

FLUS模型主要由基于神經網絡適宜性概率計算及基于自適應慣性機制的元胞自動機組成。本研究采用FLUS模型基于1995年與2015年的兩期土地利用數據進行模擬，并由模擬結果預測2035年不同情景下的海南島土地利用格局變化。首先，采用隨機采樣策略提取1995年數據的10%作為訓練樣本，設置訓練隱藏層數為10，通過歸一化驅動因子，利用神經網絡算法計算得出2015年海南島土地利用類型適宜性概率圖層。同時，設定模型的鄰域影響因子和轉換成本，鄰域影響因子用以反映不同用地類型之間以及鄰域范圍內不同用地單元間的相互作用，轉換成本表示當前用地類型轉換為需求類型的困難度。鄰域影響因子的計算需要設定鄰域因子參數，其范圍為0～1，數值越大表示該用地類型的擴張能力越強。參考已有研究的經驗并考慮熱帶島嶼的土地利用特征，依次定義各用地類型的擴張能力。建設用地的擴張能力最強，設為1；林地次之，為0.8；耕地、園地和草地均設為0.5；水域、未利用地最弱，設為0.1。研究選用3×3的Moore鄰域模型計算鄰域影響因子。然后，基于馬爾科夫鏈模擬得到2015年各類用地的預期需求，計算實際用地之間的差異得到自適應慣性系數。最后，基于輪盤選擇機制確定元胞最終轉換的土地利用類型，從而實現2015年的土地利用模擬。

3 結果與分析

3.1 海南島土地利用變化

1995年海南島土地利用/覆被結構中，最高的林地占比50.8%，其次是耕地占比26.1%，第三為園地占比14.1%，水域、草地、建設用地及未利用地占比較小，分別為3.4%、3.1%、2.0%和0.5%。由表2可見，2015年，海南島的耕地、林地、草地及未利用地面積均有不同程度的減少，林地面積占比49.3%，耕地占比25.5%，園地占比15%，水域、草地、建設用地及未利用地占比分別為3.7%、2.9%、3.3%和0.3%。林地面積減小最多，共計493 km2，其中52.2%轉變成園地，18.8%轉變成建設用地，16.7%轉變成耕地；其次是耕地，面積減少219 km2，其中49%轉變成了建設用地，19.8%轉變成園地，16.4%轉變成林地。建設用地、園地與水域面積增加，建設用地增加最多，共計440 km2，增幅為63.2%，主要由耕地(46.1%)、林地(26.4%)和園地(15.5%)轉化而來。其次是園地，面積增加303 km2，增幅為6.4%，主要分別由林地(74.9%)和耕地(17.9%)轉化而來。水域面積增加104 km2，增幅為8.9%，主要來自耕地(37.5%)、林地(28.9%)和園地(21.7%)的轉化。總體而言，1995—2015年海南島處于快速城鎮化的過程，建設用地面積的增加主要來源于林地和耕地的轉化。

表2 1995—2015年土地利用/覆被轉移矩陣 單位：km2

3.2 海南島產水量模擬

經反復計算驗證，當季節常數Z取值2.6時模擬1995和2015年的海南島多年平均產水總量分別為321.14億m3和375.64億m3,1995—2015年平均產水總量為348億m3,與海南省水資源公報公布的1998—2015年多年平均地表徑流量351億m3較為接近,相對誤差僅為0.85%，說明產水總量模擬效果較好。

對比激光刻蝕區域與未刻蝕區域的力學性能可以發現，3種鋁合金的力學性能也基本相同，最大差異出現在LD10的抗拉強度，刻蝕后不過降低了3.7%。這進一步說明了刻型時激光不會對基體產生影響。

1995和2015年海南島降水量均值分別為 1 858.6 mm、2 001.2 mm，潛在蒸散量均值分別為 1 065.2 mm、1 037.8 mm，實際蒸散量均值分別為897.5 mm、879.8 mm，產水深度均值分別為 944.08 mm、1 104.3 mm,除實際蒸散外均呈上升趨勢，其中產水增幅為17%。圖2～5為1995、2015年海南島土地利用、年均降水量及產水深度情況。可見，1995—2015年，產水深度高值區在海南島的東北部和東部沿海區域集聚，產水深度高值區主要位于城市建設區、園地及耕地分布的人類活動頻繁區域。產水深度低值區的范圍在西南部不斷集聚并擴大，最終形成以中部山脈為界的東北高值區-西南低值區的海南島產水深度分布格局。1995—2015年，海南島西南部產水深度逐漸減少，但該區域中的城市建設區(如三亞、樂東及東方市)產水量依然增加(圖5(b))。

(a) 1995年

(a) 1995年

(a) 1995年

(a) 1995—2015年降水量變化

從空間上看，海南島產水深度空間分布受降水量和土地利用雙重影響，空間格局具有較高一致性。這種分布格局與海南島的降水量、植被分布及城市發展的格局存在直接關系，即降水多、植被蒸散量小或城市化進程高的區域，其產水能力較強。海南島受東南季風影響，西南部處于中部山脈的背風坡，導致該區域降水相對少，加上區域森林植被覆蓋率高及蒸騰作用，導致了西南部成為全島的產水深度低值區。

1995—2015年，海南島不同土地利用類型平均產水深度從大到小依次是建設用地、園地、草地、耕地、林地、未利用地和水域，各土地利用類型的單位面積平均產水深度依次分別為1 324.08 mm、1 123.96 mm、1 122.26 mm、1 117.05 mm、943.06 mm、730.14 mm和524.58 mm。

產水能力總體上與植被蒸散量呈反比關系[24]。

建設用地的植被最少，其蒸散量也最小，同時大量人工建筑地表增多導致不透水面積的增加，改變了水量平衡，使得降水入滲減少、洪峰流量增加，因此建設用地具有較高的產水量；林地對地表徑流具有攔截作用，同時土壤入滲量增加，延遲了降水匯流時間，削減了洪峰流量，加上植被的蒸散發能力最強，因此林地的產水量相對較低[25]。

海南島處于城鎮快速化進程中，建設用地增幅較大，另一方面，由于種植業在熱帶地區的天然優勢，園地增幅也較為明顯，建設用地和園地的平均產水深度在各土地利用類型中較高；林地占比大，減小面積多，通過表2得知林地主要轉換成產水深度較高的園地和建設用地；水域和未利用地的占比低，產水深度也較低，變動相對較小，對產水量的影響可忽略不計。因此剔除氣候因素，導致海南島產水量變化的主要原因是建設用地和園地的增加以及林地的減少，說明人類活動對海南島生態系統產水功能產生較大影響。

3.3 土地利用情景對產水量的影響

3.3.12035年土地利用變化模擬

表3 不同情景轉換成本矩陣

表4 2035年不同情景模擬的土地利用結果

由表4可見，基于自然發展情景模擬2035年的海南島土地利用變化仍延續快速城鎮化趨勢，建設用地面積比2015年增加36.8%，建設用地擴張主要有以下特征：首先是海口與三亞兩大城市邊界的擴張，海口市主要向東西兩側以及南部區域擴張，三亞市則在原有城區以及其西邊的崖州區擴張明顯；其次是中西部城市如洋浦、儋州、屯昌、臨高及澄邁等市城區的建設區擴大；第三是島內園地區域的建設用地增加明顯。園地比2015年增加5.94%，增加的范圍位于海南島中西部地區，由原先的小碎斑狀范圍擴大成塊狀區域。擴張的建設用地大都分布在園地區域內，可見種植業對生產生活等配套設施存在一定需求，從而導致建設用地增加。耕地減少2.38%，主要受到建設用地擴張的影響。林地、草地和水域均出現不同程度的減少，說明該情景下城市邊界的擴張擠占了部分生態空間，不利于可持續發展。

由表4可見，基于生態空間保護情景模擬的2035年海南島的建設用地較2015年增幅為3.18%，城鎮化增長的迅猛勢頭大為減緩。保障生態空間的林地、草地和水體總面積比2015年增加0.52%。其中，林地面積與2015年相比微增0.12%，與1995—2015年大幅減少的趨勢相比，已被遏制并得到改善。

3.3.2未來土地利用變化情景對產水量的影響

假設2035年研究區多年平均蒸散量及多年平均降水量同2015年保持一致，據此進行2035年海南島產水量模擬。圖6～8為2035年海南島不同情景下土地利用及產水量模擬及變化情況，自然發展情景下，2035年海南島平均產水深度為1 111.68 mm，比2015年增加7.38 mm。從空間上看，自然發展情景下產水深度增加區域主要位于海口和三亞兩大城市擴張區域及部分零碎的山地區域(圖8(a))；2035年海南島產水量為378.15億m3，較2015年增加2.51億m3，增長0.67%。自然發展情景下海南島延續著城鎮快速發展的趨勢，城鎮建設使得不透水面增加，從而導致地表徑流的增長，在此過程中需要防范城鎮區域的洪澇災害。生態空間保護情景下，2035年海南島平均產水深度為1 102.02 mm,較2015年減少2.28 mm；空間上，2015—2035年產水深度無明顯增加區域(圖8(b))，顯著少于自然發展情景；2035年海南島產水總量為374.86億m3，比2015年減少0.78億m3，降幅為0.21%，比自然發展情景減少3.29億m3。這主要是因為生態空間保護情景中，占海南島比例最大的林地數量得以保留并略有增長。由于林草地對地表徑流的攔截以及水域的蓄洪作用，減少地表徑流，能夠很好地抑制產水量的增加。不僅能夠降低洪澇風險，還能達到生物多樣性保護、水源地保護、水土保持等目的。因此，在坡地實施退耕還草還林、設置重點生態功能保護區等政策，對海南島生態系統功能保護有重要意義。

(a) 自然發展情景

(a) 自然發展情景

(a) 自然發展情景

4 結 論

海南島1995—2015年土地利用變化主要特征是快速的城鎮化進程，表現為城鎮化對林地和耕地的占用。產水量的模擬結果表明，1995—2015年海南島的產水量增加，產水深度空間上形成了東北高-西南低的非均衡分布格局；在各土地利用類型中，建設用地的單位面積產水能力最高，園地次之，水域最低。對2035年土地利用變化的模擬結果顯示，在自然發展情境下，海南島仍延續快速的城市化趨勢，導致產水總量比2015年增長了0.67%；在生態空間保護情景下，實施生態空間保護政策，使林地劇減的趨勢得以減緩，有效抑制區域產水量，這表明實施嚴格的生態紅線保護及退耕還林還草等政策，能夠提升水源涵養、水土保持能力及碳匯等生態系統功能，降低洪澇風險。因此，一方面要科學管控城市的規模及其發展速度，城市建設用地產水量較高，降水到達城市不透水面后通過地下管網直接排掉，難以被人類循環利用；另一方面，要盡量減少對林地的侵占，增加城市綠化面積，保障城市的生態空間，同時發揮水庫對降水的攔蓄作用，提高水資源利用率，這對降低暴雨洪澇風險，提升城市抗災能力有積極作用。