基于InVEST 模型的迪慶州水源涵養量時空演變分析

張雨果,魏曉燕,寇衛利*，張永林

（1.西南林業大學,云南 昆明 650224；2.云南省測繪資料檔案館（云南省基礎地理信息中心），云南 昆明 650034）

引言

生態系統服務作為生態系統向人類提供生存、發展的基本自然環境條件與效用，人類可持續發展的資源皆來源于生態系統[1]，水源涵養在各項生態系統服務中處于重要的中心地位，對其他生態服務功能都會產生巨大影響。國際上，諸多研究人員基于InVEST 模型對不同氣象條件、不同地區、不同土地利用類型的生態系統水源涵養功能量進行估算和可用性驗證方面獲得了許多成功的應用研究[2-5]，如韓國森林生態系統水源涵養功能量估測、尼羅河流域盆地的不同部分的產水能力分析、在人口增長劇烈萬隆市的水源涵養功能量評估以及其在英國的可用性研究。在國內，也有許多學者基于許多國外的研究成果，對InVEST 模型也進行了許多應用研究，如陜北黃土高原10 年間的水源涵養功能量、15 年間江蘇的水源涵養量及其主要影響因素、岷江上游水源涵養功能量以及價值以及20 年間黃河流域產水量時空變化格局。基于此，本研究利用InVEST 模型，以位于青藏高原和云貴高原過渡地區的迪慶州為研究對象，估算其水源涵養功能量，并且分析討論氣候變化、土地利用類型變化對水源涵養功能量的影響，為保護我國西南地區高原水資源安全提供建議。

1 研究區概況

迪慶州位于云南西北部（97°31′～106°11′E,21°8′～29°15′N），下轄維西縣、德欽縣和香格里拉市，是藏、川、滇三省結合處，作為青藏高原向云貴高原的過渡帶，地形地貌極為特殊，包含兩大高原地形特征；其高程范圍在1 413～6 633 m 之間，地勢呈北高南低，海拔高差達5 220 m，氣候條件差異顯著，降水量分布極度不均；研究區是一個典型的高原生態敏感脆弱區，其土地利用類型呈垂直方向分布，由高海拔至低海拔依次為未利用地、草地、森林、農田、水域、建設用地；瀾滄江、金沙江等多條亞洲重要河流流經該地區，迪慶州是長江上游水資源安全的重要生態保護屏障。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究數據主要包括2000-2018 年的土地利用/土地覆蓋、降水量、潛在蒸散量。具體原始數據和數據來源見表1，坐標系統一設置為CGCS2000 投影坐標系，并對原始數據鏡像統一重采樣為30 m。

表1 數據類型及數據來源

2.2 研究方法

2.2.1 InVEST 模型

InVEST 模型由斯坦福大學、大自然保護協會（TNC，The Nature Conservancy） 與世界自然基金會（WWF，World Wide Fund for Nature）在2007 年聯合開發。通過地形系數、土壤飽和導水率以及流速系數對產水量進行修正獲得水源涵養量，計算方法如式（1）-（2）所示。

式中：WR 為研究區的水源涵養功能量（mm），K 為土壤飽和導水率（mm/d），利用Neuro Theta 軟件計算獲得；Velocity 為流速系數；TI 為地形指數。具體計算公式（2），其中Drainage_Area 為研究區柵格數量，無量綱；Soli_Depth 為土壤深度（mm）；Percent_Slope 為百分比坡度；Y(x)為利用InVEST 模型Water Yield模塊計算的產水量結果。

2.2.2 土地利用類型轉移矩陣

土地利用類型轉移矩陣是一種研究分析土地利用轉出面積和轉入面積的系統分析學方法，能夠對特定時間內土地利用類型轉變方向和程度進行描述，表達式見式（3）

式中：M 為土地面積；n 為土地利用類型數量；a，b 分別為研究周期內開始和結束的土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 水源涵養時空分布特征

通過對InVEST 模型所獲得的產水量結果進行修正得到研究區內2000-2018 年水源涵養功能量，2000年平均水源涵養深度和年度涵養量為120.69 mm、26.70×109m3，2005 年平均水源涵養深度和年度涵養量為88.28 mm、19.60×109m3，2010 年平均水源涵養深度和年度涵養量為101.8 mm、22.54×109m3，2015年平均水源涵養深度和年度涵養量為59.98 mm、13.28×109m3，2018 年平均水源涵養深度和年度涵養量為85.48 mm、18.93×109m3。迪慶州近20 年來，年平均水源涵養深度和年度涵養總量波動幅大較大，結果顯示波動幅度分別為-26.59%、14.97%、-41.06%、42.52%，總體而言該地區年度涵養總量呈下降趨勢。

如圖1 所示迪慶州水源涵養的空間分布情況，可明顯看到水源涵養功能量的空間分布格局差異較大，水源涵養深度較高的單元格主要集中分布于西南部海拔相對較低的瀾滄江峽谷，北部、東北部則以水源涵養深度較低的柵格單元為主。這就導致研究區水源涵養深度空間格局呈現出自西南向東北逐漸降低分布特點，并且這種空間分布格局在不同的年份都具有較好的一致性。

圖1 迪慶州水源涵養深度空間分布

3.2 氣象因素對水源涵養量的影響

由于InVEST 模型評估的產水深度的方法實質上是每個柵格單元的年均降水量與實際蒸散量的差值，產水量通過修正后獲得水源涵養量，這就使氣象因素對水源涵養功能量的影響較大。研究區內2000-2018 年間年降水量與水源涵養深度類似，具體表現為西南高、東北低的趨勢，總體而言呈下降趨勢。以2000 年為基準，瀾滄江流域降水量為整個研究區最高。2000-2005 降水量相對下降10.88%，2005-2010 降水量相對增加6.39%，2010-2015 降水量相對下降17.02%，2015-2018 降水量相對增長11.2%，雖然近20 年以來迪慶州降水量波動幅度較大，但是整體的空間分布格局特性變化不大。

近20 年間研究區受到多種因素的影響下年蒸散量不斷變化，總體而言呈上升趨勢。以2000 年為基準年蒸散量較高柵格單元主要集中城鎮、河流附近，伴隨著時間的發展，2000-2005 年研究區內平均蒸散量相對增加22.7%，其中大型流域和人口較多的城鎮增加尤其明顯；2005-2010 蒸發量相對減少3.58%，空間分布格局變化相對前一期并不明顯；2010-2015 蒸發量相對增加26.65%，達到了五期數據的峰值，整個瀾滄江流域都出現了明顯增加；2015-2018 蒸發量相對減少18.7%，恢復到了相較于2005 年更低水平。

3.3 不同土地利用類型的水源涵養能力

本研究參考劉紀遠將中國土地利用類型分為6個大類，也將迪慶州的土地利用類型分為6 個大類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

由于土地利用類型的不同，導致土壤含水量、凋落物持水能力、蒸發能力及冠層截留水量均存在差異，所以不同土地利用類型水源涵養能力不同。表2 分別統計了迪慶州不同土地利用類型下水源涵養深度的差異，2000-2018 年水源涵養平均深度由高到低依次為林地、草地、耕地、未利用地、建設用地、水域。迪慶州屬于濕潤區，該地區的森林受到氣候變化較為敏感，林地主要由喬木、灌木組成，根系較深，能在降雨量較大的季節更好地涵養土壤中的水源，減少地表徑流。草地作為研究區內面積僅次于林地的土地覆蓋類型，在降水量較低的年份憑借其自身特性能夠減少水分的蒸發；耕地的水源涵養深度屬于較高水平，但是耕地的水源涵養深度相較于其余土地利用類型受人為因素變化程度較大。

表2 迪慶州不同土地利用類型平均水源涵養深度（單位mm）

根據表3 所示研究區內林地的面積最大，其次為草地、未利用地、耕地、水域、建設用地。其中林地、草地、水域和建設面積均有不同程度地增加，而耕地和未利用地卻出現了不同程度的減少。城市周圍的部分耕地逐漸轉換為建設用地，其中離城市距離較近的耕地逐漸轉化為建設用地，部分耕地則通過退耕還林工程轉化為林地，這種轉變在香格里拉市區最明顯。其中高質量林地成為林地面積增長的主要動力，而疏林地面積卻大幅度減少。研究區內部分高山積雪融化之后，裸露出的土地發展成為草甸，隨著時間的推移，草甸演變為灌木，這也導致灌木林、草地的面積不同程度地增加。總體而言，迪慶州土地利用類型逐步有利于增加水源涵養功能量方向發展，但由于受氣象條件的限制并未出現水源涵養逐年遞增的趨勢。

表3 迪慶州土地利用變化矩陣

4 結論

本研究定量評價了迪慶州2000-2018 年生態系統的水源涵養能力，得到以下結論：（1） 在空間角度來看，研究區內水源涵養功能與降水量分布格局相似，均呈現出西南部向東北部逐漸遞減趨勢。（2） 從時間角度來看，迪慶州水源涵養量處于連續波動的狀態，其波動狀態與降水量的變化情況類似。（3） 從土地利用類型因素角度來看，該地區平均水源涵養深度具體表現為林地＞草地＞耕地＞未利用地＞水域＞建設用地。（4） 從2000 年～2018 年的土地利用轉移類型來看，研究區土地利用類型向有利增強水源涵養的方向發展，但是受到降水因素的影響研究區水源涵養能力并未出現持續增強的態勢。