張家口市林地與水源涵養功能時空變化及其耦合關系

王世清 ，冀正欣 ，盧龍輝 ，段亞明 ，許月卿 ,2※

（1.中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193；2.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193；3.中國科學院空天信息創新研究院數字地球重點實驗室，北京 100094）

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，生態環境不斷惡化，水資源短缺、極端干旱事件的影響日益增強，林地提供的水源涵養功能與社會需求的水源涵養服務不一致的矛盾不斷突出[1]。因此，自20世紀70年代起，中國陸續實施了一系列生態建設工程，林地面積持續增加，生態環境質量得到明顯改善。但持續增加的林地面積是否引起生態系統服務功能的持續發揮成為學術界關注的熱點問題。部分學者認為不是森林越多其所提供的生態系統服務功能就越強，由于多種功能之間存在權衡關系，功能變化也往往是非線性的，因此功能存在最優區間及對應閾值[2-3]。水源涵養功能是林地最重要的生態功能之一，在調節水循環、改善水文狀況及維持生態系統平衡等方面發揮著關鍵作用[4]，特別是在干旱、半干旱的生態脆弱山區，水源涵養功能對維持生態安全和社會經濟發展具有重要作用。水源涵養功能由產水量和徑流量共同決定，隨著林地面積擴大，林地蒸騰作用的增強會減少地下水補給和流域徑流總量甚至減少旱季基流[5]，從而影響水源涵養功能。不同學者對林地與產水量之間的關系也存在不同觀點，SUN等[6-7]研究認為林地的增加會降低年產水量，而TEIXEIRA等[8]則認為林地的再生增加了森林產水量[6-8]。此外，不同立地條件、林地空間布局和林分結構也會影響水源涵養功能的發揮。目前國內外學術界對林地資源的研究主要集中于林地動態變化及驅動力分析[9]、森林生物量估算[10-11]、退耕還林影響[12-13]等方面，有關水源涵養功能的研究多關注區域水源涵養功能的變化特征及影響因素分析[14-15]，影響因素多側重氣候變化、地形、人類活動、土地利用類型等方面[16-19]。由于水源涵養功能受多種因素共同影響，其過程較為復雜，林分結構較難定量描述等[20]，目前就林地面積和林分結構變化對水源涵養功能影響及其耦合關系的研究較少見，林地面積和結構與水源涵養功能之間的相互關系成為當前學術界亟需解決的熱點問題。

張家口市地處干旱半干旱過渡的農牧交錯區，位于京津上風上水位置，是京津地區重要的水源涵養區和生態屏障[21]，承擔著提供清潔水源和阻擋風沙的任務。但張家口市降水量小、蒸發量大，人均水資源占有量不足全國平均量的1/5。20世紀80年代以來，張家口水資源量和向京輸水量均呈下降趨勢，全市水利基礎設施薄弱，水源涵養功能亟需增強。自1978年以來，張家口市陸續實施了“三北”防護林建設、京津風沙源治理、退耕還林、封山育林、飛播造林等一系列生態建設工程，林地面積持續擴大，林地時空分布格局不斷變化，林分結構發生重組，水源涵養功能變化顯著，亟待加強林地和水源涵養功能時空變化及其耦合關系研究，以順應研究區定位首都水源涵養區和生態支撐區的建設需要，為林地規劃和生態建設提供科學依據。

鑒于此，本文以張家口市為研究區，基于遙感影像數據、氣象數據、土壤數據、林地數據等多源數據，綜合運用InVEST模型、SPSS模型等方法模型，系統分析張家口市1990—2020年林地和水源涵養功能的時空格局演變特征，探討林地和水源涵養功能的相互關系，以期為張家口市林地布局調整、樹種選擇和生態建設工程的實施提供決策依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

張家口市位于河北省西北部，地處干旱、半干旱的農牧交錯帶地區，地理位置介于39°30'～42°10'N，113°50'～116°30'E之間，總面積約為3.68萬km2，轄4區13縣。地勢西北高、東南低，海拔高程399～2 835 m。張家口市分屬永定河、潮白河、大清河、灤河和內陸河水系，境內官廳水庫為首都用水提供保障[22]，是首都重要的水源涵養地。該市為溫帶大陸性季風氣候[23]，降水集中在夏季，多年平均降水量為452 mm，年平均氣溫7.5 °C。截至2020年底，張家口市總人口為411.89萬人，GDP為160億元，土地利用類型以耕地、林地和草地為主，其中林地面積占比最大，為37.10%。就林分結構而言，針葉林占比為12.11%，闊葉林占比為38.94%，灌木占比為48.95%。

1.2 數據來源與處理

本研究采用的基礎數據主要包括遙感影像數據、地形數據、氣象數據、土壤數據和林地數據等。張家口市1990年、2000年、2010年Landsat-TM影像和2020年Landsat-OLI影像主要源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/），分辨率為30 m。結合ENVI軟件，通過人工目視解譯得到4個時期的土地利用類型數據，參照國家基本資源與環境本底動態遙感調查數據庫的分類體系，結合研究區土地利用類型特征，將土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、交通運輸用地、水域和未利用地8大類，土地利用影像解譯總體精度分別為86.82%，88.92%，90.46%及90.23%，各地類Kappa系數均超過0.80，能夠滿足本研究的需要，基于土地利用類型數據提取研究期內林地數據，進行林地時空變化研究。地形數據包括海拔、坡度，坡度數據通過ASTER GDEM（30 m分辨率）高程數據提取得到；氣象數據包括逐月降水量、逐月蒸發量數據等，來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心（http://www.geodata.cn），分辨率為1 km，基于ArcGIS軟件平臺運用柵格圖層進行波段提取并分別計算得到1990年、2000年、2010年及2020年年平均降水量及蒸發量；土壤數據來源于世界土壤數據庫（Harmonized World Soil Database version 1.1）（HWSD）中的中國土壤數據集，分辨率為300 m；1985年、2000年及2015年林分結構數據來源于張家口市林業局提供的森林資源清查數據，借助ArcGIS軟件重采樣到30 m分辨率，2020年林分結構數據來源于《1∶1 000 000中國植被圖集》，分辨率為1 km。將所有空間數據統一到西安80坐標系高斯-克呂格投影，并轉化為300 m×300 m柵格圖層。

2 研究方法

2.1 林地變化分析

借助土地利用轉移矩陣將林地向其他地類的轉換歸為林地減少的方向，將其他地類向林地的轉換歸為林地增加的方向，將其他地類之間的轉換以及林地自身之間的轉換歸為林地未發生變化的方向，據此對研究期內張家口市林地數量的變化進行分析。

2.2 水源涵養量計算

常用的水源涵養評估方法包括綜合蓄水法、土壤蓄水法、水量平衡法、綜合指數法等。綜合蓄水法綜合考慮了林冠層、枯落物層和土壤層，考慮層次較多、實際操作較難；土壤蓄水法只考慮了土壤層的作用，忽略了枯落物層和林冠層的蒸散發，誤差較大；綜合指數法操作較復雜且專家打分存在一定的主觀性；水量平衡法將水源涵養量以產水量近似表示，在干旱半干旱地區年降水量小于400 mm的情況下，森林水源涵養能力的評估側重于維持系統和供給水源的功能，以產水量為指標能夠充分反映森林提供水源的能力，與研究目標更加契合[24]。然而，簡單地以產水量作為研究指標忽略了森林生態的具體過程，理論上存在缺陷，因此，本研究采用調整后的水量平衡法，在基于InVEST模型得到研究區產水量的基礎上減掉區域地表徑流量，從而對張家口市水源涵養量進行測算[25]，其表達式為

式中Cxj為區域水源涵養量，mm ；Yxj為年產水量，mm ；Ri為地表徑流量，mm。

式中Exj為柵格單元x中土地利用類型j的年實際蒸散發量，Px為柵格單元x的多年平均降水量。

式中Rij為干燥指數，表示潛在蒸發量與降雨量的比值，ωi為修正植被年可用降水量與降水量的比值。

式中k為蒸散系數，T0為作物潛在蒸散量，mm；H為太陽頂層大氣輻射，W/m2[26]，Tavg、Td分別為最高日均溫和最低日均溫的平均值和差值，℃；Ai為可利用含水率，%；Msd為最大土層厚度，cm；Rd為根系深度，cm；Ci為植被可利用水，Ssand為土壤沙礫含量，%；Ssilt為土壤粉粒含量，%；Sclay為土壤黏粒含量，%；Om為土壤有機質含量，g/kg；Z為Zhang系數，表征降水季節性特征。

2.3 林地與水源涵養功能關系分析

定量測算林地面積、林分結構與水源涵養量之間的關系可以得到直觀的數據并基于此對林地布局進行合理的調整。由于林地分布、林分結構及水源涵養量均為柵格圖層，數據量較大，無法直接進行定量關系分析，因此借助漁網工具生成規則采樣網格，對柵格數據采樣后進行統一處理分析。在創建漁網網格過程中，不同網格尺度所獲取的數據量不同，需要注意避免數據冗余影響結果精度或數據過少不能有效表征研究對象之間的關系等問題，此外，若只獲取一組數據進行分析會存在結果誤差且無法得出規律性特征，因此通過多次提取試驗，在操作過程中選擇創建1 km×1 km、2 km×2 km及3 km×3 km的網格對數據進行提取并運用SPSS軟件進行顯著性檢驗和相關性分析，最終得到林地面積與水源涵養量的定量關系。

3 結果與分析

3.1 張家口市林地時空變化特征

3.1.1 林地面積變化特征

將張家口土地利用類型重分類為林地和非林地并得到圖1，研究期內張家口市林地分布具有明顯的空間集聚特征且分布范圍不斷擴大。1990年林地集中分布在海拔較高的赤城縣、崇禮縣、尚義縣及涿鹿縣和蔚縣交界處；2000年林地分布格局與1990年基本一致，集中分布在研究區北部及東南部；2010年林地面積向研究區北部的張北縣和康保縣擴展；2020年林地面積顯著增加，赤城縣、崇禮縣、張北縣、康保縣、涿鹿縣和蔚縣的林地分布擴展明顯。

圖1 1990-2020年張家口市林地空間分布Fig.1 Distribution of forestland in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

運用土地利用轉移矩陣計算研究期內張家口市林地面積變化并得到表1和圖2。1990—2020年張家口市林地面積持續增加，由9 144.99 km2增加至13 650.36 km2，增幅達49.27%。其中，1990—2000年，林地面積變化較小，林地凈增加面積為561.31 km2，主要發生在蔚縣和康保縣，林地減少面積為7.48 km2；2000—2010年，林地面積共增加1 351.41 km2，增加的林地主要分布于下花園區以及研究區北部的張北縣、尚義縣、赤城縣等縣，這一時期林地減少的面積為39.55 km2，減少的林地主要位于萬全縣和蔚縣；2010—2020年，林地面積顯著增加，由11 057.71 km2增加為13 650.36 km2，這一時期赤城縣、崇禮縣、沽源縣、尚義縣、涿鹿縣、宣化縣等較多縣域林地面積均有較大增加，而林地減少的面積與前兩個時段相比也有所提高，為412.71 km2，減少的林地主要來源于陽原縣、懷來縣、康保縣等縣。

表1 1990-2020年張家口市林地面積變化Table 1 Changes of forestland area in Zhangjiakou City from 1990 to 2020km2

圖2 1990—2020年張家口市林地空間變化Fig.2 Changes of forestland in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

3.1.2 林分結構變化特征

受數據獲取影響，2020年張家口市林分結構數據分辨率為1 km，而1985年、2000年及2015年林分結構數據分辨率均為30 m，1 km分辨率數據在市域層面精度較低，因此選用1985年、2000年及2015年數據對張家口市林分結構的演化特征進行分析（圖3），并統計得到表2。1985—2015年，研究區針葉林、闊葉林及灌木面積均持續增加，其中闊葉林主要分布在研究區東部并逐漸向西部擴展，3個時期面積分布均最廣，分別占林地總面積的57.67%、58.45%及58.03%，增長率為75.40%。灌木主要分布在研究區東部的赤城縣、崇禮縣等縣并逐漸向研究區中部及東部擴展，增速最快，由1985年的2 076.66 km2增長為2015年的4 062.79 km2，增速達95.64%。針葉林在張家口市林地總面積中所占比例最低，增長率最低，增速僅為36.02%，主要分布在研究區北部的沽源縣、崇禮縣等縣并向南部擴展。

表2 1985-2015年張家口市不同林分結構面積及占比Table 2 Area and proportion of different forestland structures in Zhangjiakou City from 1985 to 2015

圖3 1985-2015年張家口市林分結構分布Fig.3 Distribution of forestland structure in Zhangjiakou City from 1985 to 2015

3.2 張家口市水源涵養功能時空變化特征

1990—2020 年，張家口市平均水源涵養量呈先減少后增加再減少的變化趨勢，其中1990年平均水源涵養量最高，為146.01 mm，2000年平均水源涵養量最低，為82.35 mm，2010年和2020年張家口市平均水源涵養量分別為142.50及126.35 mm。1990—2020年張家口市水源涵養量空間分布格局如圖4所示，水源涵養功能整體表現為東部及南部高、中部及西部低的分布格局。1990—2000年水源涵養量較高值區分布范圍縮小，僅在東部和南部的崇禮縣、赤城縣和沽源縣交界處、涿鹿縣和蔚縣交界處以及蔚縣南部等海拔較高的地區水源涵養量較高，而在研究區中部及西部的大部分地區較低。2000—2010年研究區北部的赤城縣、張北縣、尚義縣等縣域水源涵養量明顯增加，而萬全縣、懷安縣、宣化縣、陽原縣等壩下平原地區的水源涵養量仍較低。2010—2020年張家口市北部壩上高原地區的赤城縣、崇禮縣、沽源縣、張北縣、康保縣及南部涿鹿縣及蔚縣等山區的水源涵養量較高，而在中部及西部的懷安縣、萬全縣、陽原縣、宣化縣等縣的水源涵養量較低。

圖4 張家口市水源涵養量空間分布Fig.4 Spatial distribution of water conservation in Zhangjiakou City

由張家口市水源涵養功能變化圖5可知，與1990相比，2000年水源涵養量增加的區域范圍較小，集中分布在研究區北部的赤城縣、崇禮縣、張北縣、尚義縣、康保縣和沽源縣，而研究區南部地區水源涵養量普遍呈減少趨勢；相較于2000年，2010年研究區大部分地區水源涵養量增加，水源涵養量的減少僅發生在蔚縣和涿鹿縣交界處；2010—2020年研究區東部及北部水源涵養量普遍增加而中部及西部的陽原縣、懷安縣、萬全縣等縣水源涵養量減少，與這一時期林地的變化呈現出一定的相似性。

圖5 1990-2020年張家口市水源涵養量變化Fig.5 Changes of water conservation in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

3.3 張家口市林地與水源涵養功能關系分析

3.3.1 林地面積與水源涵養功能關系的定性分析

由圖1和圖4可見，林地和水源涵養功能空間分布均表現為東部及南部高，中部及西部低的空間分布格局，二者在空間分布上具有較好的一致性。在GIS技術支持下，將1990—2020年間林地空間分布圖和對應年份的水源涵養功能空間分布圖疊加，統計分析1990—2020年張家口市各區縣林地面積和平均水源涵養量的關系（圖6）。結果表明，林地面積較多的縣其平均水源涵養量較高，而林地面積較少的縣其平均水源涵養量較低。1990—2020年林地面積分布較大的縣為赤城縣、崇禮縣、沽源縣、涿鹿縣、尚義縣等縣，平均水源涵養深度較高的縣為赤城縣、崇禮縣、涿鹿縣、沽源縣、懷來縣等縣。可見，張家口市林地與水源涵養功能在空間分布上呈現出高度一致性。

3.3.2 林地面積與水源涵養功能關系的定量分析

為探討張家口市水源涵養量與林地面積關系的規律，借助漁網工具分別創建1 km×1 km、2 km×2 km及3 km×3 km的網格并提取張家口市林地面積及水源涵養量，借助SPSS軟件對林地面積及水源涵養量進行定量分析。由于數據量過大會造成數據冗余、影響分析精度，因此在剔除無效數據組后運用隨機抽樣分別抽取合適的樣本量進行分析并得到圖7。

圖7 張家口林地面積與水源涵養量關系定量分析Fig.7 Quantitative analysis of the relationship between forest area and water conservation in Zhangjiakou City

基于上述3個尺度提取出的1990—2020年張家口市林地面積（m2）與水源涵養量（mm）的P值均通過了顯著性檢驗。圖中曲線為總計擬合線，是根據平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系繪制的，能代表數據組的變化趨勢。1 km網格提取后分析結果顯示，1990—2020年水源涵養量均隨林地面積增加呈先增加后減少的變化趨勢，當林地面積達到格網面積的一半即50萬m2時，水源涵養量達到峰值；2 km網格提取結果顯示，1990—2020年水源涵養量隨林地面積增加呈先增加后減少的趨勢，當林地面積達到格網面積的一半即200萬m2時，水源涵養量達到峰值；3 km網格提取結果同樣呈倒“U”型，即研究期內隨林地面積增加水源涵養量先增加后減少，當林地面積達到格網面積的一半即450萬m2時，水源涵養量達到峰值。由此可推，當采樣區域內林地面積達到采樣區總面積的1/2時，采樣區內水源涵養量達到最大值，若將采樣尺度不斷擴大并將研究區域看作多個網格的組合，則可將柵格采樣得到的微觀尺度上的結論推廣至中觀尺度，因此研究認為，當林地面積超過區域總面積的1/2時，區域水源涵養功能不再隨林地面積增加而增強，即林地的水源涵養功能存在閾值，超過閾值后，水源涵養量開始下降。

3.3.3 林分結構與水源涵養功能關系分析

由于本文僅計算了1990、2000、2010及2020年的水源涵養量，而獲取到的林分結構數據為1985、2000、2015及2020年，因此僅對2000年及2020年張家口市林分結構及水源涵養量進行分析。借助GIS工具，統計不同林分結構地塊上的平均水源涵養量，結果如表3所示。2000及2020年不同林分結構的平均水源涵養量均表現為闊葉林最高，針葉林次之，灌木再次，非林地水源涵養量最低。這是因為喬木林的枯枝落葉中含有大量的木質素、酚類化合物等，不易被分解，可以有效減少地表徑流，因此水源涵養能力強于灌木。此外，與2000年相比，2020年各林分結構的水源涵養量普遍上升，不同林分結構之間的平均水源涵養量差距縮小，這是因為近年來研究區降雨量增加，林地水分補給來源增多，林地生長環境得到改善，各林分結構的水源涵養能力普遍增強。

表3 2000-2020年張家口市不同林分結構平均水源涵養量Table 3 Average water conservation of different forest structures in Zhangjiakou City from 2000 to 2020mm

4 討論與結論

4.1 討 論

張家口市地處北京上風上水的位置，發揮著涵養水源、保持水土、防風固沙的重要作用，自1978年起先后實施了“三北”防護林建設、京津風沙源治理、退耕還林等一系列生態文明建設工程，使得研究期內林地不斷擴展，林地面積共增加4 505.37 km2，主要分布在地形較為崎嶇的赤城縣、崇禮縣、涿鹿縣、蔚縣、懷來縣等縣。張家口市水源涵養功能高值區主要分布在海拔較高的東部和南部山區，這里山高坡陡，受人類活動影響較弱，林地分布面積廣泛，其水源涵養功能較高。而中部和西部陽原縣、懷安縣、萬全縣、宣化區等區縣林地面積較少，是水源涵養功能低值區主要分布區域，林地的時空分布格局與水源涵養功能具有較好地一致性。

研究期內不同采樣尺度采樣結果均呈現出隨林地面積的持續增加水源涵養量增加，當林地面積超過區域總面積的1/2時水源涵養量開始降低的變化趨勢，這說明林地面積對水源涵養量的促進作用存在閾值。這與LI等[27]的研究結果相一致，造成該結果的原因是干旱半干旱地區快速增加的林地面積使得植被蒸騰作用增強，徑流量和土壤含水量減少，進而導致水源涵養功能降低。同時XU等[28]發現持續增加的森林覆蓋率會減少河流徑流量，進而導致區域水源涵養功能降低，為本研究結果提供了支持。因此，張家口市在對林地進行規劃和建設的過程中不能一味追求林地面積的持續增加，而應確定最合理的林地種植面積，從而保證林地水源涵養能力的完全發揮。通過對不同林分結構進行研究發現，闊葉林的水源涵養能力最強，灌木次之，而針葉林的水源涵養能力最弱，這與彭娓等的研究結果相一致[29-30]。此外，其他相關研究也表明，就水源涵養能力而言原生林強于次生林[31]，混交林強于純林[32]。因此，張家口市的林地規劃也要考慮不同樹種之間的搭配種植，優化樹種結構，豐富樹種多樣性。根據實地調查結果發現，當前張家口市退耕還林的林種以經濟林為主，其中果林所占比重較大，林果產業總產值超139.7億元，對該市農民收入的貢獻率超過20%，未來張家口市應合理規劃經濟林與其他林種的種植面積，同時注重混交林與原生林的種植，實現社會經濟和生態保護協同發展。同時對張家口市不同地區的林地應實施差異化管護，如對壩上防護林區實施撫育管護和林地質量提升；對壩下水源涵養林區實施封山育林和補植補造；對經濟林區采取森林質量提升措施。

本文僅對張家口市林地與水源涵養功能之間的關系進行了分析，僅能從林地面積和林分結構角度為水源涵養功能的提高提供參考，除林地面積和林分結構外水源涵養量還受林地質量、土壤、降水量、土地利用等其他因素的影響[33-34]，同樣，對林地規劃建設而言也僅能從水源涵養功能這一角度出發提供建議，在進行林地規劃和最優化布局過程中還應考慮防風固沙、水土保持、生物多樣性等其他生態服務功能及地形等其他因素的影響。因此未來研究應對影響水源涵養功能的各因素進行定量研究，綜合調控各種因素從而實現區域水源涵養功能的完全發揮，同時根據各生態服務功能重要性和其他因素進行最合理的林地規劃種植。

4.2 結 論

本文以張家口市為案例區，借助遙感影像數據、土壤數據、林地數據等多源數據，運用InVEST模型、SPSS模型等模型系統分析了1990—2020年張家口市林地和水源涵養功能的時空分布特征及其相互關系，得到如下結論：

1）1990—2020 年張家口市林地面積持續增加且具有明顯的空間集聚特征，林地主要分布在研究區東部及南部。就林分結構而言，闊葉林所占面積最大，在研究區內廣泛分布；灌木主要分布在研究區東部及中部，增速最快；針葉林所占比重較少、增速較慢，僅在研究區北部的沽源縣、崇禮縣等縣分布較多。

2）1990—2020 年研究區水源涵養功能整體表現為東部及南部高，中部及西部低的空間分布格局，其平均水源涵養量呈現出先減少后增加再減少的趨勢，1990年平均水源涵養量最高，2000年平均水源涵養量最低。

3）研究期內張家口市林地分布與水源涵養功能的分布在空間上呈現出高度一致性。隨林地面積增加，水源涵養量呈先增加后減少的變化趨勢，當林地面積達到格網面積的1/2時，格網內水源涵養量達到峰值。不同林分結構的水源涵養量能力從大到小排序為闊葉林、針葉林、灌木。