河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其空間分布格局

肖軍倉 袁彩鳳 張曉果

(河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州 450004)

河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其空間分布格局

肖軍倉 袁彩鳳 張曉果

(河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州 450004)

本文采用水量平衡方程，對河南省生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能狀況及其空間特征進(jìn)行了評(píng)估，并分析了河南省水源涵養(yǎng)功能重要性分級(jí)特征。結(jié)果表明，河南省水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)南高北低、由東南到西北逐漸遞減的趨勢，淮河以南降水量較高地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著十分重要的涵養(yǎng)作用。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，常綠闊葉林水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。豫南地區(qū)南陽、信陽等森林生態(tài)系統(tǒng)面積較大的省轄市，水源涵養(yǎng)量最大。河南省水源涵養(yǎng)極重要區(qū)主要集中分布在桐柏-大別山區(qū)、大型河流、水庫濕地等區(qū)域。

水源涵養(yǎng)；生態(tài)系統(tǒng)；空間特征；河南省

生態(tài)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成的有利于人類生存與發(fā)展的生態(tài)環(huán)境條件與效用，例如森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能、氣候調(diào)節(jié)功能、環(huán)境凈化功能等[1]。水源涵養(yǎng)功能是指生態(tài)系統(tǒng)通過截留降水、抑制蒸發(fā)、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等功能[2-6]，給生態(tài)系統(tǒng)和人類供給更多優(yōu)質(zhì)的水資源，是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要生態(tài)服務(wù)功能。

水是生命之源，水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)是生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的重要部分，本文通過研究河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其空間分布特征，確定水源涵養(yǎng)重要性區(qū)域，為區(qū)域重要生態(tài)功能區(qū)保護(hù)、生態(tài)保護(hù)紅線劃定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南地處黃河中下游，處于我國北亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)，處于我國第二級(jí)地貌臺(tái)階向第三級(jí)地貌臺(tái)階的過渡帶，地勢西高東低，北、西、南三面為太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈，中、東部為黃淮海平原，西南部為南陽盆地。全省總面積16.7 萬km2，約占全國總面積的1.73%，植被類型多樣，森林覆蓋率23.3%，境內(nèi)有黃河、淮河、海河、長江四大水系。區(qū)域內(nèi)森林植被地帶性規(guī)律明顯，以伏牛山主脈—淮河干流為南北分界線，南部屬北亞熱帶落葉闊葉常綠闊葉針葉混交林帶，北部屬暖溫帶南部落葉闊葉林帶。河南多年平均降水量空間分布自南向北遞減，淮河以南地區(qū)年降水量在1000～1200mm之間；盧氏—許昌—商丘一線以南到淮河之間地區(qū)，年降水量700～900mm；此線以北的廣大地區(qū)，年降水量在700mm以下。

2 研究方法

2.1 評(píng)估模型

水源涵養(yǎng)是森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)通過其特有的結(jié)構(gòu)與水相互作用，對降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過蒸散發(fā)實(shí)現(xiàn)對水流、水循環(huán)的調(diào)控，主要表現(xiàn)在緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水、減緩河流流量的季節(jié)波動(dòng)、滯洪補(bǔ)枯、保證水質(zhì)等方面。水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)以水源涵養(yǎng)量作為指標(biāo)，水源涵養(yǎng)量計(jì)算主要通過水量平衡方程[7]計(jì)算得到，降水量與蒸散量、產(chǎn)流量的差即為水源涵養(yǎng)量。計(jì)算公式為：

式中：TQi為第i個(gè)網(wǎng)格水源涵養(yǎng)量(m3)；Pi為降雨量(mm)；Ri為地表徑流量(mm)；ETi為蒸散發(fā)量(mm)；A為網(wǎng)格面積(km2)；i為研究區(qū)第i個(gè)網(wǎng)格，以柵格數(shù)據(jù)的單個(gè)網(wǎng)格為計(jì)算單元。

地表徑流量Ri由降雨量乘以地表徑流系數(shù)獲得。地表徑流系數(shù)是指地表徑流量(mm)與降雨量的比值。地表徑流系數(shù)通過查閱文獻(xiàn)資料獲得[7]。

式中：R為地表徑流量(mm)；P為多年平均降雨量(mm)；α為平均地表徑流系數(shù)，地表徑流系數(shù)詳細(xì)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

河南省生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)，以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù)解譯生成[8]。2015年降雨量數(shù)據(jù)，來源于河南省氣象局。實(shí)際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，來源于MODIS全球蒸散發(fā)產(chǎn)品(MOD16)數(shù)據(jù)(http：//www.ntsg.umt.edu/project/mod16)，MOD16蒸散算法詳見其官方文獻(xiàn)[9-10]。

表1 各類型生態(tài)系統(tǒng)地表徑流系數(shù)均值

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)降量雨因子。在Excel中計(jì)算出區(qū)域所有氣象站點(diǎn)的年降雨量，將這些值根據(jù)相同的站點(diǎn)名與ArcGIS中的站點(diǎn)(點(diǎn)圖層)數(shù)據(jù)相連接(Join)。在Spatial Analyst工具中選擇Interpolate to Raster選項(xiàng)，插值得到降水量因子?xùn)鸥駡D。

(2)地表徑流系數(shù)因子。參照表1對每一種土地利用類型進(jìn)行賦值，并將其轉(zhuǎn)化為地表徑流系數(shù)因子?xùn)鸥瘛?/p>

(3)蒸散發(fā)因子。MOD16蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，在水體、城市建成區(qū)等區(qū)域是默認(rèn)缺失值(65535)，首先利用Raster to Point工具，將蒸散發(fā)柵格轉(zhuǎn)換為點(diǎn)，然后進(jìn)行插值，生成新的柵格；利用柵格計(jì)算器中的con函數(shù)，將原始蒸散發(fā)柵格數(shù)值為65535的柵格賦值為插值所得的柵格數(shù)值，其他柵格數(shù)值保持不變，由此得到填補(bǔ)后的蒸散發(fā)柵格數(shù)據(jù)。

2.3 評(píng)價(jià)分級(jí)

在ArcGIS柵格計(jì)算器中，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得到水源涵養(yǎng)量，將水源涵養(yǎng)量從大到小排序，累積得到水源涵養(yǎng)總量，總量的50%劃分為極重要，其余的25%劃分為重要，剩下的15%為中等，最后10%為一般。

采用ArcGIS中的Spatial Analyst模塊中的Zonal Statistics as Table工具，統(tǒng)計(jì)得到河南省省各地市、各生態(tài)系統(tǒng)類型水源涵養(yǎng)量，并根據(jù)公式3計(jì)算得到水源涵養(yǎng)能力指數(shù)EQ。

式中：EQ為水源涵養(yǎng)能力指數(shù)(104m3/km2)；TQ為水源涵養(yǎng)量(m3)；A為行政區(qū)(生態(tài)系統(tǒng))面積(km2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)功能空間分布特征

3.1.1 水源涵養(yǎng)量空間分布特征

2015年河南省水源涵養(yǎng)總量為76.4億m3，水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)南高北低、由東南到西北逐漸遞減的趨勢，淮河以南降水量較高地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著十分重要的涵養(yǎng)作用，河南省水源涵養(yǎng)量分布見圖1。水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要集中在豫南大別山區(qū)、桐柏山區(qū)、伏牛山南麓、外方山東坡，水源涵養(yǎng)量中等的區(qū)域主要分布在太行山區(qū)、伊洛河流域、南陽盆地、淮河以南的平原地帶，豫北平原、淮北平原的水源涵養(yǎng)量較低。

圖1 河南省水源涵養(yǎng)空間特征

3.1.2 不同生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能差異

由于降水條件、植被結(jié)構(gòu)在地理空間上的差異，不同生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能也表現(xiàn)出明顯的差異。本文統(tǒng)計(jì)了河南省主要的生態(tài)系統(tǒng)2015年的水源涵養(yǎng)量及其百分比，見圖2。由圖中可以看出，在所有生態(tài)系統(tǒng)類型中，森林是河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體，其水源涵養(yǎng)量為47.57億m3，約占全省主要生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量的62.26%。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，落葉闊葉林、落葉闊葉灌木林的水源涵養(yǎng)量最大，分別為30.06億m3、11.63億m3。從水源涵養(yǎng)能力來看，水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)的是常綠闊葉林和濕地，其次是常綠針葉林和園地。

圖2 河南省主要生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)特征

3.1.3 不同區(qū)域水源涵養(yǎng)功能差異

本文統(tǒng)計(jì)了各省轄市的水源涵養(yǎng)特征，見圖3。從圖3來看，各省轄市的水源涵養(yǎng)量空間分布特征與省域生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布特征基本一致。豫南地區(qū)南陽、信陽、駐馬店等省轄市，因?yàn)閰^(qū)劃面積大、降水量豐富、主要為森林生態(tài)系統(tǒng)等因素，水源涵養(yǎng)量最大，其次是洛陽、平頂山，其他地區(qū)水源涵養(yǎng)量較低。信陽水源涵養(yǎng)能力最高，其次是洛陽，接著是南陽、三門峽。

圖3 河南省各省轄市水源涵養(yǎng)特征

3.2 水源涵養(yǎng)功能分級(jí)評(píng)價(jià)

本研究將水源涵養(yǎng)重要性分為一般、中等、重要和極重要4個(gè)等級(jí)，得到河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)重要性分級(jí)分布情況，見圖4。結(jié)果表明，極重要區(qū)的總面積為9650.63km2，約占全省生態(tài)系統(tǒng)總面積的24.0%，占全省國土總面積的5.78%，極重要區(qū)的水源涵養(yǎng)總量為38.19億m3，約占全省水源涵養(yǎng)總量的50.0%，極重要區(qū)域主要集中分布在桐柏-大別山區(qū)，伏牛山、外方山、熊耳山等山區(qū)零星分布，黃河、淮河、丹江口水庫、宿鴨湖水庫、白龜山水庫、昭平臺(tái)水庫、鴨河口水庫、陸渾水庫等大型河流、水庫濕地區(qū)域也呈零星分布態(tài)勢；重要區(qū)的總面積為7818.19km2，約占全省生態(tài)系統(tǒng)總面積的19.4%，占全省國土總面積的4.68%，重要區(qū)的水源涵養(yǎng)總量為19.11億m3，約占全省水源涵養(yǎng)總量的25.0%，重要區(qū)域零星分布在伏牛山、太行山部分區(qū)域；中等重要區(qū)的總面積為7602.38km2，約占全省生態(tài)系統(tǒng)總面積的18.9%，占全省國土總面積的4.55%，中等重要區(qū)的水源涵養(yǎng)總量為11.46億m3，約占全省水源涵養(yǎng)總量的15.0%，中等重要區(qū)域零星分布在伏牛山、太行山、小秦嶺部分區(qū)域；一般重要區(qū)的總面積為15167.81km2，約占全省生態(tài)系統(tǒng)總面積的37.7%，占全省國土總面積的9.07%，一般重要區(qū)的水源涵養(yǎng)總量為7.64億m3，約占全省水源涵養(yǎng)總量的10.0%，一般重要區(qū)域集中分布在伏牛山、熊耳山、太行山、崤山等區(qū)域。

圖4 河南省2015年水源涵養(yǎng)重要性

4 結(jié) 論

本文基于水量平衡方程，計(jì)算得到河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量，分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)能力及其空間分布特征，并對其水源涵養(yǎng)重要性進(jìn)行分級(jí)。得出以下結(jié)論：

(1)河南省水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)南高北低、由東南到西北逐漸遞減的趨勢，淮河以南降水量較高地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著十分重要的涵養(yǎng)作用。森林是河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體，其水源涵養(yǎng)量約占全省主要生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量的62.26%。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，落葉闊葉林的水源涵養(yǎng)量最大，常綠闊葉林水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。豫南地區(qū)南陽、信陽等森林生態(tài)系統(tǒng)面積較大的省轄市，水源涵養(yǎng)量最大，信陽水源涵養(yǎng)能力最高。

(2)河南省水源涵養(yǎng)極重要區(qū)主要集中分布在桐柏-大別山區(qū)、大型河流、水庫濕地等區(qū)域；極重要區(qū)域以占5.78%的國土總面積，涵養(yǎng)了50.0%的水源涵養(yǎng)總量。

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WaterConservationFunctionoftheEcosysteminHenanProvinceanditsSpatialDistributionPatterns

XIAO Juncang YUAN Caifeng ZHANG Xiaoguo

(Henan Academy of Environmental Protection Research，Zhengzhou 450004，China)

Based on the water balance equation，the ecosystem function of water conservation status of Henan province and its spatial characteristics were evaluated，and the importance of water conservation function classification characteristics of Henan province were analyzed.The results showed that the amount of water conservation in the south was higher than the north，from southeast to northwest gradually decreasing，the forest ecosystem which had a high precipitation plays a very important role in water conservation of South of Huaihe.In forest ecosystem，evergreen broad-leaved forest water conservation ability is strongest.The amount of water conservation in the south is the largest，such as Nanyang and Xinyang，which had the largest forest ecosystem area.The extremely importance areas of water conservation of Henan province are mainly located in Tongbai-Dabie mountains areas，larger rivers and reservoirs.

water conservation；ecosystem；spatial patterns；Henan province

X21

A

1673-288X(2017)05-0160-03

肖軍倉，碩士，工程師，從事區(qū)域環(huán)境模擬及生態(tài)保護(hù)規(guī)劃研究

袁彩鳳，碩士，教授級(jí)高工，主要從事環(huán)境規(guī)劃與規(guī)劃環(huán)評(píng)研究

文獻(xiàn)格式：肖軍倉 等.河南省生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其空間分布格局[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(5)：160-162.