基于生態環境功能分區的關中-天水區生態需水量測評

鐘旭珍, 王麗霞, 姚 昆, 張 素

(1.內江師范學院 地理與資源科學學院, 四川 內江 641100; 2.長安大學地質工程與測繪學院, 西安 710054; 3.西昌學院 資源與環境學院, 四川 西昌 615000)

生態需水量是指維持某一環境功能或環境目標所需要的水資源量。對于生態需水的概念，大多數學者認為生態需水量是保障生態系統基本功能正常運行的最小水資源量[1-2]。針對不同的研究對象，生態需水的研究方法具有差異性[3]。如姜田亮等[4]結合0.618法、去極值法和間接計算法對干旱區天然植被生態需水量的參數進行研究。李詠紅等[5]對同一項工程中不同階段不同保護目標下河道內生態需水量進行計算。岳東霞等[6]結合遙感和GUIS技術，計算了疏勒河流域近20 a生態承載力和天然植被生態需水量，并探討了二者的時空耦合關系。趙亮生等[7]采用Tontana法、水量平衡方程及標準定額法計算了洮河國家級自然保護區生態功能的最小生態需水、適宜生態需水，并結合水資源承載力模型，分析了研究區水資源的可承載人口數量。馬龍龍等[8]利用SEBAL模型對鹽池縣的蒸散演變及生態需水規律進行研究。Nouri等[9]以澳大利亞為研究區，利用WUCOLS方法對城市景觀需水量進行計算。Surendran等[10]利用CROPWAT 8.0軟件研究了不同農業生態區的不同作物需水量。

綜上可知，目前有關生態需水的研究已相對豐碩，部分學者從生態需水與生態承載力、水資源承載力、景觀格局[11]等的關系進行探討，部分學者對植被生態需水進行了預測，還有一些學者研究植被生態需水管理系統等[12]；但基于生態功能分區的植被—土壤復合系統生態需水進行測評的研究卻相對較少，且很少有學者結合預測模型對地表覆被進行預測，測算未來規劃年份生態功能區生態需水；實際中，不同地區的生態條件存在差異性，其存在的生態問題和發揮的生態服務功能也不同[13-14]。我國西北地區存在生態環境先天脆弱和水資源短缺的狀況，對其開展基于生態功能分區的生態需水研究，對區域生態功能的保護和發展，水資源的合理分配和利用都將產生巨大的幫助作用，也會對社會、經濟和環境的協調可持續發展產生積極的促進作用。然而，至今對該地區生態需水展開研究的成果卻相對較少。

為實現該地區生態需水較準確的計算及預測，研究根據生態需水的定義，對研究區的生態功能進行分區評價，并基于評價結果對各功能區的生態需水現狀進行測算；同時，為了解該地區生態需水未來的發展趨勢，研究又結合CA-MArkov模型對其進行預測分析；以期為該地區生態規劃措施的制定提供參考依據。

1 研究區概況

關中—天水區地跨陜西省關中地區和甘肅省東部的天水市，共8個區、市，地理坐標為104°—110°E，33°—35°N，面積約為7.98104km2。南邊倚靠秦嶺，北邊以北山為界，西到甘肅天水市，東抵陜西潼關，地勢南北高中部低，自西向東傾斜，海拔為400～3 700 m，地貌類型多樣，有河谷、山地、黃土丘陵等。目前研究區面臨著如水土流失、水資源短缺等生態環境問題，有必要開展基于生態環境功能分區的生態需水研究。

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

研究數據包Landsat ETM+/OLI，DEM，MODIS NDVI等遙感影像數據，來源于地理空間數據云；1∶250萬陜西土壤質地類型圖，來源于《陜西土壤》；1∶1 400萬中國土壤質地圖，來源于《中國土壤圖集》；1∶100萬中國土壤數據庫，來源于中國科學院南京土壤研究所；研究區及周邊28個氣象站的氣象數據等，來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)。

2.2 數據處理

基于ENVI軟件，結合監督分類和人工目視解譯，將研究區遙感影像解譯為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類土地利用類型[15]；基于GIS軟件，利用研究區數字高程模型(DEM)，提取流域邊界；選用像元二分模型，利用NDVI月合成數據，計算植被覆蓋度；氣象數據和土壤相對濕度數據用來計算生態需水。

3 生態環境功能分區

3.1 生態環境功能分區指標體系

根據生態功能分區的相關原則[14]，并在綜合分析該地區自然環境和人文環境的基礎上，選擇植被覆蓋度、干燥度指數、河道、土地利用方式、水源地等自然環境因子和古城等人文環境因子，依據全國自然地理各指標分區標準，同時結合研究區特征，制定了研究區的生態環境功能分區指標體系[14]，具體情況詳見表1。

表1 生態環境功能分區指標體系

3.2 生態環境功能分區結果

根據生態環境功能分區指標體系，分別對每個因子進行評價，得到單因子評價結果。基于單因子評價結果進行生態功能區劃分，在劃分過程中，對于生態功能重疊的地區，主要依據生態功能的重要性原則和主導性原則進行歸并，同時結合流域界限或行政界限對重疊區域邊界進行調整，即當生態功能區劃邊界接近行政邊界時，應努力協調行政邊界，以確保行政區域的空間連續性，以便于行政區的綜合規劃和管理。最終將研究區劃分為6大生態功能區(圖1)。

圖1 關中-天水區生態環境功能分區

從圖1可以看出，農業種植區主要分布于天水市北部和關中平原，面積約為2.58萬km2，占研究區總面積的32.3%，要提高耕地質量，合理調整農業產業結構，科學地開發農業種植地區；植被保護區主要分布于研究區南部秦嶺地區，面積約為3.03萬km2，地區面積占比為37.9%，要重點保護原生森林，加強造林綠化，保護生物多樣性；防旱抗旱區主要分布于天水市南部、白水縣、韓城市、咸陽市北部和銅川市北部等區域，面積約為1.75萬km2，面積占比為22%，應合理利用水資源，選用需水較小耐旱性較強的作物，控制區域干旱化；河道保護區主要分布于黃河5 km緩沖區和渭河3 km緩沖區，面積約為0.16萬km2，僅占該地區總面積的2%，要加強河道水污染的治理和兩岸的水土保護工作；水源涵養區主要分布于洛南縣，面積約為0.3萬km2，面積占比為3.7%。洛南縣森林覆蓋率達到90%以上，要加強建設水土保持林和水源涵養林，提高其生態服務和水源涵養功能；古城保護區主要分布于西安市主城區內，面積約為0.17萬km2，面積占比為2.2%，要保護和發揚古城傳統文化，提高城市發展質量。

4 基于生態環境功能分區的生態需水測評

4.1 生態需水測評模型

4.1.1 植被生態需水測評模型 影響植被蒸散水平的主要因素包括氣候條件、土壤和植被生長狀況等。研究選用的植被生態需水量測評模型為：

Wp=Ep×Ap=(ET0×Kc×Ks)×Ap

(1)

式中：Wp為植被生態需水(m3)；Ep為植被蒸散量(mm)；Ap為植被分布面積(m2)；ET0為參考作物潛在蒸散量(mm)；Kc為植被系數；Ks為土壤水分限制常數。研究采用植被在生長期各月蒸散量的最小值來計算植被最小生態需水。

4.1.2 土壤生態需水測評模型 對于不同的區域，如果植被不是完全覆蓋，那么只有植被生長下的土地的土壤含水量，才是真正意義上的土壤需水量。故利用GIS疊加分析工具對植被類型分布圖和土壤質地分布圖進行處理，得到植被—土壤類型分布圖。研究選用的土壤生態需水測評模型為：

Ws=as×Hs×As

(2)

式中：Ws為土層深度Hs下的土壤需水(m3)；as為植被區土壤含水定額(m3/m3)；Hs為土層深度(m)；As為植被區面積(m2)。植被的生長阻滯含水量是指能夠維持植物生存和基本生長所需要的土壤最小含水量。參考相關土壤文獻[16-18]，根據楊志峰等[19-20]對黃河流域植被生態需水的研究，以土壤含水量占土壤田間持水量的55%來確定土壤的最小需水等級，由于渭河流域為黃河流域的二級子流域，同時結合課題組野外采集土壤樣本經烘干法測得不同土壤質地含水量，計算結果和文獻資料里的土壤田間含水量接近，所以研究取田間持水量的55%作為土壤的最小含水定額來計算土壤最小生態需水[21-22]。

4.1.3 植被—土壤復合系統生態需水量測評結果與分析 根據選用的生態需水測評模型，計算得到關中—天水區植被—土壤復合系統在生長期多年平均單位面積最小生態需水量(表2)。

表2 關中-天水區植被-土壤復合系統生長期最小生態需水 mm

結合表2分析可知，植被—土壤復合系統的最小生態需水是先增加后減少的趨勢，生態需水較高的時期主要出現在每年的6—8月，這和作物的發育生長階段相一致。研究區北部北山及南部秦嶺地區是高度生態需水的主要集中區域，低度生態需水的區域相間分布于區域河流兩側，其中天水中、北部地區較為集中。高度生態需水的地區主要為與林地組合的各類景觀類型，其中林地—黏壤土的生態需水量最大，約為659.60 mm，比最低的景觀類型單位面積最小生態需水多293.26 mm。中度生態需水的景觀類型主要為草地—壤土、草地—黏壤土、耕地—砂壤土、耕地—壤土、耕地—黏壤土，其單位面積生態需水介于437.38～532.94 mm。草地—砂壤土、耕地—砂礫質壤土、草地—砂礫質壤土的單位面積最小生態需水均低于400 mm，其中草地—砂礫質壤土最低，約為366.34 mm。

4.2 基于CA-Markov模型的土地覆被空間分布預測結果與分析

元胞自動機(CA,Cellular Automata)是一種能實現巨復雜系統時空演變過程模擬的數學模型[23]，馬爾可夫模型(Markov Model)通過利用系統已有離散狀態的經驗傳遞概率來實現其未來發展狀況的模擬預測[24-25]。將CA和Markov組合為CA-Markov模型，可以實現對土地利用的數量結構及空間分布進行準確預測[26]。

研究基于IDRISI 17.0軟件中的CA-Markov模型，以2010年、2015年數據為基礎計算其概率矩陣，迭代系數取10，過濾器為5×5，完成研究區2020年和2025年土地利用空間分布的預測(圖2)，各年份土地利用類型面積見表3，并利用ArcGIS的分區統計功能，統計得到不同景觀類型和不同生態功能區的生態需水(表4)。

2010—2025年期間，關中—天水經濟區土地利用面積減少的有耕地、草地、未利用地，土地利用面積逐年增加的有林地、建設用地、水域，變化幅度較大的為耕地、林地、草地和建設用地[26]。其中耕地面積減少了8 503 km2，這與國家退耕還林政策的實施和城市化的發展有關[27]。林地面積增加了7 982.58 km2，主要原因在于各重要森林保護區和渭河整治綠化工程的建設。建設用地面積增加了3 847.78 km2，主要分布于河流兩岸和西安等大中城市周邊。水域面積略有增加，這與各調水工程和人工水庫的修建有關。草地面積減少了3 324.95 km2，增加的耕地、林地和建設用地主要來源于草地的轉換。未利用地面積逐漸減少，表明區域土地利用開發效率不斷增強。

圖2 2015-2025年關中-天水區土地利用空間分布模擬結果與生態功能類型分布

表3 2010-2025年土地利用類型面積 km2

根據圖2分析可知，生態功能區的分布與土地利用方式密切相關。植被保護區和水源涵養區分布的地區主要為林地，農業種植區分布的地區主要為耕地，河道保護區分布的地區主要為水域，古城保護區分布的地區主要為建設用地，防旱抗旱區在耕地、林地、草地等都有分布。這表明生態功能區的生態需水與土地利用方式存在相關性。

4.3 基于生態環境功能分區尺度的生態需水量測評結果與分析

基于測算的植被—土壤系統多年平均生態需水量，利用ArcGIS的分區統計功能，以CA-Markov模型模擬預測的2020年、2025年土地利用空間分布作為輸入圖層，以植被—土壤系統平均生態需水量柵格數據作為賦值圖層，統計得到2020年、2025年土地利用空間分布變化后的生態需水量，再以該圖層作為賦值柵格，以生態環境功能區作為輸入圖層，統計得到不同生態功能區的生態需水量(圖3)。

表4 關中-天水區生態環境功能分區面積及最小生態需水

由表4可知，不同年份生態功能區的生態需水略有差異，從單位面積生態需水量來看，測評的3個年份中，古城保護區的單位面積生態需水量是最小的，原因在于古城保護區主要分布于西安城區，土地利用類型主要為建設用地，本研究未測評建設用地和水域的生態需水，其生態需水是留空白的，因此生態需水量小；植被保護區的單位面積生態需水量最大，原因在于林地的單位面積生態需水量是各種土地利用方式當中最大的，而植被保護區主要分布的植被類型為林地，因此生態需水量大；值得注意的是2020年單位面積生態需水量最大的為水源涵養區。由圖2可知，2020年水源涵養區相比2015年、2025年其林地覆蓋面更廣，而對應的2020年植被保護區內有更多的林地轉換為了其他用地類型，因此，植被保護區單位面積生態需水量變小了，但比水源涵養區的單位面積生態需水僅小了0.43 mm。

從生態需水總量來看，測評的3個年份中，生態需水總量從小到大依次為：河道保護區、古城保護區、水源涵養區、防旱抗旱區、農業種植區、植被保護區，這與各功能區的面積順序保持一致。結合圖2分析可知，河道保護區和古城保護區主要分布的土地利用類型為水域和建設用地，因此生態需水量小；而植被保護區主要分布的土地利用類型林地，且又是各功能區中面積最大的，因此其生態需水總量最大。

圖3 2015-2025年關中-天水區功能分區尺度最小生態需水空間分布

5 結 論

關中—天水區生態功能區可劃分為河道保護、防旱抗旱和農業種植等主要6類；林地—黏壤土和草地—砂礫質壤土分別為單位面積生態需水的最大和最小兩端；各功能區內，林地、耕地、草地越廣，生態需水量則越大；預測結果顯示，植被保護區的單位面積生態需水量在2015年和2025年均最大，水源涵養區的單位面積生態需水量則在2020年達到最大值，但各年份植被保護區生態需水總量均為最大。

研究以生態功能分區為背景進行生態需水測評，打破了傳統的以行政區劃為背景的研究，并測評了未來年份生態需水量，將生態功能區—土地利用方式—生態需水有機結合起來，分析研究區不同土地利用方式不同生態功能背景下的生態需水時空分布特征，測評結果可為相關部門對具有不同生態功能的地區進行針對性的水土資源利用和生態環境整治提供科學依據。需要指出的是，基于土地利用預測模型和生態功能分區的生態需水測評處于探索性階段，還存在一些問題需要深入思考和完善。如：(1) 生態功能分區需要考慮的因素較多，研究針對性的選取區域生態環境敏感因子構建指標體系，相關研究中，如何針對不同地區，綜合考慮生態系統服務功能，建立科學合理的生態功能分區指標體系仍是研究難點之一；(2) 分區指標閾值界定及技術實現問題，針對不同地區確定指標閾值需考慮區域差異性；(3) 生態需水等級性及未來年份生態需水的準確測定問題，考慮到篇幅問題，研究僅測評了最小生態需水，實際上，還可劃分適宜生態需水、飽和生態需水等。此外，由于植被、土地利用方式等具有時空變化性，研究基于多年平均生態需水量來測算未來年份生態需水，如何探尋更為準確合理的方法來測算未來年份植被生態需水和土壤生態需水等問題有待進一步研究。