基于InVEST模型的黃土高原丘陵區水源涵養功能空間特征分析

劉宥延,劉興元,張 博,李妙瑩

蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室,蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室,蘭州大學草地農業科技學院,蘭州 730020

黃土高原丘陵區是我國水資源匱乏和水土流失最嚴重地區,水源涵養作為該地區最重要的生態服務功能之一[1],對氣候、水文、植被、生產力和土壤養分循環等具有直接的影響[2]。長期以來,受特殊的自然地理條件和傳統農業生產模式的制約,導致黃土高原丘陵區生態環境不斷惡化,水源涵養能力降低,生態系統服務功能減弱,嚴重影響和制約著黃土高原丘陵區生態和社會經濟的可持續發展[3]。由于黃土高原丘陵區生態環境的脆弱性和水源涵養功能的重要性,自20世紀80年代以來,國家在該地區先后開展了小流域治理、退耕還林草工程和生態補償等一系列生態工程和政策,該地區的生態條件和水土保持功能得到了顯著的改善[4]。但隨著植被結構變化與蓋度的增加,產生了人工植被穩定性低、植物蒸騰量增大、土壤干化、流域產水減少等問題[5-6],由此產生的水源涵養功能及其空間變化對區域生態服務的影響引起廣泛關注。目前,國內針對黃土高原生態系統水源涵養功能,應用多種方法開展了大量的研究。蘇常紅和傅伯杰[7]利用InVEST模型對黃土高原在氣候和土地利用變化情境下的水源涵養進行評估,表明陜北黃土高原水源涵養在1990—2008年呈下降趨勢。李晶和任志遠[8]基于GIS對陜北黃土高原水源涵養及其價值進行了評估,表明1990—2000年以年均0.68%遞減。包玉斌等[9]基于InVEST水源涵養功能評價模塊,定量評價退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對研究區水源涵養的影響并進行了水源涵養空間分區,表明2000—2010年,隨著陜北黃土高原草地、灌叢和林地面積的增加,但水源涵養量整體呈減少趨勢。王超和甄霖[10]利用綜合蓄水能力法對寧夏固原市森林水源涵養功能時空動態進行了分析,表明在2000—2010年灌木林的單位面積水源涵養量最大,對水源涵養量增長的貢獻占93.34%。已有的研究對黃土高原生態建設與保護發揮了積極作用,但主要集中在黃土高原典型區域退耕前后植被狀況發生變化的評價,時序較早,沒能通過水源涵養功能評估來甄別區域內水源涵養的冷熱點范圍和確定水源涵養的重要區域。由于黃土高原地貌類型多樣[11],丘陵區作為主要的地貌單元,定量地評估黃土高原丘陵區的水源涵養功能其空間分布特征,確定水源涵養的熱點和重要保護區域,對促進該區域生態保護和水資源的合理配置,實現可持續發展具有重要科學意義。

對水源涵養水源功能評估主要是基于水量平衡、土壤蓄水力和徑流量計算,評估的模型和方法較多,但InVEST模型作為整合多種算法的集成式模型[12],自2016年發布最新的InVEST3.3.1版本后,結合土地利用和覆被、降水和土壤深度等數據計算供給水量,用于分析生態系統的結構和功能變化對生態系統服務及其價值的影響[13],在我國主要應用于不同土地利用策略的生態系統服務功能差異及對多種生態系統服務權衡/協同關系的定量辨識,為區域土地利用規劃中潛在的生態系統服務供需提供優化方案[14]。該模型將GIS技術融合到生態系統服務評估中,利用函數定量評估現狀和未來情景下的多種生態系統服務價值,是集精細化和定量化為一體的空間化生態系統服務功能評估方法,在空間格局測度中具有數據易于獲取和操作簡單的優勢,被國內外廣泛的應用[15-16]。

目前國內對生態服務方面的研究很多,但針對黃土高原丘陵區水源涵養的研究不多,且主要是以功能和價值評估為主的單一性研究,缺乏結合功能評估、熱點分析和重要性分區的綜合研究。因此,本研究應用InVEST模型,選擇地處黃土高原中部定西市安定區開展水源涵養功能的定量評估,應用空間統計方法對水源涵養功能的冷熱點區的空間分布特征進行分析和熱點區識別,以明確水源涵養功能的強弱分布,在此基礎上對水源涵養功能進行重要性分級和空間分區,確定水源涵養優先和重點保護的區域,為科學合理地制定黃土高原丘陵區生態恢復與水源涵養保護決策提供依據。

1 研究區概況

定西市安定區位于黃土高原中部,東經104°12′48″—105°01′06″之間,北緯35°17′54″—36°02′40″；地貌以梁峁、溝壑、丘陵為主,海拔在1662—2570 m之間；年均氣溫3—9℃之間,多年平均降水量515.2 mm,干燥指數在1—2之間,屬于中溫帶半干旱大陸性氣候,自然植被覆蓋率較低,土地利用類型以草地、耕地、林地、灌草地、建設用地和未利用土地為主,是典型的干旱半干旱地區[17]。總面積為363871 hm2,境內河流分布為北部的關川河,西部的稱鉤河,西南部的西河,東南部的東河,東部的西鞏河。其中,關川河為境內最大河流,干流全長180 km。該區多年平均土壤侵蝕模數達到3500—6000 t km-2a-1以上,水土流失面積達3.65×105hm2,占土地總面積的80.64%,是我國水土流失最嚴重的區域之一[18]。2017年總人口達43.05萬人,農村人口22.31萬人,生產總值達到80.08億元,是以農牧業生產為主導產業的傳統農業地區,脆弱的自然生態環境與落后社會經濟水平相互作用,使該地區的生態經濟問題十分嚴重[19]。研究區地理位置圖(圖1)。

圖1 研究區位置及數據采樣點分布圖Fig.1 Study area and data sampling site

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

數據主要包括土地利用、植被覆蓋、土壤、水分、氣候、DEM及社會經濟等數據。土地利用和植被覆蓋數據來源于地面監測和地理空間數據云的Landsat- 8影像數據,空間分辨率為30 m；降水、溫度、日照和蒸發等數據來源于中國氣象局西北區域氣象中心在定西市安定區內14個氣象站點2017年數據插值和中國氣象科學數據共享網(http:/data.cma.cn)；DEM數據下載自地理空間數據云,空間分辨率為30 m；土壤含水量、砂粒、粉粒、粘粒、有機質、氮磷、容重和植物根系深度等數據是在2016年10月開始到2017年10月期間,定西市安定區33個土壤監測點獲取的,分別在陽坡和陰坡沿順坡方向設置樣帶(間隔15 m),采用網格布點法設置5個水分和土壤監測點,平均每15 d測定一次土壤水分,使用時域反射儀TDR (TRIME,IMKO Micromodultechnik,Germany)測定0—180 cm土層的土壤水分；土壤的其他理化指標于2016年10月和2017年10月取樣2次,在實驗室進行分析。DEM數據下載自地理空間數據云,空間分辨率為30 m；社會經濟數據來源于《定西市統計年鑒》,行政區域、道路、水系等矢量數據,來自國家基礎地理數據庫。

2.2 研究方法

本研究利用InVEST模型進行分析與評價。InVEST水源涵養模型是基于柵格單元的降水、植物蒸騰、地表蒸發、植物根系深度、植物有效可利用水和土壤最大根系埋藏深度等參數計算出產水量,包括地表產流、土壤含水量、枯落物持水 量和冠層截留量[20]。計算出年產水量后,根據DEM計算徑流路徑地形指數,利用土壤滲透性、地表徑流流速系數計算徑流在柵格上停留時間,計算出水源涵養量[21]。該模型綜合考慮了不同土地利用類型的土壤滲透性、地形差異、地表粗糙程度等對地表徑流的影響,能夠較好地表達流域水源涵養量的空間分布狀況及其影響水源涵養量的主要因素[22]。

(1)產水量計算模型

(1)

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式中,Yx為年產水量(mm)；Px表示柵格單元x的年降水量；AETx(annual evapotranspiration)為不同土地利用類型柵格單元x的年平均蒸散發量(mm)；Rx為Bydyko干燥指數;ωx為自然氣候-土壤性質的非物理參數；Z為經驗常數(ZHANG系數),取值范圍為1—10；AWCx(available water content)為柵格單元x的土壤有效含水量(mm)；Kx為柵格單元x中不同土地覆被類型的植被蒸散系數；ET0(evapotranspiration)為參考作物蒸散系數。

(2) 水源涵養量計算模型

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式中,WR(water resource)為水源涵養量(mm)；Velocity為流速系數；TI(terrain index)為地形指數；Ksat為土壤飽和導水率(cm/d)；Drainage area 為流域單元集水區的柵格數量；Soil depth為土層厚度(mm)；Percent slope為百分比坡度(%)。

(3)熱點分析法

水源涵養功能的熱點或冷點區域是指水源涵養功能的特征值分布聚集度高或者低的區域。熱點地區要求水源涵養具有高值,在空間統計中,通常采用Gi*統計方法探查流域水源涵養功能的高值或低值在空間上的聚集情況,是一種基于距離全矩陣的局部空間自相關指標[23]。Gi*的統計意義可用標準化的 Z 值來檢驗[16],運用ArcGIS中的Hot Spot Analysis with Rendering工具對定西市安定區水源涵養功能的冷熱點區域進行分析。

(7)

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2.3 模型輸入參數確定

土地利用/覆被數據選取的成像時間為2017年9月29日,影像數據從Landsat- 8下載自地理空間數據云,通過遙感影像目視解譯的辦法獲；降水數據是2017年定西市安定區14個氣象站點多年降水數據應用ANUSPLIN軟件插值獲得；土壤與水分數據由33個試驗監測點獲得；DEM圖均由ArcGIS 10.5軟件的水文分析工具(Hydrology)操作獲得；地形指數(TI)是通過計算流域單元集水區的柵格數量、土壤深度和百分比坡度數據,集水區的柵格數量數據由ArcGIS的水文分析模塊中操作獲得；百分比坡度數據由ArcGIS的坡度計算器工具計算得出；壤飽和導水率(Ksat)由Cosby模型計算得出；Z系數是根據研究區產水量情況以及查閱相關參考文獻[11,24-25],確定Z系數為5；土壤有效含水量根據Zhou等[26]的計算結果；參考作物蒸散由 FAO56 修正的 Penman-Monteith 公式計算得到[20]；流域匯流面積、坡度、坡長通過DEM提取；流速系數以USDA-NRCS提供的國家工程手冊上的流速—坡度—景觀表格為基準,乘以1000得到； 植物蒸散系數是根據相關文獻結合試驗數據確定[2,9,27]。

3 結果分析

3.1 產水量空間分布特征

定西市安定區位于黃河中上游,分屬祖厲河流域和渭河流域,其中祖厲河流域占全區總面積的99.5%。在該區的北部為關川河,西部為稱鉤河,西南部為西河,東南部為東河,東部為西鞏河。其中,關川河為境內最大河流,干流全長180 km,水資源短缺和水土流失嚴重是該區主要的生態問題。

利用公式(1)—(4)計算出定西市安定區2017年的總產水量為3.41×108m3,基于柵格單元的產水量介于0—460.825 mm之間；流域單位面積產水量為292.67 m3/hm2。在各流域中,西河流域的單位面積產水量最高(162.26 m3/hm2),西鞏河流域的單位面積產水量最低(50.54 m3/hm2)；但關川河流域面積最大,雖然單位面積的年平均產水量僅為74.03 m3/hm2,年產水量占區域總產水量的28.2%。稱鉤河流域面積最小,單位面積的年平均產水量為134.42 m3/hm2,年產水量也最小,僅占區域總產水量的8.8%。；西河子流域的面積僅占總流域面積的18.1%,但年總產水量在5個流域中最大,年產水量占該區域總產水量的31.1%(表1)。由圖2中可知,定西市安定區產水量的空間分布差異較大,西南部地區產水量較高,中部和東部地區的產水量較低,單位面積產水量最高的流域,由于面積較小,產水量占區域總產水量的比例并不高,流域單位面積產水量與總產水量不具正相關性。水源涵養量較高的區域植被以草地、灌草地和林地為主,此外,地形地貌和人類活動對產水量也有影響,西南部屬低山淺山區,溫度較低,年降雨量相對高于北部地區,受人類活動干擾相對較少,對產水和土壤水源涵養過程的影響較小,而中部和東部地區是丘陵溝壑區,多屬耕地、荒草地、鹽堿地和裸地,年降雨量相對較低,人類活動干擾較大,對產水和土壤水源涵養過程的影響較大。整體上產水量呈現為南高北低的分布格局。表明產水量的變化主要受植被、地貌和人類活動的影響較大。

表1 定西市安定區2017年各流域產水量

圖2 定西市安定區2017年產水量空間分布 Fig.2 Spatial distribution of water yield of Anding district of Dingxi city in 2017

3.2 水源涵養功能空間分布特征

(1)水源涵養量評估

利用公式(5)—(6)計算出定西市安定區2017年基于柵格單元的水源涵養量介于0—364.541 mm之間,流域單位面積平均年水源涵養量36.37 m3/hm2,水源涵養總量為11900×104m3。

西河流域單位面積平均年水源涵養量最高,達54.64 m3/hm2,西鞏河流域最低,只有17.58 mm,僅為西河流域的32.2%。西河流域水源涵養總量最高,達3500×104m3,占區域總水源涵養量的29. 41%；稱鉤河流域雖然單位面積平均年水源涵養量較高,但由于面積較小,故水源涵養總量最低,只有1100×104m3,僅占區域總水源涵養量的9.24%(圖3)。由于地理位置、氣候條件、植被結構在空間上存在差異,水源涵養也表現出明顯的差別。由圖4可知,定西市安定區水源涵養功能在空間上呈由西南向東北逐漸減少的特征,水源涵養量與產水量在空間分布態勢上基本一致。從圖2與圖3的對比分析,水源涵養量減少最大的是關川河流域,與產水量相比下降了37%,減少最小的是西河流域,下降了33%。表明在干旱半干旱地區植被覆蓋率低的區域,土壤水分蒸發大,水源涵養能力低,而植被覆蓋率高的區域,水源涵養能力高。但這些區域主要以草地、灌草地和林地為主,地上地下生物量大,對水分的消耗也大。因此,該地區水源涵養的分布格局與地形地貌、氣候條件、植被覆蓋度、植被結構和人類活動密切相關。

圖3 定西市安定區2017年各流域水源涵養功能變化Fig.3 Changes of water conservation function of each basin of Anding district of Dingxi city in 2017

圖4 定西市安定區2017年安定區水源涵養功能空間分布 Fig.4 Spatial distribution of water conservation function of Anding district of Dingxi city in 2017

3.3 水源涵養功能冷熱點空間分布特征

3.4 水源涵養功能的重要性等級劃分

為了揭示水源涵養重要性特征,運用ArcGIS將水源涵養功能進行空間疊置分析,運用Geometrical interval(幾何間隔)的原理,將定西市安定區的水源涵養功能劃分為一般重要、較重要、中等重要、高度重要和極重要五個等級。分級結果為：一般重要區、較重要區、中等重要區、高度重要和極重要區面積分別為116007 hm2、31674 hm2、91054 hm2、119309 hm2和5 825 hm2,分別占總面積的31.88%、8.71%、25.02%、32.79%和1.60%。

由圖6可知,定西市安定區水源涵養高度重要區的面積最大,主要分布在關川河流域沿岸的周圍地區,土地利用類型以耕地為主,屬水源涵養的冷點區,植被結構單一,植被覆蓋度較低,水土流失嚴重,受人類活動影響較大,是退耕還林重點治理區域,水源涵養功能較弱,作為該地區水源涵養的重要生態區,需要優化現有的植被結構,提高植被覆蓋度,提升水源涵養功能。一般重要區和較重要區屬水源涵養的熱點區,主要分布在海拔較低的西河和稱鉤河流域,是天然草地和人工灌草地的主要分布區,但草地退化較為嚴重,需要加強退化草地恢復力度,進一步提升草地的水源涵養能力。

4 結論與討論

本研究基于InVEST模型評估了定西市安定區2017年的水源涵養功能,分析了其空間格局及冷熱點和重要性分布特征,得出以下主要結論：

(1)定西市安定區單位面積平均年水源涵養量為36.37 m3hm-2,水源涵養總量為11900×104m3,西河流域水源涵養量最高,達3500×104m3,占該區總水源涵養量的29.41%。該區水源涵養功能在空間分布上呈由西南向東北逐漸減少的特征,其分布格局與地形地貌、氣候條件、植被覆蓋度、植被結構和人類活動密切相關。

圖5 定西市安定區2017年水源涵養冷熱點空間分布 Fig.5 Spatial distribution of cold hot spots of water conservation of Anding district of Dingxi city in 2017

圖6 定西市安定區2017年水源涵養重要性分布 Fig.6 Spatial distribution of importance of water conservation of Anding district of Dingxi city in 2017

(2)定西市安定區水源涵養功能的熱點區域主要集中分布在南部地區,所占面積占該區總面積的20.12%；冷點區主要集中在中部地區,所占面積占該區總面積的27.46%；非顯著點面積占該區總面積的50%以上。冷熱點分布格局呈現與降水和植被覆蓋度一致性的分布特征。

(3)定西市安定區水源涵養高度重要和極重要區面積占該區總面積的34.39%,主要分布在關川河流域,屬水源涵養的冷點區；一般重要區和較重要區面積占該區總面積的40.59%,主要分布在海拔較低的西河和稱鉤河流域,屬水源涵養的熱點區,這些區域是該地區重要的水源涵養區,需要納入政策重點和優先保護的區域,優化現有的植被結構,提高植被覆蓋度,以提升水源涵養功能。

本研究結果表明2017年定西市安定區單位面積平均年水源涵養量達36.37 m3hm-2,與黃土高原其他地區采用相同方法研究的結果有較大的差異。如包玉斌等對2010年延安市和榆林市水源涵養量的評估值在150—200 m3/hm2之間[9],其主要原因,一方面是評估數據來源的差異造成的,包玉斌等的研究數據來源于面上數據,而本研究數據主要來源于研究區的定點采樣數據,且時序上存在差異,植被狀況發生了一定的變化。另一方面是不同區域的氣候、植被結構、植被恢復年限、和土壤狀況有一定的差異。本研究區植被以草地和灌草地為主,占總土地面積的64%,耕地占33%。由于近些年來該區域大面積種植高耗水的苜蓿,加之以檸條為主的灌木處于生命周期的成熟期,植物耗水量較大,導致水源涵養量減少[28]。一些研究也表明在黃土高原地區隨著植被覆蓋度提高和林、灌、草成分的增加,植被的生態需水量增加,土壤含水量出現下降的趨勢,涵養水量的損耗加大[5,9-10]。表明植被結構和人為干擾對水源涵養具有較大的影響,這些研究也佐證了本研究的結果。因此,優化植被結構,減少耕地,選擇低耗水的牧草和灌木品種是黃土高原丘陵區恢復生態和提高水源涵養能力的重要研究內容。

本研究通過水源涵養量評估,利用空間統計方法識別該區域水源涵養功能的冷熱點空間分布格局,明確水源涵養功能的強弱分布,客觀認識不同植被類型水源涵養量的差異具有重要價值。熱點區要求水源涵養量具有高值,在該地區水源涵養的熱點區主要分布在以草地、灌草地和林地為主的畜牧業生產區域,是退耕還林還草工程實施的主要區域,海拔相對較高、氣溫低、耕地少,人為活動影響較小,其空間分布具有隨沿河流分布的特征和地形和植被效應[8,29]。而冷點區是水源涵養量的低區域,主要分布在海拔相對較低、地勢較為平坦、以農業生產為主和人為干擾較大的地區。通過冷熱點分析,對水源涵養功能進行重要性分級和空間分區,確定水源涵養優先和重點保護的區域,為區域生態保護和水源涵養管理提供科學指導。水源涵養高度重要區和極重要區圍繞著熱點區進行分布,是該區域水源涵養的重要生態區和主要產水區,降水較為豐富、地表水系較發達、植被覆蓋較好,具有較好的導水性能、攔蓄降水和調節徑流的能力,涵養水分能力較強[30]。因此,維護草地、灌草地和林地的穩定與健康,加強對水源涵養高度重要區和極重要區的保護,同時,加強冷點區植被恢復力度,提升發揮水源涵養功能,將有利于整體提高區域生態服務水平[31]。由于定西市安定區屬典型的黃土高原丘陵區溝壑區,地勢起伏較大,水源涵養功能的空間分布呈現異常性,需要進一步開展水源涵養功能空間異常點的深入分析與研究,以揭示其空間變化的特殊規律[2]。本項研究對客觀認識該地區水源涵養功能,優化土地利用結構,確定水源涵養的重要保護區域,綜合考慮生態系統水分利用效率,提升水源涵養功能,實現可持續發展具有重要意義。

InVEST模型在國內外被應用于各類政府和機構的區域規劃和區域多種服務功能的綜合性評價與空間格局測度分析中[15]。本研究基于InVEST模型對黃土高原丘陵區水源涵養功能的空間化評估,并對其冷熱點和重要性分級,其結果具有一定的科學性與合理性,研究結果驗證了InVEST模型在黃土高原丘陵區的適應性[1]。但由于流域生態系統結構的復雜性和多樣性,在利用InVEST模型對水源涵養功能進行評估時,模型中一些生物物理參數是以土地利類型為基本單元確定的,評估結果的精度不高,在未來的研究中要考慮流域上下游的水資源關系、地表水與地下水進行區分及人類直接消耗的水分,對模型的本地化和參數驗證方面進一步加強研究。