廣西南嶺生態功能區水源涵養功能探討

莫焱蘭，庾 露，初愛萍，李嘉力，梁玉蓮

(1.南寧師范大學 地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區生態環境監測中心，廣西 南寧 530001)

1 引言

水源涵養是陸地生態系統的重要服務功能之一，對區域內調節水分循環、防止水、旱災害等具有重要意義，但易受生態系統類型、地形地貌差異、氣候以及徑流等因素的綜合影響，具有空間異質性和動態復雜性[1,2]。南嶺山地作為《全國主體功能區規劃》確定的南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區，其主要功能是水源涵養，輔助功能有生物多樣性保護和土壤保持[3]，其定位是構建人和自然和諧相處的示范區，發展以保護和修復生態環境為主。廣西南嶺山地森林及生物多樣性功能區(以下簡稱廣西南嶺生態功能區)是整個南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區的重要組成部分，計算并分析研究區2010年實施生態保護后水源涵養功能變化情況，對了解廣西南嶺的自然生態狀況，維持生態系統的完整性和穩定性，增強生態系統服務功能，筑牢桂北地區的生態屏障具有重要意義。

從水源涵養型國家重點生態功能區研究現狀來看，主要集中在生態補償[4]、產業可持續發展[5]、生態環境評價[6]等方面。針對單個區域的重點生態功能區開展了大量生態效益評估工作，如馮倩等[7]根據貴州省三都水族自治縣實際情況構建生態功能指標體系進行水源涵養功能評價、盧意愷等[8]運用遙感技術對桐柏山水源涵養國家重點生態功能區進行生態環境遙感監測、葉爾納爾·胡馬爾汗等[9]運用遙感技術和相關分析方法探究阿爾泰山地森林草原生態功能區植被覆蓋與氣候變化的響應關系等。而針對單個水源涵養型國家重點生態功能區開展水源涵養評估較少，目前水源涵養評估方法主要有綜合蓄水能力法[10]、水量平衡法[11～13]、InVEST模型[14,15]等，其中水量平衡法是將廣西南嶺生態功能區視為一個整體，將收入水量與支出水量之差視為水源涵養量，原理簡單，過程清晰，與水源涵養內涵最為匹配，時空尺度適用性較強。

廣西南嶺生態功能區生態脆弱，土層淺薄，暴雨洪澇、泥石流等自然災害頻發，給當地人民的生命財產和生產生活帶來嚴重威脅。為緩解自然水土過程與人類工農業生產之間的矛盾，提高水源涵養能力對降低該地區水土流失等災害風險具有重要意義。因此采用水量平衡方程，研究并分析廣西南嶺生態功能區2010～2020年在實施生態保護和修復后水源涵養功能質量狀況和變化趨勢，為廣西南嶺生態功能區了解水源涵養服務現狀及變化、未來水資源規劃與管理提供參考。

2 研究區概況及研究方法

2.1 研究區概況

廣西南嶺生態功能區位于廣西壯族自治區桂北部，桂黔湘交界處，行政區包含資源縣、龍勝各族自治縣、三江侗族自治縣、融水苗族自治縣4 個縣。總面積約為11446 km2，地貌以中山為主，屬于中亞熱帶地區，夏長冬短，四季不均，年平均氣溫18～19 ℃，雨量充沛，地處廣西多雨中心之一，年平均降雨量2000 mm。土壤類型多樣，包括紅壤、棕紅壤、黃棕壤、紫色土等，其中紅壤分布最廣，占總面積的56.37%。自然生態環境優越，原生植被有中亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林和針闊混交林。它既是長江水系和珠江水系的發源地之一，也是廣西主要的生態屏障和重要水源地。

2.2 數據來源

降雨量等氣象數據來源于廣西氣象局；蒸散量數據采用中國陸地實際蒸散發數據集，數據來源于國家青藏高原科學數據中心，為避免降水年際波動的影響，降雨和蒸發均采用5年滑動平均法進行數據預處理，以便能更為客觀地體現一個時期的生態系統服務功能狀況。生態系統類型數據來源于廣西壯族自治區生態環境監測中心。所有數據均轉換為Alber等面積投影的柵格數據，像元大小設為100 m×100 m。

2.3 研究方法

2.3.1 水量平衡

本文采用水量平衡方程來計算廣西南嶺生態功能區水源涵養量，公式如下:

(1)

式(1)中，T為區域水源涵養量(t)，Pm為5 年滑動平均年總降水量(mm)，Rm為不同生態系統類型的地表徑流量(mm)，ETm為5 年滑動平均蒸散發量(mm)，Am為第m類生態系統類型面積(km2)，m為第n類生態系統類型，n為生態系統類型總和。其中，Rm=Pr×a，a為平均地表徑流系數(無量綱)[16,17]。地表徑流系數詳細見表1。

表1 各生態系統地表徑流系數

2.3.2 重要性等級劃分方法

由于每個年份水源涵養功能受當年的降雨量不同而導致數值不一致，故不同年份之間進行比較較為困難。本文將計算得到的單位面積水源涵養量做離差標準化處理，使結果值落在[0,1]之間[18]。計算公式為：

(2)

式(2)中，Sxn為柵格像元中第n類生態系統類型下的單位面積水源涵養量；Smax表示該研究區內單位面積水源涵養量最大值；Smin則為最小值。

為更好分析廣西南嶺生態功能區水源涵養量在不同時期的時空變化情況，參考相關文獻[19]，對研究區離差標準化后的水源涵養進行重要性等級。水源涵養功能由低到高分為低、較低、中、較高和高5個重要性等級，分級標準如表2所示。

表2 水源涵養功能重要性分級標準

3 結果分析

3.1 水源涵養時間變化

基于水量平衡公式統計廣西南嶺生態功能區的水源涵養情況，從2010～2020 年的水源涵養評估總體結果看(表3)，研究區在2010、2015、2020年3個時期的單位面積水源涵養量為694.27 mm、772.80 mm、969.91mm，水源涵養總量為79.46 億t/年、88.45 億t/年、110.91 億t/年，總體呈現增加的趨勢。各年份的水源涵養等級主要集中在較高和高等級，兩者占總面積的67.08%～82.69%。在研究期間，低和中等級面積是不斷減少，較低等級面積是先增加再減少，較高等級面積是先減少再增加，高等級面積持續增加，增加率分別為35.41%和15.68%。總體而言，廣西南嶺生態功能區的水源涵養功能變化是一個“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。

為了解時間尺度上不同水源涵養等級之間的轉化情況，將各年份的水源涵養結果進行疊加分析，統計得到各年份不同水源涵養等級的面積轉移矩陣圖(圖1)。結合表3和圖1可知，廣西南嶺生態功能區的水源涵養等級具有相互轉移的特點，總體呈現持續向好的趨勢。其中，2010～2015 年間研究區水源涵養等級面積變化主要表現為：2015較2010 差等級面積減少了388.17 km2；較差等級面積增加了710 km2；中等級減少了290.67 km2，較高等級面積減少了1190.38 km2，高等級面積增加了1149.49 km2，主要由較高等級轉入而來。2015～2020 年間研究區水源涵養等級轉換主要表現為：中等級向較高等級轉移，較高等級向高等級轉移，較高等級和高等級占比達到82.69%，水源涵養能力明顯提高。整體而言，廣西南嶺生態功能區水源涵養等級變化主要是一個“總體向好-局部惡化”的過程，水源涵養能力提升明顯。

圖1 2010～2015 、2015～2020 年間研究區水源

表3 2010～2020年研究區不同水源涵養等級面積比例

3.2 水源涵養的空間變化特征

從表4可以看出，研究區各年份的水源涵養功能的空間分布各有特色。2010年，研究區以較高等級分布為主，主要分布在龍勝和資源，并在融水和三江有大量的高等級區和中等級區分布。2015年，低等級面積分布降低，與2010年相比，資源有大量低等級區和較高等級區提升到高等級區，分析年降雨、蒸散發、生態系統類型數據后可以發現，融水在2011～2015年間的年降雨量比2006～2010年偏多30%左右，這也是融水在2015 時期的涵養水源量大幅增加的主要原因。2020 時期三江中等級區面積減少明顯，大量提升到了較高等級區。

表4 研究區各縣水源涵養等級面積 km2

3.3 各生態系統類型水源涵養特征

本文根據生態系統類型數據集進行重分類得到[20]。其中，生態用地包括森林、灌叢、草地、濕地、農田五大類，非生態用地包括城鎮用地和其它用地。

本文主要對廣西南嶺生態功能區生態用地的水源涵養功能進行評估，生態用地類型由于地理位置、氣候條件、植被結構存在空間差異，因此水源涵養功能也表現出顯著的差異[21]。

單位面積水源涵養量可以用來表示水源涵養能力，如表5所示，2010～2020年廣西南嶺生態功能區平均水源涵養能力大小為：濕地>森林>灌叢>草地>農田。不同生態系統類型的水源涵養能力差異明顯，濕地平均單位面積水源涵養量為991.82 mm，而農田水源涵養能力僅達到濕地的14.06%。這是由于濕地在支出水量時無地表徑流量的流失，因而濕地的水源涵養功能最大。與之相反的是，農田由于受人為因素干擾，地表易被沖刷發生水土流失，因而水源涵養功能較低。水源涵養總量高低為：森林>草地>灌叢>農田>濕地，森林的水源涵養能力較強，且其在2010 年、2015 年、2020 年中占總生態系統面積的73.41%、72.30%、75.03%，因此水源涵養總量遠大于其它生態系統。雖然濕地的單位面積水源涵養量最大，但由于其所占面積比例較低，因此水源涵養總量遠小于與其單位面積水源涵養量相近的森林、灌叢和草地，可見水源涵養總量的大小與各生態系統類型面積占比有很大關系。

表5 2010～2020 年廣西南嶺生態功能區生態用地的生態系統類型水源涵養量

從時間變化上看，同生態系統類型的單位面積水源涵養量和水源涵養總量波動較強。2010～2015 年期間，農田和森林的單位水源涵養量分別增加了12.67%和453.33%。水源涵養總量分別增加了11.58%和40.18%。但農田和森林面積減少比例約為0.2%和2.47%。2015～2020 年期間，各生態系統類型單位面積水源涵養量和水源涵養總量穩步提升，然而生態用地面積變化約為：森林(增加2.47%)，灌叢(減少19.84%)草地(減少0.58%)，濕地(減少11.49%)，農田(增加0.27%)。因此，生態系統類型是影響水源涵養量的因素，但在2010～2015 年和2015～2020 年期間，生態系統類型變化可能不是研究區水源涵養量時空變化的主要影響因素。

3.4 氣象因子、徑流和植被覆蓋度對水源涵養量的影響

本文選擇年降雨量、蒸散發量、地表徑流量，植被覆蓋度探究其對水源涵養量的影響。水源涵養量與年降雨量、植被覆蓋度是正相關關系、與蒸散發量、地表徑流量是負相關關系。表6進一步給出了影響水源涵養量的各個因子在不同時期的變化情況。2010～2015 年，年降雨量增加5.58%，植被覆蓋度增加19.80%，2015～2020 年，年降雨量增加11.34%，森林面積也增加2.39%。地表徑流量受年降雨量和各生態系統地表徑流系數的影響，雖然年降雨量增加，但隨著植被覆蓋度的提高，森林生態系統中有林地的增加使地表徑流系數降低的正效益超過了降雨量增加的負效應。因而年降雨量和植被覆蓋度是影響水源涵養量的重要因子。

表6 廣西南嶺生態功能區水源涵養量影響因子變化 %

4 結論

本文分析了2010～2020 年廣西南嶺生態功能區的水源涵養狀況和質量變化, 到的主要結論如下：廣西南嶺生態功能區水源涵養整體趨于“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。

(1)2010、2015、2020年3個時期的單位水源涵養量和水源涵養總量呈“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。水源涵養等級以較高級和高級分布為主，不同時期轉變呈現“總體向好，局部惡化”的趨勢。

(2)在各生態系統類型中，從單位水源涵養量來說，濕地水源涵養能力最強。3個時期森林生態系統的水源涵養總量占同時期研究區水源涵養總量的82.94%、83.15%、84.04%，占絕對優勢，因而森林生態系統是廣西南嶺生態功能區的水源涵養主體。水源涵養量變化主要年降雨和植被覆蓋率的影響。

5 討論

本文基于水量平衡法計算廣西南嶺生態功能區的水源涵養量，水量平衡法是采用整個研究區內年降雨量與蒸發量以及其他流失量之差的原理，然而南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區跨省分布，因自然環境和人為因素的影響各有特色，在后續研究中，還需結合區域特點，在原有評價方法的基礎上,改進蒸散量和徑流量的計算方法。另外，還可以考慮在動態變化下，納入其他與水源涵養功能相關的影響因子，在像元尺度上對水源涵養的生態過程和作用機制開展相關研究，以求更好地體現不同區域和區內生態功能狀況的空間差異，評估重點生態功能區的生態功能狀況。