東江湖流域水供給服務(wù)時(shí)空格局分析

徐　潔,肖　玉,謝高地,王　碩,朱文彬

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京　100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京　100049 3 國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪發(fā)展研究中心, 北京　100830

?

東江湖流域水供給服務(wù)時(shí)空格局分析

徐潔1,2,肖玉1,*,謝高地1,王碩3,朱文彬1

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049 3 國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪發(fā)展研究中心, 北京100830

與水相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。水供給服務(wù)對(duì)區(qū)域水循環(huán)和水量平衡具有至關(guān)重要的作用。東江湖流域是國(guó)家重點(diǎn)流域和水資源生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn),水供給服務(wù)是該流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)的重中之重?；贗nVEST模型,從流域、子流域兩個(gè)尺度分析1995—2010年?yáng)|江湖流域的水供給服務(wù)時(shí)空格局,并比較了不同土地覆被類(lèi)型的水供給服務(wù)能力。結(jié)果表明：(1)1995—2010年,東江湖流域水供給量整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),年均水供給量在1100—1600 mm之間,2000年的平均水供給量最多。(2)各年水供給量的空間分布格局相似,由湖區(qū)向四周遞增。(3)平均水供給量較高的土地覆被類(lèi)型為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、典型草地、灌叢、灌叢草地,在1600 mm左右。平均水供給量較低的土地覆被類(lèi)型為河湖灘地、內(nèi)陸水體、水田,在800 mm以下。(4)各個(gè)子流域平均水供給量大致在750—1700 mm之間。東北部子流域?yàn)樗┙o服務(wù)的高值地區(qū)。從水量平衡的角度而言,降水和實(shí)際蒸散發(fā)是決定生態(tài)系統(tǒng)水供給量的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。東江湖流域水供給量的時(shí)空格局差異是氣候和土地覆被共同作用的結(jié)果。研究能夠?yàn)闁|江湖流域的水資源管理提供科學(xué)的參考依據(jù),對(duì)東江湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；水供給服務(wù)；InVEST模型；東江湖流域；時(shí)空格局

東江湖流域是國(guó)家級(jí)禁止開(kāi)發(fā)區(qū)域,2013年被納入國(guó)家重點(diǎn)流域和水資源生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn),是資興和郴州兩地飲用水源的取水點(diǎn),長(zhǎng)株潭城市群的第二水源,將使長(zhǎng)沙、株洲、湘潭、衡陽(yáng)及郴州 5 市 13個(gè)縣(市)1300 萬(wàn)人受益,是湖南省唯一、全國(guó)少有的大型優(yōu)質(zhì)水源,因此水供給服務(wù)是該流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)的重中之重,但是目前東江湖流域的水供給服務(wù)研究缺乏,使得流域內(nèi)的水資源管理與生態(tài)補(bǔ)償政策制定缺乏科學(xué)的參考依據(jù)。

水供給服務(wù)至今未形成一個(gè)公認(rèn)的定義,不同研究者有不同的認(rèn)識(shí)和界定。在很多研究中水源涵養(yǎng)量、水源供給量、產(chǎn)水量三者的計(jì)量方法一致,沒(méi)有對(duì)三者進(jìn)行明確定義與區(qū)分,導(dǎo)致概念上的混淆,使得不同地域甚至同一地域的研究案例沒(méi)有可對(duì)比性,嚴(yán)重阻礙了各研究成果的有效利用。為明確研究對(duì)象,現(xiàn)對(duì)已有研究進(jìn)行梳理：在水源涵養(yǎng)方面,目前最為全面的是森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能研究,是指森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯落物層和土壤層攔截滯蓄降水,對(duì)降水進(jìn)行再分配,從而有效涵蓄水分[1]、調(diào)節(jié)徑流[2]的功能。張彪等[3]將森林水源涵養(yǎng)功能從廣義和狹義的角度進(jìn)行了總結(jié)定義,狹義上是指森林?jǐn)r蓄降水或調(diào)節(jié)河川徑流量的功能,廣義上是指森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)水文過(guò)程及其水文效應(yīng)的綜合表現(xiàn),包括攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、影響降雨量、凈化水質(zhì)。李士美等[4]認(rèn)為森林水源涵養(yǎng)服務(wù)占兩項(xiàng),即水文調(diào)節(jié)和水資源供給。常用的水源涵養(yǎng)量計(jì)算方法有降水儲(chǔ)存量法、水量平衡法、林冠截留量法、多因子回歸法、綜合蓄水量法、土壤蓄水能力法、年徑流量法、地下徑流增長(zhǎng)法[5],其中水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機(jī)理的基礎(chǔ),能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算水源涵養(yǎng)量[6]。但已有的定量化評(píng)估方法僅限于套用公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的換算,對(duì)其中存在的問(wèn)題缺乏深層次的探討,如森林水源涵養(yǎng)功能在內(nèi)涵上是否等同于森林保持水分,小尺度上森林水源涵養(yǎng)功能的研究結(jié)果能否直接推至大尺度等[7]。在水源供給量方面,是對(duì)水供給服務(wù)的定量化表示,陳龍等認(rèn)為水供給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指植被通過(guò)再分配降水保持水分、調(diào)節(jié)徑流的功能。Gao等[8]認(rèn)為水供給不僅僅指自然生態(tài)系統(tǒng)土壤與植被冠層的蒸散發(fā)、灌溉農(nóng)業(yè)用水,還包括流向下游水生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的水量。在產(chǎn)水量方面沒(méi)有比較明確的定義,大多利用降水與實(shí)際蒸散發(fā)的差值來(lái)計(jì)算[9- 11]。通過(guò)對(duì)這3個(gè)概念的梳理,本文認(rèn)為三者之間既相互聯(lián)系又有所區(qū)別。產(chǎn)水量是水源涵養(yǎng)與水供給服務(wù)的基礎(chǔ),水供給服務(wù)和水源涵養(yǎng)一樣是一個(gè)綜合的概念。從水文過(guò)程和水量平衡原理出發(fā),狹義上的水供給基于人類(lèi)需求,一部分用于自然生態(tài)系統(tǒng)滿足植被生長(zhǎng)需水及生態(tài)需水,一部分用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)保障生產(chǎn)生活用水,植被生長(zhǎng)需水可用作物需水量度量,生產(chǎn)生活用水的可利用量為徑流量與土壤含水量之和。廣義上的水供給服務(wù)即為產(chǎn)水量,是指流域內(nèi)水資源輸入(降水量)與輸出(實(shí)際蒸散發(fā))之差。

本文主要目的在于反映東江湖流域水供給服務(wù)的空間分布格局并識(shí)別水供給服務(wù)的高值區(qū),因此考慮到估算的實(shí)際內(nèi)容與可獲取數(shù)據(jù),本文從廣義的水供給服務(wù)出發(fā),利用產(chǎn)水量表示流域的水供給量。由于受到植被類(lèi)型、氣候變化、土壤特征以及地形地貌的影響,水供給服務(wù)具有時(shí)空異質(zhì)性。這種時(shí)空異質(zhì)性研究可以通過(guò)流域尺度水平衡公式來(lái)模擬,將降雨、實(shí)際和潛在蒸散、土地覆被和土壤持水能力與基于過(guò)程的水文模型相聯(lián)系,用來(lái)模擬日徑流,并通過(guò)長(zhǎng)期日降雨和河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)[12-13]。以往的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要集中在價(jià)值評(píng)估方面,存在不確定性、靜態(tài)、政策應(yīng)用性差等缺陷,不適合水供給服務(wù)時(shí)空格局的研究,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型模擬則從時(shí)空特征的角度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行新的界定。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的模型模擬已取得一定進(jìn)展,主要有InVEST、SoIVES[14]、GUMBO[15-16]等,目前使用最廣泛的是美國(guó)斯坦福大學(xué)Natural Capital項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)價(jià)模型(InVEST),已在加利福尼亞[17]、坦桑尼亞[18-19]、美國(guó)威拉米特河流域[20]、京津冀地區(qū)[8]、三江源[21]、瀾滄江[22]等多個(gè)地區(qū)應(yīng)用[23-24],并取得良好的模擬效果,但是已有應(yīng)用中并未對(duì)水供給服務(wù)的時(shí)空差異原因進(jìn)行深入分析 。因此,本文基于InVEST模型從流域、子流域兩個(gè)尺度確定東江湖流域水供給服務(wù)的時(shí)空格局,明確流域內(nèi)不同土地覆被類(lèi)型的水供給服務(wù)能力,探究水供給服務(wù)時(shí)空差異的原因,識(shí)別水供給服務(wù)的高值地區(qū),促進(jìn)對(duì)流域內(nèi)水資源的科學(xué)管理與規(guī)劃。

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

東江湖位于湖南省資興市南部,地處113°15′11″—113°36′08″E, 25°34′09″—26°00′04″N,羅霄山脈南端,八面山西坡,南嶺北坡,是汝桂山脈的一部分,為中低山地貌,地勢(shì)東高西低。境內(nèi)山嶺層疊,溝壑縱橫,地形復(fù)雜,最高海拔1691.0m,最低海拔180.0 m。東江湖流域?qū)儆诘湫偷闹衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候,夏季高溫高濕,冬季稍冷、干燥。年平均降水量1645 mm,年平均蒸發(fā)量為1515 mm,年平均氣溫13.7—18.7℃。氣候四季分明,光、水、熱資源豐富,適宜多種樹(shù)木生長(zhǎng)。東江湖位于湘江支流的耒水上游,其中發(fā)源于桂東的東江水系,經(jīng)汝城從東南入境,境內(nèi)長(zhǎng)50多km；發(fā)源于八面山西側(cè)的永樂(lè)江水系,流經(jīng)市內(nèi)東北角,境內(nèi)長(zhǎng)47km,兩者均經(jīng)東江湖入耒水。東江湖水庫(kù)興建于 20 世紀(jì) 70 年代,正常蓄水位 285 m,水面面積 160 km2,蓄水量 81.2億 m3,有效庫(kù)容為 56.7 億 m3,是下游工農(nóng)業(yè)和生活用水水源。本文利用ArcSWAT模型將流域劃分為24個(gè)子流域(圖1),總面積為4648.53 km2,最大的子流域面積為473.2 km2,最小的子流域面積為20.6 km2,其與湖南省資興市、汝城縣、桂東縣、宜章縣均有交界,面積比例分別為37.33%、34.26%、25.85%、2.57%。

圖1　東江湖流域區(qū)位及子流域劃分圖Fig.1　Location of Dongjiang Lake Basin and division of subbasins

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所需的數(shù)據(jù)包括土地覆被數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等。土地覆被數(shù)據(jù)為1995、2000、2005、2010年4期(空間分辨率1 km),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),對(duì)應(yīng)于土地覆被的時(shí)間,同時(shí)為了避免單年數(shù)據(jù)的低代表性,本文選取4個(gè)時(shí)段(1993—1997年、1998—2002年、2003—2007年、2008—2012年)流域內(nèi)及其周邊16個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)的氣象日值數(shù)據(jù)(包括氣溫、降水、輻射、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等)。水文數(shù)據(jù)來(lái)源于水文統(tǒng)計(jì)年鑒,包括2個(gè)水文站點(diǎn)(圖1)的流量、徑流量、徑流深度,46個(gè)降水量站的年降水?dāng)?shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD),其中中國(guó)境內(nèi)的數(shù)據(jù)源為第二次全國(guó)土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)(包括不同土壤類(lèi)型質(zhì)地的比例、容重、導(dǎo)電率等)。數(shù)字高程模型(DEM)(空間分辨率90 m)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。

1.2.2數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理說(shuō)明如下：基于DEM數(shù)據(jù)利用ArcSWAT模型將流域劃分為24個(gè)子流域(圖1)。產(chǎn)水量計(jì)算輸入變量包括：降水量(Px)、參考作物蒸散發(fā)(ET0)、植物可獲得水量(AWCx)、根系限制層深度、生物物理參數(shù)表。降水?dāng)?shù)據(jù)先要進(jìn)行多年平均,后運(yùn)用ANUSPLIN4.4模型進(jìn)行空間插值得到4期降水量空間柵格數(shù)據(jù)[25-28]。參考作物蒸散發(fā)基于日值氣象數(shù)據(jù),利用經(jīng)過(guò)校正的FAO56Penman-Monteith公式[29]計(jì)算,然后進(jìn)行多年平均和ANUSPLIN空間插值處理。植物可獲得水量參考周文佐[30]的計(jì)算結(jié)果,使用SPAW Hydrology模型中的Soil Water Characteristics進(jìn)行計(jì)算[31],與文獻(xiàn)中相似土壤類(lèi)型的植物可獲得水量比較后由屬性轉(zhuǎn)為柵格圖。根系限制層深度利用土壤參考深度近似替代。生物物理參數(shù)表反映了土地利用/覆被類(lèi)型的屬性,包括土地利用/覆被編碼、最大根系深度、蒸散系數(shù)。最大根系深度是指有植被覆蓋的土地覆被類(lèi)型的根系深度最大值,綜合參考Canadell等[32]、徐佩等[33]、InVEST模型說(shuō)明文檔[34]中的數(shù)據(jù)后確定；每種土地覆被類(lèi)型的蒸散系數(shù)采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織[30]蒸散系數(shù)參考值。東江湖流域最大根系深度和蒸散系數(shù)見(jiàn)表1。季節(jié)因子(Z)表示當(dāng)?shù)氐慕邓Ｊ胶退牡刭|(zhì)特征,是實(shí)際蒸散發(fā)量與降水量的比值,根據(jù) Zhang 等[35]在Budyko曲線基礎(chǔ)上提出的近似算法,對(duì)于降水總量相等的區(qū)域降水次數(shù)越多Z越大。

表1　東江湖流域不同土地覆被類(lèi)型的最大根系深度和蒸散系數(shù)表

1.2.3InVEST模型算法

InVEST模型中的water yield模塊基于Budyko[36]假設(shè),即多年平均尺度流域的蓄水變量可以忽略不計(jì),簡(jiǎn)化了匯流過(guò)程,沒(méi)有區(qū)分地表徑流、壤中徑流和基流,該模塊假設(shè)柵格產(chǎn)水量通過(guò)以上任意一種方式到達(dá)流域出口,各柵格產(chǎn)水量由該柵格的降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后得到,包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量、冠層截留量[21]。年實(shí)際蒸散發(fā)可以用降水和潛在蒸散發(fā)估算；具體則采用Zhang等[35]根據(jù)全球250多個(gè)流域的觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的公式(公式2)。整個(gè)模塊的計(jì)算過(guò)程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,Yxj為土地覆被類(lèi)型j上柵格單元x的年均水供給量,Px為柵格單元x的年均降水量,AETxj為土地覆被類(lèi)型j上柵格單元x的年均實(shí)際蒸散發(fā)量；ωx為修正植被年可利用水量與預(yù)期降水量的比值,無(wú)量綱,是表征自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)；Rxj為土地覆被類(lèi)型j上柵格單元x的Budyko干燥指數(shù),無(wú)量綱,定義為潛在蒸散發(fā)量與降水量的比值；k(或ETk)為作物系數(shù),是不同發(fā)育期中作物蒸散發(fā)量ET與參考(潛在)蒸散發(fā)量ET0的比值,InVEST模型手冊(cè)中稱(chēng)為植被蒸散系數(shù)；Z為Zhang系數(shù)；AWCx為植物可利用水；Max Soil Depthx為柵格單元x的最大土壤深度；Root Depthx為柵格單元x的根系深度；PAWCx為柵格單元x的植被可利用水；Max Soil Depthx、Root Depthx、PAWCx是需要獲取或校驗(yàn)的數(shù)據(jù)及參數(shù)。

1.2.4模型校驗(yàn)

由于水供給量是降水與實(shí)際蒸散發(fā)的差值,降水量對(duì)水供給量的影響最大,達(dá)65.89%[10],實(shí)際蒸散發(fā)由模型通過(guò)潛在蒸散發(fā)計(jì)算而來(lái)。因此在輸入模型之前對(duì)降水和潛在蒸散發(fā)的空間插值數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)能夠在很大程度上保證水供給量計(jì)算的準(zhǔn)確性。由于國(guó)家氣象站點(diǎn)和水文降水量站點(diǎn)均有實(shí)測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)(本文選取16個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)和46個(gè)水文降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)),因此降水?dāng)?shù)據(jù)相對(duì)于潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)更為全面。對(duì)于降水?dāng)?shù)據(jù),以2010年ANUSPLIN降水空間插值數(shù)據(jù)為例,通過(guò)隨機(jī)抽樣站點(diǎn)10次,每次隨機(jī)選取3個(gè)站點(diǎn),計(jì)算插值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差(表2),檢驗(yàn)降水空間插值數(shù)據(jù)的精度。檢驗(yàn)結(jié)果表明,降水空間插值數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均值為2.37%,相對(duì)誤差的絕對(duì)值均值為8%,誤差較低,故采取該方式處理得到的降水空間數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)水量。對(duì)于潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù),以2010年ANUSPLIN潛在蒸散發(fā)空間插值數(shù)據(jù)為例,由于只有國(guó)家氣象站點(diǎn)的觀測(cè)值可用于計(jì)算潛在蒸散發(fā),所以相對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)將抽樣次數(shù)減半,通過(guò)隨機(jī)抽樣站點(diǎn)5次,每次隨機(jī)選取3個(gè)站點(diǎn),計(jì)算插值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差(表3),檢驗(yàn)潛在蒸散發(fā)空間插值數(shù)據(jù)的精度。檢驗(yàn)結(jié)果表明,潛在蒸散發(fā)空間插值數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均值為-4.72%,相對(duì)誤差的絕對(duì)值均值為18.27%,誤差相對(duì)較低,故采取該方式處理得到的潛在蒸散發(fā)空間插值數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)水量。

在其他參數(shù)確定的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)季節(jié)因子(Z)校驗(yàn)?zāi)Ｐ?。季?jié)因子Z取值范圍為1—10,利用水文站點(diǎn)的流量、徑流量、徑流深度數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的校準(zhǔn)。東江湖流域范圍內(nèi)有兩個(gè)水文站點(diǎn),東江和寨前(三)(圖1)。東江水文站接近流域出口,觀測(cè)徑流量與東江湖水庫(kù)的調(diào)蓄有關(guān),不能直接用于流域水供給量的校準(zhǔn),僅作參考。寨前(三)水文站位于水庫(kù)上游,觀測(cè)徑流量可排除水庫(kù)調(diào)蓄的影響,可用于流域水供給量的校準(zhǔn)。需要注意的是,根據(jù)水量平衡原理,降水量與實(shí)際蒸散發(fā)的差值等于土壤貯水量變化與地表徑流量之和,土壤含水量的計(jì)量復(fù)雜,精度較低,多年平均尺度上土壤貯水量的變化可忽略不計(jì)。同時(shí),參考已有產(chǎn)水量的計(jì)算結(jié)果[9-10,21,37],當(dāng)Z取值為2.32時(shí),多個(gè)年份的年徑流量觀測(cè)值達(dá)產(chǎn)水量的94.11%,整體誤差較小。

表2　降水空間插值數(shù)據(jù)隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)結(jié)果

表中區(qū)站號(hào)為中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集的國(guó)家氣象站點(diǎn)代碼和水文統(tǒng)計(jì)年鑒上的降水量站代碼

表3　潛在蒸散發(fā)空間插值數(shù)據(jù)隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)結(jié)果

表中區(qū)站號(hào)為中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集的國(guó)家氣象站點(diǎn)代碼

2　結(jié)果與分析

2.1東江湖流域水供給服務(wù)的時(shí)空格局

1995—2010年?yáng)|江湖流域水供給量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),在1100—1600 mm之間變化,即整個(gè)流域供水總量為5.11×109—7.44×109m3,2000年的平均水供給量最高,達(dá)到1575.67 mm,即整個(gè)流域供水總量為7.32×109m3(圖2)。從水量平衡的角度而言,降水和實(shí)際蒸散發(fā)是決定生態(tài)系統(tǒng)水供給量的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。降水是氣候變化的重要變量,實(shí)際蒸散同時(shí)受氣候(輻射、溫度、濕度、風(fēng)速)和下墊面地表覆被的影響。由圖3得出,同期降水量也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),基本維持在1600—2000 mm之間,2000年的平均降水量最多,為2083.18 mm。平均潛在蒸散發(fā)和平均實(shí)際蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)波動(dòng)變化特征,平均潛在蒸散發(fā)大致在1000 mm左右波動(dòng)變化,平均實(shí)際蒸散發(fā)則低于實(shí)際潛在蒸散發(fā),各年份較平均,約為500 mm。蒸散的年際變化與降水并無(wú)明顯的相關(guān)性[38],平均水供給量的年際變化與降水的相關(guān)性較強(qiáng)。

賈芳芳等[37]基于InVEST模型對(duì)2000、2005、2010年贛江流域的水源供給功能進(jìn)行了評(píng)估,在700—1600 mm之間變化；張燦強(qiáng)等[11]基于InVEST模型對(duì)2003—2008年西苕溪流域的平均水供給量進(jìn)行了分析,在500—1100 mm之間變化。3個(gè)流域都屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,東江湖流域的降水量較其他兩個(gè)流域要多,植被覆蓋率較高,水供給量較多,但是三者的水供給量在可比的范圍內(nèi)。

圖2　1995—2010年?yáng)|江湖流域降水、蒸散發(fā)及供水量變化Fig.2　Variation of precipitation, evapotranspiration and water yield in Dongjiang Lake Basin

東江湖流域各年水供給量的空間分布格局相似(圖3),由湖區(qū)向四周遞增,最低值均出現(xiàn)在湖區(qū)范圍內(nèi),各年水供給量在160—700 mm之間變化。最高值均出現(xiàn)在東北部地區(qū),各年水供給量在1800—2500 mm之間變化。InVEST模型利用降水量和實(shí)際蒸發(fā)量的差值計(jì)算水供給量,降水插值的空間分布顯示流域內(nèi)的降水量由湖區(qū)向四周增加,湖區(qū)范圍為降水的低值區(qū)。由于地表蓄水體具有一定的調(diào)蓄能力,水體下墊面初始含水量已基本飽和,雨水下滲能力有限[39],同時(shí)湖區(qū)蒸散量分為水體蒸發(fā)量和植被(非水體)蒸散量[38]。湖區(qū)的水體蒸發(fā)量難以直接測(cè)得,絕大多數(shù)利用陸上蒸發(fā)器觀測(cè)值換算得來(lái),通常水體蒸發(fā)高于陸上蒸發(fā)池的蒸發(fā)量[40],且明顯高于植被蒸散量[38],因此形成湖區(qū)水供給量低值區(qū)。至于高值區(qū)的空間分布則與降水、不同植被的蒸散有關(guān)。

圖3　東江湖流域水供給量的時(shí)空格局分布圖Fig.3　Spatiotemporal distribution of the water supply amount in Dongjiang Lake Basin

由圖4可以看出,1995—2000年流域范圍內(nèi)的平均水供給量整體呈現(xiàn)增多的趨勢(shì),增加幅度由湖區(qū)向四周逐級(jí)遞增,僅湖區(qū)范圍內(nèi)的水供給量有所減少,減少量為0—100 mm。這主要是由于流域內(nèi)的降水量整體增加,但湖區(qū)內(nèi)降水的增加幅度小于其他區(qū)域,且湖區(qū)內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)增加,其他區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)降低。2000—2005、2005—2010年間的水供給量均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),但減少的空間格局存在差異。2000—2005年,水供給量的減少幅度由湖區(qū)向四周逐級(jí)遞增,其變化的空間格局與1995—2000年的相似,該時(shí)段流域內(nèi)的降水量整體減少,實(shí)際蒸散發(fā)東北部區(qū)域整體增加,其他區(qū)域整體減少。2005—2010年,水供給量的減少幅度由西向東遞減,湖區(qū)范圍內(nèi)的減少幅度最大,該時(shí)段流域內(nèi)的降水量減少,且西部減少的幅度大于東部地區(qū),湖區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)際蒸散發(fā)增大,其他大部分區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)減少,但減少的幅度小于降水量,導(dǎo)致流域內(nèi)水供給量整體降低。

圖4　東江湖流域水供給量年際變化的空間分布圖Fig.4　Spatiotemporal distribution of the water supply amount variation in Dongjiang Lake Basin

2.2不同土地覆被類(lèi)型水供給服務(wù)的比較

各年份之間同種土地覆被類(lèi)型的平均水供給量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)(圖5),與整個(gè)流域內(nèi)水供給量的時(shí)間變化趨勢(shì)一致。平均水供給量較高的土地覆被類(lèi)型依次為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、典型草地、灌叢、灌叢草地,在1600 mm左右。灌叢在流域范圍內(nèi)的分布較為集中,主要分布在流域中北部的狹長(zhǎng)地帶,是除流域東北部以外較明顯的水供給量高值區(qū)(圖3)。平均水供給量較低的土地覆被類(lèi)型為河湖灘地、內(nèi)陸水體、水田。內(nèi)陸水體的平均水供給量在800 mm以下,形成湖區(qū)范圍內(nèi)的水供給量低值區(qū)(圖3)。模型計(jì)算的產(chǎn)水量包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量、冠層截留量,后三者主要存在于有植被覆蓋的土地覆被類(lèi)型。不同的土地覆被類(lèi)型產(chǎn)流特性不同,建設(shè)用地、灌叢、草地、林地、耕地的產(chǎn)流能力依次降低[39,41-44]。森林、草甸的土壤含水量高于灌叢[45],森林、灌叢、草甸的枯落物持水量和林冠截留量均依次降低[4,44]。在蒸散發(fā)能力上,水體、耕地、林地、草地、建設(shè)用地依次降低[46],湖區(qū)包括水體和河湖灘地,其蒸發(fā)量明顯高于植被蒸散量[38]。以上多種因素與降水量等共同疊加形成流域內(nèi)不同土地覆被類(lèi)型的平均水供給量差異。雖然城市建設(shè)用地產(chǎn)水量較高,但因其為不透水面,降水到達(dá)地表后進(jìn)入城市排水管道,難以被人類(lèi)利用。流域內(nèi)灌叢的平均水供給量高于其他林地類(lèi)型,主要是由于該地帶是流域內(nèi)降水量的高值區(qū),水供給量受降水量的影響較大。對(duì)于其他的林地類(lèi)型,闊葉林的產(chǎn)水量高于針葉林[47],針闊混交林的產(chǎn)水量或高于闊葉林或低于闊葉林,與研究區(qū)的具體情況有關(guān)[4,22,48]。

圖5　東江湖流域不同土地覆被類(lèi)型平均水供給量柱狀圖Fig.5　 Mean water supply amount of different land cover types in Dongjiang Lake BasinENF: 常綠針葉林Evergreen needleleaf forest；EBF: 常綠闊葉林Evergreen broadleaf forest；DNF: 落葉針葉林Deciduous needleleaf forest；DBF: 落葉闊葉林Deciduous broadleaf forest；MF: 針闊混交林Mixed forests；SF: 灌叢Shrub forest；HS: 典型草地Herbaceous steppe；SG: 灌叢草地Shrub grassland；PF: 水田Paddy field；DC: 旱地Dryland cropland；UAB: 城鎮(zhèn)建設(shè)用地Urban and built up；RS: 農(nóng)村聚落Rural settlement；WB: 內(nèi)陸水體Water bodies；BL: 河湖灘地Bottom land；BAL: 裸地Bare land

2.3子流域尺度上水供給服務(wù)的時(shí)空格局

由于流域尺度上水供給服務(wù)時(shí)空格局的分析基于流域整體,只能判斷出流域整體的變化趨勢(shì),難以落實(shí)到更小的空間尺度,可能在一定程度上掩蓋地區(qū)格局的空間異質(zhì)性,不利于水資源的有效管理與評(píng)估。為了對(duì)東江湖流域水供給量的空間分布格局進(jìn)行更為深入的分析,更精確地識(shí)別出水供給服務(wù)的空間分布,方便水資源政策的有效實(shí)施,提高水供給服務(wù)的質(zhì)量,在子流域尺度上分析水供給量的時(shí)空格局,使用平均水供給量作為評(píng)估水供給服務(wù)能力的指標(biāo),計(jì)算1995、2000、2005、2010年各子流域的平均水供給量,大致在750—1700 mm之間。分別統(tǒng)計(jì)各子流域4個(gè)年份的降水量、潛在蒸散發(fā)、實(shí)際蒸散發(fā)、土地覆被覆蓋率,并利用SPSS軟件進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析,以識(shí)別影響水供給量的主要因素。由于東江湖流域內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的平均水供給量最高,因此在各子流域土地覆被構(gòu)成的分析中將城鎮(zhèn)建設(shè)用地的比例單獨(dú)列出,與農(nóng)村聚落的比例區(qū)分開(kāi)。由表4可以看出,平均水供給量與降水量、潛在蒸散發(fā)、林地覆蓋率成極顯著正相關(guān)關(guān)系,與實(shí)際蒸散發(fā)、濕地水體覆蓋率成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與本文水供給量計(jì)算值包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量、冠層截留量有關(guān)。基于此進(jìn)一步分析子流域尺度上水供給服務(wù)的時(shí)空格局,由圖6和表5可以看出,各年份7號(hào)子流域平均水供給量均最低,并以此為中心自西向東逐級(jí)增加,這與氣象要素的空間分布和各子流域土地覆被類(lèi)型有關(guān),各年份降水由湖區(qū)向四周遞增,湖區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)際蒸散發(fā)最大,且與周?chē)貐^(qū)差異較大。綜合來(lái)看,平均水供給量較低的2、4、6、7、10、12、18、19號(hào)子流域的水體面積比例較高,降水量較少,實(shí)際

表4東江湖子流域平均水供給量與降水量、蒸散發(fā)和土地覆被覆蓋率的相關(guān)分析

Table 4Correlation analysis of average water supply amount and precipitation,evapotranspiration and the percentage of land cover in Dongjiang Lake subbasins

類(lèi)別Category降水量Precipitation潛在蒸散發(fā)Evapotranspiration實(shí)際蒸散發(fā)Actualevapotranspiration林地覆蓋率Forestcoveragerate草地覆蓋率Grasslandcoveragerate相關(guān)系數(shù)Correlationcoeffi-cient0.976**0.392**-0.265**0.365**0.142類(lèi)別Category農(nóng)田覆蓋率Croplandcoveragerate城鎮(zhèn)建設(shè)用地覆蓋率Urbanandbuilt-upcoveragerate農(nóng)村聚落覆蓋率Ruralsettlementcoveragerate濕地水體覆蓋率Wetlandsandwaterbodiescoveragerate裸地覆蓋率Barelandcoveragerate相關(guān)系數(shù)Correlationcoeffi-cient0.0590.0160.127-0.544**-0.088

**在0.01水平(雙側(cè))上顯著,*在0.05水平(雙側(cè))上顯著

蒸散發(fā)較高；平均水供給量較高的1、5、8、9、15、23號(hào)子流域城鎮(zhèn)建設(shè)用地和草地的面積比例均較高,降水量較多,實(shí)際蒸散發(fā)相對(duì)較低。水供給量不僅與土地覆被類(lèi)型有關(guān),與降水量和土地覆被類(lèi)型的組成結(jié)構(gòu)均有關(guān)系,其具體的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

圖6　東江湖地區(qū)子流域的水供給服務(wù)能力分布圖(圖上序號(hào)為子流域編號(hào))Fig.6　The hierarchy of water supply service capacity of Dongjiang Lake subbasins (the serial numbers in the figure are subbasin codes)為體現(xiàn)各個(gè)子流域的地理區(qū)位,對(duì)子流域編號(hào)按照優(yōu)先級(jí)別采用水系、行政區(qū)、方位三者相結(jié)合的方式進(jìn)行命名,子流域編號(hào)對(duì)應(yīng)的命名如下：1: 漚江上游；2: 坪石；3: 青腰；4: 楓沖垅；5: 連坪；6: 東江；7: 白廊；8: 漚江中游東；9: 漚江中游西；10: 清江；11: 秋木田；12: 龍溪；13: 東坪；14: 水口；15淇江；16: 漚江中下游；18: 黃草；19: 滁口；20: 瑤崗仙；21: 浙江河下游；22: 文明、盈洞；23: 浙江河上游西；24: 浙江河上游東

表5　1990—2010年?yáng)|江湖子流域水供給服務(wù)差異分析表

在子流域水供給量的年際變化上,2000年平均水供給量大于1600 mm的子流域最多。2005、2010年各子流域平均水供給量逐年降低,不存在平均水供給量大于1600 mm的子流域,平均水供給量在1000—1200 mm的子流域逐年增多,2000—2010年整個(gè)流域的水供給服務(wù)能力減弱,由于流域內(nèi)的土地覆被變化不顯著,導(dǎo)致平均水供給量降低的主要原因是氣候變化,1995—2000年流域內(nèi)的降水量增多,除湖區(qū)以外的實(shí)際蒸散發(fā)降低；2000—2010年流域內(nèi)的降水量減少,流域內(nèi)大部分地區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)降低,降低的幅度小于降水量。

綜上,1、8、9、15號(hào)子流域是整個(gè)流域范圍內(nèi)水供給服務(wù)的高值地區(qū),其占流域的面積比例小于平均水供給比例,是流域內(nèi)水供給服務(wù)的基礎(chǔ)保障區(qū)域；2、4、6、7、10、19號(hào)子流域是水供給服務(wù)的低值地區(qū),其占流域的面積比例大于平均水供給比例,尤其是7號(hào)子流域。18號(hào)子流域較周邊子流域(13、14、17、21號(hào))的平均水供給量低,主要是由于降水量相對(duì)較低,實(shí)際蒸散發(fā)較高,水體的面積比例較大,形成水供給服務(wù)的“谷地”。23號(hào)子流域較周邊子流域(21、22、24號(hào))的平均水供給量高,主要由于其降水量較高,沒(méi)有水體分布,形成水供給服務(wù)的“高地”。對(duì)于水供給服務(wù)的高值地區(qū),應(yīng)注意植被的保護(hù),防止水土流失,注意多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡,進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評(píng)估管理,維持與提高水供給服務(wù)。流域內(nèi)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系需要進(jìn)一步的研究。

3　結(jié)論

本文基于InVEST模型計(jì)算了東江湖流域不同年份的水供給量,利用ArcSWAT模型對(duì)東江湖進(jìn)行子流域劃分,并對(duì)東江湖流域、子流域水供給量的時(shí)空格局進(jìn)行定量分析與研究,對(duì)流域內(nèi)不同土地覆被類(lèi)型的產(chǎn)水能力進(jìn)行了比較分析,探究水供給服務(wù)時(shí)空差異的原因。本研究能夠?yàn)闁|江湖流域的水資源管理提供科學(xué)的參考依據(jù),對(duì)于東江湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明：

(1)1995—2010年,東江湖流域水供給量整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),年均水供給量在1100—1600 mm之間變化,2000年的平均水供給量最多。年均水供給量的變化趨勢(shì)與各年份降水量的變化趨勢(shì)一致,與流域內(nèi)平均潛在蒸散發(fā)和平均實(shí)際蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)不同,后兩者在1995—2010年間呈現(xiàn)波動(dòng)變化,且兩者的波動(dòng)趨勢(shì)一致。

(2)水供給量的時(shí)空格局：東江湖流域各年水供給量的空間分布格局相似,由湖區(qū)向四周遞增,最低值均出現(xiàn)在湖區(qū)范圍內(nèi),湖區(qū)內(nèi)各年的水供給量在160—700 mm之間變化,最高值均出現(xiàn)在東北部地區(qū),年均水供給量在1800—2500 mm之間變化。1995—2000年流域范圍內(nèi)的水供給量整體呈現(xiàn)增多的趨勢(shì),增加幅度由湖區(qū)向四周逐級(jí)遞增,僅湖區(qū)內(nèi)的水供給量減少。2005—2010年間的水供給量均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),但減少的空間格局存在差異。

(3)不同土地覆被類(lèi)型的水供給量：流域范圍內(nèi)的土地覆被類(lèi)型以林地為主,占整個(gè)流域面積近80%。平均水供給量較高的土地覆被類(lèi)型依次為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、典型草地、灌叢、灌叢草地,在1600 mm左右。平均水供給量較低的土地覆被類(lèi)型依次為河湖灘地、內(nèi)陸水體、水田。內(nèi)陸水體的平均水供給量在800 mm以下,形成湖區(qū)范圍內(nèi)的水供給量低值區(qū)。

(4)子流域水供給量的時(shí)空格局：各個(gè)子流域平均水供給量大致在750—1700 mm之間,平均水供給量與降水量、潛在蒸散發(fā)、林地覆蓋率成極顯著正相關(guān)關(guān)系,與實(shí)際蒸散發(fā)、濕地水體覆蓋率成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)各子流域平均水供給量的時(shí)空格局進(jìn)行分析,1995、2000年70%以上的子流域平均水供給量超出1400 mm,2005年只有3個(gè)子流域超出1400 mm,2010年各子流域平均水供給量均低于1400 mm,表明流域的水供給服務(wù)能力減弱。各個(gè)年份水供給服務(wù)能力的空間分布也能反映該年份水供給量的數(shù)量及空間分布的變化情況。由于流域內(nèi)的土地覆被變化不顯著,導(dǎo)致平均水供給量降低的主要原因是氣候變化。水供給量時(shí)空格局差異是氣候和土地覆被共同作用的結(jié)果。

4　討論

本文從流域、子流域兩個(gè)尺度對(duì)東江湖流域水供給服務(wù)的時(shí)空格局進(jìn)行了探討分析,對(duì)流域境內(nèi)的水供給服務(wù)有了較全面的認(rèn)識(shí),流域內(nèi)的植被對(duì)水供給服務(wù)的保護(hù)與維持具有重要的作用,應(yīng)建立完整的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,合理開(kāi)發(fā)利用自然資源。但是由于模型不可避免地存在一些誤差,如在計(jì)算水供給量的時(shí)候未考慮地形地貌等因素,部分參數(shù)如蒸散系數(shù)、根系限制層深度、最大根系深度、季節(jié)因子等是根據(jù)文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者模型的示例參數(shù)賦值所得,流域內(nèi)降水量與潛在蒸散發(fā)量等空間數(shù)據(jù)通過(guò)插值方法得到,其計(jì)算精度與插值方法和已知點(diǎn)的點(diǎn)位分布有關(guān)。因此,可能在部分地區(qū)模擬精度不高,存在一定的誤差。由于InVEST 模型是以年為單位模擬水供給量,在水供給服務(wù)空間格局分析的時(shí)間精度上準(zhǔn)確度不高。對(duì)于水供給服務(wù)的保持與提高,在通過(guò)植被變化改變產(chǎn)水量之前必須考慮水庫(kù)蓄水、土壤侵蝕、沉積物、水質(zhì)變化等,還要考慮水文過(guò)程,即流域內(nèi)水供給服務(wù)的流動(dòng)特征。對(duì)于流域內(nèi)水供給服務(wù)與土地覆被變化之間的關(guān)系,氣象要素與土地覆被類(lèi)型的構(gòu)成對(duì)水供給量的綜合影響效應(yīng),以及流域內(nèi)多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡,如水供給服務(wù)與土壤保持服務(wù)之間的關(guān)系有待于深入研究。今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù),通過(guò)實(shí)地采樣計(jì)算進(jìn)行參數(shù)的本地化,對(duì)產(chǎn)水量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更高精度的實(shí)地驗(yàn)證,提高水供給服務(wù)的分析精度；進(jìn)行多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合研究,權(quán)衡各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)整個(gè)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的最大化,使研究成果與改善流域環(huán)境緊密結(jié)合起來(lái)。

[1]孫立達(dá), 朱金兆. 水土保持林體系綜合效益研究與評(píng)價(jià). 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1995.

[2]李文華, 何永濤, 楊麗韞. 森林對(duì)徑流影響研究的回顧與展望. 自然資源學(xué)報(bào), 2001, 16(5): 398- 406.

[3]張彪, 李文華, 謝高地, 肖玉. 森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計(jì)量方法. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(3): 529- 534.

[4]李士美, 謝高地, 張彩霞, 蓋力強(qiáng). 森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)流量過(guò)程研究. 自然資源學(xué)報(bào), 2010, 25(4): 585- 593.

[5]王曉學(xué), 沈會(huì)濤, 李敘勇, 景峰. 森林水源涵養(yǎng)功能的多尺度內(nèi)涵、過(guò)程及計(jì)量方法. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(4): 1019- 1030.

[6]張海博. 基于SEBS與SCS模型的區(qū)域水源涵養(yǎng)量估算研究[D]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 2012.

[7]王曉學(xué), 李敘勇, 莫菲, 江燕. 基于元胞自動(dòng)機(jī)的森林水源涵養(yǎng)量模型新方法——概念與理論框架. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(20): 5491- 5500.

[8]Gao Y, Feng Z, Li Y, Li S C. Freshwater ecosystem service footprint model: a model to evaluate regional freshwater sustainable development—a case study in Beijing-Tianjin-Hebei, China. Ecological Indicators, 2014, 39: 1- 9.

[9]吳哲, 陳歆, 劉貝貝, 初金鳳, 彭黎旭. 不同土地利用/覆蓋類(lèi)型下海南島產(chǎn)水量空間分布模擬. 水資源保護(hù), 2014, 30(3): 9- 13.

[10]黃從紅. 基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2014.

[11]Zhang C Q, Li W H, Zhang B, Liu M C. Water yield of Xitiaoxi River Basin based on InVEST modeling. Journal of Resources and Ecology, 2012, 3(1): 50- 54.

[12]CSIRO. Water Availability in the Murray-Darling Basin. Australia: CSIRO, 2008.

[13]肖玉, 謝高地, 魯春霞, 徐潔. 基于供需關(guān)系的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(10)：3096-3102.

[14]Sherrouse B C, Clement J M, Semmens D J. A GIS application for assessing, mapping, and quantifying the social values of ecosystem services. Applied Geography, 2011, 31(2): 748- 760.

[15]黃桂林, 趙峰俠, 李仁強(qiáng), 徐明. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估研究現(xiàn)狀 挑戰(zhàn)和趨勢(shì). 林業(yè)資源管理, 2012, (4): 17- 23.

[16]Boumans R, Costanza R, Farley J, Wilsona M A, Portela R, Rotmans J, Villa F, Grasso M. Modeling the dynamics of the integrated earth system and the value of global ecosystem services using the GUMBO model. Ecological Economics, 2002, 41(3): 529- 560.

[17]Natural Capital Project. Sierra Nevada, California Demonstration Site. (2006-05- 16)[2010-07-08]. http://www.Naturalcapitalroject.org/ConEX/Sierra_Nevada_ConEX_Brochure_100708.pdf.

[18]Fisher B, Turner R K, Burgess N D, Swetnam R D, Green J, Green R E, Kajembe G, Kulindwa K, Lewis S L, Marchant R, Marshall A R, Madoffe S, Munishi P K T, Morse-Jones S, Mwakalila S, Paavola J, Naidoo R, Ricketts T, Rouget M, Willcock S, White S, Balmford A. Measuring, modeling and mapping ecosystem services in the Eastern Arc Mountains of Tanzania. Progress in Physical Geography, 2011, 35(5): 595- 611.

[19]Swetnam R D, Fisher B, Mbilinyi B P, Munishi P K T, Willcock S, Ricketts T, Mwakalila S, Balmford A, Burgess N D, Marshall A R, Lewis S L. Mapping socio-economic scenarios of land cover change: a GIS method to enable ecosystem service modelling. Journal of Environmental Management, 2011, 92(3): 563- 574.

[20]Nelson E, Mendoza G, Regetz J, Polasky S, Tallis H, Cameron D, Chan K M, Daily G C, Goldstein J, Kareiva P M, Lonsdorf E, Naidoo R, Ricketts T H, Shaw M. Modeling multiple ecosystem services, biodiversity conservation, commodity production, and tradeoffs at landscape scales. Frontiers in Ecology and the Environment, 2009, 7(1): 4- 11.

[21]潘韜, 吳紹洪, 戴爾阜, 劉玉潔. 基于InVEST模型的三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務(wù)時(shí)空變化. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(1): 183- 189.

[22]Chen L, Xie G D, Zhang C S, Pei S, Fan N, Ge L Q, Zhang C X. Modelling ecosystem water supply services across the Lancang River Basin. Journal of Resources and Ecology, 2011, 2(4): 322- 327.

[23]Kareiva P, Tallis H, Ricketts T H, Daily G C, Polasky S. Natural Capital: Theory and Practice of Mapping Ecosystem Services. Oxford: Oxford University Press, 2011.

[24]Goldstein J H, Caldarone G, Duarte T K, Ennaanay D, Hannahs N, Mendoza G, Polasky S, Wolny S, Daily G C. Integrating ecosystem-service tradeoffs into land-use decisions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(19): 7565- 7570.

[25]劉正佳, 于興修, 王絲絲, 商貴鐸. 薄盤(pán)光滑樣條插值中三種協(xié)變量方法的降水量插值精度比較. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2012, 31(1): 56- 62.

[26]Marquínez J, Lastra J, García P. Estimation models for precipitation in mountainous regions: the use of GIS and multivariate analysis. Journal of Hydrology, 2002, 270(1/2): 1- 11.

[27]錢(qián)永蘭, 呂厚荃, 張艷紅. 基于ANUSPLIN軟件的逐日氣象要素插值方法應(yīng)用與評(píng)估. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 26(2): 7- 15.

[28]Huntchinson M F, Xu T B. Anusplin Version 4.4 User Guide. Canberra: The Australian National University, 2013.

[29]Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. Rome: FAO, 1998, 300(9): 1- 15.

[30]周文佐. 基于GIS的我國(guó)主要土壤類(lèi)型土壤有效含水量研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2003.

[31]苗淑娟. 臥虎山水庫(kù)流域產(chǎn)匯流研究[D]. 濟(jì)南: 濟(jì)南大學(xué), 2012.

[32]Canadell J, Jackson R B, Ehleringer J B, Mooney H A, Sala O E, Schulze E D. Maximum rooting depth of vegetation types at the global scale. Oecologia, 1996, 108(4): 583- 595.

[33]徐佩, 彭培好, 王玉寬, 劉延國(guó). 九寨溝自然保護(hù)區(qū)生態(tài)水的計(jì)量與評(píng)價(jià)研究. 地球與環(huán)境, 2007, 35(1): 61- 64.

[34]Tallis H T, Ricketts T, Guerry A D, Nelson E E D, Wolny S O N, Vigerstol K, Pennington D, Mendoza G, Aukema J, Foster J, Forrest J, Cameron D L E, Kennedy C, Verutes G, Kim C K, Guannel G, Papenfus M, Toft J, Marsik M, Bernhardt J, Wood S, Sharp R. InVEST 2.1 Beta User′s Guide. Stanford: The Natural Capital Project, 2011.

[35]Zhang L, Dawes W R, Walker G R. Response of mean annual evapotranspiration to vegetation changes at catchment scale. Water Resources Research, 2001, 37(3): 701- 708.

[36]Budyko M I. Climate and Life. New York: Academic Press, 1974: 1- 510.

[37]賈芳芳. 基于InVEST模型的贛江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估[D]. 北京: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2014.

[38]趙曉松, 劉元波, 吳桂平. 基于遙感的鄱陽(yáng)湖湖區(qū)蒸散特征及環(huán)境要素影響. 湖泊科學(xué), 2013, 25(3): 428- 436.

[39]朱超洪, 李仁東. 洞庭湖區(qū)土地利用變化對(duì)地表產(chǎn)流的影響分析. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2005, 14(5): 566- 569.

[40]杜嶼. 水庫(kù)湖泊水面蒸發(fā)的分析計(jì)算. 海洋湖沼通報(bào), 1986, (3): 25- 32.

[41]王學(xué)雷, 王慧亮, 王巧銘. 江漢平原四湖流域土地利用變化及其水文響應(yīng)探討. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2014, 48(1): 101- 105.

[42]郭軍庭, 張志強(qiáng), 王盛萍, Strauss P, 姚安坤. 應(yīng)用SWAT模型研究潮河流域土地利用和氣候變化對(duì)徑流的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 1559- 1567.

[43]朱映新. 蘇州市降雨徑流關(guān)系及下墊面變化對(duì)徑流量影響研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2007.

[44]Farley K A, Jobbágy E G, Jackson R B. Effects of afforestation on water yield: a global synthesis with implications for policy. Global Change Biology, 2005, 11(10): 1565- 1576.

[45]金小麟. 水源涵養(yǎng)的計(jì)量研究. 貴州林業(yè)科技, 1990, 18(3): 64- 72.

[46]顧東娟. 長(zhǎng)株潭城市群土地利用/覆被變化的水文水資源效應(yīng)分析[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南師范大學(xué), 2014.

[47]Komatsu H, Kume T, Otsuki K. The effect of converting a native broad-leaved forest to a coniferous plantation forest on annual water yield: a paired-catchment study in northern Japan. Forest Ecology and Management, 2007, 255(3/4): 880- 886.

[48]張彪, 李文華, 謝高地, 肖玉. 北京市森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(11): 5619- 5624.

Spatiotemporal analysis of water supply service in the Dongjiang Lake Basin

XU Jie1,2, XIAO Yu1,*, XIE Gaodi1, WANG Shuo3, ZHU Wenbin1

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3SurveyingandMappingDevelopmentResearchCenter,NASG,Beijing100830,China

Ecosystem services related to water supply is currently topical in ecology. Water supply service is essential for internal water circulation and water balance in river basins. Dongjiang Lake Basin is a national key basin and pilot project of water resource ecological compensation and the water supply service is a basic ecosystem service in the basin. This paper evaluated the water supply service and analyzed the spatiotemporal patterns and variation characteristics from 1995 to 2010 based on the InVEST model from the scale of basin and subbasins, and compared water supply service capacity of different land cover types. (1) In 1995—2010, the water yield in the basin decreased after an initial increase with the annual water yield between 1000 and 1500 mm and the value in 2000 was the highest. (2) The spatial distribution patterns of different years were similar with water yield increasing from the lake to the surrounding area. (3) The water yield, with an average of 1600 mm, was high in urban and built-up areas, herbaceous steppe, shrub forest, and shrub grassland, while it was less than 800 mm in the area of bottom lands, water bodies, and paddy fields. (4) The water yield in each sub-basin was 750—1700 mm and the water supply capacity increased from the lake to the surrounding area. The subbasins in the northeast were the highest water yield areas of the whole basin. From the perspective of water balance, precipitation and actual evapotranspiration are two key factors determining the water yield. Spatiotemporal variation of the amount of water supply in Dongjiang Lake Basin resulted from interactions between climate and land cover change. The present study provides guidelines for the efficient management of water resources in the Dongjiang Lake Basin. It is of vital practical significance to improve the ecosystem service function and ecological environmental quality, and to promote the sustainable development of the social economy.

ecosystem service; water supply service; InVEST model; Dongjiang Lake Basin; spatiotemporal pattern

國(guó)家科技支撐課題資助項(xiàng)目(2013BAC03B05)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31400411)

2015- 07- 01;

2015- 11- 10

Corresponding author.E-mail: xiaoy@igsnrr.ac.cn

10.5846/stxb201507011398

徐潔,肖玉,謝高地,王碩,朱文彬.東江湖流域水供給服務(wù)時(shí)空格局分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4892- 4906.

Xu J, Xiao Y, Xie G D, Wang S, Zhu W B.Spatiotemporal analysis of water supply service in the Dongjiang Lake Basin.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4892- 4906.