廣西峰叢洼地區(qū)生態(tài)需水與景觀格局的空間耦合關(guān)系分析

吳建強， 郭晉川， 譚 娟， 吳衛(wèi)熊， 黃 凱， 白 楊， 何令祖， 王 敏①

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院， 上海 200233； 2.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530023； 3.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園， 云南 勐侖 666303)

廣西峰叢洼地區(qū)生態(tài)需水與景觀格局的空間耦合關(guān)系分析

吳建強1， 郭晉川2， 譚 娟1， 吳衛(wèi)熊2， 黃 凱2， 白 楊3， 何令祖2， 王 敏1①

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院， 上海 200233； 2.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530023； 3.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園， 云南 勐侖 666303)

選取廣西峰叢洼地的典型區(qū)域田東縣為研究對象，基于遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合氣象站實測資料，應(yīng)用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith法和ArcGIS軟件模擬研究區(qū)域生態(tài)需水的空間分布。利用Landsat 8 數(shù)據(jù)解譯出的土地利用數(shù)據(jù)，對研究區(qū)景觀格局指數(shù)進(jìn)行提取，分析生態(tài)需水與景觀格局的相關(guān)性。結(jié)果表明：田東縣年度植被生態(tài)需水定額為85.91～339.27 mm；北部和南部山區(qū)的植被生態(tài)需水定額相對較大，中部、西部和東南部區(qū)域的生態(tài)需水定額相對較小。植被生態(tài)需水定額與景觀多樣性、景觀破碎度呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.198和-0.186；與景觀連通性呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.221。研究成果可為區(qū)域的景觀格局優(yōu)化管理和水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

峰叢洼地； 生態(tài)需水； 景觀格局； 景觀多樣性

生態(tài)需水量指最大程度地改善天然生態(tài)系統(tǒng)和維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性,以及保證天然生境的生物多樣性所需要的水量[1-2],是一個理論值,它有別于生態(tài)耗水量和生態(tài)用水量。生態(tài)耗水量是指一定生態(tài)環(huán)境水平下生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所實際消耗的水量,是人工配水和生態(tài)系統(tǒng)對水資源天然利用的結(jié)果;生態(tài)用水量則是指為了維持一定的生態(tài)環(huán)境水平所需要人工配置的水資源量,是水資源系統(tǒng)人工側(cè)支循環(huán)作用的結(jié)果。國外對于生態(tài)需水的研究主要集中于水生生物生長和河流流量的關(guān)系以及河流流量與維持生態(tài)系統(tǒng)完整性的關(guān)系等方面[3]。國內(nèi)眾多學(xué)者在20世紀(jì)90年代中期開展生態(tài)需水相關(guān)研究,目前已開展了不同尺度和不同研究對象的生態(tài)需水研究。1997年對西北地區(qū)生態(tài)需水的研究,提出了干旱區(qū)生態(tài)需水的計算方法,推動了我國生態(tài)需水的研究進(jìn)程[4]5-6。隨后,國內(nèi)眾多學(xué)者開展了生態(tài)需水的相關(guān)研究工作,包括生態(tài)需水的理論、分區(qū)、計算方法及其應(yīng)用等方面,使得我國生態(tài)需水研究逐步向縱深發(fā)展[1,5-8],并于2003年建立了全國生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)了基于各區(qū)域?qū)嶋H狀況的生態(tài)需水計算體系[4]22-25。總的來看,已有研究多以干旱或半干旱區(qū)域為主,研究對象主要集中于流域或河道[9-10]。采用GIS技術(shù)對大尺度上植被生態(tài)需水的空間模擬與預(yù)測研究成為近年來的熱點。呂明權(quán)等[11]通過對不同土地利用/覆被情景下東北溝流域植被生態(tài)需水量的研究表明,土地利用和景觀格局的改變會直接影響植被生態(tài)需水和區(qū)域的實際生態(tài)用水量。湯潔等[12]通過研究發(fā)現(xiàn),不同時空尺度土地利用的改變破壞了區(qū)域原有的水資源供需平衡,是影響區(qū)域生態(tài)需水量的最主要因素。周丹等[13]利用荒漠植被面積并參考作物蒸散量,采用潛水蒸發(fā)模型,計算西北干旱區(qū)1982—2010 年荒漠植被生態(tài)需水量,發(fā)現(xiàn)近30 a間西北干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量呈減少趨勢,以0.106 3億m3·a-1的速率減少,多年平均生態(tài)需水量為134.13億m3。與此同時,區(qū)域植被生態(tài)需水變化也會影響景觀格局,導(dǎo)致景觀多樣性升高,優(yōu)勢度下降,景觀趨于破碎化等[14]。然而類似研究還非常少,區(qū)域生態(tài)需水與景觀格局的耦合及響應(yīng)機理有待進(jìn)一步揭示。

廣西巖溶峰叢洼地區(qū)是世界上主要的生態(tài)脆弱帶之一。該區(qū)域降水豐富,但季節(jié)分配不均,由于沒有河流補給,地下水埋藏深,降雨是該地區(qū)水分的唯一來源。然而,該區(qū)域土層淺薄,持水能力弱,具有地上地下二元結(jié)構(gòu),水文過程補排迅速,季節(jié)變化劇烈,地表徑流稀少,降水極易大量滲漏,從而導(dǎo)致峰叢洼地區(qū)常存在特殊的溫潤氣候條件下的干旱現(xiàn)象[15],生態(tài)缺水問題突出,嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的完整和健康。筆者以廣西田東縣為典型峰叢洼地代表區(qū)域,借助GIS技術(shù),采用空間分析和統(tǒng)計分析技術(shù),開展植被生態(tài)需水與景觀格局的關(guān)系研究,為峰叢洼地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理提供依據(jù),對實現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于廣西百色市田東縣(23°16′～24°01′ N,106°53′～107°26′ E),為典型喀斯特峰叢洼地景觀[16],縣域內(nèi)峰叢洼地貌的區(qū)域面積為510.79 km2,占縣域總面積的18.19%。該區(qū)域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為21.9 ℃,年降水量為1 172.3 mm,年蒸發(fā)量為1 774.7 mm,蒸發(fā)量大于降水量,干熱是區(qū)域主要的氣候特點。區(qū)域內(nèi)峰叢洼地由高低錯落的連座山峰與封閉洼地組成,相對高差通常達(dá)到200～300 m。一般石峰坡度在50°以上,且具有封閉性,沒有明顯的谷口。該區(qū)域人地矛盾突出,人為干擾強烈,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境惡化,植被覆蓋率較低,加之土層淺薄,土壤入滲系數(shù)大,降水經(jīng)地表快速進(jìn)入地下,難以被地表植被吸收,生態(tài)缺水現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 植被生態(tài)需水定額

植被生態(tài)需水定額受植被類型、氣候及土壤水分等的綜合影響[17]。采用國際通用的Penman-Monteith公式[18]來計算植被生態(tài)需水定額。

Te，q=Ks×Kt×Te，0。

(1)

式(1)中,Te，q為植被生態(tài)需水定額,mm;Ks為土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù);Kt為植被生態(tài)耗水系數(shù),即植被最大需水量與潛在耗水量的比例系數(shù);Te，0為植被潛在蒸散量,mm。

1.3 植被潛在蒸散量

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的定義,植被潛在蒸散量是指從表面開闊、高度一致、生長旺盛、供水充足、完全遮蓋地面、8～15 cm高的綠色草地上所蒸發(fā)、騰發(fā)的速率[19],它主要與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)。根據(jù)研究區(qū)域多年氣象資料,采用FAO推薦的Penman-Monteith公式進(jìn)行計算:

(2)

式(2)中,Te，0為植被潛在蒸散量,mm;Δ為飽和水汽壓對溫度曲線的斜率,kPa·℃-1;Rn為參考作物表面凈輻射,MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;γ為干濕表常數(shù),kPa·℃-1;植被實測蒸騰量，mm;U2為地表2 m高處的平均風(fēng)速,m·s-1；es為飽和水汽壓,kPa;ea為實際水汽壓,kPa。

1.4 植被生態(tài)耗水系數(shù)

植被生態(tài)耗水系數(shù)(Kt)的計算公式[20-21]為

Kt=IMDV×k。

(3)

式(3)中,IMDV為植被覆蓋度,%;k為植被生態(tài)耗水校正系數(shù)。

1.5 土壤水分限制系數(shù)

土壤水分限制系數(shù)與土壤含水量及土壤質(zhì)地有關(guān),反映了土壤水分條件對植物騰發(fā)量的影響,采用Jensen公式計算土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)(Ks)[16]:

(4)

式(4)中,S為土壤實際含水量,g·kg-1;Sw為土壤凋萎含水量,g·kg-1;S*為土壤臨界含水量,g·kg-1,一般為田間持水量的70%～80%。

Sw=f×Kz。

(5)

式(5)中,f為土壤吸濕系數(shù),%；Kz為凋萎系數(shù)，一般取值為1.34～1.5。土壤吸濕系數(shù)及田間持水量均需現(xiàn)場采集原狀土樣后進(jìn)行測定。

1.6 景觀格局指數(shù)

采用2015年8月的Landsat 8遙感影像(http:∥www.cresda.com/CN/),空間分辨率為30 m,借助Erdas 9.2軟件,經(jīng)解譯后獲取田東縣土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù),解譯精度為92%。采用Fragstats 3.4軟件計算得到景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和景觀連通性指數(shù)空間分布的柵格圖。

1.7 氣象數(shù)據(jù)獲取及處理

采用研究區(qū)及周邊9個氣象站點的數(shù)據(jù),從中國氣象服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)下載獲得,時間為1990年1月1日至2015年12月31日,數(shù)據(jù)包括各站點的經(jīng)緯度，海拔，逐日的氣溫、降水和風(fēng)速等。將上述氣象數(shù)據(jù)求多年平均值,借助ArcGIS 10.2軟件的空間插值功能實現(xiàn)其空間模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生態(tài)需水空間模擬

采用上述方法計算得到田東縣植被生態(tài)需水的空間分布(圖1),植被年度生態(tài)需水定額介于85.91～339.27 mm之間。從空間分布特征來看,北部和南部山區(qū)植被生態(tài)需水定額相對較大,中部、西部和東南部區(qū)域生態(tài)需水定額相對較小。從總量上來看,基于田東縣植被生態(tài)需水年度定額的模擬,估算出田東縣年度植被生態(tài)需水總量為68 167.4萬m3。

2.2 田東縣景觀格局特征

景觀多樣性指數(shù)反映了景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化?；谔飽|縣土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù),利用Fragstats 3.4軟件計算得到景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和景觀連通性指數(shù)空間分布的柵格圖(圖2)。田東縣東部、南部和西部區(qū)域景觀多樣性指數(shù)較大,最大值為0.88,說明這些區(qū)域景觀由多種類型構(gòu)成;中部和中北部的局部區(qū)域景觀多樣性指數(shù)較小,這些區(qū)域的景觀類型普遍較少或僅有1種景觀類型。

圖1 田東縣植被生態(tài)需水年度定額空間分布特征Fig.1 Spatial distribution of vegetation ecological water demand quota

景觀破碎度指數(shù)反映了景觀被分割的破碎程度,在一定程度上也反映了人類對景觀的干擾程度。由圖2可知,田東縣南部、東南部和西南部景觀破碎度指數(shù)較大,最大值達(dá)43.21,說明這些區(qū)域景觀破碎程度較大,人為干擾較強;中部和北部的局部區(qū)域景觀破碎度指數(shù)較小,最小值僅為1.39,說明這些區(qū)域景觀破碎度較低,受人為干擾較小。

景觀連通性指數(shù)是對景觀空間結(jié)構(gòu)單元相互間連續(xù)性的度量。景觀連通性指數(shù)越大,說明景觀連通性越大,更有利于景觀斑塊間的物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞。田東縣中部和中北部景觀連通性指數(shù)較大,最大值為100,說明這些區(qū)域景觀連通性較好;東部、南部和西部的局部區(qū)域景觀連通性指數(shù)較小,最小值為87,說明這些區(qū)域景觀連通性較差。

2.3 景觀格局與植被生態(tài)需水的空間耦合關(guān)系

為弄清空間上植被生態(tài)需水與景觀格局之間的關(guān)系,分析景觀格局對植被生態(tài)需水的響應(yīng)特征,利用景觀格局指數(shù)空間分布的柵格數(shù)據(jù)和植被生態(tài)需水定額空間分布圖,應(yīng)用ArcGIS 10.2軟件隨機取1 000 個點,用空間分析工具提取數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并制作散點圖(圖3)。

圖3 景觀格局指數(shù)與植被生態(tài)需水定額散點圖Fig.3 Relationships between landscape pattern indices and vegetation ecological water demand

如圖3所示,隨著景觀多樣性指數(shù)和景觀破碎度指數(shù)的增加,植被生態(tài)需水定額呈現(xiàn)下降趨勢;而隨著景觀連通性指數(shù)的增加,植被生態(tài)需水定額則呈現(xiàn)上升趨勢。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件分析景觀格局指數(shù)與植被生態(tài)需水定額之間的相關(guān)性,結(jié)果見表1。植被生態(tài)需水定額與景觀多樣性、景觀破碎度及景觀連通性之間均存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。植被生態(tài)需水定額與景觀多樣性、景觀破碎度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為-0.198和-0.186,說明植被生態(tài)需水定額增加將導(dǎo)致景觀多樣性和景觀破碎度下降;植被生態(tài)需水定額與景觀連通性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.221,說明植被生態(tài)需水定額增加將使景觀連通性上升。此外,景觀多樣性、景觀破碎度和景觀連通性彼此間也均呈極顯著相關(guān)性(P<0.01)。

表1景觀格局指數(shù)與植被生態(tài)需水定額的定量分析

Table1Quantitativeanalysisoftherelationshipsbetweenecologicalwaterdemandandlandscapepatternindices

指標(biāo)景觀多樣性景觀破碎度景觀連通性生態(tài)需水定額-0198??-0186?? 0221??景觀多樣性0731??-0864??景觀破碎度0896??

**表示相關(guān)極顯著(P<0.01)。

3 討論

3.1 生態(tài)需水特征

張遠(yuǎn)等[5]認(rèn)為,針對地下水現(xiàn)狀或一定植被覆蓋條件下生態(tài)系統(tǒng)的水量計算屬于生態(tài)耗水或用水的范疇,而生態(tài)需水則指未來一段時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)所需求的水量。雖然也有學(xué)者將生態(tài)耗水、生態(tài)用水等同于生態(tài)需水[22],但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為生態(tài)耗水多指生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀條件下的生物和無機環(huán)境實際消耗的水量;生態(tài)用水與生產(chǎn)、生活用水的概念相類似,指客觀實際用于整個生態(tài)系統(tǒng)的水量[23]。生態(tài)耗水可能大于、等于或小于生態(tài)用水,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)消耗的水量大于實際用于生態(tài)的水量時,會造成生態(tài)系統(tǒng)水量虧損;當(dāng)耗水量與用水量相當(dāng)時,則生態(tài)系統(tǒng)水量保持平衡;當(dāng)耗水量小于用水量時,生態(tài)系統(tǒng)會存在一定水量蓄存。與生態(tài)耗水和生態(tài)用水不同,生態(tài)需水是指生態(tài)系統(tǒng)處于某種期望的水平并且維持這種平衡狀態(tài)所需水量,是一種主觀的期望值[1]。鑒于此,筆者采用的模擬方法計算得出的結(jié)果是生態(tài)需水,是基于田東縣自然地理、土地利用、植被分布以及區(qū)域氣候條件、植被蒸騰等特征計算得到的區(qū)域年度生態(tài)需水量。

3.2 植被生態(tài)需水與景觀格局的關(guān)系

植被生態(tài)系統(tǒng)對維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與生態(tài)安全具有重要貢獻(xiàn),尤其是生態(tài)脆弱區(qū)域。廣西巖溶峰叢洼地區(qū)域分布的天然植被,對于這一區(qū)域缺水、土壤貧瘠等惡劣環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力。因此,以生態(tài)保育為主,維護(hù)好現(xiàn)有天然植被生態(tài)格局,逐步改善并恢復(fù)人類活動干擾較為嚴(yán)重區(qū)域的天然植被,是維護(hù)巖溶峰叢洼地區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要途徑。天然植被生存的重要條件就是有充足的水分供給。筆者研究結(jié)果表明,植被生態(tài)需水與區(qū)域景觀格局之間存在顯著的響應(yīng)與反饋關(guān)系,植被生態(tài)需水與景觀多樣性、景觀破碎度呈極顯著負(fù)相關(guān);植被生態(tài)需水與景觀連通性呈極顯著正相關(guān)。景觀多樣性增加,景觀類型復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體增加,導(dǎo)致景觀破碎度增加。就研究區(qū)域來看,灌叢的分布面積較小(面積為279.04 km2,占研究區(qū)總面積的9.94%),然而灌叢的生態(tài)需水量低于喬木和草本,灌叢的年度生態(tài)需水量平均約為201 mm。因此,適當(dāng)增加灌叢面積將使得區(qū)域生態(tài)需水總量得到緩解,也符合峰叢洼地區(qū)域特殊地形地貌特征下的植被恢復(fù)需求。基于上述成果,在廣西巖溶峰叢洼地區(qū)的生態(tài)保育與生態(tài)管理過程中,可結(jié)合生態(tài)與景觀規(guī)劃原理,增加景觀多樣性豐富景觀要素在空間上的構(gòu)成與配置,以降低區(qū)域植被的生態(tài)需水量。

3.3 “3S”技術(shù)在植被生態(tài)需水研究中的應(yīng)用

巖溶峰叢洼地區(qū)自然條件復(fù)雜,生境類型繁多,采用傳統(tǒng)的人工方法觀測和研究植被生態(tài)需水耗時費力。筆者基于遙感和GIS技術(shù),結(jié)合多年氣象數(shù)據(jù),模擬了田東縣植被生態(tài)需水在空間上的分布情況,分析了廣西峰叢洼地區(qū)域植被生態(tài)需水空間分布特征及其與景觀格局指數(shù)的相關(guān)性,研究結(jié)果有助于管理決策部門直觀地了解區(qū)域?qū)用嫔系闹脖簧鷳B(tài)需水特征及生態(tài)需水熱點區(qū)域。采用“3S”技術(shù),借助定位觀測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)來研究區(qū)域的植被生態(tài)需水,可以使研究過程動態(tài)化,研究結(jié)果定位化、定量化,將為區(qū)域的水資源管理與可持續(xù)發(fā)展決策提供更加直觀、快速、準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)田東縣植被生態(tài)需水定額介于85.91～339.27 mm之間,北部和南部山區(qū)相對較大,中部、西部和東南部區(qū)域相對較小,縣域范圍年度植被生態(tài)需水總量為68 167.4萬m3。

(2)田東縣東部、南部和西部區(qū)域景觀多樣性指數(shù)較大,最大值為0.88,中部和中北部的局部區(qū)域較小;南部、東南部和西南部的景觀破碎度指數(shù)較大,最大值為43.21;而景觀連通性指數(shù)則以中部和中北部為較大,最大值為100。

(3)植被生態(tài)需水與區(qū)域景觀格局之間存在顯著的響應(yīng)與反饋關(guān)系,植被生態(tài)需水與景觀多樣性、景觀破碎度之間呈極顯著負(fù)相關(guān);植被生態(tài)需水與景觀連通性之間呈極顯著正相關(guān)。在廣西巖溶峰叢洼地區(qū),可通過增加景觀多樣性和豐富景觀要素在空間上的構(gòu)成與配置,以降低區(qū)域植被的生態(tài)需水量,優(yōu)化區(qū)域的水資源配置。

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SpatialCouplingRelationshipBetweenEcologicalWaterDemandandLandscapePatterninDepressionsAmongKarstPeaksinGuangxi.

WUJian-qiang1,GUOJin-chuan2,TANJuan1,WUWei-xiong2,HUANGKai2,BAIYang3,HELing-zu2,WANGMin1

(1.Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China; 2.Guangxi Institute of Hydraulic Research, Nanning 530023, China; 3.Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Menglun 666303, China)

Tiandong County, a region typical of depressions among Karst peaks in Guangxi was selected as the research area. Based on GIS and RS technologies and the observation data of the meteorological stations, spatial distribution of ecological water demand in the study area was plotted and simulated by ArcGIS using the Penman-Monteith method as recommended by the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Landscape pattern indices were extracted from the land use data obtained through interpretation of the Landsat 8 data for analysis of relationship between ecological water demand and landscape pattern. Results show that the annual quota of ecological water demand of the vegetation in Tiandong County varied between 85.91 and 339.27 mm, and it also did spatially, being high in the northern and southern mountainous areas and relatively low in the central, western and southeastern regions. Ecological water demand of vegetation was found to be significantly and negatively related to landscape diversity and fragmentation, with correlation coefficient being -0.198 and -0.186, respectively, while it was significantly and positively to landscape connectivity, with correlation coefficient being 0.221. All the findings in this study may serve as certain basis for optimization and management of regional landscape patterns and allocation of water resources.

Karst peek-cluster depression area; ecological water demand; landscape pattern; landscape diversity

X143； F205

： A

： 1673-4831(2017)09-0800-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.09.005

吳建強(1977—),男,江蘇宜興人,高級工程師,碩士,主要從事城市生態(tài)過程、生態(tài)修復(fù)等方面的研究。E-mail: wujq@saes.sh.cn

(責(zé)任編輯： 李祥敏)

2016-12-27

廣西水利科技項目(201418,201517,201612); 國家自然科學(xué)面上基金(51679141)

① 通信作者E-mail: wangm@saes.sh.cn