重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)建設(shè)對(duì)海南中部山區(qū)水源涵養(yǎng)功能的影響

張翠萍 姜佳 白楊

摘要以海南中部國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)（下稱中部山區(qū)）為研究區(qū)域，基于InVEST模型，定量評(píng)價(jià)1998、2005和2013年生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及空間變化特征，評(píng)價(jià)中部山區(qū)建設(shè)前后的水源涵養(yǎng)功能變化。結(jié)果表明：①研究區(qū)水源涵養(yǎng)量穩(wěn)中趨降。1998、2005、2013年中部山區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別為56.93億、59.68億、56.25億m3。從流域看，昌化江流域貢獻(xiàn)了最高的水源涵養(yǎng)量，其次為萬(wàn)泉河流域。②通過(guò)多年的保護(hù)建設(shè)，中部山區(qū)調(diào)節(jié)洪水作用增強(qiáng)。1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3?？v觀3個(gè)年度中部山區(qū)的產(chǎn)水量，在2013年豐水年產(chǎn)水量較低，在1998、2005年平水年產(chǎn)水量較高，較好地起到了調(diào)節(jié)洪水的作用。從各流域情況看，昌化江流域貢獻(xiàn)了最高的產(chǎn)水量，其次為萬(wàn)泉河流域。從時(shí)空分布來(lái)看，產(chǎn)水量由東向西逐步降低。③海南中部山區(qū)自2005年開(kāi)始進(jìn)行國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)建設(shè)以來(lái)，天然林面積逐漸增加，生態(tài)系統(tǒng)防洪調(diào)水的功能大為加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞InVEST 模型； 水源涵養(yǎng)； 重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)

中圖分類號(hào)S181文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）05-0066-07

AbstractFocusing on the key ecological functional areas of central Hainan （Hainan EIA） as the research area，by InVEST modelling，the water conservation function and spatial differentiation characteristics of ecosystem in 1998，2005 and 2013 were quantitatively evaluated，and the changes of water conservation function before and after construction in central mountainous area were evaluated.The results showed：①Conserving water in the area slowly decreased.The total water conservation of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 5.693 billion，5.968 billion，5.625 billion m3，respectively.②Through years of protection and construction，Hainan EIA strengthened flood control.The total water yield of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 9.730 billion，9.760 billion，9.350 billion m3，respectively.Throughout the three years，the amount of water produced in Hainan EIA has been relatively lower in 2013 than it was in 1998 and 2005 which showed a better flood control.Changhuajiang River basin contributed the most followed by Wanquanhe River basin.The amount of water produced from east to west gradually decreased.③Since 2005，Hainan EIA has been established，natural forest in these areas has gradually increased and the flood control of the ecosystem has been greatly strengthened.

Key wordsInVEST modelling；Water conservation；Important Ecological Area

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要服務(wù)功能之一，生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠、枯落物、根系以及土壤將降水?dāng)r蓄在系統(tǒng)內(nèi)部，不僅可以滿足系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)生態(tài)組分對(duì)水源的需求，還可以持續(xù)向外部提供水源[1-3]。因此，開(kāi)展科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)動(dòng)態(tài)變化評(píng)估是生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的基本前提，在水資源保護(hù)及生態(tài)安全的維持方面具有不可替代的作用。目前，國(guó)內(nèi)外研究生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的方法主要有水量平衡法[4]、土壤蓄水能力法[5]、綜合蓄水能力法[6]、年徑流量法[7]、多因子回歸法[8]等。這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，土壤蓄水能力法較為簡(jiǎn)單，但忽略了蒸散的影響以及林冠、枯落物等作用層對(duì)水分的攔蓄作用，誤差較大。年徑流量法是指假設(shè)森林涵養(yǎng)水源量等于研究區(qū)內(nèi)年徑流量，方法比較簡(jiǎn)單，但忽略了蒸散耗水量，計(jì)算誤差較大。綜合蓄水能力法綜合考慮了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量的方法，比較全面，但需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算起來(lái)比較復(fù)雜，這種方法計(jì)算的結(jié)果僅反映理論上最大的蓄水量，并不代表實(shí)際狀態(tài)下森林的蓄水量。多因子回歸法考慮了森林水源涵養(yǎng)量的主要相關(guān)因子，比較準(zhǔn)確全面，但需要大量觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定回歸系數(shù)，難以實(shí)際應(yīng)用。水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機(jī)理的基礎(chǔ)，能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算水源涵養(yǎng)量，且容易操作，但也存在一定的局限性，一是區(qū)域內(nèi)的蒸散難以準(zhǔn)確測(cè)量；二是研究區(qū)內(nèi)降水量、蒸散和地表徑流的空間差異性一般被忽略掉，因此研究區(qū)的空間范圍不宜過(guò)大[9-11]。

通過(guò)搜索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，以水量平衡法為理論基礎(chǔ)的InVEST 產(chǎn)水量模塊來(lái)估算生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的研究較多，方法較為成熟[11-18]。 InVEST（the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool）模型是一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡的綜合評(píng)估模型，它是由美國(guó)斯坦福大學(xué)、世界自然基金（WWF）和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（TNC）于 2007 年聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。與目前國(guó)內(nèi)外其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的方法相比，InVEST 模型具有其自身的優(yōu)勢(shì)。首先，InVEST 模型輸入?yún)?shù)較少，參數(shù)易獲取、易提取，模型界面友好、操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)和提取容易，使得該模型能夠更廣泛地被相關(guān)科研工作者掌握和使用。其次，模型采用的是空間分布式數(shù)據(jù)作為輸入，同時(shí)輸出的結(jié)果也是空間分布。有效地解決了服務(wù)功能空間化可視化的問(wèn)題，結(jié)果可以直接用于分析服務(wù)功能空間分布特征及其空間異質(zhì)性特征[19]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者陸續(xù)運(yùn)用 InVEST 模型對(duì)海南島進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估研究，多集中在土壤保持和水源涵養(yǎng)、氨氮凈化等方面的功能評(píng)價(jià)。饒恩明等[20]探討了海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間特征及其影響因素；吳哲等[21]運(yùn)用養(yǎng)分持留（水質(zhì)凈化）模型評(píng)估了海南島氮、磷營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷。

國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)是指承擔(dān)水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)等重要生態(tài)功能，關(guān)系全國(guó)或較大范圍區(qū)域的生態(tài)安全。加強(qiáng)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)環(huán)境保護(hù)和管理，是增強(qiáng)生態(tài)服務(wù)功能，構(gòu)建國(guó)家生態(tài)安全屏障的重要支撐。海南中部山區(qū)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)（中部山區(qū)）是國(guó)務(wù)院2010年印發(fā)的《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》中確定25個(gè)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)之一，功能定位為水源涵養(yǎng)和熱帶生物多樣性保護(hù)[22]。海南省自2005年開(kāi)始建設(shè)海南中部山區(qū)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)以來(lái)，取得了較好成效[23]。近年來(lái)，隨著海南省國(guó)際旅游島建設(shè)的推進(jìn)，旅游業(yè)及各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)工作迅猛發(fā)展，對(duì)自然資源的需求進(jìn)一步增大，尤其是森林資源和水資源的需求增加，對(duì)中部山區(qū)水源涵養(yǎng)功能有一定影響。因此，研究水源涵養(yǎng)功能的變化特征，探討其變化驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)于促進(jìn)海南中部山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理與保護(hù)有重要意義。 該研究運(yùn)用 InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊分析1998、2005和2013年3個(gè)年度海南島的水源涵養(yǎng)功能空間分布特征及其變化，以期為海南中部山區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能評(píng)估提供定量和可視化的結(jié)果。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

海南中部山區(qū)地處海南島中南部的山地和丘陵（圖1），分布著廣闊的熱帶雨林、季雨林，生物多樣性豐富，是海南島生態(tài)服務(wù)功能的重要區(qū)域。海南中部山區(qū)范圍包括五指山市、瓊中縣等9市縣41鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積 9 200余km2，占海南島國(guó)土面積的27%，人口83.4萬(wàn)人，是海南島的生態(tài)屏障、主要江河發(fā)源地、重要水源涵蓄區(qū)和水土保持重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)。境內(nèi)氣候?qū)儆诩撅L(fēng)熱帶，受東南季風(fēng)所控制，年平均氣溫22.3～23.0 ℃，日照時(shí)間較長(zhǎng)，雨量充沛，年平均降雨量在2 000 mm以上，多年平均水資源量為307億m3。臺(tái)風(fēng)雨是海南降雨的主要來(lái)源，雨量分布的空間特征為東部多、西部少。境內(nèi)主要河流多發(fā)源于黎母山山脈，全島獨(dú)流入海的河流共有154條。由于境內(nèi)氣候分異明顯，北來(lái)寒流阻于山前，使北部山地丘陵氣溫較低，南部終年高溫，成為常綠季雨林發(fā)育地區(qū)[24]。

1.2評(píng)估方法及參數(shù)處理

該研究使用InVEST模型的產(chǎn)水量模塊進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能評(píng)估。該模型根據(jù)水量平衡原理計(jì)算流域產(chǎn)水量，根據(jù)水循環(huán)原理，通過(guò)降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度和土壤深度等參數(shù)計(jì)算獲得產(chǎn)水量，再用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)對(duì)產(chǎn)水量進(jìn)行修正獲得水源涵養(yǎng)量，通過(guò)下述模型進(jìn)行計(jì)算：

Yjx=（1-AETxjPxj）Pxj

式中，Yjx為第j土地利用類型柵格x的產(chǎn)水量；AETxj 為第j土地利用類型柵格x的每年實(shí)際蒸散量；Pxj 為第 j土地利用類型柵格x的年降雨量[18]。

InVEST 水源涵養(yǎng)模型需要輸入的參數(shù)主要有潛在蒸散系數(shù)（Kc）、根系深度（root_depth）、流速系數(shù)（vel_coef）。潛在蒸散發(fā)是指水分充足的情況下，通過(guò)土壤蒸發(fā)和植物蒸散作用可能散逸的水量（mm）。該研究應(yīng)用海南省氣象局提供的多年蒸散數(shù)據(jù)以及站點(diǎn)信息，運(yùn)用ArcGIS10進(jìn)行插值獲得柵格數(shù)據(jù)圖層。根系深度是指由于環(huán)境的物理和化學(xué)特征不同，植物根系在土壤中能夠延伸的最大深度（mm）。該研究根據(jù)中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤研究所提供的數(shù)據(jù)資料，參考專家建議，運(yùn)用ArcGIS10軟件生成柵格數(shù)據(jù)圖層。流速系數(shù)表示不同下墊面對(duì)地表徑流運(yùn)動(dòng)的影響。以 USDA-NRCS 提供的國(guó)家工程手冊(cè)上的流速-坡度-景觀表格為基準(zhǔn)，乘以 1 000 得到的。植被覆蓋系數(shù)是指有植被覆蓋即賦值為1，反之為0。以2005年SPOT5遙感影像（10 m分辨率）和2013年LANDSAT ETM遙感影像（15 m分辨率）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，進(jìn)行遙感解譯，獲得中部山區(qū)土地利用圖層。分類系統(tǒng)包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、漿紙林、用材林、橡膠園、熱作園、耕地、河流及坑塘、水庫(kù)、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、工礦用地等（表1、2）。

1.3土地利用/覆蓋

空間連續(xù)土地利用/覆被柵格圖是所有水資源模型底圖的關(guān)鍵組成部分。流域中所有區(qū)域都有相對(duì)應(yīng)的土地利用類型。每個(gè)柵格對(duì)應(yīng)一個(gè)土地利用類型的GIS柵格數(shù)據(jù)集。土地利用類型代碼定義為整數(shù)。以1998、2005、2013年的LANDSAT ETM和 SPOT5遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，15 m分辨率，進(jìn)行遙感解譯，獲得中部山區(qū)土地利用圖層。分類系統(tǒng)包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、漿紙林、用材林、橡膠園、熱作園、耕地、河流及坑塘、水庫(kù)、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、工礦用地等。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用/覆蓋由表3可知，1998—2005年用材林、熱作園、橡膠園、河流及坑塘、居民點(diǎn)、工礦用地等面積均有所增加，其中橡膠園增加了1 353.95 km2，熱作園增加了739.35 km2，增加面積較大。耕地、天然灌草地面積減少較大，其中耕地減少1 101.41 km2，草地減少1 255.81 km2。2005—2013年天然林、熱作園、橡膠園、河流及坑塘、水庫(kù)等面積有所增加，其中天然林增加了474.02 km2，橡膠園增加了220.21 km2，熱作園135.15 km2，增加面積較大。天然灌草地、耕地、用材林等面積減少，其中天然灌草地減少437.41 km2，耕地減少233.18 km2。從以上數(shù)據(jù)可以得出，海南中部山區(qū)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)建設(shè)后天然林面積有較大增加，很好地維持了熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)效果顯著。同時(shí)橡膠園、熱作園的面積也有顯著增加，而耕地、草地、用材林的面積顯著減少。

從空間分布來(lái)看（圖2），橡膠林主要分布在昌化江東北部瓊中縣境內(nèi)，15年間所增加的面積主要分面在昌化江流域瓊中縣、五指山市和儋州市，原來(lái)的熱作園地有不少面積轉(zhuǎn)化為橡膠林。

2.2水源涵養(yǎng)量

2.2.1水源涵養(yǎng)量變化。由圖3可知，1998、2005、2013年研究區(qū)水源涵養(yǎng)量呈降低趨勢(shì)。1998年中部山區(qū)水源涵養(yǎng)總量為569 273萬(wàn)m3， 2005年水源涵養(yǎng)總量為596 831萬(wàn)m3， 2013年水源涵養(yǎng)總量為562 460萬(wàn)m3，略有下降（表4）。主要流域平均水源涵養(yǎng)量也呈下降趨勢(shì)。1998、2005、2013年昌化江流域分別為562、579、549 m3/hm2，萬(wàn)泉河流域分別為993、1 042、988 m3/hm2（圖3）。

水源涵養(yǎng)功能在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異，水源涵養(yǎng)量由東向西逐漸遞減（圖4），橡膠園、熱作園等區(qū)域水源涵養(yǎng)量較低。瓊中縣南部、保亭縣、五指山等市縣是天然林分布的主要區(qū)域，也是水源涵養(yǎng)功能最重要的區(qū)域，是昌化江、萬(wàn)泉河、太陽(yáng)河、陵水河等河流的發(fā)源地。西部的東方、昌江、樂(lè)東等市縣靠近工業(yè)區(qū)，天然林較少，橡膠園等人工植被覆蓋面積較大，水源涵養(yǎng)功能漸弱。從海南中部國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)看，所規(guī)劃的重點(diǎn)水源涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)，水源涵養(yǎng)量并不高，尤其是西部地區(qū)；一般水源涵養(yǎng)規(guī)劃區(qū)內(nèi)，東部區(qū)域水源涵養(yǎng)量尚可，西部地區(qū)水源涵養(yǎng)量明顯較低（圖5）。建議有關(guān)管理部門(mén)依據(jù)現(xiàn)狀修編重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。

2.2.2產(chǎn)水量變化。

從時(shí)間上看，研究區(qū)產(chǎn)水量逐漸降低。模型模擬結(jié)果表明，1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3。1998年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為97.3億m3，按海南省水資源公報(bào)公布的1998年全省水資源總量378.31億m3計(jì)算，占全省水資源總量的25.7%；2005年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為97.6億m3，按海南省水資源公報(bào)公布的全省水資源總量304.46億m3計(jì)算，中部山區(qū)占全省地表水資源總量的32.1%。2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為93.5億m3，按海南省水資源公報(bào)公布的全省水資源總量496.5億m3計(jì)算，占全省水資源總量的19.2%?？v觀3個(gè)年度中部山區(qū)的產(chǎn)水量，在2013年豐水年產(chǎn)水量較低，在1998、2005年平水年產(chǎn)水量較高，較好地起到了調(diào)節(jié)洪水的作用。從各流域情況看，昌化江流域貢獻(xiàn)了最高的產(chǎn)量，其次為萬(wàn)泉河流域（圖6）。

從空間分布看，中部山區(qū)產(chǎn)水量由東向西降低（圖7）。天然林覆蓋面積大的尖峰嶺產(chǎn)水量反而較低，而產(chǎn)水量最高的區(qū)域分布在橡膠林面積較大的瓊中縣，這表明橡膠林等人工林截留水量能力較弱，天然林具有較強(qiáng)的水量截留能力。

3結(jié)論

（1）研究區(qū)水源涵養(yǎng)量呈降低趨勢(shì)。1998、2005、2013年水源涵養(yǎng)總量分別為56.93億、59.68億、56.25億 m3。從流域看，昌化江流域貢獻(xiàn)了最高的水源涵養(yǎng)量，其次為萬(wàn)泉河

流域。研究區(qū)產(chǎn)水量亦逐年降低。1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3。從各流域情況看，昌化江流域貢獻(xiàn)了最高的產(chǎn)水量，其次為萬(wàn)泉河流域。

（2）中東部地區(qū)橡膠園面積增長(zhǎng)較快，水源涵養(yǎng)量逐年降低。

（3）海南中部國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)自2005年開(kāi)始建設(shè)以來(lái)，天然林面積顯著增加，防洪調(diào)水的功能大為加強(qiáng)。2005—2013年，天然林面積增加了474.02 km2，增加了5.13%，與建設(shè)前相比，1998—2013年增加了457.00 km2，增加了9.37%。從產(chǎn)水量表現(xiàn)看，2013年豐水年，產(chǎn)水量降低，1998年枯水年，產(chǎn)水量較大，對(duì)防洪調(diào)水有較大作用。

（4）2013年產(chǎn)水量模擬結(jié)果與實(shí)際水資源量有較大偏差，原因在于2013年降雨量比常年高出60%左右，對(duì)模擬結(jié)果有影響。為了提高模擬結(jié)果的精確性，下一步將運(yùn)用逐月氣象數(shù)據(jù)，對(duì)水源涵養(yǎng)量和防洪調(diào)蓄功能進(jìn)行精確模擬。

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