黔中城市群不同石漠化等級的水源涵養(yǎng)功能

羅毓融， 楊廣斌

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院， 貴州 貴陽 550025)

貴州省作為典型喀斯特省份，其生態(tài)環(huán)境尤為脆弱，水土流失嚴重，石漠化加劇等生態(tài)問題日趨加重。黔中城市群位于貴州省中部地區(qū)，包括貴陽市、遵義市、安順市、畢節(jié)市、黔東南州、黔南州和貴安新區(qū)7個市(州、區(qū))的33個縣(市、區(qū))，區(qū)域總面積5.38萬km2。據(jù)《黔中城市群發(fā)展規(guī)劃》指出，黔中城市群是貴州省建設國家生態(tài)文明試驗區(qū)、大數(shù)據(jù)綜合試驗區(qū)和內(nèi)陸開放型經(jīng)濟試驗區(qū)的重要支撐。水資源是構成生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的要素之一，隨著社會與科技的發(fā)展，人類活動的加劇將原有的生態(tài)平衡打破，社會的可持續(xù)發(fā)展和人類的生存都面臨著挑戰(zhàn)。水源涵養(yǎng)通過截留降水、抑制蒸發(fā)，調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等功能為生態(tài)系統(tǒng)和人類生活提供水資源[1]。關于水源涵養(yǎng)功能已有較多的研究報道，馬雪華[2]研究了土壤層厚度和非毛管孔隙度的乘積來表示土壤蓄水能力；郎奎建等[3]研究了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量的綜合蓄水能力；鄧坤枚等[4]通過降雨量和林冠截留率來計算林冠截留剩余量；張三煥等[5]通過平均降雨量與森林覆蓋率來計算降水儲存量等。鮮見關于不同石漠化等級水源涵養(yǎng)功能的研究報道。為此，選擇貴州省黔中城市群為研究區(qū)，利用遙感技術與GIS等空間技術，結(jié)合專家評判與層次分析法，運用水量平衡法研究其不同石漠化等級的水源涵養(yǎng)功能，以期為黔中城市群水源涵養(yǎng)功能的提高提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

貴州省2010年landsat8 影像，下載自USGS官網(wǎng)，利用ENVI等軟件對圖像進行幾何校正、輻射定標、剪裁等處理；氣象數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，并運用克里格插值法對獲取的34個氣象站點數(shù)據(jù)進行降水量及蒸發(fā)量的插值運算；植被覆蓋度數(shù)據(jù)，來源于美國國家航空航天局的MODIS反射率數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)，是通過從高分辨率影像上目視解譯得到；石漠化等級數(shù)據(jù)，來源于項目《喀斯特地區(qū)石漠化程度的空間分異格局和十年變化》；坡度數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云的DEM(GDEMDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到。

1.2 研究區(qū)概況

黔中城市群地勢起伏較大，地貌類型復雜，平均海拔為1 100 m左右。由于地處喀斯特地區(qū)，部分區(qū)域巖溶地貌發(fā)育非常典型，石漠化較為嚴重。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布，主要以烏江、清水江、赤水河、三岔河和六沖河等；區(qū)域內(nèi)地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，物種豐富，植被覆蓋率較高，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨量充沛，冬無嚴寒，夏無酷暑；年平均氣溫14～17.6℃，年平均降水量896～1 342 mm。

1.3 方法

1.3.1 水源涵養(yǎng)量 根據(jù)前人的經(jīng)驗及黔中城市圈的區(qū)域特征，參考文獻[6]的方法，采用水量平衡法計算貴州省黔中城市群2010年的水源涵養(yǎng)量(W，m3/a)。

W=(R-E)A

式中，W為水源涵養(yǎng)量(m3/a)，E為平均蒸散量(m3/a)；A為研究區(qū)面積(hm2)；R為平均降雨量(mm)。

1.3.2 水源涵養(yǎng)功能重要性評價指標的選擇及其權重與等級劃分

1) 指標的選擇。水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物、根系以及土壤層對降水進行再分配的復雜過程[7]，影響水源涵養(yǎng)功能的因素較多，在選取水源涵養(yǎng)功能重要性評價指標時必須遵循科學性、主導性、綜合性及可操作性原則。選擇具有代表性且能夠明顯反映出水源涵養(yǎng)功能差異的關鍵因子作為評價體系的指標。參考國內(nèi)外水源涵養(yǎng)功能重要性評價指標的建立，結(jié)合黔中城市群的實際情況，選取土地利用類型、植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、土壤保持量和坡度作為評價體系的主要指標。

2) 評價指標的權重及等級劃分。在專家咨詢的基礎上，運用層次分析法計算水源涵養(yǎng)功能重要性評價體系各指標的相應權重(表1)，以GIS和RS為技術支撐，綜合考慮自然因素及人為活動等影響因子，并根據(jù)相關研究結(jié)果，確定各因子的分級標準(表2)。

表1 水源涵養(yǎng)功能重要性評價體系各指標的權重Table 1 Evaluation index system and weight of importance of water conservation function

表2 水源涵養(yǎng)功能各重要性區(qū)域的評價體系Table 2 Evaluation system of important regions of water conservation function

運用加權求和的方法綜合評價水源涵養(yǎng)功能的重要性，計算公式如下。

Ej=∑c(i,j)wij

式中，Ej為j空間單元水源涵養(yǎng)功能重要性綜合指數(shù)；C(i,j)為j空間單元第i個因素重要性等級值；wij為影響水源涵養(yǎng)功能重要性因子的權重。

2 結(jié)果與分析

2.1 黔中城市群水源涵養(yǎng)功能的重要性

黔中城市群水源涵養(yǎng)功能的重要性分為極重要、高度重要、中度重要、輕度重要和一般重要5個區(qū)域，其空間分布見封三圖Ⅰ。水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)和高度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的49.35%，集中分布在東部和南部，較少分布于北部，該區(qū)域植被覆蓋度較高，覆蓋類型主要為林地類和草地類，且降水量較為豐沛，土壤蓄水能力較高，水源涵養(yǎng)功能重要性程度高。水源涵養(yǎng)功能中度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的23.6%，主要分布在研究區(qū)河流水系發(fā)達的區(qū)域，該區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能重要性程度較高。水源涵養(yǎng)功能輕度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的18.7%，主要分布在北部地區(qū)，稀疏分布于東部地區(qū)、南部地區(qū)及西部地區(qū)，該區(qū)域的主要覆蓋類型為水田及旱地，其水源涵養(yǎng)功能較弱，加之人為活動的影響，該區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能重要性較低。水源涵養(yǎng)功能一般重要區(qū)占研究區(qū)總面積的8.35%，該區(qū)域主要覆蓋類型為建設用地及裸地，蓄水能力差，水源涵養(yǎng)功能重要性程度低。

2.2 黔中城市群的石漠化等級

黔中城市群除非喀斯特地區(qū)外，其余區(qū)域皆存在石漠化現(xiàn)象，因此，石漠化狀況受喀斯特分布的影響較大。黔中城市群的石漠化土地面積占研究區(qū)總面積的19.17%，占研究區(qū)喀斯特地區(qū)總面積的24%，石漠化形勢相對嚴重。但研究區(qū)的石漠化等級主要為中度石漠化及輕度石漠化，占研究區(qū)石漠化總面積的92.29%，極重度石漠化和重度石漠化分布較少，僅7.71%。黔中城市群不同無石漠化等級所占面積依次排序為無石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>重度石漠化>極重度石漠化(封三圖Ⅱ)。

2.3 黔中城市群不同石漠化等級的水源涵養(yǎng)功能

從不同石漠化等級水源涵養(yǎng)功能的重要性區(qū)域看，高度重要區(qū)在各石漠化等級中所占面積最大，極重度、重度、中度和輕度石漠化等級地區(qū)的面積分別為11.62 km2、250.70 km2、1 584.91 km2和1 852.43 km2，該區(qū)域降水量大，植被覆蓋度高，蓄水能力強；一般重要區(qū)在各石漠化等級中所占面積最小，極重度、重度、中度和輕度石漠化等級所占的面積分別為4.26 km2、71.17 km2、368.40 km2和353.39 km2，該區(qū)域主要為建設用地，人類活動頻繁，蓄水能力差。在無石漠化區(qū)域，各水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)所占面積依次為高度重要區(qū)>中度重要區(qū)>輕度重要區(qū)>極重要區(qū)>一般重要區(qū)。

從表3看出，在水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)，輕度石漠化面積最大，為878.45 km2；極重度石漠化面積最小，為8.2 km2。在水源涵養(yǎng)功能高度重要區(qū)，輕度石漠化面積最大，為1 852.43 km2；極重度石漠化面積最小，為11.62 km2。在水源涵養(yǎng)功能中度重要區(qū)，中度石漠化與輕度石漠化面積相對較大，二者所占面積接近，分別為1 133.78 km2和1 118.25 km2。在水源涵養(yǎng)功能輕度重要區(qū)，中度石漠化面積最大，其次為輕度石漠化；在水源涵養(yǎng)功能一般重要區(qū)，中度石漠化與輕度石漠化所占面積差距極小，極重度石漠化面積最小。

從喀斯特地貌與非喀斯特地貌看，非喀斯特地區(qū)各水源涵養(yǎng)重要性區(qū)域的面積依次為高度重要區(qū)>中度重要區(qū)>極重要區(qū)>輕度重要區(qū)>一般重要區(qū)。

表3 不同石漠化等級水源涵養(yǎng)功能重要性區(qū)域的面積Table 3 Important region area of water conservation function for different rocky desertification grades km2

3 結(jié)論與討論

人類活動使植被類型及土地的利用類型發(fā)生改變，從而直接影響區(qū)域水源涵養(yǎng)的變化；植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一[8]，一般情況下，植被覆蓋度高的地區(qū)，植物生長茂盛，水源涵養(yǎng)量高，反之則水源涵養(yǎng)量低；由于水源涵養(yǎng)功能是多個水文過程及水文效應的綜合表現(xiàn)[9]，區(qū)域內(nèi)的降水量、蒸發(fā)量、徑流量和水質(zhì)情況等對水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生綜合影響。綜合自然和人為因素選取植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、坡度、土地利用類型、土壤保持量6個影響因子，基于專家判斷和層次分析法構建了水源涵養(yǎng)功能重要性評價體系，研究得到2010年貴州省黔中城市群水源涵養(yǎng)功能重要性的空間分布狀況。

研究結(jié)果表明，在各水源涵養(yǎng)功能重要性區(qū)域中主要以輕度石漠化為主，極重度石漠化極少，且水源涵養(yǎng)功能重要性越高其區(qū)域范圍內(nèi)石漠化程度相對較低；但在各石漠化等級中，水源涵養(yǎng)功能重要性等級和石漠化等級并無嚴格線性關系，其等級間的相互關系較為復雜。

石漠化等級評價受植被覆蓋度、土地利用類型、坡度、基巖裸露率和降雨量等的影響，水源涵養(yǎng)功能重要性評價受植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、土地利用類型、土壤保持量和坡度的影響，二者在受到部分相同因素影響的同時，也互相作用。石漠化程度高的區(qū)域，一般植被覆蓋度低，在降水過程中土壤隨著雨水的流動而發(fā)生位置移動，加重該地區(qū)的水土流失，巖石裸露，并隨著時間的推移而演化為石漠化景觀，其水源涵養(yǎng)功能的重要性程度低。而水源涵養(yǎng)功能重要性程度高的區(qū)域，一般植被覆蓋度較高，水土保持能力較強，蓄水能力也相對較強，從而有利于植被的生長，減少水土流失，可有效防治石漠化的發(fā)生。