江西省水源涵養(yǎng)功能重要性評估技術(shù)研究

查東平，蔡海生，廖 兵，劉慧麗，苗世源

(1.江西省環(huán)境保護科學(xué)研究院，330039，南昌；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，330045，南昌；3.中科遙感科技集團有限公司，300384，天津)

0 引言

生態(tài)保護紅線是指在區(qū)域國土空間范圍內(nèi)具有重要生態(tài)服務(wù)功能，且必強制實施嚴(yán)格保護的重要生態(tài)區(qū)域，涵蓋了區(qū)域各類保護地與生態(tài)功能極重要和極敏感區(qū)域，為保障和維護國土生態(tài)系統(tǒng)安全的生命線和底線發(fā)揮重大作用。生態(tài)保護紅線的劃定和實施嚴(yán)格保護對于維護我國和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)略安全格局，推進生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義，是習(xí)近平生態(tài)文明建設(shè)的重要戰(zhàn)略之一[1-4]。為確保區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能不降低、保護面積不減少，用地性質(zhì)不改變[5]的總體保護要求，對生態(tài)保護紅線區(qū)域部分等級實施一條線進行管控[3,5-6]。新階段，生態(tài)保護紅線進行校核評估與調(diào)整作為一項全新的、探索性的研究，特別是如何結(jié)合各省省情來合理劃定生態(tài)保護紅線，是在劃定過程中亟待解決的問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力的評估方法和機理開展了大量研究。常用的模型有降水儲蓄法[7-9]，該方法根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ι稚鷳B(tài)對水的蓄積能力進行評估；林冠截留法[10]，該方法主要關(guān)注森林冠幅對降水的截留作用，未考慮土壤的徑流量影響；多模型方法[11]，如InVEST模型[12-14]、SEBAL-SCS模型[14-15]和SEBS-SCS模型[16-19]。以上方法在森林對水源涵養(yǎng)的機理方面研究提供了一定參考，但是在省級尺度并不一定適合，如森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)模型、林冠截留模型對空間格局關(guān)注不夠[20-23]；多模型法所需參數(shù)較多，模型的計算工作量較大，步驟繁瑣，存在一些難以克服的缺點，如InVEST只關(guān)注與土壤層面的水源涵養(yǎng)能力[12-14]，SEBAL-SCS依靠經(jīng)驗選擇冷熱點，溫度和風(fēng)速參數(shù)的反演具有較大的不確定性，在結(jié)果上可能存在誤差[14-15]，SEBS-SCS模型對下墊面參數(shù)的要求較高，穩(wěn)定修正函數(shù)存在一定的局限性[16-19]。本文采用水量平衡方程結(jié)合GIS空間分析功能，該方法將生態(tài)系統(tǒng)視為一個整體，從水量平衡的角度，將輸入(降水量)與輸出(蒸散發(fā)量和其他消耗量)之差作為水源涵養(yǎng)評估結(jié)果，原理簡單，過程清晰，可適用于省級及以上大尺度層面的評估[24-26]，是《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》所推薦的方法。研究成果在江西省生態(tài)保護紅線劃定與校核調(diào)整工作中得到了實際應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

江西省地處中國東南偏中部長江中下游南岸，古稱“吳頭楚尾，粵戶閩庭”，東鄰浙江、福建，南連廣東，西靠湖南，北毗湖北、安徽而共接長江。全省國土總面積為16.69萬km2，約占全國土地總面積的1.7%[27]。

江西省得天時，受濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候之惠，享地利，省域與流域范圍基本一致，水資源豐富，且自成體系，在江西省社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)總體格局形成具有重要地位[28-29]。江西省水資源與江西省高覆蓋度森林資源與豐富的降水量密不可分，全省水系由贛江、信江、饒河、撫河和修水匯入鄱陽湖進入長江，江西省區(qū)域定性地貌和降水特性導(dǎo)致全省極易致洪[30-32]。

圖1 區(qū)域位置

2 研究方法

水源涵養(yǎng)功能作為森林、濕地與草地等生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，對天然降水進行蓄存與涵養(yǎng)，減緩河流水流失，對河流湖泊水進行調(diào)洪續(xù)枯，實現(xiàn)對大氣水、河流水的循環(huán)調(diào)控[4,33-34]，減緩河流與湖泊水位的季節(jié)性波動，緩減洪水壓力，提升枯水期水位，緩解干旱，維持與凈化水質(zhì)[35-38]。水源涵養(yǎng)功能一般以水源涵養(yǎng)量進行評估。

2.1 評估模型

水源涵養(yǎng)量通過采用水量平衡方程來計算，計算公式為[4]：

(1)

式中：T為研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量(t)，Pm為研究區(qū)年總降水量(mm)，Rm為研究區(qū)年總地表徑流量(mm)，ETm為研究區(qū)不同地類蒸散發(fā)量(mm)，Am為第m類生態(tài)系統(tǒng)類型面積(km2)，m為研究區(qū)第m類生態(tài)系統(tǒng)類型，n為研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型總數(shù)[4,34,39]。

2.2 模型計算

2.2.1 降雨量數(shù)據(jù)計算 降雨量數(shù)據(jù)采用1981-2010年全省87個站點雨量數(shù)據(jù)和2011-2015年全省15個雨量站點數(shù)據(jù)計算平均年降雨量。將87個平均年降雨量數(shù)據(jù)結(jié)合1:25萬地形數(shù)據(jù)采用協(xié)和克里金插值法得到全省降雨量數(shù)據(jù)。

圖2 江西省降雨量空間分布

2.2.2 地表徑流量 地表徑流量計算公式為[4,34]：

R=(P×α)

式中：R為研究區(qū)域地表徑流總量(mm)，P為研究區(qū)多年平均降水量(mm)，α為研究區(qū)平均地表徑流系數(shù)[4,34]。

根據(jù)全省土地利用現(xiàn)狀年度變更數(shù)據(jù)，并將不同地類與表1中各類生態(tài)系統(tǒng)類型分類系統(tǒng)進行匹配和賦值，通過空間計算得到全省徑流系數(shù)分布圖。

2.2.3 蒸散發(fā)量 蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)采用1-12月及年參考作物蒸散量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄了利用1961-2000年的全國740個氣象站點觀測數(shù)據(jù)。以氣象數(shù)據(jù)空間化方法研究為基礎(chǔ)，依托GIS技術(shù)、計算機技術(shù)和空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)計算作物蒸散量的空間分布數(shù)據(jù)，柵格的空間分辨率為1 km×1 km，重采樣為250 m空間分辨率[4]。

表1 江西省各類生態(tài)系統(tǒng)地徑流系數(shù)均值賦值情況表

序號生態(tài)系統(tǒng)類型徑流系數(shù)序號生態(tài)系統(tǒng)類型徑流系數(shù)1城鎮(zhèn)用地10011農(nóng)村居民點1002低覆蓋度草地18.2712其它林地19.23高覆蓋度草地4.7813疏林地19.24工交建設(shè)用地10014水田505灌木林地4.1715水庫、坑塘06旱地7016灘地17河渠017有林地2.0388湖泊018沼澤地09裸土地10019中覆蓋度草地9.3710裸巖100

圖3 江西省徑流系數(shù)

圖4 江西省地表徑流量

根據(jù)相關(guān)研究[40-42]，中部地區(qū)蒸散量與海拔存在一定的相關(guān)性，特別是海拔100 m以上相關(guān)性較為顯著，表現(xiàn)為每升高100 m，蒸散量降低0.03%，因此通過DEM數(shù)據(jù)對蒸散量進行修正得到蒸散量因子?xùn)鸥駡D。

海拔因子采用1:25萬DEM數(shù)據(jù)進行最大值最小值法標(biāo)準(zhǔn)化到0～1之間，并重采樣為250 m，圖5為計算的1-Falt因子。

圖5 江西省1-Falt因子布

圖6 江西省蒸散發(fā)量

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)面積因子 生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用30 m遙感影像進行解譯。解譯結(jié)果為矢量數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)為250 m柵格數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 江西生態(tài)系統(tǒng)類型

2.2.5 模型運算 將各因子統(tǒng)一成250 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算得到生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量,經(jīng)統(tǒng)計全省水源涵養(yǎng)總量為66.9 億t/d。

圖8 江西省水源涵養(yǎng)量

2.2.6 全省水源涵養(yǎng)量分級計算 通過模型計算，得到江西省水源涵養(yǎng)量柵格圖,將計算結(jié)果進行歸一化處理，對處理結(jié)果屬性值進行由高到低排序累加計算服務(wù)值,將總值比例的50%與80%作為水源涵養(yǎng)功能評估極重要與重要分類限值[4,43]。分級設(shè)定情況見表2[4]。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估分級

圖9 江西水源涵養(yǎng)極重要區(qū)評估結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)量極重要區(qū)域空間分布特征

利用水量平衡方程計算得到的江西省水源涵養(yǎng)空間分布結(jié)構(gòu)差異顯著，各地分布不均，其中水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域主要位于贛東、贛東北和贛西海拔較高的山區(qū)。根據(jù)評估分級結(jié)果，全省水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域總面積44 052 km2，占全省總面積比例為26.39%，水源涵養(yǎng)重要區(qū)域總面積31 449 km2，占全省總面積比例為18.84%，水源涵養(yǎng)一般重要區(qū)域總面積91 426 km2，占全省總面積比例為54.77%(表3)。

表3 水源涵養(yǎng)量分級特征

3.2 水源涵養(yǎng)量極重要區(qū)域土地利用特征

將水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域與第2次全國土地調(diào)查年度變更數(shù)據(jù)進行疊加，進而分析不難發(fā)現(xiàn)，水源涵養(yǎng)量極重要區(qū)幾乎全部位于森林覆蓋率高的區(qū)域。其中水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域林地面積為39 025.31 km2，占比為88.59%；其次為耕地，面積為2 639.32 km2，占比為5.99%；第3為水域，面積為989.21 km2，占比2.25%(表4)。研究表明，植被覆蓋度越高，植被越茂盛，植被對水源涵養(yǎng)的能力越強。

表4 水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域土地利用類型

4 討論

1)水源涵養(yǎng)功能重要性評估在生態(tài)保護紅線中起關(guān)鍵性作用。根據(jù)《生態(tài)保護紅線劃定指南》，生態(tài)保護紅線評估分為生態(tài)服務(wù)功能評估和生態(tài)敏感性評估[4,43]。結(jié)合江西省生態(tài)環(huán)境實際情況，評估內(nèi)容主要包括水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能重要性、生物多樣性維護功能和水土流失敏感性等4個方面[3]。江西省作為長江重要的流域，每年為長江下游各省市生產(chǎn)生活提供超過2 000 億t的清潔水源[44]，所以水源涵養(yǎng)在江西省生態(tài)保護紅線劃定中顯得尤為重要。通過對江西省水源涵養(yǎng)功能重要性評估可為生態(tài)保護紅線提供有力支撐。

2)水源涵養(yǎng)功能極重要性區(qū)域主要分布于贛東、贛東北、贛西等區(qū)域。根據(jù)分析結(jié)果，江西省水源涵養(yǎng)極重要區(qū)主要分布于上饒市、撫州市一帶的武夷山脈及其周邊區(qū)域，九嶺山脈、羅霄山脈等區(qū)域。該區(qū)域是江西省重要生態(tài)格局“一湖五河三屏”[3]的重要組成部分。極重要區(qū)域通過26.39%的國土面積可保障全省50%的水源涵養(yǎng)量，具有重要的保護價值。

3)水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域植被覆蓋度高。水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域主要覆蓋類型為林地，占比達88.59%，且該區(qū)域年降水量較全省平均值高，高林地覆蓋率和高降水量也是生物多樣性豐富區(qū)域，對該區(qū)域的保護也可對生物多樣性維護起較好效果。