基于InVEST模型的黃土高原丘陵區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間特征分析

劉宥延,劉興元,張 博,李妙瑩

蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,蘭州 730020

黃土高原丘陵區(qū)是我國(guó)水資源匱乏和水土流失最嚴(yán)重地區(qū),水源涵養(yǎng)作為該地區(qū)最重要的生態(tài)服務(wù)功能之一[1],對(duì)氣候、水文、植被、生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分循環(huán)等具有直接的影響[2]。長(zhǎng)期以來(lái),受特殊的自然地理?xiàng)l件和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的制約,導(dǎo)致黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化,水源涵養(yǎng)能力降低,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能減弱,嚴(yán)重影響和制約著黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。由于黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性和水源涵養(yǎng)功能的重要性,自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)家在該地區(qū)先后開(kāi)展了小流域治理、退耕還林草工程和生態(tài)補(bǔ)償?shù)纫幌盗猩鷳B(tài)工程和政策,該地區(qū)的生態(tài)條件和水土保持功能得到了顯著的改善[4]。但隨著植被結(jié)構(gòu)變化與蓋度的增加,產(chǎn)生了人工植被穩(wěn)定性低、植物蒸騰量增大、土壤干化、流域產(chǎn)水減少等問(wèn)題[5-6],由此產(chǎn)生的水源涵養(yǎng)功能及其空間變化對(duì)區(qū)域生態(tài)服務(wù)的影響引起廣泛關(guān)注。目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能,應(yīng)用多種方法開(kāi)展了大量的研究。蘇常紅和傅伯杰[7]利用InVEST模型對(duì)黃土高原在氣候和土地利用變化情境下的水源涵養(yǎng)進(jìn)行評(píng)估,表明陜北黃土高原水源涵養(yǎng)在1990—2008年呈下降趨勢(shì)。李晶和任志遠(yuǎn)[8]基于GIS對(duì)陜北黃土高原水源涵養(yǎng)及其價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估,表明1990—2000年以年均0.68%遞減。包玉斌等[9]基于InVEST水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)模塊,定量評(píng)價(jià)退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對(duì)研究區(qū)水源涵養(yǎng)的影響并進(jìn)行了水源涵養(yǎng)空間分區(qū),表明2000—2010年,隨著陜北黃土高原草地、灌叢和林地面積的增加,但水源涵養(yǎng)量整體呈減少趨勢(shì)。王超和甄霖[10]利用綜合蓄水能力法對(duì)寧夏固原市森林水源涵養(yǎng)功能時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析,表明在2000—2010年灌木林的單位面積水源涵養(yǎng)量最大,對(duì)水源涵養(yǎng)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)占93.34%。已有的研究對(duì)黃土高原生態(tài)建設(shè)與保護(hù)發(fā)揮了積極作用,但主要集中在黃土高原典型區(qū)域退耕前后植被狀況發(fā)生變化的評(píng)價(jià),時(shí)序較早,沒(méi)能通過(guò)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估來(lái)甄別區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)的冷熱點(diǎn)范圍和確定水源涵養(yǎng)的重要區(qū)域。由于黃土高原地貌類(lèi)型多樣[11],丘陵區(qū)作為主要的地貌單元,定量地評(píng)估黃土高原丘陵區(qū)的水源涵養(yǎng)功能其空間分布特征,確定水源涵養(yǎng)的熱點(diǎn)和重要保護(hù)區(qū)域,對(duì)促進(jìn)該區(qū)域生態(tài)保護(hù)和水資源的合理配置,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要科學(xué)意義。

對(duì)水源涵養(yǎng)水源功能評(píng)估主要是基于水量平衡、土壤蓄水力和徑流量計(jì)算,評(píng)估的模型和方法較多,但I(xiàn)nVEST模型作為整合多種算法的集成式模型[12],自2016年發(fā)布最新的InVEST3.3.1版本后,結(jié)合土地利用和覆被、降水和土壤深度等數(shù)據(jù)計(jì)算供給水量,用于分析生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值的影響[13],在我國(guó)主要應(yīng)用于不同土地利用策略的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能差異及對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的定量辨識(shí),為區(qū)域土地利用規(guī)劃中潛在的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需提供優(yōu)化方案[14]。該模型將GIS技術(shù)融合到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估中,利用函數(shù)定量評(píng)估現(xiàn)狀和未來(lái)情景下的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,是集精細(xì)化和定量化為一體的空間化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估方法,在空間格局測(cè)度中具有數(shù)據(jù)易于獲取和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),被國(guó)內(nèi)外廣泛的應(yīng)用[15-16]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)服務(wù)方面的研究很多,但針對(duì)黃土高原丘陵區(qū)水源涵養(yǎng)的研究不多,且主要是以功能和價(jià)值評(píng)估為主的單一性研究,缺乏結(jié)合功能評(píng)估、熱點(diǎn)分析和重要性分區(qū)的綜合研究。因此,本研究應(yīng)用InVEST模型,選擇地處黃土高原中部定西市安定區(qū)開(kāi)展水源涵養(yǎng)功能的定量評(píng)估,應(yīng)用空間統(tǒng)計(jì)方法對(duì)水源涵養(yǎng)功能的冷熱點(diǎn)區(qū)的空間分布特征進(jìn)行分析和熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別,以明確水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱分布,在此基礎(chǔ)上對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行重要性分級(jí)和空間分區(qū),確定水源涵養(yǎng)優(yōu)先和重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域,為科學(xué)合理地制定黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)與水源涵養(yǎng)保護(hù)決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

定西市安定區(qū)位于黃土高原中部,東經(jīng)104°12′48″—105°01′06″之間,北緯35°17′54″—36°02′40″；地貌以梁峁、溝壑、丘陵為主,海拔在1662—2570 m之間；年均氣溫3—9℃之間,多年平均降水量515.2 mm,干燥指數(shù)在1—2之間,屬于中溫帶半干旱大陸性氣候,自然植被覆蓋率較低,土地利用類(lèi)型以草地、耕地、林地、灌草地、建設(shè)用地和未利用土地為主,是典型的干旱半干旱地區(qū)[17]?？偯娣e為363871 hm2,境內(nèi)河流分布為北部的關(guān)川河,西部的稱鉤河,西南部的西河,東南部的東河,東部的西鞏河。其中,關(guān)川河為境內(nèi)最大河流,干流全長(zhǎng)180 km。該區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到3500—6000 t km-2a-1以上,水土流失面積達(dá)3.65×105hm2,占土地總面積的80.64%,是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[18]。2017年總?cè)丝谶_(dá)43.05萬(wàn)人,農(nóng)村人口22.31萬(wàn)人,生產(chǎn)總值達(dá)到80.08億元,是以農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)地區(qū),脆弱的自然生態(tài)環(huán)境與落后社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平相互作用,使該地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題十分嚴(yán)重[19]。研究區(qū)地理位置圖(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Study area and data sampling site

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要包括土地利用、植被覆蓋、土壤、水分、氣候、DEM及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。土地利用和植被覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于地面監(jiān)測(cè)和地理空間數(shù)據(jù)云的Landsat- 8影像數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m；降水、溫度、日照和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局西北區(qū)域氣象中心在定西市安定區(qū)內(nèi)14個(gè)氣象站點(diǎn)2017年數(shù)據(jù)插值和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:/data.cma.cn)；DEM數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云,空間分辨率為30 m；土壤含水量、砂粒、粉粒、粘粒、有機(jī)質(zhì)、氮磷、容重和植物根系深度等數(shù)據(jù)是在2016年10月開(kāi)始到2017年10月期間,定西市安定區(qū)33個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的,分別在陽(yáng)坡和陰坡沿順坡方向設(shè)置樣帶(間隔15 m),采用網(wǎng)格布點(diǎn)法設(shè)置5個(gè)水分和土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn),平均每15 d測(cè)定一次土壤水分,使用時(shí)域反射儀TDR (TRIME,IMKO Micromodultechnik,Germany)測(cè)定0—180 cm土層的土壤水分；土壤的其他理化指標(biāo)于2016年10月和2017年10月取樣2次,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。DEM數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云,空間分辨率為30 m；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《定西市統(tǒng)計(jì)年鑒》,行政區(qū)域、道路、水系等矢量數(shù)據(jù),來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 研究方法

本研究利用InVEST模型進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。InVEST水源涵養(yǎng)模型是基于柵格單元的降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、植物根系深度、植物有效可利用水和土壤最大根系埋藏深度等參數(shù)計(jì)算出產(chǎn)水量,包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水 量和冠層截留量[20]。計(jì)算出年產(chǎn)水量后,根據(jù)DEM計(jì)算徑流路徑地形指數(shù),利用土壤滲透性、地表徑流流速系數(shù)計(jì)算徑流在柵格上停留時(shí)間,計(jì)算出水源涵養(yǎng)量[21]。該模型綜合考慮了不同土地利用類(lèi)型的土壤滲透性、地形差異、地表粗糙程度等對(duì)地表徑流的影響,能夠較好地表達(dá)流域水源涵養(yǎng)量的空間分布狀況及其影響水源涵養(yǎng)量的主要因素[22]。

(1)產(chǎn)水量計(jì)算模型

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Yx為年產(chǎn)水量(mm)；Px表示柵格單元x的年降水量；AETx(annual evapotranspiration)為不同土地利用類(lèi)型柵格單元x的年平均蒸散發(fā)量(mm)；Rx為Bydyko干燥指數(shù);ωx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)；Z為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(ZHANG系數(shù)),取值范圍為1—10；AWCx(available water content)為柵格單元x的土壤有效含水量(mm)；Kx為柵格單元x中不同土地覆被類(lèi)型的植被蒸散系數(shù)；ET0(evapotranspiration)為參考作物蒸散系數(shù)。

(2) 水源涵養(yǎng)量計(jì)算模型

(5)

(6)

式中,WR(water resource)為水源涵養(yǎng)量(mm)；Velocity為流速系數(shù)；TI(terrain index)為地形指數(shù)；Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；Drainage area 為流域單元集水區(qū)的柵格數(shù)量；Soil depth為土層厚度(mm)；Percent slope為百分比坡度(%)。

(3)熱點(diǎn)分析法

水源涵養(yǎng)功能的熱點(diǎn)或冷點(diǎn)區(qū)域是指水源涵養(yǎng)功能的特征值分布聚集度高或者低的區(qū)域。熱點(diǎn)地區(qū)要求水源涵養(yǎng)具有高值,在空間統(tǒng)計(jì)中,通常采用Gi*統(tǒng)計(jì)方法探查流域水源涵養(yǎng)功能的高值或低值在空間上的聚集情況,是一種基于距離全矩陣的局部空間自相關(guān)指標(biāo)[23]。Gi*的統(tǒng)計(jì)意義可用標(biāo)準(zhǔn)化的 Z 值來(lái)檢驗(yàn)[16],運(yùn)用ArcGIS中的Hot Spot Analysis with Rendering工具對(duì)定西市安定區(qū)水源涵養(yǎng)功能的冷熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分析。

(7)

(8)

2.3 模型輸入?yún)?shù)確定

土地利用/覆被數(shù)據(jù)選取的成像時(shí)間為2017年9月29日,影像數(shù)據(jù)從Landsat- 8下載自地理空間數(shù)據(jù)云,通過(guò)遙感影像目視解譯的辦法獲；降水?dāng)?shù)據(jù)是2017年定西市安定區(qū)14個(gè)氣象站點(diǎn)多年降水?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用ANUSPLIN軟件插值獲得；土壤與水分?jǐn)?shù)據(jù)由33個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得；DEM圖均由ArcGIS 10.5軟件的水文分析工具(Hydrology)操作獲得；地形指數(shù)(TI)是通過(guò)計(jì)算流域單元集水區(qū)的柵格數(shù)量、土壤深度和百分比坡度數(shù)據(jù),集水區(qū)的柵格數(shù)量數(shù)據(jù)由ArcGIS的水文分析模塊中操作獲得；百分比坡度數(shù)據(jù)由ArcGIS的坡度計(jì)算器工具計(jì)算得出；壤飽和導(dǎo)水率(Ksat)由Cosby模型計(jì)算得出；Z系數(shù)是根據(jù)研究區(qū)產(chǎn)水量情況以及查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[11,24-25],確定Z系數(shù)為5；土壤有效含水量根據(jù)Zhou等[26]的計(jì)算結(jié)果；參考作物蒸散由 FAO56 修正的 Penman-Monteith 公式計(jì)算得到[20]；流域匯流面積、坡度、坡長(zhǎng)通過(guò)DEM提?。涣魉傧禂?shù)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1000得到； 植物蒸散系數(shù)是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定[2,9,27]。

3 結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)水量空間分布特征

定西市安定區(qū)位于黃河中上游,分屬祖厲河流域和渭河流域,其中祖厲河流域占全區(qū)總面積的99.5%。在該區(qū)的北部為關(guān)川河,西部為稱鉤河,西南部為西河,東南部為東河,東部為西鞏河。其中,關(guān)川河為境內(nèi)最大河流,干流全長(zhǎng)180 km,水資源短缺和水土流失嚴(yán)重是該區(qū)主要的生態(tài)問(wèn)題。

利用公式(1)—(4)計(jì)算出定西市安定區(qū)2017年的總產(chǎn)水量為3.41×108m3,基于柵格單元的產(chǎn)水量介于0—460.825 mm之間；流域單位面積產(chǎn)水量為292.67 m3/hm2。在各流域中,西河流域的單位面積產(chǎn)水量最高(162.26 m3/hm2),西鞏河流域的單位面積產(chǎn)水量最低(50.54 m3/hm2)；但關(guān)川河流域面積最大,雖然單位面積的年平均產(chǎn)水量?jī)H為74.03 m3/hm2,年產(chǎn)水量占區(qū)域總產(chǎn)水量的28.2%。稱鉤河流域面積最小,單位面積的年平均產(chǎn)水量為134.42 m3/hm2,年產(chǎn)水量也最小,僅占區(qū)域總產(chǎn)水量的8.8%。；西河子流域的面積僅占總流域面積的18.1%,但年總產(chǎn)水量在5個(gè)流域中最大,年產(chǎn)水量占該區(qū)域總產(chǎn)水量的31.1%(表1)。由圖2中可知,定西市安定區(qū)產(chǎn)水量的空間分布差異較大,西南部地區(qū)產(chǎn)水量較高,中部和東部地區(qū)的產(chǎn)水量較低,單位面積產(chǎn)水量最高的流域,由于面積較小,產(chǎn)水量占區(qū)域總產(chǎn)水量的比例并不高,流域單位面積產(chǎn)水量與總產(chǎn)水量不具正相關(guān)性。水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域植被以草地、灌草地和林地為主,此外,地形地貌和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)產(chǎn)水量也有影響,西南部屬低山淺山區(qū),溫度較低,年降雨量相對(duì)高于北部地區(qū),受人類(lèi)活動(dòng)干擾相對(duì)較少,對(duì)產(chǎn)水和土壤水源涵養(yǎng)過(guò)程的影響較小,而中部和東部地區(qū)是丘陵溝壑區(qū),多屬耕地、荒草地、鹽堿地和裸地,年降雨量相對(duì)較低,人類(lèi)活動(dòng)干擾較大,對(duì)產(chǎn)水和土壤水源涵養(yǎng)過(guò)程的影響較大。整體上產(chǎn)水量呈現(xiàn)為南高北低的分布格局。表明產(chǎn)水量的變化主要受植被、地貌和人類(lèi)活動(dòng)的影響較大。

表1 定西市安定區(qū)2017年各流域產(chǎn)水量

圖2 定西市安定區(qū)2017年產(chǎn)水量空間分布 Fig.2 Spatial distribution of water yield of Anding district of Dingxi city in 2017

3.2 水源涵養(yǎng)功能空間分布特征

(1)水源涵養(yǎng)量評(píng)估

利用公式(5)—(6)計(jì)算出定西市安定區(qū)2017年基于柵格單元的水源涵養(yǎng)量介于0—364.541 mm之間,流域單位面積平均年水源涵養(yǎng)量36.37 m3/hm2,水源涵養(yǎng)總量為11900×104m3。

西河流域單位面積平均年水源涵養(yǎng)量最高,達(dá)54.64 m3/hm2,西鞏河流域最低,只有17.58 mm,僅為西河流域的32.2%。西河流域水源涵養(yǎng)總量最高,達(dá)3500×104m3,占區(qū)域總水源涵養(yǎng)量的29. 41%；稱鉤河流域雖然單位面積平均年水源涵養(yǎng)量較高,但由于面積較小,故水源涵養(yǎng)總量最低,只有1100×104m3,僅占區(qū)域總水源涵養(yǎng)量的9.24%(圖3)。由于地理位置、氣候條件、植被結(jié)構(gòu)在空間上存在差異,水源涵養(yǎng)也表現(xiàn)出明顯的差別。由圖4可知,定西市安定區(qū)水源涵養(yǎng)功能在空間上呈由西南向東北逐漸減少的特征,水源涵養(yǎng)量與產(chǎn)水量在空間分布態(tài)勢(shì)上基本一致。從圖2與圖3的對(duì)比分析,水源涵養(yǎng)量減少最大的是關(guān)川河流域,與產(chǎn)水量相比下降了37%,減少最小的是西河流域,下降了33%。表明在干旱半干旱地區(qū)植被覆蓋率低的區(qū)域,土壤水分蒸發(fā)大,水源涵養(yǎng)能力低,而植被覆蓋率高的區(qū)域,水源涵養(yǎng)能力高。但這些區(qū)域主要以草地、灌草地和林地為主,地上地下生物量大,對(duì)水分的消耗也大。因此,該地區(qū)水源涵養(yǎng)的分布格局與地形地貌、氣候條件、植被覆蓋度、植被結(jié)構(gòu)和人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。

圖3 定西市安定區(qū)2017年各流域水源涵養(yǎng)功能變化Fig.3 Changes of water conservation function of each basin of Anding district of Dingxi city in 2017

圖4 定西市安定區(qū)2017年安定區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布 Fig.4 Spatial distribution of water conservation function of Anding district of Dingxi city in 2017

3.3 水源涵養(yǎng)功能冷熱點(diǎn)空間分布特征

3.4 水源涵養(yǎng)功能的重要性等級(jí)劃分

為了揭示水源涵養(yǎng)重要性特征,運(yùn)用ArcGIS將水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行空間疊置分析,運(yùn)用Geometrical interval(幾何間隔)的原理,將定西市安定區(qū)的水源涵養(yǎng)功能劃分為一般重要、較重要、中等重要、高度重要和極重要五個(gè)等級(jí)。分級(jí)結(jié)果為：一般重要區(qū)、較重要區(qū)、中等重要區(qū)、高度重要和極重要區(qū)面積分別為116007 hm2、31674 hm2、91054 hm2、119309 hm2和5 825 hm2,分別占總面積的31.88%、8.71%、25.02%、32.79%和1.60%。

由圖6可知,定西市安定區(qū)水源涵養(yǎng)高度重要區(qū)的面積最大,主要分布在關(guān)川河流域沿岸的周?chē)貐^(qū),土地利用類(lèi)型以耕地為主,屬水源涵養(yǎng)的冷點(diǎn)區(qū),植被結(jié)構(gòu)單一,植被覆蓋度較低,水土流失嚴(yán)重,受人類(lèi)活動(dòng)影響較大,是退耕還林重點(diǎn)治理區(qū)域,水源涵養(yǎng)功能較弱,作為該地區(qū)水源涵養(yǎng)的重要生態(tài)區(qū),需要優(yōu)化現(xiàn)有的植被結(jié)構(gòu),提高植被覆蓋度,提升水源涵養(yǎng)功能。一般重要區(qū)和較重要區(qū)屬水源涵養(yǎng)的熱點(diǎn)區(qū),主要分布在海拔較低的西河和稱鉤河流域,是天然草地和人工灌草地的主要分布區(qū),但草地退化較為嚴(yán)重,需要加強(qiáng)退化草地恢復(fù)力度,進(jìn)一步提升草地的水源涵養(yǎng)能力。

4 結(jié)論與討論

本研究基于InVEST模型評(píng)估了定西市安定區(qū)2017年的水源涵養(yǎng)功能,分析了其空間格局及冷熱點(diǎn)和重要性分布特征,得出以下主要結(jié)論：

(1)定西市安定區(qū)單位面積平均年水源涵養(yǎng)量為36.37 m3hm-2,水源涵養(yǎng)總量為11900×104m3,西河流域水源涵養(yǎng)量最高,達(dá)3500×104m3,占該區(qū)總水源涵養(yǎng)量的29.41%。該區(qū)水源涵養(yǎng)功能在空間分布上呈由西南向東北逐漸減少的特征,其分布格局與地形地貌、氣候條件、植被覆蓋度、植被結(jié)構(gòu)和人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。

圖5 定西市安定區(qū)2017年水源涵養(yǎng)冷熱點(diǎn)空間分布 Fig.5 Spatial distribution of cold hot spots of water conservation of Anding district of Dingxi city in 2017

圖6 定西市安定區(qū)2017年水源涵養(yǎng)重要性分布 Fig.6 Spatial distribution of importance of water conservation of Anding district of Dingxi city in 2017

(2)定西市安定區(qū)水源涵養(yǎng)功能的熱點(diǎn)區(qū)域主要集中分布在南部地區(qū),所占面積占該區(qū)總面積的20.12%；冷點(diǎn)區(qū)主要集中在中部地區(qū),所占面積占該區(qū)總面積的27.46%；非顯著點(diǎn)面積占該區(qū)總面積的50%以上。冷熱點(diǎn)分布格局呈現(xiàn)與降水和植被覆蓋度一致性的分布特征。

(3)定西市安定區(qū)水源涵養(yǎng)高度重要和極重要區(qū)面積占該區(qū)總面積的34.39%,主要分布在關(guān)川河流域,屬水源涵養(yǎng)的冷點(diǎn)區(qū)；一般重要區(qū)和較重要區(qū)面積占該區(qū)總面積的40.59%,主要分布在海拔較低的西河和稱鉤河流域,屬水源涵養(yǎng)的熱點(diǎn)區(qū),這些區(qū)域是該地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū),需要納入政策重點(diǎn)和優(yōu)先保護(hù)的區(qū)域,優(yōu)化現(xiàn)有的植被結(jié)構(gòu),提高植被覆蓋度,以提升水源涵養(yǎng)功能。

本研究結(jié)果表明2017年定西市安定區(qū)單位面積平均年水源涵養(yǎng)量達(dá)36.37 m3hm-2,與黃土高原其他地區(qū)采用相同方法研究的結(jié)果有較大的差異。如包玉斌等對(duì)2010年延安市和榆林市水源涵養(yǎng)量的評(píng)估值在150—200 m3/hm2之間[9],其主要原因,一方面是評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源的差異造成的,包玉斌等的研究數(shù)據(jù)來(lái)源于面上數(shù)據(jù),而本研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于研究區(qū)的定點(diǎn)采樣數(shù)據(jù),且時(shí)序上存在差異,植被狀況發(fā)生了一定的變化。另一方面是不同區(qū)域的氣候、植被結(jié)構(gòu)、植被恢復(fù)年限、和土壤狀況有一定的差異。本研究區(qū)植被以草地和灌草地為主,占總土地面積的64%,耕地占33%。由于近些年來(lái)該區(qū)域大面積種植高耗水的苜蓿,加之以檸條為主的灌木處于生命周期的成熟期,植物耗水量較大,導(dǎo)致水源涵養(yǎng)量減少[28]。一些研究也表明在黃土高原地區(qū)隨著植被覆蓋度提高和林、灌、草成分的增加,植被的生態(tài)需水量增加,土壤含水量出現(xiàn)下降的趨勢(shì),涵養(yǎng)水量的損耗加大[5,9-10]。表明植被結(jié)構(gòu)和人為干擾對(duì)水源涵養(yǎng)具有較大的影響,這些研究也佐證了本研究的結(jié)果。因此,優(yōu)化植被結(jié)構(gòu),減少耕地,選擇低耗水的牧草和灌木品種是黃土高原丘陵區(qū)恢復(fù)生態(tài)和提高水源涵養(yǎng)能力的重要研究?jī)?nèi)容。

本研究通過(guò)水源涵養(yǎng)量評(píng)估,利用空間統(tǒng)計(jì)方法識(shí)別該區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的冷熱點(diǎn)空間分布格局,明確水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱分布,客觀認(rèn)識(shí)不同植被類(lèi)型水源涵養(yǎng)量的差異具有重要價(jià)值。熱點(diǎn)區(qū)要求水源涵養(yǎng)量具有高值,在該地區(qū)水源涵養(yǎng)的熱點(diǎn)區(qū)主要分布在以草地、灌草地和林地為主的畜牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)域,是退耕還林還草工程實(shí)施的主要區(qū)域,海拔相對(duì)較高、氣溫低、耕地少,人為活動(dòng)影響較小,其空間分布具有隨沿河流分布的特征和地形和植被效應(yīng)[8,29]。而冷點(diǎn)區(qū)是水源涵養(yǎng)量的低區(qū)域,主要分布在海拔相對(duì)較低、地勢(shì)較為平坦、以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主和人為干擾較大的地區(qū)。通過(guò)冷熱點(diǎn)分析,對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行重要性分級(jí)和空間分區(qū),確定水源涵養(yǎng)優(yōu)先和重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域,為區(qū)域生態(tài)保護(hù)和水源涵養(yǎng)管理提供科學(xué)指導(dǎo)。水源涵養(yǎng)高度重要區(qū)和極重要區(qū)圍繞著熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行分布,是該區(qū)域水源涵養(yǎng)的重要生態(tài)區(qū)和主要產(chǎn)水區(qū),降水較為豐富、地表水系較發(fā)達(dá)、植被覆蓋較好,具有較好的導(dǎo)水性能、攔蓄降水和調(diào)節(jié)徑流的能力,涵養(yǎng)水分能力較強(qiáng)[30]。因此,維護(hù)草地、灌草地和林地的穩(wěn)定與健康,加強(qiáng)對(duì)水源涵養(yǎng)高度重要區(qū)和極重要區(qū)的保護(hù),同時(shí),加強(qiáng)冷點(diǎn)區(qū)植被恢復(fù)力度,提升發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能,將有利于整體提高區(qū)域生態(tài)服務(wù)水平[31]。由于定西市安定區(qū)屬典型的黃土高原丘陵區(qū)溝壑區(qū),地勢(shì)起伏較大,水源涵養(yǎng)功能的空間分布呈現(xiàn)異常性,需要進(jìn)一步開(kāi)展水源涵養(yǎng)功能空間異常點(diǎn)的深入分析與研究,以揭示其空間變化的特殊規(guī)律[2]。本項(xiàng)研究對(duì)客觀認(rèn)識(shí)該地區(qū)水源涵養(yǎng)功能,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),確定水源涵養(yǎng)的重要保護(hù)區(qū)域,綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率,提升水源涵養(yǎng)功能,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

InVEST模型在國(guó)內(nèi)外被應(yīng)用于各類(lèi)政府和機(jī)構(gòu)的區(qū)域規(guī)劃和區(qū)域多種服務(wù)功能的綜合性評(píng)價(jià)與空間格局測(cè)度分析中[15]。本研究基于InVEST模型對(duì)黃土高原丘陵區(qū)水源涵養(yǎng)功能的空間化評(píng)估,并對(duì)其冷熱點(diǎn)和重要性分級(jí),其結(jié)果具有一定的科學(xué)性與合理性,研究結(jié)果驗(yàn)證了InVEST模型在黃土高原丘陵區(qū)的適應(yīng)性[1]。但由于流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性,在利用InVEST模型對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)估時(shí),模型中一些生物物理參數(shù)是以土地利類(lèi)型為基本單元確定的,評(píng)估結(jié)果的精度不高,在未來(lái)的研究中要考慮流域上下游的水資源關(guān)系、地表水與地下水進(jìn)行區(qū)分及人類(lèi)直接消耗的水分,對(duì)模型的本地化和參數(shù)驗(yàn)證方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究。