基于InVEST模型的海南島產(chǎn)水量的時空變化研究

韓念龍，張偉璇，張亦清

（海南大學政治與公共管理學院，海南?？?570228）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境與效用［1］，直接或間接地為人類生存提供資源［2］，在維系人類社會可持續(xù)發(fā)展，區(qū)域生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用［3-4］.產(chǎn)水量是生態(tài)系統(tǒng)服務中重要的服務類型，也是許多生態(tài)過程和生態(tài)服務功能的基礎.它影響著生物量、碳循環(huán)等生態(tài)功能，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及提高人類福祉具有重要意義［5］.因此空間定量化、可視化評估產(chǎn)水量的時空變化，揭示其變化的主要驅(qū)動因素有著重要意義.

研究產(chǎn)水量的方法有水量平衡法、多因子回歸法、年徑流量法等［6-7］，應用于產(chǎn)水量的模型有SWAT、MIKE SHE和TOP MODEL等模型［8-10］.相比其他模型，InVEST（The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tools）模型在空間可視化、綜合性強以及簡化輸入?yún)?shù)等方面具有優(yōu)勢［11］，在產(chǎn)水量研究中應用越來越廣泛，已成功應用于夏威夷群島［12］、印度加普那拉河盆地［13］、泰國宋卡蘭河流域［14］、印度納爾默達河流域［15］等國外熱帶島嶼、河流的產(chǎn)水服務功能研究；在中國，InVEST模型也已經(jīng)應用于橫斷山區(qū)［16］、三江源流域［17］、東北地區(qū)［18］、南四湖流域［19］、石羊河流域［20］、太湖流域［21］等重要生態(tài)功能區(qū)、氣候變化敏感區(qū)域以及典型流域地區(qū)的產(chǎn)水量研究.

海南島屬于熱帶季風氣候，是一個獨立封閉的地理單元，雖然水資源比較豐富，但由于氣候變化以及快速城市化帶來的土地利用劇變導致產(chǎn)水量分布供給的不確定性，對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性可能產(chǎn)生威脅.由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，將進一步影響社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展.目前有關海南島產(chǎn)水量的研究包括基于不同土地利用/覆蓋進行海南島產(chǎn)水量空間分布研究［22］以及海南中部山區(qū)水源涵養(yǎng)時空變化特征［23］，但這些研究均未考慮氣候變化對產(chǎn)水量的影響，本研究綜合考慮土地利用及氣候變化對產(chǎn)水量的研究，根據(jù)不同情景探討產(chǎn)水量對氣候和土地利用變化的響應.

1 研究地點

海南島位于中國最南端，范圍為北緯18°10′～20°07′，東經(jīng)108°37′～111°03′.海南省陸地總面積約3.4萬平方公里，海域面積約200萬平方公里，現(xiàn)轄27個市和縣（區(qū)）［24］.海南島地勢中部高四周低，呈輻射狀水系，全島獨流入海的河流共154條.南渡江、昌化江和萬泉河三大河流的流域面積占全島面積的47%［22］.海南島屬于熱帶季風氣候，年平均氣溫為22℃～27℃，年均降水量為1 639 mm，有明顯的多雨季和少雨季.

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理InVEST模型產(chǎn)水量模塊計算包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)、降水量及潛在蒸散發(fā)、土壤深度、植物有效含水量（A W C）、生物物理參數(shù)以及季節(jié)參數(shù).同時，各柵格數(shù)據(jù)空間地理坐標系統(tǒng)一為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_35，分辨率均為1 km.

本研究中使用的1995年、2005年及2015年的空間分辨率為1 km三期土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心公開提供，可免費獲取，同時1 km分辨率已滿足研究應用.結(jié)合海南實際情況將該土地利用/覆被產(chǎn)品歸類為耕地、林地、園地、草地、水域、居民點與工礦用地及未利用地7類.氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，獲取1985—2015年間海口、東方、儋州、瓊中、瓊海、三亞和陵水七個基本氣象站的降水、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、風速、日照時數(shù)和相對濕度逐日數(shù)據(jù).降水量可通過ArcGIS軟件Kriging插值得到；潛在蒸散發(fā)通過Penman-Monteith公式計算，并通過Arc-GIS軟件Kriging插值獲??；同時將1985—1995年，1995—2005年和2005—2015年三個時段降雨量和潛在蒸散發(fā)均值，分別表征1995年、2005年及2015年的三個時期的降雨量和潛在蒸散發(fā)特征.土壤數(shù)據(jù)的土壤深度數(shù)值基于南京土壤所中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫獲取.植物有效含水量通過對應土壤類型的土壤質(zhì)地（土壤砂粒、粉粒及粘粒比例）及土壤有機質(zhì)含量計算獲取.生物物理參數(shù)表（表1）包括各土地利用/覆被類型及相應的植被根系深度和蒸散系數(shù).其中，植被根系深度根據(jù)Canadell等對全球范圍內(nèi)植被最大根系深度的研究獲得［25］.按定義，蒸散系數(shù)等于實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)的比值，本研究的蒸散系數(shù)參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織作物系數(shù)參考值［26］.季節(jié)參數(shù)值Z代表區(qū)域降水分布及其他水文地質(zhì)特征，參考公式（4）或者經(jīng)驗值進行計算.

2.2 InVEST模型產(chǎn)水量模型InVEST模型中的產(chǎn)水量評估模型是基于水量平衡原理，將每一個柵格的降水量減去蒸散發(fā)得到該柵格的產(chǎn)水量值，該值包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量以及冠層截留量［16］.產(chǎn)水量的計算方法如下：

式中Px表示柵格單元x的年降水量，AE Tx表示柵格單元x的年實際蒸散發(fā)，如下公式計算：

上述公式中，Rx j為土地利用覆被類型j上柵格單元x的Budyko干燥指數(shù)，定義為潛在蒸散發(fā)與降雨量的比值；w是一個經(jīng)驗參數(shù)；Z為經(jīng)驗常數(shù)，與區(qū)域降水模式和水文特征相關；AWCx為土壤有效含水量，由植物可利用水分含量與土壤的最大根系埋藏深度，植物根系深度共同決定；kij是植物蒸散系數(shù)；E T0表示柵格單元x的潛在蒸散發(fā)，由Penman-Monteith公式計算得出：

式中，Rx表示地表凈輻射，G表示土壤熱通量，γ表示干濕表常數(shù)，T mean表示日平均溫度，u2表示2m高處風速，es表示飽和水氣壓，ea表示實際水氣壓.

基于以上計算及數(shù)據(jù)，經(jīng)多次驗證，季節(jié)參數(shù)值為2.6時計算的多年平均產(chǎn)水量體積為349.32億m3，與海南省水資源公報的1998—2015年多年平均產(chǎn)水量較為接近，因此，本文基于該模擬結(jié)果展開海南島的產(chǎn)水量的時空變化分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量時空變化產(chǎn)水量結(jié)果表明，1995—2015年期間海南島的多年產(chǎn)水深度均值分別為944.08 mm、1 032.42 mm和1 104.3 mm，產(chǎn)水量體積分別為321.14億m3、351.18億m3和375.64億m3，產(chǎn)水深度均值和產(chǎn)水量呈上升趨勢，增長幅度為17%.

海南省1995—2005年海南島產(chǎn)水深度、降水及實際蒸散發(fā)空間分布如圖1所示.總體上，產(chǎn)水深度受降水量影響明顯，空間分布相對一致，而與實際蒸散發(fā)空間分布無明顯相關.海南島產(chǎn)水深度分布不均衡，產(chǎn)水深度自東部至島內(nèi)中部的腹地區(qū)域高，并以此為中心向外逐漸減小，西南部地區(qū)產(chǎn)水深度最低.不同時間的產(chǎn)水深度空間分布趨勢較為一致，均呈現(xiàn)出東中部高西南部低的空間格局.1995年，產(chǎn)水深度均值較高地區(qū)沿海南島東部沿海一帶以及中北部區(qū)域零散分布，低值區(qū)主要位于西南部.2005年，產(chǎn)水深度高值區(qū)域東部向中部腹地擴張，同時，海南島南部沿海一帶的產(chǎn)水深度出現(xiàn)明顯降低.2015年，東北部的產(chǎn)水深度整體上升，且向東北擴張，西南部地區(qū)產(chǎn)水量低值區(qū)無明顯變化.總體來說，1995—2015年海南島東部、中部及東北部的產(chǎn)水深度增加明顯.

圖1 1995—2015年海南島降水、實際蒸散發(fā)及產(chǎn)水量

圖2為1995—2015年海南省各市縣的產(chǎn)水深度、降水量以及實際蒸散發(fā)均值的分布.可以看出，海南省多年產(chǎn)水深度均值位于前四的市縣分別是萬寧市、瓊海市、定安和屯昌縣；產(chǎn)水深度均值較低的后四個市縣分別是東方市、樂東縣、三亞市及昌江縣.總體而言，海南島各市縣的產(chǎn)水深度與降水和實際蒸散發(fā)的差值存在一致性，降水與實際蒸散發(fā)差值越高的市縣產(chǎn)水深度越高，反之越低.從總體趨勢上看，各市縣的產(chǎn)水深度大小與降水量高度相關，但由于受到海南島地形地貌及土地利用/覆蓋類型對實際蒸散發(fā)的影響，部分市縣產(chǎn)水深度與降水量并未完全一致.例如位于海南島中部山區(qū)，多年降水量均值相對較高的五指山市、白沙縣及保亭縣，該區(qū)域的森林覆蓋率高，多年平均的實際蒸散發(fā)也相對較高，從而導致這些區(qū)域的產(chǎn)水深度并不高，各市縣的產(chǎn)水深度與降水量分布呈現(xiàn)出不平衡的空間格局.

圖2 1995—2015年海南各市縣氣候與產(chǎn)水量特征

通過冷熱點分析可以識別產(chǎn)水量在空間上的高值簇和低值簇，熱點即為高值簇，冷點即為低值簇.通過多年間產(chǎn)水量冷熱點的空間格局變化可分析相關因素對產(chǎn)水量的影響.從圖3可看出，1995年海南島產(chǎn)水量的冷熱點區(qū)域空間分布比較分散，大部分熱點區(qū)域位于海南島南部及東部的沿海以及中部以北；冷點區(qū)域相對集中，主要位于海南島西南部.2005年，海南島的冷熱點區(qū)域較1995年并無明顯變化，但南部的三亞市區(qū)、樂東縣鶯歌海區(qū)域及西部的昌化江入?？诘漠a(chǎn)水量熱點區(qū)域出現(xiàn)明顯縮小.2015年海南島冷熱點區(qū)域均出現(xiàn)明顯增加：熱點區(qū)域在東部和北部集聚且擴張明顯，冷點區(qū)域在西南區(qū)域愈加集聚.從市縣分布來看，熱點區(qū)域范圍主要覆蓋范圍是東部的萬寧市、瓊海市、文昌市及中部的屯昌縣、定安縣及瓊中縣的東北部，冷點區(qū)域主要覆蓋范圍是西南部三亞市、樂東市、東方市、五指山市、保亭縣、昌江縣及白沙縣西南部.

圖3 海南島1995—2005年產(chǎn)水量熱點分布

整體而言，1995—2015年間海南島的產(chǎn)水量冷熱點區(qū)域變化分為兩個階段：第一個階段為1995—2005年，冷熱點區(qū)域變化不明顯；第二階段為2005—2015年，冷熱點區(qū)域出現(xiàn)明顯集聚并擴大，且從空間上相對分散狀態(tài)發(fā)展成集聚狀態(tài)，空間上出現(xiàn)明顯的西南—東北分界格局.冷點區(qū)域在西南集聚明顯，而熱點區(qū)域不僅集聚同時向海南島東北方向擴張.熱點區(qū)域比例由27%擴大到38%，冷點區(qū)域比例由28%增至33%，而非顯著區(qū)域比例則由45%降至29%.

3.2 土地利用及氣候變化對產(chǎn)水量的影響

3.2.1 土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移分析表2為1995—2015年海南島土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣，2015年林地面積占比最大，占全島面積49.3%；其次是耕地，占比25.5%；園地、水域、居民與工礦用地、草地及未利用地占比分別為15%，3.6%，3.3%，2.9%和0.3%.林地是海南島產(chǎn)水總量主要貢獻者，提供了全島產(chǎn)水總量的44.3%；耕地、園地、居民與工礦用地、草地、水域及未利用地的產(chǎn)水總量貢獻率分別為28.5%、16.9%、4.6%、3.5%、1.9%和0.2%.

表2 1995—2015年土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣 km2

1995—2015年，海南島的林地、耕地、草地及未利用地面積均有不同程度的減少.林地面積減小最多，共488.9 km2，主要轉(zhuǎn)變成園地（52.2%）、居民與工礦用地（18.8%）和耕地（16.7%）；耕地面積減少次之，共221 km2，主要轉(zhuǎn)變成居民點與工礦用地（49%）以及園地（19.8%），16.4%轉(zhuǎn)變成林地.居民點與工礦用地、園地與水域面積增加，居民點與工礦用地面積增加最多，共429.4 km2，較1995年增幅為62.3%，主要轉(zhuǎn)化自耕地（45.6%）和林地（27.8%）.園地增幅為6.4%，增加面積309.9 km2，主要分別由林地（74.9%）和耕地（17.9%）轉(zhuǎn)化而來.1995—2015年間的土地利用變化說明，海南島受人類活動的影響強度增大，表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化的快速擴張以及農(nóng)業(yè)種植園的大量增多，其特征是兩者擴張均主要占用了耕地和林地.

3.2.2 不同土地利用/覆被類型的產(chǎn)水量土地利用/覆被類型變化是通過改變下墊面狀況，即影響實際蒸散發(fā)、土壤理化性質(zhì)和水分狀況，進而影響區(qū)域產(chǎn)水量［27］.由表3可知不同土地利用/覆被類型的產(chǎn)水量均值從大到小分別是居民與工礦用地、草地、園地、耕地、林地、未利用地和水域，對應的多年產(chǎn)水深度 均 值 分 別 為1 284.41 mm、1 118.36 mm、1118.3 mm、1 106.6 mm、957.52 mm、728.36 mm和542.26 mm.這是因為不同土地利用/覆被類型的蒸散系數(shù)和土壤含水量等因素不同導致單位面積平均產(chǎn)水能力差異.

表3 1995—2015年海南島土地利用/覆被類型產(chǎn)水量均值 mm

產(chǎn)水量上與植被蒸散發(fā)呈反比關系［16］，林地森林茂密，植被覆蓋率高，產(chǎn)水量相對較低；居民點及工礦用地植被少，相應的蒸散發(fā)也小，同時人工建筑導致不透水面積的增多，因此具有較高的產(chǎn)水量.從土地利用/覆被變化角度分析，1995—2015年間海南島產(chǎn)水總量升高的可能原因：一是產(chǎn)水量較低的林地減少并轉(zhuǎn)化成產(chǎn)水量較高的居民點及工礦用地和園地；二是耕地轉(zhuǎn)成產(chǎn)水量相對較高的居民點與工礦用地.

3.2.3 情景分析除土地利用/覆蓋變化因素外，還需要考慮氣候變化對產(chǎn)水量的影響.為量化氣候與土地利用/覆被變化對海南省產(chǎn)水量的影響，本研究設置了四個情景（表4）.情景1是1985—1995年的氣候條件和1995年的土地利用/覆被模式；情景2是2005—2015年的氣候條件和2015年的土地利用/覆被模式；情景3是1985—1995年的氣候條件和2015年的土地利用/覆被模式；情景4是2005—2015年的氣候條件和1995的土地利用/覆被模式.情景1和2分別表示的是1995年和2015年兩個時期的實際產(chǎn)水量；情景4-1反映的是土地利用/覆被模式不變的情況下，氣候變化影響下的產(chǎn)水量變化.情景3-1反映的是氣候因素不變情況下，不同土地利用/覆被模式影響的產(chǎn)水量變化；情景2-1反映的是兩個時期土地利用/覆被和氣候變化對產(chǎn)水量的綜合影響.

表4 情景分析

通過表5可以反映1995—2015年不同情景下海南島的產(chǎn)水量及相應的變化情況.情景2與情景1的差異表明了土地利用/覆被和氣候變化的綜合效應下的產(chǎn)水量變化，增量為160.22 mm，占情景1的產(chǎn)水量比例為16.97%.情景3和情景1的產(chǎn)水量差值代表了因土地利用/覆被變化帶來的產(chǎn)水量效應，產(chǎn)水深度增加6.55 mm，占情景1產(chǎn)水深度比例為0.69%.情景4和情景1的產(chǎn)水量差值表明，在氣候變化的影響下海南島的產(chǎn)水深度增加了153.8 mm，占情景1的產(chǎn)水量比例為16.29%.

通過情景分析表明，氣候和土地利用/覆被類型兩者共同影響海南島的產(chǎn)水量變化，氣候變化的影響遠大于土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量帶來的影響.當氣候變化不變的條件下，土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量的影響并不顯著.因此，氣候變化是海南島產(chǎn)水量變化的主要驅(qū)動力.

4 討論

海南島的產(chǎn)水量空間分布格局總體上與降水量分布一致，但中部區(qū)域的五指山、保亭及白沙三市縣森林覆蓋率高，且部分區(qū)域位于背風坡導致降水量分配不均，因此該區(qū)域的降水量均值相對高而產(chǎn)水量均值相對低的相背離情形，因此還需要考慮地形因素對產(chǎn)水量的影響［16］.2005—2015年，產(chǎn)水量熱點區(qū)域在海南島東北部擴張較1995—2005年更為明顯，產(chǎn)水量熱點區(qū)域是人類活動的重點區(qū)域，2005—2015年是環(huán)島快速鐵路建成通車、?？谥廖牟胃咚俟方ǔ赏ㄜ嚰昂Ｄ蠂H旅游島一系列政策實施的時間節(jié)點，印證了政策及經(jīng)濟驅(qū)動導致建設用地擴張及基礎設施建設等人類活動導致土地空間格局變化會對產(chǎn)水量產(chǎn)生影響［19］.因此，在此區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)應加強綠地規(guī)劃建設，減輕城市熱島的影響及防范洪澇風險；引導耕地及園地的合理布局，嚴控陡坡地的農(nóng)業(yè)開發(fā)，同時實施改善水利設施，提升農(nóng)業(yè)水資源的使用效率等措施，以提升生態(tài)水資源的綠色循環(huán)利用度.

1995—2015年海南島處于一個快速城鎮(zhèn)化的進程，居民點與工礦用地大幅增加，盡管其擴張會導致產(chǎn)水量增多，但是降水到達人工地表后難以被循環(huán)利用，同時帶來了洪澇風險增加及地下水補給減少等不利影響.另一方面，雖然林地類型的平均產(chǎn)水深度低，但因其面積大貢獻全島產(chǎn)水量的46%，在水源涵養(yǎng)、水土保持及固碳等生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著重要作用，所以在規(guī)劃過程中要考慮土地利用變化產(chǎn)生的水文及生態(tài)效應影響，控制城鎮(zhèn)規(guī)模及發(fā)展速度，兼顧生態(tài)發(fā)展.

通過本研究發(fā)現(xiàn)氣候變化是海南島產(chǎn)水量變化的主要因素，而土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量的變化影響較小，這與大連市［17］和寧波地區(qū)［28］的產(chǎn)水量影響相關研究結(jié)論一致.氣候變化在長期內(nèi)會顯著影響產(chǎn)水量，但土地利用/覆被變化在短期內(nèi)對產(chǎn)水量也會有一定影響［29］，甚至土地利用/覆被的變化反過來也影響著局部氣候從而對產(chǎn)水量變化產(chǎn)生影響.例如森林可通過水分再循環(huán)以及對降水的再分配來影響氣候，城鎮(zhèn)化導致城市的熱島效應使得局地氣候發(fā)生明顯變化.因此，土地利用/覆蓋對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的影響機理仍待進一步研究.

盡管本研究的產(chǎn)水量總體結(jié)果與吳哲等人的研究［22］有較高的一致性，但InVEST模型中季節(jié)參數(shù)以及植被蒸散系數(shù)的設置對產(chǎn)水量的最終結(jié)果影響較大，因此未來研究中有必要實現(xiàn)模型計算的參數(shù)本地化，提高產(chǎn)水量結(jié)果的精度.另外，本研究僅從自然因素角度進行產(chǎn)水量的影響分析，未考慮社會經(jīng)濟的因素，未來需加強這方面研究.

5 結(jié)論

本研究基于1995、2005及2015年三期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)等研究海南島20年間的產(chǎn)水量時空格局變化，并探究氣候及土地利用/覆被因素對海南島產(chǎn)水量的影響，研究取得以下主要結(jié)論：

基于InVEST模型能夠較好的模擬海南島的產(chǎn)水量，1995—2015年間產(chǎn)水量呈上升趨勢；同時海南島的產(chǎn)水量空間分布不均衡，呈現(xiàn)自東中部高與西南低的分異特征.1995—2015年間，海南島的產(chǎn)水量冷熱點變化說明，海南島東北部區(qū)域的人類活動規(guī)模和強度在增強.通過情景分析表明，氣候與土地利用/覆被變化均影響海南省產(chǎn)水量變化，但是氣候因素對對產(chǎn)水量的影響遠大于土地利用/覆被變化，海南島產(chǎn)水量對氣候變化的響應更為敏感.