基于InVEST模型的甬江流域水源供給功能時空變化特征

楊昀則， 田 鵬， 張海濤， 沈杏雯， 曹羅丹， 李加林,3

(1.寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院， 浙江 寧波 315211； 2.寧波大學(xué) 地理科學(xué)與旅游文化學(xué)院， 浙江 寧波 315211； 3.寧波陸海國土空間利用與治理協(xié)同創(chuàng)新中心， 浙江 寧波 315211)

1 研究背景

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聯(lián)系著人類社會的基本福祉，人類通過利用自然生態(tài)系統(tǒng)直接或者間接提供的各種服務(wù)來滿足自身對生產(chǎn)、生活、文化等方面的需求，從而推動人類社會的長期發(fā)展和時代進(jìn)步[1-2]。在千年生態(tài)系統(tǒng)評估項(xiàng)目的推動下，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及對人類社會的影響也成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)[3]。水源供給是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中重要的一環(huán)，對區(qū)域生物多樣性保持、氮磷循環(huán)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高、社會的可持續(xù)發(fā)展等有重要意義[4]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，伴隨著人口激增，社會經(jīng)濟(jì)水平躍升及城市擴(kuò)張，人類對自然資源過度開發(fā)利用，將部分農(nóng)田、林地、草地、水域不斷開發(fā)和轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，使得原有生態(tài)用地的面積巨幅減少。此外工業(yè)化和城市化的快速推進(jìn)逐漸削弱著區(qū)域各地類的水源涵養(yǎng)功能，引起了區(qū)域植被覆蓋減少、土壤沙化、水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)功能衰退等環(huán)境危機(jī)[5-7]。開展區(qū)域水源供給服務(wù)評價，尤其是以流域?yàn)橥暾脑u價單元，更有利于全面了解流域產(chǎn)水量空間變化，為流域水源保護(hù)、生態(tài)治理提供相應(yīng)的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對流域水源供給模塊已開展較多的實(shí)踐研究，集中在流域水源供給服務(wù)的時空變化及驅(qū)動機(jī)制分析[8]。由于水的流動性強(qiáng)，對流域生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務(wù)功能的定量化和可視化評價也是當(dāng)前相關(guān)研究的重點(diǎn)。流域水源供給服務(wù)評估主要借助SWAT、TerrainLab和InVEST模型，而InVEST模型以其模型輸入?yún)?shù)較少、數(shù)據(jù)導(dǎo)入要求相對較低等優(yōu)勢在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，如Trisurat等[9]應(yīng)用該模型對泰國的Thadee流域進(jìn)行了水源供給評估、Li等[10]借助InVEST模型評估了快速興起的旅游業(yè)對云南洱海產(chǎn)水量的影響。國內(nèi)引入InVEST模型雖較晚，但發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價中，如產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲量、氮輸出等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型[11-13]，其中產(chǎn)水量服務(wù)更是被廣泛應(yīng)用于流域、行政區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)、干旱與半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等不同區(qū)域尺度[14-15]。當(dāng)前以流域作為完整水源供給評價單元的研究較多，集中在長江流域和黃河流域及其支流、內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)的石羊河等[16-18]，對東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的流域研究較少。而在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南沿海區(qū)域，雖受季風(fēng)氣候影響降水豐富，但工業(yè)化和城市化發(fā)展使其對水資源的需求量巨大，流域水源供給能力的研究對于促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。甬江由奉化江和姚江匯集而成，對寧波市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活起到重要輔助作用，更是被譽(yù)為寧波的“母親河”，但在寧波市快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的影響下，流域土地利用變化迅速，流域產(chǎn)水量下降，生態(tài)環(huán)境也受到較大外在干擾和威脅。故本文以我國東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的甬江流域作為研究區(qū)，基于1980-2018年三期土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等，分析區(qū)域土地利用覆被變化，運(yùn)用InVEST模型評估了流域各年份的水源供給能力，分析不同流域和土地利用類型的產(chǎn)水量時空變化，并以地形位指數(shù)分析流域產(chǎn)水量的地形梯度效應(yīng)，以期豐富流域水源供給研究內(nèi)容，并為寧波市的流域生態(tài)保護(hù)治理、社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供理論與實(shí)踐參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

甬江流域位于29°24′N～30°49′N，120°49′E～120°56′E之間，位于浙江省東部沿海，地處浙江寧紹沖積平原東端(圖1)。甬江流域自西南向東北流經(jīng)外游山匯入東海，其中奉化江和姚江是流域最大的兩條支流。甬江流域面積約361 km2，受季風(fēng)氣候影響，即夏季在副熱帶高壓、氣團(tuán)、臺風(fēng)等作用下，雨量豐富；冬季則受西風(fēng)帶氣流控制。境內(nèi)雨量空間分布呈現(xiàn)南部多于北部，且由沿海向內(nèi)陸遞增的特征。甬江流域主要位于寧波市，流域人口約468.8萬人，平均人口密度為710 人/ km2[19]。隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的躍升，土地利用變化劇烈且強(qiáng)度提升，流域水源供給能力和水質(zhì)均受到較大威脅。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 數(shù)據(jù)來源

文章收集了1980-2018年甬江流域氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及浙江省行政邊界數(shù)據(jù)等，其中氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，采用日值數(shù)據(jù)集，主要包括氣溫、降水等。土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，按照前人研究及研究區(qū)需要[19]，將土地利用劃分為12種地類，包括未利用地、城鎮(zhèn)用地、旱地、農(nóng)田、林地、草地、湖泊、其他建設(shè)用地、水庫坑塘、河流、農(nóng)村居民點(diǎn)、潮灘。DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)，包括甬江流域4幅30 m的ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤屬性數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database, HWSD)；行政邊界數(shù)據(jù)來自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn/)。此外，文中涉及的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來自浙江省和寧波市統(tǒng)計(jì)年鑒。流域數(shù)據(jù)處理上，氣象數(shù)據(jù)主要通過ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行插值處理，其中潛在蒸散量通過Penman-Monteith 公式計(jì)算得到并進(jìn)行空間插值[13]；DEM數(shù)據(jù)主要利用ArcGIS軟件的水文模塊處理，土壤數(shù)據(jù)則利用ArcGIS軟件的圖層連接和裁剪處理。水源供給模塊的參數(shù)表可見參考文獻(xiàn)[13]、[14]。所有柵格圖層統(tǒng)一分辨率為30 m，投影為WGS1984-UTM。水源供給模型參數(shù)空間化如圖2所示。

圖2 水源供給模型參數(shù)空間化

2.3 研究方法

2.3.1 水源供給服務(wù) 水源供給服務(wù)主要基于InVEST 模型中的產(chǎn)水模塊，即在某特定時間內(nèi)單位面積上的產(chǎn)水量，根據(jù)水量平衡的原理，區(qū)域水源供給量為單位面積上得到的降水量扣除實(shí)際蒸散發(fā)消失的水量[20-22]。計(jì)算各柵格像元下的產(chǎn)水量，主要公式為：

(1)

式中：Yx,j為j類土地利用類型柵格x的產(chǎn)水量，mm；Px為不同柵格像元x上的年均降水值，mm；AETx,j為區(qū)域j地類柵格像元x的年均蒸散發(fā)量，mm。鑒于該方法已較為成熟，其指數(shù)的詳細(xì)說明和計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[11]、[22]。

2.3.2 地形梯度效應(yīng) 區(qū)域地形因素對土地利用類型的影響主要是通過高程與坡度的相互作用影響其形成、發(fā)育條件，單一的地形因素如高程或坡度難以反映該種綜合影響，故選取地形位(T)指數(shù)來全面反映區(qū)域地形地勢條件。T指數(shù)表征著區(qū)域地形的高程與坡度信息，反映了區(qū)域地形梯度，以此來分析不同地形位下的產(chǎn)水量時空變化特征[23]。其公式如下:

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、林地所占面積及比例最大，其次是旱地、農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)用地、草地、水庫坑塘、河流，而潮灘、湖泊、其他建設(shè)用地和未利用地面積較少，1980-2018年甬江流域土地利用類型及變化特征如圖3和表1所示。 分析圖3和表1可知，1980-2018年研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)田、林地和草地面積均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中農(nóng)田和草地面積分別縮減了53 707.04 hm2和1 521.49 hm2，減幅分別達(dá)到了30.85 %和38.61 %，表明甬江流域在城市化的進(jìn)程中占用了大量的農(nóng)田和草地。1980-2018年城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)面積迅速增長，面積分別為28 688.13 hm2和18 076.20 hm2，占比增加了507.19 %和210.91 %，反映了在將近40年內(nèi)寧波市城鎮(zhèn)用地得到了快速發(fā)展，不斷向外擴(kuò)張。另外，1980-2018年潮灘面積下降幅度較大，面積由1980年的1 892.12 hm2縮減到2018年的218.89 hm2，降幅達(dá)到了88.43 %，大于草地和農(nóng)田的下降幅度。潮灘面積的大幅縮減，表明近40年以來甬江流域入海側(cè)土地利用強(qiáng)度較大，城市化進(jìn)程不斷加快且向潮灘擴(kuò)張，同時港口的建設(shè)、圍墾等活動加劇了潮灘面積的減少。

圖3 1980-2018年甬江流域土地利用類型

表1 甬江流域土地利用面積變化特征 hm2

基于ArcGIS10.3的空間分析工具得到甬江流域1980-2018年土地利用轉(zhuǎn)移圖件，以此分析不同年份間各地類的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移面積，鑒于各年份間轉(zhuǎn)移類型較多，故選取了轉(zhuǎn)移面積大于100 hm2的轉(zhuǎn)移地類進(jìn)行空間展示和分析，得出的1980-2018年主要土地利用類型轉(zhuǎn)換空間分布如圖4所示。從圖4總體上看，1980-2018年甬江流域土地利用類型轉(zhuǎn)移復(fù)雜且劇烈，轉(zhuǎn)移類型多達(dá)28種，集中分布在流域的中東部和西北部，即以寧波和余姚為核心。具體上看，1980-2000年的主要轉(zhuǎn)移類型達(dá)到了15種，其中農(nóng)田→城鎮(zhèn)用地和農(nóng)田→農(nóng)村居民點(diǎn)兩個轉(zhuǎn)移類型面積最大，轉(zhuǎn)換了7 544.28、6 183.99 hm2，占農(nóng)田向外轉(zhuǎn)移面積的44.40%和36.39%，這也表明甬江流域受人類活動影響劇烈，在快速城鎮(zhèn)化背景下城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)趨于向農(nóng)田擴(kuò)張。此外草地→林地、農(nóng)田→林地、林地→草地這三種轉(zhuǎn)移類型的轉(zhuǎn)換面積均大于1 000 hm2，林地向外轉(zhuǎn)移類型也較多，如林地→農(nóng)村居民點(diǎn)、林地→旱地、林地→工交建設(shè)用地。2000-2018年的土地利用主要轉(zhuǎn)移類型達(dá)到了31種，其中農(nóng)田的轉(zhuǎn)移面積最大且轉(zhuǎn)換類型最多。如農(nóng)田→工交建設(shè)用地面積最大，達(dá)到了5 440.024 hm2，占農(nóng)田向外轉(zhuǎn)移面積的13%，這表明了以工礦、交通等為主的人類活動對甬江流域影響程度較大，但相較之前的擴(kuò)張速度有所放緩，也反映了人們意識到保護(hù)耕地的重要性，開始放緩建設(shè)用地的擴(kuò)張速度。其次林地轉(zhuǎn)移類型較多，主要集中在林地→工交建設(shè)用地、林地→農(nóng)田、林地→農(nóng)村居民點(diǎn)，分別轉(zhuǎn)換了1 681.69、1 574.41、1 251.58 hm2，占林地向外轉(zhuǎn)移面積的29.78%、27.88% 、22.16% 。同時，也存在部分的城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)換成了農(nóng)田，轉(zhuǎn)換面積分別達(dá)到839.63、162.18 hm2，這表明了當(dāng)前對耕地資源的保護(hù)更為重視。在轉(zhuǎn)換類型中，還包括部分旱地轉(zhuǎn)為了農(nóng)田和林地，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、工交建設(shè)用地轉(zhuǎn)為了林地和農(nóng)田，表明了人們越來越意識到保護(hù)農(nóng)田和林地的重要性。綜上，甬江流域土地利用類型轉(zhuǎn)移空間分布特征突出反映了城鎮(zhèn)化的擴(kuò)張，其中建設(shè)用地主要向農(nóng)田和林地?cái)U(kuò)展，但隨著城市化進(jìn)程的放緩及生態(tài)文明建設(shè)的加快，建設(shè)用地也開始向林地、草地、水域等生態(tài)用地轉(zhuǎn)移，如退耕還林還草、生態(tài)工程建設(shè)、流域生態(tài)修復(fù)等措施的實(shí)施。

圖4 1980-2018年主要土地利用類型轉(zhuǎn)換空間分布

3.2 水源供給服務(wù)功能評估

3.2.1 總體變化特征 通過ArcGIS10.3和InVEST模型得到甬江流域1980-2018年產(chǎn)水量空間分布(見圖5)，并利用柵格計(jì)算器將圖層相減得到不同時段的產(chǎn)水量變化量空間分布(見圖6)，以此分析甬江流域水源供給的空間分布、空間差異和變化特征。

圖5 1980-2018年甬江流域產(chǎn)水量空間分布

圖6 1980-2018年甬江流域不同時段的產(chǎn)水量變化量空間分布

1980、2000、2018年甬江流域總產(chǎn)水量分別為2.988 7×108、3.374 1×108、2.844 9 ×108m3，該3個年份基于柵格像元的平均產(chǎn)水量分別為786.72、888.15、748.87 mm，整體上處于下降趨勢，該結(jié)果與包玉斌等[22]對黃土高原水源涵養(yǎng)的研究結(jié)果類似，研究期間甬江流域平均產(chǎn)水量各年份間呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢，1980-2018年平均產(chǎn)水量下降了34 mm。

1980年甬江流域基于柵格像元上的產(chǎn)水量范圍為493.92～1 608.81 mm，產(chǎn)水量高值區(qū)集中在流域中下游，尤其是姚江流域、鄞江和奉化江流域交匯處。此外東錢湖以及一些小湖泊也是產(chǎn)水量的高值區(qū)。產(chǎn)水量低值區(qū)則集中在地勢起伏較大的山脊處，在地形較大起伏的影響下，土壤淺薄，且存在水土流失現(xiàn)象。2000年，甬江流域基于柵格像元上的產(chǎn)水量范圍為538.12～1 752.22 mm，產(chǎn)水量最大值和最小值分別增大了143.41、44.20 mm，高值區(qū)在原先基礎(chǔ)上向外擴(kuò)張，區(qū)域建設(shè)用地的擴(kuò)展增加了區(qū)域的不透水面面積，使得降水下滲受阻，也增加了建設(shè)用地上的產(chǎn)水量。2018年，甬江流域基于柵格像元上的產(chǎn)水量范圍為367.64～1 533.17 mm，產(chǎn)水量趨于下降，但高值區(qū)范圍快速擴(kuò)大，呈現(xiàn)以中東部的寧波市區(qū)和西北部的余姚和慈溪市為中心的高值區(qū)，以及湖泊水域高值區(qū)零星分布。從產(chǎn)水量各年份間的總體變化上看，1980-2018年甬江流域產(chǎn)水變化量集中在-299.99～0 mm，表明流域產(chǎn)水量下降。各年份變化上，1980-2000年產(chǎn)水量變化呈上升趨勢，產(chǎn)水量上升幅度集中在0～300 mm，增大幅度大于300 mm的區(qū)域集中在產(chǎn)水量的高值區(qū)，即寧波市區(qū)與余姚、慈溪市附近。2000-2018年流域產(chǎn)水量以下降趨勢為主，即產(chǎn)水量變化以-299.99～0 mm為主導(dǎo)，增大幅度大于300 mm的范圍繼續(xù)擴(kuò)張，而產(chǎn)水量變化在小于500 mm的范圍也小幅擴(kuò)大。

3.2.2 不同流域的水源供給服務(wù)特征 基于甬江流域30 m DEM數(shù)據(jù)，以ArcGIS的水文模塊分析得到流域33個不同大小的子流域，統(tǒng)計(jì)得到各流域的柵格像元平均產(chǎn)水量和總產(chǎn)水量大小，以及柵格單元不同平均產(chǎn)水量和不同總產(chǎn)水量的子流域個數(shù)變化，其結(jié)果分別見圖7、8和表2。

綜合圖7、8和表2來看，1980-2018年甬江流域柵格平均產(chǎn)水量較多地集中在東部和西北部，且呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(圖7)。1980年各流域柵格平均產(chǎn)水量主要集中在700～900 mm之間，流域數(shù)量達(dá)到了23個，而900～1 000 mm的流域有3個，大于1 000 mm的流域僅有1個。2000年各流域柵格平均產(chǎn)水量主要集中在800～1 000 mm之間，數(shù)量達(dá)到了22個，相比于1980年，甬江流域柵格平均產(chǎn)水量呈增大趨勢，平均產(chǎn)水量小于700 mm的子流域從1980年的6個減少到了2000年的0個，平均產(chǎn)水量為900～1 000 mm的子流域從1980年的3個增加到了2000年的11個，平均產(chǎn)水量大于1 000 mm的子流域從1980年的1個增加到了2000年的4個，很好地反映了從1980-2000年各子流域的產(chǎn)水量總體上呈現(xiàn)增大趨勢。2018年平均產(chǎn)水量小于700 mm的子流域數(shù)量達(dá)到了11個，平均產(chǎn)水量為700～800 mm的子流域數(shù)量達(dá)到了13個，平均產(chǎn)水量在900～1 000 mm的子流域由2000年的11個減少到了2018年的1個，這說明了流域的產(chǎn)水量明顯減小且呈減小趨勢的子流域數(shù)量多。

表2 1980-2018年甬江流域柵格單元不同平均產(chǎn)水量和不同總產(chǎn)水量的子流域個數(shù)變化

圖7 1980-2018年甬江流域各子流域的柵格像元平均產(chǎn)水量分布

1980-2018年甬江流域總產(chǎn)水量也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，產(chǎn)水量大的區(qū)域主要集中在流域中西部和東南部，即大多處于流域的中上游，如姚江流域、鄞江流域、剡溪江流域、縣江流域等(圖8)。1980年流域總產(chǎn)水量小于4 000×104m3的子流域?yàn)?3個，總產(chǎn)水量為10 000×104～20 500×104m3的子流域有10個。2000年流域總產(chǎn)水量小于4 000×104m3的子流域由1980年的13個減少到了9個，總產(chǎn)水量大于20 500×104m3的子流域由1980年的2個增加到了4個，表明了相較于1980年的流域總產(chǎn)水量，2000年的流域總產(chǎn)水量總體呈現(xiàn)增大的趨勢。2018年總產(chǎn)水量小于4 000×104m3的子流域由2000年的9個增加到了13個，總產(chǎn)水量大于20 500×104m3的子流域由2000年的4個減少到了2個。

圖8 1980-2018年甬江流域各子流域總產(chǎn)水量分布

甬江流域基于柵格像元下平均產(chǎn)水量處于前3位的子流域分別為甬江流域(1 121.04 mm)、奉化江流域(1 077.25 mm)、浜子港流域(979.12 mm)，從總產(chǎn)水量來看，前3位的子流域分別為姚江流域(31 993.73×104m3)、鄞江流域(23 621.52×104m3)、剡溪江流域(20 816.29 ×104m3)，這些子流域總產(chǎn)水量均大于2×108m3，是甬江流域的主要組成部分，其水系發(fā)達(dá)，流域面積較廣，產(chǎn)水量較高。

3.2.3 不同土地利用類型的水源供給服務(wù)特征 統(tǒng)計(jì)1980-2018年甬江流域不同土地利用類型的平均產(chǎn)水量及其變化值，其結(jié)果見表3。

表3 1980-2018年甬江流域不同土地利用類型的平均產(chǎn)水量及其變化量 104m3

由表3可見，整體上甬江流域農(nóng)田、林地的平均產(chǎn)水量最大，且遠(yuǎn)大于其他地類，這也表明農(nóng)田和林地對甬江流域水源供給能力的貢獻(xiàn)突出，農(nóng)田和林地作為甬江流域主要覆被類型，也發(fā)揮著自身水源供給的主導(dǎo)作用。1980-2018年12種土地利用類型的平均產(chǎn)水量變化差異性顯著，如城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)的產(chǎn)水量為不斷增大的趨勢，變化量更是分別高達(dá)3 565.59×104、920.22×104、1 850.42×104m3。2018年農(nóng)田、林地、潮灘、草地的產(chǎn)水量相比較于1980年減小明顯，變化量分別為-4 287.18×104、-1 438.90×104、-238.58×104、-203.14×104m3。

分時間段看，1980-2000年12種土地利用類型的產(chǎn)水量大體上呈現(xiàn)增大趨勢，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)的流域產(chǎn)水量增長幅度分別達(dá)到了1 229.37×104、878.97×104m3，僅有草地和潮灘的產(chǎn)水量呈減小趨勢，分別減小了170.38×104、117.54×104m3。 2000-2018年農(nóng)田、林地土地利用類型的流域產(chǎn)水量減小明顯。農(nóng)田流域產(chǎn)水量從2000年的15 206.48×104m3減小至2018年的10 456.38×104m3，減少了4 750.10×104m3，林地流域產(chǎn)水量從2000年的12 184.98×104m3減小至2018年的9 030.60×104m3，減少了3 154.38×104m3。城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)土地利用類型的流域產(chǎn)水量顯著增大。城鎮(zhèn)用地從2000年的1 990.16×104m3增大至2018年的4 326.38×104m3，增加了2 336.22×104m3，其他建設(shè)用地從2000年的152.21×104m3增大至2018年的992.96×104m3，增加了840.75×104m3，農(nóng)村居民點(diǎn)從2000年的1 857.41×104m3增大至2018年的2 828.86×104m3，增加了971.45×104m3，這也反映了甬江流域建設(shè)用地的大幅增長，增加了流域內(nèi)的不透水面面積，導(dǎo)致水流下滲減弱，使得建設(shè)用地的產(chǎn)水量增加，而建設(shè)用地的擴(kuò)展且對其他地類的占用，也導(dǎo)致了其他地類產(chǎn)水量的大幅減少，如林地面積的縮減導(dǎo)致產(chǎn)水量的快速減少，也表明了當(dāng)前需要加強(qiáng)對林地、草地、水域等生態(tài)用地的保護(hù)，加強(qiáng)退耕還林還草、控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)展速度等措施，提高其生態(tài)用地的產(chǎn)水量。

3.3 水源供給服務(wù)的地形梯度效應(yīng)

在快速城鎮(zhèn)化驅(qū)動下，甬江流域土地利用轉(zhuǎn)移劇烈，而地面覆被的變化也不斷改變著流域下墊面，從而影響產(chǎn)水量的空間分布。以甬江流域DEM數(shù)據(jù)處理得到區(qū)域高程和坡度數(shù)據(jù)，按照公式(2)利用軟件ArcGIS10.5空間分析下的柵格計(jì)算器處理得到流域的地形位指數(shù)T，借鑒前人的研究經(jīng)驗(yàn)[23]，以自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級處理，分別為1級(T<0.23)、2級(T=0.23～0.49)、3級(T=0.49～0.75)、4級(T=0.75～1.02)、5級(T=1.02～1.64)。甬江流域地形位指數(shù)T分布情況如圖9所示。

T指數(shù)可以清晰地反映地形分布和地勢走向狀況。甬江流域地勢呈現(xiàn)西高東低，由西南向東北方向傾斜，中東部地勢平坦處為各流域沖積形成的寧紹平原，而西部地勢起伏較大處為四明山脈。由圖9可知，甬江流域T指數(shù)等級以1級為主導(dǎo)，面積占比達(dá)到47.46%，4、5、3級次之，面積占比分別為17.52%、15.19%、11.32%，2級地形位面積最小，面積占比僅為8.51%。

圖9 甬江流域地形位指數(shù)T分布情況

利用SPSS軟件分析甬江流域33個子流域的T指數(shù)與其平均產(chǎn)水量的相關(guān)性，1980、2000、2018年兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.809、0.828、0.798，均大于0.75，表明甬江流域的T指數(shù)與產(chǎn)水量的相關(guān)性較為顯著。

統(tǒng)計(jì)1980-2018年甬江流域不同地形位下的平均產(chǎn)水量，結(jié)果見表4。

表4 1980-2018年甬江流域不同地形位下的平均產(chǎn)水量

由表4可知，1980-2000年T指數(shù)等級的柵格像元平均產(chǎn)水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。1980年T指數(shù)等級1柵格像元平均產(chǎn)水量最大，達(dá)到880.37 mm，T指數(shù)等級4柵格像元平均產(chǎn)水量最小，僅為676.53 mm。2000年T指數(shù)等級1柵格像元平均產(chǎn)水量較1980平均產(chǎn)水量增大了117.20 mm，增幅最大。T指數(shù)第2等級雖面積占比較少，但柵格像元平均產(chǎn)水量較大，達(dá)到了839.30 mm。T指數(shù)第4等級柵格像元平均產(chǎn)水量最小，為760.62 mm。2018年T指數(shù)等級5柵格像元平均產(chǎn)水量較2000年減小幅度最大，減小了194.73 mm。其次是T指數(shù)等級4和3，分別減小了188.95和179.29 mm。從地形位等級上的平均產(chǎn)水量上看，1980-2018年均以第1等級T指數(shù)的平均產(chǎn)水量值最大，均大于15 000×104m3，且遠(yuǎn)高于2、3、4、5地形位等級，第1等級T指數(shù)以耕地和建設(shè)用地為主導(dǎo)，而兩地類的平均產(chǎn)水量較高，這也使得該等級地形位下的平均產(chǎn)水量值最高。而第2等級T指數(shù)下的平均產(chǎn)水量值較小，第2、3、4、5等級T指數(shù)地形位下的平均產(chǎn)水量隨著地形位等級提升而趨于增大，這主要是由于隨著海拔的提升，林地面積不斷擴(kuò)大，使得區(qū)域平均產(chǎn)水量增加。1990-2018年變化量T指數(shù)等級1總體呈現(xiàn)正增長，變化量達(dá)到502.73 ×104m3，其余T指數(shù)等級變化量均為負(fù)增長，其中第4、5、3等級變化量分別為-697.13×104、-544.04×104、-441.41 ×104m3。

4 討 論

基于甬江流域多期土地利用、氣象、土壤等數(shù)據(jù)，本文對甬江流域的總產(chǎn)水量進(jìn)行了定量評估，1980、2000、2018年流域總產(chǎn)水量分別為2.988 7×108、3.374 1×108、2.844 9 ×108m3，該結(jié)果與李文杰等[26]和余銘婧[27]對甬江流域產(chǎn)水量的研究成果相符，也表明InVEST模型在對流域進(jìn)行水源供給評估工作中的適用性。甬江流域的水源供給量呈現(xiàn)先增大后減少的變化特征，該特征與何莎莎等[20]對太行山淇河流域研究的水源供給量整體特征保持一致。甬江流域以農(nóng)田、林地對水源供給貢獻(xiàn)量最大，該結(jié)果與李怡穎等[28]的研究結(jié)果相似。甬江流域內(nèi)耕地多為平原地區(qū)，尤其是在流域中下游平原(地形位指數(shù)第1等級區(qū)域)，受海洋濕潤氣流影響而降水豐富，從而使得耕地水源供給量充足[12]。此外，林地作為生態(tài)用地具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力，其廣泛分布于甬江流域中上游，水源供給量也較大。鑒于此，為提升流域水源供給能力，需要加強(qiáng)對流域內(nèi)林地、農(nóng)田資源的保護(hù)，促進(jìn)建設(shè)用地向生態(tài)用地轉(zhuǎn)換。本文還定量評估了甬江流域水源供給的時空變化特征，明確了區(qū)域水源供給的主要路徑，對區(qū)域水資源、土地利用資源保護(hù)和政策制定具有重要的理論與實(shí)踐意義。

本文借助InVEST 模型的Water yield模塊對甬江流域水源供給進(jìn)行了評估，雖然當(dāng)前InVEST 模型廣泛應(yīng)用于流域、不同行政區(qū)和保護(hù)區(qū)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評估上，但眾多研究也表明，需要對該模型輸入的生物物理參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化以提高其精度，故也需要增加對流域河流多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性[17]。

5 結(jié) 論

本文基于InVEST模型測算了1980-2018年甬江流域的水源供給能力，分析了各子流域和土地利用類型下的產(chǎn)水量時空變化及流域產(chǎn)水量的地形梯度效應(yīng)。主要結(jié)論如下：

(1)甬江流域以農(nóng)田和林地為主導(dǎo)，1980-2018年，農(nóng)田、林地、草地、潮灘面積減少，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)面積快速增長。甬江流域土地利用類型轉(zhuǎn)移復(fù)雜且劇烈，轉(zhuǎn)移類型多達(dá)28種，集中分布在流域的中東部和西北部。轉(zhuǎn)換類型以農(nóng)田→城鎮(zhèn)用地、農(nóng)田→農(nóng)村居民點(diǎn)、農(nóng)田→工交建設(shè)用的地面積為最大。

(2)甬江流域平均產(chǎn)水量在研究時段內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。產(chǎn)水量高值區(qū)主要集中于流域的中上游，如姚江流域、鄞江流域、剡溪江流域、縣江流域等。甬江流域總產(chǎn)水量前3位的子流域分別為姚江流域(31 993.73×104m3)、鄞江流域(23 621.52×104m3)、剡溪江流域(20 816.29 ×104m3)。流域內(nèi)農(nóng)田、林地的平均產(chǎn)水量最大，其他地類較小。

(3)甬江流域地勢呈現(xiàn)西高東低，由西南向東北方向傾斜，地形位以1級為主，其面積占比達(dá)到47.46 %，4、5、3級次之，2級地形位面積最少。甬江流域產(chǎn)水量與地形位指數(shù)的相關(guān)性較為顯著，相關(guān)系數(shù)均大于0.75。柵格像元平均產(chǎn)水量呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，以地形位第1等級最大，第4等級最小，而地形位區(qū)域的平均產(chǎn)水量以第1等級為主導(dǎo)，均大于15 000×104m3，且遠(yuǎn)大于其他等級，2、3、4、5地形位下的平均產(chǎn)水量隨著地形位等級的提升而趨于增大。