漢江流域水源涵養(yǎng)和水質凈化服務時空分析

陳澤怡，余珮珩，陳奕云, ，江頌，顧世祥，白少云，劉斌

（1. 武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079；2. 中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3. 武漢大學 地理信息系統(tǒng)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079；4. 北京大學 城市與環(huán)境學院，北京 100871；5. 云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)通過其組成及相互作用，直接或間接為人類發(fā)展提供必需的自然環(huán)境產品，并發(fā)揮其效用[1]。水資源是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，承載著人類的生活和生產[2]。作為流域水資源生態(tài)服務功能的一部分[3]，水源涵養(yǎng)服務和水質凈化服務直接影響著水量和水質的變化，不僅在維持區(qū)域水文平衡和水質凈化方面具有重要意義，而且在制定流域水源保護規(guī)劃、保障區(qū)域用水安全等方面起到關鍵作用，針對流域水源涵養(yǎng)服務和水質凈化服務的研究已逐漸成為生態(tài)水文學等領域的熱點問題[4]。

目前，尚未出現(xiàn)被學術界廣泛認可的生態(tài)系統(tǒng)服務評估體系。早期有關生態(tài)系統(tǒng)服務評估的研究多套用現(xiàn)成公式，對區(qū)域整體進行評估，難以實現(xiàn)空間可視化表達。近期研究表明，諸如InVEST模型等集精細、定量與模型為一體的評估方法能準確地闡明并提高評估結果的精確性[5-7]。國外關于InVEST模型的研究多集中于應用模型對生態(tài)系統(tǒng)服務進行評估、敏感性分析以及對未來生態(tài)系統(tǒng)服務的模擬[8-12]。國內研究大多運用InVEST模型的一個或多個模塊針對某一區(qū)域進行評估。如柯新利和唐蘭萍[13]定量評估了2000—2015年湖北省城市擴張與耕地保護耦合對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響，并探究二者間的因果關系；吳瑞等[14]對北京市官廳水庫的水源涵養(yǎng)和水質凈化能力進行計算；賈芳芳[15]通過InVEST模型從水源供給、土壤保持和碳儲存方面對贛江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行評估；肖強等[16]基于InVEST模型對重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行重構和評估；李屹峰等[17]以密云水庫流域為例，探究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響；白楊等[18]運用InVEST模型對白洋淀流域的生態(tài)系統(tǒng)服務進行了綜合評價和空間分布特征分析。綜上，InVEST模型能夠對生態(tài)系統(tǒng)服務狀況進行有效的評估，并進行空間化分析，為制定管理決策提供有效和關鍵的信息。然而，目前運用該模型在較大流域尺度上開展的研究較少，且主要對生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行評估，缺乏對水資源生態(tài)服務功能的針對性評價。

漢江流域位于我國中西部地區(qū)的結合部，是中緯度地區(qū)的腹心位置，連接長江經濟帶和絲綢之路，在推進“一帶一路”建設中具有舉足輕重的地位。為了確保漢江流域生態(tài)文明建設與經濟建設統(tǒng)籌發(fā)展，保障“一庫清水北送、一江清水東流”，根據(jù)《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》和《促進中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃》有關要求，需要從宏觀上認識整個漢江流域過去20年間的土地利用變化及其水生態(tài)系統(tǒng)服務演變規(guī)律，評估流域水資源資產，從而促進《漢江生態(tài)經濟帶發(fā)展規(guī)劃》的實施。

本研究基于InVEST模型水源涵養(yǎng)和水質凈化模塊，選取2000年、2005年、2010年和2015年四期數(shù)據(jù)，計算出漢江流域產水和養(yǎng)分截留情況，并結合GIS探究其時空分布，旨在促進區(qū)域水資源的供需平衡，對漢江流域的水生態(tài)環(huán)境進行評價，為全面認識并充分發(fā)揮漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域概況

漢江流域地跨陜西、湖北、河南三省，是連接西北與華中的重要紐帶。漢江是長江第一大支流，發(fā)源于陜西省寧強縣，干流流經陜西省、河南省和湖北省，在武漢市匯入長江。干流長度為1 577 km，流域面積約為15.9萬km2，總落差為1 964 m。漢江流域屬典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候垂直分布明顯，流域面積大，光照、溫度和水資源的空間差異較大，具有顯著的垂直地帶性，整個流域形成了多樣化的氣候地帶[19]。漢江流域多年平均降水量在700～1 400 mm之間，多年平均氣溫在12°C～16°C之間[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、潛在蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、植物可利用含水量數(shù)據(jù)、氮磷輸出系數(shù)和去除效率數(shù)據(jù)等。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心所提供的2000年、2005年、2010年和2015年四期數(shù)據(jù)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）所提供的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)，運用ArcGIS軟件進行鑲嵌、裁剪和填洼等處理后得到分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)。研究范圍通過DEM數(shù)據(jù)提取流域得到。氣象數(shù)據(jù)來源于漢江流域20個氣象站的降水量觀測數(shù)據(jù)，通過普通克里金插值法得到漢江流域的降水量數(shù)據(jù)。潛在蒸散發(fā)量的計算方法使用的是哈格里夫斯（Hargreaves）公式[21-22]，并針對漢江流域的情況進行了系數(shù)修訂[23]，如公式（1）。

式中：RA為地外太陽輻射，單位為MJ/(m2·day)；Tav為日均溫，單位為℃；TD為日均最高氣溫與日均最低氣溫的差值，單位為℃。地外太陽輻射RA參考《太陽能資源等級——總輻射》國家標準文件所提供的公式計算。

土壤深度數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn）所提供的基于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國數(shù)據(jù)集，再使用研究區(qū)邊界提取得到漢江流域土壤深度數(shù)據(jù)。植物可利用含水量數(shù)據(jù)采用非線性擬合估算模型[24]，結合世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）中的土壤質地分類得到。具體計算方法如下：

式中：PAWC表示植物可利用含水量；sand%表示砂粒含量；silt%表示粉粒含量；clay%表示黏粒含量；OC%表示有機碳含量。

氮磷輸出系數(shù)和去除效率參考InVEST用戶指南和相關文獻[25-26]后估算獲得。

1.3 InVEST模型原理與校驗

InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊（water yield）是一種基于水量平衡的估算方法。主要根據(jù)Budyko曲線[27]和年均降水量，通過降水量減去蒸散發(fā)的水量得到柵格單元的產水量，從而得到整個生態(tài)系統(tǒng)內的產水量。在進行模型計算時，簡化匯流過程，忽略地表水和地下水的交互作用[28]，從而得出研究區(qū)域的水源供給量空間分布。計算公式如下：

式中：Yxj表示柵格單元x中j類用地類型的年產水量；AETxj表示柵格單元x中j類用地類型的年實際蒸散發(fā)量；Px則是柵格單元x的年降水量。

InVEST模型的水質凈化模塊（nutrient retention）是基于植被和土壤能夠轉換或存儲徑流中的氮磷污染物機理，忽略其他污染源，采用水體中總氮和總磷的含量來表示流域的水質狀況。總氮和總磷的含量越大，表明流域的污染越嚴重，其水質凈化的能力越弱。計算公式如下：

式中：ALVx表示柵格單元x的調節(jié)負荷值；polx表示柵格單元x的輸出系數(shù)；HSSx表示柵格單元x的水文敏感性，計算方式如下：

式中：λx表示柵格單元x的徑流系數(shù)；表示流域內的評價徑流系數(shù)。

為檢驗InVEST模型的準確性，本研究采用《中國河流泥沙公報》所提供的漢江流域年徑流量數(shù)據(jù)作為漢江流域產水量實際值，通過調整季節(jié)性因子zhang系數(shù)[29]進行校驗。最終確定當zhang系數(shù)為27時，InVEST模型的結果能達到實際值的93.6%。因此，本研究最終選取27為漢江流域的zhang系數(shù)值。

2 結果與分析

2.1 水源涵養(yǎng)服務分析

（1）水源涵養(yǎng)服務時空格局分析。

本研究通過InVEST模型，對漢江流域2000年、2005年、2010年和2015年的水源涵養(yǎng)服務進行了分析評估（圖1和圖2）。漢江流域平均產水深度從2000年的319.926 mm上升到2005年的412.091 mm和2010年的472.505 mm，然后在2015年下降至338.653 mm。在2000—2015年，產水深度在319.926 mm和472.505 mm之間變化，最高為2010年，最低為2000年。結果顯示，不同年份之間漢江流域水源涵養(yǎng)服務在空間上呈現(xiàn)一定的一致性，東南地區(qū)和西南部分地區(qū)的產水量較高，包括安康市南部、南陽市東部以及江漢平原部分地區(qū)；而漢江流域中部地區(qū)的水源涵養(yǎng)服務能力較低，包括十堰市和襄陽市部分地區(qū)。

圖1 2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域產水深度

圖2 2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域年平均產水深度

為了更清楚地揭示漢江流域水源涵養(yǎng)服務在不同時期的變化，本研究分析了2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的水源涵養(yǎng)服務變化（圖3）。前兩個階段產水量總體增加，其中2000—2005年產水量增加，而2005—2010年一些特定區(qū)域的產水量減少，如中部部分地區(qū)，包括房縣和襄陽市，減少面積少于增加面積。2010—2015年，漢江流域產水量總體減少，大部分地區(qū)的供水量明顯減少，尤其是商洛市和十堰市西南部，減少面積略等同于增加面積，但減少量遠大于增加量。

圖3 2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年漢江流域產水深度變化

（2）水源涵養(yǎng)服務驅動因素討論。

InVEST模型水源涵養(yǎng)模塊是一種基于水量平衡法的模型，主要受到氣候和下墊面的影響。流域水源涵養(yǎng)能力在一定時期與植被覆蓋度、土地利用變化和氣候等密切相關。本研究利用殘差趨勢法（the residual trends）探究水源涵養(yǎng)服務對氣候和土地利用變化的響應程度[30-31]。 首先根據(jù)校準和驗證的InVEST模型計算出2000年、2005年、2010年和2015年四年的水源涵養(yǎng)和水質凈化服務的時空變化。之后模擬兩種不同的情景：①氣候條件不變但土地利用變化；②土地利用不變但氣候條件變化。分別在InVEST模型中固定氣候條件和土地利用來探究不同情景下的產水量變化。利用殘差趨勢法探究實際值與情景值之間的差異，以此探究氣候條件和土地利用對水源涵養(yǎng)變化的相對貢獻。具體過程如下：

式中：ΔWT是一定時期內的產水量變化；WR是該時期末的實際產水量；WB是該時期初始的產水量；ΔWL是土地利用變化對產水量的影響；WRC是僅有氣候變化情景下的產水量；ΔWC是氣候變化對產水量的影響；WRL是僅有土地利用變化情景下的產水量；ηL、ηC分別是土地利用和氣候變化對產水量的貢獻。

為定量區(qū)分氣候和土地利用變化對產水量的相對貢獻，對不同時期的實際情況和模擬情況之間的差值進行了計算。圖4和圖5分別顯示了僅有氣候變化和僅有土地利用變化情景下的產水量與實際產水量之間的差值，同時還比較了不同時期的平均產水深度和平均差值之間的變化，以此反映氣候和土地利用的相對貢獻（表1）。2000—2010年，漢江流域產水量不斷增加，而2010—2015年，漢江流域產水量大幅減少。2000—2005年和2005—2010年兩個時期內，受氣候改變影響，漢江流域的產水量呈現(xiàn)減少趨勢，平均產水量變化約為-0.785 mm和-0.220 mm；受土地利用變化影響，產水量呈現(xiàn)增加趨勢，平均產水量變化約為82.592 mm和77.956 mm。2010—2015年，氣候和土地利用變化都產生了消極影響，平均產水量變化約為-1.236 mm和-142.412 mm?？傮w來說，在15年間，土地利用變化是導致研究區(qū)產水量變化的主要驅動因素。

圖4 2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年漢江流域產水深度在土地利用保持不變的情況與實際情況之間的差值

圖5 2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年漢江流域產水深度在氣候條件不變的情況與實際情況之間的差值

表1 2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年漢江流域氣候和土地利用變化對產水變化的相對貢獻

殘差趨勢的分析結果表明，2000—2005年和2005—2010年，氣候變化對流域內大部分地區(qū)產生了積極影響，對仙桃市、南陽市和襄陽市的部分地區(qū)產生消極影響；土地利用變化對流域內大部分地區(qū)產生積極影響，對襄陽市和十堰市東部產生了消極影響。2010—2015年，由于降水量減少，蒸散發(fā)量增加，導致氣候變化對漢江流域大部分地區(qū)產生了消極影響，且較之前兩個時期的產水量變化值大幅增加。但這一時期內，人類活動頻繁，城市快速擴張，導致漢江流域內建設用地面積大幅減少，林草地以及水域面積不斷減少，植被覆蓋度降低，土地利用變化對產水量減少的貢獻更大。

2.2 水質凈化服務分析

（1）水質凈化服務時空格局分析。

本研究利用InVEST模型，對漢江流域2000年、2005年、2010年和2015年的水質凈化服務進行了評估（圖6～8）。漢江流域平均氮元素輸出負荷量從2000年的7.409 kg/ha大幅下降至2005年的7.384 kg/ha，之后小幅下降至2010年的7.383 kg/ha和2015年的7.382 kg/ha。在2000—2015年，平均氮元素輸出負荷量在7.409 kg/ha 和7.382 kg/ha之間變化，最高為2000年，最低為2015年。平均磷元素輸出負荷量從2000年的0.865 kg/ha大幅下降至2005年的0.857 kg/ha，之后小幅下降至2010年的0.856 kg/ha，再下降至2015年的0.850 kg/ha。在2000—2015年，平均磷元素輸出負荷量在0.865 kg/ha和0.850 kg/ha之間變化，最高為2000年，最低為2015年。

圖6 2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域年平均氮輸出負荷量

研究結果顯示，不同年份之間漢江流域水質凈化在空間上呈現(xiàn)一定的一致性，氮、磷輸出負荷量較高、水質凈化能力較低的地區(qū)集中在漢江流域東部，包括南陽市、襄陽市、荊門市、天門市和仙桃市；而氮、磷輸出負荷量較低、水質凈化能力較高的地區(qū)集中在漢江流域中部，包括十堰市和商洛市南部地區(qū)。

為了更清楚地揭示漢江流域水質凈化服務在不同時期的變化，本研究分析了2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的氮、磷元素輸出負荷量變化（圖9）。前兩個階段氮、磷元素輸出負荷量均呈現(xiàn)大部分地區(qū)增加、小部分地區(qū)減少的現(xiàn)象，減少量大于增加量，導致總體氮、磷元素輸出負荷量減少。2010—2015年，漢江流域氮元素輸出負荷量呈現(xiàn)部分地區(qū)增加、部分地區(qū)減少的現(xiàn)象，增加面積略等同于減少面積，減少量大于增加量；磷元素輸出負荷量呈現(xiàn)大部分地區(qū)增加、小部分地區(qū)減少的現(xiàn)象，減少量大于增加量。

圖7 2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域年平均磷輸出負荷量

圖8 2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域年平均氮、磷輸出負荷量

圖9 2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年漢江流域氮、磷輸出負荷量變化

（2）水質凈化驅動因素討論。

InVEST模型水質凈化模塊基于植被和土壤能夠轉換或存儲徑流中的氮、磷污染物機理。因此主要由地形、土地利用類型以及流域的水源涵養(yǎng)能力共同決定。不同時期的漢江流域氮、磷輸出負荷量在空間上的分布呈現(xiàn)明顯的一致性，水質凈化能力較低的地區(qū)主要土地利用類型為耕地和建設用地，這說明人類活動尤其農業(yè)活動是造成水環(huán)境污染的主要原因，可能由于農業(yè)活動中大量化肥、農藥的使用，使得未被作物吸收的氮、磷元素直接流入水體，導致氮、磷元素輸出負荷量增大，從而削弱了流域的水質凈化能力。

受到人類活動對水質凈化服務的影響，2000—2015年，漢江流域內氮、磷輸出負荷量減少，水質凈化能力增強。為保障南水北調中線工程水源地丹江口水庫的水質，國務院提出了《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十二五”規(guī)劃》等一系列措施，在現(xiàn)實生活中得到落實，保障了良好的水質，提升了生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化能力。由此可見，通過實施水資源相關規(guī)劃和政策，漢江流域的水質情況得到了有效改善。出臺政策并積極落實，可以為漢江流域水資源的管理和規(guī)劃提供理論依據(jù)。

3 結論與展望

本研究主要利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊和水質凈化模塊，分別計算了漢江流域2000年、2005年、2010年和2015年的各子流域產水深度和氮、磷元素輸出負荷量等，結合研究區(qū)土地利用狀況，所得主要結論如下：

首先，2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域的水源涵養(yǎng)能力整體呈現(xiàn)先增強再減弱的趨勢，且減弱的趨勢正在加劇。東南地區(qū)和西南部分地區(qū)的水源涵養(yǎng)服務能力較強，包括安康市南部、南陽市東部以及江漢平原部分地區(qū)；而漢江流域中部地區(qū)的水源涵養(yǎng)服務能力較低，包括十堰市和襄陽市部分地區(qū)。

其次，殘差趨勢分析結果表明，2000—2005年和2005—2010年兩個時期內，氣候變化對漢江流域的產水產生負面影響；土地利用變化則對產水產生正面影響。而2010—2015年，氣候和土地利用變化都產生了負面影響。15年間，土地利用變化是產水量變化的主要驅動因素。為了提升漢江流域的水源涵養(yǎng)能力，應當合理配置土地利用，保障流域內的生態(tài)環(huán)境安全。

再次，2000年、2005年、2010年和2015年漢江流域的水質凈化能力呈現(xiàn)不斷增強的趨勢。氮、磷輸出負荷量較高、水質凈化能力較低的地區(qū)集中在漢江流域東部，包括南陽市、襄陽市、荊門市、天門市和仙桃市；而氮、磷輸出負荷量較低、水質凈化能力較高的地區(qū)集中在漢江流域中部，包括十堰市和商洛市南部地區(qū)。

最后，漢江流域內水質凈化能力較低的地區(qū)主要土地利用類型為耕地和建設用地，這說明人類活動尤其農業(yè)活動是造成水環(huán)境污染的主要原因。因此在進行農業(yè)生產時，應合理施肥，減少化肥的使用量，增加有機肥的施用。此外，還可以選擇科學的輪作方式，種植喜磷或喜氮的作物，削減過量氮、磷元素對水質的污染。

本研究基于InVEST模型對漢江流域2000—2015年的水源涵養(yǎng)和水質凈化能力進行了時空格局分析，為漢江流域的水環(huán)境規(guī)劃和國土資源管理提供了科學的依據(jù)。但由于基礎資料較為有限，在數(shù)據(jù)精度和模型分析等方面還存在著一定的不足。例如，氮、磷的輸出系數(shù)和植被截留效率主要通過文獻經驗獲得，缺乏漢江流域的本地數(shù)據(jù)。未來的研究可以在獲取研究區(qū)精細化氮、磷輸出系數(shù)和植被截留效率信息的基礎上，進一步提升模型精度。