廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)功能探討

莫焱蘭，庾 露，初愛萍，李嘉力，梁玉蓮

(1.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530001)

1 引言

水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要服務(wù)功能之一，對區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)水分循環(huán)、防止水、旱災(zāi)害等具有重要意義，但易受生態(tài)系統(tǒng)類型、地形地貌差異、氣候以及徑流等因素的綜合影響，具有空間異質(zhì)性和動態(tài)復(fù)雜性[1,2]。南嶺山地作為《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》確定的南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，其主要功能是水源涵養(yǎng)，輔助功能有生物多樣性保護和土壤保持[3]，其定位是構(gòu)建人和自然和諧相處的示范區(qū)，發(fā)展以保護和修復(fù)生態(tài)環(huán)境為主。廣西南嶺山地森林及生物多樣性功能區(qū)(以下簡稱廣西南嶺生態(tài)功能區(qū))是整個南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分，計算并分析研究區(qū)2010年實施生態(tài)保護后水源涵養(yǎng)功能變化情況，對了解廣西南嶺的自然生態(tài)狀況，維持生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性，增強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，筑牢桂北地區(qū)的生態(tài)屏障具有重要意義。

從水源涵養(yǎng)型國家重點生態(tài)功能區(qū)研究現(xiàn)狀來看，主要集中在生態(tài)補償[4]、產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]、生態(tài)環(huán)境評價[6]等方面。針對單個區(qū)域的重點生態(tài)功能區(qū)開展了大量生態(tài)效益評估工作，如馮倩等[7]根據(jù)貴州省三都水族自治縣實際情況構(gòu)建生態(tài)功能指標(biāo)體系進行水源涵養(yǎng)功能評價、盧意愷等[8]運用遙感技術(shù)對桐柏山水源涵養(yǎng)國家重點生態(tài)功能區(qū)進行生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測、葉爾納爾·胡馬爾汗等[9]運用遙感技術(shù)和相關(guān)分析方法探究阿爾泰山地森林草原生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系等。而針對單個水源涵養(yǎng)型國家重點生態(tài)功能區(qū)開展水源涵養(yǎng)評估較少，目前水源涵養(yǎng)評估方法主要有綜合蓄水能力法[10]、水量平衡法[11～13]、InVEST模型[14,15]等，其中水量平衡法是將廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)視為一個整體，將收入水量與支出水量之差視為水源涵養(yǎng)量，原理簡單，過程清晰，與水源涵養(yǎng)內(nèi)涵最為匹配，時空尺度適用性較強。

廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)脆弱，土層淺薄，暴雨洪澇、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)和生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重威脅。為緩解自然水土過程與人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的矛盾，提高水源涵養(yǎng)能力對降低該地區(qū)水土流失等災(zāi)害風(fēng)險具有重要意義。因此采用水量平衡方程，研究并分析廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)2010～2020年在實施生態(tài)保護和修復(fù)后水源涵養(yǎng)功能質(zhì)量狀況和變化趨勢，為廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)了解水源涵養(yǎng)服務(wù)現(xiàn)狀及變化、未來水資源規(guī)劃與管理提供參考。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂北部，桂黔湘交界處，行政區(qū)包含資源縣、龍勝各族自治縣、三江侗族自治縣、融水苗族自治縣4 個縣。總面積約為11446 km2，地貌以中山為主，屬于中亞熱帶地區(qū)，夏長冬短，四季不均，年平均氣溫18～19 ℃，雨量充沛，地處廣西多雨中心之一，年平均降雨量2000 mm。土壤類型多樣，包括紅壤、棕紅壤、黃棕壤、紫色土等，其中紅壤分布最廣，占總面積的56.37%。自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，原生植被有中亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林和針闊混交林。它既是長江水系和珠江水系的發(fā)源地之一，也是廣西主要的生態(tài)屏障和重要水源地。

2.2 數(shù)據(jù)來源

降雨量等氣象數(shù)據(jù)來源于廣西氣象局；蒸散量數(shù)據(jù)采用中國陸地實際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心，為避免降水年際波動的影響，降雨和蒸發(fā)均采用5年滑動平均法進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以便能更為客觀地體現(xiàn)一個時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能狀況。生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為Alber等面積投影的柵格數(shù)據(jù)，像元大小設(shè)為100 m×100 m。

2.3 研究方法

2.3.1 水量平衡

本文采用水量平衡方程來計算廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)量，公式如下:

(1)

式(1)中，T為區(qū)域水源涵養(yǎng)量(t)，Pm為5 年滑動平均年總降水量(mm)，Rm為不同生態(tài)系統(tǒng)類型的地表徑流量(mm)，ETm為5 年滑動平均蒸散發(fā)量(mm)，Am為第m類生態(tài)系統(tǒng)類型面積(km2)，m為第n類生態(tài)系統(tǒng)類型，n為生態(tài)系統(tǒng)類型總和。其中，Rm=Pr×a，a為平均地表徑流系數(shù)(無量綱)[16,17]。地表徑流系數(shù)詳細(xì)見表1。

表1 各生態(tài)系統(tǒng)地表徑流系數(shù)

2.3.2 重要性等級劃分方法

由于每個年份水源涵養(yǎng)功能受當(dāng)年的降雨量不同而導(dǎo)致數(shù)值不一致，故不同年份之間進行比較較為困難。本文將計算得到的單位面積水源涵養(yǎng)量做離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，使結(jié)果值落在[0,1]之間[18]。計算公式為：

(2)

式(2)中，Sxn為柵格像元中第n類生態(tài)系統(tǒng)類型下的單位面積水源涵養(yǎng)量；Smax表示該研究區(qū)內(nèi)單位面積水源涵養(yǎng)量最大值；Smin則為最小值。

為更好分析廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)量在不同時期的時空變化情況，參考相關(guān)文獻[19]，對研究區(qū)離差標(biāo)準(zhǔn)化后的水源涵養(yǎng)進行重要性等級。水源涵養(yǎng)功能由低到高分為低、較低、中、較高和高5個重要性等級，分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 水源涵養(yǎng)功能重要性分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 水源涵養(yǎng)時間變化

基于水量平衡公式統(tǒng)計廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)情況，從2010～2020 年的水源涵養(yǎng)評估總體結(jié)果看(表3)，研究區(qū)在2010、2015、2020年3個時期的單位面積水源涵養(yǎng)量為694.27 mm、772.80 mm、969.91mm，水源涵養(yǎng)總量為79.46 億t/年、88.45 億t/年、110.91 億t/年，總體呈現(xiàn)增加的趨勢。各年份的水源涵養(yǎng)等級主要集中在較高和高等級，兩者占總面積的67.08%～82.69%。在研究期間，低和中等級面積是不斷減少，較低等級面積是先增加再減少，較高等級面積是先減少再增加，高等級面積持續(xù)增加，增加率分別為35.41%和15.68%?？傮w而言，廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)功能變化是一個“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。

為了解時間尺度上不同水源涵養(yǎng)等級之間的轉(zhuǎn)化情況，將各年份的水源涵養(yǎng)結(jié)果進行疊加分析，統(tǒng)計得到各年份不同水源涵養(yǎng)等級的面積轉(zhuǎn)移矩陣圖(圖1)。結(jié)合表3和圖1可知，廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)等級具有相互轉(zhuǎn)移的特點，總體呈現(xiàn)持續(xù)向好的趨勢。其中，2010～2015 年間研究區(qū)水源涵養(yǎng)等級面積變化主要表現(xiàn)為：2015較2010 差等級面積減少了388.17 km2；較差等級面積增加了710 km2；中等級減少了290.67 km2，較高等級面積減少了1190.38 km2，高等級面積增加了1149.49 km2，主要由較高等級轉(zhuǎn)入而來。2015～2020 年間研究區(qū)水源涵養(yǎng)等級轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為：中等級向較高等級轉(zhuǎn)移，較高等級向高等級轉(zhuǎn)移，較高等級和高等級占比達到82.69%，水源涵養(yǎng)能力明顯提高。整體而言，廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)等級變化主要是一個“總體向好-局部惡化”的過程，水源涵養(yǎng)能力提升明顯。

圖1 2010～2015 、2015～2020 年間研究區(qū)水源

表3 2010～2020年研究區(qū)不同水源涵養(yǎng)等級面積比例

3.2 水源涵養(yǎng)的空間變化特征

從表4可以看出，研究區(qū)各年份的水源涵養(yǎng)功能的空間分布各有特色。2010年，研究區(qū)以較高等級分布為主，主要分布在龍勝和資源，并在融水和三江有大量的高等級區(qū)和中等級區(qū)分布。2015年，低等級面積分布降低，與2010年相比，資源有大量低等級區(qū)和較高等級區(qū)提升到高等級區(qū)，分析年降雨、蒸散發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，融水在2011～2015年間的年降雨量比2006～2010年偏多30%左右，這也是融水在2015 時期的涵養(yǎng)水源量大幅增加的主要原因。2020 時期三江中等級區(qū)面積減少明顯，大量提升到了較高等級區(qū)。

表4 研究區(qū)各縣水源涵養(yǎng)等級面積 km2

3.3 各生態(tài)系統(tǒng)類型水源涵養(yǎng)特征

本文根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)集進行重分類得到[20]。其中，生態(tài)用地包括森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田五大類，非生態(tài)用地包括城鎮(zhèn)用地和其它用地。

本文主要對廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)用地的水源涵養(yǎng)功能進行評估，生態(tài)用地類型由于地理位置、氣候條件、植被結(jié)構(gòu)存在空間差異，因此水源涵養(yǎng)功能也表現(xiàn)出顯著的差異[21]。

單位面積水源涵養(yǎng)量可以用來表示水源涵養(yǎng)能力，如表5所示，2010～2020年廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)平均水源涵養(yǎng)能力大小為：濕地>森林>灌叢>草地>農(nóng)田。不同生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)能力差異明顯，濕地平均單位面積水源涵養(yǎng)量為991.82 mm，而農(nóng)田水源涵養(yǎng)能力僅達到濕地的14.06%。這是由于濕地在支出水量時無地表徑流量的流失，因而濕地的水源涵養(yǎng)功能最大。與之相反的是，農(nóng)田由于受人為因素干擾，地表易被沖刷發(fā)生水土流失，因而水源涵養(yǎng)功能較低。水源涵養(yǎng)總量高低為：森林>草地>灌叢>農(nóng)田>濕地，森林的水源涵養(yǎng)能力較強，且其在2010 年、2015 年、2020 年中占總生態(tài)系統(tǒng)面積的73.41%、72.30%、75.03%，因此水源涵養(yǎng)總量遠(yuǎn)大于其它生態(tài)系統(tǒng)。雖然濕地的單位面積水源涵養(yǎng)量最大，但由于其所占面積比例較低，因此水源涵養(yǎng)總量遠(yuǎn)小于與其單位面積水源涵養(yǎng)量相近的森林、灌叢和草地，可見水源涵養(yǎng)總量的大小與各生態(tài)系統(tǒng)類型面積占比有很大關(guān)系。

表5 2010～2020 年廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)用地的生態(tài)系統(tǒng)類型水源涵養(yǎng)量

從時間變化上看，同生態(tài)系統(tǒng)類型的單位面積水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量波動較強。2010～2015 年期間，農(nóng)田和森林的單位水源涵養(yǎng)量分別增加了12.67%和453.33%。水源涵養(yǎng)總量分別增加了11.58%和40.18%。但農(nóng)田和森林面積減少比例約為0.2%和2.47%。2015～2020 年期間，各生態(tài)系統(tǒng)類型單位面積水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量穩(wěn)步提升，然而生態(tài)用地面積變化約為：森林(增加2.47%)，灌叢(減少19.84%)草地(減少0.58%)，濕地(減少11.49%)，農(nóng)田(增加0.27%)。因此，生態(tài)系統(tǒng)類型是影響水源涵養(yǎng)量的因素，但在2010～2015 年和2015～2020 年期間，生態(tài)系統(tǒng)類型變化可能不是研究區(qū)水源涵養(yǎng)量時空變化的主要影響因素。

3.4 氣象因子、徑流和植被覆蓋度對水源涵養(yǎng)量的影響

本文選擇年降雨量、蒸散發(fā)量、地表徑流量，植被覆蓋度探究其對水源涵養(yǎng)量的影響。水源涵養(yǎng)量與年降雨量、植被覆蓋度是正相關(guān)關(guān)系、與蒸散發(fā)量、地表徑流量是負(fù)相關(guān)關(guān)系。表6進一步給出了影響水源涵養(yǎng)量的各個因子在不同時期的變化情況。2010～2015 年，年降雨量增加5.58%，植被覆蓋度增加19.80%，2015～2020 年，年降雨量增加11.34%，森林面積也增加2.39%。地表徑流量受年降雨量和各生態(tài)系統(tǒng)地表徑流系數(shù)的影響，雖然年降雨量增加，但隨著植被覆蓋度的提高，森林生態(tài)系統(tǒng)中有林地的增加使地表徑流系數(shù)降低的正效益超過了降雨量增加的負(fù)效應(yīng)。因而年降雨量和植被覆蓋度是影響水源涵養(yǎng)量的重要因子。

表6 廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)量影響因子變化 %

4 結(jié)論

本文分析了2010～2020 年廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)狀況和質(zhì)量變化, 到的主要結(jié)論如下：廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)整體趨于“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。

(1)2010、2015、2020年3個時期的單位水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量呈“緩慢增加-急劇增加”的趨勢。水源涵養(yǎng)等級以較高級和高級分布為主，不同時期轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)“總體向好，局部惡化”的趨勢。

(2)在各生態(tài)系統(tǒng)類型中，從單位水源涵養(yǎng)量來說，濕地水源涵養(yǎng)能力最強。3個時期森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)總量占同時期研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的82.94%、83.15%、84.04%，占絕對優(yōu)勢，因而森林生態(tài)系統(tǒng)是廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)主體。水源涵養(yǎng)量變化主要年降雨和植被覆蓋率的影響。

5 討論

本文基于水量平衡法計算廣西南嶺生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)量，水量平衡法是采用整個研究區(qū)內(nèi)年降雨量與蒸發(fā)量以及其他流失量之差的原理，然而南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)跨省分布，因自然環(huán)境和人為因素的影響各有特色，在后續(xù)研究中，還需結(jié)合區(qū)域特點，在原有評價方法的基礎(chǔ)上,改進蒸散量和徑流量的計算方法。另外，還可以考慮在動態(tài)變化下，納入其他與水源涵養(yǎng)功能相關(guān)的影響因子，在像元尺度上對水源涵養(yǎng)的生態(tài)過程和作用機制開展相關(guān)研究，以求更好地體現(xiàn)不同區(qū)域和區(qū)內(nèi)生態(tài)功能狀況的空間差異，評估重點生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)功能狀況。