水質(zhì)脅迫下閩東南地區(qū)流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流研究

陳梓隆，林靜玉，黃金良,2①

(1.廈門(mén)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361102；2.廈門(mén)大學(xué)福建省海岸帶污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén) 361102)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類(lèi)直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種產(chǎn)品和惠益[1]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)以某種形式和路徑流向受益區(qū)的過(guò)程被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流[2]。從服務(wù)流的角度能更加直觀地揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需關(guān)系以及空間流動(dòng)，也能更準(zhǔn)確地量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)真正作用于人類(lèi)社會(huì)的部分[3-4]。淡水被認(rèn)為是支持人類(lèi)社會(huì)最重要的自然資源[5]，流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為能夠?yàn)槿祟?lèi)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的核心[6]，其產(chǎn)生機(jī)制、流動(dòng)過(guò)程與供需匹配機(jī)制關(guān)乎水資源的空間優(yōu)化配置及其可持續(xù)利用。隨著人類(lèi)社會(huì)的高速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域淡水生態(tài)系統(tǒng)的利用和開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越來(lái)越大，導(dǎo)致多種生態(tài)服務(wù)退化或消失。近年來(lái)，從“水十條”的頒布到“河長(zhǎng)制”的提出，再到“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”的打響，水資源保護(hù)和流域治理也成為我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)和地方重大需求[7-10]。

當(dāng)前關(guān)于淡水供給服務(wù)的研究，正逐漸從靜態(tài)的淡水供給量化研究發(fā)展為動(dòng)態(tài)的淡水供給流動(dòng)研究，越來(lái)越多研究者開(kāi)始運(yùn)用“源-匯”框架[11-12]，從供給和需求的角度研究淡水供給服務(wù)[13-16]，并通過(guò)下墊面特征模擬淡水供給服務(wù)流[17]。李萍[18]根據(jù)淡水供給指數(shù)(fresh water provision index, FWPI)將水量供給數(shù)據(jù)和水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)相結(jié)合，運(yùn)用SWAT模型量化了密西西比河流域淡水供給服務(wù)。董麗青[19]結(jié)合InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)模型與SPANs(service path attribution networks)模型，以機(jī)井、自來(lái)水廠、水庫(kù)等為供給區(qū)，以工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用地為需求區(qū)，通過(guò)供需量插值構(gòu)建萬(wàn)家寨水利樞紐地區(qū)的淡水供給服務(wù)流。陳登帥等[20]根據(jù)水資源安全指數(shù)(water security index,WSI)，以淡水資源供需比來(lái)反映延河流域各個(gè)子流域的供需平衡情況，進(jìn)而結(jié)合高程與水系刻畫(huà)淡水供給服務(wù)流。QIN等[21]結(jié)合服務(wù)路徑屬性網(wǎng)絡(luò)模型(SPANs)與ArcGIS流向分析,模擬了黃河流域的山東、河南的水流情況，以基于河網(wǎng)柵格的水流流向代表淡水供給服務(wù)流。

目前關(guān)于淡水供給服務(wù)流的研究仍存在以下問(wèn)題:(1)服務(wù)流流量方面，產(chǎn)水量的模擬多為流域尺度，需水量的模擬為行政區(qū)尺度，但是目前基于供需關(guān)系服務(wù)流的研究?jī)H局限在單一的流域尺度或行政區(qū)尺度，缺乏綜合考慮2個(gè)尺度之下的服務(wù)流流量差別[22-23]；(2)服務(wù)流路徑方面，目前大多數(shù)淡水供給服務(wù)流的研究集中在自然水源供給方面，供給服務(wù)的流動(dòng)路徑多是基于地形地貌的自然高度落差[21]，但實(shí)際上淡水供給服務(wù)最終要被人類(lèi)所利用，要經(jīng)過(guò)水廠、管道等人工處理和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，僅基于地形的水資源空間流動(dòng)不能全面地反映實(shí)際情況；(3)生態(tài)系統(tǒng)提供淡水供給服務(wù)時(shí)，不僅體現(xiàn)在水量供給方面，也體現(xiàn)在水質(zhì)調(diào)節(jié)上[17,24-25]，只有符合水質(zhì)使用標(biāo)準(zhǔn)的淡水才能真正為人類(lèi)所用，而目前在涉及淡水供給服務(wù)流的研究中，多數(shù)側(cè)重水量的供給和需求，但對(duì)于水質(zhì)情況的關(guān)注較少，水中的營(yíng)養(yǎng)鹽如何影響淡水供給服務(wù)的空間分布格局與流動(dòng)路徑[26]，仍需要進(jìn)一步研究。

綜合已有研究存在的問(wèn)題，筆者結(jié)合水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)，從自然狀態(tài)和供需平衡狀態(tài)2種不同的角度分別探究淡水供給服務(wù)的流動(dòng)路徑，綜合考慮自然生態(tài)過(guò)程與人類(lèi)社會(huì)過(guò)程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響。福建省漳州市平和縣近30 a來(lái)大力開(kāi)發(fā)蜜柚種植產(chǎn)業(yè)，2017年蜜柚種植面積達(dá)267 km2，超過(guò)總流域面積的1/4。而單一化過(guò)度發(fā)展蜜柚產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的水土污染問(wèn)題，出現(xiàn)水體硝酸鹽超標(biāo)等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用窈拖掠握闹輧纱笏畯S的飲用水安全，對(duì)于研究水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)淡水供給服務(wù)的影響具有典型性。該研究旨在結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間交互關(guān)系，并嘗試從自然狀態(tài)和供需平衡狀態(tài)分別探究淡水供給服務(wù)的流動(dòng)路徑，創(chuàng)新點(diǎn)在于探究水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)不同尺度的淡水供給服務(wù)供需分布格局與空間流動(dòng)的影響，對(duì)水質(zhì)型缺水問(wèn)題嚴(yán)重的閩東南地區(qū)流域的水資源調(diào)配與管理有一定的參考意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

花山溪流域位于福建省漳州市平和縣(24°11′～24°31′ N，117°05′～117°25′ E)(圖1)?；ㄉ较蔷琵埥飨笾Я髦唬l(fā)源于平和縣雙尖山，自北向南流經(jīng)霞寨鎮(zhèn)、國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)后折向東北，流經(jīng)坂仔鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)后往東北方向經(jīng)山格鎮(zhèn)，最終匯入九龍江西溪。花山溪全長(zhǎng)約88 km，平均坡降2.8‰[27]，流域面積約864 km2，流域總?cè)丝诩s20萬(wàn)人?；ㄉ较饔?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫約為20.9 ℃，降水量的年際變化較大，多年平均降水量為980～2 100 mm。植被覆蓋率較高，以亞熱帶常綠闊葉林為主。土壤以紅壤、赤紅壤、水稻土和黃壤為主。此外，流域內(nèi)土地利用以林地、園地、耕地為主，其中林地面積最大，占比為40.5%。

圖1 花山溪流域概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究選取的數(shù)據(jù)主要包括花山溪流域年降水量、年潛在蒸散量、土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等。其中年降水量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)合計(jì)10個(gè)站點(diǎn)2017年的年降水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；年潛在蒸散量數(shù)據(jù)從全球干旱與潛在蒸散數(shù)據(jù)庫(kù)(Global Aridity and PET Database)獲??；土壤屬性數(shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)；土地利用數(shù)據(jù)取自當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門(mén)，經(jīng)合并后分為9類(lèi)；DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)取自中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)；人口分布、GDP分布和NDVI取自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，各項(xiàng)用水指標(biāo)取自《2017年福建省水資源公報(bào)》。所有柵格數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣和裁剪處理，得到像元大小為30 m×30 m的研究區(qū)域范圍數(shù)據(jù)。

2 研究方法

研究構(gòu)建了一套適用于淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流定量評(píng)估與可視化制圖的研究方法框架，主要分為3個(gè)部分(圖2)：(1)收集和處理基礎(chǔ)自然地理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建GIS空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的產(chǎn)出和需求2個(gè)模塊入手，使用InVEST 模型和ArcGIS軟件進(jìn)行定量供需分析與空間制圖，并結(jié)合水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)量進(jìn)行情景分析，確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比與潛在服務(wù)流量；(3)結(jié)合地形地貌特征與社會(huì)供需特征，在子流域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)2種尺度下，分情況討論有/無(wú)水質(zhì)脅迫情景下的淡水供給服務(wù)空間流動(dòng)的方向與流量。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流定量評(píng)估與可視化方法框架

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量方法

2.1.1淡水供給服務(wù)

選用InVEST模型“Water Yield”子模塊對(duì)花山溪流域的淡水供給服務(wù)進(jìn)行定量制圖，其核心算法是基于水量平衡公式[28]。通過(guò)降水量、蒸散量的平衡，結(jié)合土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、植物可利用水、季節(jié)因子等影響下滲與蒸騰的因素，最終借由ArcGIS平臺(tái)，以柵格圖層的形式呈現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的產(chǎn)水量分布情況。

(1)

式(1)中，Yx為柵格單元x的年產(chǎn)水量，mm；Px為柵格單元x的年降水量，mm；Ax為柵格單元x的年實(shí)際蒸散量，mm。其中，Ax/Px采用傅抱璞[29]和ZHANG等[30]提出的Budyko水熱耦合平衡假設(shè)公式進(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)化：

(2)

式(2)中，Tx為柵格單元x的年潛在蒸散量，mm，與特定土地利用類(lèi)型的植被蒸散系數(shù)有關(guān)；ω為與自然氣候和土壤性質(zhì)相關(guān)的非物理參數(shù)。

2.1.2水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)

選用InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模塊對(duì)花山溪流域的水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)進(jìn)行定量制圖，水質(zhì)凈化模塊主要評(píng)估的是流域?qū)Φ?、?種營(yíng)養(yǎng)物的凈化能力。由于花山溪流域以農(nóng)業(yè)氮污染為主，評(píng)估結(jié)果以氮輸出量來(lái)表示，輸出到河流中的氮越多，表明流域受到的污染越嚴(yán)重，以此代表水質(zhì)脅迫對(duì)于淡水供給服務(wù)的影響。

地表徑流中的氮磷通過(guò)植被緩沖帶和土壤后，其中部分被植物吸收、微生物固定、硝化反硝化后截留。該模塊基于改進(jìn)后的輸出系數(shù)法，考慮了氮磷營(yíng)養(yǎng)物在輸移過(guò)程中的截留和沉積，其基本原理是先計(jì)算每一個(gè)像元的養(yǎng)分持留量，然后總結(jié)每一個(gè)流域的養(yǎng)分輸出和持留量。其主要公式為

Vx=Hx×lx。

(3)

Hx=λx/λw。

(4)

(5)

2.1.3部分模型參數(shù)列表

結(jié)合文獻(xiàn)[31-35]以及InVEST模型操作手冊(cè)，定量花山溪流域淡水供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)的生物物理屬性表，部分參數(shù)如表1所示。季節(jié)常數(shù)Z根據(jù)流域出水口流量進(jìn)行校正，取值3.01。匯流累積量閾值、地下徑流氮最大保留率和最大保留率下氮的輸送距離參考國(guó)內(nèi)相似地區(qū)研究成果以及模型使用手冊(cè)[36-39]，分別取值1 000、0.81、300。

表1 InVSET模型部分參數(shù)

2.2 用水量定量方法

鑒于InVEST模型在計(jì)算淡水供給量模塊時(shí)，根據(jù)土壤屬性數(shù)據(jù)和植物可利用水，已經(jīng)考慮了研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)用水的部分[40]，因此在定量花山溪流域淡水供給服務(wù)的需求與消費(fèi)時(shí)，將用水需求量定義為3個(gè)部分：

Wx=Dx+Gx+Ax。

(6)

式(6)中，Wx為柵格單元x的年用水需求量，m3；Dx為柵格單元x的居民生活用水年需求量，m3；Gx為柵格單元x的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水年需求量，m3；Ax為柵格單元x的農(nóng)田灌溉用水年需求量，m3。

根據(jù)彭建等[41]的方法，基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，計(jì)算淡水供給服務(wù)供需比(RESD)，將花山溪流域淡水供需情況進(jìn)行空間可視化。

(7)

式(7)中，S為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給；D為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求；Smax為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給最大值；Dmax為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求最大值。

2.3 服務(wù)流分析方法

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流動(dòng)分析主要包括流量和流向?；诘┙o量和用水需求量，計(jì)算各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元和子流域的淡水盈余量，由于盈余的淡水供給服務(wù)具有補(bǔ)充其他區(qū)域的潛在能力[42]，因此將柵格單元在原位的淡水供給量扣減原位用水需求量后剩余的淡水盈余量定義為潛在服務(wù)流流量。對(duì)于服務(wù)流的流動(dòng)路徑，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)的方法，分2類(lèi)討論：一類(lèi)是基于子流域高程的自然狀態(tài)服務(wù)流[21,43]，另一類(lèi)是基于各行政區(qū)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務(wù)流[20]。

2.3.1基于子流域尺度的自然狀態(tài)服務(wù)流

自然狀態(tài)服務(wù)流方向主要根據(jù)“D8算法”[44]，基于花山溪流域水系分布和DEM數(shù)字高程模型，淡水供給服務(wù)流從上游子流域流向下游子流域，代表了自然狀態(tài)下淡水供給服務(wù)在各個(gè)子流域間的流動(dòng)方向。

依照LI等[43]和QIN等[21]的方法，在自然狀態(tài)下，水系將上游子流域的淡水盈余量累加至下游子流域，此部分流量只考慮地形和重力作用下淡水供給服務(wù)流的流量情況，將其定義為累計(jì)盈余流量。

基于DEM數(shù)字高程模型的自然狀態(tài)服務(wù)流可以反映流域淡水資源在不受人類(lèi)活動(dòng)干擾下的流動(dòng)路徑，對(duì)于流域上下游地區(qū)的水資源自然調(diào)配有一定的研究意義。

2.3.2基于行政區(qū)尺度的供需平衡狀態(tài)服務(wù)流

供需平衡驅(qū)動(dòng)的服務(wù)流方向通過(guò)統(tǒng)計(jì)和比較各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的淡水盈余量，劃分相對(duì)供給區(qū)和相對(duì)受益區(qū)，動(dòng)態(tài)淡水供給服務(wù)流的方向由相對(duì)供給區(qū)流向相對(duì)需求區(qū)，可以代表在水資源供需平衡的驅(qū)動(dòng)下，人類(lèi)需水活動(dòng)對(duì)服務(wù)流方向的影響。供需平衡狀態(tài)下基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)間淡水供給服務(wù)流的方向，由鄉(xiāng)鎮(zhèn)間潛在服務(wù)流量相對(duì)大小決定。

將相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元的潛在服務(wù)流量作差，參考水資源供需平衡相關(guān)研究[45-46]，將潛在服務(wù)流量差值的1/2定義為這2個(gè)相鄰區(qū)域間的動(dòng)態(tài)服務(wù)流量?；诟鬣l(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務(wù)流可以反映流域淡水資源在人類(lèi)需水活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)區(qū)域調(diào)水的形式在行政區(qū)間的流動(dòng)，以達(dá)到各地區(qū)水資源供需平衡的結(jié)果，是一種基于結(jié)果假設(shè)的服務(wù)流，對(duì)于跨區(qū)域調(diào)水有一定的借鑒作用。

2.4 水質(zhì)脅迫情景分析方法

根據(jù)HUANG等[47]對(duì)于九龍江流域的研究，流域土地利用變化會(huì)影響流域局部與整體的氮輸出與氮負(fù)荷，水質(zhì)氮指標(biāo)超標(biāo)將嚴(yán)重影響淡水可利用率，即導(dǎo)致水質(zhì)型缺水問(wèn)題。因此，可以認(rèn)為水質(zhì)脅迫對(duì)于水資源供給是一種削減作用。采用情景分析的方法，基于InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模塊模擬的流域氮輸出圖層，以流域像素單元的氮輸出量代表水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)的高低。假設(shè)水質(zhì)脅迫的情景對(duì)于流域淡水供給量有削減作用，按氮輸出量從高到低依次重分類(lèi)，賦值為0.1～0.9。基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，將水質(zhì)權(quán)重賦予InVEST模型生成的產(chǎn)水分布柵格圖，探究水質(zhì)脅迫對(duì)淡水供給服務(wù)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 淡水供給服務(wù)供需分析

按照2.1和2.2節(jié)中的方法，定量并可視化淡水供給量與用水需求量，并計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比，繪制2017年花山溪流域淡水供給服務(wù)量和淡水供給服務(wù)供需比分布圖(圖3)。

圖3 花山溪流域淡水供給服務(wù)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比分布

花山溪流域2017年淡水供給服務(wù)總量約為6.13×108m3，用水需求總量約為1.52×108m3，產(chǎn)水量整體較高，其中產(chǎn)水量高值區(qū)集中在霞寨鎮(zhèn)與山格鎮(zhèn)。從淡水供需平衡的角度，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比在大部分地區(qū)呈現(xiàn)較高的正值，說(shuō)明淡水資源可以實(shí)現(xiàn)原位的自給自足，負(fù)值區(qū)主要集中在需水量較大的耕地。

3.2 水質(zhì)脅迫情景分析

按照2.4節(jié)中的方法，定量并可視化氮輸出量，并計(jì)算水質(zhì)脅迫削減比，繪制2017年花山溪流域的氮輸出量和水質(zhì)脅迫削減比分布圖(圖4)。

圖4 花山溪流域氮輸出量和水質(zhì)脅迫削減比分布

花山溪流域2017年氮輸出總量約為2.69×105kg，氮輸出高值區(qū)主要分布于霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)和坂仔鎮(zhèn)。較高的氮輸出值說(shuō)明水質(zhì)污染嚴(yán)重，對(duì)于淡水供給服務(wù)會(huì)有一定的削減作用。水質(zhì)脅迫導(dǎo)致的淡水供給服務(wù)削減主要集中于園地，說(shuō)明當(dāng)?shù)孛坭止麍@種植對(duì)于水資源的影響嚴(yán)重。

3.3 潛在淡水供給服務(wù)流

3.3.1潛在服務(wù)流量的空間布局

按照2.3節(jié)中的方法，定量可視化有/無(wú)水質(zhì)脅迫情景下的潛在服務(wù)流量，繪制了2017年花山溪流域潛在淡水供給服務(wù)流量分布柵格圖(圖5)。

圖5 花山溪流域在有/無(wú)水質(zhì)協(xié)迫下的淡水供給服務(wù)流分布

在無(wú)水質(zhì)脅迫情景下，花山溪流域2017年潛在服務(wù)流量約為4.63×108m3，流域內(nèi)大部分區(qū)域處于較高水平，以耕地為代表的部分區(qū)域出現(xiàn)負(fù)值。在水質(zhì)脅迫情景下，花山溪流域整體的潛在服務(wù)流量受到了削減，降低為9.86×107m3，其中低流量區(qū)域受到更大的影響。

3.3.2潛在服務(wù)流量：子流域統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為探究淡水供給服務(wù)在自然地形的高度差驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)情況，計(jì)算區(qū)域淡水盈余總量，進(jìn)一步分析了各子流域的潛在服務(wù)流量(圖6)。

圖6 花山溪流域不同子流域在有/無(wú)水質(zhì)協(xié)迫下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流

在不考慮水質(zhì)脅迫的情景下，潛在服務(wù)流量最大和最小的子流域分別是鐘騰溪流域(1.33×108m3)，山格溪流域(4.9×107m3)，其余子流域的潛在服務(wù)流量從5.29×107到8.59×107m3不等。

在水質(zhì)脅迫的情景下，各子流域的潛在服務(wù)流量均受到不同程度削減，潛在服務(wù)流量最大和最小的子流域分別是鐘騰溪流域(2.84×107m3)和山格溪流域(5.70×106m3)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務(wù)流量從8.79×106到2.15×107m3不等。

3.3.3潛在服務(wù)流量:鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為探究淡水供給服務(wù)在區(qū)域間水資源供需平衡驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)情況，計(jì)算區(qū)域淡水盈余總量，進(jìn)一步分析了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元的潛在服務(wù)流量，結(jié)果如圖7所示。

圖7 花山溪流域不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)在有/無(wú)水質(zhì)脅迫下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流Fig.7 Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different township with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed

在不考慮水質(zhì)脅迫的情景下，潛在服務(wù)流量最大和最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別是霞寨鎮(zhèn)8.97×107m3，南勝鎮(zhèn)4.43×107m3，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務(wù)流量從7.50×107到8.62×107m3不等。

在水質(zhì)脅迫的情景下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的潛在服務(wù)流量均受到不同程度削減，潛在服務(wù)流量最大和最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別是國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)(2.46×107m3)和南勝鎮(zhèn)(7.76×106m3)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務(wù)流量從7.77×106到2.34×107m3不等。

3.4 基于子流域尺度的自然狀態(tài)服務(wù)流

按照2.3.1節(jié)中的方法，定量可視化花山溪流域基于地形水系的自然狀態(tài)服務(wù)流方向與各子流域累積盈余量分布圖(圖8)。

圖中數(shù)據(jù)為累計(jì)盈余量，單位為m3。

自然狀態(tài)下，花山溪流域的淡水供給服務(wù)流方向與河流方向一致，由上游子流域流向下游子流域，流動(dòng)方向不受區(qū)域淡水供需情況以及水質(zhì)脅迫的影響。上游地區(qū)的鐘騰溪子流域是最主要的供給區(qū)，同時(shí)高磜溪、牛頭溪和南勝溪子流域由于地勢(shì)原因，河流匯入下游地區(qū)，因此也屬于供給區(qū)。坂仔溪和山格溪子流域位于花山溪流域下游平原地區(qū)，接受上游地區(qū)的淡水供給，是主要的受益區(qū)。從累計(jì)盈余流量的角度，花山溪流域的水質(zhì)脅迫對(duì)各個(gè)子流域的流量都產(chǎn)生了明顯的削減作用，最終匯入下游山格溪流域的累計(jì)盈余流量從4.59×108削減為9.9×107m3，削減約78.4%。

3.5 基于行政區(qū)尺度的供需平衡狀態(tài)服務(wù)流

為探究各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在達(dá)到水資源供需平衡的假設(shè)狀態(tài)下，淡水供給服務(wù)的空間流動(dòng)路徑，按照2.3.2節(jié)中方法，定量可視化花山溪流域淡水供給服務(wù)流方向與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的動(dòng)態(tài)服務(wù)流量柱狀圖，如圖9～10所示。為更直觀展示流量大小，將所有流量排序后，按照大小將前40%和后30%分別定義為大流量和小流量，其余定義為中流量。

如圖9所示，基于淡水供需情況，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供給服務(wù)流在不考慮水質(zhì)脅迫影響的情況下，多以小流量為主，服務(wù)流量總量約4.63×107m3。服務(wù)流方向按流量從大到小依次為坂仔鎮(zhèn)→南勝鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)、坂仔鎮(zhèn)→國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)、霞寨鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、山格鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→坂仔鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→山格鎮(zhèn)。霞寨鎮(zhèn)是主要的供給區(qū)，國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)和小溪鎮(zhèn)是主要的受益區(qū)。

在水質(zhì)脅迫的情景下，基于淡水供需情況的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供給服務(wù)流在流量大小和流動(dòng)方向上發(fā)生了較大改變，服務(wù)流量總量約4.02×107m3。區(qū)域間大流量、中流量服務(wù)流增多，反映水質(zhì)脅迫加劇了鄉(xiāng)鎮(zhèn)間水資源的供需差異。服務(wù)流方向按流量從大到小依次為國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)→霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→南勝鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、山格鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→山格鎮(zhèn)、國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)→坂仔鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→坂仔鎮(zhèn)。水質(zhì)脅迫的情景使得花山溪流域淡水供給服務(wù)的供給區(qū)和受益區(qū)發(fā)生了改變，國(guó)強(qiáng)鄉(xiāng)和小溪鎮(zhèn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕墓┙o區(qū)，霞寨鎮(zhèn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕氖芤鎱^(qū)。

圖9 花山溪流域在有/無(wú)水質(zhì)脅迫下的淡水供給服務(wù)流方向

4 討論

4.1 淡水供給服務(wù)的定量與空間流動(dòng)

供需定量方面，研究估算2017年花山溪流域淡水供給服務(wù)總量約為6.13×108m3，平均產(chǎn)水量約為67.7 m3·km-2，與其他研究中估算的福建省產(chǎn)水量相比偏高[48-49]，原因在于花山溪流域位于福建省南部，降水量高于福建省平均水平[49]。用水需求總量約為1.52×108m3，全流域潛在服務(wù)流量約為4.61×108m3，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比<0的地區(qū)主要集中在耕地區(qū)，符合花山溪流域以農(nóng)業(yè)灌溉用水為主的特征。

流動(dòng)分析方面，基于子流域高程的自然狀態(tài)服務(wù)流路徑與陳登帥等[20]運(yùn)用SWAT模型在延河流域的淡水資源供需分析以及張欣蓉等[50]對(duì)喀斯特地貌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的研究結(jié)果一致，以水系為流動(dòng)路徑，這與QIN等[21]與LI[43]等在京津冀地區(qū)以及山東—河南地區(qū)的淡水供給服務(wù)流的研究結(jié)果(以像元形式呈現(xiàn)的流動(dòng))有所不同，但可以更直觀地體現(xiàn)水資源在流域間的流動(dòng)過(guò)程?；诠┬杵胶鉅顟B(tài)服務(wù)流與各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源供需情況有關(guān)，孫雪萍[40]在張承地區(qū)的淡水供給服務(wù)流研究中，綜合考慮了各個(gè)行政區(qū)的水資源供需情況，由于張承地區(qū)位于我國(guó)東北部，存在有典型的淡水資源無(wú)法自給自足的受益區(qū)，供給區(qū)和受益區(qū)劃分明顯。從水量角度，花山溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都能實(shí)現(xiàn)供水自足，因此筆者在定義服務(wù)流量時(shí)以區(qū)域間淡水資源的差值來(lái)劃分相對(duì)供給區(qū)和受益區(qū)，對(duì)于水資源總量充沛，但存在水質(zhì)型缺水問(wèn)題地區(qū)的淡水供給服務(wù)空間流動(dòng)研究有一定的參考價(jià)值。

圖10 花山溪流域在有/無(wú)水質(zhì)脅迫下的動(dòng)態(tài)服務(wù)流量-服務(wù)流方向

研究尺度方面，采用子流域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)2種不同尺度，子流域尺度下的累計(jì)盈余流量高于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度下的動(dòng)態(tài)服務(wù)流量，同時(shí)氮污染對(duì)服務(wù)流的削減幅度也更大。其原因在于子流域尺度的自然狀態(tài)服務(wù)流是水量從上游往下游的疊加，水質(zhì)的影響是對(duì)水量的直接削減，流動(dòng)方向不發(fā)生改變。而鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的供需平衡狀態(tài)服務(wù)流是基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)間水資源供需的差異，總流量和削減比可能較子流域尺度偏低。因此在區(qū)域水資源管理與調(diào)配中需要結(jié)合流域過(guò)程和社會(huì)供需情況綜合考慮2種尺度。

4.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)淡水供給服務(wù)的影響

衡量水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)于淡水供給服務(wù)的影響主要是利用氮輸出對(duì)淡水資源可利用性的削減，2017年花山溪流域的氮輸出對(duì)于產(chǎn)水量的平均削減率約為59.14%。從基于地形的自然狀態(tài)服務(wù)流角度，水質(zhì)脅迫對(duì)下游山格溪子流域累計(jì)盈余流量的削減率約為78.43%。從基于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務(wù)流角度，水質(zhì)脅迫對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)間動(dòng)態(tài)服務(wù)流總量削減率約13.17%，同時(shí)水質(zhì)脅迫情景下，淡水供給服務(wù)的流動(dòng)方向也發(fā)生了變化，相對(duì)供給區(qū)和相對(duì)受益區(qū)有所改變。

已有研究表明，土地利用等人類(lèi)活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)河流氮輸出空間變異性的主要因子[51-52]，城市化擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)加劇河流氮的污染程度[53]。相似研究中關(guān)于水質(zhì)對(duì)于產(chǎn)水量的影響通過(guò)不同尺度下的相關(guān)系數(shù)判定協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系[54-56]。潘翔[39]在評(píng)估河湟地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)交互關(guān)系時(shí)，計(jì)算出淡水供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)有37.04%的縣區(qū)呈正相關(guān)，9.26%的縣區(qū)呈負(fù)相關(guān)，然而結(jié)果無(wú)法以地圖形式定量描繪水質(zhì)對(duì)于水量的影響。該研究側(cè)重定量描述水質(zhì)對(duì)于淡水供給的削減，創(chuàng)新使用水質(zhì)賦權(quán)的方法，將服務(wù)間交互關(guān)系以空間可視化的形式呈現(xiàn)。

4.3 流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響因素

為探究花山溪流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局的主要影響因素，以產(chǎn)水量和氮輸出量為代表，計(jì)算淡水供給服務(wù)、水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)與降水、NDVI、坡度等自然因素以及土地利用類(lèi)型占比等人類(lèi)活動(dòng)因素的相關(guān)性[37,39](圖11)。

圖11 花山溪流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響因素的相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析結(jié)果可得，產(chǎn)水量與降水顯著正相關(guān)(r=0.95，P<0.05)，與NDVI極顯著正相關(guān)(r=0.93,P<0.01)。這與YANG等[57]和JIANG等[58]通過(guò)敏感性分析方法研究流域產(chǎn)水量影響因素的結(jié)果一致，說(shuō)明降水量是流域淡水供給服務(wù)的主要驅(qū)動(dòng)力，植被覆蓋是通過(guò)改變下墊面特征和蒸散發(fā)調(diào)節(jié)來(lái)改變產(chǎn)水量[59]。需水量與NDVI顯著正相關(guān)(r=0.85,P<0.05)，與耕地面積極顯著正相關(guān)(r=0.97,P<0.01)?；ㄉ较盟枨罅恐饕筛孛娣e決定，符合當(dāng)?shù)匾赞r(nóng)業(yè)用水灌溉為主的特點(diǎn)[60]。氮輸出量與園地面積顯著正相關(guān)(r=0.82,P<0.05)，與林地面積顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.83,P<0.05)。水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)影響因素的分析結(jié)果驗(yàn)證了花山溪流域由于大規(guī)模蜜柚種植業(yè)引發(fā)水環(huán)境污染的現(xiàn)狀[60-61]，也說(shuō)明林地對(duì)于氮營(yíng)養(yǎng)鹽有一定的緩沖和吸附作用[62-64]，與韓蕊等[65]在川東地區(qū)以及孟浩斌等[66]在三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)影響因素的研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

基于InVEST模型，評(píng)估了花山溪流域2017年淡水供給量、用水需求量和氮輸出量空間分布情況，使用情景分析的方法，以氮為例討論了有/無(wú)水質(zhì)脅迫情景下子流域尺度以及供需平衡狀態(tài)下鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的淡水供給服務(wù)的空間流動(dòng)，主要定量研究結(jié)果如下：

(1)子流域尺度基于地形高程的自然狀態(tài)服務(wù)流最終匯入位于下游的山格溪子流域，累計(jì)盈余流量4.59×108m3，在水質(zhì)脅迫的情景下削減為9.9×107m3，削減率為78.43%，流動(dòng)方向由地形水系決定，不受水質(zhì)的影響。對(duì)于流域上下游地區(qū)的水資源自然調(diào)配有一定參考價(jià)值。

(2)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度基于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務(wù)流總量約4.63×107m3，在水質(zhì)脅迫情景下約4.02×107m3，削減率為13.17%，水質(zhì)脅迫使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)間動(dòng)態(tài)服務(wù)流量增大，加劇區(qū)域供需差異，同時(shí)改變了淡水供給服務(wù)流方向，在水質(zhì)影響下霞寨鎮(zhèn)從相對(duì)供給區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)受益區(qū)。區(qū)域間水資源管理和調(diào)配需要綜合考慮水質(zhì)和水量。

(3)花山溪流域的淡水供給服務(wù)與降水量和NDVI顯著正相關(guān)，用水需求量主要受耕地面積影響，水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)與園地面積顯著負(fù)相關(guān)，與林地面積顯著正相關(guān)，說(shuō)明花山溪流域的綜合整治需要重點(diǎn)管控果園面積和化肥施用，推廣天然林地的種植與保護(hù)。