基于InVEST 模型的迪慶州水源涵養(yǎng)量時(shí)空演變分析

張雨果,魏曉燕,寇衛(wèi)利*，張永林

（1.西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明 650224；2.云南省測(cè)繪資料檔案館（云南省基礎(chǔ)地理信息中心），云南 昆明 650034）

引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)向人類(lèi)提供生存、發(fā)展的基本自然環(huán)境條件與效用，人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的資源皆來(lái)源于生態(tài)系統(tǒng)[1]，水源涵養(yǎng)在各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中處于重要的中心地位，對(duì)其他生態(tài)服務(wù)功能都會(huì)產(chǎn)生巨大影響。國(guó)際上，諸多研究人員基于InVEST 模型對(duì)不同氣象條件、不同地區(qū)、不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能量進(jìn)行估算和可用性驗(yàn)證方面獲得了許多成功的應(yīng)用研究[2-5]，如韓國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能量估測(cè)、尼羅河流域盆地的不同部分的產(chǎn)水能力分析、在人口增長(zhǎng)劇烈萬(wàn)隆市的水源涵養(yǎng)功能量評(píng)估以及其在英國(guó)的可用性研究。在國(guó)內(nèi)，也有許多學(xué)者基于許多國(guó)外的研究成果，對(duì)InVEST 模型也進(jìn)行了許多應(yīng)用研究，如陜北黃土高原10 年間的水源涵養(yǎng)功能量、15 年間江蘇的水源涵養(yǎng)量及其主要影響因素、岷江上游水源涵養(yǎng)功能量以及價(jià)值以及20 年間黃河流域產(chǎn)水量時(shí)空變化格局。基于此，本研究利用InVEST 模型，以位于青藏高原和云貴高原過(guò)渡地區(qū)的迪慶州為研究對(duì)象，估算其水源涵養(yǎng)功能量，并且分析討論氣候變化、土地利用類(lèi)型變化對(duì)水源涵養(yǎng)功能量的影響，為保護(hù)我國(guó)西南地區(qū)高原水資源安全提供建議。

1 研究區(qū)概況

迪慶州位于云南西北部（97°31′～106°11′E,21°8′～29°15′N(xiāo)），下轄維西縣、德欽縣和香格里拉市，是藏、川、滇三省結(jié)合處，作為青藏高原向云貴高原的過(guò)渡帶，地形地貌極為特殊，包含兩大高原地形特征；其高程范圍在1 413～6 633 m 之間，地勢(shì)呈北高南低，海拔高差達(dá)5 220 m，氣候條件差異顯著，降水量分布極度不均；研究區(qū)是一個(gè)典型的高原生態(tài)敏感脆弱區(qū)，其土地利用類(lèi)型呈垂直方向分布，由高海拔至低海拔依次為未利用地、草地、森林、農(nóng)田、水域、建設(shè)用地；瀾滄江、金沙江等多條亞洲重要河流流經(jīng)該地區(qū)，迪慶州是長(zhǎng)江上游水資源安全的重要生態(tài)保護(hù)屏障。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要包括2000-2018 年的土地利用/土地覆蓋、降水量、潛在蒸散量。具體原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1，坐標(biāo)系統(tǒng)一設(shè)置為CGCS2000 投影坐標(biāo)系，并對(duì)原始數(shù)據(jù)鏡像統(tǒng)一重采樣為30 m。

表1 數(shù)據(jù)類(lèi)型及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.2 研究方法

2.2.1 InVEST 模型

InVEST 模型由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（TNC，The Nature Conservancy） 與世界自然基金會(huì)（WWF，World Wide Fund for Nature）在2007 年聯(lián)合開(kāi)發(fā)。通過(guò)地形系數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率以及流速系數(shù)對(duì)產(chǎn)水量進(jìn)行修正獲得水源涵養(yǎng)量，計(jì)算方法如式（1）-（2）所示。

式中：WR 為研究區(qū)的水源涵養(yǎng)功能量（mm），K 為土壤飽和導(dǎo)水率（mm/d），利用Neuro Theta 軟件計(jì)算獲得；Velocity 為流速系數(shù)；TI 為地形指數(shù)。具體計(jì)算公式（2），其中Drainage_Area 為研究區(qū)柵格數(shù)量，無(wú)量綱；Soli_Depth 為土壤深度（mm）；Percent_Slope 為百分比坡度；Y(x)為利用InVEST 模型Water Yield模塊計(jì)算的產(chǎn)水量結(jié)果。

2.2.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣是一種研究分析土地利用轉(zhuǎn)出面積和轉(zhuǎn)入面積的系統(tǒng)分析學(xué)方法，能夠?qū)μ囟〞r(shí)間內(nèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變方向和程度進(jìn)行描述，表達(dá)式見(jiàn)式（3）

式中：M 為土地面積；n 為土地利用類(lèi)型數(shù)量；a，b 分別為研究周期內(nèi)開(kāi)始和結(jié)束的土地利用類(lèi)型。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)時(shí)空分布特征

通過(guò)對(duì)InVEST 模型所獲得的產(chǎn)水量結(jié)果進(jìn)行修正得到研究區(qū)內(nèi)2000-2018 年水源涵養(yǎng)功能量，2000年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)量為120.69 mm、26.70×109m3，2005 年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)量為88.28 mm、19.60×109m3，2010 年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)量為101.8 mm、22.54×109m3，2015年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)量為59.98 mm、13.28×109m3，2018 年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)量為85.48 mm、18.93×109m3。迪慶州近20 年來(lái)，年平均水源涵養(yǎng)深度和年度涵養(yǎng)總量波動(dòng)幅大較大，結(jié)果顯示波動(dòng)幅度分別為-26.59%、14.97%、-41.06%、42.52%，總體而言該地區(qū)年度涵養(yǎng)總量呈下降趨勢(shì)。

如圖1 所示迪慶州水源涵養(yǎng)的空間分布情況，可明顯看到水源涵養(yǎng)功能量的空間分布格局差異較大，水源涵養(yǎng)深度較高的單元格主要集中分布于西南部海拔相對(duì)較低的瀾滄江峽谷，北部、東北部則以水源涵養(yǎng)深度較低的柵格單元為主。這就導(dǎo)致研究區(qū)水源涵養(yǎng)深度空間格局呈現(xiàn)出自西南向東北逐漸降低分布特點(diǎn)，并且這種空間分布格局在不同的年份都具有較好的一致性。

圖1 迪慶州水源涵養(yǎng)深度空間分布

3.2 氣象因素對(duì)水源涵養(yǎng)量的影響

由于InVEST 模型評(píng)估的產(chǎn)水深度的方法實(shí)質(zhì)上是每個(gè)柵格單元的年均降水量與實(shí)際蒸散量的差值，產(chǎn)水量通過(guò)修正后獲得水源涵養(yǎng)量，這就使氣象因素對(duì)水源涵養(yǎng)功能量的影響較大。研究區(qū)內(nèi)2000-2018 年間年降水量與水源涵養(yǎng)深度類(lèi)似，具體表現(xiàn)為西南高、東北低的趨勢(shì)，總體而言呈下降趨勢(shì)。以2000 年為基準(zhǔn)，瀾滄江流域降水量為整個(gè)研究區(qū)最高。2000-2005 降水量相對(duì)下降10.88%，2005-2010 降水量相對(duì)增加6.39%，2010-2015 降水量相對(duì)下降17.02%，2015-2018 降水量相對(duì)增長(zhǎng)11.2%，雖然近20 年以來(lái)迪慶州降水量波動(dòng)幅度較大，但是整體的空間分布格局特性變化不大。

近20 年間研究區(qū)受到多種因素的影響下年蒸散量不斷變化，總體而言呈上升趨勢(shì)。以2000 年為基準(zhǔn)年蒸散量較高柵格單元主要集中城鎮(zhèn)、河流附近，伴隨著時(shí)間的發(fā)展，2000-2005 年研究區(qū)內(nèi)平均蒸散量相對(duì)增加22.7%，其中大型流域和人口較多的城鎮(zhèn)增加尤其明顯；2005-2010 蒸發(fā)量相對(duì)減少3.58%，空間分布格局變化相對(duì)前一期并不明顯；2010-2015 蒸發(fā)量相對(duì)增加26.65%，達(dá)到了五期數(shù)據(jù)的峰值，整個(gè)瀾滄江流域都出現(xiàn)了明顯增加；2015-2018 蒸發(fā)量相對(duì)減少18.7%，恢復(fù)到了相較于2005 年更低水平。

3.3 不同土地利用類(lèi)型的水源涵養(yǎng)能力

本研究參考劉紀(jì)遠(yuǎn)將中國(guó)土地利用類(lèi)型分為6個(gè)大類(lèi)，也將迪慶州的土地利用類(lèi)型分為6 個(gè)大類(lèi)，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。

由于土地利用類(lèi)型的不同，導(dǎo)致土壤含水量、凋落物持水能力、蒸發(fā)能力及冠層截留水量均存在差異，所以不同土地利用類(lèi)型水源涵養(yǎng)能力不同。表2 分別統(tǒng)計(jì)了迪慶州不同土地利用類(lèi)型下水源涵養(yǎng)深度的差異，2000-2018 年水源涵養(yǎng)平均深度由高到低依次為林地、草地、耕地、未利用地、建設(shè)用地、水域。迪慶州屬于濕潤(rùn)區(qū)，該地區(qū)的森林受到氣候變化較為敏感，林地主要由喬木、灌木組成，根系較深，能在降雨量較大的季節(jié)更好地涵養(yǎng)土壤中的水源，減少地表徑流。草地作為研究區(qū)內(nèi)面積僅次于林地的土地覆蓋類(lèi)型，在降水量較低的年份憑借其自身特性能夠減少水分的蒸發(fā)；耕地的水源涵養(yǎng)深度屬于較高水平，但是耕地的水源涵養(yǎng)深度相較于其余土地利用類(lèi)型受人為因素變化程度較大。

表2 迪慶州不同土地利用類(lèi)型平均水源涵養(yǎng)深度（單位mm）

根據(jù)表3 所示研究區(qū)內(nèi)林地的面積最大，其次為草地、未利用地、耕地、水域、建設(shè)用地。其中林地、草地、水域和建設(shè)面積均有不同程度地增加，而耕地和未利用地卻出現(xiàn)了不同程度的減少。城市周?chē)牟糠指刂饾u轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，其中離城市距離較近的耕地逐漸轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，部分耕地則通過(guò)退耕還林工程轉(zhuǎn)化為林地，這種轉(zhuǎn)變?cè)谙愀窭锢袇^(qū)最明顯。其中高質(zhì)量林地成為林地面積增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?，而疏林地面積卻大幅度減少。研究區(qū)內(nèi)部分高山積雪融化之后，裸露出的土地發(fā)展成為草甸，隨著時(shí)間的推移，草甸演變?yōu)楣嗄?，這也導(dǎo)致灌木林、草地的面積不同程度地增加。總體而言，迪慶州土地利用類(lèi)型逐步有利于增加水源涵養(yǎng)功能量方向發(fā)展，但由于受氣象條件的限制并未出現(xiàn)水源涵養(yǎng)逐年遞增的趨勢(shì)。

表3 迪慶州土地利用變化矩陣

4 結(jié)論

本研究定量評(píng)價(jià)了迪慶州2000-2018 年生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力，得到以下結(jié)論：（1） 在空間角度來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)功能與降水量分布格局相似，均呈現(xiàn)出西南部向東北部逐漸遞減趨勢(shì)。（2） 從時(shí)間角度來(lái)看，迪慶州水源涵養(yǎng)量處于連續(xù)波動(dòng)的狀態(tài)，其波動(dòng)狀態(tài)與降水量的變化情況類(lèi)似。（3） 從土地利用類(lèi)型因素角度來(lái)看，該地區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度具體表現(xiàn)為林地＞草地＞耕地＞未利用地＞水域＞建設(shè)用地。（4） 從2000 年～2018 年的土地利用轉(zhuǎn)移類(lèi)型來(lái)看，研究區(qū)土地利用類(lèi)型向有利增強(qiáng)水源涵養(yǎng)的方向發(fā)展，但是受到降水因素的影響研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力并未出現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)。