基于柵格尺度下喀斯特專性植物海南鳳仙花生境水資源脆弱性時(shí)空分異變化

黃蔚霞, 孟新亞, 鐘云芳, 張金玲, 宋希強(qiáng),*

基于柵格尺度下喀斯特專性植物海南鳳仙花生境水資源脆弱性時(shí)空分異變化

黃蔚霞1,2, 孟新亞2, 鐘云芳2, 張金玲2, 宋希強(qiáng)2,*

1. 塔里木大學(xué)園藝與林學(xué)學(xué)院, 阿拉爾 843300 2. 海南大學(xué)熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海南大學(xué)林學(xué)院, ?？?570228

頻繁的干濕交替導(dǎo)致熱帶雨林喀斯特地貌的水分脈動(dòng)特征顯著, 地帶性本底環(huán)境呈現(xiàn)強(qiáng)烈的脆弱性和異質(zhì)性。研究喀斯特植物生境的水資源脆弱性特征, 有助于理解當(dāng)?shù)刂参飳?duì)熱帶喀斯特生境的適應(yīng)機(jī)制, 為植物的生態(tài)恢復(fù)和種質(zhì)資源保護(hù)提供理論依據(jù)。以海南島喀斯特專性植物海南鳳仙花()生境的自然環(huán)境柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 運(yùn)用RS和GIS技術(shù)構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 結(jié)合綜合指數(shù)法分析海南鳳仙花生境的水資源脆弱性時(shí)空分異特征。研究結(jié)果表明, 2003—2018年, 海南鳳仙花生境的水資源脆弱性以自然脆弱性為主, 自然脆弱性波動(dòng)與降水等自然因素密切相關(guān)。極度脆弱和重度脆弱區(qū)面積比例較大; 中度脆弱和輕度脆弱區(qū)面積比例較小。基于綜合指數(shù)法的海南鳳仙花生境水資源脆弱性在0.6612—0.7532之間, 基于GIS與RS的水資源脆弱性在0.6624—1之間, 海南鳳仙花生境處于水資源脆弱性的高值區(qū)。受干濕季熱帶雨林喀斯特地貌水分特征的影響, 海南鳳仙花生境水資源脆弱性時(shí)空變異性較強(qiáng), 區(qū)域分異程度明顯, 可利用其水分特征變化對(duì)海南鳳仙花生境進(jìn)行水土流失的及時(shí)阻控, 保護(hù)海南鳳仙花的生態(tài)環(huán)境和種質(zhì)資源。

喀斯特; 水資源脆弱性; 綜合指數(shù)法; GIS; 海南鳳仙花生境

0 前言

隨著全球氣候變化的影響, 降水的時(shí)空分布也不斷發(fā)生改變, 全球環(huán)境都面臨著水資源的安全問題[1–2]。人類活動(dòng)的頻繁干預(yù), 不斷被破壞的水分環(huán)境, 持續(xù)的氣候變化, 這些綜合因素導(dǎo)致水資源呈現(xiàn)嚴(yán)重脆弱性[3]。1996年IPCC首次提出水資源脆弱性主要表現(xiàn)為氣候變化對(duì)水資源系統(tǒng)造成的傷害程度, 將水資源脆弱性與氣候變化聯(lián)系起來[4]。水資源逐漸成為影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因子, 水資源脆弱性的相關(guān)研究也成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。

近年來, 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水資源脆弱性的研究主要集中在氣候影響下的水資源脆弱性變化。水資源脆弱性不僅包含水資源系統(tǒng)在自然變化條件下的敏感性, 還包括氣候變化導(dǎo)致的水資源系統(tǒng)脆弱性特征變化[6]。Daniel[7]和Kovshar[8]通過對(duì)水分特征等方面的分析, 對(duì)干旱荒漠環(huán)境下的生態(tài)脆弱性問題進(jìn)行了相關(guān)研究。脆弱性評(píng)價(jià)的研究除了利用綜合指數(shù)法[9]、主成分分析法[10]、AHP分析法[11]等方法之外, 部分學(xué)者還運(yùn)用 EPIK 法[12]、灰色關(guān)聯(lián)法和物元分析法[13]相結(jié)合對(duì)水資源脆弱性進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, GIS等技術(shù)也用于對(duì)水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)[14]。大部分學(xué)者對(duì)喀斯特地區(qū)的水資源脆弱性研究主要采用GIS與 REKST 模型[15]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]、DPASTIC 模型[17]、DPSIR 模型[18]等方法, 這些方法與各種環(huán)境因素相結(jié)合在對(duì)植物生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方面得到了廣泛運(yùn)用。

海南鳳仙花()為鳳仙花屬多年生草本植物, 是海南省級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物、喀斯特專性特有種, 主要分布于海拔190—1300m的喀斯特?zé)釒降赜炅种? 多見于裸露的石灰?guī)r縫隙[19]。海南鳳仙花群落以低矮灌叢為主, 且分布較稀疏, 種類較少, 分布具有明顯的狹域性和地域性[20], 屬于典型的極小種群[21–22]。經(jīng)常形成密閉的石隙微生境, 并通過石隙微生境的光照、水分等環(huán)境因子, 限制自身的更新與定居[19]。近年來, 海南鳳仙花的野外種群數(shù)量和分布范圍日益減少, 不合理的人類活動(dòng)及生境條件的嚴(yán)格限制嚴(yán)重影響了海南鳳仙花生境的暴露性、敏感性及脆弱性, 生境水資源環(huán)境問題日趨突出[22], 海南鳳仙花的生存發(fā)展面臨嚴(yán)峻威脅。因此, 本研究基于綜合指數(shù)法, 結(jié)合GIS及RS技術(shù), 建立海南鳳仙花生境水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系, 分析水分限制因子差異影響下海南鳳仙花生境的水資源脆弱性時(shí)空分異變化, 對(duì)海南鳳仙花生境的水資源脆弱性進(jìn)行定量評(píng)價(jià), 同時(shí)也為其植物資源保護(hù)及生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于海南島西南部山區(qū), 昌江縣霸王嶺皇帝洞(18°57′—19°11′ N, 109°03′—109°17′ E)、俄賢嶺王下地區(qū)(18°56′—19°03′ N, 109°00′—109°09′ E)及東方市獼猴嶺(18°90′—19°13′ N, 108°88′—109°11′ E) (圖1), 為典型的熱帶雨林喀斯特地貌, 屬熱帶季風(fēng)氣候, 一般每年的11月至翌年4月為干季, 最冷月平均氣溫18.0 ℃; 每年5—10月為濕季, 最熱月均溫27.8 ℃, 多年平均年降水量1657 mm, 降水量主要集中在7—10月份。研究區(qū)地質(zhì)以石灰?guī)r為主, 間有變質(zhì)巖和沉積巖[23]。土壤為黑色或棕色石灰土, 表土分布不均, 基巖廣泛出露, 坡度較陡, ≥28° 的坡面占63%, 部分坡地平均裸露率大多超過70%, 土層較薄, 植被退化較嚴(yán)重, 森林覆蓋率較低[23]。

圖1 海南鳳仙花樣地分布

Figure 1 Distribution ofin Hainan Island

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取的海南鳳仙花生境水資源環(huán)境指標(biāo)主要包括地形和氣候。地形數(shù)據(jù)包括海拔、坡度、坡向3個(gè)指標(biāo), 氣候數(shù)據(jù)通過收集全球各個(gè)氣象觀測站1970—2000年的氣候數(shù)據(jù), 運(yùn)用ANUSPLIN程序中的薄板平滑樣條函數(shù)插值法, 以海拔、經(jīng)緯度為自變量, 得到302分辨率的全球連續(xù)氣候數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)包括19個(gè)生物氣候指標(biāo)[24]。為了提高相關(guān)氣候數(shù)據(jù)的分辨率, 利用海南島16個(gè)氣象觀測站1981—2010年共30年的累年日值數(shù)據(jù)集(包括氣溫和降水等), 得到海南鳳仙花生境內(nèi)的19個(gè)氣候指標(biāo)柵格圖層。

從選取的地形和氣候數(shù)據(jù)指標(biāo)中(表1), 運(yùn)用ArcGIS 10.2的波段集統(tǒng)計(jì)工具檢驗(yàn)22個(gè)環(huán)境指標(biāo)間的多重共線性, 對(duì)于相關(guān)性較高(|r| > 0.8)的指標(biāo), 僅保留其中一個(gè), 再運(yùn)用MaxEnt 3.3.3k軟件, 利用Jackknife刀切法檢驗(yàn)確定影響海南鳳仙花生境的主要環(huán)境指標(biāo)為年降水量、降水量季節(jié)性變異系數(shù)、最干季降水量、最濕季降水量、少雨干旱指數(shù)、土壤蓄水能力、坡度7個(gè)環(huán)境指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)體系

本研究構(gòu)造的指標(biāo)體系如表1所示, 水資源脆弱性指標(biāo)包括: 年降水量(1)、降水量季節(jié)性變異系數(shù)(2)、最濕季降水量(3)、最干季降水量(4)、少雨干旱指數(shù)(5)、土壤蓄水能力(6)、坡度(7)。所需相關(guān)的氣候數(shù)據(jù)采用世界氣候數(shù)據(jù)庫(http://www. worldclim.org/bioclim)中的version1.4的5個(gè)生物氣候變量, 坡度變量來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http: //www.gscloud.cn), 土壤蓄水能力數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 所有數(shù)據(jù)年限為2003—2018年。

其中, 少雨干旱指數(shù)(X5)具體計(jì)算方式如下:

=′/′ (1)

為某一節(jié)點(diǎn)的干旱指數(shù);′為降水的相對(duì)變化率,′ =/R,代表的是降水量,R為降水量的平均值;′為蒸發(fā)的相對(duì)變化率,′ =/E, E代表的是蒸發(fā)量,E代表的是平均蒸發(fā)量。

表1 海南鳳仙花生境水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 基于綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)方法

結(jié)合AHP層次分析法和專家評(píng)分法確定指標(biāo)權(quán)重, 運(yùn)用加權(quán)法計(jì)算水資源脆弱度, 通過聚類分析法評(píng)定所得結(jié)果等級(jí), 利用綜合指數(shù)法得到海南鳳仙花生境的水資源脆弱性空間分布圖。通過公式計(jì)算判斷矩陣最大特征值及其特征向量, 分別用、表示, 構(gòu)造判斷矩陣,=。判斷矩陣一致性的指標(biāo)為(Consistency Index),= (–)/(–1), n表示矩陣的階數(shù)。比率(Consistency Ratio)表示判斷矩陣一致性比率,=/。如<0.1則表明該矩陣的一致性水平較高, 其權(quán)重值合適。經(jīng)計(jì)算, 各指標(biāo)的權(quán)重如表2所示, 且判斷矩陣具有滿意的一致性。

1.4.2 基于GIS與RS的評(píng)價(jià)方法

基于技術(shù)圖層化處理各評(píng)價(jià)指標(biāo), 綜合運(yùn)用專家評(píng)分法、層次分析法賦予各指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重。對(duì)各指標(biāo)圖層進(jìn)行處理后所得出的結(jié)論與其權(quán)重相乘,運(yùn)用組合加權(quán)求和模型計(jì)算空間重疊, 最終所得出的空間分布圖即為海南鳳仙花生境的水資源脆弱性空間分布圖。

具體計(jì)算公式為:

式(2)中(Vulnerability)表示脆弱度。表示各水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo),表示對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。(i, j)的含義是各主題層中第類, 第行的網(wǎng)格單元。(,) 值越大, 表明水資源的脆弱度越強(qiáng), 反之水資源脆弱度越弱。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 基于綜合指數(shù)法的數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1.1 水資源脆弱度的計(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)化各因子后, 對(duì)水資源的脆弱性進(jìn)行計(jì)算。通過式(3), 式(4)標(biāo)準(zhǔn)化處理原始指標(biāo)數(shù)據(jù)。

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化:C= (X– Xmin) ∕(maxmin)(3)

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化:C= 1(X–Xmin) ∕(maxmin) (4)

C、X分別表示標(biāo)準(zhǔn)化后、標(biāo)準(zhǔn)化前的指標(biāo)數(shù)值; 同一指標(biāo)在各評(píng)價(jià)單元中標(biāo)準(zhǔn)化前的最大值用max表示, 最小值用min表示。的取值為1—7。

水資源脆弱度運(yùn)用加權(quán)求和法進(jìn)行計(jì)算, 指標(biāo)在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后與對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘, 即可計(jì)算出水資源脆弱度, 一般用(Vulnerability)表示。如式(5)計(jì)算:

=∑W×C (5)

式(5)中,W、C分別表示各指標(biāo)的權(quán)重、各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

1.5.1.2 脆弱性指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

針對(duì)喀斯特地區(qū)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境特征, 運(yùn)用聚類分析法計(jì)算海南鳳仙花生境水資源的脆弱性[25]。采用自然斷點(diǎn)分類法[26]將脆弱性分為5個(gè)等級(jí): 不脆弱(0.50—0.55)、輕度脆弱(0.55—0.60)、中度脆弱(0.60—0.65)、重度脆弱(0.65—0.70)、極度脆弱(0.70—0.75)。

1.5.2 基于GIS與RS的數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.2.1 年降水量、降水量季節(jié)性變異系數(shù)、最干季降水量、最濕季降水量及少雨干旱指數(shù)

將各氣象站點(diǎn)降水量、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù), 干旱指數(shù)計(jì)算方法見1.3。利用 Arcgis定義站點(diǎn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系, 生成研究區(qū)氣象站點(diǎn)圖層, 對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值, 完成數(shù)據(jù)的相關(guān)處理。

1.5.2.2 土壤蓄水能力

利用數(shù)字化和投影坐標(biāo)系構(gòu)建Coverage格式的土壤類型分布圖。根據(jù)何福紅等[27]的研究方法, 賦予不同土壤類型相應(yīng)的蓄水能力, 生成土壤蓄水能力分布圖。

1.5.2.3 坡度

將DEM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Arcgis, 采用3次卷積算法對(duì)存在少量缺值點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行插值, 生成坡度分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于綜合指數(shù)法的海南鳳仙花生境水資源脆弱性評(píng)價(jià)

2.1.1 海南鳳仙花生境水資源脆弱性時(shí)間特征

“是的?！碧镉袌@肯定地點(diǎn)了點(diǎn)頭，她不說出口，他也知道她猜對(duì)了?！拔业谝淮卧谀銈儐挝婚T口見他時(shí)就覺得怪，有一種怎么也說不清楚的感覺，是熟悉還是害怕？我也說不清楚……后來我就打聽了一下，發(fā)現(xiàn)……”

不同年份水資源呈現(xiàn)不同程度的脆弱程度, 從表3、圖2可以看出, 2003、2005、2006、2007、2009、2013這6年期間水資源呈現(xiàn)出極度脆弱; 2004、2008、2012 年這 3 年水資源呈現(xiàn)重度脆弱; 2010、2011、2014、2018這4年水資源呈現(xiàn)中度脆弱; 2015、2016 年水資源呈現(xiàn)輕度脆弱; 2017 年水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)不脆弱。總體來說, 自然脆弱性和水資源脆弱性呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。

表2 各指標(biāo)的權(quán)重

表3 海南鳳仙花生境水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)

圖2 2003-2018水資源系統(tǒng)脆弱性特征

Figure 2 Vulnerability of water resource systems during 2003—2018

從圖2可以看出, 2003—2009年的水資源脆弱性總體較高, 脆弱性指數(shù)在0.7532—0.7739區(qū)間波動(dòng)。2010—2012年的水資源脆弱性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢, 脆弱性指數(shù)在0.6318—0.7013。2013—2017年的水資源脆弱性急劇下降, 脆弱性指數(shù)從0.6843降至0.5341。2018年水資源脆弱性稍有上升。從自然脆弱性來看, 2007—2013年期間一直處于反復(fù)波動(dòng)狀態(tài), 整體走向呈上升趨勢。從整體上看, 區(qū)域內(nèi)氣候變化對(duì)自然脆弱性產(chǎn)生較大影響, 這可能也是迫使自然脆弱性被動(dòng)變化的主要影響因素。2003—2018年研究區(qū)域內(nèi)水資源脆弱性與自然脆弱性的波動(dòng)趨勢基本一致。通過對(duì)水資源脆弱性做相關(guān)分析, 發(fā)現(xiàn)水資源脆弱性與自然脆弱性存在很強(qiáng)的正相關(guān)(圖3), 說明自然脆弱性對(duì)水資源脆弱性有較強(qiáng)影響, 決定其脆弱性程度的主要因素是環(huán)境基底與氣候變化, 時(shí)間尺度并沒有造成其顯著變化, 氣候的短期變化(降水等)會(huì)顯著影響水資源的自然脆弱性。

2.1.2 海南鳳仙花生境水資源脆弱性空間特征

利用降水等多年平均指標(biāo)作為影響海南鳳仙花生境水資源分布的水分因子, 構(gòu)建海南鳳仙花生境水資源脆弱性空間分布圖。從圖4可以看出, 海南島水資源脆弱性較密集, 從整體上來看其分布呈現(xiàn)“四周低西南高”的分布格局。其中, 海南鳳仙花生境和海南島西南部喀斯特地貌分布區(qū)的水資源脆弱性是最高的, 水資源脆弱性基本處在0.6612—0.7532之間。

圖3 水資源脆弱性與自然脆弱性相關(guān)性

Figure 3 Correlation between water resource vulnerability and natural vulnerability

圖4 基于綜合指數(shù)法的水資源系統(tǒng)脆弱性空間分布

Figure 4 Spatial map of vulnerability of water resource systems based on composite index method

2.2 基于GIS與RS的海南鳳仙花生境水資源脆弱性評(píng)價(jià)

2.2.1 各指標(biāo)水資源脆弱性特征

2.2.1.1 年降水量與降水量變異系數(shù)

由圖5可知, 海南島年降水量空間分布總體呈現(xiàn)出由西到東逐漸增加的分布格局。海南鳳仙花主要分布在海南島的西部及西南部的喀斯特地區(qū), 該地區(qū)的年降水量主要集中在1424—1691mm之間, 降水相對(duì)與海南島其它地區(qū)偏少, 屬于較干旱的區(qū)域。從圖6可以看出, 海南鳳仙花生境所處的喀斯特地區(qū)的變異性最強(qiáng), 降水量季節(jié)性變異系數(shù)在75.34—79.63之間, 說明該地區(qū)容易受地形地貌等影響, 降水變化程度差異較大。

2.2.1.2 最濕季降水量及最干季降水量

海南島的最濕季降水量分布格局呈現(xiàn)出中部向四周降低的趨勢, 尤其是西北部及東南部降水量相對(duì)比較集中(圖7、圖8)。海南鳳仙花主要分布在海南島的西部及西南部的熱帶雨林喀斯特地區(qū), 該地區(qū)的最濕季降水量在986.41—1035.46 mm之間, 降水量較高。海南島的最干季降水量分布格局則呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增多的趨勢。海南鳳仙花生境地的最干季降水量較少, 在18.21—20.13 mm之間。最濕季降水量和最干季降水量之間差異較大的降水分布特點(diǎn)可能是由于海南鳳仙花生境屬于典型的高溫多雨的熱帶雨林季風(fēng)氣候區(qū), 干濕季明顯, 導(dǎo)致該地區(qū)季節(jié)性降水分布不均, 干濕季的降水對(duì)雨水進(jìn)行了重新分配, 導(dǎo)致海南鳳仙花生境受水分因子影響較大。

圖5 年降水量分布

Figure 5 Annual precipitation distribution

圖6 降水量季節(jié)性變異系數(shù)

Figure 6 Coefficient of seasonal variation in precipitation

圖7 最濕季降水量分布

Figure 7 Distribution of precipitation in the wettest season

圖8 最干季降水量分布

Figure 8 Distribution of precipitation in the driest season

由圖9可知, 海南島的少雨干旱指數(shù)總體上呈現(xiàn)出自西南向東北增加的趨勢。海南鳳仙花分布區(qū)域干旱指數(shù)較大, 在0.8634—0.9216之間。可能是由于海南鳳仙花所處生境是特殊的熱帶雨林喀斯特地貌, 喀斯特特殊的生態(tài)性、脆弱性和二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)等原因, 導(dǎo)致該地區(qū)常受到干旱脅迫, 使得海南鳳仙花生境干旱指數(shù)較大。

2.2.1.4 土壤蓄水能力

土壤蓄水量的減少或增加直接影響其對(duì)水分的調(diào)節(jié)能力。圖10顯示了海南島不同土壤類型蓄水能力分布的大小, 總體來說, 海南島的土壤蓄水能力較強(qiáng), 在0.5278—0.7283之間。但是海南鳳仙花生境土壤蓄水能力較差, 有的甚至在0.4082以下。這種情況在一定程度上反映了海南鳳仙花生境受喀斯特地貌的影響, 地表水滲漏情況嚴(yán)重, 雨多地漏, 土壤破碎貧瘠, 導(dǎo)致該地區(qū)土壤與植被涵養(yǎng)水源及蓄水功能較差。

圖9 少雨干旱指數(shù)分布

Figure 9 Distribution of Low rainfall drought index

圖10 土壤蓄水能力分布

Figure 10 Distribution of Soil water storage capacity

2.2.1.5 坡度

由圖11可以看出, 海南島的坡度變化主要集中在山地比較多的西南部地區(qū), 絕大多數(shù)坡度在45—64°之間。海南鳳仙花生境的坡度主要在40—63°之間, 坡度越大, 表面平滑度越高, 越容易導(dǎo)致降水快速流走, 從而降低土壤的蓄水性與保水性, 當(dāng)?shù)刂参餆o法有效的利用降水, 進(jìn)一步加強(qiáng)了當(dāng)?shù)氐乃Y源脆弱性。

2.2.2 海南鳳仙花生境水資源脆弱性空間特征

將多年平均降水量、降水量季節(jié)性變異系數(shù)、最濕季降水量、最干季降水量、少雨干旱指數(shù)、土壤蓄水能力、坡度等主題圖層與權(quán)重相乘疊加空間, 可以呈現(xiàn)海南鳳仙花生境整體空間上的水資源脆弱性特征。從圖12看出, 海南島四周的水資源脆弱性不明顯, 但西南部比較突出。海南鳳仙花所分布的區(qū)域正好位于西南部的高值區(qū)域內(nèi), 水資源脆弱性保持在0.6624—1之間。該地區(qū)淋溶作用強(qiáng)烈, 降水豐富, 坡度較陡, 坡面儲(chǔ)水能力弱, 水資源脆弱性較高。

圖11 坡度

Figure 11 Slope

圖12 基于GIS與RS的水資源系統(tǒng)脆弱性空間分布

Figure 12 Spatial map of vulnerability of water resource systems based on GIS and RS

3 討論

海南島水資源脆弱性呈現(xiàn)西南部高、其他地區(qū)低的分布格局。其中, 海南鳳仙花生境所處的喀斯特地區(qū)處于水資源脆弱性的高值區(qū), 基于綜合指數(shù)法得到的海南鳳仙花生境的水資源脆弱性在0.6612—0.7532之間, 基于GIS與RS得到的水資源脆弱性在0.6624—1之間。綜合指數(shù)法和基于GIS、RS的兩種評(píng)價(jià)方法所得結(jié)論基本一致。影響海南鳳仙花生境水資源脆性高的主要因素是降水和坡度?？λ固氐貐^(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱, 與其他生態(tài)環(huán)境相比對(duì)氣候變化高度敏感, 當(dāng)?shù)刂参锏纳L對(duì)氣候變化的敏感性和脆弱性也存在較強(qiáng)的異質(zhì)性[28–29]。海南島屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 全年降水量充足, 但海南鳳仙花生境所處的喀斯特地區(qū)滲漏性強(qiáng), 復(fù)雜的二元水文結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致該地區(qū)石漠化嚴(yán)重, 臨時(shí)性干旱頻繁, 水分虧缺嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)刂参锏恼ＩL[30]。本研究中, 無論是基于綜合指數(shù)法還是利用GIS技術(shù)對(duì)海南鳳仙花生境進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)分析, 水分對(duì)海南鳳仙花生境的生態(tài)脆弱性有著顯著影響。

各類降水指標(biāo)可以體現(xiàn)出區(qū)域降水強(qiáng)度與波動(dòng)狀態(tài), 這也是決定生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的一項(xiàng)關(guān)鍵因素[30]。海南鳳仙花生境的水資源脆弱性與自然脆弱性呈顯著正相關(guān), 自然脆弱性隨著水資源脆弱性的增大而增大, 主要原因在于海南鳳仙花生境的喀斯特地區(qū)復(fù)雜的水文變化過程。從降水量季節(jié)性變異系數(shù)可以看出, 海南鳳仙花生境所處的西南部喀斯特地區(qū)的變異性最強(qiáng), 相對(duì)于海南島其他地區(qū)而言, 該地區(qū)是水分有效性惡化較快的區(qū)域, 其脆弱性較高, 說明該地區(qū)受降水季節(jié)性不均及地形地貌的影響造成當(dāng)?shù)厮Y源分配不均, 植被生境破碎化嚴(yán)重。一方面, 當(dāng)?shù)氐膸r溶在長期的降水溶蝕與風(fēng)化下, 逐漸形成了溶隙、溶洞、溶溝等獨(dú)特的地貌, 這些現(xiàn)象加劇了水分下滲性[31–32]。另一方面, 由于土壤層內(nèi)存在大量的碎石與裂隙、溶道, 導(dǎo)致水分運(yùn)移時(shí)發(fā)生了顯著的空間異質(zhì)性, 進(jìn)一步催化了水土流失, 加快了喀斯特地區(qū)的石漠化進(jìn)程[33]。與此同時(shí), 海南鳳仙花所處的生境存在明顯的地形破碎與坡度起伏, 集中性的降水, 增加了泥石流、滑坡、山地崩塌等自然災(zāi)害的強(qiáng)度和頻次, 導(dǎo)致海南鳳仙花生境的水資源脆弱性越來越高。

海南島在熱帶季風(fēng)氣候控制下的盛夏期間, 臺(tái)風(fēng)間隔期最長持續(xù)47.6±16.1d, 海南島熱帶喀斯特地貌呈現(xiàn)同質(zhì)性背景地域與異質(zhì)性微生境的組合特征, 干濕季節(jié)交替明顯[34]。與亞熱帶喀斯特地貌相比, 頻繁的干濕交替導(dǎo)致熱帶雨林喀斯特地貌的水分脈動(dòng)特征顯著, 在強(qiáng)烈的淋溶、侵蝕和劇烈的水分蒸發(fā)協(xié)同影響下, 喀斯特石隙微生境呈現(xiàn)“臺(tái)風(fēng)間隔期水分匱乏與干濕季植物水分貧瘠”的多重脅迫特征[35–36]。當(dāng)?shù)刂参锷钞愘|(zhì)化程度顯著, 導(dǎo)致自然災(zāi)害頻繁。自然因素在短期內(nèi)還不能及時(shí)得到改善, 后續(xù)還可借助對(duì)人為因素脆弱性的治理與改善, 來優(yōu)化自然本底環(huán)境, 以達(dá)到降低自然脆弱性的目的, 這也是降低當(dāng)?shù)乜λ固丨h(huán)境水資源脆弱性以及維持海南鳳仙花穩(wěn)定、健康的植物群落的重要途徑。

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Spatio-temporal differentiation in water resource vulnerability of, a limestone-endemic plant habitat based on grid scale

HUANG Weixia1,2, MENG Xinya2, ZHONG Yunfang2, ZHANG Jinling2, SONG Xiqiang2,*

1. College of Horticulture and Forestry, Tarim University, Alar 843300, China 2. Key Laboratory of Genetics and Germplasm Innovation of Tropical Special Forest Trees and Ornamental Plant, Ministry of Education/School of Forestry, Hainan University, Haikou 570228, China

The frequent alternation between wet and dry season significant moisture pulsation in tropical rainforest karst landscapes, the zonal background environment is strongly fragile and heterogeneous. The study of the water vulnerability characteristics of local plant habitats helps to understand their adaptation mechanisms to tropical rainforest karst habitats and provides a theoretical basis for ecological restoration of plants and conservation of germplasm resources. Based on the natural environment raster data of the limestone-endemic planton Hainan Island as a basis, RS and GIS techniques were used to construct a water resources vulnerability evaluation index system, combined with the integrated index method to analyze the spatial and temporal variability of water resources inhabitats. The results are as follows. The vulnerability of water resources inhabitats was dominated by natural vulnerability from 2003 to 2018, and changes in natural vulnerability fluctuations were closely related to natural factors such as precipitation. The proportion of extremely vulnerable and severely vulnerable areas was large; the proportion of moderately vulnerable and mildly vulnerable areas was small. The karst area wherehabitats were located was in the high value of water resources vulnerability, which ranged from 0.6612-0.7532 based on the composite index method and 0.6624-1 based on GIS and RS. The water resources vulnerability ofhabitats was influenced by the moisture characteristics of tropical rainforest karst landscapes in the dry and wet seasons, and the degree of regional differentiation was obvious. The changes in their moisture characteristics can be used to control soil erosion promptly and protect the ecological environment and germplasm resources ofhabitats.

karst; water vulnerability; composite index method; GIS;habitat

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.014

X826

A

1008-8873(2024)01-113-11

2021-08-18;

2021-11-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32371959); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32201282); 兵團(tuán)指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目(2023ZD112); 塔里木大學(xué)校長基金胡楊英才項(xiàng)目(TDZKBS202306)

黃蔚霞(1989—), 女, 湖南懷化人, 博士, 主要從事植物生態(tài)學(xué)、保護(hù)生物學(xué)研究, E-mail: Huangweixia1210@163.com

通信作者:宋希強(qiáng), 男, 博士, 教授, 主要從事植物資源與利用、保護(hù)生態(tài)學(xué)研究, E-mail: songstrong@hainanu.edu.cn

黃蔚霞, 孟新亞, 鐘云芳, 等.基于柵格尺度下喀斯特專性植物海南鳳仙花生境水資源脆弱性時(shí)空分異變化[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 113–123.

HUANG Weixia, MENG Xinya, ZHONG Yunfan, et al. Spatio-temporal differentiation in water resource vulnerability of, a limestone-endemic plant habitat based on grid scale[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 113–123.