南方丘陵山地带水源涵养功能变化特征

张海波，张明阳，王克林，秦建新 ，符 静

随着水资源需求量的不断增加以及水环境的急剧恶化，生态系统水源涵养作用已引起高度重视[1]。虽然一些人为工程在一定程度上能缓解水资源短缺的危机，但随之而来的却是各种环境问题。自然生态系统中森林、灌丛和草地等有着巨大的水源涵养功能，具有“天然绿色水库”的美誉，并且能通过植被冠层、枯枝落叶层和土壤层的综合作用来缓和地表径流、补充地下水和调节和流量[2]，而湿地更是区域生态环境的稳定器和调节器，对地区的经济和社会发展有着重要意义[3]。因此，生态系统水源涵养功能的分析对了解地区水资源利用效益及生态环境具有重大的意义。目前评价水源涵养功能的方法主要有区域水量平衡法[4]、土壤蓄水法[5]、地下径流增长法[6]和降雨储存量法[7]，同时一些学者采用InVEST模型进行定量评估[8-10]，也有一些学者利用转移矩阵，结合景观格局变化来分析生态系统服务功能的变化特征[11]。然而，当前相关的研究多注重单一时相定量评估，对多时相动态变化分析略显不足。

南方丘陵山地带作为我国主体生态功能区划中“两屏三带”国家生态安全格局的重要组成部分，位于长江流域与珠江流域的分水岭及源头区，主要为加强植被修复和水土流失防治，从而发挥华南和西南地区生态安全屏障作用，但目前涉及本区域的相关研究还十分匮乏[12]。因此，研究其十年（2000-2010年）间生态系统水源涵养功能及其变化特征，对了解其生态安全屏障的作用发挥与否以及生态环境工程的效益具有重要现实意义。本文在遥感（Remote Sensor,RS）与地理信息系统（Geographic Information System,GIS）的支持下，以2000、2005和2010年三期生态系统类型数据为基础，采用降水贮存量法，替代工程法及转移矩阵的方法，对该区域生态系统水源涵养功能及其变化特征进行分析，获得水源涵养功能变化的基本特征及变化的方向，以期为该区将生态系统管理和生态环境综合评估提供科学参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于 102.5°-116.9°E，22.4°-26.7°N（图 1），涉及云南、贵州、广西、广东、湖南、江西六省共114个县/区，总面积28.85万km2。地貌类型复杂多样，平原台地、丘陵、低山、中山和高山兼有，其中以丘陵为主（13.43万km2，面积比例45.26%）。坡地以缓坡和斜坡为主（面积比例分别为36.10%和29.65%）。地势西高东低，北高南低，海拔为-25 m-3040 m。河流众多，河网密度大，属于亚热带季风气候区，年平均气温在14-22℃之间，年降水量为1300-1610 mm，降雨分布不均匀，呈由东部、东南部向西部、西北部减少的趋势。土壤类型以黄壤、红壤、赤红壤和砖红壤为主，另有少量石灰土、紫色土水稻土和潮土[13]。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源

以2000年、2005年、2010年的遥感影像为基础数据（来源于中国科学院遥感与数字地球研究所），经几何校正、影像融合、遥感解译等数据处理，最终将地表分为森林、农田、草地、灌丛、湿地、人工表面和稀疏地7种生态系统类型，其中人工表面和稀疏地不参与计算；年平均降雨数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

1.3 计算与分析方法

1.3.1 水源涵养量 水源涵养功能物质量估算采用降水贮存量法[14],即用生态系统的截留降雨和蓄水效应来衡量其涵养水分的功能，生态系统的水源涵养功能可理解为，相对于裸地降水过程中产流的减少，即仅在降雨强度大于产流降雨时，其水源涵养功能才得以发挥[15]。计算公式如下：

式中：Q为与裸地相比较，森林、草地、湿地、耕地、灌丛等生态系统涵养水分的增加量(mm/hm2·a)；为生态系统面积(hm2)（表 1）；J为区内多年均产流降雨量（P>20 mm）(mm)；Jo为区内多年均降雨总量 (1601.74 mm)；K为区内产流降雨量占降雨总量的比例(秦岭-淮河以北取0.4，以南取0.6)；R为生态系统减少径流的效益系数；Ro为产流降雨条件下裸地降雨径流率；Rg为产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

1.3.2 水源涵养经济价值 采用替代工程法对研究区生态系统水源涵养量价值化，公式为[16]：

表1 研究区各生态系统面积

式中：Vw为区域生态系统涵养水源的价值，Vw(x)为象元处涵养水源的价值，Q(x)为象元x处水源涵养量，Pw(x)为建成单位库容的成本，我国1 m3库容的成本为0.67元。

1.3.3 生态系统水源涵养功能分级 将生态系统水源涵养量结果进行标准化，将标准化后的生态系统水源涵养功能评估单元划分为高（0.8-1.0）、较高（0.6-0.8）、中（0.4-0.6）、较低（0.2-0.4）、低（0-0.2）五个等级。

式中：SSC表示标准化之后的生态系统水源涵养功能值；SCx表示各评价单元（此处为栅格）生态系统水源涵养量；SCmax和SCmin表示生态系统水源涵养量的最大值和最小值。

1.3.4 生态系统水源涵养功能变化 本文借助转移矩阵分析区域生态系统水源涵养功能变化的结构特征以及各级别水源涵养功能变化的方向，根据地图代数原理，对任意两期水源涵养功能等级数据的转移矩阵计算公式如下：

该公式使用范围类型小于10种，式中Ci×j为k时期到k+1时期水源涵养功能等级变化数据为 k时期水源涵养功能等级数据，为k+1时期水源涵养功能等级数据，i和j分别表示不同的水源涵养等级[17-19]。

2 结果与分析

2.1 生态系统水源涵养功能

研究区2000、2005和2010年水源涵养量空间分布大致呈现东高西低、东南高西北低的空间分布特征（图2）。十年间水源涵养总量上升了1.61×108m3，经济价值上升了1.08×108元，三个年份水源涵养总量分别为856.40×107m3、864.96×107m3和872.47×107m3，水源涵养功能的经济价值分别为57.38×108元、57.95×108元和 58.46×108元（见表2）。不同生态系统水源涵养总量排序都是森林>农田>灌丛>草地>湿地，其中森林水源涵养量比重大（三个年份分别69.17%、69.51%、69.91%），湿地生态系统由于面积比例小（1.19%、1.20%和1.24%）而水源涵养总量少（仅占3.84%、3.71%和3.66%）。不同生态系统的水源涵养总量变化趋势不尽相同，其中森林和草地生态系统呈上升趋势，湿地、农田和灌丛生态系统不同程度下降。

不同生态系统的水源涵养能力除灌丛无明显变化外，其余都发生了不同程度的变化，其中森林和草地生态系统水源涵养能力持续上升，湿地和农田生态系统水源涵养能力呈下降趋势，十年间，各生态系统水源涵养能力大小排序为：湿地>森林>草地>灌丛>农田（表2）。

图2 研究区水源涵养量空间分布图

表2 研究区不同生态系统水源涵养量

2.2 生态系统水源涵养功能分级

研究区生态类型水源涵养功能高级别以湿地生态系统为主（表3），占全区总面积的比例较小，三个年份分别为1.18%、1.19%和1.23%，这主要是由于湿地生态系统所占的面积最小（<1.3%）导致；水源涵养功能在较高级别的生态系统以森林生态系统中的常绿阔叶林及湿地生态系统中的灌丛沼泽和草本沼泽为主，三者之和面积比例在三个年份分别为24.86%、24.92%和24.95%（表4）；水源涵养功能在中级别的生态系统主要有森林生态系统中的落叶阔叶林、常绿针叶林和针阔混交林以及草地生态系统，其区内分布范围广泛；水源涵养功能在较低级别的生态系统以农田生态系统为主，三个年份占全区总面积的比例分别为22.17%、21.89%和21.76%；低级别的生态系统分布较零散，其面积占全区总面积的比例较小，主要包括居住地、工业用地、交通用地、裸土等硬质地面或植被稀少的地貌。

2.3 生态系统水源涵养功能变化

2000-2005年和2005-2010年这两个时段中，水源涵养功能高等级转换成较低等级的面积分别为87.22 km2和202.49 km2，转换比率分别为2.6%和5.8%，转换成低等级的面积分别为10.09 km2和25.30 km2，转换比率分别为0.3%和0.7%。表明，受人类活动的影响湿地生态系统有部分面积被转换成了耕地和人工表面，且这种现象有持续发展的趋势。

表3 研究区生态类型水源涵养量标准化值

表4 研究区水源涵养功能各等级面积及其比例

两个时段中低等级的水源涵养功能大量转换成较低和较高等级（占其自身转出率的63.13%和59.18%），其中转换成较低等级的面积分别为79.60 km2和181.26 km2，转换成较高等级的面积分别为106.66 km2和201.96 km2。有可能是部分裸土地被开发成耕地用于农业生产，而稀疏地的植被逐渐成长，使得原本水源涵养功能低的稀疏地转换成涵养功能较高的林地。受国家退耕还林，还草的政策影响，研究区部分农田转换成林地或草地。较低等级转换成中等级的面积分别为2738.46 km2和1974.65 km2，转换成较高等级的面积分别为1063.73km2和698.44km2，占自身转出率的84.68%和79.82%。

从2000-2010总体上看，十年间，研究区水源涵养功能的变化方向主要是向中和较高等级转移，且各生态系统以向森林生态系统转换为主。除自身转移的面积（分别为123272.87 km2和69715.72 km2）外，转入的面积分别为8356.23 km2和 5829.38 km2。

3 讨论与结论

3.1 讨论

南方丘陵山地带是“两屏三带”中的重要组成部分，其生态环境的好坏，直接影响着华南和西南地区的生态安全。本文分析结果一定程度表明，国家实施退耕还林、还草等生态工程取得了重大的效益。区内生态系统水源涵养能力整体得到了提升，生态环境得到了进一步改善。但须指出的是区内水源涵养功能变化依然存在由高往低转换的现象，有些生态系统如湿地生态系统仍然没有得到有力的保护。

有效分析区内生态系统水源涵养功能是建立长效生态补偿机制的基础，可为进一步生态建设提供保障。上世纪九十年代起，国家在云南、贵州、广西和广东开展了长江、珠江流域防护林体系，1999年，区内广西、云南、贵州作为西部省份纳入退耕还林工程建设范围，2001年湖南和江西作为中部省份纳入退耕还林工程范围[20]。这一系列措施直接影响土地利用方式及土地覆被结构变化。本文对水源涵养功能的变化方向进行分析，一方面反映了水源涵养功能变化的趋势，另一方面也初步反映了土地覆被类型间的转换对水源涵养功能变化的影响。但文中涉及的生态系统类型较多，只能粗略对其说明，在以后的研究中，可进一步结合土地覆被类型的转换分析其对水源涵养能力的影响强度，为优化土地利用结构提供参考。

表5 不同级别水源涵养功能生态系统转移矩阵（单位：km2）

不同生态系统水源涵养能力与总量是不相同的，从而它们对整个区域水源涵养功能的贡献率也有所区别。本文研究表明，研究区不同生态系统水源涵养总量大小排序为森林>农田>灌丛>草地>湿地，生态系统水源涵养能力大小排序为：湿地>森林>草地>灌丛>农田。虽然生态系统水源涵养总量大小与其涵养能力大小并无紧密关系，但森林生态系统依然是水源涵养功能的主要贡献者（69.17%、69.51%、69.91%），因此森林生态系统仍是重点保护对象。

水源涵养功能物质量估算的方法不尽相同，用不同方法估算的结果存在一定差异。本研究采用降水贮存量法对区域生态系统水源涵养功能物质量进行估算，并在此基础上对水源涵养功能变化特征进行分析。该方法所需数据容易获取，计算过程也较简单，从分析结果来看，能有效的反映区域水源涵养功能变化特征，但由于没有考虑到不同生态系统对此方法的限制性因素，一定程度上影响了物质量估算结果的精度。因此今后可针对不同生态系统采用多种方法进行计算，以便更好的研究水源涵养功能及其经济价值。

3.2 结论

本文通过分析得到以下主要结论：2000-2010年间，研究区水源涵养量空间分布呈现东高西低、东南高西北低的特征，与降雨变化趋势基本一致。其水源涵养总量呈上升趋势，十年间总量上升了1.61×108m3，其上升的经济价值为1.08×108元。水源涵养功能主要集中在较高、中和较低等级，三者总面积比例三个年份分别为97.19%、97.00%和96.87%，水源涵养功能的变化方向主要是向中和较高等级转移，整体呈现由低往高的变化特征。

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