“三江并流”区生态系统供水服务的空间分布特征*

林世伟，武瑞东

(1．云南大学国际河流与生态安全研究院，云南 昆明650091;2．云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南 昆明650091)

人类的持续生存和发展依赖于生物多样性和众多生态系统服务的支持;其中生态系统供水服务是维持生物多样性和其他关键生态系统功能的重要基础［1～2］。在全球气候变化和淡水资源日益短缺的背景下，加强水资源管理、维护生态系统供水服务功能已经成为一项十分紧迫的任务［3～4］。

“三江并流”区是横断山区的重要组成部分，是我国淡水资源和水电能源的重要供给地［5～6］，同时也是世界级生物多样性热点地区［6］，生态系统供水服务对本地区乃至周边国家非常重要。地理信息系统技术与生态学理论结合，在不同空间尺度下，可以对生态系统服务进行空间分布模拟和估算［3～4，7～8］，为决策者提供更多可视化、定量的生态系统服务综合特征信息，是当前自然资源管理决策的重要手段［9］。

生态系统服务空间分布模拟和估算的关键在于依据数据的可获得性选择合理的估算方法［9］。目前具有代表性的供水服务估算方法有综合蓄水法［10］、林冠截留剩余量法［11］等;但这些方法忽略了植被蒸散发这一重要因素［12］。基于水量平衡法的InVEST模型可以很好的克服这一缺陷［12～14］，该模型已在其他地区得到验证［3～4，7～8］。山地的海拔、坡度、坡向和坡位等地形要素对水、热、光等生态因子的影响各不相同，并造成山地植被垂直地带性分布［6］，不同植被与地形和气候间的相互作用及由此产生的水文生态功能差异较大［15］;因此在探究山地地区的生态系统供水服务的空间分布特征时，需要密切结合地形因素进行分析［15～16］。

综上，本研究以“三江并流”区为研究区，采用InVEST模型对研究区生态系统供水服务物质量的空间分布进行模拟和估算，并揭示生态系统供水服务在县域，海拔、坡度、坡向和坡位4类地形要素上的分布格局，明晰不同生态系统的供水服务功能，以期为当地的生态保护和土地利用决策提供科技支持。

1 研究区概况

“三江并流”区地处云南、四川和西藏的交界处，北纬 25°33'～29°16'和东经 98°7'～100°19'之间，行政上包括迪庆州、怒江州、大理州及丽江地区的16个县区，总面积约68 908 km2(图1)。该区地处青藏高原与云贵高原过渡带，新构造运动活跃，地形起伏大，山高谷深;怒江、澜沧江和金沙江自西向东形成罕见的“三江并流”奇观［5］;北部和西北部属于温带和寒温带季风气候，中南部为高原季风气候，同时也具备明显的山区立体气候特征，水热状况垂直差异显著，年降水量由西南向东北逐渐减少;土壤类型涉及了6个土纲、11个亚纲、18个土类和19个亚类;植被类型丰富，是7 000多种高等植物的聚集地［6］。

图1 研究区位置Fig．1 The study area

2 材料和方法

2.1 数据来源

本研究使用的土地覆盖数据为云南大学生态学与地植物学研究所开发的1︰10万植被类型图［17］，本区共涉及森林、灌丛、草甸等16种植被类型。地形数据源于为1︰25万DEM数据，相关气候数据源于国家气候中心制作的30年 (1980-2009年)平均插值数据 (空间分辨率为1 km×1 km)。土壤相关数据采用中科院南京土壤研究所开发的1︰100万土壤数据库，植被根系深度和作物系数数据分别来源于国内外相关文献以及InVEST用户指南［14，18］(表1)。

表1 InVEST模型参数Tab．1 Parameters for InVEST model

2.2 生态系统供水服务估算方法

水量平衡原理是InVEST模型供水模块的核心算法［14］，即某地区的生态系统供水量Y(x)等于实际降雨量P(x)与实际蒸散发量AET(x)之差，单位mm/a，计算公式为，Y(x)=P(x)-AET(x)(1)。

实际蒸散发量用Zhang等［19］提出的一个基于Budyko曲线的经验公式计算，，式中，PET(x)为像元x上的潜在蒸散发量，单位mm/a;ω(x)为像元x上表征气候-土壤条件的无量纲参数。

潜在蒸散发量 PET(x)的算法为［14］，PET(x)=Kc(lx)·ET0(x)(3)，式中，ET0(x)为参考蒸散发量，用于反映当地的气候条件，单位mm/a;Kc(lx)为土地利用类型lx上的作物系数，由当地的植被类型决定。

采用基于月尺度温度数据的Thornthwaite法计算参考蒸散发量［7，20］，先分别计算逐月的参考蒸散量，之后进行累加获得年参考蒸散发量，计算公式为，ETM为月均参考蒸散发量，单位为mm/M;Tn为月均温度，单位为℃，I为热量指数。

采用Donohue等［21］提出的公式计算ω(x)，ω(x)，式中，Z是表征多年平均降水和其他水文地质特征的常数，模型默认参数为 9．433［8，19］;AWC(x)为可利用水，单位 mm/a，计算公式为，AWC(x)=Min(MaxSoilDepthx，RootDelpthx)×PWACx(8)，式中，MaxSoilDepthx和RootDelpthx分别为最大土壤深度和植物根系深度，单位mm;PWACx为植物可利用水，单位%，可通过土壤质地数据计算［22］，PWAC=54．509-0．132 sand-0．003(sand)2-0．055 silt-0．006(silt)2-0．738 clay+0．007(clay)2-2．688 OM+0．501(OM)2(9)，式中，sand为土壤沙粒含量;silt为土壤粉粒含量;clay为土壤粘粒含量;OM为土壤有机质含量;单位均为%。

对于没有植被覆盖的土地利用类型 (开阔的水面、城镇等)，实际蒸散发量的计算公式为，AET(x)=Min〔Kc(lx)·ET0(x)，P(x)〕(10)。

2.3 生态系统供水服务的空间分布特征

将各因子数据图层的空间分辨率统一重采样为100 m×100 m后，依据上述公式，在Arcgis 10．0中进行相应的空间运算，得到研究区多年平均供水量的空间分布图层。为探究生态系统供水服务在不同地形要素上的分布及变化特征，并明确不同县域对研究区供水贡献，为今后的生态补偿和生态经济价值核算等工作提供支持;本项目分别研究了供水服务在不同县域、海拔、坡度、坡向和坡位上的分布变化规律。为此，以DEM数据为基础，以500 m为间隔划分海拔梯度，由于1 000 m以下和5 000 m以上地区分别仅占研究区总面积的0．205%和0．220%，故分别归并为两个带，研究区共划分为10个海拔梯度带。按微坡 (≤3°)、较缓坡 (3°～8°)、缓坡 (8°～ 15°)、较陡坡 (15°～ 25°)、陡坡 (25°～35°)和极陡坡 (＞35°)标准，将研究区的坡度划分为6个等级。按平地 (-1°)、北坡(-1°～22．5°和 337．5°～ 360°)、东北坡 (22．5°～ 67．5°)、 东 坡 (67．5°～ 112．5°)、 东 南 坡(112．5°～ 157．5°)、南坡 (157．5°～ 202．5°)、西南坡 (202．5°～247．5°)、西坡 (247．5°～292．5°)和西北坡 (292．5°～337．5°)标准，将本地坡向分为9个等级。基于地形位置指数，采用Topographic Index box下的坡位分类工具［23］，将本地区的坡位分为平坡、山谷、下坡、中坡和上坡 (包括山脊)5类。将供水量图层分别与各地形要素及研究区县域图层进行空间叠加计算，提取供水服务在不同地形要素和县域的分布数据。

2.4 生态系统的供水服务评估

在全球气候变化和水资源短缺的背景下，优先保护供水能力较高的生态系统是必要的;以研究区植被类型图为基础，将其与供水量图层进行叠加，提取不同植被生态系统的供水量数据，以生态系统的单位面积供水量表征生态系统的供水能力高低。对比前人已开展的保护工作，综合考虑不同生态系统供水能力及其空间分布状况，提出保护工作的改进建议。

3 结果与分析

3.1 生态系统供水服务的空间分布特征

结果显示，“三江并流”区生态系统多年平均供水总量约412．3×108m3/a，单位面积多年平均供水量为620．4 mm/hm2，约占多年平均降雨量的59．6%。生态系统供水服务的空间分布差异明显，整体表现为由西南向东北递减趋势，高值地区主要位于高黎贡山、怒山和云岭等地，低值地区主要位于东部的丽江市古城区、鹤庆和宾川一带 (图2)。

3.2 生态系统供水服务在不同地形要素上的分布特征

随着海拔的升高，单位面积供水量持续升高，3 000 m以下地区单位面积供水量低于区域平均水平 (图3a)。不同海拔带内的生态系统供水总量表现为随海拔的升高先升高后下降，主要集中在2 000～4 000 m 地区 (80．8%，80．4%;前者表示占地区供水总量比例，后者表示占总土地面积比例，下同)(图3a)。

单位面积供水量随坡度的增加表现为先逐级微增而后微减，较缓坡以上地区的单位面积供水量明显高于微坡地区，微坡地区的单位面积供水量远低于区域整体水平 (图3b)。供水总量主要集中在较陡坡和陡坡地区 (54．1%，53．2%)(图3b)。

图2 “三江并流”区生态系统供水服务的空间分布Fig．2 The spatial distribution of water supply service in the Three Parallel Rivers Region

坡向上，平地地区单位面积供水量明显低于其他坡向地区，阳坡地区 (南坡、西南坡、西坡、西北坡)无论在单位面积供水量或供水总量上都略低于阴坡地区 (东北坡、东坡、北坡、东南坡)(图3c);供水总量主要集中在东南坡和东北破(27．1%，26．8%)(图3c)。

单位面积供水量由山谷向上坡逐步微增，平坡地区的单位面积供水量明显低于其他坡位地区 (图3d);供水总量主要集中在上坡地区 (50．8%，50．0%)(图3d)。

图3 生态系统供水服务在不同地形要素上的分布特征Fig．3 The distribution of water supply service within different topography areas

3.3 生态系统供水服务在不同县域上的分布特征

结果显示，单位面积供水量较高的县为泸水县(792．8 mm/hm2) ＞兰坪白族普米族自治县(765．1 mm/hm2) ＞ 云龙县 (753．6 mm/hm2) ＞福贡县 (738．3 mm/hm2)，单位面积供水量较低的县为宾川县 (488．1 mm/hm2)、鹤庆县 (473．3 mm/hm2)和丽江市古城区 (473．1 mm/hm2)(图4)。供水总量较大的县为中甸县(15．5%，17．2%;前者表示占地区供水总量比例，后者表示占总土地面积比例，下同) ＞德钦县 (10．15%，10．9%)＞玉龙县 (8．4%，9．38%) ＞兰坪白族普米族自治县 (8．18%，6．63%)，供水量总量较小的县为鹤庆县 (2．7%，3．5%)、大理市 (2．1%，2．0%)和古城区 (1．5%，1．9%)(图4)。

图4 生态系统供水服务在不同县城的分布特征Fig．4 The distribution of water supply service within different counties

3.4 生态系统的供水服务评估

结果显示，供水能力较高的生态系统为冰雪和冰川 (1 082．73 mm/hm2) ＞ 灌丛 (871．26 mm/hm2)＞竹林 (858．79 mm/hm2) ＞草地 (806．84 mm/hm2)＞ 草甸 (703．39 mm/hm2) ＞ 温性针叶林 (626．81 mm/hm2)，较小的为落叶阔叶林 (543．47 mm/hm2)、暖性针叶林 (529．65 mm/hm2)和硬叶常绿阔叶林(510．45 mm/hm2)(图5)。供水总量较大的生态系统为温性针叶林 (21．23%，21．02%;前者表示该生态系统供水量占总供水量比例，后者表示该生态系统在区域的分布面积比例，下同)＞暖性针叶林 (18．36%，21．51%) ＞ 灌丛 (14．55%，10．36%) ＞稀树灌木草丛 (13．43%，15．16%)＞栽培植被(11．64%，11．94%)，较小的为冰雪(1．67%，0．98%)、落叶阔叶林(0．56%，0．64%)、草地(0．36%，0．28%)和竹林(0．17%，0．12%)(图5)。

图5 供水服务在不同生态系统中的分布Fig．5 The distribution of water supply service within different ecosystem types

4 结论与讨论

4.1 生态系统供水服务的空间分布成因

由于大尺度上研究资料的限制，InVEST模型中没有考虑雾气、地下水交换、植物叶片类型及季节性等因素对供水服务的影响［14］，难免会造成估算值出现偏差。研究所得本地区单位面积供水量比2012年《长江流域及西南诸河资源公报》［24］公布的西南诸河流域平均产水模数小约3 mm/hm2;比相关实测资料公布的川西滇北地区径流系数［25］仅偏大1%，说明InVEST模型在不同空间尺度下都具有良好的适用性。

“三江并流”区生态系统供水服务的水平空间分布与降雨分布格局基本保持一致，反应了季风气候与特殊地表格局对生态系统供水服务的主控影响［26］。本地区生态系统供水服务也表现明显的垂直分布规律;降水量、土壤以及生物群落的垂直地带性主要由海拔和坡位的变化产生［16，27］，由低海拔向高海拔、山谷向上坡，温度和植被覆盖度的递减［6，28］导致蒸散发量减少，单位面积供水量逐渐增加。坡度和坡向主要影响光照和温度，引起水分和土壤性质的变化［27］;在北半球，南坡以及西坡接受光照的时间长、强度大，导致蒸散发量相对较高［13，16，27］，这是供水量较北坡地区略少的重要原因，但坡向对光照的作用通常在孤山上更加显著［27］，因此对“三江并流”区这样的群山地区作用并不明显;在坡度较小的地区，土壤的养分和水分积累充足，通常是树木的生长地［16，27］，林木的蒸散较其他植被类型偏大［29］，因此随着坡度降低，供水量有所减少。

研究发现在一些地势平坦地区，单位面积供水量普遍偏低，可能的原因之一是这些地区主要位于中甸中部、丽江以及宾川部分地区，当地的降水量本就偏低［26］。此外，可能与这类地区通常是人类从事农耕等生产活动的主要场所［6］、作物蒸散较高、需水量也高有一定关系［29］，也说明人类活动可能会影响局部地区的生态系统供水服务。

4.2 生态系统的供水服务

由于人工建筑、裸岩等生态系统所占面积小，且不属于重要的保护对象［6，17］，故不做深入讨论和分析。基于InVEST模型评估的不同生态系统供水能力，基本符合前人的小区实验研究成果，即生态系统的供水量随着“林分郁闭度、灌草层的覆盖度以及枯枝落叶的量和土壤的非毛管孔隙度的增大而减小”［15］;说明本研究结果可为“三江并流”区的生态系统保护工作提供支持。冰雪是本地区单位面积供水量最高的生态系统，尽管其多年平均供水量接近其本身面积比例的2倍，但这一数值仅是基于多年平均降雨量数据的计算结果，并没有考虑季节性冰雪融水的供给量，而这部分供水量对河流枯水季节补水有巨大作用［30］。受气候变暖和人为活动的影响，需要尽快制定适应策略控制冰川的退缩。

本研究发现灌丛在本地区分布面积大、供水能力最强;竹林分布面积小，但供水能力较强，竹林还具备其他重要的生态和经济价值［31］，若遭毁坏，带来的损失尚不明确;现有的保护工作还未体现对灌丛和竹林优先保护［6，17，32］，说明当前的保护工作需要做出适当调整;但这并不意味着要盲目的减少暖性针叶林等供水能力相对较低的植被去扩张生态系统供水能力较高的植被，因为在局部地区，暖性针叶林等生态系统可能有着其他重要生态价值，如水土保持、调节气候等［6］，因此还需要结合实地情况，综合制定相应的保护和恢复措施。

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