乌江流域淡水生态系统服务时空变化特征分析*

郜红娟，蔡广鹏，罗绪强，李俊宏

(1.贵州师范学院 地理与旅游学院，贵州　贵阳550018；2.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州　贵阳550001)



乌江流域淡水生态系统服务时空变化特征分析*

郜红娟1，蔡广鹏2，罗绪强1，李俊宏1

(1.贵州师范学院 地理与旅游学院，贵州贵阳550018；2.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州贵阳550001)

淡水生态系统服务是生态系统服务研究的重要内容，对区域社会经济可持续发展具有重要的意义。本研究利用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型，对1990-2010年乌江流域水土保持和水供给服务时空特征进行了分析。结果表明，研究期间，乌江流域水土保持和水供给服务均呈先增加后降低趋势；水土保持和水供给的总量空间格局变化明显较平均值空间格局变化大；中部、西南部和北部是流域水土保持总量和平均值变化较为突出区域，北部和中南部是流域水供给总量和平均值变化较为突出区域，中东部一直为水土保持和水供给变化率变化最大区域；气候是导致乌江流域水土保持和水供给服务变化的主导因素，而土地利用变化的影响相对较小。研究结果将对区域生态环境规划提供科学参考。

水土保持；水供给；InVEST模型；时空变化；乌江流域

生态系统作为一个动态平衡系统，生物和环境之间进行物质循环和能量流动，为人类提供各种服务功能[1]。然而，全球经济的快速发展，不合理的资源利用，造成生态环境持续恶化[2]。因此，生态系统服务研究成为国内外研究的热点问题之一[3～4]。

目前，生态系统服务的研究集中在生态系统服务功能估算方法[5～6]和特定区域的生态系统服务功能评估[7]。在生态系统当量、系数、修正方法方面,Costanza、谢高地、徐丽芬等提出科学的方法[3,8～9]，研究对象主要涉及森林、耕地、湿地、河流、城市等。从生态系统服务分类角度看，当前研究集中于供给服务、调节服务和生物多样性[10]。然而，当前研究内容多集中于静态的生态系统服务价值评估[11～12]，忽视了生态系统服务的时空异质性。研究区域多集中于农牧交错脆弱区[13]、林草交错脆弱区[14]、荒漠绿洲交接脆弱区[15]，对喀斯特生态脆弱区的研究相对较少。

InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)是由自然资本项目支持开发的、用以量化多种生态系统服务功能的评估模型[5]。它可以将生态系统服务功能的时空变化可视化，且该模型数据导入少、输出多，同时还能进行多模块、多层分析[16～17]。其中周彬[18]和王纪伟[19]等利用InVEST模型分别对山区土壤侵蚀、森林生态系统水供给功能进行了评估。林世伟等对“三江并流”区的供水和土壤保持服务进行了评估[20～21]。然而，利用该模型对中国西南生态脆弱区流域生态系统服务的研究还较少。

乌江属于长江一级干流，是国家重要的水源地和水土保持区。退耕还林政策及长江和珠江上游防护林体系的建设，导致乌江流域生态系统发生改变。因此，本文以贵州省乌江流域为研究对象，利用InVEST模型，对其淡水生态系统服务时空差异进行分析，以期为西南流域生态系统可持续利用和生态环境规划提供重要科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

贵州省乌江流域(104°09′～109°38′E，25°26′～30°22′N)面积66 807km2，占总流域面积的70.03%(图1)。乌江属于长江一级支流，发源于贵州西部乌蒙山东部山麓威宁县境内的香炉山，干流在省境内流经威宁、水城、纳雍等23个县市，在东北部出境进入重庆，是典型的山区流域。主要支流有六冲河、三岔河、猫跳河、鸭池河、湘江、偏岩河、清水江、石阡河和余庆河等。乌江流域在贵州省流域内75.6%的地区为碳酸盐岩发育的喀斯特地貌。气候属亚热带季风湿润气候，温暖湿润，年均温13～18℃，年降水量约1 100～1 400mm。土壤类型以石灰岩、黄壤、粗骨土、石质土等为主，土壤蓄水保肥能力差，水土流失风险较大[22]。

图1　乌江流域

1.2数据来源

土地利用数据来源于美国国家航空航天局(NASA)的1990年、2000年和2010年Landsat TM/ETM (30×30m)遥感影像；DEM(Digital Elevation Model，即数字高程模型)(30m×30m)来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://datamirror.csdb.cn)；气象数据来源于中国气象科学数据共享中心(http://cdc.cma.gov.cn)；土壤数据来源于中国土壤数据库。

1.3InVEST模型

1.3.1水土保持

水土保持模块利用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)计算：W=RKLS-USLE①，USLE=R·K·L·S·C·P②，式中，W为单位面积水土保持量；RKLS为最大水土流失量(假设地表无植被覆盖)；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为作物覆盖和管理因子；P为水保措施因子。该模块所需输入参数主要包括DEM、降雨侵蚀力、土壤可蚀性、作物覆盖和管理因子以及水保措施因子。其中降雨侵蚀力是利用周伏建等的方法进行计算[23]；土壤可蚀性利用张科利等的方法计算[24]；水保措施因子以及作物覆盖和管理因子根据模型使用指南进行确定[25](表1)。

表1　InVEST模型参数设置

1.3.2水供给

2　结果与分析

2.1水土保持服务变化

1990-2010年间，乌江流域水土保持总量和平均量均先增后减。1990-2000年水土保持服务总量增加2.61×109t，变化率增加27.83%；平均量增加228.00t/hm2，变化率增加25.11%。2000-2010年水土保持服务总量减少1.89×109t，变化率减少15.76%；平均量减少176.00t/hm2,变化率下降15.49%(表2)。

表2　乌江流域水土保持服务整体变化

图2　1990年、2000年和2010年乌江流域水土保持总量空间格局

1990-2010年间，水土保持总量空间格局变化不大。1990年北部总量大于中部和南部；到2000年，西南部总量有所增加，北部变化不大；到2010年，西南和中北部总量有所减少，其他区域基本无变化(图2)。

1990年，平均水土保持量呈东北最大、西南居中、中部最低的空间格局；到2000年，西南部、南部和北部平均水土保持量增加；到2010年，中部和西南部平均水土保持量均呈降低趋势(图3)。

图3　1990年、2000年和2010年乌江流域平均水土保持量空间格局

1990-2000年，除西部小部分地区外，整个流域绝大部分区域水土保持均呈增加趋势。且中东部变化率(大于10%)大于西部地区(小于10%)。与1990-2000年相比，2000-2010年水土保持变化率呈相反特点。即除西部小部分地区外，整个流域绝大部分地区水土保持均呈降低趋势，且中东部变化率(小于-10%)小于西部地区(大于-10%)(图4)。

图4　1990-2010年乌江流域水土保持变化率

2.2水供给服务变化

1990-2010年间，乌江流域水供给总量和平均量呈现先增加后减少的整体变化趋势。1990-2000年水供给总量增加1.92×1014m3，变化率增加37.87%；平均量增加1 906.00m3/hm2，变化率增加33.91%。2000-2010年水供给总量减少1.56×1014m3，变化率减少22.32%；平均量减少1 619.00m3/hm2，变化率下降21.51%(表3)。

表3　乌江流域水供给服务整体变化

1990年，西南部和东北部总量明显大于中部；到2000年，东南部和北部总量有所增加；到2010年，中东部地区总量有所减少，其他地区变化不大(图5)。

图5　1990年、2000年和2010年乌江流域水供给总量空间格局

1990-2010年间，流域平均水供给空间格局变化剧烈。其中，1990-2000年流域平均水供给量有所增加，北部和中南部增加明显，大于7 000m3/hm2；2000-2010年流域平均水供给总体减少，尤以北部地区减少最为明显(图6)。

图6　1990年、2000年和2010年乌江流域平均水供给空间格局

1990-2010年间，乌江流域水供给变化率空间格局差异明显。1990-2000年，流域水供给变化率中南部介于0～10%之间，其余地区均大于10%；2000-2010年间，流域水供给变化率只有西北部一小部分在0～10%之间，其余均小于-10%(图7)。

图7　1990-2010年乌江流域水供给变化率

3　结论与讨论

3.1结论

1990-2010年，乌江流域水土保持和水供给量整体呈先增加后降低趋势。其中，1990-2000年，水土保持和水供给增加量明显高于2000-2010年减少量。流域水土保持和水供给量空间格局变化差异明显。水土保持和水供给总量空间格局变化明显较平均值空间格局变化大。其中，中部、西南部和北部是流域水土保持总量和平均值变化较为突出区域，北部和中南部是流域水供给总量和平均值变化较为突出区域，中东部一直为水土保持和水供给变化率变化最大区域;气候变化是影响该流域水土保持和水供给服务变化的主导因素，而土地利用变化的影响相对较小。

3.2讨论

当前研究表明气候变化和土地利用变化是影响淡水生态系统服务的重要因素[30]。其中，气候变化通过改变降水强度和降水量影响水土保持和水供给，而土地利用变化则通过改变作物覆盖管理因子和植被蒸散系数作用于水土保持和水供给[31]。研究期间该流域降水强度和降水量呈先增加后降低的特点，这与研究区淡水生态系统服务变化趋势一致，说明气候变化是影响该流域淡水生态系统服务变化的主导因素。其次，1990-2010年间，受退耕还林及长江、珠江上游防护林建设影响，贵州省自然植被持续恢复(林地增加，耕地减少)[32]，这势必会增加区域水土保持量，减少区域水供给。但研究区1990-2010年间水土保持和水供给却均呈先增长后降低趋势，说明土地利用变化对该区淡水生态系统服务变化影响较小。另外，乌江流域上游和下游水土保持量较大，而中游较低，这主要与地形差异及林地、草地和耕地等主要地类空间分布的不同有关[33]。乌江流域年降水量呈东南向西北递减趋势[34]，这与研究区平均水供给空间格局较为一致，说明该区降水量对水供给空间分布具有重要影响。然而研究区水供给总量空间格局与降水量空间分布的差异性突出，这主要与流域大小有一定的关系。

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Spatiotemporal Dynamics of Fresh Water Ecosystem Services in Wujiang River Basin

GAO Hong-juan1， CAI Guang-peng2， LUO Xu-qiang1,LI Jun-hong1

(1.College of Geography and Tourism,Guizhou Normal College,Guiyang Guizhou 550018,P.R.China;2.College of Geography and Environmental Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang Guizhou 550001,P.R.China)

As an important part of ecosystem service,freshwater ecosystem services have vital significance for regional social and economic sustainable development.The spatiotemporal characteristics of soil retention and water supply in Wujiang River Basin from 1990 to 2010 were analyzed by using the InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) model.The results show that soil retention and water supply during the study period in Wujiang River Basin experienced an initial increase,and then a decline.Spatial pattern change of the total soil retention and water supply is higher than that of the average soil retention and water supply;The central,north and southwest parts of the whole basin had great change of the total and average soil retention,while south central and north parts of the whole basin showed an obvious change of the total and average water supply.The mid-east part of the whole basin had the biggest change rate of soil retention and water supply.Climate change is the dominant factor resulting in the change of soil retention and water supply in Wujiang River Basin,while land-use change has a relative small effects on soil retention and water supply.The results will provide some scientific referencse for ecological environmental planning of particular region.

soil retention;water supply;InVEST model;spatiotemporal change;Wujiang River Basin

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.002

2015-08-13

国家自然科学基金项目(41563007),贵州省环境科学教学团队基金项目(黔教高[2012]426号)。

郜红娟(1981-)，女，讲师，主要从事自然资源开发与区域规划研究。E-mail：cgp1963@126.com

简介：蔡广鹏(1963-)，男，副教授，主要从事土地利用与规划研究。E-mail：cjp0123@sina.com

S 157

A

1672-8246(2016)03-0006-07