基于InVEST模型的河南淅川县森林资源水源涵养功能评估

杨 英,王立新,任卫华,郑冬梅,智长贵

(1.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；2.周口市林业科学研究院,河南 周口466000；3.周口市川汇区林业技术工作站,河南 周口 466000)

基于InVEST模型的河南淅川县森林资源水源涵养功能评估

杨 英1,王立新2,任卫华3,郑冬梅1,智长贵1

(1.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；2.周口市林业科学研究院,河南 周口466000；3.周口市川汇区林业技术工作站,河南 周口 466000)

以淅川县为研究对象,采用Invest模型评估了2004年、2009年和2014年淅川县森林资源各地类水源涵养功能。结果表明：1)淅川县西部和北部地区水源涵养功能较好,东南部地区水源涵养功能较差。2)水源涵养功能在森林覆盖高的区域明显优于森林覆盖低的区域。3)乔木林地年均水源涵养量最大,为300.51mm；其他林地水源涵养量最小,为44.83mm。森林资源各地类年均水源涵养量大小顺序为乔木林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥未成林地﹥苗圃地﹥其他林地。

InVEST模型；森林资源；水源涵养

南水北调中线工程是当今世界上最大的跨流域调水工程,重点解决北京、天津、河北、河南4个省(直辖市)的水资源短缺问题,对于缓解我国北方水资源危机,实现水资源整体优化配置,促进北方经济社会环境可持续发展具有重要作用。淅川县是丹江口水库的重要水源地之一,是南水北调中线工程渠首所在地。森林资源在丹江口水库水源涵养方面发挥着重要的功能。本文选取南水北调中线工程水源区典型区域——淅川县,对该县森林资源的涵养水源功能进行评估,以期为南水北调中线工程建设和运行过程中森林资源管理以及生态环境保护提供基础数据和参考。

目前,国内外通常采用水量平衡法和降雨储存法评估森林资源水源涵养功能[1]。InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)能够模拟不同土地覆被格局情景下,生态服务系统物质量和价值量的变化,实现生态系统服务功能的量化[2-6]。InVEST模型采用水量平衡方法,水源涵养模块可通过分析不同土地利用类型下土壤渗透性的差异．结合地形及地表粗糙程度对地表径流的影响,以栅格为单元定量评价不同地块的水源涵养能力[3]。本文采用InVEST模型,充分考虑气候、地形、植被、土壤和土地利用等因素,客观分析与评价淅川县的森林资源水源涵养功能。

1 研究区概况

淅川县位于河南省西南部,地理坐标为北纬32°55′～33°23′,东经110°58′～111°53′。土地总面积为 2 818.12km2,县域西北—东南斜长107km,横宽46km[7]。地势由西北向东南倾斜,西北部为低山区,中部为丘陵区,东南部为岗地及冲积平原区。东南部的丹江口水库区为构造盆地地貌。气候属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候,四季分明,降水丰富,是南北差异的过渡地带,植被类型多样,植物资源丰富。根据国务院南水北调工程建设委员会办公室2015年技术咨询项目监测结果,2014年淅川县林地面积为137 649.93hm2,森林覆盖率为48.70%。其中乔木林地120 705.23hm2,占林地的87.69%；疏林地2 335.80hm2,占1.70%；灌木林地4 678.62hm2,占3.40%；未成林地822.71hm2,占0.60%；苗圃地193.39hm2,占0.14%；无立木林地24.50hm2,占0.02%；宜林地8 889.68hm2,占6.46%。

2 研究方法

2.1 水源涵养模型原理

InVEST模型根据水量平衡的原理实现水源涵养模块的功能。核心算法是运用水量平衡法结合气候、地形和森林景观类型计算得出流域每个栅格的水源供给量。水源供给量为区域上每个栅格单元的降雨量减去实际蒸发量。降雨量与蒸发量两者间的平衡关系受气象要素、土壤特征和地表覆盖等的影响。水源涵养量是在水源供给量的基础上，研究土壤厚度、渗透性以及地形等因素的作用，计算得到。

水源涵养量具体计算方法如下[8]：

WR=(1-TI)×Min(1,Ksat/300)×Min(1,TravTime/25)×Yield

(1)

式中：WR为多年平均涵养水量(mm) ；TI为地形指数，无量纲；Ksat为土壤饱和导水率(cm/d)；TravTime为径流运动时间(min) ，等于坡长除以流速系数(vel_coef)；Yield为水源供给量，由(2)式计算[8-10]：

(2)

式中：Yjx为第j个土地利用类型第x个栅格单元的年水源供给量；Px为第x个栅格单元的年均降雨量；AETjx为第j个土地利用类型第x个栅格单元的年平均实际蒸散发量，由(3)式计算：

(3)

(4)

式中：k为发育期中作物蒸散量ET与潜在蒸散量ET0的比值，即作物系数。

(5)

式中：Z为Zhang系数，是表征多年平均降雨特征的常数；AWCx为植被可利用的体积含水量(mm)，由土壤质地与有效土壤深度确定。

2.2 数据处理和校验

InVEST水源涵养模块需输入的参数有：降水量、潜在蒸散量、土壤深度数据、植被可利用水含量、蒸散系数、根系深度以及Zhang系数。其中蒸散系数、根系深度和Zhang系数采用相关文献资料数据[6,10-11]。其他参数须经过处理,以符合模型所需的数据格式。本文对2004年、2009年、2014年3期水源涵养状况进行研究,各期同一种数据的处理方法相同,以2014年所需数据进行列举。本文选用分辨率为30m×30m的遥感影像,数据处理原理与校验方法如下。

1) 植被数据获取。林地数据是依据淅川县最近的森林资源二类调查数据,结合2004年、2009年和2014年遥感变化情况,采用内业区划判读和现地调查得到。本文将淅川县的林地分为乔木林地、灌木林地、疏林地、未成林地、苗圃地、其他林地六大类。

2) 降雨量数据获取。降雨数据是根据淅川县乡镇气象站点以及周边县站点2004年、2009年和2014年的降雨观测点数据,采用Kriging空间插值,形成栅格数据格式。

3) 潜在蒸散量。指假设平坦地面被特定矮杆绿色植物(高0.12,地面发射率为0.23)全部遮蔽,土壤保持充分湿润情况下的蒸散量。本文采用Modified-Hargreaves法[12]：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.0123P)0.76

(6)

式中：T0为潜在蒸散量(mm/d)；RA为太阳大气顶层辐射量,单位为MJ/(m2·d),用气象站太阳总辐射数据计算获得；Tavg为日最高温均值和日最低温均值的平均值(℃)；TD是日最高温均值和日最低温均值的差值(℃)；P为月平均降雨量。将收集到的数据整理后,代入公式(6),得到淅川县年均潜在蒸散量。

4) Zhang系数。表征降雨特征的常数,代表季节降雨分布和降雨深度参数。将不同的 Zhang 系数值代入模型运行。再根据研究区多年平均蒸散量与平均水源供给量观测数据进行校验。

5) 植被可利用水。可以评估出土壤为植物生长所储蓄和释放的总水量,运用已经建立的基于土壤质地和土壤有机质数据的非线性拟合土壤AWC估算模型计算[13]。

AWC(%)=54.509-0.132×SAN%-0.003×(SAN%)2-0.055×SIL%-0.006×(SIL%)2-0.738×CLA%+0.007×(CLA%)2-2.688×(C%)+0.501×(C%)2

(7)

式中：SAN%,SIL%,CLA%和C%分别为沙粒、粉粒、粘粒和有机碳含量。

6) 土壤深度。壤深度根据森林资源二类调查数据结果中的属性数据,采用克里金插值法形成模型所需的面状栅格数据格式。

7)土壤饱和导水率。据土壤颗粒组成数据砂粒、粘粒、粉粒,用Rosetta软件计算,形成模型所需的面状栅格数据格式。

淅川县森林资源水源涵养模型所需生物物理参数如表1所示。

表1 InVEST模型参数表

3 结果与分析

3.1 空间分析

从森林资源涵养水源空间格局分布来看,2004年、2009年和2014年,水源涵养功能高值区位于淅川县的北部和西部地区,多年平均水源涵养量在221.81～281.33mm之间。这些地区降雨量高,植被覆盖度高,对水源的涵养能力强。生态水源涵养功能低值区分布于东南部的冲积平原区和中部部分地区,多年平均水源涵养量在109.02～13.58mm之间。这些区域年均降雨量低,且植被覆盖度低,对水源的涵养能力较弱(图1)。

图1 淅川县2004年 2009年 2014年水源涵养空间分布图

3.2 数量分析

2004年、2009年和2014年,淅川县年平均降水量呈减少趋势,分别为841,785,688mm。淅川县森林生态水源涵养量随着降水量的减少也有所下降。从3期各地类水源涵养总量来看,2004年、2009年和2014年森林资源水源涵养量分别为3.79×108m3,3.67×108m3,2.99×108m3,3期年均为3.48×108m3(表2)。从各地类3期年均水源涵养量来看,乔木林地水源涵养量最大,达到300.51 mm,灌木林地242.99 mm,疏林地205.23 mm,未成林地151.85 mm,苗圃地103.14 mm,其他林地44.83 mm。森林各地类年均水源涵养量大小顺序为乔木林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥未成林地﹥苗圃地﹥其他林地(表3)。

表2 淅川县 2004年 2009年 2014年森林资源各地类水源涵养总量统计

表3 淅川县2004年 2009年 2014年森林资源各地类水源涵养量统计

4 结论

1) 森林覆盖高的区域水源涵养功能较好；森林覆盖低的区域水源涵养功能相应较差。通过对比分析森林资源各地类的水源涵养功能得出：水源涵养能力最强的为乔木林地,依次为灌木林地、疏林地、未成林地和苗圃地,能力最差的为其他林地。

2) 加强森林资源保护与经营,着力提高森林质量。淅川县林地立地条件差,石灰岩山地广为分布,幼中龄林面积占乔木林面积比例高。在当前国家对南水北调中线工程水源区实施生态建设与生态补偿机制下,该县应抓住机遇,加强森林经营管理,合理调整林龄结构,重点营造生态林,提高森林资源的水源涵养功能,保证一库清水永续送出。

[1]姜文来.森林涵养水源的价值核算研究[J].水土保持学报,2003,17(2):34-36.

[2]李士美,谢高地,张彩霞,等.森林生态系统土壤保持价值的年内动态[J].生态学报,2010,30(13):3482-3490.

[3]余新晓,周彬,吕锡芝,等.基于InVEST模型的北京山区森林水源涵养功能评估[J].林业科学,2012,48(10):1-5.

[4]陈骏宇,刘钢,白杨.基于InVEST模型的太湖流域水源涵养服务价值评估[J].水利经济,2016,34(2):25-29.

[5]温晓玲,李天宏.淅川县生态服务价值估算及动态变化分析[J].南水北调与水利,2013,11(4):140-144.

[6]贾芳芳.基于InVEST模型的赣江流域生态系统服务功能评估[D].北京:中国地质大学,2014.

[7]智长贵,党永峰,殷格兰.基于InVEST模型的淅川县森林资源土壤保持功能评估[J].林业资源管理,2016(4):79-82.

[8]傅斌,徐佩,王玉宽,等.都江堰市水源涵养功能空间格局[J].生态学报,2013,33(3):789-797.

[9]Zhang L,Dawes W R,Walker G R.Response of mean annual evapotranspiration to vegetation changes at catchment scale[J].Water Resources Research,2001,37(3):701-708.

[10]BudykoMI. ClimateandLife[M].SanDiego:AcademicPress,1974.

[11]潘韬,吴绍洪,戴尔阜,等.基于InVEST模型的三江源区生态系统水源供给服务时空变化[J].应用生态学报,2013,24(1):183-189.

[12]李晨,崔宁博,魏新平,等.改进Hargreaves模型估算川中丘陵区参考作物蒸散量[J].农业工程学报,2015,31(11):129-133.

[13]周文佐,刘高焕,潘剑君.土壤有效含水量的经验估算研究——以东北黑土为例[J].干旱区资源与环境,2003,17(4):88-95.

Headwater Conservation Evaluation of Forest Resources in Xichuan County Based on InVEST Model

YANG Ying1,WANG Lixin2,REN Weihua3,ZHENG Dongmei1,ZHI Changgui1

(1.AcademyofForestryInventoryandPlanning,Beijing100714,China；2.ZhoukouForestryScienceResearchInstitute,Zhoukou,Henan466000,China;3.ChuanhuiDistrictForestryStation,Zhoukou,Henan466000,China)

With xichuan county as the research object,headwater conservation function is analyzed in 2004,2009 and 2014 by using the Invest model. The results showed that:(1)The headwater conservation function is better in western and northern regions of Xichuan,and is poor in the southeast.(2)The headwater conservation of the areas with high forest cover was significantly better than that of the areas with low forest cover.(3)The highest headwater conservation amount per year is arbor forests with 300.51mm,and the lowest is other woodland with 44.83mm. The order of headwater conservation amount of forest resources per year from high to low is arbor forests,shrub land,open forest land,immature forest land,nursery land and other woodland.

InVEST model,forest resources,headwater conservation

2017-03-17；

2017-05-18

南水北调中线水源区及沿线森林资源及生态效益监测评估(2016-2-32)

杨英(1982-),女,陕西延安人,工程师,主要从事森林资源监测与森林经营管理研究。 Email：xiaoyang19828@163.com

S715.7

A

1002-6622(2017)03-0051-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.011