河南省生态系统水源涵养功能及其空间分布格局

肖军仓 袁彩凤 张晓果

(河南省环境保护科学研究院，郑州 450004)

河南省生态系统水源涵养功能及其空间分布格局

肖军仓 袁彩凤 张晓果

(河南省环境保护科学研究院，郑州 450004)

本文采用水量平衡方程，对河南省生态系统的水源涵养功能状况及其空间特征进行了评估，并分析了河南省水源涵养功能重要性分级特征。结果表明，河南省水源涵养量总体上呈现南高北低、由东南到西北逐渐递减的趋势，淮河以南降水量较高地区的森林生态系统发挥着十分重要的涵养作用。在森林生态系统中，常绿阔叶林水源涵养能力最强。豫南地区南阳、信阳等森林生态系统面积较大的省辖市，水源涵养量最大。河南省水源涵养极重要区主要集中分布在桐柏-大别山区、大型河流、水库湿地等区域。

水源涵养；生态系统；空间特征；河南省

生态服务功能是指生态系统及其生态过程所形成的有利于人类生存与发展的生态环境条件与效用，例如森林生态系统的水源涵养功能、土壤保持功能、气候调节功能、环境净化功能等[1]。水源涵养功能是指生态系统通过截留降水、抑制蒸发、调节径流和净化水质等功能[2-6]，给生态系统和人类供给更多优质的水资源，是生态系统的一个重要生态服务功能。

水是生命之源，水源涵养功能评价是生态服务功能评价的重要部分，本文通过研究河南省生态系统水源涵养功能及其空间分布特征，确定水源涵养重要性区域，为区域重要生态功能区保护、生态保护红线划定提供科学依据。

1 研究区概况

河南地处黄河中下游，处于我国北亚热带和暖温带的过渡区，处于我国第二级地貌台阶向第三级地貌台阶的过渡带，地势西高东低，北、西、南三面为太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉，中、东部为黄淮海平原，西南部为南阳盆地。全省总面积16.7 万km2，约占全国总面积的1.73%，植被类型多样，森林覆盖率23.3%，境内有黄河、淮河、海河、长江四大水系。区域内森林植被地带性规律明显，以伏牛山主脉—淮河干流为南北分界线，南部属北亚热带落叶阔叶常绿阔叶针叶混交林带，北部属暖温带南部落叶阔叶林带。河南多年平均降水量空间分布自南向北递减，淮河以南地区年降水量在1000～1200mm之间；卢氏—许昌—商丘一线以南到淮河之间地区，年降水量700～900mm；此线以北的广大地区，年降水量在700mm以下。

2 研究方法

2.1 评估模型

水源涵养是森林、草地等生态系统通过其特有的结构与水相互作用，对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控，主要表现在缓和地表径流、补充地下水、减缓河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质等方面。水源涵养功能评价以水源涵养量作为指标，水源涵养量计算主要通过水量平衡方程[7]计算得到，降水量与蒸散量、产流量的差即为水源涵养量。计算公式为：

式中：TQi为第i个网格水源涵养量(m3)；Pi为降雨量(mm)；Ri为地表径流量(mm)；ETi为蒸散发量(mm)；A为网格面积(km2)；i为研究区第i个网格，以栅格数据的单个网格为计算单元。

地表径流量Ri由降雨量乘以地表径流系数获得。地表径流系数是指地表径流量(mm)与降雨量的比值。地表径流系数通过查阅文献资料获得[7]。

式中：R为地表径流量(mm)；P为多年平均降雨量(mm)；α为平均地表径流系数，地表径流系数详细见表1。

2.2 数据来源及处理

2.2.1 数据来源

河南省生态系统类型数据，以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，采用面向对象的分类技术解译生成[8]。2015年降雨量数据，来源于河南省气象局。实际蒸散发数据，来源于MODIS全球蒸散发产品(MOD16)数据(http：//www.ntsg.umt.edu/project/mod16)，MOD16蒸散算法详见其官方文献[9-10]。

表1 各类型生态系统地表径流系数均值

2.2.2 数据处理

(1)降量雨因子。在Excel中计算出区域所有气象站点的年降雨量，将这些值根据相同的站点名与ArcGIS中的站点(点图层)数据相连接(Join)。在Spatial Analyst工具中选择Interpolate to Raster选项，插值得到降水量因子栅格图。

(2)地表径流系数因子。参照表1对每一种土地利用类型进行赋值，并将其转化为地表径流系数因子栅格。

(3)蒸散发因子。MOD16蒸散发数据，在水体、城市建成区等区域是默认缺失值(65535)，首先利用Raster to Point工具，将蒸散发栅格转换为点，然后进行插值，生成新的栅格；利用栅格计算器中的con函数，将原始蒸散发栅格数值为65535的栅格赋值为插值所得的栅格数值，其他栅格数值保持不变，由此得到填补后的蒸散发栅格数据。

2.3 评价分级

在ArcGIS栅格计算器中，根据公式(1)、(2)计算得到水源涵养量，将水源涵养量从大到小排序，累积得到水源涵养总量，总量的50%划分为极重要，其余的25%划分为重要，剩下的15%为中等，最后10%为一般。

采用ArcGIS中的Spatial Analyst模块中的Zonal Statistics as Table工具，统计得到河南省省各地市、各生态系统类型水源涵养量，并根据公式3计算得到水源涵养能力指数EQ。

式中：EQ为水源涵养能力指数(104m3/km2)；TQ为水源涵养量(m3)；A为行政区(生态系统)面积(km2)。

3 结果与分析

3.1 水源涵养功能空间分布特征

3.1.1 水源涵养量空间分布特征

2015年河南省水源涵养总量为76.4亿m3，水源涵养量总体上呈现南高北低、由东南到西北逐渐递减的趋势，淮河以南降水量较高地区的森林生态系统发挥着十分重要的涵养作用，河南省水源涵养量分布见图1。水源涵养量较高的区域主要集中在豫南大别山区、桐柏山区、伏牛山南麓、外方山东坡，水源涵养量中等的区域主要分布在太行山区、伊洛河流域、南阳盆地、淮河以南的平原地带，豫北平原、淮北平原的水源涵养量较低。

图1 河南省水源涵养空间特征

3.1.2 不同生态系统水源涵养功能差异

由于降水条件、植被结构在地理空间上的差异，不同生态系统的水源涵养功能也表现出明显的差异。本文统计了河南省主要的生态系统2015年的水源涵养量及其百分比，见图2。由图中可以看出，在所有生态系统类型中，森林是河南省生态系统水源涵养的主体，其水源涵养量为47.57亿m3，约占全省主要生态系统水源涵养总量的62.26%。在森林生态系统中，落叶阔叶林、落叶阔叶灌木林的水源涵养量最大，分别为30.06亿m3、11.63亿m3。从水源涵养能力来看，水源涵养能力最强的是常绿阔叶林和湿地，其次是常绿针叶林和园地。

图2 河南省主要生态系统水源涵养特征

3.1.3 不同区域水源涵养功能差异

本文统计了各省辖市的水源涵养特征，见图3。从图3来看，各省辖市的水源涵养量空间分布特征与省域生态系统类型空间分布特征基本一致。豫南地区南阳、信阳、驻马店等省辖市，因为区划面积大、降水量丰富、主要为森林生态系统等因素，水源涵养量最大，其次是洛阳、平顶山，其他地区水源涵养量较低。信阳水源涵养能力最高，其次是洛阳，接着是南阳、三门峡。

图3 河南省各省辖市水源涵养特征

3.2 水源涵养功能分级评价

本研究将水源涵养重要性分为一般、中等、重要和极重要4个等级，得到河南省生态系统水源涵养重要性分级分布情况，见图4。结果表明，极重要区的总面积为9650.63km2，约占全省生态系统总面积的24.0%，占全省国土总面积的5.78%，极重要区的水源涵养总量为38.19亿m3，约占全省水源涵养总量的50.0%，极重要区域主要集中分布在桐柏-大别山区，伏牛山、外方山、熊耳山等山区零星分布，黄河、淮河、丹江口水库、宿鸭湖水库、白龟山水库、昭平台水库、鸭河口水库、陆浑水库等大型河流、水库湿地区域也呈零星分布态势；重要区的总面积为7818.19km2，约占全省生态系统总面积的19.4%，占全省国土总面积的4.68%，重要区的水源涵养总量为19.11亿m3，约占全省水源涵养总量的25.0%，重要区域零星分布在伏牛山、太行山部分区域；中等重要区的总面积为7602.38km2，约占全省生态系统总面积的18.9%，占全省国土总面积的4.55%，中等重要区的水源涵养总量为11.46亿m3，约占全省水源涵养总量的15.0%，中等重要区域零星分布在伏牛山、太行山、小秦岭部分区域；一般重要区的总面积为15167.81km2，约占全省生态系统总面积的37.7%，占全省国土总面积的9.07%，一般重要区的水源涵养总量为7.64亿m3，约占全省水源涵养总量的10.0%，一般重要区域集中分布在伏牛山、熊耳山、太行山、崤山等区域。

图4 河南省2015年水源涵养重要性

4 结 论

本文基于水量平衡方程，计算得到河南省生态系统水源涵养量，分析不同生态系统类型的水源涵养能力及其空间分布特征，并对其水源涵养重要性进行分级。得出以下结论：

(1)河南省水源涵养量总体上呈现南高北低、由东南到西北逐渐递减的趋势，淮河以南降水量较高地区的森林生态系统发挥着十分重要的涵养作用。森林是河南省生态系统水源涵养的主体，其水源涵养量约占全省主要生态系统水源涵养总量的62.26%。在森林生态系统中，落叶阔叶林的水源涵养量最大，常绿阔叶林水源涵养能力最强。豫南地区南阳、信阳等森林生态系统面积较大的省辖市，水源涵养量最大，信阳水源涵养能力最高。

(2)河南省水源涵养极重要区主要集中分布在桐柏-大别山区、大型河流、水库湿地等区域；极重要区域以占5.78%的国土总面积，涵养了50.0%的水源涵养总量。

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WaterConservationFunctionoftheEcosysteminHenanProvinceanditsSpatialDistributionPatterns

XIAO Juncang YUAN Caifeng ZHANG Xiaoguo

(Henan Academy of Environmental Protection Research，Zhengzhou 450004，China)

Based on the water balance equation，the ecosystem function of water conservation status of Henan province and its spatial characteristics were evaluated，and the importance of water conservation function classification characteristics of Henan province were analyzed.The results showed that the amount of water conservation in the south was higher than the north，from southeast to northwest gradually decreasing，the forest ecosystem which had a high precipitation plays a very important role in water conservation of South of Huaihe.In forest ecosystem，evergreen broad-leaved forest water conservation ability is strongest.The amount of water conservation in the south is the largest，such as Nanyang and Xinyang，which had the largest forest ecosystem area.The extremely importance areas of water conservation of Henan province are mainly located in Tongbai-Dabie mountains areas，larger rivers and reservoirs.

water conservation；ecosystem；spatial patterns；Henan province

X21

A

1673-288X(2017)05-0160-03

肖军仓，硕士，工程师，从事区域环境模拟及生态保护规划研究

袁彩凤，硕士，教授级高工，主要从事环境规划与规划环评研究

文献格式：肖军仓 等.河南省生态系统水源涵养功能及其空间分布格局[J].环境与可持续发展，2017，42(5)：160-162.