黔中城市群不同石漠化等级的水源涵养功能

罗毓融， 杨广斌

(贵州师范大学 地理与环境科学学院， 贵州 贵阳 550025)

贵州省作为典型喀斯特省份，其生态环境尤为脆弱，水土流失严重，石漠化加剧等生态问题日趋加重。黔中城市群位于贵州省中部地区，包括贵阳市、遵义市、安顺市、毕节市、黔东南州、黔南州和贵安新区7个市(州、区)的33个县(市、区)，区域总面积5.38万km2。据《黔中城市群发展规划》指出，黔中城市群是贵州省建设国家生态文明试验区、大数据综合试验区和内陆开放型经济试验区的重要支撑。水资源是构成生态系统不可缺少的要素之一，随着社会与科技的发展，人类活动的加剧将原有的生态平衡打破，社会的可持续发展和人类的生存都面临着挑战。水源涵养通过截留降水、抑制蒸发，调节径流和净化水质等功能为生态系统和人类生活提供水资源[1]。关于水源涵养功能已有较多的研究报道，马雪华[2]研究了土壤层厚度和非毛管孔隙度的乘积来表示土壤蓄水能力；郎奎建等[3]研究了林冠层截留量、枯落物持水量和土壤层贮水量的综合蓄水能力；邓坤枚等[4]通过降雨量和林冠截留率来计算林冠截留剩余量；张三焕等[5]通过平均降雨量与森林覆盖率来计算降水储存量等。鲜见关于不同石漠化等级水源涵养功能的研究报道。为此，选择贵州省黔中城市群为研究区，利用遥感技术与GIS等空间技术，结合专家评判与层次分析法，运用水量平衡法研究其不同石漠化等级的水源涵养功能，以期为黔中城市群水源涵养功能的提高提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

贵州省2010年landsat8 影像，下载自USGS官网，利用ENVI等软件对图像进行几何校正、辐射定标、剪裁等处理；气象数据，来源于中国气象数据网，并运用克里格插值法对获取的34个气象站点数据进行降水量及蒸发量的插值运算；植被覆盖度数据，来源于美国国家航空航天局的MODIS反射率数据；土地利用数据，是通过从高分辨率影像上目视解译得到；石漠化等级数据，来源于项目《喀斯特地区石漠化程度的空间分异格局和十年变化》；坡度数据，来源于地理空间数据云的DEM(GDEMDEM 30M 分辨率数字高程数据)数据经处理后得到。

1.2 研究区概况

黔中城市群地势起伏较大，地貌类型复杂，平均海拔为1 100 m左右。由于地处喀斯特地区，部分区域岩溶地貌发育非常典型，石漠化较为严重。区域内河网密布，主要以乌江、清水江、赤水河、三岔河和六冲河等；区域内地带性植被为亚热带常绿阔叶林，物种丰富，植被覆盖率较高，属亚热带季风气候区，降雨量充沛，冬无严寒，夏无酷暑；年平均气温14～17.6℃，年平均降水量896～1 342 mm。

1.3 方法

1.3.1 水源涵养量 根据前人的经验及黔中城市圈的区域特征，参考文献[6]的方法，采用水量平衡法计算贵州省黔中城市群2010年的水源涵养量(W，m3/a)。

W=(R-E)A

式中，W为水源涵养量(m3/a)，E为平均蒸散量(m3/a)；A为研究区面积(hm2)；R为平均降雨量(mm)。

1.3.2 水源涵养功能重要性评价指标的选择及其权重与等级划分

1) 指标的选择。水源涵养是生态系统通过林冠层、枯落物、根系以及土壤层对降水进行再分配的复杂过程[7]，影响水源涵养功能的因素较多，在选取水源涵养功能重要性评价指标时必须遵循科学性、主导性、综合性及可操作性原则。选择具有代表性且能够明显反映出水源涵养功能差异的关键因子作为评价体系的指标。参考国内外水源涵养功能重要性评价指标的建立，结合黔中城市群的实际情况，选取土地利用类型、植被覆盖度、降水量、蒸发量、土壤保持量和坡度作为评价体系的主要指标。

2) 评价指标的权重及等级划分。在专家咨询的基础上，运用层次分析法计算水源涵养功能重要性评价体系各指标的相应权重(表1)，以GIS和RS为技术支撑，综合考虑自然因素及人为活动等影响因子，并根据相关研究结果，确定各因子的分级标准(表2)。

表1 水源涵养功能重要性评价体系各指标的权重Table 1 Evaluation index system and weight of importance of water conservation function

表2 水源涵养功能各重要性区域的评价体系Table 2 Evaluation system of important regions of water conservation function

运用加权求和的方法综合评价水源涵养功能的重要性，计算公式如下。

Ej=∑c(i,j)wij

式中，Ej为j空间单元水源涵养功能重要性综合指数；C(i,j)为j空间单元第i个因素重要性等级值；wij为影响水源涵养功能重要性因子的权重。

2 结果与分析

2.1 黔中城市群水源涵养功能的重要性

黔中城市群水源涵养功能的重要性分为极重要、高度重要、中度重要、轻度重要和一般重要5个区域，其空间分布见封三图Ⅰ。水源涵养功能极重要区和高度重要区占研究区总面积的49.35%，集中分布在东部和南部，较少分布于北部，该区域植被覆盖度较高，覆盖类型主要为林地类和草地类，且降水量较为丰沛，土壤蓄水能力较高，水源涵养功能重要性程度高。水源涵养功能中度重要区占研究区总面积的23.6%，主要分布在研究区河流水系发达的区域，该区域的水源涵养功能重要性程度较高。水源涵养功能轻度重要区占研究区总面积的18.7%，主要分布在北部地区，稀疏分布于东部地区、南部地区及西部地区，该区域的主要覆盖类型为水田及旱地，其水源涵养功能较弱，加之人为活动的影响，该区域的水源涵养功能重要性较低。水源涵养功能一般重要区占研究区总面积的8.35%，该区域主要覆盖类型为建设用地及裸地，蓄水能力差，水源涵养功能重要性程度低。

2.2 黔中城市群的石漠化等级

黔中城市群除非喀斯特地区外，其余区域皆存在石漠化现象，因此，石漠化状况受喀斯特分布的影响较大。黔中城市群的石漠化土地面积占研究区总面积的19.17%，占研究区喀斯特地区总面积的24%，石漠化形势相对严重。但研究区的石漠化等级主要为中度石漠化及轻度石漠化，占研究区石漠化总面积的92.29%，极重度石漠化和重度石漠化分布较少，仅7.71%。黔中城市群不同无石漠化等级所占面积依次排序为无石漠化>轻度石漠化>中度石漠化>重度石漠化>极重度石漠化(封三图Ⅱ)。

2.3 黔中城市群不同石漠化等级的水源涵养功能

从不同石漠化等级水源涵养功能的重要性区域看，高度重要区在各石漠化等级中所占面积最大，极重度、重度、中度和轻度石漠化等级地区的面积分别为11.62 km2、250.70 km2、1 584.91 km2和1 852.43 km2，该区域降水量大，植被覆盖度高，蓄水能力强；一般重要区在各石漠化等级中所占面积最小，极重度、重度、中度和轻度石漠化等级所占的面积分别为4.26 km2、71.17 km2、368.40 km2和353.39 km2，该区域主要为建设用地，人类活动频繁，蓄水能力差。在无石漠化区域，各水源涵养功能重要区所占面积依次为高度重要区>中度重要区>轻度重要区>极重要区>一般重要区。

从表3看出，在水源涵养功能极重要区，轻度石漠化面积最大，为878.45 km2；极重度石漠化面积最小，为8.2 km2。在水源涵养功能高度重要区，轻度石漠化面积最大，为1 852.43 km2；极重度石漠化面积最小，为11.62 km2。在水源涵养功能中度重要区，中度石漠化与轻度石漠化面积相对较大，二者所占面积接近，分别为1 133.78 km2和1 118.25 km2。在水源涵养功能轻度重要区，中度石漠化面积最大，其次为轻度石漠化；在水源涵养功能一般重要区，中度石漠化与轻度石漠化所占面积差距极小，极重度石漠化面积最小。

从喀斯特地貌与非喀斯特地貌看，非喀斯特地区各水源涵养重要性区域的面积依次为高度重要区>中度重要区>极重要区>轻度重要区>一般重要区。

表3 不同石漠化等级水源涵养功能重要性区域的面积Table 3 Important region area of water conservation function for different rocky desertification grades km2

3 结论与讨论

人类活动使植被类型及土地的利用类型发生改变，从而直接影响区域水源涵养的变化；植被覆盖度是描述生态系统的重要参数之一[8]，一般情况下，植被覆盖度高的地区，植物生长茂盛，水源涵养量高，反之则水源涵养量低；由于水源涵养功能是多个水文过程及水文效应的综合表现[9]，区域内的降水量、蒸发量、径流量和水质情况等对水源涵养功能产生综合影响。综合自然和人为因素选取植被覆盖度、降水量、蒸发量、坡度、土地利用类型、土壤保持量6个影响因子，基于专家判断和层次分析法构建了水源涵养功能重要性评价体系，研究得到2010年贵州省黔中城市群水源涵养功能重要性的空间分布状况。

研究结果表明，在各水源涵养功能重要性区域中主要以轻度石漠化为主，极重度石漠化极少，且水源涵养功能重要性越高其区域范围内石漠化程度相对较低；但在各石漠化等级中，水源涵养功能重要性等级和石漠化等级并无严格线性关系，其等级间的相互关系较为复杂。

石漠化等级评价受植被覆盖度、土地利用类型、坡度、基岩裸露率和降雨量等的影响，水源涵养功能重要性评价受植被覆盖度、降水量、蒸发量、土地利用类型、土壤保持量和坡度的影响，二者在受到部分相同因素影响的同时，也互相作用。石漠化程度高的区域，一般植被覆盖度低，在降水过程中土壤随着雨水的流动而发生位置移动，加重该地区的水土流失，岩石裸露，并随着时间的推移而演化为石漠化景观，其水源涵养功能的重要性程度低。而水源涵养功能重要性程度高的区域，一般植被覆盖度较高，水土保持能力较强，蓄水能力也相对较强，从而有利于植被的生长，减少水土流失，可有效防治石漠化的发生。