海南岛土地利用及产水量时空变化模拟

韩念龙，张亦清，张伟璇

(海南大学公共管理学院，海南 海口 570228)

土地利用变化对生态系统功能影响具有空间差异性，以生态系统碳循环为例，土地利用在热带和中高纬度地区分别导致碳释放和碳汇两种截然不同的变化[1]。热带地区土地利用改变导致反照率、蒸散发效率和地表粗糙率等变化的综合效应引起温度升高，从而对区域气候产生影响，进而影响生态系统功能[2]。生态系统产水服务是生态系统重要功能之一，科学评估热带区域土地利用/覆被变化对生态系统产水功能的影响，对热带区域的水资源利用有着重要意义[3]。生态系统服务与权衡交易的综合评估(integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)模型,其产水量模块主要基于水量平衡原理，根据土地利用、气候及土壤等要素实现对生态系统产水功能的定量、动态及可视化评估，目前已被学者应用于英国典型流域[4]、伊朗半干旱盆地[5]、横断山脉[6]、太湖流域[7]、三江源[8]、海南岛[9]和大连市[10]等国内外区域生态系统产水服务的评估研究，均取得较好的模拟效果。

土地利用的类型、格局和强度变化都会影响生态系统服务[11]，依据土地利用模拟预测可以定量评估生态系统服务的发展趋势，为未来生态系统的可持续发展提供支撑，这是当前生态与土地学科的交叉研究热点。土地利用预测模型如CLUE-S(conversion of land use and its effects at small region extent)[12]、LUSD(land use scenario dynamics)[13]和FLUS(future land use simulation)[14]等的研究应用已比较成熟,其中FLUS模型基于元胞自动机及自适应惯性竞争机制，与其他模型相比模拟精度更高，广泛应用于省级生态空间规划[15]、城市边界划定[16]及农牧交错带土地利用优化[17]等方面，但较少应用于热带区域土地利用变化模拟对生态系统功能的影响。

海南岛是我国典型的热带岛屿，作为一个独立地理单元，随着城镇化进程加快及旅游资源的释放，其生态系统功能受人类活动干扰发生的变化也较为明显。在此过程中发生的大规模土地利用变化显著影响了生态系统功能，而这些变化的趋势对生态系统产水功能的进一步影响仍不清楚。为探明人类活动导致的土地利用变化以及趋势对生态系统产水功能的影响，本文通过分析1995—2015年海南岛土地利用变化趋势，基于InVEST模型的产水模块和空间制图分析探讨期间海南岛的产水量变化趋势及空间格局，分析各种土地利用类型的产水能力；同时基于FLUS模型进行2035年不同政策下的土地利用变化情景模拟，评估其对岛屿产水功能的影响，为海南岛生态保护以及土地利用与水资源的保护与规划提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

海南岛位于我国南端，地处热带，位置在北纬18°10′～20°10′，东经108°37′～111°3′，陆域总面积约3.4万km2，整体地形为四周低中间高，地貌结构复杂(图1)。受热带季风气候影响，海南岛降雨比较丰沛，年均降水量约1 500 mm[9]。由于台风频繁及降雨时空分布不均等原因，海南岛极易发生暴雨洪涝灾害，洪涝灾害风险由海南岛中部地区向四周沿海地区逐渐增大，海南岛东部及北部地势平缓，人口密集，是发生洪涝灾害的高风险区。据相关统计，1949—1979年海南岛共出现洪涝灾害20次,给社会经济带来很大损失[18-19]。2019年海南省地区生产总值5 309亿元，比2018增长5.8%。常住人口为944.72万人，城镇化率为59.23%。根据海南自贸港建设的需求，未来常住人口仍将持续增加。2019年5月《国家生态文明试验区(海南)实施方案》提出，为进一步发挥海南省的生态优势，将海南定位为国家生态文明试验区，为推进全国生态文明建设探索新经验。由此可知，研究区自贸港建设在满足经济增长需要的同时，也面临着生态文明建设的挑战。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

研究数据主要包括用于产水量和未来土地利用变化的模拟所需数据。产水量模拟需要的数据包括土地利用、气象及土壤数据等；未来土地利用变化模拟则利用自然、交通区位以及社会经济等因素的空间驱动因子数据。具体来源如表1所示。

表1 数据来源

1.3 数据处理

产水量运算需要的数据包括土地利用、降水量、年潜在蒸散量、土壤深度、有效含水量和生物物理参数等。土地利用栅格数据是1995和2015年两期基于Landsat TM/ETM遥感影像分类生成的空间分辨率为1 km的数据产品，根据GB/T 2010—2007《土地利用分类现状》和海南岛实际情况将土地利用类型分为耕地、林地、草地、园地、水域、建设用地和未利用地7类。气象数据方面，为提升代表性，分别用1985—1995年和2005—2015年两个时段表示1995与2015两期的气象特征。其中，基于海南岛7个气象站点(图1)的日均降雨观测数据，处理得到多年平均降水量，通过反距离加权插值得到1995和2015年两期分辨率为1 km的降水量栅格数据；潜在蒸散量是基于7个气象站点的气温、风速、日照时数和气压等日值数据，采用Penman-Monteith公式[20]计算并插值得出分辨率为1 km的栅格数据。土壤深度栅格数据基于南京土壤所中国1∶100万土壤数据库提取；有效含水量栅格数据根据土壤质地中砂粒、粉粒及黏粒的比例，采用土壤有效含水量经验公式计算获取，并通过重分类生成，两者分辨率均为1 km。生物物理参数表的蒸散系数和植被根系深度分别根据联合国粮农组织作物蒸散系数指南[21]和Canadell等[22]的研究得到。

FLUS模型除了相应的土地利用数据外，还包括自然、交通及社会经济等驱动因子数据。其中，自然因子包括高程、坡度和到河流距离，这些数据从根本上影响着土地利用方式。研究采用SRTM 30 m分辨率的DEM数据，同时基于ArcGIS空间分析的坡度功能生成坡度数据。交通因素对土地利用格局也有较大影响，如城镇会沿着交通道路沿线发展；交通通达性因子包括到一般公路、高速公路、城镇中心的距离，利用ArcGIS欧式距离计算生成。社会经济因素对土地利用格局也有着相当大的影响，本研究将海南各市县的常住人口及地区生产总值数据进行空间格网化获取社会经济因子。

2 研究方法

2.1 InVEST模型的产水量模拟

InVEST模型产水量模块主要基于水量平衡的假设估算方法，以某个栅格单元的降水量减去实际蒸散发量即为产水量。每个栅格单元x的年产水量Y的计算公式为

(1)

式中：ETA为栅格单元x的年实际蒸散量；P为栅格单元x的年降水量。两者的比值即Zhang等[23]提出的近似Budyko曲线，计算公式为

(2)

其中

式中：ω为表征自然气候与土壤性质的非物理参数；WAC为植被可利用水含量；Z为季节常数，代表区域降水分布及其他水文地质特征，取值范围为1～10；R为干旱指数，定义为参考蒸散量ET0与降水量的比值；k为栅格单元x中植被蒸散系数。其中，ET0由Penman-Monteith公式[20]计算：

(3)

式中：Rx为地表净辐射；G为土壤热通量；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线在T处切线斜率；γ为干湿表常数；Tmean为日平均温度；u2为距地面2 m处风速；es为饱和水气压；ea为实际水气压。

2.2 基于FLUS模型的土地利用变化预测

FLUS模型主要由基于神经网络适宜性概率计算及基于自适应惯性机制的元胞自动机组成。本研究采用FLUS模型基于1995年与2015年的两期土地利用数据进行模拟，并由模拟结果预测2035年不同情景下的海南岛土地利用格局变化。首先，采用随机采样策略提取1995年数据的10%作为训练样本，设置训练隐藏层数为10，通过归一化驱动因子，利用神经网络算法计算得出2015年海南岛土地利用类型适宜性概率图层。同时，设定模型的邻域影响因子和转换成本，邻域影响因子用以反映不同用地类型之间以及邻域范围内不同用地单元间的相互作用，转换成本表示当前用地类型转换为需求类型的困难度。邻域影响因子的计算需要设定邻域因子参数，其范围为0～1，数值越大表示该用地类型的扩张能力越强。参考已有研究的经验并考虑热带岛屿的土地利用特征，依次定义各用地类型的扩张能力。建设用地的扩张能力最强，设为1；林地次之，为0.8；耕地、园地和草地均设为0.5；水域、未利用地最弱，设为0.1。研究选用3×3的Moore邻域模型计算邻域影响因子。然后，基于马尔科夫链模拟得到2015年各类用地的预期需求，计算实际用地之间的差异得到自适应惯性系数。最后，基于轮盘选择机制确定元胞最终转换的土地利用类型，从而实现2015年的土地利用模拟。

3 结果与分析

3.1 海南岛土地利用变化

1995年海南岛土地利用/覆被结构中，最高的林地占比50.8%，其次是耕地占比26.1%，第三为园地占比14.1%，水域、草地、建设用地及未利用地占比较小，分别为3.4%、3.1%、2.0%和0.5%。由表2可见，2015年，海南岛的耕地、林地、草地及未利用地面积均有不同程度的减少，林地面积占比49.3%，耕地占比25.5%，园地占比15%，水域、草地、建设用地及未利用地占比分别为3.7%、2.9%、3.3%和0.3%。林地面积减小最多，共计493 km2，其中52.2%转变成园地，18.8%转变成建设用地，16.7%转变成耕地；其次是耕地，面积减少219 km2，其中49%转变成了建设用地，19.8%转变成园地，16.4%转变成林地。建设用地、园地与水域面积增加，建设用地增加最多，共计440 km2，增幅为63.2%，主要由耕地(46.1%)、林地(26.4%)和园地(15.5%)转化而来。其次是园地，面积增加303 km2，增幅为6.4%，主要分别由林地(74.9%)和耕地(17.9%)转化而来。水域面积增加104 km2，增幅为8.9%，主要来自耕地(37.5%)、林地(28.9%)和园地(21.7%)的转化。总体而言，1995—2015年海南岛处于快速城镇化的过程，建设用地面积的增加主要来源于林地和耕地的转化。

表2 1995—2015年土地利用/覆被转移矩阵 单位：km2

3.2 海南岛产水量模拟

经反复计算验证，当季节常数Z取值2.6时模拟1995和2015年的海南岛多年平均产水总量分别为321.14亿m3和375.64亿m3,1995—2015年平均产水总量为348亿m3,与海南省水资源公报公布的1998—2015年多年平均地表径流量351亿m3较为接近,相对误差仅为0.85%，说明产水总量模拟效果较好。

对比激光刻蚀区域与未刻蚀区域的力学性能可以发现，3种铝合金的力学性能也基本相同，最大差异出现在LD10的抗拉强度，刻蚀后不过降低了3.7%。这进一步说明了刻型时激光不会对基体产生影响。

1995和2015年海南岛降水量均值分别为 1 858.6 mm、2 001.2 mm，潜在蒸散量均值分别为 1 065.2 mm、1 037.8 mm，实际蒸散量均值分别为897.5 mm、879.8 mm，产水深度均值分别为 944.08 mm、1 104.3 mm,除实际蒸散外均呈上升趋势，其中产水增幅为17%。图2～5为1995、2015年海南岛土地利用、年均降水量及产水深度情况。可见，1995—2015年，产水深度高值区在海南岛的东北部和东部沿海区域集聚，产水深度高值区主要位于城市建设区、园地及耕地分布的人类活动频繁区域。产水深度低值区的范围在西南部不断集聚并扩大，最终形成以中部山脉为界的东北高值区-西南低值区的海南岛产水深度分布格局。1995—2015年，海南岛西南部产水深度逐渐减少，但该区域中的城市建设区(如三亚、乐东及东方市)产水量依然增加(图5(b))。

(a) 1995年

(a) 1995年

(a) 1995年

(a) 1995—2015年降水量变化

从空间上看，海南岛产水深度空间分布受降水量和土地利用双重影响，空间格局具有较高一致性。这种分布格局与海南岛的降水量、植被分布及城市发展的格局存在直接关系，即降水多、植被蒸散量小或城市化进程高的区域，其产水能力较强。海南岛受东南季风影响，西南部处于中部山脉的背风坡，导致该区域降水相对少，加上区域森林植被覆盖率高及蒸腾作用，导致了西南部成为全岛的产水深度低值区。

1995—2015年，海南岛不同土地利用类型平均产水深度从大到小依次是建设用地、园地、草地、耕地、林地、未利用地和水域，各土地利用类型的单位面积平均产水深度依次分别为1 324.08 mm、1 123.96 mm、1 122.26 mm、1 117.05 mm、943.06 mm、730.14 mm和524.58 mm。

产水能力总体上与植被蒸散量呈反比关系[24]。

建设用地的植被最少，其蒸散量也最小，同时大量人工建筑地表增多导致不透水面积的增加，改变了水量平衡，使得降水入渗减少、洪峰流量增加，因此建设用地具有较高的产水量；林地对地表径流具有拦截作用，同时土壤入渗量增加，延迟了降水汇流时间，削减了洪峰流量，加上植被的蒸散发能力最强，因此林地的产水量相对较低[25]。

海南岛处于城镇快速化进程中，建设用地增幅较大，另一方面，由于种植业在热带地区的天然优势，园地增幅也较为明显，建设用地和园地的平均产水深度在各土地利用类型中较高；林地占比大，减小面积多，通过表2得知林地主要转换成产水深度较高的园地和建设用地；水域和未利用地的占比低，产水深度也较低，变动相对较小，对产水量的影响可忽略不计。因此剔除气候因素，导致海南岛产水量变化的主要原因是建设用地和园地的增加以及林地的减少，说明人类活动对海南岛生态系统产水功能产生较大影响。

3.3 土地利用情景对产水量的影响

3.3.12035年土地利用变化模拟

表3 不同情景转换成本矩阵

表4 2035年不同情景模拟的土地利用结果

由表4可见，基于自然发展情景模拟2035年的海南岛土地利用变化仍延续快速城镇化趋势，建设用地面积比2015年增加36.8%，建设用地扩张主要有以下特征：首先是海口与三亚两大城市边界的扩张，海口市主要向东西两侧以及南部区域扩张，三亚市则在原有城区以及其西边的崖州区扩张明显；其次是中西部城市如洋浦、儋州、屯昌、临高及澄迈等市城区的建设区扩大；第三是岛内园地区域的建设用地增加明显。园地比2015年增加5.94%，增加的范围位于海南岛中西部地区，由原先的小碎斑状范围扩大成块状区域。扩张的建设用地大都分布在园地区域内，可见种植业对生产生活等配套设施存在一定需求，从而导致建设用地增加。耕地减少2.38%，主要受到建设用地扩张的影响。林地、草地和水域均出现不同程度的减少，说明该情景下城市边界的扩张挤占了部分生态空间，不利于可持续发展。

由表4可见，基于生态空间保护情景模拟的2035年海南岛的建设用地较2015年增幅为3.18%，城镇化增长的迅猛势头大为减缓。保障生态空间的林地、草地和水体总面积比2015年增加0.52%。其中，林地面积与2015年相比微增0.12%，与1995—2015年大幅减少的趋势相比，已被遏制并得到改善。

3.3.2未来土地利用变化情景对产水量的影响

假设2035年研究区多年平均蒸散量及多年平均降水量同2015年保持一致，据此进行2035年海南岛产水量模拟。图6～8为2035年海南岛不同情景下土地利用及产水量模拟及变化情况，自然发展情景下，2035年海南岛平均产水深度为1 111.68 mm，比2015年增加7.38 mm。从空间上看，自然发展情景下产水深度增加区域主要位于海口和三亚两大城市扩张区域及部分零碎的山地区域(图8(a))；2035年海南岛产水量为378.15亿m3，较2015年增加2.51亿m3，增长0.67%。自然发展情景下海南岛延续着城镇快速发展的趋势，城镇建设使得不透水面增加，从而导致地表径流的增长，在此过程中需要防范城镇区域的洪涝灾害。生态空间保护情景下，2035年海南岛平均产水深度为1 102.02 mm,较2015年减少2.28 mm；空间上，2015—2035年产水深度无明显增加区域(图8(b))，显著少于自然发展情景；2035年海南岛产水总量为374.86亿m3，比2015年减少0.78亿m3，降幅为0.21%，比自然发展情景减少3.29亿m3。这主要是因为生态空间保护情景中，占海南岛比例最大的林地数量得以保留并略有增长。由于林草地对地表径流的拦截以及水域的蓄洪作用，减少地表径流，能够很好地抑制产水量的增加。不仅能够降低洪涝风险，还能达到生物多样性保护、水源地保护、水土保持等目的。因此，在坡地实施退耕还草还林、设置重点生态功能保护区等政策，对海南岛生态系统功能保护有重要意义。

(a) 自然发展情景

(a) 自然发展情景

(a) 自然发展情景

4 结 论

海南岛1995—2015年土地利用变化主要特征是快速的城镇化进程，表现为城镇化对林地和耕地的占用。产水量的模拟结果表明，1995—2015年海南岛的产水量增加，产水深度空间上形成了东北高-西南低的非均衡分布格局；在各土地利用类型中，建设用地的单位面积产水能力最高，园地次之，水域最低。对2035年土地利用变化的模拟结果显示，在自然发展情境下，海南岛仍延续快速的城市化趋势，导致产水总量比2015年增长了0.67%；在生态空间保护情景下，实施生态空间保护政策，使林地剧减的趋势得以减缓，有效抑制区域产水量，这表明实施严格的生态红线保护及退耕还林还草等政策，能够提升水源涵养、水土保持能力及碳汇等生态系统功能，降低洪涝风险。因此，一方面要科学管控城市的规模及其发展速度，城市建设用地产水量较高，降水到达城市不透水面后通过地下管网直接排掉，难以被人类循环利用；另一方面，要尽量减少对林地的侵占，增加城市绿化面积，保障城市的生态空间，同时发挥水库对降水的拦蓄作用，提高水资源利用率，这对降低暴雨洪涝风险，提升城市抗灾能力有积极作用。