土地利用变化对产水量时空变化影响分析

陈璇璇,汪丽娜

(华南师范大学地理科学学院,广东 广州 510631)

生态系统可以生产维护水资源,其产水服务对维持人类生产生活和促进区域可持续发展具有重要作用[1-3]。区域生态系统产水服务能力对土地利用变化的响应规律已是全球变暖环境下“双碳”目标实现过程中关于水资源优化配置、水循环相关研究领域的热点之一。土地利用变化影响地表径流、蒸发等进而影响区域产水能力[4-5]。产水量是城市水资源供给能力的关键体现,研究产水量对城市生态系统服务和城市发展规划具有重要作用。因此,探讨土地利用类型变化对产水量的影响程度,对区域水资源开发与管理、水资源可持续利用等有一定的指导意义。

近几年,关于产水量的计量评估模型有丰富的研究成果,其中InVEST模型的研究较为广泛[6]。InVEST模型可根据不同土地利用类型评估生态系统产水服务功能[7]。不少学者通过InVEST模型对南四湖流域、官厅水库流域、张家口地区、石羊河上游等地的生态系统产水量进行评估解析[8-11]。关于土地利用类型变化对产水量的影响,史培军等[12]认为深圳市土地利用变化对产水量影响较大。黄欣等[13]、周懿琳等[14]、郭丽洁等[15]发现影响产水量的主要控制因子之一是土地利用类型。具体到各类土地利用类型对产水量的影响相关研究上,Poff等[16]、韩念龙等[17]研究结果表明,城市化带来的土地地表硬化对流域产水量的影响较为显著。傅春等[18]发现赣江流域不同土地利用类型产水量排序依次为:林地>耕地>草地>城乡用地>水域用地>未利用地。李芳等[19]、杨洁等[20]分别在对黑河流域和黄河流域的研究中得到:对流域产水总量贡献较大的是草地,冰雪和荒漠的平均产水深度最高。窦攀烽等[21]发现城镇化会增加产水量,退耕还林还草会导致产水量的减少。综上,不同研究区域土地利用类型影响产水量的程度不一,相关研究将有助于区域水资源合理配置。结合广东省区位独特,境内地理环境复杂,区域人口密度较大的特点,其区域土地利用类型、水文、土壤、植被等在空间上存在明显差异,使得其产水服务及其变化呈现出明显的空间差异性,对水资源配置产生一定的影响。本文以广东省为例,研究土地利用变化对产水量的影响。本文具体研究目的如下:①利用InVEST模型,输入广东省气象数据、流域数据等,模拟广东省1980—2020年8期土地利用格局下的产水量,探讨不同时期产水量的特征;②采用情景分析法和相关性分析法,分析产水量差额与土地利用变化的相关关系,定量解析广东省土地利用变化对产水量的影响强度。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

广东省(图1)土地面积为17.97万km2,其地形北高南低:北部主要以低丘与山地为主,地势较高;南部以平原为主,地势较低。广东属于东亚季风区,从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候,是全国光热和水资源最丰富的地区之一,年平均气温21.8℃,最冷月份1月平均气温16～19℃,最热7月平均气温28～29℃。广东省降水丰富,平均降水量为1 789.3 mm。

图1 研究区域

由于篇幅限制,本文呈现2020年广东省土地利用类型图。由图2可知,广东省城乡用地多集中在珠江三角洲区域,区域耕地、林地面积广大。

图2 2020年广东省土地利用类型

1.2 本文主要研究方法

1.2.1InVEST模型

本研究采用InVEST模型“Water Yield”产水量模块评估广东省生态系统产水服务能力,解析其时空变化特征。其是根据水量平衡法的相关原理进行设计,经过模型计算得出每个栅格的产水量[22]。InVEST模型年产水量计算公式见式(1):

(1)

式中x——栅格,Qx——年产水量;AETx——年蒸散量;Px——年降水量。

(2)

(3)

(4)

AETx=Min(KCx×ET0x,Px)

(5)

式(5)以栅格x为计算主体,Rx为x的Budyko干燥度指数。KCx为x的植被蒸散系数,具体取值可以用相关公式计算,也可以参考相关文献。AETx由降水量决定其最大值。wx可理解为一个无量纲的参数,其计算根据Donohue等[23]的定义为:

(6)

式(6)中AWCx为土壤有效含水量。Z为季节常数,综合考虑广东省气象气候等特征,结合相关参考文献,将其取值为18。

1.2.2情景分析法

控制气象要素等输入数据不变,改变土地利用数据的输入,计算此种情况下的产水量,将其与输入实际土地利用数据的产水量进行对比,进而实现研究目标:定量计算土地利用变化情况下产水量差额。本文主要设置3个情景:1980—1990、1995—2005、2010—2020年3个阶段土地利用变化对产水量变化的影响。具体情景见图3。

图3 本研究设置的情景

1.2.3土地利用类型转移矩阵

基于土地利用类型转移矩阵,得到广东省1980—1990、1995—2005、2010—2020年3个情景下不同土地利用类型转化面积。土地利用类型转移矩阵计算较为简洁,结果的准确度对土地利用数据精度要求较高,表达式见式(7):

(7)

式中S——不同土地利用类型的面积;n——类型数;i、j——研究阶段的始末。

1.2.4相关性分析

利用统计分析软件SPSS25,采用Spearman相关分析,解析广东省21个地级市各市产水量差额和土地利用类型转化面积的相关性系数,从而定量反映广东省土地利用变化对产水量的影响强度。变量相关的显著性水平是否具有统计学意义借助p值进行判断,借以衡量结论可信度。基于小概率原理,统计学使用p值说明变量之间相关性关系的显著性,其值越小表明结果越显著可靠,越具有统计学意义。本研究在分析中选取显著性p<0.05和p<0.01为指标纳入参考,即p<0.1说明相关性很显著,0.10.5说明相关性不显著。

2 数据来源

本研究所采用的数据主要包括:土壤数据(包括土壤有效含水量数据、土壤根系障碍物深度数据)、土地利用数据、气象数据(包括降水数据、蒸散发数据)等,相应的数据来源见表1。

表1 数据来源

3 结果

3.1 广东省产水量时间变化特征

本文利用InVEST模型,通过GIS以表格显示分区统计得到省产水深度的年平均值,见表2。

表2 广东省1980—2020年降水量、实际蒸散量、产水深度的变化 单位:mm

表2说明:1980—2020年广东省年平均产水深度变化范围为974～1 375 mm,过去40年广东省年平均产水量变化趋势表现为波动变化。其中,1980—2015年整体上呈现增加的趋势。从表2分时间段来看,广东省1980—2000年产水深度略微下降,下降幅度为4.9%。广东省2000—2010年产水深度增加,增加幅度约为15.5%。广东省2010年之后,特别是在2020年,其产水深度明显减少,减少量将近为360 mm,这符合2020年广东省旱情严重的情况。将产水深度与降水量、实际蒸散量进行对比观察,发现降水量越多,实际蒸散量越少,其产水深度就越高。综合来看,1980—2020年广东省产水量处于波动状态,1995、2005、2010、2015年广东省的产水能力较强,主要的因素是这些年份降水量较多。

3.2 广东省产水量空间变化特征

利用InVEST模型得到广东省各年产水量,通过ArcGIS对产水量结果进行空间分析,得1980—2020年广东省的产水量空间分布(图4)。

c)1995年

由表2和图4可知,1980年高值区在湛江市附近,低值区在潮州市、云浮市附近,大体呈现由西南到东北递减的趋势;1990、1995年高值区分别在潮州市、阳江市附近,其余城市产水量均较低;2000、2005年产水量高值区由中部向四周减少,不同地理位置差异较大;2010年出现广州市和阳江市2个高值区;2015、2020年产水量呈现中心偏高,空间分布格局与2000、2005年相似,高值主要集中在广州市、清远市、惠州市等城市,东北和西南产水量偏低。在整体空间区域上,研究发现广东省产水量呈现中心偏北高,东北和西南较低的空间分布特征(图4)。具体表现为广州市、惠州市、佛山市、中山市、深圳市、珠海市、东莞市、清远市、韶关市等产水量较高,其余相对较低。除了气候变化的影响,呈现以上空间分布格局的主要原因是城市化导致的土地利用变化,高值区大多是城市化水平较高的城市,地表硬化程度高,下渗少,因此产水量多。

3.3 各城市土地利用面积变化造成的产水总量差额

本文通过情景分析法,不改变气象因素,仅改变土地利用情景,实现分析土地利用变化对产水量造成的影响,不同年份设置情景见图5,通过计算原始产水量与情景模拟后的产水量之差,得到产水量差额。

a)1990年各城市产水总量差额

图5a情景一下1990年各城市产水总量差额说明,1980—1990年间大多数城市的土地利用变化使得产水总量减少,21个地级市中只有东莞、深圳、中山、珠海的土地利用变化造成产水总量增加。由图5b情景二下2005年各城市产水总量差额可知,在1995—2005年间21个地级市中东莞、佛山、揭阳、深圳、中山这5个城市土地利用变化造成的产水总量是增加的。图5c情景三下2020年各城市产水总量差额表明,与1980—1990年相反,在2010—2020年间土地利用变化使大多数城市产水总量增加,21个地级市中只有揭阳、汕尾、湛江的产水量是减少的。整体上形成以上空间分布趋势的主要因素是近十年广东省大多数地级市城市化水平提高,各个城市路面硬化度提高,水流下渗减少,产水总量增加。

3.4 土地利用变化与产水量差额的Spearman相关性分析

利用土地利用类型转移矩阵,得到3个情景下21个地级市不同土地利用类型转化面积数据,与上文得到的产水量差额结合,利用SPSS的Spearman相关性分析解析两者之间的关系(图6)。

注：**代表在0.01 级别相关性显著;*代表在 0.05 级别相关性显著。

从图6可知,在整体上,广东省产水量高值区主要分布在城乡用地、水域所在地,多年平均产水量在1 328.79 ～2 962.18 mm波动。而其周边耕地、林地、草地覆盖度较大的地区,由于植被丰富,蒸发强烈,因此其产水量低于中心城市发达地区。细化到各类用地之间的相互转换上,从图6相关性分析结果中可知。

3.4.11980—1990年

a)耕地的保持与林地、草地转化为耕地对产水总量产生负相关影响,这说明耕地的增加对产水总量的减少有一定的促进作用。

b)林地和草地转换为水域对产水总量变化量的影响是负相关。这表明水域相比林地、草地,对生态系统产水具有更显著的抑制作用,主要是因为广东省地处亚热带,虽然降水丰富,但是蒸发强烈,水域产水系数相对较低。

c)林地和草地保持自身属性仍为林地和草地均对产水总量产生显著负相关关系。这说明林地和草地对于产水总量的变化影响较大,两者的产水能力较低,蓄水能力较强。

d)未利用土地、城乡用地的保持与转换在1980—1990年对产水量的影响不显著,这可能与当时城市化水平还不是很高有关。

3.4.21995—2005年

a)水域转换成城乡用地与产水变化量呈正相关,表明水域的产水能力小于城乡用地的产水能力。这是因为水域相对于城乡用地而言,蒸发大,并且城乡用地硬化地面多,水域的下渗能力也大于城乡用地,所以水域的产水能力小于城乡用地的产水能力。

b)耕地、林地、草地、水域转换成林地和草地与1995—2005年产水变化量成负相关,说明林地、草地可以抑制产水。这是因为林地和草地的植被覆盖度大于耕地和水域,植被覆盖度高,蒸发蒸腾强烈,并且大量植物需要吸收大量水,降水下渗多,所以林地和草地更加适合“海绵城市”,发挥蓄水强项,抑制地表产水。

3.4.32010—2020年

a)在2010—2020年土地利用类型的变化对产水量产生的影响小于1980—1990、1995—2005年,这与土地利用类型变化面积减少有关。

b)耕地、林地、未利用土地这3类用地转换成未利用土地与产水变化量的相关性呈现负相关,并且未利用土地转化为耕地、草地与产水量变化量也是负相关。这是因为广东省的未利用土地有多种形式,有的为低丘缓坡荒滩,有的为坚硬地表,因此,未利用土地的增加减少呈现多样化,但总的来说,地表植被少,地表表面坚硬,产水量会更多。

4 讨论

InVEST模型对数据数量、精度要求高,在收集、处理、校正数据的过程中均需认真考虑,每一步都会影响最后的结果。根据InVEST模型的“WaterYield”模块计算原理,对产水量最终结果影响最大的参数是降水量和实际蒸散量。其中本研究降水量数据是来自气象台实测,主要与自然环境相关,不用人为计算,因此其人为误差较小。实际蒸散量本文采用的是彭曼法进行计算,会受到计算输入数据等的综合影响,因此,人为误差较不可控。

本文定量化解析土地利用变化对产水量的影响,认为随着城市化水平的提高,城市硬化地表增多,将在一定程度上促进产水量增加。但是此观点在图6产水量差额和土地利用类型转化面积之间的Spearman相关性分析的2010—2020年不显著,主要表现在其他土地利用类型与城乡用地的转换和产水量的相关性并不显著。基于此,降雨、蒸发等都是影响产水量的因素之一,2010—2020年的降雨量、蒸发量变化较大,并且2020年受干旱影响,广东省整体产水深度下降将近360 mm。在这个时间段内,广东省产水量受气候因素影响程度显著增大,使得2010—2020年产水量受土地利用类型的影响程度不如其他时候受土地利用类型的影响显著。

由前文各城市土地利用面积变化造成的产水总量差额可知,1980—2005年大部分城市产水总量差额下降,即土地利用变化造成的产水量差额是负值。究其原因,结合广东省土地利用类型图,1980—2005年广东省草地、林地等面积远远大于城乡用地,广东省大部分城市城乡用地在逐步发展,其对产水量的促进作用较小,草地、林地等吸纳大量水资源,造成大部分城市产水总量差额下降。

本研究后续应改进的地方在于:一是采用流域边界分析;二是需根据研究背景和研究区域的实际情况尽可能综合采用多个模型方法进行计算,比如可采用InVEST模型综合Meta分析,比如InVEST模型结合FLUS模型等,并结合实际径流数据进行验证,以得到更加准确的结果。

5 结论

在水资源时空分布不均越发极端的大环境下,产水量的研究为促进城市可持续发展提供一定理论支持。同时,广东省作为中国重要华南沿海城市群,其影响力不容小觑,对其研究可为中国其他沿海城市群自然资源保护与经济社会协同发展提供借鉴参考。本研究得到结论如下。

a)在时间上,1980—2020年广东省全省平均产水深度变化范围为974～1 375 mm。广东省1980—2000年,产水深度小幅下降;2000—2010年,产水深度增加;2010年之后,产水深度又明显减少,特别是2020年达到最低值,这也符合2020年广东省旱情严重的情况,旱情时候广东省产水量呈现出衰退趋势。

b)从整体空间区域上来看,广东省产水量呈现中心偏北高,东北和西南较低的空间分布特征。高值区主要分布在城乡用地所在地;而其周边耕地、林地、草地覆盖度较大的地区,由于植被丰富,蒸发强烈,因此其产水量低于中心城市发达地区。

c)水域的产水能力小于城乡用地的产水能力。这是因为水域相对于城乡用地而言,蒸发大,下渗多。

林地、草地在一定程度上可以抑制区域生态系统产水。这是因为林地和草地的植被覆盖度高于耕地和水域的植被覆盖度,植被覆盖度高,蒸发蒸腾强烈,并且大量植物需要吸收大量水,降水下渗多,所以林地和草地更加适合“海绵城市”,发挥蓄水强项,抑制地表产水。

广东省的未利用土地有多种形式,有的为低丘缓坡荒滩,有的为坚硬地表,未利用土地的增加或减少呈现多样化。但总的来说,地表植被少,地表表面坚硬,产水量会更多。