郜紅娟，蔡廣鵬，羅緒強(qiáng)，李俊宏

(1.貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州　貴陽550018；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州　貴陽550001)

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烏江流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化特征分析*

郜紅娟1，蔡廣鵬2，羅緒強(qiáng)1，李俊宏1

(1.貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州貴陽550018；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550001)

淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要內(nèi)容，對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本研究利用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型，對(duì)1990-2010年烏江流域水土保持和水供給服務(wù)時(shí)空特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，研究期間，烏江流域水土保持和水供給服務(wù)均呈先增加后降低趨勢(shì)；水土保持和水供給的總量空間格局變化明顯較平均值空間格局變化大；中部、西南部和北部是流域水土保持總量和平均值變化較為突出區(qū)域，北部和中南部是流域水供給總量和平均值變化較為突出區(qū)域，中東部一直為水土保持和水供給變化率變化最大區(qū)域；氣候是導(dǎo)致烏江流域水土保持和水供給服務(wù)變化的主導(dǎo)因素，而土地利用變化的影響相對(duì)較小。研究結(jié)果將對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)參考。

水土保持；水供給；InVEST模型；時(shí)空變化；烏江流域

生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，生物和環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，為人類提供各種服務(wù)功能[1]。然而，全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不合理的資源利用，造成生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化[2]。因此，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一[3～4]。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能估算方法[5～6]和特定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估[7]。在生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量、系數(shù)、修正方法方面,Costanza、謝高地、徐麗芬等提出科學(xué)的方法[3,8～9]，研究對(duì)象主要涉及森林、耕地、濕地、河流、城市等。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類角度看，當(dāng)前研究集中于供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和生物多樣性[10]。然而，當(dāng)前研究?jī)?nèi)容多集中于靜態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[11～12]，忽視了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空異質(zhì)性。研究區(qū)域多集中于農(nóng)牧交錯(cuò)脆弱區(qū)[13]、林草交錯(cuò)脆弱區(qū)[14]、荒漠綠洲交接脆弱區(qū)[15]，對(duì)喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)的研究相對(duì)較少。

InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)是由自然資本項(xiàng)目支持開發(fā)的、用以量化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估模型[5]。它可以將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空變化可視化，且該模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入少、輸出多，同時(shí)還能進(jìn)行多模塊、多層分析[16～17]。其中周彬[18]和王紀(jì)偉[19]等利用InVEST模型分別對(duì)山區(qū)土壤侵蝕、森林生態(tài)系統(tǒng)水供給功能進(jìn)行了評(píng)估。林世偉等對(duì)“三江并流”區(qū)的供水和土壤保持服務(wù)進(jìn)行了評(píng)估[20～21]。然而，利用該模型對(duì)中國西南生態(tài)脆弱區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究還較少。

烏江屬于長江一級(jí)干流，是國家重要的水源地和水土保持區(qū)。退耕還林政策及長江和珠江上游防護(hù)林體系的建設(shè)，導(dǎo)致烏江流域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變。因此，本文以貴州省烏江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用InVEST模型，對(duì)其淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空差異進(jìn)行分析，以期為西南流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供重要科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

貴州省烏江流域(104°09′～109°38′E，25°26′～30°22′N)面積66 807km2，占總流域面積的70.03%(圖1)。烏江屬于長江一級(jí)支流，發(fā)源于貴州西部烏蒙山東部山麓威寧縣境內(nèi)的香爐山，干流在省境內(nèi)流經(jīng)威寧、水城、納雍等23個(gè)縣市，在東北部出境進(jìn)入重慶，是典型的山區(qū)流域。主要支流有六沖河、三岔河、貓?zhí)?、鴨池河、湘江、偏巖河、清水江、石阡河和余慶河等。烏江流域在貴州省流域內(nèi)75.6%的地區(qū)為碳酸鹽巖發(fā)育的喀斯特地貌。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，溫暖濕潤，年均溫13～18℃，年降水量約1 100～1 400mm。土壤類型以石灰?guī)r、黃壤、粗骨土、石質(zhì)土等為主，土壤蓄水保肥能力差，水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大[22]。

圖1　烏江流域

1.2數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)的1990年、2000年和2010年Landsat TM/ETM (30×30m)遙感影像；DEM(Digital Elevation Model，即數(shù)字高程模型)(30m×30m)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://datamirror.csdb.cn)；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http://cdc.cma.gov.cn)；土壤數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫。

1.3InVEST模型

1.3.1水土保持

水土保持模塊利用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)計(jì)算：W=RKLS-USLE①，USLE=R·K·L·S·C·P②，式中，W為單位面積水土保持量；RKLS為最大水土流失量(假設(shè)地表無植被覆蓋)；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物覆蓋和管理因子；P為水保措施因子。該模塊所需輸入?yún)?shù)主要包括DEM、降雨侵蝕力、土壤可蝕性、作物覆蓋和管理因子以及水保措施因子。其中降雨侵蝕力是利用周伏建等的方法進(jìn)行計(jì)算[23]；土壤可蝕性利用張科利等的方法計(jì)算[24]；水保措施因子以及作物覆蓋和管理因子根據(jù)模型使用指南進(jìn)行確定[25](表1)。

表1　InVEST模型參數(shù)設(shè)置

1.3.2水供給

2　結(jié)果與分析

2.1水土保持服務(wù)變化

1990-2010年間，烏江流域水土保持總量和平均量均先增后減。1990-2000年水土保持服務(wù)總量增加2.61×109t，變化率增加27.83%；平均量增加228.00t/hm2，變化率增加25.11%。2000-2010年水土保持服務(wù)總量減少1.89×109t，變化率減少15.76%；平均量減少176.00t/hm2,變化率下降15.49%(表2)。

表2　烏江流域水土保持服務(wù)整體變化

圖2　1990年、2000年和2010年烏江流域水土保持總量空間格局

1990-2010年間，水土保持總量空間格局變化不大。1990年北部總量大于中部和南部；到2000年，西南部總量有所增加，北部變化不大；到2010年，西南和中北部總量有所減少，其他區(qū)域基本無變化(圖2)。

1990年，平均水土保持量呈東北最大、西南居中、中部最低的空間格局；到2000年，西南部、南部和北部平均水土保持量增加；到2010年，中部和西南部平均水土保持量均呈降低趨勢(shì)(圖3)。

圖3　1990年、2000年和2010年烏江流域平均水土保持量空間格局

1990-2000年，除西部小部分地區(qū)外，整個(gè)流域絕大部分區(qū)域水土保持均呈增加趨勢(shì)。且中東部變化率(大于10%)大于西部地區(qū)(小于10%)。與1990-2000年相比，2000-2010年水土保持變化率呈相反特點(diǎn)。即除西部小部分地區(qū)外，整個(gè)流域絕大部分地區(qū)水土保持均呈降低趨勢(shì)，且中東部變化率(小于-10%)小于西部地區(qū)(大于-10%)(圖4)。

圖4　1990-2010年烏江流域水土保持變化率

2.2水供給服務(wù)變化

1990-2010年間，烏江流域水供給總量和平均量呈現(xiàn)先增加后減少的整體變化趨勢(shì)。1990-2000年水供給總量增加1.92×1014m3，變化率增加37.87%；平均量增加1 906.00m3/hm2，變化率增加33.91%。2000-2010年水供給總量減少1.56×1014m3，變化率減少22.32%；平均量減少1 619.00m3/hm2，變化率下降21.51%(表3)。

表3　烏江流域水供給服務(wù)整體變化

1990年，西南部和東北部總量明顯大于中部；到2000年，東南部和北部總量有所增加；到2010年，中東部地區(qū)總量有所減少，其他地區(qū)變化不大(圖5)。

圖5　1990年、2000年和2010年烏江流域水供給總量空間格局

1990-2010年間，流域平均水供給空間格局變化劇烈。其中，1990-2000年流域平均水供給量有所增加，北部和中南部增加明顯，大于7 000m3/hm2；2000-2010年流域平均水供給總體減少，尤以北部地區(qū)減少最為明顯(圖6)。

圖6　1990年、2000年和2010年烏江流域平均水供給空間格局

1990-2010年間，烏江流域水供給變化率空間格局差異明顯。1990-2000年，流域水供給變化率中南部介于0～10%之間，其余地區(qū)均大于10%；2000-2010年間，流域水供給變化率只有西北部一小部分在0～10%之間，其余均小于-10%(圖7)。

圖7　1990-2010年烏江流域水供給變化率

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

1990-2010年，烏江流域水土保持和水供給量整體呈先增加后降低趨勢(shì)。其中，1990-2000年，水土保持和水供給增加量明顯高于2000-2010年減少量。流域水土保持和水供給量空間格局變化差異明顯。水土保持和水供給總量空間格局變化明顯較平均值空間格局變化大。其中，中部、西南部和北部是流域水土保持總量和平均值變化較為突出區(qū)域，北部和中南部是流域水供給總量和平均值變化較為突出區(qū)域，中東部一直為水土保持和水供給變化率變化最大區(qū)域;氣候變化是影響該流域水土保持和水供給服務(wù)變化的主導(dǎo)因素，而土地利用變化的影響相對(duì)較小。

3.2討論

當(dāng)前研究表明氣候變化和土地利用變化是影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素[30]。其中，氣候變化通過改變降水強(qiáng)度和降水量影響水土保持和水供給，而土地利用變化則通過改變作物覆蓋管理因子和植被蒸散系數(shù)作用于水土保持和水供給[31]。研究期間該流域降水強(qiáng)度和降水量呈先增加后降低的特點(diǎn)，這與研究區(qū)淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢(shì)一致，說明氣候變化是影響該流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的主導(dǎo)因素。其次，1990-2010年間，受退耕還林及長江、珠江上游防護(hù)林建設(shè)影響，貴州省自然植被持續(xù)恢復(fù)(林地增加，耕地減少)[32]，這勢(shì)必會(huì)增加區(qū)域水土保持量，減少區(qū)域水供給。但研究區(qū)1990-2010年間水土保持和水供給卻均呈先增長后降低趨勢(shì)，說明土地利用變化對(duì)該區(qū)淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化影響較小。另外，烏江流域上游和下游水土保持量較大，而中游較低，這主要與地形差異及林地、草地和耕地等主要地類空間分布的不同有關(guān)[33]。烏江流域年降水量呈東南向西北遞減趨勢(shì)[34]，這與研究區(qū)平均水供給空間格局較為一致，說明該區(qū)降水量對(duì)水供給空間分布具有重要影響。然而研究區(qū)水供給總量空間格局與降水量空間分布的差異性突出，這主要與流域大小有一定的關(guān)系。

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Spatiotemporal Dynamics of Fresh Water Ecosystem Services in Wujiang River Basin

GAO Hong-juan1， CAI Guang-peng2， LUO Xu-qiang1,LI Jun-hong1

(1.College of Geography and Tourism,Guizhou Normal College,Guiyang Guizhou 550018,P.R.China;2.College of Geography and Environmental Sciences,Guizhou Normal University,Guiyang Guizhou 550001,P.R.China)

As an important part of ecosystem service,freshwater ecosystem services have vital significance for regional social and economic sustainable development.The spatiotemporal characteristics of soil retention and water supply in Wujiang River Basin from 1990 to 2010 were analyzed by using the InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) model.The results show that soil retention and water supply during the study period in Wujiang River Basin experienced an initial increase,and then a decline.Spatial pattern change of the total soil retention and water supply is higher than that of the average soil retention and water supply;The central,north and southwest parts of the whole basin had great change of the total and average soil retention,while south central and north parts of the whole basin showed an obvious change of the total and average water supply.The mid-east part of the whole basin had the biggest change rate of soil retention and water supply.Climate change is the dominant factor resulting in the change of soil retention and water supply in Wujiang River Basin,while land-use change has a relative small effects on soil retention and water supply.The results will provide some scientific referencse for ecological environmental planning of particular region.

soil retention;water supply;InVEST model;spatiotemporal change;Wujiang River Basin

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.03.002

2015-08-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41563007),貴州省環(huán)境科學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(黔教高[2012]426號(hào))。

郜紅娟(1981-)，女，講師，主要從事自然資源開發(fā)與區(qū)域規(guī)劃研究。E-mail：cgp1963@126.com

簡(jiǎn)介：蔡廣鵬(1963-)，男，副教授，主要從事土地利用與規(guī)劃研究。E-mail：cjp0123@sina.com

S 157

A

1672-8246(2016)03-0006-07