韓念龍，張偉璇，張亦清

（海南大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，海南?？?570228）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境與效用［1］，直接或間接地為人類生存提供資源［2］，在維系人類社會可持續(xù)發(fā)展，區(qū)域生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用［3-4］.產(chǎn)水量是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中重要的服務(wù)類型，也是許多生態(tài)過程和生態(tài)服務(wù)功能的基礎(chǔ).它影響著生物量、碳循環(huán)等生態(tài)功能，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及提高人類福祉具有重要意義［5］.因此空間定量化、可視化評估產(chǎn)水量的時空變化，揭示其變化的主要驅(qū)動因素有著重要意義.

研究產(chǎn)水量的方法有水量平衡法、多因子回歸法、年徑流量法等［6-7］，應(yīng)用于產(chǎn)水量的模型有SWAT、MIKE SHE和TOP MODEL等模型［8-10］.相比其他模型，InVEST（The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tools）模型在空間可視化、綜合性強(qiáng)以及簡化輸入?yún)?shù)等方面具有優(yōu)勢［11］，在產(chǎn)水量研究中應(yīng)用越來越廣泛，已成功應(yīng)用于夏威夷群島［12］、印度加普那拉河盆地［13］、泰國宋卡蘭河流域［14］、印度納爾默達(dá)河流域［15］等國外熱帶島嶼、河流的產(chǎn)水服務(wù)功能研究；在中國，InVEST模型也已經(jīng)應(yīng)用于橫斷山區(qū)［16］、三江源流域［17］、東北地區(qū)［18］、南四湖流域［19］、石羊河流域［20］、太湖流域［21］等重要生態(tài)功能區(qū)、氣候變化敏感區(qū)域以及典型流域地區(qū)的產(chǎn)水量研究.

海南島屬于熱帶季風(fēng)氣候，是一個獨立封閉的地理單元，雖然水資源比較豐富，但由于氣候變化以及快速城市化帶來的土地利用劇變導(dǎo)致產(chǎn)水量分布供給的不確定性，對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性可能產(chǎn)生威脅.由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，將進(jìn)一步影響社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.目前有關(guān)海南島產(chǎn)水量的研究包括基于不同土地利用/覆蓋進(jìn)行海南島產(chǎn)水量空間分布研究［22］以及海南中部山區(qū)水源涵養(yǎng)時空變化特征［23］，但這些研究均未考慮氣候變化對產(chǎn)水量的影響，本研究綜合考慮土地利用及氣候變化對產(chǎn)水量的研究，根據(jù)不同情景探討產(chǎn)水量對氣候和土地利用變化的響應(yīng).

1 研究地點

海南島位于中國最南端，范圍為北緯18°10′～20°07′，東經(jīng)108°37′～111°03′.海南省陸地總面積約3.4萬平方公里，海域面積約200萬平方公里，現(xiàn)轄27個市和縣（區(qū)）［24］.海南島地勢中部高四周低，呈輻射狀水系，全島獨流入海的河流共154條.南渡江、昌化江和萬泉河三大河流的流域面積占全島面積的47%［22］.海南島屬于熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為22℃～27℃，年均降水量為1 639 mm，有明顯的多雨季和少雨季.

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理InVEST模型產(chǎn)水量模塊計算包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)、降水量及潛在蒸散發(fā)、土壤深度、植物有效含水量（A W C）、生物物理參數(shù)以及季節(jié)參數(shù).同時，各柵格數(shù)據(jù)空間地理坐標(biāo)系統(tǒng)一為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_35，分辨率均為1 km.

本研究中使用的1995年、2005年及2015年的空間分辨率為1 km三期土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心公開提供，可免費獲取，同時1 km分辨率已滿足研究應(yīng)用.結(jié)合海南實際情況將該土地利用/覆被產(chǎn)品歸類為耕地、林地、園地、草地、水域、居民點與工礦用地及未利用地7類.氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，獲取1985—2015年間?？凇|方、儋州、瓊中、瓊海、三亞和陵水七個基本氣象站的降水、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)和相對濕度逐日數(shù)據(jù).降水量可通過ArcGIS軟件Kriging插值得到；潛在蒸散發(fā)通過Penman-Monteith公式計算，并通過Arc-GIS軟件Kriging插值獲??；同時將1985—1995年，1995—2005年和2005—2015年三個時段降雨量和潛在蒸散發(fā)均值，分別表征1995年、2005年及2015年的三個時期的降雨量和潛在蒸散發(fā)特征.土壤數(shù)據(jù)的土壤深度數(shù)值基于南京土壤所中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫獲取.植物有效含水量通過對應(yīng)土壤類型的土壤質(zhì)地（土壤砂粒、粉粒及粘粒比例）及土壤有機(jī)質(zhì)含量計算獲取.生物物理參數(shù)表（表1）包括各土地利用/覆被類型及相應(yīng)的植被根系深度和蒸散系數(shù).其中，植被根系深度根據(jù)Canadell等對全球范圍內(nèi)植被最大根系深度的研究獲得［25］.按定義，蒸散系數(shù)等于實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)的比值，本研究的蒸散系數(shù)參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織作物系數(shù)參考值［26］.季節(jié)參數(shù)值Z代表區(qū)域降水分布及其他水文地質(zhì)特征，參考公式（4）或者經(jīng)驗值進(jìn)行計算.

2.2 InVEST模型產(chǎn)水量模型InVEST模型中的產(chǎn)水量評估模型是基于水量平衡原理，將每一個柵格的降水量減去蒸散發(fā)得到該柵格的產(chǎn)水量值，該值包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量以及冠層截留量［16］.產(chǎn)水量的計算方法如下：

式中Px表示柵格單元x的年降水量，AE Tx表示柵格單元x的年實際蒸散發(fā)，如下公式計算：

上述公式中，Rx j為土地利用覆被類型j上柵格單元x的Budyko干燥指數(shù)，定義為潛在蒸散發(fā)與降雨量的比值；w是一個經(jīng)驗參數(shù)；Z為經(jīng)驗常數(shù)，與區(qū)域降水模式和水文特征相關(guān)；AWCx為土壤有效含水量，由植物可利用水分含量與土壤的最大根系埋藏深度，植物根系深度共同決定；kij是植物蒸散系數(shù)；E T0表示柵格單元x的潛在蒸散發(fā)，由Penman-Monteith公式計算得出：

式中，Rx表示地表凈輻射，G表示土壤熱通量，γ表示干濕表常數(shù)，T mean表示日平均溫度，u2表示2m高處風(fēng)速，es表示飽和水氣壓，ea表示實際水氣壓.

基于以上計算及數(shù)據(jù)，經(jīng)多次驗證，季節(jié)參數(shù)值為2.6時計算的多年平均產(chǎn)水量體積為349.32億m3，與海南省水資源公報的1998—2015年多年平均產(chǎn)水量較為接近，因此，本文基于該模擬結(jié)果展開海南島的產(chǎn)水量的時空變化分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量時空變化產(chǎn)水量結(jié)果表明，1995—2015年期間海南島的多年產(chǎn)水深度均值分別為944.08 mm、1 032.42 mm和1 104.3 mm，產(chǎn)水量體積分別為321.14億m3、351.18億m3和375.64億m3，產(chǎn)水深度均值和產(chǎn)水量呈上升趨勢，增長幅度為17%.

海南省1995—2005年海南島產(chǎn)水深度、降水及實際蒸散發(fā)空間分布如圖1所示.總體上，產(chǎn)水深度受降水量影響明顯，空間分布相對一致，而與實際蒸散發(fā)空間分布無明顯相關(guān).海南島產(chǎn)水深度分布不均衡，產(chǎn)水深度自東部至島內(nèi)中部的腹地區(qū)域高，并以此為中心向外逐漸減小，西南部地區(qū)產(chǎn)水深度最低.不同時間的產(chǎn)水深度空間分布趨勢較為一致，均呈現(xiàn)出東中部高西南部低的空間格局.1995年，產(chǎn)水深度均值較高地區(qū)沿海南島東部沿海一帶以及中北部區(qū)域零散分布，低值區(qū)主要位于西南部.2005年，產(chǎn)水深度高值區(qū)域東部向中部腹地擴(kuò)張，同時，海南島南部沿海一帶的產(chǎn)水深度出現(xiàn)明顯降低.2015年，東北部的產(chǎn)水深度整體上升，且向東北擴(kuò)張，西南部地區(qū)產(chǎn)水量低值區(qū)無明顯變化.總體來說，1995—2015年海南島東部、中部及東北部的產(chǎn)水深度增加明顯.

圖1 1995—2015年海南島降水、實際蒸散發(fā)及產(chǎn)水量

圖2為1995—2015年海南省各市縣的產(chǎn)水深度、降水量以及實際蒸散發(fā)均值的分布.可以看出，海南省多年產(chǎn)水深度均值位于前四的市縣分別是萬寧市、瓊海市、定安和屯昌縣；產(chǎn)水深度均值較低的后四個市縣分別是東方市、樂東縣、三亞市及昌江縣.總體而言，海南島各市縣的產(chǎn)水深度與降水和實際蒸散發(fā)的差值存在一致性，降水與實際蒸散發(fā)差值越高的市縣產(chǎn)水深度越高，反之越低.從總體趨勢上看，各市縣的產(chǎn)水深度大小與降水量高度相關(guān)，但由于受到海南島地形地貌及土地利用/覆蓋類型對實際蒸散發(fā)的影響，部分市縣產(chǎn)水深度與降水量并未完全一致.例如位于海南島中部山區(qū)，多年降水量均值相對較高的五指山市、白沙縣及保亭縣，該區(qū)域的森林覆蓋率高，多年平均的實際蒸散發(fā)也相對較高，從而導(dǎo)致這些區(qū)域的產(chǎn)水深度并不高，各市縣的產(chǎn)水深度與降水量分布呈現(xiàn)出不平衡的空間格局.

圖2 1995—2015年海南各市縣氣候與產(chǎn)水量特征

通過冷熱點分析可以識別產(chǎn)水量在空間上的高值簇和低值簇，熱點即為高值簇，冷點即為低值簇.通過多年間產(chǎn)水量冷熱點的空間格局變化可分析相關(guān)因素對產(chǎn)水量的影響.從圖3可看出，1995年海南島產(chǎn)水量的冷熱點區(qū)域空間分布比較分散，大部分熱點區(qū)域位于海南島南部及東部的沿海以及中部以北；冷點區(qū)域相對集中，主要位于海南島西南部.2005年，海南島的冷熱點區(qū)域較1995年并無明顯變化，但南部的三亞市區(qū)、樂東縣鶯歌海區(qū)域及西部的昌化江入?？诘漠a(chǎn)水量熱點區(qū)域出現(xiàn)明顯縮小.2015年海南島冷熱點區(qū)域均出現(xiàn)明顯增加：熱點區(qū)域在東部和北部集聚且擴(kuò)張明顯，冷點區(qū)域在西南區(qū)域愈加集聚.從市縣分布來看，熱點區(qū)域范圍主要覆蓋范圍是東部的萬寧市、瓊海市、文昌市及中部的屯昌縣、定安縣及瓊中縣的東北部，冷點區(qū)域主要覆蓋范圍是西南部三亞市、樂東市、東方市、五指山市、保亭縣、昌江縣及白沙縣西南部.

圖3 海南島1995—2005年產(chǎn)水量熱點分布

整體而言，1995—2015年間海南島的產(chǎn)水量冷熱點區(qū)域變化分為兩個階段：第一個階段為1995—2005年，冷熱點區(qū)域變化不明顯；第二階段為2005—2015年，冷熱點區(qū)域出現(xiàn)明顯集聚并擴(kuò)大，且從空間上相對分散狀態(tài)發(fā)展成集聚狀態(tài)，空間上出現(xiàn)明顯的西南—東北分界格局.冷點區(qū)域在西南集聚明顯，而熱點區(qū)域不僅集聚同時向海南島東北方向擴(kuò)張.熱點區(qū)域比例由27%擴(kuò)大到38%，冷點區(qū)域比例由28%增至33%，而非顯著區(qū)域比例則由45%降至29%.

3.2 土地利用及氣候變化對產(chǎn)水量的影響

3.2.1 土地利用/覆被結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移分析表2為1995—2015年海南島土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣，2015年林地面積占比最大，占全島面積49.3%；其次是耕地，占比25.5%；園地、水域、居民與工礦用地、草地及未利用地占比分別為15%，3.6%，3.3%，2.9%和0.3%.林地是海南島產(chǎn)水總量主要貢獻(xiàn)者，提供了全島產(chǎn)水總量的44.3%；耕地、園地、居民與工礦用地、草地、水域及未利用地的產(chǎn)水總量貢獻(xiàn)率分別為28.5%、16.9%、4.6%、3.5%、1.9%和0.2%.

表2 1995—2015年土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣 km2

1995—2015年，海南島的林地、耕地、草地及未利用地面積均有不同程度的減少.林地面積減小最多，共488.9 km2，主要轉(zhuǎn)變成園地（52.2%）、居民與工礦用地（18.8%）和耕地（16.7%）；耕地面積減少次之，共221 km2，主要轉(zhuǎn)變成居民點與工礦用地（49%）以及園地（19.8%），16.4%轉(zhuǎn)變成林地.居民點與工礦用地、園地與水域面積增加，居民點與工礦用地面積增加最多，共429.4 km2，較1995年增幅為62.3%，主要轉(zhuǎn)化自耕地（45.6%）和林地（27.8%）.園地增幅為6.4%，增加面積309.9 km2，主要分別由林地（74.9%）和耕地（17.9%）轉(zhuǎn)化而來.1995—2015年間的土地利用變化說明，海南島受人類活動的影響強(qiáng)度增大，表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化的快速擴(kuò)張以及農(nóng)業(yè)種植園的大量增多，其特征是兩者擴(kuò)張均主要占用了耕地和林地.

3.2.2 不同土地利用/覆被類型的產(chǎn)水量土地利用/覆被類型變化是通過改變下墊面狀況，即影響實際蒸散發(fā)、土壤理化性質(zhì)和水分狀況，進(jìn)而影響區(qū)域產(chǎn)水量［27］.由表3可知不同土地利用/覆被類型的產(chǎn)水量均值從大到小分別是居民與工礦用地、草地、園地、耕地、林地、未利用地和水域，對應(yīng)的多年產(chǎn)水深度 均 值 分 別 為1 284.41 mm、1 118.36 mm、1118.3 mm、1 106.6 mm、957.52 mm、728.36 mm和542.26 mm.這是因為不同土地利用/覆被類型的蒸散系數(shù)和土壤含水量等因素不同導(dǎo)致單位面積平均產(chǎn)水能力差異.

表3 1995—2015年海南島土地利用/覆被類型產(chǎn)水量均值 mm

產(chǎn)水量上與植被蒸散發(fā)呈反比關(guān)系［16］，林地森林茂密，植被覆蓋率高，產(chǎn)水量相對較低；居民點及工礦用地植被少，相應(yīng)的蒸散發(fā)也小，同時人工建筑導(dǎo)致不透水面積的增多，因此具有較高的產(chǎn)水量.從土地利用/覆被變化角度分析，1995—2015年間海南島產(chǎn)水總量升高的可能原因：一是產(chǎn)水量較低的林地減少并轉(zhuǎn)化成產(chǎn)水量較高的居民點及工礦用地和園地；二是耕地轉(zhuǎn)成產(chǎn)水量相對較高的居民點與工礦用地.

3.2.3 情景分析除土地利用/覆蓋變化因素外，還需要考慮氣候變化對產(chǎn)水量的影響.為量化氣候與土地利用/覆被變化對海南省產(chǎn)水量的影響，本研究設(shè)置了四個情景（表4）.情景1是1985—1995年的氣候條件和1995年的土地利用/覆被模式；情景2是2005—2015年的氣候條件和2015年的土地利用/覆被模式；情景3是1985—1995年的氣候條件和2015年的土地利用/覆被模式；情景4是2005—2015年的氣候條件和1995的土地利用/覆被模式.情景1和2分別表示的是1995年和2015年兩個時期的實際產(chǎn)水量；情景4-1反映的是土地利用/覆被模式不變的情況下，氣候變化影響下的產(chǎn)水量變化.情景3-1反映的是氣候因素不變情況下，不同土地利用/覆被模式影響的產(chǎn)水量變化；情景2-1反映的是兩個時期土地利用/覆被和氣候變化對產(chǎn)水量的綜合影響.

表4 情景分析

通過表5可以反映1995—2015年不同情景下海南島的產(chǎn)水量及相應(yīng)的變化情況.情景2與情景1的差異表明了土地利用/覆被和氣候變化的綜合效應(yīng)下的產(chǎn)水量變化，增量為160.22 mm，占情景1的產(chǎn)水量比例為16.97%.情景3和情景1的產(chǎn)水量差值代表了因土地利用/覆被變化帶來的產(chǎn)水量效應(yīng)，產(chǎn)水深度增加6.55 mm，占情景1產(chǎn)水深度比例為0.69%.情景4和情景1的產(chǎn)水量差值表明，在氣候變化的影響下海南島的產(chǎn)水深度增加了153.8 mm，占情景1的產(chǎn)水量比例為16.29%.

通過情景分析表明，氣候和土地利用/覆被類型兩者共同影響海南島的產(chǎn)水量變化，氣候變化的影響遠(yuǎn)大于土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量帶來的影響.當(dāng)氣候變化不變的條件下，土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量的影響并不顯著.因此，氣候變化是海南島產(chǎn)水量變化的主要驅(qū)動力.

4 討論

海南島的產(chǎn)水量空間分布格局總體上與降水量分布一致，但中部區(qū)域的五指山、保亭及白沙三市縣森林覆蓋率高，且部分區(qū)域位于背風(fēng)坡導(dǎo)致降水量分配不均，因此該區(qū)域的降水量均值相對高而產(chǎn)水量均值相對低的相背離情形，因此還需要考慮地形因素對產(chǎn)水量的影響［16］.2005—2015年，產(chǎn)水量熱點區(qū)域在海南島東北部擴(kuò)張較1995—2005年更為明顯，產(chǎn)水量熱點區(qū)域是人類活動的重點區(qū)域，2005—2015年是環(huán)島快速鐵路建成通車、?？谥廖牟胃咚俟方ǔ赏ㄜ嚰昂Ｄ蠂H旅游島一系列政策實施的時間節(jié)點，印證了政策及經(jīng)濟(jì)驅(qū)動導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人類活動導(dǎo)致土地空間格局變化會對產(chǎn)水量產(chǎn)生影響［19］.因此，在此區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)應(yīng)加強(qiáng)綠地規(guī)劃建設(shè)，減輕城市熱島的影響及防范洪澇風(fēng)險；引導(dǎo)耕地及園地的合理布局，嚴(yán)控陡坡地的農(nóng)業(yè)開發(fā)，同時實施改善水利設(shè)施，提升農(nóng)業(yè)水資源的使用效率等措施，以提升生態(tài)水資源的綠色循環(huán)利用度.

1995—2015年海南島處于一個快速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，居民點與工礦用地大幅增加，盡管其擴(kuò)張會導(dǎo)致產(chǎn)水量增多，但是降水到達(dá)人工地表后難以被循環(huán)利用，同時帶來了洪澇風(fēng)險增加及地下水補(bǔ)給減少等不利影響.另一方面，雖然林地類型的平均產(chǎn)水深度低，但因其面積大貢獻(xiàn)全島產(chǎn)水量的46%，在水源涵養(yǎng)、水土保持及固碳等生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著重要作用，所以在規(guī)劃過程中要考慮土地利用變化產(chǎn)生的水文及生態(tài)效應(yīng)影響，控制城鎮(zhèn)規(guī)模及發(fā)展速度，兼顧生態(tài)發(fā)展.

通過本研究發(fā)現(xiàn)氣候變化是海南島產(chǎn)水量變化的主要因素，而土地利用/覆被變化對產(chǎn)水量的變化影響較小，這與大連市［17］和寧波地區(qū)［28］的產(chǎn)水量影響相關(guān)研究結(jié)論一致.氣候變化在長期內(nèi)會顯著影響產(chǎn)水量，但土地利用/覆被變化在短期內(nèi)對產(chǎn)水量也會有一定影響［29］，甚至土地利用/覆被的變化反過來也影響著局部氣候從而對產(chǎn)水量變化產(chǎn)生影響.例如森林可通過水分再循環(huán)以及對降水的再分配來影響氣候，城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城市的熱島效應(yīng)使得局地氣候發(fā)生明顯變化.因此，土地利用/覆蓋對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的影響機(jī)理仍待進(jìn)一步研究.

盡管本研究的產(chǎn)水量總體結(jié)果與吳哲等人的研究［22］有較高的一致性，但I(xiàn)nVEST模型中季節(jié)參數(shù)以及植被蒸散系數(shù)的設(shè)置對產(chǎn)水量的最終結(jié)果影響較大，因此未來研究中有必要實現(xiàn)模型計算的參數(shù)本地化，提高產(chǎn)水量結(jié)果的精度.另外，本研究僅從自然因素角度進(jìn)行產(chǎn)水量的影響分析，未考慮社會經(jīng)濟(jì)的因素，未來需加強(qiáng)這方面研究.

5 結(jié)論

本研究基于1995、2005及2015年三期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)等研究海南島20年間的產(chǎn)水量時空格局變化，并探究氣候及土地利用/覆被因素對海南島產(chǎn)水量的影響，研究取得以下主要結(jié)論：

基于InVEST模型能夠較好的模擬海南島的產(chǎn)水量，1995—2015年間產(chǎn)水量呈上升趨勢；同時海南島的產(chǎn)水量空間分布不均衡，呈現(xiàn)自東中部高與西南低的分異特征.1995—2015年間，海南島的產(chǎn)水量冷熱點變化說明，海南島東北部區(qū)域的人類活動規(guī)模和強(qiáng)度在增強(qiáng).通過情景分析表明，氣候與土地利用/覆被變化均影響海南省產(chǎn)水量變化，但是氣候因素對對產(chǎn)水量的影響遠(yuǎn)大于土地利用/覆被變化，海南島產(chǎn)水量對氣候變化的響應(yīng)更為敏感.