曹 燦, 孫 瑞, 吳志祥, 李 茜

(1.寧夏大學 地理科學與規(guī)劃學院, 銀川 750021; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 橡膠研究所, ?？?571101; 3.海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站, 海南 儋州 571737)

土地利用/覆被變化(Land Use/Cover Change，LUCC)對流域水循環(huán)具有重要影響，基于水文模型開展流域土地利用變化的水文效應是全球環(huán)境變化研究的熱點和前沿問題。其中，SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是應用最為廣泛的流域水文模型之一[1]。它是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)和農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)于20世紀90年代開發(fā)的用于流域管理的分布式水文模型[2]，可以較好地模擬天然的徑流過程，反映流域徑流變化特征，并且綜合考慮了流域下墊面對水文過程調節(jié)的差異性，可以追蹤土地利用變化下的降水、冠層截留、蒸散發(fā)、地表徑流、土壤水、地下水等主要水文過程的分配[3]。SWAT模型具有較強的模擬預測能力，被很多學者用于模擬氣候變化及LUCC的流域水文響應。目前基于SWAT模型已開展的研究表明，林地能增加滲漏，減少地表徑流，具有蓄水保水的作用，林草地還可以防止洪峰發(fā)生；耕地的產(chǎn)流能力較強，而建設用地的不透水面有助于徑流增加[4-13]。

橡膠林是熱帶地區(qū)典型的經(jīng)濟作物和重要的人工林。因全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和天然橡膠需求量的持續(xù)增加，近幾十年來橡膠林面積在熱帶地區(qū)迅速擴張。目前，圍繞橡膠林大面積種植引起的干旱、水土流失等生態(tài)學問題的爭議很大[14]。國內外很多學者針對橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程進行了研究[15-26]。研究表明橡膠林蒸騰量與橡膠林分密度、葉面積指數(shù)和土壤水分有效性有關，主要吸水性較接近土壤表層[15-17]。橡膠林僅表層土壤水源涵養(yǎng)功能降低顯著，但整體仍可較好保持土壤水分[18]，這是因為橡膠林的凋落物在數(shù)量及持水能力上都優(yōu)于熱帶季節(jié)雨林[19]。不同林齡橡膠林間水源涵養(yǎng)功能整體差異不大[20]，但對不同深度土壤水利用比例的季節(jié)性波動大[21]。橡膠林的大面積種植加劇了橡膠林的蒸散量[22]，加快了土壤水分的流失，造成河流流量降低和土壤侵蝕增加等問題[23-24]。因而橡膠種植的擴張引發(fā)了人們對水文循環(huán)完整性的擔憂。在海南，張曉娟[25]和耿思文等[26]針對橡膠林生態(tài)系統(tǒng)進行了定位觀測研究，分析了影響橡膠林水汽通量的主要環(huán)境因子以及橡膠林的水分循環(huán)和水量平衡特征。然而在熱帶地區(qū)，前人對橡膠林的研究主要集中在水文過程的定位觀測等，缺乏對橡膠樹大面積種植對整個流域環(huán)境水循環(huán)的影響以及流域徑流對LUCC特別是橡膠林面積變化的定量研究[27]。

南渡江是海南島最長的河流，橡膠林是該流域的重要植被類型。近幾十年來，因劇烈的人類活動影響，流域植被覆蓋變化顯著[28-29]。其中，橡膠林面積迅速擴張對流域水資源的影響是社會各界廣泛關注的問題。為此，本文以南渡江流域為研究區(qū)，通過構建流域生態(tài)水文研究數(shù)據(jù)庫及SWAT模型研究平臺，模擬流域水文過程及其對LUCC的響應，對比不同土地利用類型的水文過程及調蓄能力，探討典型熱帶島嶼性流域橡膠林面積擴張對徑流的影響，為后續(xù)保障水安全、改善水環(huán)境、修復水生態(tài)等工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南渡江干流發(fā)源于白沙縣，斜貫海南島中北部，最終流入瓊州海峽，涉及人口225.6萬人。流域地處熱帶北部地區(qū)邊緣，有明顯的干濕兩季，臺風頻繁，降雨充沛，汛期(5—10月)徑流量集中，占全年總徑流量的70%以上[30]。

南渡江流域(109°36′—110°34′E，19°9′—19°55′N)以龍?zhí)了恼緸榱饔虺隹?。流域總面積為5 333 km2，海拔范圍為3～1 405 m，平均海拔高度116 m，地勢呈西南高東北低，流域內1990—2015年的年均降水量為1 975 mm，雨季(5—10月)、旱季(11—4月)的降水量分別占81%，19%，降雨量南部多于北部。土地利用類型(2015年)以林地(包括橡膠林)為主，占流域總面積的68.1%；耕地次之，占流域面積的26.2%；建筑與未利用地、水域面積較少，分別占流域面積的3.8%，1.9%(圖1A)。土壤類型共13種，以麻黃砂土為主，占流域面積52.0%；其次為淡麻磚土、肉泥田和湖光巖焦灰土，分別占流域面積的27.0%，9.9%，4.4%；扁骨土、潮州淡砂土、河砂泥田、紅黏泥土、麻黃磚土、泥肉基、砂磚土田、雜砂黃紅土和紫棕泥土均不超過流域面積的2.0%(圖1B)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

SWAT模型的輸入數(shù)據(jù)內容及來源見表1?；贏rcGIS平臺的ArcSWAT按照輸入的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)自動提取河網(wǎng)，再設定集水面積閾值，生成子流域，接著按照獨特的土地利用、土壤分類、坡地將子流域進一步細分為水文響應單元(Hydrological Response Unit，HRU)。在構建南渡江流域SWAT模型過程中，設定土地利用類型、土壤類型、坡度分級的閾值分別為20%，20%，20%，將研究區(qū)劃分為83個子流域和242個HRU(圖1C)。在此基礎上輸入氣象數(shù)據(jù)，通過輸入降水量、溫度、太陽輻射、相對濕度、風速等信息，創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)庫，計算每個HRU的產(chǎn)匯流情況。

圖1 南渡江流域土地利用類型、土壤類型與子流域劃分

表1 SWAT模型基礎數(shù)據(jù)內容及來源

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT模型 SWAT是一個流域尺度模型，用于評估連續(xù)長時段內各種土地利用和管理實踐對水量和水質的影響，模型的主要組成部分包括天氣、水文、土壤溫度和性質、植物生長和土地管理，所有的水文過程都可以基于水量平衡方程(公式1)進行模擬[13]。

(1)

式中：SWt為時間t時(天)的最終土壤含水量(mm)；SWo為第i天的初始土壤含水量(mm)；Rday為第i天的降水量(mm)；Qsurf為第i天的地表徑流(mm)；ETa為第i天的蒸散量(mm)；Wseep為第i天土壤底部的滲透水量(mm)；Qgw為第i天返回到地下水的水量(mm)。

2.2.2 參數(shù)敏感性分析 敏感性分析是對給定流域最敏感參數(shù)的計算，了解該模型模擬流域內水文過程的密切程度[32]。本研究選擇SWAT-CUP(Calibration and Uncertainty Programs)軟件內置的SUFI-2算法對SWAT模型進行敏感性分析、校準和驗證。SUFI-2被廣泛使用主要是因為達到可接受的校準結果所需的運行次數(shù)相對較少，比SWAT-CUP的其他程序少2～30倍；其中對結果不確定性的解釋程度被定義為p-factor和r-factor，這兩種測量方法結合在一起，使大多數(shù)測量數(shù)據(jù)具有最小的不確定度[33]。最后根據(jù)每個參數(shù)的t-state值與p-state值，確定研究區(qū)徑流的參數(shù)敏感性排序。觀測數(shù)據(jù)與最終的最佳模擬輸出之間根據(jù)決定系數(shù)(R2)，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)和百分比偏差(PBIAS)[34]對擬合優(yōu)度進一步量化，用于評估模型的性能。根據(jù)R2，NSE和PBIAS值，可將SWAT模型模擬結果可靠性劃分為非常好、好、滿意、不滿意4個等級[35]。

2.2.3 土地利用情景設置 通過研究不同土地利用類型相互轉變對流域徑流的影響，可揭示土地利用方式對徑流的影響機理。本研究采用極端情景模擬方法，即假設將某一土地利用類型全部轉變?yōu)榱硪煌恋乩妙愋?，然后模擬出流域的徑流量，再根據(jù)模擬徑流量相對基準期徑流量的變化情況，判斷不同土地利用類型對流域產(chǎn)流的貢獻順序。鑒于南渡江流域內主要土地利用類型為耕地、其他林地和橡膠林地，本研究以2015年土地利用數(shù)據(jù)和1990—2015年的氣象數(shù)據(jù)為基準，設置如下3種極端情模擬情景(表2)，以此研究耕地、其他林地、橡膠林地相互轉化時對流域徑流的影響，進而得出三者對流域產(chǎn)流的貢獻順序。

表2 南渡江流域不同土地利用情景設置

3 結果與分析

3.1 南渡江流域土地利用變化特征

1990年和2015年南渡江流域土地利用類型均以耕地、其他林地和橡膠林地為主，三者之和分別占總面積的96.34%，94.27%(表3)。1990—2015年，南渡江流域耕地、其他林地和水域面積持續(xù)減少，變化率分別為-4.06%，-1.21%，-0.09%；橡膠林地和建筑與未利用地面積分別增長3.20%，2.17%。土地利用方式的轉變直觀反映了研究區(qū)20世紀90年代以來城鎮(zhèn)化擴張和熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展下大面積種植橡膠林地，占據(jù)了一部分耕地、其他林地以及水域的空間。

表3 1990年和2015年南渡江流域土地利用類型面積分布及占比

由表4可知，其他林地主要由耕地和橡膠林地轉入，建筑與未利用地和水域轉入較少，轉入面積達967.87 km2，占總轉入面積的38.49%。耕地主要由其他林地和橡膠林地轉入，而建筑與未利用地和水域轉入較少，轉入面積為863.05 km2，占總轉入面積的61.83%。建筑與未利用地由其他土地利用類型轉入的占比最高，達91.85%，主要由耕地和其他林地轉入，轉入面積分別為103.24，46.02 km2。橡膠林地主要由其他林地和耕地轉入，轉入面積分別為408.74，396.35 km2。水域主要由耕地和其他林地轉入。綜上所述，幾種土地利用類型互相轉換的現(xiàn)象突出，其他林地由其他土地利用類型轉入的面積最大，耕地、橡膠林地次之；建筑與未利用地的其他土地利用類型轉移占比變化最劇烈，橡膠林地次之。

表4 1990-2015年南渡江流域土地利用類型轉移矩陣 km2

3.2 基于SWAT模型的流域徑流模擬

3.2.1 SWAT模型校準與驗證 根據(jù)龍?zhí)了恼镜膹搅饔^測數(shù)據(jù)，選擇1961—1976年作為SWAT模型徑流模擬的預熱期，1977—1987年和2006—2013年分別設置為率定期和驗證期，此處SWAT模型的校準和驗證均是基于2015年土地利用數(shù)據(jù)進行模擬的。通過參數(shù)的敏感性排序(表5)，將參數(shù)率定最佳值代入SWAT模型得到徑流模擬最優(yōu)結果。SWAT模型的參數(shù)率定結果顯示，對南渡江徑流產(chǎn)生最為密切的18個參數(shù)中，敏感性排序前5依次為EPCO，SLSUBBSN，CH_K2，SOL_BD和GW_DELAY，這說明南渡江徑流對植被蒸散發(fā)、產(chǎn)生徑流的坡面狀況、土壤狀況和地下水過程較為敏感。

研究區(qū)徑流模擬結果的R2，PBIAS和NSE在率定期分別為0.88，-5.81%，0.85，在驗證期分別為0.96，-21.63%，0.89(表6)，表明率定期和驗證期研究區(qū)流域的月尺度徑流模擬值與觀測值之間有較好的一致性。由圖2可知，率定期和驗證期徑流的模擬值與觀測值均擬合較好，模擬值能較好地反映實際徑流。綜上，SWAT模型在南渡江流域具有良好的適應性，表明SWAT模型可用于該流域的徑流過程模擬及其對土地利用變化的響應研究。

表5 參數(shù)敏感性排序

表6 SWAT模型在南渡江流域的模擬評價結果

3.2.2 南渡江流域徑流變化特征 考慮到目前獲得的1990年和2015年兩期研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，此處基于基準期2015年的土地利用數(shù)據(jù)模擬并補充了1990—2005年、2014—2015年的年徑流，再與研究區(qū)2006—2013年的年徑流觀測值，共同構成1990—2015年南渡江流域年徑流量變化趨勢(圖3)。1990—2015年南渡江流域出口龍?zhí)琳镜哪昃鶑搅髂觌H波動較大，平均值為191.14 m3/s，整體變化趨勢不顯著(圖3A)，無明顯突變(圖3B)。研究時段內南渡江流域徑流量最低值出現(xiàn)在2004年(93.5 m3/s)，1991年和2006年的年均徑流量亦較低，分別為103.9，100.0 m3/s；最高值出現(xiàn)在2000年(292.6 m3/s)，1997年和2009年亦較高，分別為285.3，281.7 m3/s。根據(jù)估算結果，1990年和2015年南渡江徑流量分別為180.43，130.16 m3/s，均屬于年均徑流量偏低的年份。

圖2 SWAT模型在南渡江流域的模擬評價結果

3.3 南渡江流域徑流對LUCC的響應

運用SWAT模型分別模擬了1990年和2015年兩期土地利用數(shù)據(jù)下的南渡江流域1990—2015年徑流量。結果表明，不同土地利用方式下模擬的1990—2015年的多年年均徑流量，C1情景比C0情景的多年平均徑流量減少0.33%，暗示土地利用變化對南渡江流域河流徑流量的影響相對較小。而2015年土地利用下模擬的2015年徑流比1990年土地利用下模擬的1990年徑流下降了27.86%，表明除土地利用外，其他因素對流域徑流影響更大。

1990—2015年南渡江流域各水文要素增長量由大到小為：潛在蒸散發(fā)>實際蒸散發(fā)>淺層滲透水>回歸流>淺層含水量>地下深層水；側向流(即壤中流)和地表徑流減少(表7)。這說明土地利用變化導致流域蒸散發(fā)加劇，實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)分別增加28.90，36.40 mm。同時，流域地表徑流與側向流減少，淺層滲透水增加，回歸流與地下深層水隨之增加，最終導致淺層含水量也有所增加。據(jù)此，1990—2015年南渡江流域LUCC引起蒸散發(fā)加劇，同時地表徑流與壤中流出現(xiàn)減少，從而導致流域河流徑流量的減少。

圖3 1990-2015年南渡江流域年徑流量變化趨勢及M-K突變檢驗

1990—2015年南渡江流域總徑流的主要來源是基流，基流平均占總徑流的65.5%(表8)。與1990年相比，2015年流域基流與總徑流占比增加，地表徑流與總徑流占比下降，但是基流與降水的占比和地表徑流與降水的占比分別降低了0.71%，1.29%；同時流域實際蒸散發(fā)增加，入滲量和深層補給量變化不明顯。綜上所述，1990—2015年南渡江流域LUCC導致的地表徑流減少，是流域河流徑流量減少的直接原因，而實際蒸散發(fā)的增加是導致地表徑流減少的主要原因。

表7 南渡江流域不同土地利用類型下各水文要素變化 mm

表8 南渡江流域不同土地利用類型下各水文要素占比

3.4 南渡江流域不同土地利用類型的徑流響應

3.4.1 不同土地利用類型對徑流的貢獻 基于SWAT模型模擬C1，C2，C3，C4等不同土地利用情景下南渡江流域1990—2015年的徑流量。結果表明，C2，C3和C4情景下的年均徑流均低于2015年基準期的C1情景(圖4)，即流域因極端土地利用方式均呈現(xiàn)出年均徑流減少的趨勢。引起徑流減少的模擬情景由大到小為：C3>C4>C2。C3情景(所有其他林地轉變?yōu)橄鹉z林地)的年均徑流減少最多，達3.00%，即橡膠林地與其他林地相比有產(chǎn)流減少的作用；C4情景(所有耕地轉變?yōu)橄鹉z林地)的年均徑流減少次之為1.65%，反映出橡膠林地較耕地也有減少產(chǎn)流的能力。C2情景(所有耕地轉變?yōu)槠渌值?的年均徑流減少1.20%，說明其他林地截流能力高于耕地。因此可知，研究區(qū)土地利用類型對流域產(chǎn)流的貢獻排序為：耕地>其他林地>橡膠林地，且3種極端土地利用情景均會導致流域徑流的明顯下降。

圖4 南渡江流域不同土地利用變化情景下的徑流響應

3.4.2 不同土地利用類型對流域水文要素的影響 基于1990年和2015年土地利用數(shù)據(jù)分別模擬了南渡江流域不同土地利用類型的水文響應。在不同土地利用變化下，土壤有效含水量表現(xiàn)為其他林地>耕地>橡膠林地>建筑與未利用地(圖5A)，其中橡膠林地面積增加引起土壤有效含水量下降。流域實際蒸散發(fā)排序為水域>橡膠林地>其他林地>建筑與未利用地>耕地(圖5B)，水域的實際蒸散發(fā)遠高于其他土地利用類型，除水域外，橡膠林地的實際蒸散發(fā)較高，橡膠林地面積增加致使蒸散發(fā)增強。地表徑流表現(xiàn)為建筑與未利用地>耕地>橡膠林地>其他林地(圖5C)，橡膠林地地表產(chǎn)流能力遠低于建筑與未利用地和耕地，橡膠林地面積擴張引起地表徑流下降；而其他林地面積減少會導致其地表徑流減少。不同土地利用類型的地表徑流高則其相應的地下徑流低，反之亦然。故而地下徑流表現(xiàn)為其他林地>橡膠林地>耕地>建筑與未利用地(圖5D)，且不同土地利用類型的地下徑流均差值較大，橡膠林地的地下徑流隨面積增加而降低。綜上所述，耕地具有較高的地表徑流量，其他林地具有較高的地下徑流量，但其他林地和橡膠林地的產(chǎn)流能力均低于耕地。橡膠林地面積擴張會引起橡膠林的蒸散發(fā)增強，同時土壤有效含水量、地表徑流和地下徑流均出現(xiàn)不同程度的下降?？傮w而言，1990—2015年的LUCC對南渡江流域水文過程的影響主要體現(xiàn)在蒸散發(fā)增加，地表徑流和地下徑流降低，與同時段年均徑流減少的結論一致。

注：FRST表示其他林地，AGRL表示耕地，RUBR表示橡膠林地，URBN表示建筑與未利用地，WATR表示水域。

4 討 論

在不同土地利用方式下模擬流域徑流，從1990—2015年的多年平均徑流量看，2015年土地利用下的模擬值比1990年模擬值減少0.33%；但從單年徑流量看，2015年土地利用下對應的該年徑流比1990年下降了27.86%。這從側面反映出南渡江河流徑流量降低主要受氣候變化的影響?；诮y(tǒng)計分析，2015年流域年降水量較1990年降低25.05%，氣溫升高1.21℃。據(jù)此推測，降水量降低以及氣溫升高致使蒸發(fā)量增加是南渡江流域2015年河流徑流量較1990年下降的主要原因。為此，基于SWAT模型模擬南渡江流域徑流對氣候變化的響應將是未來研究重點。

水文過程中，蒸散發(fā)是植被及地面整體向大氣輸送的水汽總通量，是水循環(huán)的重要組成部分。耿思文[26]和劉珉[36]等在海南儋州橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡中研究發(fā)現(xiàn)，單一的橡膠林蒸散發(fā)與同緯度熱帶雨林相當，蒸散發(fā)達到降水量的55%。因本研究中除橡膠林地外還有其他土地利用類型，且其他林地的劃分也并非典型的熱帶雨林，故流域蒸散發(fā)僅為降水的38%。另外，我們計算得到南渡江流域蒸散發(fā)平均值754 mm，這與林友興等[37]對熱帶雨林、橡膠林、亞熱帶常綠闊葉林等不同森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的研究結果相近。研究區(qū)橡膠林地的面積增長有94%是由耕地凈轉入的，由于耕地土壤含水量比橡膠林地高，實際蒸散發(fā)比橡膠林地低，故耕地轉變?yōu)橄鹉z林地引起土壤含水量下降，實際蒸散發(fā)增強；除耕地外還有10%是其他林地轉變?yōu)橄鹉z林地，同時橡膠林地的6%轉出為建筑與未利用地，而地下徑流表現(xiàn)為其他林地>橡膠林地>耕地>建筑與未利用地，且不同土地利用類型的差值較大，故橡膠林地整體表現(xiàn)為面積擴張引起地下徑流下降。研究表明流域橡膠林的種植面積擴張在一定程度會對徑流的產(chǎn)生起調節(jié)作用，但流域本身是處于水資源相對緊張的狀況，故建議當?shù)卣块T應當合理規(guī)劃土地利用格局，保護景觀多樣性，避免單一的土地利用方式。

南渡江流域不同土地利用類型的產(chǎn)流貢獻排序為耕地>其他林地>橡膠林地。這與李旦等[38]在海南島萬泉河上游流域的研究結果一致。另外，流域水文效應不僅與土地利用類型相關，也受到土地利用類型的面積大小制約，并且未來土地利用狀況將會更加復雜和破碎，徑流對土地利用變化的響應過程有待進一步細化。且由于氣候變化比土地利用變化對流域水循環(huán)的影響更顯著[39]，降水是主導流域徑流變化的主要氣候因子[40-42]。南渡江流域內徑流與降水的分布均具有典型的旱雨季特征，雨季占全年的80%左右，需要持續(xù)關注全球變暖背景下的流域水資源狀況，并采取有效措施應對。合理規(guī)劃土地利用結構，優(yōu)化土地利用布局是應對氣候變化下水文負效應的有效措施，是實現(xiàn)南渡江流域水資源合理分配的有效手段。

5 結 論

(1) 1990年和2015年南渡江流域的2期土地利用類型均以其他林地、耕地和橡膠林地為主，均占總面積94%以上，其他林地分布最廣。土地利用類型轉變中，耕地、其他林地和水域面積均減少，分別為-4.06%，-1.21%，-0.09%，橡膠林地和建筑與未利用地面積分別增長3.20%，2.17%。

(2) SWAT模型在南渡江流域的適宜性良好，徑流模擬對植被蒸散發(fā)、產(chǎn)生徑流的坡面狀況、土壤狀況和地下水過程較敏感。1990—2015年流域徑流年際波動性較大，1990年和2015年均屬于年均徑流量偏低的年份；基于這兩年分別對應的土地利用來模擬單年徑流，2015年徑流量比1990年下降27.86%。

(3) 1990—2015年LUCC對南渡江流域河流徑流量減少的影響相對較小。其中，流域LUCC導致的地表徑流減少是河流徑流量減少的直接原因；而蒸散發(fā)加劇是地表徑流減少的主要原因。

(4) 南渡江流域不同土地利用類型的產(chǎn)流貢獻排序為耕地>其他林地>橡膠林地；耕地對流域具有增流作用，與此相比其他林地和橡膠林地有一定截流持水作用。因流域內橡膠林地面積擴張主要由耕地和其他林地轉入，致使蒸散發(fā)增加，地表徑流和地下徑流均出現(xiàn)不同程度的下降，進而引起河流徑流量微弱減少。