傅 斌，徐 佩，王玉寬，* ，彭 怡，任 靜

(1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041;2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程與生態(tài)服務(wù)功能的關(guān)系，分析生態(tài)服務(wù)功能特征，及其對全國或區(qū)域生態(tài)安全的重要程度［1］。水源涵養(yǎng)重要性在于整個區(qū)域?qū)τ谠u價地區(qū)水資源的依賴程度，隨所處流域級別等存在差異［2］。生態(tài)系統(tǒng)通過林冠、枯落物、根系以及土壤將降水?dāng)r蓄在系統(tǒng)內(nèi)部，不僅滿足系統(tǒng)內(nèi)各生態(tài)組分對水源的需要，同時持續(xù)地向外部提供水源，在眾多生態(tài)服務(wù)功能中占有非常關(guān)鍵的地位。因此，在不同尺度的生態(tài)區(qū)劃中，水源涵養(yǎng)重要性評價都是必不可少的內(nèi)容［3-6］。目前對水源涵養(yǎng)重要性評價的方法基本是按照環(huán)保部生態(tài)功能評估暫行規(guī)定，即按河流的上中游進(jìn)行評價。這種評估主要考慮人類社會對水源的需求，沒有考慮水源涵養(yǎng)功能的分布情況，在較大尺度上可行，但在縣域一級尺度上就略顯簡單。此外，也有研究采用地形地貌、年降水量、植被類型為指標(biāo)評價了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)重要性［7］。

都江堰市位于成都市的上游，是舉世聞名的都江堰水利工程所在地。都江堰已成為實灌面積67.3×104hm2的特大型灌區(qū)，不僅滿足了成都平原和川中丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的需要，而且還為灌區(qū)提供了供水、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生態(tài)保護(hù)、旅游等綜合服務(wù)［8］。市域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能好壞不僅直接關(guān)系本市的供水安全，同時也對成都市乃至整個成都平原的社會經(jīng)濟(jì)都有重要的影響。汶川地震對都江堰市生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大破壞［9］，直接影響水源涵養(yǎng)功能。準(zhǔn)確評估震后市域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)重要性將對其創(chuàng)建國家級生態(tài)市，保障整個成都平原的生態(tài)安全具有重要意義。本文將采用Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(InVEST)模型對水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量評估，在此基礎(chǔ)進(jìn)行縣域水源涵養(yǎng)重要性評價。

1 研究區(qū)概況

都江堰市位于四川盆地成都平原西北部，距離省會成都市40km(圖1)，東經(jīng)103°25'42″—103°47'00″，北緯30°44'54″—31°22'09″，面積1207.5km2。由于地處川西高原向四川盆地過渡區(qū)，地貌差異顯著，北部為中高山區(qū)，西南部為低山丘陵區(qū)，東部為丘陵即平原區(qū)，地勢呈現(xiàn)西高東低的趨勢。氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。多年平均氣溫為15.2℃，多年平均降水量為1225.4 mm，最豐年為1605.4 mm，最少年為713.5 mm，降水季節(jié)分配不均，出現(xiàn)冬干、春旱、夏多暴雨、秋天陰雨連綿的特點，5—9月降水量占全年總量的77.8%。都江堰市處于川西平原的源頭區(qū)，境內(nèi)河渠縱橫，均為岷江支流，水源涵養(yǎng)直接關(guān)系到下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。同時，都江堰市城鎮(zhèn)及成都平原生活和工業(yè)用水基本都取用地表水作為水源，水源涵養(yǎng)和水質(zhì)保護(hù)對保證區(qū)域人口的正常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常重要。

2 研究方法

2.1 InVEST水源涵養(yǎng)模型

水源涵養(yǎng)功能的評價方法有土壤蓄水法［10］、降水儲存量法［11］、區(qū)域水量平衡法［12］和地下徑流增長法［13］。本文采用InVEST模型進(jìn)行定量評估［14-15］。該模型根據(jù)水量平衡原理計算流域產(chǎn)水量，在產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上再考慮土壤厚度、滲透性、地形等因素的影響，計算水源涵養(yǎng)量。具體計算方法如下:

式中，WR為多年平均涵養(yǎng)水量(mm);TI為地形指數(shù)，無量綱，根據(jù)DEM計算;Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d);TravTime為徑流運動時間(min)，用坡長除以流速系數(shù)(vel_coef)得到。

圖1 都江堰市區(qū)位圖Fig.1 location of Dujiangyan in Sichuan Province

式中，Drainage area為集水區(qū)柵格數(shù)量，無量綱，Soil depth為土壤深度(mm)，Percent slope為百分比坡度。產(chǎn)水量Yield由下式計算:

式中，Yjx為年產(chǎn)水量，Px為柵格單元x的年均降雨量;AETxj為土地利用類型j上柵格單元x的年平均蒸散發(fā)量，由(4)式計算:

式中，Rxj為土地利用類型j上柵格單元x的干燥指數(shù)，無量綱，表示潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值:

式中，k(或ETk)為作物系數(shù)，是作物蒸散量ET與潛在蒸散量ET0的比值;潛在蒸散發(fā)量ET0，是指假設(shè)平坦地面被特定矮桿綠色植物全部遮蔽，同時土壤保持充分濕潤情況下的蒸散量，采用下式計算:

式中，ET0為潛在蒸散量(mm/d);RA太陽大氣頂層輻射(MJ·m-2·d-1);Tagv是日最高溫均值和日最低溫均值的平均值(℃);TD是日最高溫均值和日最低溫均值的差值(℃)。

太陽大氣頂層輻射用氣象站太陽平均總輻射除以50%計算獲得(假設(shè)大氣層頂?shù)奶栞椛涫?00%。那么太陽輻射通過大氣后發(fā)生散射、吸收和反射，向上散射占4%，大氣吸收占21%，云量吸收占3%，云量反射

式中，Z為zhang系數(shù)［16］，是表征多年平均降水特征用一個常數(shù)，是模型的關(guān)鍵參數(shù)，默認(rèn)值是9.433;AWCx為可利用水;

式中，MaxSoilDepth為最大土壤深度;RootDepth為根系深度;PAWCx為植被可利用水，利用土壤質(zhì)地計算［17］;

式中，sand為土壤砂粒含量(%);silt為土壤粉粒含量(%);clay為土壤粘粒含量(%);OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)。

2.2 重要性評價

水源涵養(yǎng)重要性評價采用綜合指數(shù)法。同時考慮生態(tài)系統(tǒng)的供水功能，以及對洪水的減緩作用。水源涵養(yǎng)功能用水源涵養(yǎng)量表示，生態(tài)系統(tǒng)減洪作用用暴雨截流量表示。采用次降雨飽和截流量與多年平均暴雨日數(shù)相乘得到，然后對水源涵養(yǎng)量和植被截流量進(jìn)行分級賦值后相加，結(jié)果按表2分級確定重要性。水源地保護(hù)區(qū)和飲用水水源地是水源涵養(yǎng)功能被利用的區(qū)域，直接被認(rèn)為是極重要區(qū)。占23%，共約損失50%)。

ωx為修正植被年可利用水量與降水量的比值，無量綱:

表1 水源涵養(yǎng)功能分級Table 1 Classification of water retention function

表2 水源涵養(yǎng)重要性分級Table 2 importance of water retention reclass

2.3 參數(shù)與數(shù)據(jù)

InVEST水源涵養(yǎng)模型需要輸入的參數(shù)有蒸散系數(shù)(ETk)，根系深度，流速系數(shù)(表3)。潛在蒸散發(fā)量PET，與模型中參考蒸散量(ET0)概念相同，是指假設(shè)平坦地面被特定矮桿綠色植物全部遮蔽，同時土壤保持充分濕潤情況下的蒸散量。估算潛在蒸散量的方法主要有Penman-Monteith(PM)［18］、Hargreaves(HG)［19］、Thornthwaite法［20］、Modified-Hargreaves 法［21］。InVEST 模型推薦 數(shù)據(jù)難以獲取的地區(qū)使用 Modified-Hargreaves法。

最大根系深度表示植被能獲得水的深度。各植被的最深根系可以由相關(guān)文獻(xiàn)獲得［22-26］。作物系數(shù)是指一定時段內(nèi)水分充分供應(yīng)的農(nóng)作物實際蒸散量與生長茂盛、覆蓋均勻、高度一致(8—15cm)和土壤水分供應(yīng)充足的開闊草地蒸散量的比值，參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)出版的《作物蒸散量-作物需水量計算指南》模型提供的參考數(shù)據(jù)以及研究區(qū)地表植被覆蓋實際情況確定［26-32］。流速系數(shù)表示了不同的下墊面對地表徑流運動的影響。以USDA-NRCS提供的國家工程手冊上的流速-坡度-景觀表格為基準(zhǔn)，乘以1000得到的。土壤飽和導(dǎo)水率采用澳大利亞威爾士大學(xué)開發(fā)的NeuroTheta軟件計算［33］。

除上述參數(shù)外，運行模型還需要土地利用、DEM、土壤質(zhì)地和長期氣象數(shù)據(jù)。其中氣象數(shù)據(jù)通過中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲得，其他數(shù)據(jù)通過到都江堰市實地調(diào)查收集得到。

植被次暴雨截流量參考相關(guān)文獻(xiàn)確定［34-36］。暴雨日數(shù)為多年平均的日降雨量大于50mm的日數(shù)，采用四川省1951—2005年日降雨資料插值獲得。

表3 InVEST模型參數(shù)表Table 3 Parameters for InVEST model

3 結(jié)果

3.1 水源涵養(yǎng)功能

圖2給出了都江堰市生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評估結(jié)果。全市生態(tài)系統(tǒng)多年平均水源涵養(yǎng)量為266mm/a，占年均降水量的21.7%，水源涵養(yǎng)總量達(dá)到3.21億m3，為紫坪鋪水庫庫容的28.8%。水源涵養(yǎng)功能在市域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異。水源涵養(yǎng)功能較高的區(qū)域有兩個，其一為市域的北部中低山區(qū)，包括虹口鄉(xiāng)與龍池鎮(zhèn)的部分地區(qū)，多年平均水源涵養(yǎng)量在200—260mm之間;其二市域的西南部低山丘陵區(qū)，主要是青城山一帶，多年平均水源涵養(yǎng)量在150—220mm之間，與北部山區(qū)不同的是該地區(qū)雖然水源涵養(yǎng)功能總體較高，但分布不及前者集中，在高涵養(yǎng)區(qū)中間同時還散布一些中低功能區(qū)。水源涵養(yǎng)功能較差的地區(qū)主要分布在北部高山區(qū)和東部平原區(qū)。前者主要是受地質(zhì)影響，但是大面積的森林和草地被破壞，形成涵養(yǎng)能力極差的裸巖石礫地，但都江堰降水豐富，采用自然恢復(fù)為主結(jié)合人工植被重建應(yīng)該能較快恢復(fù)。東部平原區(qū)是人口集中分布的區(qū)域，土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主，水源涵養(yǎng)能力較差。市域其他地區(qū)水源涵養(yǎng)功能處于中等。需要指出的是，都江堰水利工程以及紫坪鋪水庫所在地的紫坪鋪鎮(zhèn)水源涵養(yǎng)功能并不是最高，其原因是這一地區(qū)已處于岷江干旱河谷地區(qū)，植被稀疏、降雨偏少，因此生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能一般。

圖2 都江堰市水源涵養(yǎng)功能Fig.2 Water retention function of Dujiangyan

3.2 水源涵養(yǎng)重要性

由于地處成都市的上游，都江堰水源涵養(yǎng)整體上都屬重要。圖3a表明，都江堰市生態(tài)系統(tǒng)的減洪功能都重要，市域西部的青城山至虹口一帶，是森林主要分布區(qū)，也是山區(qū)，其減洪功能對于緩解市域的洪災(zāi)極為重要，這主要由生態(tài)系統(tǒng)的分布與暴雨分布決定。與之類似，水源涵養(yǎng)重要區(qū)空間分異也較為明顯(圖3b)，極重要區(qū)主要集中在縣域北部，包括龍池鎮(zhèn)與虹口鄉(xiāng)的大部分地區(qū)，以及市域西南的青城山風(fēng)景區(qū)中部與大觀鎮(zhèn)的西部。由于紫坪鋪水庫對于下游的供水安全極為重要，因此盡管其水源涵養(yǎng)功能不是最高，其重要性等級仍然為極重要。市域東部的廣大平原與丘陵區(qū)由于水源涵養(yǎng)功能較差，故水源涵養(yǎng)重要性等級最低。其余地區(qū)重要性處于中等。水源涵養(yǎng)重要性總體上與水源涵養(yǎng)功能的格局一致，這說生態(tài)功能評估結(jié)果在生態(tài)重要性評價中占有重要地位，因此在數(shù)據(jù)和方法可行的條件下，應(yīng)盡量以水源涵養(yǎng)功能評估為基礎(chǔ)進(jìn)行水源涵養(yǎng)重要性評價。

圖3 重要性評價Fig.3 water retention importance of Dujiayan a.植被減洪重要性，b.水源涵養(yǎng)重要性

4 討論與結(jié)論

采用InVEST模型可以對縣域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行定量評估，在此基礎(chǔ)上開展的水源涵養(yǎng)重要性評價能夠較為精細(xì)地反映水源涵養(yǎng)功能的空間差異及其對人類社會的重要性。根據(jù)本文的研究結(jié)果，都江堰市的水源涵養(yǎng)極重要區(qū)面積為421km2，占全市總面積的34.9%，遠(yuǎn)大于目前縣域的水源保護(hù)區(qū)面積。因此在災(zāi)后重建以及都江堰的生態(tài)市建設(shè)(2010—2020)中，需要圍繞水源涵養(yǎng)功能的恢復(fù)，開展水源保護(hù)區(qū)建設(shè)。受地震破壞，縣域北部水源涵養(yǎng)功能破壞較重，但由于都江堰地處川西高原向盆地過渡地區(qū)，地勢西高東低，來自東部的季風(fēng)縣域西部和北部形成豐富的降水，有利于植被快速恢復(fù)，只要采取自然修復(fù)并輔以人工植被建設(shè)，就能在較短時間恢復(fù)該地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能。

水源涵養(yǎng)重要性評價需要以水源涵養(yǎng)功能評估為基礎(chǔ)。由于缺乏對水源涵養(yǎng)定量評價的方法，目前多數(shù)評估都采用替代的方式。如胡國紅在評估長江上游森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能時，從攔截蓄水，調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)3個方面構(gòu)建了11個指標(biāo)的評價體系，但對攔截蓄水采用的的土壤孔隙度，厚度等參數(shù)，評價的是生態(tài)系統(tǒng)潛在的水源涵養(yǎng)功能，而不是實際能夠提供的功能［37］。王春菊采用地形地貌、年降水量、植被類型為指標(biāo)評價了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)重要性［7］，實際上也是從生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的能力角度出發(fā)，但沒有明確計算水源涵養(yǎng)量。水源涵養(yǎng)重要性不僅要反映供水功能的差異，同時也要體現(xiàn)對緩解洪水的作用。在類似的評估中都沒有進(jìn)行區(qū)分。目前對水源涵養(yǎng)重要性的評價主要按生態(tài)系統(tǒng)處于流域中的位置關(guān)系進(jìn)行評價［2，4，6］，并沒有考慮功能的差異，適用于大尺度的評估。在縣域評價時，特別是山區(qū)，其人口分布主要在下游，流域位置關(guān)系簡單，僅用這種關(guān)系不能有精細(xì)的劃分。而采用InVEST模型進(jìn)行水源涵養(yǎng)重要性評價能夠做到定量化和空間化，識別的重要區(qū)更為精細(xì)。

水源涵養(yǎng)重要性評價是制定水資源利用，生態(tài)保護(hù)等政策與規(guī)劃的基礎(chǔ)。水源涵養(yǎng)重要性的科學(xué)評價首先依賴水源涵養(yǎng)功能的準(zhǔn)確評估，盡管本文采用InVEST模型進(jìn)行了定量評估，但由于問題的復(fù)雜性，未來在以下方面還需要深入研究:1)水源涵養(yǎng)功能不僅反映了生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)水分的能力，同時還受到氣候條件的影響，如何在評估中區(qū)分生態(tài)水源涵養(yǎng)的潛在能力與生態(tài)系統(tǒng)實際能夠提供的功能是評估中的關(guān)鍵問題;2)在水源涵養(yǎng)重要性評價中還需要定量考慮水源涵養(yǎng)區(qū)與下游需水區(qū)的關(guān)系，將下游地區(qū)對上游地區(qū)水源的需求在空間上和數(shù)量上進(jìn)行計算，這將為實施生態(tài)補償，切實保護(hù)水源地提供科學(xué)依據(jù)。

致謝:本文使用了美國斯坦福大學(xué)與世界自然基金會(WWF)以及大自然保護(hù)協(xié)會(TNC)聯(lián)合開發(fā)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型(InVEST)，在模型調(diào)試與驗證過程中得到了Gretchen Daily教授，Driss博士的熱情幫助，特此致謝。

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