林世偉，武瑞東

(1．云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明650091;2．云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室，云南 昆明650091)

人類的持續(xù)生存和發(fā)展依賴于生物多樣性和眾多生態(tài)系統(tǒng)服務的支持;其中生態(tài)系統(tǒng)供水服務是維持生物多樣性和其他關鍵生態(tài)系統(tǒng)功能的重要基礎［1～2］。在全球氣候變化和淡水資源日益短缺的背景下，加強水資源管理、維護生態(tài)系統(tǒng)供水服務功能已經(jīng)成為一項十分緊迫的任務［3～4］。

“三江并流”區(qū)是橫斷山區(qū)的重要組成部分，是我國淡水資源和水電能源的重要供給地［5～6］，同時也是世界級生物多樣性熱點地區(qū)［6］，生態(tài)系統(tǒng)供水服務對本地區(qū)乃至周邊國家非常重要。地理信息系統(tǒng)技術與生態(tài)學理論結(jié)合，在不同空間尺度下，可以對生態(tài)系統(tǒng)服務進行空間分布模擬和估算［3～4，7～8］，為決策者提供更多可視化、定量的生態(tài)系統(tǒng)服務綜合特征信息，是當前自然資源管理決策的重要手段［9］。

生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布模擬和估算的關鍵在于依據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性選擇合理的估算方法［9］。目前具有代表性的供水服務估算方法有綜合蓄水法［10］、林冠截留剩余量法［11］等;但這些方法忽略了植被蒸散發(fā)這一重要因素［12］。基于水量平衡法的InVEST模型可以很好的克服這一缺陷［12～14］，該模型已在其他地區(qū)得到驗證［3～4，7～8］。山地的海拔、坡度、坡向和坡位等地形要素對水、熱、光等生態(tài)因子的影響各不相同，并造成山地植被垂直地帶性分布［6］，不同植被與地形和氣候間的相互作用及由此產(chǎn)生的水文生態(tài)功能差異較大［15］;因此在探究山地地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布特征時，需要密切結(jié)合地形因素進行分析［15～16］。

綜上，本研究以“三江并流”區(qū)為研究區(qū)，采用InVEST模型對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供水服務物質(zhì)量的空間分布進行模擬和估算，并揭示生態(tài)系統(tǒng)供水服務在縣域，海拔、坡度、坡向和坡位4類地形要素上的分布格局，明晰不同生態(tài)系統(tǒng)的供水服務功能，以期為當?shù)氐纳鷳B(tài)保護和土地利用決策提供科技支持。

1 研究區(qū)概況

“三江并流”區(qū)地處云南、四川和西藏的交界處，北緯 25°33'～29°16'和東經(jīng) 98°7'～100°19'之間，行政上包括迪慶州、怒江州、大理州及麗江地區(qū)的16個縣區(qū)，總面積約68 908 km2(圖1)。該區(qū)地處青藏高原與云貴高原過渡帶，新構(gòu)造運動活躍，地形起伏大，山高谷深;怒江、瀾滄江和金沙江自西向東形成罕見的“三江并流”奇觀［5］;北部和西北部屬于溫帶和寒溫帶季風氣候，中南部為高原季風氣候，同時也具備明顯的山區(qū)立體氣候特征，水熱狀況垂直差異顯著，年降水量由西南向東北逐漸減少;土壤類型涉及了6個土綱、11個亞綱、18個土類和19個亞類;植被類型豐富，是7 000多種高等植物的聚集地［6］。

圖1 研究區(qū)位置Fig．1 The study area

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)為云南大學生態(tài)學與地植物學研究所開發(fā)的1︰10萬植被類型圖［17］，本區(qū)共涉及森林、灌叢、草甸等16種植被類型。地形數(shù)據(jù)源于為1︰25萬DEM數(shù)據(jù)，相關氣候數(shù)據(jù)源于國家氣候中心制作的30年 (1980-2009年)平均插值數(shù)據(jù) (空間分辨率為1 km×1 km)。土壤相關數(shù)據(jù)采用中科院南京土壤研究所開發(fā)的1︰100萬土壤數(shù)據(jù)庫，植被根系深度和作物系數(shù)數(shù)據(jù)分別來源于國內(nèi)外相關文獻以及InVEST用戶指南［14，18］(表1)。

表1 InVEST模型參數(shù)Tab．1 Parameters for InVEST model

2.2 生態(tài)系統(tǒng)供水服務估算方法

水量平衡原理是InVEST模型供水模塊的核心算法［14］，即某地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供水量Y(x)等于實際降雨量P(x)與實際蒸散發(fā)量AET(x)之差，單位mm/a，計算公式為，Y(x)=P(x)-AET(x)(1)。

實際蒸散發(fā)量用Zhang等［19］提出的一個基于Budyko曲線的經(jīng)驗公式計算，，式中，PET(x)為像元x上的潛在蒸散發(fā)量，單位mm/a;ω(x)為像元x上表征氣候-土壤條件的無量綱參數(shù)。

潛在蒸散發(fā)量 PET(x)的算法為［14］，PET(x)=Kc(lx)·ET0(x)(3)，式中，ET0(x)為參考蒸散發(fā)量，用于反映當?shù)氐臍夂驐l件，單位mm/a;Kc(lx)為土地利用類型lx上的作物系數(shù)，由當?shù)氐闹脖活愋蜎Q定。

采用基于月尺度溫度數(shù)據(jù)的Thornthwaite法計算參考蒸散發(fā)量［7，20］，先分別計算逐月的參考蒸散量，之后進行累加獲得年參考蒸散發(fā)量，計算公式為，ETM為月均參考蒸散發(fā)量，單位為mm/M;Tn為月均溫度，單位為℃，I為熱量指數(shù)。

采用Donohue等［21］提出的公式計算ω(x)，ω(x)，式中，Z是表征多年平均降水和其他水文地質(zhì)特征的常數(shù)，模型默認參數(shù)為 9．433［8，19］;AWC(x)為可利用水，單位 mm/a，計算公式為，AWC(x)=Min(MaxSoilDepthx，RootDelpthx)×PWACx(8)，式中，MaxSoilDepthx和RootDelpthx分別為最大土壤深度和植物根系深度，單位mm;PWACx為植物可利用水，單位%，可通過土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)計算［22］，PWAC=54．509-0．132 sand-0．003(sand)2-0．055 silt-0．006(silt)2-0．738 clay+0．007(clay)2-2．688 OM+0．501(OM)2(9)，式中，sand為土壤沙粒含量;silt為土壤粉粒含量;clay為土壤粘粒含量;OM為土壤有機質(zhì)含量;單位均為%。

對于沒有植被覆蓋的土地利用類型 (開闊的水面、城鎮(zhèn)等)，實際蒸散發(fā)量的計算公式為，AET(x)=Min〔Kc(lx)·ET0(x)，P(x)〕(10)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布特征

將各因子數(shù)據(jù)圖層的空間分辨率統(tǒng)一重采樣為100 m×100 m后，依據(jù)上述公式，在Arcgis 10．0中進行相應的空間運算，得到研究區(qū)多年平均供水量的空間分布圖層。為探究生態(tài)系統(tǒng)供水服務在不同地形要素上的分布及變化特征，并明確不同縣域?qū)ρ芯繀^(qū)供水貢獻，為今后的生態(tài)補償和生態(tài)經(jīng)濟價值核算等工作提供支持;本項目分別研究了供水服務在不同縣域、海拔、坡度、坡向和坡位上的分布變化規(guī)律。為此，以DEM數(shù)據(jù)為基礎，以500 m為間隔劃分海拔梯度，由于1 000 m以下和5 000 m以上地區(qū)分別僅占研究區(qū)總面積的0．205%和0．220%，故分別歸并為兩個帶，研究區(qū)共劃分為10個海拔梯度帶。按微坡 (≤3°)、較緩坡 (3°～8°)、緩坡 (8°～ 15°)、較陡坡 (15°～ 25°)、陡坡 (25°～35°)和極陡坡 (＞35°)標準，將研究區(qū)的坡度劃分為6個等級。按平地 (-1°)、北坡(-1°～22．5°和 337．5°～ 360°)、東北坡 (22．5°～ 67．5°)、 東 坡 (67．5°～ 112．5°)、 東 南 坡(112．5°～ 157．5°)、南坡 (157．5°～ 202．5°)、西南坡 (202．5°～247．5°)、西坡 (247．5°～292．5°)和西北坡 (292．5°～337．5°)標準，將本地坡向分為9個等級。基于地形位置指數(shù)，采用Topographic Index box下的坡位分類工具［23］，將本地區(qū)的坡位分為平坡、山谷、下坡、中坡和上坡 (包括山脊)5類。將供水量圖層分別與各地形要素及研究區(qū)縣域圖層進行空間疊加計算，提取供水服務在不同地形要素和縣域的分布數(shù)據(jù)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)的供水服務評估

在全球氣候變化和水資源短缺的背景下，優(yōu)先保護供水能力較高的生態(tài)系統(tǒng)是必要的;以研究區(qū)植被類型圖為基礎，將其與供水量圖層進行疊加，提取不同植被生態(tài)系統(tǒng)的供水量數(shù)據(jù)，以生態(tài)系統(tǒng)的單位面積供水量表征生態(tài)系統(tǒng)的供水能力高低。對比前人已開展的保護工作，綜合考慮不同生態(tài)系統(tǒng)供水能力及其空間分布狀況，提出保護工作的改進建議。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布特征

結(jié)果顯示，“三江并流”區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多年平均供水總量約412．3×108m3/a，單位面積多年平均供水量為620．4 mm/hm2，約占多年平均降雨量的59．6%。生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布差異明顯，整體表現(xiàn)為由西南向東北遞減趨勢，高值地區(qū)主要位于高黎貢山、怒山和云嶺等地，低值地區(qū)主要位于東部的麗江市古城區(qū)、鶴慶和賓川一帶 (圖2)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)供水服務在不同地形要素上的分布特征

隨著海拔的升高，單位面積供水量持續(xù)升高，3 000 m以下地區(qū)單位面積供水量低于區(qū)域平均水平 (圖3a)。不同海拔帶內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)供水總量表現(xiàn)為隨海拔的升高先升高后下降，主要集中在2 000～4 000 m 地區(qū) (80．8%，80．4%;前者表示占地區(qū)供水總量比例，后者表示占總土地面積比例，下同)(圖3a)。

單位面積供水量隨坡度的增加表現(xiàn)為先逐級微增而后微減，較緩坡以上地區(qū)的單位面積供水量明顯高于微坡地區(qū)，微坡地區(qū)的單位面積供水量遠低于區(qū)域整體水平 (圖3b)。供水總量主要集中在較陡坡和陡坡地區(qū) (54．1%，53．2%)(圖3b)。

圖2 “三江并流”區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布Fig．2 The spatial distribution of water supply service in the Three Parallel Rivers Region

坡向上，平地地區(qū)單位面積供水量明顯低于其他坡向地區(qū)，陽坡地區(qū) (南坡、西南坡、西坡、西北坡)無論在單位面積供水量或供水總量上都略低于陰坡地區(qū) (東北坡、東坡、北坡、東南坡)(圖3c);供水總量主要集中在東南坡和東北破(27．1%，26．8%)(圖3c)。

單位面積供水量由山谷向上坡逐步微增，平坡地區(qū)的單位面積供水量明顯低于其他坡位地區(qū) (圖3d);供水總量主要集中在上坡地區(qū) (50．8%，50．0%)(圖3d)。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)供水服務在不同地形要素上的分布特征Fig．3 The distribution of water supply service within different topography areas

3.3 生態(tài)系統(tǒng)供水服務在不同縣域上的分布特征

結(jié)果顯示，單位面積供水量較高的縣為瀘水縣(792．8 mm/hm2) ＞蘭坪白族普米族自治縣(765．1 mm/hm2) ＞ 云龍縣 (753．6 mm/hm2) ＞福貢縣 (738．3 mm/hm2)，單位面積供水量較低的縣為賓川縣 (488．1 mm/hm2)、鶴慶縣 (473．3 mm/hm2)和麗江市古城區(qū) (473．1 mm/hm2)(圖4)。供水總量較大的縣為中甸縣(15．5%，17．2%;前者表示占地區(qū)供水總量比例，后者表示占總土地面積比例，下同) ＞德欽縣 (10．15%，10．9%)＞玉龍縣 (8．4%，9．38%) ＞蘭坪白族普米族自治縣 (8．18%，6．63%)，供水量總量較小的縣為鶴慶縣 (2．7%，3．5%)、大理市 (2．1%，2．0%)和古城區(qū) (1．5%，1．9%)(圖4)。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)供水服務在不同縣城的分布特征Fig．4 The distribution of water supply service within different counties

3.4 生態(tài)系統(tǒng)的供水服務評估

結(jié)果顯示，供水能力較高的生態(tài)系統(tǒng)為冰雪和冰川 (1 082．73 mm/hm2) ＞ 灌叢 (871．26 mm/hm2)＞竹林 (858．79 mm/hm2) ＞草地 (806．84 mm/hm2)＞ 草甸 (703．39 mm/hm2) ＞ 溫性針葉林 (626．81 mm/hm2)，較小的為落葉闊葉林 (543．47 mm/hm2)、暖性針葉林 (529．65 mm/hm2)和硬葉常綠闊葉林(510．45 mm/hm2)(圖5)。供水總量較大的生態(tài)系統(tǒng)為溫性針葉林 (21．23%，21．02%;前者表示該生態(tài)系統(tǒng)供水量占總供水量比例，后者表示該生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域的分布面積比例，下同)＞暖性針葉林 (18．36%，21．51%) ＞ 灌叢 (14．55%，10．36%) ＞稀樹灌木草叢 (13．43%，15．16%)＞栽培植被(11．64%，11．94%)，較小的為冰雪(1．67%，0．98%)、落葉闊葉林(0．56%，0．64%)、草地(0．36%，0．28%)和竹林(0．17%，0．12%)(圖5)。

圖5 供水服務在不同生態(tài)系統(tǒng)中的分布Fig．5 The distribution of water supply service within different ecosystem types

4 結(jié)論與討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)供水服務的空間分布成因

由于大尺度上研究資料的限制，InVEST模型中沒有考慮霧氣、地下水交換、植物葉片類型及季節(jié)性等因素對供水服務的影響［14］，難免會造成估算值出現(xiàn)偏差。研究所得本地區(qū)單位面積供水量比2012年《長江流域及西南諸河資源公報》［24］公布的西南諸河流域平均產(chǎn)水模數(shù)小約3 mm/hm2;比相關實測資料公布的川西滇北地區(qū)徑流系數(shù)［25］僅偏大1%，說明InVEST模型在不同空間尺度下都具有良好的適用性。

“三江并流”區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供水服務的水平空間分布與降雨分布格局基本保持一致，反應了季風氣候與特殊地表格局對生態(tài)系統(tǒng)供水服務的主控影響［26］。本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供水服務也表現(xiàn)明顯的垂直分布規(guī)律;降水量、土壤以及生物群落的垂直地帶性主要由海拔和坡位的變化產(chǎn)生［16，27］，由低海拔向高海拔、山谷向上坡，溫度和植被覆蓋度的遞減［6，28］導致蒸散發(fā)量減少，單位面積供水量逐漸增加。坡度和坡向主要影響光照和溫度，引起水分和土壤性質(zhì)的變化［27］;在北半球，南坡以及西坡接受光照的時間長、強度大，導致蒸散發(fā)量相對較高［13，16，27］，這是供水量較北坡地區(qū)略少的重要原因，但坡向?qū)庹盏淖饔猛ǔＴ诠律缴细语@著［27］，因此對“三江并流”區(qū)這樣的群山地區(qū)作用并不明顯;在坡度較小的地區(qū)，土壤的養(yǎng)分和水分積累充足，通常是樹木的生長地［16，27］，林木的蒸散較其他植被類型偏大［29］，因此隨著坡度降低，供水量有所減少。

研究發(fā)現(xiàn)在一些地勢平坦地區(qū)，單位面積供水量普遍偏低，可能的原因之一是這些地區(qū)主要位于中甸中部、麗江以及賓川部分地區(qū)，當?shù)氐慕邓勘揪推停?6］。此外，可能與這類地區(qū)通常是人類從事農(nóng)耕等生產(chǎn)活動的主要場所［6］、作物蒸散較高、需水量也高有一定關系［29］，也說明人類活動可能會影響局部地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供水服務。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)的供水服務

由于人工建筑、裸巖等生態(tài)系統(tǒng)所占面積小，且不屬于重要的保護對象［6，17］，故不做深入討論和分析?；贗nVEST模型評估的不同生態(tài)系統(tǒng)供水能力，基本符合前人的小區(qū)實驗研究成果，即生態(tài)系統(tǒng)的供水量隨著“林分郁閉度、灌草層的覆蓋度以及枯枝落葉的量和土壤的非毛管孔隙度的增大而減小”［15］;說明本研究結(jié)果可為“三江并流”區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護工作提供支持。冰雪是本地區(qū)單位面積供水量最高的生態(tài)系統(tǒng)，盡管其多年平均供水量接近其本身面積比例的2倍，但這一數(shù)值僅是基于多年平均降雨量數(shù)據(jù)的計算結(jié)果，并沒有考慮季節(jié)性冰雪融水的供給量，而這部分供水量對河流枯水季節(jié)補水有巨大作用［30］。受氣候變暖和人為活動的影響，需要盡快制定適應策略控制冰川的退縮。

本研究發(fā)現(xiàn)灌叢在本地區(qū)分布面積大、供水能力最強;竹林分布面積小，但供水能力較強，竹林還具備其他重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值［31］，若遭毀壞，帶來的損失尚不明確;現(xiàn)有的保護工作還未體現(xiàn)對灌叢和竹林優(yōu)先保護［6，17，32］，說明當前的保護工作需要做出適當調(diào)整;但這并不意味著要盲目的減少暖性針葉林等供水能力相對較低的植被去擴張生態(tài)系統(tǒng)供水能力較高的植被，因為在局部地區(qū)，暖性針葉林等生態(tài)系統(tǒng)可能有著其他重要生態(tài)價值，如水土保持、調(diào)節(jié)氣候等［6］，因此還需要結(jié)合實地情況，綜合制定相應的保護和恢復措施。

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