楊 英,王立新,任衛(wèi)華,鄭冬梅,智長貴

(1.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714；2.周口市林業(yè)科學研究院,河南 周口466000；3.周口市川匯區(qū)林業(yè)技術(shù)工作站,河南 周口 466000)

基于InVEST模型的河南淅川縣森林資源水源涵養(yǎng)功能評估

楊 英1,王立新2,任衛(wèi)華3,鄭冬梅1,智長貴1

(1.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714；2.周口市林業(yè)科學研究院,河南 周口466000；3.周口市川匯區(qū)林業(yè)技術(shù)工作站,河南 周口 466000)

以淅川縣為研究對象,采用Invest模型評估了2004年、2009年和2014年淅川縣森林資源各地類水源涵養(yǎng)功能。結(jié)果表明：1)淅川縣西部和北部地區(qū)水源涵養(yǎng)功能較好,東南部地區(qū)水源涵養(yǎng)功能較差。2)水源涵養(yǎng)功能在森林覆蓋高的區(qū)域明顯優(yōu)于森林覆蓋低的區(qū)域。3)喬木林地年均水源涵養(yǎng)量最大,為300.51mm；其他林地水源涵養(yǎng)量最小,為44.83mm。森林資源各地類年均水源涵養(yǎng)量大小順序為喬木林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥未成林地﹥苗圃地﹥其他林地。

InVEST模型；森林資源；水源涵養(yǎng)

南水北調(diào)中線工程是當今世界上最大的跨流域調(diào)水工程,重點解決北京、天津、河北、河南4個省(直轄市)的水資源短缺問題,對于緩解我國北方水資源危機,實現(xiàn)水資源整體優(yōu)化配置,促進北方經(jīng)濟社會環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。淅川縣是丹江口水庫的重要水源地之一,是南水北調(diào)中線工程渠首所在地。森林資源在丹江口水庫水源涵養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的功能。本文選取南水北調(diào)中線工程水源區(qū)典型區(qū)域——淅川縣,對該縣森林資源的涵養(yǎng)水源功能進行評估,以期為南水北調(diào)中線工程建設(shè)和運行過程中森林資源管理以及生態(tài)環(huán)境保護提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

目前,國內(nèi)外通常采用水量平衡法和降雨儲存法評估森林資源水源涵養(yǎng)功能[1]。InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)能夠模擬不同土地覆被格局情景下,生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)物質(zhì)量和價值量的變化,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化[2-6]。InVEST模型采用水量平衡方法,水源涵養(yǎng)模塊可通過分析不同土地利用類型下土壤滲透性的差異．結(jié)合地形及地表粗糙程度對地表徑流的影響,以柵格為單元定量評價不同地塊的水源涵養(yǎng)能力[3]。本文采用InVEST模型,充分考慮氣候、地形、植被、土壤和土地利用等因素,客觀分析與評價淅川縣的森林資源水源涵養(yǎng)功能。

1 研究區(qū)概況

淅川縣位于河南省西南部,地理坐標為北緯32°55′～33°23′,東經(jīng)110°58′～111°53′。土地總面積為 2 818.12km2,縣域西北—東南斜長107km,橫寬46km[7]。地勢由西北向東南傾斜,西北部為低山區(qū),中部為丘陵區(qū),東南部為崗地及沖積平原區(qū)。東南部的丹江口水庫區(qū)為構(gòu)造盆地地貌。氣候?qū)俦眮啛釒蚺瘻貛н^渡的季風性氣候,四季分明,降水豐富,是南北差異的過渡地帶,植被類型多樣,植物資源豐富。根據(jù)國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會辦公室2015年技術(shù)咨詢項目監(jiān)測結(jié)果,2014年淅川縣林地面積為137 649.93hm2,森林覆蓋率為48.70%。其中喬木林地120 705.23hm2,占林地的87.69%；疏林地2 335.80hm2,占1.70%；灌木林地4 678.62hm2,占3.40%；未成林地822.71hm2,占0.60%；苗圃地193.39hm2,占0.14%；無立木林地24.50hm2,占0.02%；宜林地8 889.68hm2,占6.46%。

2 研究方法

2.1 水源涵養(yǎng)模型原理

InVEST模型根據(jù)水量平衡的原理實現(xiàn)水源涵養(yǎng)模塊的功能。核心算法是運用水量平衡法結(jié)合氣候、地形和森林景觀類型計算得出流域每個柵格的水源供給量。水源供給量為區(qū)域上每個柵格單元的降雨量減去實際蒸發(fā)量。降雨量與蒸發(fā)量兩者間的平衡關(guān)系受氣象要素、土壤特征和地表覆蓋等的影響。水源涵養(yǎng)量是在水源供給量的基礎(chǔ)上，研究土壤厚度、滲透性以及地形等因素的作用，計算得到。

水源涵養(yǎng)量具體計算方法如下[8]：

WR=(1-TI)×Min(1,Ksat/300)×Min(1,TravTime/25)×Yield

(1)

式中：WR為多年平均涵養(yǎng)水量(mm) ；TI為地形指數(shù)，無量綱；Ksat為土壤飽和導水率(cm/d)；TravTime為徑流運動時間(min) ，等于坡長除以流速系數(shù)(vel_coef)；Yield為水源供給量，由(2)式計算[8-10]：

(2)

式中：Yjx為第j個土地利用類型第x個柵格單元的年水源供給量；Px為第x個柵格單元的年均降雨量；AETjx為第j個土地利用類型第x個柵格單元的年平均實際蒸散發(fā)量，由(3)式計算：

(3)

(4)

式中：k為發(fā)育期中作物蒸散量ET與潛在蒸散量ET0的比值，即作物系數(shù)。

(5)

式中：Z為Zhang系數(shù)，是表征多年平均降雨特征的常數(shù)；AWCx為植被可利用的體積含水量(mm)，由土壤質(zhì)地與有效土壤深度確定。

2.2 數(shù)據(jù)處理和校驗

InVEST水源涵養(yǎng)模塊需輸入的參數(shù)有：降水量、潛在蒸散量、土壤深度數(shù)據(jù)、植被可利用水含量、蒸散系數(shù)、根系深度以及Zhang系數(shù)。其中蒸散系數(shù)、根系深度和Zhang系數(shù)采用相關(guān)文獻資料數(shù)據(jù)[6,10-11]。其他參數(shù)須經(jīng)過處理,以符合模型所需的數(shù)據(jù)格式。本文對2004年、2009年、2014年3期水源涵養(yǎng)狀況進行研究,各期同一種數(shù)據(jù)的處理方法相同,以2014年所需數(shù)據(jù)進行列舉。本文選用分辨率為30m×30m的遙感影像,數(shù)據(jù)處理原理與校驗方法如下。

1) 植被數(shù)據(jù)獲取。林地數(shù)據(jù)是依據(jù)淅川縣最近的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),結(jié)合2004年、2009年和2014年遙感變化情況,采用內(nèi)業(yè)區(qū)劃判讀和現(xiàn)地調(diào)查得到。本文將淅川縣的林地分為喬木林地、灌木林地、疏林地、未成林地、苗圃地、其他林地六大類。

2) 降雨量數(shù)據(jù)獲取。降雨數(shù)據(jù)是根據(jù)淅川縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站點以及周邊縣站點2004年、2009年和2014年的降雨觀測點數(shù)據(jù),采用Kriging空間插值,形成柵格數(shù)據(jù)格式。

3) 潛在蒸散量。指假設(shè)平坦地面被特定矮桿綠色植物(高0.12,地面發(fā)射率為0.23)全部遮蔽,土壤保持充分濕潤情況下的蒸散量。本文采用Modified-Hargreaves法[12]：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.0123P)0.76

(6)

式中：T0為潛在蒸散量(mm/d)；RA為太陽大氣頂層輻射量,單位為MJ/(m2·d),用氣象站太陽總輻射數(shù)據(jù)計算獲得；Tavg為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(℃)；P為月平均降雨量。將收集到的數(shù)據(jù)整理后,代入公式(6),得到淅川縣年均潛在蒸散量。

4) Zhang系數(shù)。表征降雨特征的常數(shù),代表季節(jié)降雨分布和降雨深度參數(shù)。將不同的 Zhang 系數(shù)值代入模型運行。再根據(jù)研究區(qū)多年平均蒸散量與平均水源供給量觀測數(shù)據(jù)進行校驗。

5) 植被可利用水。可以評估出土壤為植物生長所儲蓄和釋放的總水量,運用已經(jīng)建立的基于土壤質(zhì)地和土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的非線性擬合土壤AWC估算模型計算[13]。

AWC(%)=54.509-0.132×SAN%-0.003×(SAN%)2-0.055×SIL%-0.006×(SIL%)2-0.738×CLA%+0.007×(CLA%)2-2.688×(C%)+0.501×(C%)2

(7)

式中：SAN%,SIL%,CLA%和C%分別為沙粒、粉粒、粘粒和有機碳含量。

6) 土壤深度。壤深度根據(jù)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果中的屬性數(shù)據(jù),采用克里金插值法形成模型所需的面狀柵格數(shù)據(jù)格式。

7)土壤飽和導水率。據(jù)土壤顆粒組成數(shù)據(jù)砂粒、粘粒、粉粒,用Rosetta軟件計算,形成模型所需的面狀柵格數(shù)據(jù)格式。

淅川縣森林資源水源涵養(yǎng)模型所需生物物理參數(shù)如表1所示。

表1 InVEST模型參數(shù)表

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分析

從森林資源涵養(yǎng)水源空間格局分布來看,2004年、2009年和2014年,水源涵養(yǎng)功能高值區(qū)位于淅川縣的北部和西部地區(qū),多年平均水源涵養(yǎng)量在221.81～281.33mm之間。這些地區(qū)降雨量高,植被覆蓋度高,對水源的涵養(yǎng)能力強。生態(tài)水源涵養(yǎng)功能低值區(qū)分布于東南部的沖積平原區(qū)和中部部分地區(qū),多年平均水源涵養(yǎng)量在109.02～13.58mm之間。這些區(qū)域年均降雨量低,且植被覆蓋度低,對水源的涵養(yǎng)能力較弱(圖1)。

圖1 淅川縣2004年 2009年 2014年水源涵養(yǎng)空間分布圖

3.2 數(shù)量分析

2004年、2009年和2014年,淅川縣年平均降水量呈減少趨勢,分別為841,785,688mm。淅川縣森林生態(tài)水源涵養(yǎng)量隨著降水量的減少也有所下降。從3期各地類水源涵養(yǎng)總量來看,2004年、2009年和2014年森林資源水源涵養(yǎng)量分別為3.79×108m3,3.67×108m3,2.99×108m3,3期年均為3.48×108m3(表2)。從各地類3期年均水源涵養(yǎng)量來看,喬木林地水源涵養(yǎng)量最大,達到300.51 mm,灌木林地242.99 mm,疏林地205.23 mm,未成林地151.85 mm,苗圃地103.14 mm,其他林地44.83 mm。森林各地類年均水源涵養(yǎng)量大小順序為喬木林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥未成林地﹥苗圃地﹥其他林地(表3)。

表2 淅川縣 2004年 2009年 2014年森林資源各地類水源涵養(yǎng)總量統(tǒng)計

表3 淅川縣2004年 2009年 2014年森林資源各地類水源涵養(yǎng)量統(tǒng)計

4 結(jié)論

1) 森林覆蓋高的區(qū)域水源涵養(yǎng)功能較好；森林覆蓋低的區(qū)域水源涵養(yǎng)功能相應(yīng)較差。通過對比分析森林資源各地類的水源涵養(yǎng)功能得出：水源涵養(yǎng)能力最強的為喬木林地,依次為灌木林地、疏林地、未成林地和苗圃地,能力最差的為其他林地。

2) 加強森林資源保護與經(jīng)營,著力提高森林質(zhì)量。淅川縣林地立地條件差,石灰?guī)r山地廣為分布,幼中齡林面積占喬木林面積比例高。在當前國家對南水北調(diào)中線工程水源區(qū)實施生態(tài)建設(shè)與生態(tài)補償機制下,該縣應(yīng)抓住機遇,加強森林經(jīng)營管理,合理調(diào)整林齡結(jié)構(gòu),重點營造生態(tài)林,提高森林資源的水源涵養(yǎng)功能,保證一庫清水永續(xù)送出。

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Headwater Conservation Evaluation of Forest Resources in Xichuan County Based on InVEST Model

YANG Ying1,WANG Lixin2,REN Weihua3,ZHENG Dongmei1,ZHI Changgui1

(1.AcademyofForestryInventoryandPlanning,Beijing100714,China；2.ZhoukouForestryScienceResearchInstitute,Zhoukou,Henan466000,China;3.ChuanhuiDistrictForestryStation,Zhoukou,Henan466000,China)

With xichuan county as the research object,headwater conservation function is analyzed in 2004,2009 and 2014 by using the Invest model. The results showed that:(1)The headwater conservation function is better in western and northern regions of Xichuan,and is poor in the southeast.(2)The headwater conservation of the areas with high forest cover was significantly better than that of the areas with low forest cover.(3)The highest headwater conservation amount per year is arbor forests with 300.51mm,and the lowest is other woodland with 44.83mm. The order of headwater conservation amount of forest resources per year from high to low is arbor forests,shrub land,open forest land,immature forest land,nursery land and other woodland.

InVEST model,forest resources,headwater conservation

2017-03-17；

2017-05-18

南水北調(diào)中線水源區(qū)及沿線森林資源及生態(tài)效益監(jiān)測評估(2016-2-32)

楊英(1982-),女,陜西延安人,工程師,主要從事森林資源監(jiān)測與森林經(jīng)營管理研究。 Email：xiaoyang19828@163.com

S715.7

A

1002-6622(2017)03-0051-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.011