張翠萍 姜佳 白楊

摘要以海南中部國家重點生態(tài)功能區(qū)（下稱中部山區(qū)）為研究區(qū)域，基于InVEST模型，定量評價1998、2005和2013年生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及空間變化特征，評價中部山區(qū)建設(shè)前后的水源涵養(yǎng)功能變化。結(jié)果表明：①研究區(qū)水源涵養(yǎng)量穩(wěn)中趨降。1998、2005、2013年中部山區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別為56.93億、59.68億、56.25億m3。從流域看，昌化江流域貢獻了最高的水源涵養(yǎng)量，其次為萬泉河流域。②通過多年的保護建設(shè)，中部山區(qū)調(diào)節(jié)洪水作用增強。1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3?？v觀3個年度中部山區(qū)的產(chǎn)水量，在2013年豐水年產(chǎn)水量較低，在1998、2005年平水年產(chǎn)水量較高，較好地起到了調(diào)節(jié)洪水的作用。從各流域情況看，昌化江流域貢獻了最高的產(chǎn)水量，其次為萬泉河流域。從時空分布來看，產(chǎn)水量由東向西逐步降低。③海南中部山區(qū)自2005年開始進行國家級重點生態(tài)功能區(qū)建設(shè)以來，天然林面積逐漸增加，生態(tài)系統(tǒng)防洪調(diào)水的功能大為加強。

關(guān)鍵詞InVEST 模型； 水源涵養(yǎng)； 重點生態(tài)功能區(qū)

中圖分類號S181文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2018）05-0066-07

AbstractFocusing on the key ecological functional areas of central Hainan （Hainan EIA） as the research area，by InVEST modelling，the water conservation function and spatial differentiation characteristics of ecosystem in 1998，2005 and 2013 were quantitatively evaluated，and the changes of water conservation function before and after construction in central mountainous area were evaluated.The results showed：①Conserving water in the area slowly decreased.The total water conservation of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 5.693 billion，5.968 billion，5.625 billion m3，respectively.②Through years of protection and construction，Hainan EIA strengthened flood control.The total water yield of the middle mountain areas in 1998，2005 and 2013 was 9.730 billion，9.760 billion，9.350 billion m3，respectively.Throughout the three years，the amount of water produced in Hainan EIA has been relatively lower in 2013 than it was in 1998 and 2005 which showed a better flood control.Changhuajiang River basin contributed the most followed by Wanquanhe River basin.The amount of water produced from east to west gradually decreased.③Since 2005，Hainan EIA has been established，natural forest in these areas has gradually increased and the flood control of the ecosystem has been greatly strengthened.

Key wordsInVEST modelling；Water conservation；Important Ecological Area

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要服務功能之一，生態(tài)系統(tǒng)通過林冠、枯落物、根系以及土壤將降水攔蓄在系統(tǒng)內(nèi)部，不僅可以滿足系統(tǒng)內(nèi)各個生態(tài)組分對水源的需求，還可以持續(xù)向外部提供水源[1-3]。因此，開展科學的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)動態(tài)變化評估是生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護的基本前提，在水資源保護及生態(tài)安全的維持方面具有不可替代的作用。目前，國內(nèi)外研究生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的方法主要有水量平衡法[4]、土壤蓄水能力法[5]、綜合蓄水能力法[6]、年徑流量法[7]、多因子回歸法[8]等。這幾種方法各有優(yōu)缺點，土壤蓄水能力法較為簡單，但忽略了蒸散的影響以及林冠、枯落物等作用層對水分的攔蓄作用，誤差較大。年徑流量法是指假設(shè)森林涵養(yǎng)水源量等于研究區(qū)內(nèi)年徑流量，方法比較簡單，但忽略了蒸散耗水量，計算誤差較大。綜合蓄水能力法綜合考慮了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量的方法，比較全面，但需要大量實測數(shù)據(jù)，計算起來比較復雜，這種方法計算的結(jié)果僅反映理論上最大的蓄水量，并不代表實際狀態(tài)下森林的蓄水量。多因子回歸法考慮了森林水源涵養(yǎng)量的主要相關(guān)因子，比較準確全面，但需要大量觀測數(shù)據(jù)來確定回歸系數(shù)，難以實際應用。水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機理的基礎(chǔ)，能夠較準確地計算水源涵養(yǎng)量，且容易操作，但也存在一定的局限性，一是區(qū)域內(nèi)的蒸散難以準確測量；二是研究區(qū)內(nèi)降水量、蒸散和地表徑流的空間差異性一般被忽略掉，因此研究區(qū)的空間范圍不宜過大[9-11]。

通過搜索文獻發(fā)現(xiàn)，以水量平衡法為理論基礎(chǔ)的InVEST 產(chǎn)水量模塊來估算生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的研究較多，方法較為成熟[11-18]。 InVEST（the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool）模型是一種生態(tài)系統(tǒng)服務與權(quán)衡的綜合評估模型，它是由美國斯坦福大學、世界自然基金（WWF）和大自然保護協(xié)會（TNC）于 2007 年聯(lián)合開發(fā)的。與目前國內(nèi)外其他生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價的方法相比，InVEST 模型具有其自身的優(yōu)勢。首先，InVEST 模型輸入?yún)?shù)較少，參數(shù)易獲取、易提取，模型界面友好、操作簡單，數(shù)據(jù)輸入、存儲和提取容易，使得該模型能夠更廣泛地被相關(guān)科研工作者掌握和使用。其次，模型采用的是空間分布式數(shù)據(jù)作為輸入，同時輸出的結(jié)果也是空間分布。有效地解決了服務功能空間化可視化的問題，結(jié)果可以直接用于分析服務功能空間分布特征及其空間異質(zhì)性特征[19]。近年來，我國學者陸續(xù)運用 InVEST 模型對海南島進行生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估研究，多集中在土壤保持和水源涵養(yǎng)、氨氮凈化等方面的功能評價。饒恩明等[20]探討了海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間特征及其影響因素；吳哲等[21]運用養(yǎng)分持留（水質(zhì)凈化）模型評估了海南島氮、磷營養(yǎng)物負荷。

國家重點生態(tài)功能區(qū)是指承擔水源涵養(yǎng)、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護等重要生態(tài)功能，關(guān)系全國或較大范圍區(qū)域的生態(tài)安全。加強國家重點生態(tài)功能區(qū)環(huán)境保護和管理，是增強生態(tài)服務功能，構(gòu)建國家生態(tài)安全屏障的重要支撐。海南中部山區(qū)國家重點生態(tài)功能區(qū)（中部山區(qū)）是國務院2010年印發(fā)的《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》中確定25個國家重點生態(tài)功能區(qū)之一，功能定位為水源涵養(yǎng)和熱帶生物多樣性保護[22]。海南省自2005年開始建設(shè)海南中部山區(qū)國家級重點生態(tài)功能保護區(qū)以來，取得了較好成效[23]。近年來，隨著海南省國際旅游島建設(shè)的推進，旅游業(yè)及各項經(jīng)濟工作迅猛發(fā)展，對自然資源的需求進一步增大，尤其是森林資源和水資源的需求增加，對中部山區(qū)水源涵養(yǎng)功能有一定影響。因此，研究水源涵養(yǎng)功能的變化特征，探討其變化驅(qū)動因素，對于促進海南中部山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理與保護有重要意義。 該研究運用 InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊分析1998、2005和2013年3個年度海南島的水源涵養(yǎng)功能空間分布特征及其變化，以期為海南中部山區(qū)水源涵養(yǎng)服務功能評估提供定量和可視化的結(jié)果。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

海南中部山區(qū)地處海南島中南部的山地和丘陵（圖1），分布著廣闊的熱帶雨林、季雨林，生物多樣性豐富，是海南島生態(tài)服務功能的重要區(qū)域。海南中部山區(qū)范圍包括五指山市、瓊中縣等9市縣41鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積 9 200余km2，占海南島國土面積的27%，人口83.4萬人，是海南島的生態(tài)屏障、主要江河發(fā)源地、重要水源涵蓄區(qū)和水土保持重點預防保護區(qū)。境內(nèi)氣候?qū)儆诩撅L熱帶，受東南季風所控制，年平均氣溫22.3～23.0 ℃，日照時間較長，雨量充沛，年平均降雨量在2 000 mm以上，多年平均水資源量為307億m3。臺風雨是海南降雨的主要來源，雨量分布的空間特征為東部多、西部少。境內(nèi)主要河流多發(fā)源于黎母山山脈，全島獨流入海的河流共有154條。由于境內(nèi)氣候分異明顯，北來寒流阻于山前，使北部山地丘陵氣溫較低，南部終年高溫，成為常綠季雨林發(fā)育地區(qū)[24]。

1.2評估方法及參數(shù)處理

該研究使用InVEST模型的產(chǎn)水量模塊進行水源涵養(yǎng)功能評估。該模型根據(jù)水量平衡原理計算流域產(chǎn)水量，根據(jù)水循環(huán)原理，通過降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度和土壤深度等參數(shù)計算獲得產(chǎn)水量，再用地形指數(shù)、土壤飽和導水率和流速系數(shù)對產(chǎn)水量進行修正獲得水源涵養(yǎng)量，通過下述模型進行計算：

Yjx=（1-AETxjPxj）Pxj

式中，Yjx為第j土地利用類型柵格x的產(chǎn)水量；AETxj 為第j土地利用類型柵格x的每年實際蒸散量；Pxj 為第 j土地利用類型柵格x的年降雨量[18]。

InVEST 水源涵養(yǎng)模型需要輸入的參數(shù)主要有潛在蒸散系數(shù)（Kc）、根系深度（root_depth）、流速系數(shù)（vel_coef）。潛在蒸散發(fā)是指水分充足的情況下，通過土壤蒸發(fā)和植物蒸散作用可能散逸的水量（mm）。該研究應用海南省氣象局提供的多年蒸散數(shù)據(jù)以及站點信息，運用ArcGIS10進行插值獲得柵格數(shù)據(jù)圖層。根系深度是指由于環(huán)境的物理和化學特征不同，植物根系在土壤中能夠延伸的最大深度（mm）。該研究根據(jù)中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院土壤研究所提供的數(shù)據(jù)資料，參考專家建議，運用ArcGIS10軟件生成柵格數(shù)據(jù)圖層。流速系數(shù)表示不同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，乘以 1 000 得到的。植被覆蓋系數(shù)是指有植被覆蓋即賦值為1，反之為0。以2005年SPOT5遙感影像（10 m分辨率）和2013年LANDSAT ETM遙感影像（15 m分辨率）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，進行遙感解譯，獲得中部山區(qū)土地利用圖層。分類系統(tǒng)包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、漿紙林、用材林、橡膠園、熱作園、耕地、河流及坑塘、水庫、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、工礦用地等（表1、2）。

1.3土地利用/覆蓋

空間連續(xù)土地利用/覆被柵格圖是所有水資源模型底圖的關(guān)鍵組成部分。流域中所有區(qū)域都有相對應的土地利用類型。每個柵格對應一個土地利用類型的GIS柵格數(shù)據(jù)集。土地利用類型代碼定義為整數(shù)。以1998、2005、2013年的LANDSAT ETM和 SPOT5遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，15 m分辨率，進行遙感解譯，獲得中部山區(qū)土地利用圖層。分類系統(tǒng)包括天然林、天然灌木林、天然灌草地、漿紙林、用材林、橡膠園、熱作園、耕地、河流及坑塘、水庫、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、工礦用地等。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用/覆蓋由表3可知，1998—2005年用材林、熱作園、橡膠園、河流及坑塘、居民點、工礦用地等面積均有所增加，其中橡膠園增加了1 353.95 km2，熱作園增加了739.35 km2，增加面積較大。耕地、天然灌草地面積減少較大，其中耕地減少1 101.41 km2，草地減少1 255.81 km2。2005—2013年天然林、熱作園、橡膠園、河流及坑塘、水庫等面積有所增加，其中天然林增加了474.02 km2，橡膠園增加了220.21 km2，熱作園135.15 km2，增加面積較大。天然灌草地、耕地、用材林等面積減少，其中天然灌草地減少437.41 km2，耕地減少233.18 km2。從以上數(shù)據(jù)可以得出，海南中部山區(qū)國家重點生態(tài)功能區(qū)建設(shè)后天然林面積有較大增加，很好地維持了熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)，保護效果顯著。同時橡膠園、熱作園的面積也有顯著增加，而耕地、草地、用材林的面積顯著減少。

從空間分布來看（圖2），橡膠林主要分布在昌化江東北部瓊中縣境內(nèi)，15年間所增加的面積主要分面在昌化江流域瓊中縣、五指山市和儋州市，原來的熱作園地有不少面積轉(zhuǎn)化為橡膠林。

2.2水源涵養(yǎng)量

2.2.1水源涵養(yǎng)量變化。由圖3可知，1998、2005、2013年研究區(qū)水源涵養(yǎng)量呈降低趨勢。1998年中部山區(qū)水源涵養(yǎng)總量為569 273萬m3， 2005年水源涵養(yǎng)總量為596 831萬m3， 2013年水源涵養(yǎng)總量為562 460萬m3，略有下降（表4）。主要流域平均水源涵養(yǎng)量也呈下降趨勢。1998、2005、2013年昌化江流域分別為562、579、549 m3/hm2，萬泉河流域分別為993、1 042、988 m3/hm2（圖3）。

水源涵養(yǎng)功能在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異，水源涵養(yǎng)量由東向西逐漸遞減（圖4），橡膠園、熱作園等區(qū)域水源涵養(yǎng)量較低。瓊中縣南部、保亭縣、五指山等市縣是天然林分布的主要區(qū)域，也是水源涵養(yǎng)功能最重要的區(qū)域，是昌化江、萬泉河、太陽河、陵水河等河流的發(fā)源地。西部的東方、昌江、樂東等市縣靠近工業(yè)區(qū)，天然林較少，橡膠園等人工植被覆蓋面積較大，水源涵養(yǎng)功能漸弱。從海南中部國家重點生態(tài)功能保護區(qū)看，所規(guī)劃的重點水源涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)，水源涵養(yǎng)量并不高，尤其是西部地區(qū)；一般水源涵養(yǎng)規(guī)劃區(qū)內(nèi)，東部區(qū)域水源涵養(yǎng)量尚可，西部地區(qū)水源涵養(yǎng)量明顯較低（圖5）。建議有關(guān)管理部門依據(jù)現(xiàn)狀修編重點生態(tài)功能區(qū)。

2.2.2產(chǎn)水量變化。

從時間上看，研究區(qū)產(chǎn)水量逐漸降低。模型模擬結(jié)果表明，1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3。1998年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為97.3億m3，按海南省水資源公報公布的1998年全省水資源總量378.31億m3計算，占全省水資源總量的25.7%；2005年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為97.6億m3，按海南省水資源公報公布的全省水資源總量304.46億m3計算，中部山區(qū)占全省地表水資源總量的32.1%。2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量為93.5億m3，按海南省水資源公報公布的全省水資源總量496.5億m3計算，占全省水資源總量的19.2%?？v觀3個年度中部山區(qū)的產(chǎn)水量，在2013年豐水年產(chǎn)水量較低，在1998、2005年平水年產(chǎn)水量較高，較好地起到了調(diào)節(jié)洪水的作用。從各流域情況看，昌化江流域貢獻了最高的產(chǎn)量，其次為萬泉河流域（圖6）。

從空間分布看，中部山區(qū)產(chǎn)水量由東向西降低（圖7）。天然林覆蓋面積大的尖峰嶺產(chǎn)水量反而較低，而產(chǎn)水量最高的區(qū)域分布在橡膠林面積較大的瓊中縣，這表明橡膠林等人工林截留水量能力較弱，天然林具有較強的水量截留能力。

3結(jié)論

（1）研究區(qū)水源涵養(yǎng)量呈降低趨勢。1998、2005、2013年水源涵養(yǎng)總量分別為56.93億、59.68億、56.25億 m3。從流域看，昌化江流域貢獻了最高的水源涵養(yǎng)量，其次為萬泉河

流域。研究區(qū)產(chǎn)水量亦逐年降低。1998、2005、2013年中部山區(qū)總產(chǎn)水量分別為97.3億、97.6億、93.5億m3。從各流域情況看，昌化江流域貢獻了最高的產(chǎn)水量，其次為萬泉河流域。

（2）中東部地區(qū)橡膠園面積增長較快，水源涵養(yǎng)量逐年降低。

（3）海南中部國家級重點生態(tài)功能保護區(qū)自2005年開始建設(shè)以來，天然林面積顯著增加，防洪調(diào)水的功能大為加強。2005—2013年，天然林面積增加了474.02 km2，增加了5.13%，與建設(shè)前相比，1998—2013年增加了457.00 km2，增加了9.37%。從產(chǎn)水量表現(xiàn)看，2013年豐水年，產(chǎn)水量降低，1998年枯水年，產(chǎn)水量較大，對防洪調(diào)水有較大作用。

（4）2013年產(chǎn)水量模擬結(jié)果與實際水資源量有較大偏差，原因在于2013年降雨量比常年高出60%左右，對模擬結(jié)果有影響。為了提高模擬結(jié)果的精確性，下一步將運用逐月氣象數(shù)據(jù)，對水源涵養(yǎng)量和防洪調(diào)蓄功能進行精確模擬。

參考文獻

[1]

李文華，劉向華，歐陽志云.生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估的理論、方法與應用[M].北京： 中國人民大學出版社，2008.

[2] 李凌浩，林鵬，王其兵，等.武夷山甜櫧林水文學效應的研究[J].植物生態(tài)學報，1997，21（5）：393-402.

[3] 周光益，曾慶波，黃全，等.熱帶山地雨林林冠對降雨的影響分析[J].植物生態(tài)學報，1995，19（3）：201-207.

[4] 張海博.基于SEBS與SCS模型的區(qū)域水源涵養(yǎng)量估算研究：以北京北部山區(qū)為例[D].北京：中國環(huán)境科學研究院，2012：39-43.

[5] 劉賢德，李效熊，張學龍，等.干旱半干旱區(qū)山地森林類型的土壤水文特征[J].干旱區(qū)地理，2009，32（5）：691-697.

[6] 李佳，邵全琴，劉紀遠.基于綜合蓄水能力法的森林水源涵養(yǎng)功能估算：以江西興國縣為例[J].西北林學院學報，2012，27（4）：83-87.

[7] 楊金明.基于分布式水文模型的森林水源涵養(yǎng)功能評價[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2014.

[8] 石青.北京密云水庫集水區(qū)水源涵養(yǎng)林耗水規(guī)律研究[D].北京：北京林業(yè)大學，2004.

[9] 張彪，李文華，謝高地，等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計量方法[J].生態(tài)學雜志，2009，28（3）：529-534.

[10] 白楊，鄭華，莊長偉，等.白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)服務評估及其調(diào)控[J].生態(tài)學報，2013，33（3）：711-717.

[11] 張燦強，李文華，張彪，劉某承.基于InVEST模型的西苕溪流域產(chǎn)水量分析（英文）[J].Journal of resources and ecology，2012，3（1）：50-54.

[12] 傅斌，徐佩，王玉寬，等.都江堰市水源涵養(yǎng)功能空間格局[J].生態(tài)學報，2013，33（3）：789-797.

[13] 王小琳.基于InVEST模型的貴州省水源涵養(yǎng)功能研究[D].貴陽：貴州師范大學，2016.

[14] 龔詩涵，肖洋，鄭華，等.中國生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)空間特征及其影響因素[J].生態(tài)學報，2017，37（7）：2455-2462.

[15] 李盈盈.陜西省北洛河流域水源涵養(yǎng)生態(tài)服務功能及其價值估算[D].西安：西北大學，2015.

[16] 肖強，肖洋，歐陽志云，等.重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估[J].生態(tài)學報，2014，34（1）：216-223.

[17] 潘韜，吳紹洪，戴爾阜，等.基于InVEST模型的三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源供給服務時空變化[J].應用生態(tài)學報，2013，24（1）：183-189.

[18] 包玉斌，李婷，柳輝，等.基于InVEST模型的陜北黃土高原水源涵養(yǎng)功能時空變化[J].地理研究，2016，35（4）：664-676.

[19] InVEST User Guide[EB/OL].[2017-11-20].http：//data.naturalcapitalproject.org/nightlybuild/investusersguide/html/.

[20] 饒恩明，肖燚，歐陽志云，等.海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間特征及影響因素[J].生態(tài)學報，2013，33（3）：746-755.

[21] 吳哲，陳歆，劉貝貝，等.基于 InVEST 模型的海南島氮磷營養(yǎng)物負荷的風險評估[J].熱帶作物學報，2013 ， 34（9）：1791-1797.

[22] 國務院關(guān)于印發(fā)全國主體功能區(qū)規(guī)劃的通知：.國發(fā)〔2010〕46號[A/OL].（2011-06-08）[2017-11-20].http：//www.gov.cn/zwgk/2011-06/08/content_1879180.htm.

[23] 海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護區(qū)規(guī)劃[EB/OL].（2005-06-23）[2017-11-20].http：//www.hinews.cn/news/system/2005/06/23/000051350.shtml.

[24] 陳煥鏞.海南植物志：第4卷[M].北京：科學出版社，1964.