羅毓融, 楊廣斌
(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)
貴州省作為典型喀斯特省份,其生態(tài)環(huán)境尤為脆弱,水土流失嚴(yán)重,石漠化加劇等生態(tài)問(wèn)題日趨加重。黔中城市群位于貴州省中部地區(qū),包括貴陽(yáng)市、遵義市、安順市、畢節(jié)市、黔東南州、黔南州和貴安新區(qū)7個(gè)市(州、區(qū))的33個(gè)縣(市、區(qū)),區(qū)域總面積5.38萬(wàn)km2。據(jù)《黔中城市群發(fā)展規(guī)劃》指出,黔中城市群是貴州省建設(shè)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)、大數(shù)據(jù)綜合試驗(yàn)區(qū)和內(nèi)陸開放型經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)的重要支撐。水資源是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的要素之一,隨著社會(huì)與科技的發(fā)展,人類活動(dòng)的加劇將原有的生態(tài)平衡打破,社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和人類的生存都面臨著挑戰(zhàn)。水源涵養(yǎng)通過(guò)截留降水、抑制蒸發(fā),調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等功能為生態(tài)系統(tǒng)和人類生活提供水資源[1]。關(guān)于水源涵養(yǎng)功能已有較多的研究報(bào)道,馬雪華[2]研究了土壤層厚度和非毛管孔隙度的乘積來(lái)表示土壤蓄水能力;郎奎建等[3]研究了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量的綜合蓄水能力;鄧?yán)っ兜萚4]通過(guò)降雨量和林冠截留率來(lái)計(jì)算林冠截留剩余量;張三煥等[5]通過(guò)平均降雨量與森林覆蓋率來(lái)計(jì)算降水儲(chǔ)存量等。鮮見關(guān)于不同石漠化等級(jí)水源涵養(yǎng)功能的研究報(bào)道。為此,選擇貴州省黔中城市群為研究區(qū),利用遙感技術(shù)與GIS等空間技術(shù),結(jié)合專家評(píng)判與層次分析法,運(yùn)用水量平衡法研究其不同石漠化等級(jí)的水源涵養(yǎng)功能,以期為黔中城市群水源涵養(yǎng)功能的提高提供科學(xué)依據(jù)。
貴州省2010年landsat8 影像,下載自USGS官網(wǎng),利用ENVI等軟件對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、剪裁等處理;氣象數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),并運(yùn)用克里格插值法對(duì)獲取的34個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行降水量及蒸發(fā)量的插值運(yùn)算;植被覆蓋度數(shù)據(jù),來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局的MODIS反射率數(shù)據(jù);土地利用數(shù)據(jù),是通過(guò)從高分辨率影像上目視解譯得到;石漠化等級(jí)數(shù)據(jù),來(lái)源于項(xiàng)目《喀斯特地區(qū)石漠化程度的空間分異格局和十年變化》;坡度數(shù)據(jù),來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云的DEM(GDEMDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到。
黔中城市群地勢(shì)起伏較大,地貌類型復(fù)雜,平均海拔為1 100 m左右。由于地處喀斯特地區(qū),部分區(qū)域巖溶地貌發(fā)育非常典型,石漠化較為嚴(yán)重。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布,主要以烏江、清水江、赤水河、三岔河和六沖河等;區(qū)域內(nèi)地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林,物種豐富,植被覆蓋率較高,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),降雨量充沛,冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑;年平均氣溫14~17.6℃,年平均降水量896~1 342 mm。
1.3.1 水源涵養(yǎng)量 根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)及黔中城市圈的區(qū)域特征,參考文獻(xiàn)[6]的方法,采用水量平衡法計(jì)算貴州省黔中城市群2010年的水源涵養(yǎng)量(W,m3/a)。
W=(R-E)A
式中,W為水源涵養(yǎng)量(m3/a),E為平均蒸散量(m3/a);A為研究區(qū)面積(hm2);R為平均降雨量(mm)。
1.3.2 水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇及其權(quán)重與等級(jí)劃分
1) 指標(biāo)的選擇。水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯落物、根系以及土壤層對(duì)降水進(jìn)行再分配的復(fù)雜過(guò)程[7],影響水源涵養(yǎng)功能的因素較多,在選取水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)必須遵循科學(xué)性、主導(dǎo)性、綜合性及可操作性原則。選擇具有代表性且能夠明顯反映出水源涵養(yǎng)功能差異的關(guān)鍵因子作為評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)。參考國(guó)內(nèi)外水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立,結(jié)合黔中城市群的實(shí)際情況,選取土地利用類型、植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、土壤保持量和坡度作為評(píng)價(jià)體系的主要指標(biāo)。
2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及等級(jí)劃分。在專家咨詢的基礎(chǔ)上,運(yùn)用層次分析法計(jì)算水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的相應(yīng)權(quán)重(表1),以GIS和RS為技術(shù)支撐,綜合考慮自然因素及人為活動(dòng)等影響因子,并根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果,確定各因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。
表1 水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的權(quán)重Table 1 Evaluation index system and weight of importance of water conservation function
表2 水源涵養(yǎng)功能各重要性區(qū)域的評(píng)價(jià)體系Table 2 Evaluation system of important regions of water conservation function
運(yùn)用加權(quán)求和的方法綜合評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)功能的重要性,計(jì)算公式如下。
Ej=∑c(i,j)wij
式中,Ej為j空間單元水源涵養(yǎng)功能重要性綜合指數(shù);C(i,j)為j空間單元第i個(gè)因素重要性等級(jí)值;wij為影響水源涵養(yǎng)功能重要性因子的權(quán)重。
黔中城市群水源涵養(yǎng)功能的重要性分為極重要、高度重要、中度重要、輕度重要和一般重要5個(gè)區(qū)域,其空間分布見封三圖Ⅰ。水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)和高度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的49.35%,集中分布在東部和南部,較少分布于北部,該區(qū)域植被覆蓋度較高,覆蓋類型主要為林地類和草地類,且降水量較為豐沛,土壤蓄水能力較高,水源涵養(yǎng)功能重要性程度高。水源涵養(yǎng)功能中度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的23.6%,主要分布在研究區(qū)河流水系發(fā)達(dá)的區(qū)域,該區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能重要性程度較高。水源涵養(yǎng)功能輕度重要區(qū)占研究區(qū)總面積的18.7%,主要分布在北部地區(qū),稀疏分布于東部地區(qū)、南部地區(qū)及西部地區(qū),該區(qū)域的主要覆蓋類型為水田及旱地,其水源涵養(yǎng)功能較弱,加之人為活動(dòng)的影響,該區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能重要性較低。水源涵養(yǎng)功能一般重要區(qū)占研究區(qū)總面積的8.35%,該區(qū)域主要覆蓋類型為建設(shè)用地及裸地,蓄水能力差,水源涵養(yǎng)功能重要性程度低。
黔中城市群除非喀斯特地區(qū)外,其余區(qū)域皆存在石漠化現(xiàn)象,因此,石漠化狀況受喀斯特分布的影響較大。黔中城市群的石漠化土地面積占研究區(qū)總面積的19.17%,占研究區(qū)喀斯特地區(qū)總面積的24%,石漠化形勢(shì)相對(duì)嚴(yán)重。但研究區(qū)的石漠化等級(jí)主要為中度石漠化及輕度石漠化,占研究區(qū)石漠化總面積的92.29%,極重度石漠化和重度石漠化分布較少,僅7.71%。黔中城市群不同無(wú)石漠化等級(jí)所占面積依次排序?yàn)闊o(wú)石漠化>輕度石漠化>中度石漠化>重度石漠化>極重度石漠化(封三圖Ⅱ)。
從不同石漠化等級(jí)水源涵養(yǎng)功能的重要性區(qū)域看,高度重要區(qū)在各石漠化等級(jí)中所占面積最大,極重度、重度、中度和輕度石漠化等級(jí)地區(qū)的面積分別為11.62 km2、250.70 km2、1 584.91 km2和1 852.43 km2,該區(qū)域降水量大,植被覆蓋度高,蓄水能力強(qiáng);一般重要區(qū)在各石漠化等級(jí)中所占面積最小,極重度、重度、中度和輕度石漠化等級(jí)所占的面積分別為4.26 km2、71.17 km2、368.40 km2和353.39 km2,該區(qū)域主要為建設(shè)用地,人類活動(dòng)頻繁,蓄水能力差。在無(wú)石漠化區(qū)域,各水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)所占面積依次為高度重要區(qū)>中度重要區(qū)>輕度重要區(qū)>極重要區(qū)>一般重要區(qū)。
從表3看出,在水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū),輕度石漠化面積最大,為878.45 km2;極重度石漠化面積最小,為8.2 km2。在水源涵養(yǎng)功能高度重要區(qū),輕度石漠化面積最大,為1 852.43 km2;極重度石漠化面積最小,為11.62 km2。在水源涵養(yǎng)功能中度重要區(qū),中度石漠化與輕度石漠化面積相對(duì)較大,二者所占面積接近,分別為1 133.78 km2和1 118.25 km2。在水源涵養(yǎng)功能輕度重要區(qū),中度石漠化面積最大,其次為輕度石漠化;在水源涵養(yǎng)功能一般重要區(qū),中度石漠化與輕度石漠化所占面積差距極小,極重度石漠化面積最小。
從喀斯特地貌與非喀斯特地貌看,非喀斯特地區(qū)各水源涵養(yǎng)重要性區(qū)域的面積依次為高度重要區(qū)>中度重要區(qū)>極重要區(qū)>輕度重要區(qū)>一般重要區(qū)。
表3 不同石漠化等級(jí)水源涵養(yǎng)功能重要性區(qū)域的面積Table 3 Important region area of water conservation function for different rocky desertification grades km2
人類活動(dòng)使植被類型及土地的利用類型發(fā)生改變,從而直接影響區(qū)域水源涵養(yǎng)的變化;植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一[8],一般情況下,植被覆蓋度高的地區(qū),植物生長(zhǎng)茂盛,水源涵養(yǎng)量高,反之則水源涵養(yǎng)量低;由于水源涵養(yǎng)功能是多個(gè)水文過(guò)程及水文效應(yīng)的綜合表現(xiàn)[9],區(qū)域內(nèi)的降水量、蒸發(fā)量、徑流量和水質(zhì)情況等對(duì)水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生綜合影響。綜合自然和人為因素選取植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、坡度、土地利用類型、土壤保持量6個(gè)影響因子,基于專家判斷和層次分析法構(gòu)建了水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)體系,研究得到2010年貴州省黔中城市群水源涵養(yǎng)功能重要性的空間分布狀況。
研究結(jié)果表明,在各水源涵養(yǎng)功能重要性區(qū)域中主要以輕度石漠化為主,極重度石漠化極少,且水源涵養(yǎng)功能重要性越高其區(qū)域范圍內(nèi)石漠化程度相對(duì)較低;但在各石漠化等級(jí)中,水源涵養(yǎng)功能重要性等級(jí)和石漠化等級(jí)并無(wú)嚴(yán)格線性關(guān)系,其等級(jí)間的相互關(guān)系較為復(fù)雜。
石漠化等級(jí)評(píng)價(jià)受植被覆蓋度、土地利用類型、坡度、基巖裸露率和降雨量等的影響,水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)受植被覆蓋度、降水量、蒸發(fā)量、土地利用類型、土壤保持量和坡度的影響,二者在受到部分相同因素影響的同時(shí),也互相作用。石漠化程度高的區(qū)域,一般植被覆蓋度低,在降水過(guò)程中土壤隨著雨水的流動(dòng)而發(fā)生位置移動(dòng),加重該地區(qū)的水土流失,巖石裸露,并隨著時(shí)間的推移而演化為石漠化景觀,其水源涵養(yǎng)功能的重要性程度低。而水源涵養(yǎng)功能重要性程度高的區(qū)域,一般植被覆蓋度較高,水土保持能力較強(qiáng),蓄水能力也相對(duì)較強(qiáng),從而有利于植被的生長(zhǎng),減少水土流失,可有效防治石漠化的發(fā)生。