郭麗潔，尹小君，茍貞珍，高軍

(石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心/兵團(tuán)空間信息工程實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

生態(tài)系統(tǒng)為我們提供糧食、凈化水源、保持水土等服務(wù)功能[1]，是可持續(xù)發(fā)展和人類福祉的基礎(chǔ)。Daily[2]和Costanza[3]等眾多學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了研究和預(yù)測，“新千年生態(tài)系統(tǒng)評估”(Millenium Ecosystem Assessment，MA)對24項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評估，有15項(xiàng)(約占60%)包括產(chǎn)水服務(wù)正在退化或處于不可持續(xù)利用的狀態(tài)[4]，這可能對人類福祉產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。產(chǎn)水是一項(xiàng)重要的供給服務(wù)，對生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的重要方面[2-3]。人口增長、社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及全球變暖等因素對全球水資源產(chǎn)生了極大影響[5]。部分地區(qū)尤其是荒漠干旱地區(qū)出現(xiàn)了水資源短缺問題，并且越加嚴(yán)重，這將直接影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。在這個(gè)背景下對產(chǎn)水量進(jìn)行估算和制圖及對其進(jìn)行影響因素分析對水資源規(guī)劃和管理都有重要意義。

產(chǎn)水量的計(jì)算方法主要包括土壤蓄水能力法、水量平衡法、年徑流法等[6]，其中，以InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型下的產(chǎn)水(water yield)模塊最為成熟。InVEST工具[7-9]是由美國斯坦福大學(xué)，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)，大自然保護(hù)協(xié)會(The Nature Conservancy)和世界自然基金會(WWF)共同開發(fā)的一款開源評估軟件，具有強(qiáng)大空間分析能力，較高的評估精度[10]。其下的產(chǎn)水模塊以水量平衡法原理為基礎(chǔ)，不僅可以量化產(chǎn)水量，還可以直觀地表達(dá)產(chǎn)水量在時(shí)間和空間上的分布特征，近年來被廣泛應(yīng)用。產(chǎn)水模塊在朝鮮森林[11]、張家口—承德地區(qū)[12]、寧波地區(qū)[13]、岷江上游[14]、江蘇省[15]、晉北沙漠化區(qū)[16]、大凌河上游匯水區(qū)[17]、太湖流域[18]等區(qū)域均有實(shí)際應(yīng)用，并且效果較好，對當(dāng)?shù)貨Q策制定和資源管理起到重要作用。區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)受到多方面因素的影響，多項(xiàng)研究[19-21]表明，氣候(降水和蒸散發(fā))和土地利用/覆被是產(chǎn)水量變化的主要驅(qū)動力，同時(shí)產(chǎn)水量還受到地形和土壤質(zhì)地等因素的影響[22]。

阿克蘇河是塔里木河流域最大的水量補(bǔ)給來源，同時(shí)它位于新疆第二大灌區(qū)區(qū)域內(nèi)，在向塔河生態(tài)輸水和灌區(qū)用水方面發(fā)揮著重要作用。然而近幾年人口的急劇增長和灌溉面積不斷擴(kuò)大使得流域水資源問題日益尖銳。《阿克蘇河流域水資源可持續(xù)利用研討會》中就如何提升阿克蘇河水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展等問題進(jìn)行了探討。隨著國家“十三五”計(jì)劃和“一帶一路”重大戰(zhàn)略的實(shí)施，作為“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)的核心區(qū)，南疆地區(qū)的水資源可持續(xù)開發(fā)利用有著更加深刻的意義，這不僅與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)，還關(guān)系到南疆生生態(tài)保護(hù)、國防安全和國家“一帶一路”建設(shè)宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[23]。因此本文以阿克蘇河流域作為研究區(qū)，利用InVEST模型產(chǎn)水模塊對研究區(qū)2010、2015年平均產(chǎn)水量進(jìn)行評估，研究當(dāng)?shù)禺a(chǎn)水量時(shí)空分布特征并分析土地利用、氣候、土壤質(zhì)地和高程等因素對產(chǎn)水服務(wù)的影響，對阿克蘇河流域可持續(xù)發(fā)展、水資源利用規(guī)劃有著重要意義。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域(75°35′～80°59′E，40°17′～42°27′N)地勢西北高、東南低(圖1)，位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北緣，屬暖溫帶大陸性干旱氣候[24]，流域總面積4.86×104km2。阿克蘇河是我國境內(nèi)天山南坡徑流量最大的河流[25]，也是是塔里木河的主要水源補(bǔ)給源之一[26]。行政區(qū)包括阿克蘇市、阿圖什市、溫宿縣、烏什縣、阿瓦提縣、阿合奇縣和柯坪縣6個(gè)行政單位。

圖1 研究區(qū)概況

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 模型原理

InVEST模型的產(chǎn)水量(water yield)模塊是基于水量平衡原理，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(jì)算產(chǎn)水量。

InVEST模型的產(chǎn)水量模塊的主要算法[27]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中,Yxj為年產(chǎn)水量；Px為年均降水量；AETxj為年均蒸散量；Rxj為干燥指數(shù)，無量綱，是潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值；ωx為植物年需水量和降水量的比值，是描述自然氣候和土壤性質(zhì)的參數(shù)；Z為zhang系數(shù)，表征降水季節(jié)性特征的一個(gè)常數(shù)；AWCx為植被含水量，其值由土壤質(zhì)地和有效土壤深度決定；ET0x為潛在蒸散發(fā)量；kxj為植被的蒸散發(fā)系數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)需求及數(shù)據(jù)處理

InVEST模型產(chǎn)水量模塊需要以下數(shù)據(jù)：年平均降雨量、年平均潛在蒸散量、土壤深度、植物可利用水含量、土地利用/土地覆被、流域及子流域，生物物理表和Z參數(shù)。計(jì)算過程中所需數(shù)據(jù)圖地理坐標(biāo)均為Krasovsk_1940_Albers，基準(zhǔn)面為D_Krasovsk_1940。

2.2.1 土地利用/土地覆被

2010、2015年兩期土地利用數(shù)據(jù)是中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，是目前我國精度最高的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)在國家土地資源調(diào)查、水文、生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用。在ArcGIS中對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，裁剪，投影等處理，得到阿克蘇河流域2010、2015年土地利用圖(圖2a、2b)。研究區(qū)包括水田、旱地等23類二級土地利用類型。圖中編號為二級土地利用類型編號，見表1。

圖2 產(chǎn)水量模型空間參數(shù)

表1 生物物理系數(shù)表

表1續(xù)

一級分類二級分類編號蒸散系數(shù)根系深度/mm城鄉(xiāng)、工礦、居民用地城鎮(zhèn)用地510.3500農(nóng)村居民點(diǎn)520.4500其它建設(shè)用地530.3500未利用土地沙地610.510戈壁620.510鹽堿地630.510沼澤地640.310裸土地650.510裸巖石質(zhì)地660.310

2.2.2 年平均降雨量

年降雨數(shù)據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心降水量空間插值數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集使用ANUSPLIN空間插值處理生成，有較高的精度保障。對應(yīng)于土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)段，同時(shí)為了避免單年數(shù)據(jù)的低代表性，對2008—2012年、2013—2015年降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均，得到2010、2015年兩期的年平均降雨量柵格圖(圖2c、2 d)。

2.2.3 年平均潛在蒸散量

潛在蒸散量指太陽輻射為水分蒸發(fā)提供的能量。本文選取InVEST模型推薦使用的Modified-Hargreaves公式[28]計(jì)算年平均潛在蒸散量，其公式為：

ET0=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.123P)0.76,

(5)

式(5)中：RA為太陽大氣頂層輻射(MJ·m-2·d-1)；Tavg為日最高氣溫均值和日最低氣溫均值的均值(℃)；TD為日最高氣溫均值與日最低氣溫均值的差值(℃)。

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取2008—2015年的新疆內(nèi)站點(diǎn)的逐日輻射數(shù)據(jù)、氣溫和降雨數(shù)據(jù)。在Excel中對氣溫和降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，使用公式計(jì)算各站點(diǎn)2008—2012年和2013—2015年年平均潛在蒸散量。在ArcGIS中進(jìn)行反距離插值，裁剪等處理得到2010、2015年兩期年平均潛在蒸散量柵格圖(圖2e、2f)。

2.2.4 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心[29]，將獲取的中國土壤數(shù)據(jù)集進(jìn)行投影裁剪轉(zhuǎn)換等操作獲得塔里木河流域內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)集。屬性資料包括土壤名稱、組成成分含量(沙含量、淤泥含量、粘土含量、有機(jī)碳含量等)，土壤參考深度等。

植物可利用水含量的計(jì)算采用周文佐等[30]所提出的AWC模型，公式如下：

AWC=54.509-0.132×SAN-0.03×SAN2-0.055×SIL-0.006×SIL2-0.738×CLA+0.007×CLA2-2.668×C+0.501×C2。

(6)

式(6)中：SAN為土壤的沙粒含量(%)；SIL為土壤的粉粒含量(%)；CLA為土壤的黏粒含量(%)；C為土壤的有機(jī)質(zhì)含量(%)。PAWC所需土壤數(shù)據(jù)均來自中國土壤數(shù)據(jù)集。在ArcGIS中進(jìn)行字段計(jì)算求出PAWC，經(jīng)空間分析、轉(zhuǎn)換工具模塊處理，獲得植物可利用水含量柵格圖(圖2 g)。土壤參考深度屬性在ArcGIS中進(jìn)行轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)計(jì)算等處理后獲得土壤深度柵格圖(圖2 h)。

2.2.5 其它數(shù)據(jù)

利用ArcGIS空間分析模塊中水文分析功能，基于DEM提取阿克蘇河流域河網(wǎng)水流方向，生成22個(gè)子流域。生物物理系數(shù)(表2)包括土地利用類型、蒸散系數(shù)(Kc)和根系深度等。其中，蒸散系數(shù)和根系深度根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13,31]并結(jié)合用戶指南中推薦建議使用的聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的參考值進(jìn)行賦值。文中圖表中關(guān)于土地利用類型的標(biāo)注使用土地利用類型編號。

表2 西大橋站實(shí)測年徑流量(2008—2015年) 單位:×108 m3

2.3 結(jié)果校驗(yàn)

Z是表征降水季節(jié)性特征的一個(gè)常數(shù)[32]，其值在1～10之間?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)Z系數(shù)，基于研究區(qū)內(nèi)水文站點(diǎn)的年徑流量實(shí)測數(shù)據(jù)，對產(chǎn)水量模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，竇苗等[31]研究橫斷山區(qū)水量時(shí)Z調(diào)整為15，評估結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致。根據(jù)中國河流泥沙公報(bào)中阿克蘇河西大橋水文控制站實(shí)測，阿克蘇河流域2008—2012年年平均徑流量為46.60×108m3，2013—2015年年平均徑流量為34.60×108m3，經(jīng)過多次調(diào)整，當(dāng)2010、2015年Z值分別為為0.75、0.63時(shí)，產(chǎn)水量分別為46.60×108、34.86×108m3，與實(shí)際徑流量最接近，整體誤差最小，模型模擬效果最優(yōu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 阿克蘇河流域產(chǎn)水量變化時(shí)空格局

運(yùn)行InVEST模型的Water Yield模塊，得到阿克蘇河流域2010、2015年兩期產(chǎn)水量的空間分布(圖2)。為便于對比，根據(jù)自然間斷點(diǎn)分級法，將產(chǎn)水量劃分為5個(gè)區(qū)間：0～40、>40～100、>100～170、>170～250、>250 mm并據(jù)此將產(chǎn)水量劃分為低、較低、中、較高和高5個(gè)級別，統(tǒng)計(jì)各等級土地面積及其所占百分比(表3)。阿克蘇河流域產(chǎn)水量一半以上處于較低水平，集中分布在柯坪縣和烏什縣中南部地區(qū)。2010—2015年，較低、中和較高等級產(chǎn)水量面積增加，三者之和的占比從32.77%增加到45.47%，而低和高等級生境面積減少，尤其高等級面積大幅度減少，占比從16.13%減少到4.2%。2010—2015年，阿克蘇河流域產(chǎn)水量具有顯著的空間異質(zhì)性，呈現(xiàn)西高東低、北高南低的特征(圖3a、3b)。阿克蘇河流域2010年產(chǎn)水區(qū)間為0～613.37 mm，平均產(chǎn)水量為95.67 mm，產(chǎn)水總量為46.60×108m3，2015年產(chǎn)水區(qū)間為0～518.63 mm，平均產(chǎn)水量為71.57 mm，產(chǎn)水總量為34.86×108m3。與2010年相比，2015年的產(chǎn)水量空間格局整體變化不大，部分區(qū)域存在小幅度的變化。圖3c、3 d為阿克蘇河流域子流域平均產(chǎn)水量空間分布圖，研究區(qū)南北產(chǎn)水量分布差異明顯，2010—2015年間編號為4、5的子流域產(chǎn)水量降低，所屬地區(qū)為阿圖什市、阿合奇縣南部及柯坪縣北部；編號為9、10的子流域產(chǎn)水量降低升高，所屬區(qū)域?yàn)榘⒖颂K是中部及阿瓦提縣東北部。

表3 不同年份各等級產(chǎn)水量面積及其比例

圖3 研究區(qū)產(chǎn)水量空間分布

3.2 阿克蘇河流域土地利用變化及對產(chǎn)水量的影響

2010—2015年，阿克蘇河流域各地類面積均在不同程度上發(fā)生變化。旱地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、戈壁和裸巖石質(zhì)地是阿克蘇河流域主要的土地利用類型，總和約占土地總面積的86%。主要分布在西部、北部以及東南部局部地區(qū)(圖2a、2b)。如圖4b，2010—2015年間，旱地面積大幅度增加，增量為599.15 km2，占土地面積比例由10.99%增加到12.22%；城鎮(zhèn)用地面積略有增長，增量為14.99 km2，所占比例由0.08%增加到0.11%；低覆蓋度草地面積大幅度減少，期間減少262.16 km2，所占比例由21.23%減少到20.69%；鹽堿地面積略有減少，期間減少103.58 km2，所占比例由3.93%減少到3.72%；灌木林、中覆蓋度草地、沙地和戈壁面積都有所減少，期間分別減少76.56、54.90、54.35、30.73 km2。其余地類面積變化量較小。為了解這一時(shí)期阿克蘇河流域土地利用變化方向以及結(jié)構(gòu)特征，本文構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，省略了轉(zhuǎn)移面積小于5 km2的轉(zhuǎn)移類型，得出2010—2015年主要的地類轉(zhuǎn)移類型及各轉(zhuǎn)移面積(圖4c)。阿克蘇河流域土地利用變化方向主要以旱地的變化為主。水田、灌木林、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、沙地、戈壁、鹽堿地和裸土地都不同程度的轉(zhuǎn)變?yōu)楹档兀渲杏?68 km2的低覆蓋度草地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?，占旱地增長面積比例的44.74%。同時(shí)旱地主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈采w度草地、低覆蓋度草地和城鎮(zhèn)用地，可能是受到生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的影響以及城鎮(zhèn)化和工業(yè)化對土地的需求增加。戈壁還轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌ㄔO(shè)用地。阿克蘇河流域土地利用轉(zhuǎn)移空間分布如圖4a所示，地類變化主要集中于東南部的阿克蘇市、溫宿縣和阿瓦提縣。

為研究土地利用類型對產(chǎn)水量的影響，在ArcGIS中工具統(tǒng)計(jì)獲取阿克蘇河流域2010、2015年不同土地利用類型下的平均產(chǎn)水量(圖5a)。2010年各地類下平均產(chǎn)水量較高的從大到小依次為高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、疏林地、旱地、裸巖石質(zhì)地和灌木林。2010年各地類下平均產(chǎn)水量較高的從大到小依次為高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、旱地、灌木林、疏林地、湖泊和裸巖石質(zhì)地?？傮w來看一級分類為草地和林地下的平均產(chǎn)水量較高。它們有著較強(qiáng)的產(chǎn)水功能[33]。河渠、水庫坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、其它建設(shè)用地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地及農(nóng)村居民點(diǎn)下產(chǎn)水量為零，占總面積的23.19%。為研究土地利用變化對產(chǎn)水量變化的影響，將土地利用轉(zhuǎn)移空間分布圖與產(chǎn)水量變化柵格圖疊加，統(tǒng)計(jì)各地類變化下產(chǎn)水量的變化面積(圖5b)，灌木林、中覆蓋度草地、沙地、鹽堿地的變化后大面積區(qū)域的產(chǎn)水量增加;旱地的變化下產(chǎn)水量減少。這與土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向有關(guān)。灌木林的轉(zhuǎn)移方向主要是向旱地和中覆蓋度草地轉(zhuǎn)移；中覆蓋度草地的轉(zhuǎn)移方向主要是向旱地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)移；沙地和鹽堿地的轉(zhuǎn)移方向主要是向旱地轉(zhuǎn)移。旱地的轉(zhuǎn)移方向主要是向中覆蓋度草地、高覆蓋度草地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)移。低覆蓋度草地、戈壁變化下部分區(qū)域產(chǎn)水量增加，部分減少。說明低覆蓋度草地和戈壁變化對產(chǎn)水量變化的影響不穩(wěn)定，主要取決于低覆蓋度草地和戈壁的轉(zhuǎn)換方向。低覆蓋度草地的轉(zhuǎn)移方向主要是向旱地、高覆蓋度草地和水庫坑塘轉(zhuǎn)移；戈壁的轉(zhuǎn)移方向主要是向旱地、其它建設(shè)用地和裸土地轉(zhuǎn)移。可以得出轉(zhuǎn)移方向向旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)移的區(qū)域產(chǎn)水量增大；向城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、水庫坑塘、建設(shè)用地和裸土地轉(zhuǎn)移的區(qū)域產(chǎn)水量減小。

圖5 土地利用變化對產(chǎn)水量的影響

3.3 阿克蘇河流域氣候要素變化及對產(chǎn)水量的影響

產(chǎn)水量模型的氣候要素主要包括降水量和潛在蒸散量(圖2c、2 d、2e、2f)。氣候要素變化主要通過影響降水和潛在蒸散發(fā)(太陽輻射、溫度和降水)，進(jìn)而影響產(chǎn)水量。阿克蘇河流域降水量具有顯著的空間異質(zhì)性，呈現(xiàn)西高東低、北高南低的特征，與產(chǎn)水量空間分布一致。阿克蘇河流域整體降雨量較小，2010年接近60%的區(qū)域，降雨量在77～294 mm。降雨量在560～1 033 mm的區(qū)域分布在流域的北部地區(qū)。2010年年平均潛在蒸散量空間分布特征為自西向東逐漸降低；2015年年平均潛在蒸散量空間分布特征為自南向北逐漸降低，但整體蒸散量差異不大。2010年潛在蒸散量在1 074～1 082 mm的區(qū)域占研究區(qū)的面積最大，為42%，分布在研究區(qū)的西部地區(qū)。2010、2015年阿克蘇河流域年平均降水量分別為284.29、245.64 mm。與2010年相比，2015年的降水量減少了38.65 mm。2010、2015年阿克蘇河流域年平均潛在蒸散量分別為1 090.68、1 153.02 mm。與2010年相比，2015年的潛在蒸散量增加了62.34 mm。

為研究阿克蘇河流域氣候要素變化對產(chǎn)水量變化的影響，在ArcGIS中對2010、2015年兩期的降水量、潛在蒸散量和產(chǎn)水量進(jìn)行處理，得到2010—2015年降水量、潛在蒸散量和產(chǎn)水量變化空間分布圖(圖6a、6b、6c)?？梢钥闯霎a(chǎn)水量變化與降水量變化基本一致，東南部地區(qū)降水量、產(chǎn)水量增加，其它地區(qū)減少。阿克蘇河流域潛在蒸散量整體都在增加，自西向東增加量逐漸增大。產(chǎn)水量隨著氣候要素變化而增加或減少，降水量增加，產(chǎn)水量也會隨之增加，降水量減少，產(chǎn)水量也會隨之減少。一般情況下，產(chǎn)水量會隨著潛在蒸散量的增加而減少。

本文統(tǒng)計(jì)了2010、2015年各產(chǎn)水量等級下的平均降水量和平均潛在蒸散量(圖6 d)。在產(chǎn)水量等級下2015年平均降水量普遍小于2010年平均降水量，2015年平均潛在蒸散量全部大于2010年平均潛在蒸散量?？梢钥闯霎a(chǎn)水量等級越高，平均降水量越大。2010產(chǎn)水量等級越高，平均潛在蒸散量越大。2015產(chǎn)水量等級越高，平均潛在蒸散量越小。在ArcGIS中計(jì)算降水量、潛在蒸散量和產(chǎn)水量的相關(guān)關(guān)系，2010年產(chǎn)水量與降水量相關(guān)系數(shù)為0.74，與降水量相關(guān)系數(shù)為0.40。年平均潛在蒸散量數(shù)值沒有較大的差異性，不能很好的體現(xiàn)年平均潛在蒸散量對產(chǎn)水量的相關(guān)性。

圖6 2010—2015年降水量、潛在蒸散量和產(chǎn)水量變化空間分布圖

3.4 阿克蘇河流域土壤質(zhì)地分布及對產(chǎn)水量的影響

使用ArcGIS中區(qū)域分析工具獲取2010年阿克蘇河流域不同土壤質(zhì)地面積占比及產(chǎn)水量指標(biāo)。由圖7a可以看出流域內(nèi)包含薄層土、石膏土、鹽土、栗鈣土、鈣積土、沖積土、冰川、人為土、黑土、雛形土、砂性土、水體、變性土和黑鈣土14種土壤類型，流域以薄層土、石膏土、鹽土為主，分別占流域面積的28.6%、26.0%、12.7%。薄層土分布在阿克蘇河流域的的北部。可以看出離散值最大的土壤類型是冰川，表明不同位置的冰川的產(chǎn)水量的值變化較大，這是因?yàn)楸ㄊ軠囟扔绊戄^大，最大產(chǎn)水量達(dá)到613.37 mm，為研究區(qū)產(chǎn)水量最大值。平均產(chǎn)水量較多的是雛形土(256.14 mm)、黑鈣土(245.68 mm)和薄層土(211.01 mm)。雛形土和黑鈣土面積較小，分布在研究區(qū)的北部。產(chǎn)水量較少的是石膏土(9.30 mm)、砂性土(10.90 mm)。這些土壤類型保水性能差，石膏土占地26%，分布在研究區(qū)的中部，是鹽堿地和戈壁的主要所在地；砂性土面積較小，為1.7%。

圖7 土壤質(zhì)地、高程在產(chǎn)水量上的響應(yīng)

3.5 阿克蘇河流域高程對產(chǎn)水量的影響

阿克蘇河流域高程具有西高東低、北高南低的特征，與產(chǎn)水量和降水量空間分布一致。高程在1 012～3 049 m的區(qū)域面積約占總面積的80%。產(chǎn)水量與高程之間的相關(guān)系數(shù)為0.74，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。為研究高程對產(chǎn)水量的影響，利用ArcGIS中區(qū)域分析工具統(tǒng)計(jì)2015年阿克蘇河流域不同高程下的產(chǎn)水量各等級面積。為便于對比，根據(jù)自然間斷點(diǎn)分級法，將高程劃分為5個(gè)區(qū)間1 012～1 542、1 542～2 283、2 283～3 049、3 049～3 867、3 867～6 103 m。由圖7b可知，低高程區(qū)域中以低產(chǎn)水量和較低產(chǎn)水量為主，面積總占比96%。并且隨著高程的逐漸增加，面積逐漸減小；中產(chǎn)水量主要出現(xiàn)在高程為2 283～3 049 m的區(qū)域內(nèi)。較高產(chǎn)水量出現(xiàn)在高程為2 283～3 867 m的區(qū)域內(nèi)，并隨著高程的逐漸增加，面積逐漸增大。高產(chǎn)水量主要出現(xiàn)在高程為3 049～6 103 m的區(qū)域內(nèi)。

4 結(jié)論

阿克蘇河流域具有強(qiáng)蒸發(fā)、弱降水、低覆被和高耗水的干旱區(qū)特征，阿克蘇河流域水產(chǎn)量的評估對研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)以及水資源合理規(guī)劃具有重要意義。該研究利用InVEST模型中的Water Yield模塊對阿克蘇河流域的產(chǎn)水量進(jìn)行了評估并且分析了影響因素與產(chǎn)水量的關(guān)系，結(jié)果如下：

(1)阿克蘇河流域2010年平均產(chǎn)水量為95.67 mm，2015年平均產(chǎn)水量為71.57 mm。與2010年相比，2015年的產(chǎn)水量空間格局整體變化不大，部分區(qū)域存在小幅度的變化。阿克蘇河流域產(chǎn)水量具有顯著的空間異質(zhì)性，呈現(xiàn)西高東低、北高南低的特征，與降水量、高程空間分布特征一致?？臻g分布上降水量越大，產(chǎn)水量越大；高程越大，產(chǎn)水量越大；時(shí)間變化上，降水量增加，產(chǎn)水量增加。

(2)阿克蘇河流域深居內(nèi)陸水汽難以到達(dá)，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，導(dǎo)致較小的產(chǎn)水量。氣候變化和土地利用是導(dǎo)致阿克蘇河流域產(chǎn)水量變化的2個(gè)主要因素。2010—2015年，氣候變化(降水量減少，潛在蒸散量增加)對阿克蘇河流域產(chǎn)水量變化呈負(fù)面作用。降水量的減少降低了產(chǎn)水量的源頭水量；潛在蒸散表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分消耗能力，潛在蒸散越大，可能消耗的水分越多。

(3)土地利用的變化對阿克蘇河流域產(chǎn)水量變化呈正面作用。不同的土地利用類型下的產(chǎn)水量不同，2010年高覆蓋度草地、有林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和旱地平均產(chǎn)水量較高。植被有較好的截留作用，因此要提高該地區(qū)的植物覆蓋率，促進(jìn)產(chǎn)水量的增加。產(chǎn)水量的變化與土地利用類型轉(zhuǎn)移方向有關(guān)。轉(zhuǎn)移方向向旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)移的區(qū)域產(chǎn)水量增大。這可能與旱地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地具有顯著的降溫增濕的功能有關(guān)。不同的土壤質(zhì)地下的產(chǎn)水量不同，平均產(chǎn)水量較多的是雛形土，較少的是石膏土、砂性土。