陳梓隆，林靜玉，黃金良,2①

(1.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院，福建 廈門 361102；2.廈門大學福建省海岸帶污染防控重點實驗室,福建 廈門 361102)

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種產(chǎn)品和惠益[1]，生態(tài)系統(tǒng)服務從供給區(qū)以某種形式和路徑流向受益區(qū)的過程被認為是生態(tài)系統(tǒng)服務流[2]。從服務流的角度能更加直觀地揭示生態(tài)系統(tǒng)服務的供需關系以及空間流動，也能更準確地量化生態(tài)系統(tǒng)服務真正作用于人類社會的部分[3-4]。淡水被認為是支持人類社會最重要的自然資源[5]，流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務作為能夠為人類提供生態(tài)系統(tǒng)服務的核心[6]，其產(chǎn)生機制、流動過程與供需匹配機制關乎水資源的空間優(yōu)化配置及其可持續(xù)利用。隨著人類社會的高速發(fā)展，人類活動對流域淡水生態(tài)系統(tǒng)的利用和開發(fā)強度越來越大，導致多種生態(tài)服務退化或消失。近年來，從“水十條”的頒布到“河長制”的提出，再到“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”的打響，水資源保護和流域治理也成為我國國家戰(zhàn)略行動和地方重大需求[7-10]。

當前關于淡水供給服務的研究，正逐漸從靜態(tài)的淡水供給量化研究發(fā)展為動態(tài)的淡水供給流動研究，越來越多研究者開始運用“源-匯”框架[11-12]，從供給和需求的角度研究淡水供給服務[13-16]，并通過下墊面特征模擬淡水供給服務流[17]。李萍[18]根據(jù)淡水供給指數(shù)(fresh water provision index, FWPI)將水量供給數(shù)據(jù)和水質營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)相結合，運用SWAT模型量化了密西西比河流域淡水供給服務。董麗青[19]結合InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)模型與SPANs(service path attribution networks)模型，以機井、自來水廠、水庫等為供給區(qū)，以工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用地為需求區(qū)，通過供需量插值構建萬家寨水利樞紐地區(qū)的淡水供給服務流。陳登帥等[20]根據(jù)水資源安全指數(shù)(water security index,WSI)，以淡水資源供需比來反映延河流域各個子流域的供需平衡情況，進而結合高程與水系刻畫淡水供給服務流。QIN等[21]結合服務路徑屬性網(wǎng)絡模型(SPANs)與ArcGIS流向分析,模擬了黃河流域的山東、河南的水流情況，以基于河網(wǎng)柵格的水流流向代表淡水供給服務流。

目前關于淡水供給服務流的研究仍存在以下問題:(1)服務流流量方面，產(chǎn)水量的模擬多為流域尺度，需水量的模擬為行政區(qū)尺度，但是目前基于供需關系服務流的研究僅局限在單一的流域尺度或行政區(qū)尺度，缺乏綜合考慮2個尺度之下的服務流流量差別[22-23]；(2)服務流路徑方面，目前大多數(shù)淡水供給服務流的研究集中在自然水源供給方面，供給服務的流動路徑多是基于地形地貌的自然高度落差[21]，但實際上淡水供給服務最終要被人類所利用，要經(jīng)過水廠、管道等人工處理和運輸環(huán)節(jié)，僅基于地形的水資源空間流動不能全面地反映實際情況；(3)生態(tài)系統(tǒng)提供淡水供給服務時，不僅體現(xiàn)在水量供給方面，也體現(xiàn)在水質調節(jié)上[17,24-25]，只有符合水質使用標準的淡水才能真正為人類所用，而目前在涉及淡水供給服務流的研究中，多數(shù)側重水量的供給和需求，但對于水質情況的關注較少，水中的營養(yǎng)鹽如何影響淡水供給服務的空間分布格局與流動路徑[26]，仍需要進一步研究。

綜合已有研究存在的問題，筆者結合水質調節(jié)服務，從自然狀態(tài)和供需平衡狀態(tài)2種不同的角度分別探究淡水供給服務的流動路徑，綜合考慮自然生態(tài)過程與人類社會過程對生態(tài)系統(tǒng)服務流的影響。福建省漳州市平和縣近30 a來大力開發(fā)蜜柚種植產(chǎn)業(yè)，2017年蜜柚種植面積達267 km2，超過總流域面積的1/4。而單一化過度發(fā)展蜜柚產(chǎn)業(yè)帶來了嚴重的水土污染問題，出現(xiàn)水體硝酸鹽超標等現(xiàn)象，嚴重威脅當?shù)鼐用窈拖掠握闹輧纱笏畯S的飲用水安全，對于研究水質調節(jié)服務對淡水供給服務的影響具有典型性。該研究旨在結合生態(tài)系統(tǒng)服務間交互關系，并嘗試從自然狀態(tài)和供需平衡狀態(tài)分別探究淡水供給服務的流動路徑，創(chuàng)新點在于探究水質調節(jié)服務對不同尺度的淡水供給服務供需分布格局與空間流動的影響，對水質型缺水問題嚴重的閩東南地區(qū)流域的水資源調配與管理有一定的參考意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域概況

花山溪流域位于福建省漳州市平和縣(24°11′～24°31′ N，117°05′～117°25′ E)(圖1)?；ㄉ较蔷琵埥飨笾Я髦唬l(fā)源于平和縣雙尖山，自北向南流經(jīng)霞寨鎮(zhèn)、國強鄉(xiāng)后折向東北，流經(jīng)坂仔鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)后往東北方向經(jīng)山格鎮(zhèn)，最終匯入九龍江西溪。花山溪全長約88 km，平均坡降2.8‰[27]，流域面積約864 km2，流域總人口約20萬人。花山溪流域屬亞熱帶季風氣候區(qū),多年平均氣溫約為20.9 ℃，降水量的年際變化較大，多年平均降水量為980～2 100 mm。植被覆蓋率較高，以亞熱帶常綠闊葉林為主。土壤以紅壤、赤紅壤、水稻土和黃壤為主。此外，流域內(nèi)土地利用以林地、園地、耕地為主，其中林地面積最大，占比為40.5%。

圖1 花山溪流域概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究選取的數(shù)據(jù)主要包括花山溪流域年降水量、年潛在蒸散量、土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、水質數(shù)據(jù)等。其中年降水量數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)合計10個站點2017年的年降水量監(jiān)測數(shù)據(jù)；年潛在蒸散量數(shù)據(jù)從全球干旱與潛在蒸散數(shù)據(jù)庫(Global Aridity and PET Database)獲?。煌寥缹傩詳?shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)；土地利用數(shù)據(jù)取自當?shù)販y繪部門，經(jīng)合并后分為9類；DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)取自中國地理空間數(shù)據(jù)云平臺；人口分布、GDP分布和NDVI取自中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，各項用水指標取自《2017年福建省水資源公報》。所有柵格數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣和裁剪處理，得到像元大小為30 m×30 m的研究區(qū)域范圍數(shù)據(jù)。

2 研究方法

研究構建了一套適用于淡水生態(tài)系統(tǒng)服務流定量評估與可視化制圖的研究方法框架，主要分為3個部分(圖2)：(1)收集和處理基礎自然地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，構建GIS空間地理數(shù)據(jù)庫；(2)從生態(tài)系統(tǒng)服務的產(chǎn)出和需求2個模塊入手，使用InVEST 模型和ArcGIS軟件進行定量供需分析與空間制圖，并結合水質調節(jié)服務量進行情景分析，確定生態(tài)系統(tǒng)服務供需比與潛在服務流量；(3)結合地形地貌特征與社會供需特征，在子流域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)2種尺度下，分情況討論有/無水質脅迫情景下的淡水供給服務空間流動的方向與流量。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務流定量評估與可視化方法框架

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務定量方法

2.1.1淡水供給服務

選用InVEST模型“Water Yield”子模塊對花山溪流域的淡水供給服務進行定量制圖，其核心算法是基于水量平衡公式[28]。通過降水量、蒸散量的平衡，結合土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、植物可利用水、季節(jié)因子等影響下滲與蒸騰的因素，最終借由ArcGIS平臺，以柵格圖層的形式呈現(xiàn)某個區(qū)域的產(chǎn)水量分布情況。

(1)

式(1)中，Yx為柵格單元x的年產(chǎn)水量，mm；Px為柵格單元x的年降水量，mm；Ax為柵格單元x的年實際蒸散量，mm。其中，Ax/Px采用傅抱璞[29]和ZHANG等[30]提出的Budyko水熱耦合平衡假設公式進行下一步的轉化：

(2)

式(2)中，Tx為柵格單元x的年潛在蒸散量，mm，與特定土地利用類型的植被蒸散系數(shù)有關；ω為與自然氣候和土壤性質相關的非物理參數(shù)。

2.1.2水質調節(jié)服務

選用InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模塊對花山溪流域的水質調節(jié)服務進行定量制圖，水質凈化模塊主要評估的是流域對氮、磷2種營養(yǎng)物的凈化能力。由于花山溪流域以農(nóng)業(yè)氮污染為主，評估結果以氮輸出量來表示，輸出到河流中的氮越多，表明流域受到的污染越嚴重，以此代表水質脅迫對于淡水供給服務的影響。

地表徑流中的氮磷通過植被緩沖帶和土壤后，其中部分被植物吸收、微生物固定、硝化反硝化后截留。該模塊基于改進后的輸出系數(shù)法，考慮了氮磷營養(yǎng)物在輸移過程中的截留和沉積，其基本原理是先計算每一個像元的養(yǎng)分持留量，然后總結每一個流域的養(yǎng)分輸出和持留量。其主要公式為

Vx=Hx×lx。

(3)

Hx=λx/λw。

(4)

(5)

2.1.3部分模型參數(shù)列表

結合文獻[31-35]以及InVEST模型操作手冊，定量花山溪流域淡水供給服務和水質調節(jié)服務的生物物理屬性表，部分參數(shù)如表1所示。季節(jié)常數(shù)Z根據(jù)流域出水口流量進行校正，取值3.01。匯流累積量閾值、地下徑流氮最大保留率和最大保留率下氮的輸送距離參考國內(nèi)相似地區(qū)研究成果以及模型使用手冊[36-39]，分別取值1 000、0.81、300。

表1 InVSET模型部分參數(shù)

2.2 用水量定量方法

鑒于InVEST模型在計算淡水供給量模塊時，根據(jù)土壤屬性數(shù)據(jù)和植物可利用水，已經(jīng)考慮了研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)用水的部分[40]，因此在定量花山溪流域淡水供給服務的需求與消費時，將用水需求量定義為3個部分：

Wx=Dx+Gx+Ax。

(6)

式(6)中，Wx為柵格單元x的年用水需求量，m3；Dx為柵格單元x的居民生活用水年需求量，m3；Gx為柵格單元x的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水年需求量，m3；Ax為柵格單元x的農(nóng)田灌溉用水年需求量，m3。

根據(jù)彭建等[41]的方法，基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，計算淡水供給服務供需比(RESD)，將花山溪流域淡水供需情況進行空間可視化。

(7)

式(7)中，S為生態(tài)系統(tǒng)服務供給；D為生態(tài)系統(tǒng)服務需求；Smax為生態(tài)系統(tǒng)服務供給最大值；Dmax為生態(tài)系統(tǒng)服務需求最大值。

2.3 服務流分析方法

關于生態(tài)系統(tǒng)服務的流動分析主要包括流量和流向?；诘┙o量和用水需求量，計算各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元和子流域的淡水盈余量，由于盈余的淡水供給服務具有補充其他區(qū)域的潛在能力[42]，因此將柵格單元在原位的淡水供給量扣減原位用水需求量后剩余的淡水盈余量定義為潛在服務流流量。對于服務流的流動路徑，結合現(xiàn)有文獻的方法，分2類討論：一類是基于子流域高程的自然狀態(tài)服務流[21,43]，另一類是基于各行政區(qū)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務流[20]。

2.3.1基于子流域尺度的自然狀態(tài)服務流

自然狀態(tài)服務流方向主要根據(jù)“D8算法”[44]，基于花山溪流域水系分布和DEM數(shù)字高程模型，淡水供給服務流從上游子流域流向下游子流域，代表了自然狀態(tài)下淡水供給服務在各個子流域間的流動方向。

依照LI等[43]和QIN等[21]的方法，在自然狀態(tài)下，水系將上游子流域的淡水盈余量累加至下游子流域，此部分流量只考慮地形和重力作用下淡水供給服務流的流量情況，將其定義為累計盈余流量。

基于DEM數(shù)字高程模型的自然狀態(tài)服務流可以反映流域淡水資源在不受人類活動干擾下的流動路徑，對于流域上下游地區(qū)的水資源自然調配有一定的研究意義。

2.3.2基于行政區(qū)尺度的供需平衡狀態(tài)服務流

供需平衡驅動的服務流方向通過統(tǒng)計和比較各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的淡水盈余量，劃分相對供給區(qū)和相對受益區(qū)，動態(tài)淡水供給服務流的方向由相對供給區(qū)流向相對需求區(qū)，可以代表在水資源供需平衡的驅動下，人類需水活動對服務流方向的影響。供需平衡狀態(tài)下基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)間淡水供給服務流的方向，由鄉(xiāng)鎮(zhèn)間潛在服務流量相對大小決定。

將相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元的潛在服務流量作差，參考水資源供需平衡相關研究[45-46]，將潛在服務流量差值的1/2定義為這2個相鄰區(qū)域間的動態(tài)服務流量?；诟鬣l(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務流可以反映流域淡水資源在人類需水活動的驅動下，通過區(qū)域調水的形式在行政區(qū)間的流動，以達到各地區(qū)水資源供需平衡的結果，是一種基于結果假設的服務流，對于跨區(qū)域調水有一定的借鑒作用。

2.4 水質脅迫情景分析方法

根據(jù)HUANG等[47]對于九龍江流域的研究，流域土地利用變化會影響流域局部與整體的氮輸出與氮負荷，水質氮指標超標將嚴重影響淡水可利用率，即導致水質型缺水問題。因此，可以認為水質脅迫對于水資源供給是一種削減作用。采用情景分析的方法，基于InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模塊模擬的流域氮輸出圖層，以流域像素單元的氮輸出量代表水質調節(jié)服務的高低。假設水質脅迫的情景對于流域淡水供給量有削減作用，按氮輸出量從高到低依次重分類，賦值為0.1～0.9。基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，將水質權重賦予InVEST模型生成的產(chǎn)水分布柵格圖，探究水質脅迫對淡水供給服務的影響。

3 結果與分析

3.1 淡水供給服務供需分析

按照2.1和2.2節(jié)中的方法，定量并可視化淡水供給量與用水需求量，并計算生態(tài)系統(tǒng)服務供需比，繪制2017年花山溪流域淡水供給服務量和淡水供給服務供需比分布圖(圖3)。

圖3 花山溪流域淡水供給服務量和生態(tài)系統(tǒng)服務供需比分布

花山溪流域2017年淡水供給服務總量約為6.13×108m3，用水需求總量約為1.52×108m3，產(chǎn)水量整體較高，其中產(chǎn)水量高值區(qū)集中在霞寨鎮(zhèn)與山格鎮(zhèn)。從淡水供需平衡的角度，生態(tài)系統(tǒng)服務供需比在大部分地區(qū)呈現(xiàn)較高的正值，說明淡水資源可以實現(xiàn)原位的自給自足，負值區(qū)主要集中在需水量較大的耕地。

3.2 水質脅迫情景分析

按照2.4節(jié)中的方法，定量并可視化氮輸出量，并計算水質脅迫削減比，繪制2017年花山溪流域的氮輸出量和水質脅迫削減比分布圖(圖4)。

圖4 花山溪流域氮輸出量和水質脅迫削減比分布

花山溪流域2017年氮輸出總量約為2.69×105kg，氮輸出高值區(qū)主要分布于霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)和坂仔鎮(zhèn)。較高的氮輸出值說明水質污染嚴重，對于淡水供給服務會有一定的削減作用。水質脅迫導致的淡水供給服務削減主要集中于園地，說明當?shù)孛坭止麍@種植對于水資源的影響嚴重。

3.3 潛在淡水供給服務流

3.3.1潛在服務流量的空間布局

按照2.3節(jié)中的方法，定量可視化有/無水質脅迫情景下的潛在服務流量，繪制了2017年花山溪流域潛在淡水供給服務流量分布柵格圖(圖5)。

圖5 花山溪流域在有/無水質協(xié)迫下的淡水供給服務流分布

在無水質脅迫情景下，花山溪流域2017年潛在服務流量約為4.63×108m3，流域內(nèi)大部分區(qū)域處于較高水平，以耕地為代表的部分區(qū)域出現(xiàn)負值。在水質脅迫情景下，花山溪流域整體的潛在服務流量受到了削減，降低為9.86×107m3，其中低流量區(qū)域受到更大的影響。

3.3.2潛在服務流量：子流域統(tǒng)計結果

為探究淡水供給服務在自然地形的高度差驅動下的流動情況，計算區(qū)域淡水盈余總量，進一步分析了各子流域的潛在服務流量(圖6)。

圖6 花山溪流域不同子流域在有/無水質協(xié)迫下的生態(tài)系統(tǒng)服務流

在不考慮水質脅迫的情景下，潛在服務流量最大和最小的子流域分別是鐘騰溪流域(1.33×108m3)，山格溪流域(4.9×107m3)，其余子流域的潛在服務流量從5.29×107到8.59×107m3不等。

在水質脅迫的情景下，各子流域的潛在服務流量均受到不同程度削減，潛在服務流量最大和最小的子流域分別是鐘騰溪流域(2.84×107m3)和山格溪流域(5.70×106m3)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務流量從8.79×106到2.15×107m3不等。

3.3.3潛在服務流量:鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元統(tǒng)計結果

為探究淡水供給服務在區(qū)域間水資源供需平衡驅動下的流動情況，計算區(qū)域淡水盈余總量，進一步分析了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元的潛在服務流量，結果如圖7所示。

圖7 花山溪流域不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)在有/無水質脅迫下的生態(tài)系統(tǒng)服務流Fig.7 Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different township with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed

在不考慮水質脅迫的情景下，潛在服務流量最大和最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別是霞寨鎮(zhèn)8.97×107m3，南勝鎮(zhèn)4.43×107m3，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務流量從7.50×107到8.62×107m3不等。

在水質脅迫的情景下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的潛在服務流量均受到不同程度削減，潛在服務流量最大和最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別是國強鄉(xiāng)(2.46×107m3)和南勝鎮(zhèn)(7.76×106m3)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)潛在服務流量從7.77×106到2.34×107m3不等。

3.4 基于子流域尺度的自然狀態(tài)服務流

按照2.3.1節(jié)中的方法，定量可視化花山溪流域基于地形水系的自然狀態(tài)服務流方向與各子流域累積盈余量分布圖(圖8)。

圖中數(shù)據(jù)為累計盈余量，單位為m3。

自然狀態(tài)下，花山溪流域的淡水供給服務流方向與河流方向一致，由上游子流域流向下游子流域，流動方向不受區(qū)域淡水供需情況以及水質脅迫的影響。上游地區(qū)的鐘騰溪子流域是最主要的供給區(qū)，同時高磜溪、牛頭溪和南勝溪子流域由于地勢原因，河流匯入下游地區(qū)，因此也屬于供給區(qū)。坂仔溪和山格溪子流域位于花山溪流域下游平原地區(qū)，接受上游地區(qū)的淡水供給，是主要的受益區(qū)。從累計盈余流量的角度，花山溪流域的水質脅迫對各個子流域的流量都產(chǎn)生了明顯的削減作用，最終匯入下游山格溪流域的累計盈余流量從4.59×108削減為9.9×107m3，削減約78.4%。

3.5 基于行政區(qū)尺度的供需平衡狀態(tài)服務流

為探究各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在達到水資源供需平衡的假設狀態(tài)下，淡水供給服務的空間流動路徑，按照2.3.2節(jié)中方法，定量可視化花山溪流域淡水供給服務流方向與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的動態(tài)服務流量柱狀圖，如圖9～10所示。為更直觀展示流量大小，將所有流量排序后，按照大小將前40%和后30%分別定義為大流量和小流量，其余定義為中流量。

如圖9所示，基于淡水供需情況，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供給服務流在不考慮水質脅迫影響的情況下，多以小流量為主，服務流量總量約4.63×107m3。服務流方向按流量從大到小依次為坂仔鎮(zhèn)→南勝鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→國強鄉(xiāng)、坂仔鎮(zhèn)→國強鄉(xiāng)、霞寨鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、山格鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→小溪鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→坂仔鎮(zhèn)、霞寨鎮(zhèn)→山格鎮(zhèn)。霞寨鎮(zhèn)是主要的供給區(qū)，國強鄉(xiāng)和小溪鎮(zhèn)是主要的受益區(qū)。

在水質脅迫的情景下，基于淡水供需情況的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供給服務流在流量大小和流動方向上發(fā)生了較大改變，服務流量總量約4.02×107m3。區(qū)域間大流量、中流量服務流增多，反映水質脅迫加劇了鄉(xiāng)鎮(zhèn)間水資源的供需差異。服務流方向按流量從大到小依次為國強鄉(xiāng)→霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→南勝鎮(zhèn)、坂仔鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、山格鎮(zhèn)→霞寨鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→山格鎮(zhèn)、國強鄉(xiāng)→坂仔鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)→坂仔鎮(zhèn)。水質脅迫的情景使得花山溪流域淡水供給服務的供給區(qū)和受益區(qū)發(fā)生了改變，國強鄉(xiāng)和小溪鎮(zhèn)轉變?yōu)橹饕墓┙o區(qū)，霞寨鎮(zhèn)轉變?yōu)橹饕氖芤鎱^(qū)。

圖9 花山溪流域在有/無水質脅迫下的淡水供給服務流方向

4 討論

4.1 淡水供給服務的定量與空間流動

供需定量方面，研究估算2017年花山溪流域淡水供給服務總量約為6.13×108m3，平均產(chǎn)水量約為67.7 m3·km-2，與其他研究中估算的福建省產(chǎn)水量相比偏高[48-49]，原因在于花山溪流域位于福建省南部，降水量高于福建省平均水平[49]。用水需求總量約為1.52×108m3，全流域潛在服務流量約為4.61×108m3，生態(tài)系統(tǒng)服務供需比<0的地區(qū)主要集中在耕地區(qū)，符合花山溪流域以農(nóng)業(yè)灌溉用水為主的特征。

流動分析方面，基于子流域高程的自然狀態(tài)服務流路徑與陳登帥等[20]運用SWAT模型在延河流域的淡水資源供需分析以及張欣蓉等[50]對喀斯特地貌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務流的研究結果一致，以水系為流動路徑，這與QIN等[21]與LI[43]等在京津冀地區(qū)以及山東—河南地區(qū)的淡水供給服務流的研究結果(以像元形式呈現(xiàn)的流動)有所不同，但可以更直觀地體現(xiàn)水資源在流域間的流動過程?；诠┬杵胶鉅顟B(tài)服務流與各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源供需情況有關，孫雪萍[40]在張承地區(qū)的淡水供給服務流研究中，綜合考慮了各個行政區(qū)的水資源供需情況，由于張承地區(qū)位于我國東北部，存在有典型的淡水資源無法自給自足的受益區(qū)，供給區(qū)和受益區(qū)劃分明顯。從水量角度，花山溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都能實現(xiàn)供水自足，因此筆者在定義服務流量時以區(qū)域間淡水資源的差值來劃分相對供給區(qū)和受益區(qū)，對于水資源總量充沛，但存在水質型缺水問題地區(qū)的淡水供給服務空間流動研究有一定的參考價值。

圖10 花山溪流域在有/無水質脅迫下的動態(tài)服務流量-服務流方向

研究尺度方面，采用子流域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)2種不同尺度，子流域尺度下的累計盈余流量高于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度下的動態(tài)服務流量，同時氮污染對服務流的削減幅度也更大。其原因在于子流域尺度的自然狀態(tài)服務流是水量從上游往下游的疊加，水質的影響是對水量的直接削減，流動方向不發(fā)生改變。而鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的供需平衡狀態(tài)服務流是基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)間水資源供需的差異，總流量和削減比可能較子流域尺度偏低。因此在區(qū)域水資源管理與調配中需要結合流域過程和社會供需情況綜合考慮2種尺度。

4.2 水質調節(jié)服務對淡水供給服務的影響

衡量水質調節(jié)服務對于淡水供給服務的影響主要是利用氮輸出對淡水資源可利用性的削減，2017年花山溪流域的氮輸出對于產(chǎn)水量的平均削減率約為59.14%。從基于地形的自然狀態(tài)服務流角度，水質脅迫對下游山格溪子流域累計盈余流量的削減率約為78.43%。從基于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務流角度，水質脅迫對鄉(xiāng)鎮(zhèn)間動態(tài)服務流總量削減率約13.17%，同時水質脅迫情景下，淡水供給服務的流動方向也發(fā)生了變化，相對供給區(qū)和相對受益區(qū)有所改變。

已有研究表明，土地利用等人類活動是驅動河流氮輸出空間變異性的主要因子[51-52]，城市化擴張和農(nóng)業(yè)活動會加劇河流氮的污染程度[53]。相似研究中關于水質對于產(chǎn)水量的影響通過不同尺度下的相關系數(shù)判定協(xié)同與權衡關系[54-56]。潘翔[39]在評估河湟地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務交互關系時，計算出淡水供給服務和水質調節(jié)服務有37.04%的縣區(qū)呈正相關，9.26%的縣區(qū)呈負相關，然而結果無法以地圖形式定量描繪水質對于水量的影響。該研究側重定量描述水質對于淡水供給的削減，創(chuàng)新使用水質賦權的方法，將服務間交互關系以空間可視化的形式呈現(xiàn)。

4.3 流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務影響因素

為探究花山溪流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布格局的主要影響因素，以產(chǎn)水量和氮輸出量為代表，計算淡水供給服務、水質調節(jié)服務與降水、NDVI、坡度等自然因素以及土地利用類型占比等人類活動因素的相關性[37,39](圖11)。

圖11 花山溪流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務影響因素的相關性分析

由相關性分析結果可得，產(chǎn)水量與降水顯著正相關(r=0.95，P<0.05)，與NDVI極顯著正相關(r=0.93,P<0.01)。這與YANG等[57]和JIANG等[58]通過敏感性分析方法研究流域產(chǎn)水量影響因素的結果一致，說明降水量是流域淡水供給服務的主要驅動力，植被覆蓋是通過改變下墊面特征和蒸散發(fā)調節(jié)來改變產(chǎn)水量[59]。需水量與NDVI顯著正相關(r=0.85,P<0.05)，與耕地面積極顯著正相關(r=0.97,P<0.01)?；ㄉ较盟枨罅恐饕筛孛娣e決定，符合當?shù)匾赞r(nóng)業(yè)用水灌溉為主的特點[60]。氮輸出量與園地面積顯著正相關(r=0.82,P<0.05)，與林地面積顯著負相關(r=-0.83,P<0.05)。水質調節(jié)服務影響因素的分析結果驗證了花山溪流域由于大規(guī)模蜜柚種植業(yè)引發(fā)水環(huán)境污染的現(xiàn)狀[60-61]，也說明林地對于氮營養(yǎng)鹽有一定的緩沖和吸附作用[62-64]，與韓蕊等[65]在川東地區(qū)以及孟浩斌等[66]在三峽庫區(qū)水質調節(jié)服務影響因素的研究結果一致。

5 結論

基于InVEST模型，評估了花山溪流域2017年淡水供給量、用水需求量和氮輸出量空間分布情況，使用情景分析的方法，以氮為例討論了有/無水質脅迫情景下子流域尺度以及供需平衡狀態(tài)下鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的淡水供給服務的空間流動，主要定量研究結果如下：

(1)子流域尺度基于地形高程的自然狀態(tài)服務流最終匯入位于下游的山格溪子流域，累計盈余流量4.59×108m3，在水質脅迫的情景下削減為9.9×107m3，削減率為78.43%，流動方向由地形水系決定，不受水質的影響。對于流域上下游地區(qū)的水資源自然調配有一定參考價值。

(2)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度基于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)淡水供需情況的平衡狀態(tài)服務流總量約4.63×107m3，在水質脅迫情景下約4.02×107m3，削減率為13.17%，水質脅迫使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)間動態(tài)服務流量增大，加劇區(qū)域供需差異，同時改變了淡水供給服務流方向，在水質影響下霞寨鎮(zhèn)從相對供給區(qū)轉變?yōu)橄鄬κ芤鎱^(qū)。區(qū)域間水資源管理和調配需要綜合考慮水質和水量。

(3)花山溪流域的淡水供給服務與降水量和NDVI顯著正相關，用水需求量主要受耕地面積影響，水質調節(jié)服務與園地面積顯著負相關，與林地面積顯著正相關，說明花山溪流域的綜合整治需要重點管控果園面積和化肥施用，推廣天然林地的種植與保護。