許麗婷， 劉海紅， 黃麗潔， 王鈺帆

（陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710000）

生態(tài)環(huán)境治理和修復(fù)一直是研究的熱點(diǎn)，極端天氣事件引發(fā)的暴雨、洪水等氣象災(zāi)害促使研究者高度重視水生態(tài)安全和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，流域因其對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化和水生態(tài)安全有高度敏感性而成為研究的重點(diǎn)區(qū)域。流域水源涵養(yǎng)動(dòng)態(tài)變化通過(guò)對(duì)河川徑流、洪水調(diào)蓄、植被生長(zhǎng)等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。關(guān)于生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)關(guān)系的研究主要集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡，有學(xué)者對(duì)植被覆蓋度和產(chǎn)水量的關(guān)系進(jìn)行了分析［1］，認(rèn)為在閾值范圍內(nèi)，植被覆蓋度增加會(huì)促進(jìn)產(chǎn)水量的增加［2］。但也存在研究?jī)?nèi)容單一問題，不能立足于整體性觀點(diǎn)研究生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的關(guān)系。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是生態(tài)環(huán)境治理和修復(fù)的基礎(chǔ)，遙感技術(shù)是監(jiān)測(cè)和評(píng)估生態(tài)環(huán)境的有效手段［3］。遙感技術(shù)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間和多空間尺度監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境變化并結(jié)合特殊的地理背景就能夠?yàn)閰^(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和修復(fù)提供客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。由濕度、干度、綠度和熱度指標(biāo)通過(guò)主成分分析得到的遙感生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）［4］能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境變化，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的客觀性。RSEI 能夠可視化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的時(shí)空特征［5］，被廣泛應(yīng)用于城市群［6］、流域［7］、礦區(qū)［8］、山地［9］等區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)演變分析，研究成果具有代表性和通用性，能夠客觀反映出生態(tài)環(huán)境的整體時(shí)空動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之一的水源涵養(yǎng)，能夠涵養(yǎng)土壤水分、維持植物生長(zhǎng)所需水分、有效調(diào)節(jié)河川徑流量［10］。其中水源涵養(yǎng)評(píng)估模型眾多，InVEST（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool）模型以其可視化、定量化優(yōu)勢(shì)被學(xué)者廣泛應(yīng)用于水源涵養(yǎng)量的計(jì)算與評(píng)估中［11］，模型較為成熟，研究成果能夠有效評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)量的時(shí)空變化特征。

汾河作為黃河的第二大支流，水土流失嚴(yán)重，水資源供需矛盾突出［12］，水源涵養(yǎng)能力低［13］，生態(tài)環(huán)境問題突出，是黃河流域生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)。汾河流域2020 年水質(zhì)整體得到提升，Ⅰ～Ⅲ類斷面比例為41.7%，無(wú)劣V 類斷面，水質(zhì)屬于輕度污染，但大氣污染和土壤污染問題嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境仍需持續(xù)治理和修復(fù)［14］。以往研究涉及土壤侵蝕［15］、植被覆蓋［16］、水資源生態(tài)修復(fù)補(bǔ)償［17］、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［18］、生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)及修復(fù)［19］、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與治理［20］等，但是總體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的時(shí)間更新較慢，對(duì)于2000—2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化研究較少，基于RSEI 的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)也較少，并且以整個(gè)汾河流域作為切入點(diǎn)，研究流域總體的水源涵養(yǎng)量較少，缺乏全流域的研究。因此需從時(shí)序和空間上補(bǔ)充和更新汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，基于整體性原則，對(duì)全流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。立足于整體性觀點(diǎn)研究生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的關(guān)系，既能充分解釋生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其關(guān)系，也能促進(jìn)汾河流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)。

鑒于此，本研究以汾河流域作為研究對(duì)象，基于時(shí)空性、生態(tài)性和整體性原則，采用2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年5期研究數(shù)據(jù)，利用RSEI模型和InVEST模型評(píng)估汾河流域20 a的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及水源涵養(yǎng)量的動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)Pearson相關(guān)分析來(lái)研究二者之間的相關(guān)性，以此來(lái)檢驗(yàn)20 a來(lái)汾河流域生態(tài)環(huán)境治理效果。

1 研究區(qū)概況

汾河發(fā)源于山西省寧武縣境內(nèi)（圖1），自北向南流經(jīng)忻州、太原、呂梁、晉中、臨汾和運(yùn)城六個(gè)地級(jí)市，于運(yùn)城市萬(wàn)榮縣注入黃河，全長(zhǎng)713 km，流域南北延伸（110°30′～113°32′E，35°20′～39°00′N），全域面積約39464 km2。汾河支流眾多，包括瀟河、文峪河、澮河等，流域內(nèi)地勢(shì)北高南低，平均海拔1128 m，河道總高差1302 m［21］，西南是以呂梁山為主體的山地，東面是以太行山為主體的山地，中間是太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地［15］。汾河流域?qū)儆诖箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為507 mm，年際變化大且年內(nèi)分布不均，7—9月降水較為集中［22］，多年平均氣溫6～13 ℃［15］。土壤類型以褐土為主［23］，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。2020年汾河水資源總量232.2×108m3，當(dāng)年徑流深度54.9 mm，用水總量29.3×108m3，農(nóng)田灌溉用水占比較大，干流兩岸生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)。

圖1 汾河流域概況圖Fig.1 Overview of Fenhe River Basin

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理見表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理Tab.1 Data source and preprocessing operation

2.2 研究方法

2.2.1 遙感生態(tài)指數(shù) 基于研究區(qū)綠度、濕度、干度和熱度的考慮，分別選取NDVI為綠度指數(shù)、WET為濕度指數(shù)、NDBSI為干度指數(shù)、LST為熱度指數(shù)，4個(gè)指數(shù)分別代表影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的4個(gè)方面。為更客觀準(zhǔn)確的確定4 個(gè)指數(shù)的權(quán)重，需要剔除人為干擾，首先對(duì)4 個(gè)指數(shù)在ENVI 軟件中進(jìn)行歸一化處理，再根據(jù)將與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的信息集中到較少的主成分上的主成分分析方法［24］，對(duì)4 個(gè)指數(shù)進(jìn)行權(quán)重確定。通過(guò)主成分分析，保留方差最大的第一主成分，用于表征汾河流域遙感生態(tài)指數(shù)，對(duì)其歸一化處理，值越大說(shuō)明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。利用ENVI 軟件生成汾河流域RSEI 柵格圖層，并于Arc-GIS 軟件中依照徐涵秋［4］提到的分級(jí)方法，將RSEI圖層重分類為差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優(yōu)（0.8～1）。

2.2.2 水源涵養(yǎng)量 基于InVEST 模型下的年產(chǎn)水量（Annual Water Yield）模塊進(jìn)行汾河流域水源涵養(yǎng)量計(jì)算，此模型依據(jù)水量平衡原理，在不考慮地表水和地下水相互作用的情況下，加入氣候、地形、土地利用等數(shù)據(jù)，依托區(qū)域空間位置，對(duì)空間各點(diǎn)進(jìn)行水量平衡分析，用降水量減去實(shí)際蒸散量得到每個(gè)點(diǎn)的徑流量［25］，再以空間分布模式將圖層輸出，在ArcGIS 平臺(tái)加載圖層可得到汾河流域的年產(chǎn)水量柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)土地利用類型計(jì)算地表徑流系數(shù)和徑流量，用產(chǎn)水量減去徑流量即為研究區(qū)的水源涵養(yǎng)量［26］。

2.2.3 相關(guān)性分析 為進(jìn)一步分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與水源涵養(yǎng)量之間的關(guān)系，參考李曉榮等［27］采用的空間相關(guān)性分析方法，基于柵格數(shù)據(jù)空間像元單位，在ArcGIS 軟件中對(duì)汾河流域水源涵養(yǎng)量和遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行空間相關(guān)性分析。計(jì)算公式如下：

Pearson空間相關(guān)分析：

式中：Rxy為x和y的相關(guān)系數(shù)；N代表年數(shù)，N=5；i為第i年，取值為1～5；xi為水源涵養(yǎng)量；xˉ為2000—2020年水源涵養(yǎng)量的平均值；yi為遙感生態(tài)指數(shù)；yˉ為2000—2020 年遙感生態(tài)指數(shù)的平均值。其中R取值范圍為［-1,1］，R的絕對(duì)值越接近1，代表相關(guān)性越強(qiáng)，R取正為正相關(guān)，R取負(fù)為負(fù)相關(guān)。

2.2.4 區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析 根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析方法，通過(guò)ArcGIS 平臺(tái)疊加河段流域、縣域邊界和RSEI 空間分布圖，研究不同河段流域尺度和縣域尺度下RSEI 各等級(jí)面積的空間分布和時(shí)空動(dòng)態(tài)變化程度。結(jié)合不同河段流域和縣域尺度，對(duì)流域RSEI和水源涵養(yǎng)量進(jìn)行空間相關(guān)性分析，探討二者的相關(guān)性及可能的影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感生態(tài)指數(shù)時(shí)空變化特征

3.1.1 時(shí)間尺度變化特征 依據(jù)上述遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算和分級(jí)方法，將汾河流域遙感生態(tài)指數(shù)分為：差、較差、中等、良好和優(yōu)5 個(gè)級(jí)別，以5 a 作為一個(gè)時(shí)間梯度，從時(shí)間尺度上統(tǒng)計(jì)RSEI各分級(jí)面積及占比并分析RSEI 發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)發(fā)展趨勢(shì)可以明顯看出，RSEI 的5 個(gè)級(jí)別從2000—2020 年呈現(xiàn)“兩增兩減一波動(dòng)”狀態(tài)，良好和優(yōu)級(jí)面積呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，差和較差級(jí)面積呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，中等級(jí)呈現(xiàn)波動(dòng)上升后下降趨勢(shì)。

從發(fā)展趨勢(shì)方面反映了汾河流域2000—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)極大變好趨勢(shì)，從治理成果方面反映了汾河流域多年的生態(tài)環(huán)境治理和恢復(fù)措施成效顯著。分析2000—2020年RSEI各級(jí)面積及占比（圖2），優(yōu)級(jí)面積從僅有的90.9 km2到832 km2，增加了1.9%；良好級(jí)面積增幅較大，從6600.3 km2增加到15852.5 km2，增加了將近10000 km2，增幅達(dá)到23.6%，2020年優(yōu)和良好級(jí)達(dá)到42.6%，可以看出，整體生態(tài)環(huán)境持續(xù)好轉(zhuǎn)狀態(tài)；中等級(jí)面積占比較大，是汾河流域生態(tài)環(huán)境的主體部分，2000 年占比47.7%到2020 年49.2%，面積從18676.1 km2到19249.6 km2，增幅較小，僅增加了1.5%，說(shuō)明汾河流域整體生態(tài)環(huán)境沒有變差，中等水平比例較高；較差級(jí)面積減小幅度較大，2000 年占比33.8%到2020年占比8.2%，面積從13231.2 km2減少到3192.9 km2，減少了10038.3 km2；差級(jí)面積從531.7 km2減少到3.1 km2，2020年面積占比幾乎為0，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境治理效果顯著，整體呈現(xiàn)較好狀態(tài)。

圖2 2000—2020年遙感生態(tài)指數(shù)各分級(jí)面積Fig.2 Statistics of area of remote sensing ecological index at different levels from 2000 to 2020

3.1.2 空間尺度變化特征 分析2000—2020年RSEI空間分布圖（圖3），優(yōu)和良好主要分布于呂梁山以東和太行山以西的邊緣地區(qū)，中等級(jí)分布最廣，差和較差零散分布于汾河干流周邊，這與山區(qū)植被生長(zhǎng)較好和人為干擾較小有關(guān)，汾河干流周邊水資源相對(duì)較多，城市分布和工業(yè)發(fā)展集中，生態(tài)環(huán)境破壞較大。2000 年RSEI 差和較差面積占比較大（圖3a），優(yōu)和良好占比較少，中等級(jí)適中，其中差級(jí)主要分布于汾河下游地區(qū)，以洪洞縣、翼城縣、曲沃縣、襄城縣、新絳縣、稷山縣和聞喜縣為主，煤礦開采嚴(yán)重破壞地表自然景觀和生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很差；較差級(jí)主要分布于上游和中游地區(qū)，以嵐縣、婁煩縣、靜樂縣、太原市東部、孝義市、介休市、交口縣和靈石縣為主；良好級(jí)主要分布于上游西北部、中游西北部、下游東北部地區(qū)，以寧武縣西部、交城縣西部、文水縣、介休市東南部、沁源縣西南部、長(zhǎng)治市東部、古縣西北部等為主。2005 年RSEI主要以中等級(jí)為主（圖3b），差和優(yōu)分布較少，較差主要分布于汾河上游東南部和下游南部地區(qū)，隨著植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境治理工作開展，生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn)，良好主要分布于中游西部和下游東部地區(qū)。2010 年RSEI 優(yōu)級(jí)分布較少（圖3c），主要分布于陽(yáng)曲縣東北部、東南部和沁源縣南部；良好主要分布

于汾河上游西北部和東南部、中游西部和東部、下游東北部和東南部；生態(tài)環(huán)境大幅度改善，但是受工業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理進(jìn)程緩慢的影響，差和較差分布仍然較多，較差分布于下游中部和南部地區(qū)，差級(jí)分布于洪洞縣中部偏南地區(qū)。2015年RSEI良好和優(yōu)分布面積增加（圖3d），由于汾河上游水源地水土保持工程和植被恢復(fù)的落實(shí)，大幅度提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，以寧武縣西部、文水縣、沁源縣增加較多；差和較差級(jí)分布于汾河中下游，中等級(jí)貫穿于汾河流域內(nèi)部。2020 年RSEI 優(yōu)級(jí)明顯增多（圖3e），生態(tài)環(huán)境治理進(jìn)入新階段，在環(huán)保政策強(qiáng)制要求下，工業(yè)需要綠色發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量大幅度提高，主要以寧武縣西部、陽(yáng)曲縣西北部和東南部、文水縣、平遙縣東南部、沁源縣南部、介休市東南部、靈石縣東部、翼城縣東部和絳縣東部為主；良好級(jí)較2000年分布地區(qū)增加明顯，整體流域呈現(xiàn)良好和中等級(jí)分布；差和較差分布較少，零散分布于上游西部、下游南部等。從汾河流域RSEI空間分布圖的整體分布可以觀察發(fā)現(xiàn)，整體生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)極大改善狀態(tài)，優(yōu)和良好面積分布范圍擴(kuò)大明顯，差和較差分布范圍大幅度縮小，說(shuō)明汾河流域生態(tài)環(huán)境治理效果顯著，但是汾河上游西部和下游南部仍需繼續(xù)加強(qiáng)治理和修復(fù)。

圖3 2000—2020年汾河流域RSEI空間分布Fig.3 Spatial distribution of RSEI in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

3.1.3 整體時(shí)空動(dòng)態(tài)變化程度 在ArcGIS中使用柵格計(jì)算器，用后期數(shù)據(jù)減去前期數(shù)據(jù)得到變化值，依據(jù)前后2個(gè)時(shí)期RSEI的變化等級(jí)，將變化值分為五大類（圖4）：明顯變差（等級(jí)變差兩級(jí)及以上）、變差（等級(jí)變差一級(jí)）、不變（等級(jí)不變）、變好（等級(jí)變好一級(jí)）、明顯變好（等級(jí)變好兩級(jí)及以上）［28］。

圖4 2000—2020年汾河遙感生態(tài)指數(shù)變化Fig.4 Changes of remote sensing ecological index of Fenhe River from 2000 to 2020

2000—2010 年汾河流域RSEI 以維持原狀和變好為主（圖5a），發(fā)生明顯變化的區(qū)域較少，其中62.19%的區(qū)域環(huán)境等級(jí)未發(fā)生變化（24333.1 km2），主要分布于汾河上游流域；33.09%的區(qū)域變好（12634.32 km2），主要分布于中游東部、下游西部和南部，由于前期工業(yè)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞嚴(yán)重，需要重點(diǎn)治理和修復(fù)，以平定縣、和順縣、昔陽(yáng)縣和汾西縣、交口縣為主；0.8%的區(qū)域環(huán)境明顯變好（311.47 km2），以晉中市東北部、陽(yáng)泉市為主，這與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境治理投入較大有關(guān)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化明顯；在城市擴(kuò)展的過(guò)程中，必然會(huì)破壞人地和諧關(guān)系，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境變差，變差區(qū)域（1824.10 km2）占比為4.66%，有0.07%的區(qū)域面積處于明顯變差狀態(tài)（27.14 km2），主要集中分布于太原市南部、清徐縣中部和平遙縣中部地區(qū)。2010—2020 年汾河流域RSEI 處于持續(xù)變好狀態(tài)（圖5b），整體生態(tài)環(huán)境變好（31.5%）大于變差（5.24%），明顯變好（0.89%）也大于明顯變差（0.08%），等級(jí)不變區(qū)域面積占比較大（63.61%），零散分布于汾河流域各地區(qū)；11837.16 km2的區(qū)域環(huán)境變好，以汾河下游流域?yàn)橹?，主要包括孝義市、交口縣東部、靈石縣西部、長(zhǎng)治市西部、汾西縣東部等地區(qū)；348.63 km2的區(qū)域環(huán)境明顯變好，以靈石縣西部、長(zhǎng)治市南部、翼城縣東部、襄汾縣南部等地區(qū)為主；變差和明顯變差面積占比為5.24%，零散分布于汾河上游西部、中游東部、下游西北部和西南部等地區(qū)。由圖5c 可知，RSEI整體呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢(shì)，47.51%的區(qū)域環(huán)境處于變好狀態(tài)，面積達(dá)到18590.53 km2，是RSEI 變化最大的區(qū)域，主要分布于汾河上游北部、中游東部和下游地區(qū)，包括寧武縣、靜樂縣、婁煩縣西部、陽(yáng)泉市、洪洞縣西部、臨汾市西部等地區(qū)；5.71%的區(qū)域環(huán)境明顯變好（2236.15 km2），以陽(yáng)泉市、和順縣、晉中市東北部、孝義市、交口縣東部、靈石縣、介休市、汾西縣、古縣、新絳縣、聞喜縣、稷山縣東部、翼城縣東部和西北部等地區(qū)為主；變差（3.03%）和明顯變差（0.1%）面積為1226.47 km2，主要分布于上游區(qū)域，以太原市和清徐縣為主。經(jīng)過(guò)20 a的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和治理，汾河流域整體生態(tài)環(huán)境持續(xù)變好，少數(shù)地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求使得生態(tài)環(huán)境變差，需要持續(xù)修復(fù)和治理。

圖5 2000—2020年汾河流域遙感生態(tài)指數(shù)變化空間分布Fig.5 Spatial distribution of remote sensing ecological index changes in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

3.2 水源涵養(yǎng)量時(shí)空變化特征

3.2.1 時(shí)間尺度變化特征 根據(jù)InVEST 模型合理設(shè)置參數(shù)，計(jì)算汾河流域水源涵養(yǎng)量，統(tǒng)計(jì)2000—2020 年汾河流域以柵格為單元的平均水源涵養(yǎng)量各參數(shù)總量及變化趨勢(shì)（圖6）?？梢悦黠@看出，各參數(shù)發(fā)展變化趨勢(shì)，降水量、徑流量和產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)波動(dòng)遞增趨勢(shì)。汾河流域水源涵養(yǎng)總量由2000 年的205.9×108mm 增加到2020年228.9×108mm，增加了23×108mm；平均水源涵養(yǎng)量先減少后增加，增加量為16.1 mm，說(shuō)明汾河流域20 a的水源涵養(yǎng)功能良好，處于持續(xù)變好狀態(tài)；汾河流域年平均降水量處于增加狀態(tài)，2005年降水量最低（422.6 mm），2020 年降水量最高（513.2 mm），增加了90.6 mm；平均產(chǎn)水量從2000年的260.8 mm 增加到2020 年288.2 mm，增加了27.4 mm，說(shuō)明經(jīng)過(guò)20 a 的發(fā)展汾河流域產(chǎn)水能力得到提高；平均地表徑流量與降水量保持一致趨勢(shì)，2005 年平均地表徑流量最低67.3 mm，2020 年最高81.6 mm，徑流量的變化與降水量密切相關(guān)?？傮w水源涵養(yǎng)能力得到提高，這與汾河流域生態(tài)環(huán)境治理、汾河徑流量增加等密切相關(guān)。

圖6 汾河流域平均水源涵養(yǎng)量參數(shù)Fig.6 Parameters of average water conservation in Fenhe River Basin

3.2.2 空間尺度變化特征 統(tǒng)計(jì)汾河流域以柵格為單元的平均水源涵養(yǎng)量，以100 mm 為一級(jí)，將水源涵養(yǎng)量從低到高分為低（0～100 mm）、較低（101～200 mm）、中等（201～300 mm）、較高（301～400 mm）和高（＞400 mm）5個(gè)級(jí)別。由圖7可以明顯看到，汾河流域水源涵養(yǎng)量主要以較低等級(jí)（101～200 mm）和中等級(jí)別（201～300 mm）為主，較高等級(jí)和高等級(jí)分布較少，主要分布于汾河上游源頭地區(qū)，低等級(jí)零散分布于汾河各地。

圖7 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量空間分布Fig.7 Spatial distribution of water conservation in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

2000 年汾河流域水源涵養(yǎng)量較低區(qū)域主要分布于汾河中下游中間區(qū)域（圖7a），城市快速擴(kuò)展和工業(yè)高速發(fā)展、農(nóng)業(yè)大幅用水導(dǎo)致水資源供需矛盾突出，植被破壞嚴(yán)重，產(chǎn)水量低，水源涵養(yǎng)量低，主要包括太原市區(qū)縣南部、呂梁市區(qū)縣東部、晉中市區(qū)縣西部、臨汾市區(qū)縣東部、長(zhǎng)治市區(qū)縣西部、運(yùn)城市區(qū)縣北部等地區(qū)；尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的城市用水量更大，以太原市中部、文水縣東部、孝義市西部、交口縣北部、長(zhǎng)治市中部等地為代表的水源涵養(yǎng)量最低；中等級(jí)主要分布于汾河上游和中下游邊緣地區(qū)；較高等級(jí)主要分布于汾河中游東部地區(qū)，主要包括陽(yáng)泉市東南部、和順縣北部、昔陽(yáng)縣等地，說(shuō)明山地開發(fā)強(qiáng)度小，植被破壞較少，能夠維持一定的水源涵養(yǎng)量，但是高等級(jí)幾乎很少有分布，總體上存在水資源供需矛盾突出，水源涵養(yǎng)量低的問題。2005 年汾河流域平均水源涵養(yǎng)量以低和較低等級(jí)為主（圖7b），較高等級(jí)和高等級(jí)分布很少，說(shuō)明這一時(shí)期整個(gè)流域的水源涵養(yǎng)量均很低，與降水量低和需水量大有一定關(guān)系。2010 年汾河流域水源涵養(yǎng)量得到改善（圖7c），汾河上游流域北部區(qū)域水源涵養(yǎng)量較高，主要包括寧武縣東部和北部，中下游水源涵養(yǎng)量依舊較低。2015 年汾河流域上游南部、中游和下游北部地區(qū)水源涵養(yǎng)量較低（圖7d），陽(yáng)曲縣、太原市中部、文水縣、汾陽(yáng)市西部和孝義市西部水源涵養(yǎng)量最低，汾河下游東南部區(qū)域水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)較高等級(jí)，高等級(jí)分布很少。2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量相較于2000 年有明顯增加趨勢(shì)（圖7e），上游植被恢復(fù)和水土保持工程的實(shí)施，極大改善了自然環(huán)境，提高了流域水源涵養(yǎng)功能，上游流域水源涵養(yǎng)量較高，主要包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣西部和文水縣西北部等地，尤其以寧武縣西部和東南部、靜樂縣東北部地區(qū)最為突出，水源涵養(yǎng)功能極大提高，水源涵養(yǎng)量超過(guò)400 mm，處于高等級(jí)狀態(tài)；城市分布集中的中下游地區(qū)，用水量大，產(chǎn)水量低，水源涵養(yǎng)量較低，低等級(jí)和較低等級(jí)主要分布于汾河中游和下游流域，中等級(jí)主要分布于邊緣地區(qū)。2000—2020 年汾河流域水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，較高等級(jí)和高等級(jí)分布范圍擴(kuò)大，以上游源地為主，中等級(jí)分布范圍由邊緣向中心擴(kuò)展，低等級(jí)和較低等級(jí)主要分布于中下游的中部地區(qū)。

3.2.3 整體時(shí)空動(dòng)態(tài)變化程度 在ArcGIS 中使用柵格計(jì)算器，用后期數(shù)據(jù)減去前期數(shù)據(jù)得到變化值，通過(guò)自然段點(diǎn)法對(duì)變化值進(jìn)行重分類，負(fù)值代表水源涵養(yǎng)量減少，正值代表增加，0 代表不變，將變化值劃分為：明顯減少、減少、不變、增加和明顯增加5種變化情況，并統(tǒng)計(jì)各自的區(qū)域面積（圖8）。

圖8 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量變化Fig.8 Changes of water conservation in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

2000—2010 年汾河流域水源涵養(yǎng)量以增加和不變?yōu)橹鳎▓D9a），發(fā)生明顯減少的區(qū)域面積較小，41.17%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量處于增加狀態(tài)（17758.52 km2），前期城市發(fā)展大量用水，且汾河水量較少，水源涵養(yǎng)量低，在水資源合理調(diào)配和生態(tài)環(huán)境治理的政策驅(qū)動(dòng)下，水源涵養(yǎng)量逐步提高，主要分布于汾河流域西部、中部及南部地區(qū)；15.47%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量明顯增加，面積達(dá)6674.77 km2，尤其以汾河上游水源涵養(yǎng)量增加明顯，包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣東部、交城縣東部和文水縣東部等地區(qū)；同時(shí)也存在12152.74 km2的區(qū)域水源涵養(yǎng)量處于不變狀態(tài)（28.18%），主要分布于汾河流域中部偏東地區(qū)；明顯減少（5140.93 km2）和減少（1406.89 km2）區(qū)域占總流域的15.18%，主要分布于汾河流域東北部，包括陽(yáng)泉市、晉中市、太谷縣、和順縣和昔陽(yáng)縣等地區(qū)。2010—2020 年汾河流域水源涵養(yǎng)量主要以增加和不變?yōu)橹鳎▓D9b），汾河水量增加和水資源合理分配促使流域水源涵養(yǎng)量增加，其中增加區(qū)域占到74.43%，面積達(dá)32101.07 km2，主要分布于上游、中游及下游東部；21.42%區(qū)域的水源涵養(yǎng)量沒有發(fā)生變化，主要分布于汾河流域東北部和西南部，包括陽(yáng)泉市東部、昔陽(yáng)縣、和順縣、晉中市東部和太谷縣東部等地區(qū)；明顯增加區(qū)域面積（283.71 km2）僅占0.66%，明顯減少（954.47 km2）和減少（1.28 km2）區(qū)域占3.49%，說(shuō)明汾河流域總體水源涵養(yǎng)量處于持續(xù)增加狀態(tài)；2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量增加區(qū)域占38.72%（圖9c），其中15.8%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量明顯增加（6826.35 km2），主要分布在上游水源地，包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣、交城縣東部和文水縣東部地區(qū)；41.01%區(qū)域水源涵養(yǎng)量維持收支平衡（17736.25 km2），以汾河流域中游東部和下游南部地區(qū)為主；明顯減少（2950.18 km2）和減少（5797.01 km2）區(qū)域面積占10.24%，主要分布于汾河流域東北部和西南部，說(shuō)明水源涵養(yǎng)量減少區(qū)域面積較大，需要改善當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)條件，提升水源涵養(yǎng)能力。經(jīng)過(guò)20 a汾河流域水源涵養(yǎng)總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但仍有10%區(qū)域水源涵養(yǎng)減少，需要加強(qiáng)水土保持建設(shè)，提高水源涵養(yǎng)能力。

圖9 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量變化情況空間分布Fig.9 Spatial distribution of water conservation change in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

3.3 生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)之間的關(guān)系，利用Pearson 相關(guān)分析法對(duì)RSEI 和水源涵養(yǎng)量進(jìn)行分析，R的絕對(duì)值越接近1，代表相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)性區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示（圖10）：汾河流域RSEI 和水源涵養(yǎng)量二者的正相關(guān)性面積占比78.42%，負(fù)相關(guān)性面積占21.58%，流域整體呈現(xiàn)正相關(guān)性，說(shuō)明流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與水源涵養(yǎng)的關(guān)系是正向的，即生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好能夠提高水源涵養(yǎng)功能，水源涵養(yǎng)量提高也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展；對(duì)相關(guān)性指數(shù)較強(qiáng)的區(qū)域面積進(jìn)行分析可知，正相關(guān)指數(shù)在0.67～0.99之間的區(qū)域面積占比達(dá)30.95%，負(fù)相關(guān)指數(shù)在-0.99～0.4之間的區(qū)域占比為7.93%，進(jìn)一步說(shuō)明整體上生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的相關(guān)性較強(qiáng)，水源涵養(yǎng)量變化會(huì)影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，同樣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化也會(huì)影響流域的水源涵養(yǎng)量；對(duì)相關(guān)性較弱的區(qū)域進(jìn)行分析可知，20.72%的區(qū)域正相關(guān)指數(shù)在0.01～0.35之間，13.65%的區(qū)域負(fù)相關(guān)指數(shù)在-0.39～0之間，部分區(qū)域相關(guān)性較弱，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)之間的關(guān)系存在差異性，即不同區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和自然條件不同，影響生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的主導(dǎo)因素也不同，在二者的關(guān)系上表現(xiàn)出差異性。

圖10 遙感生態(tài)指數(shù)與水源涵養(yǎng)的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of remote sensing ecological index and water conservation

生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)的相關(guān)分析空間圖說(shuō)明，正相關(guān)指數(shù)區(qū)域面積較大，且相關(guān)性較強(qiáng)區(qū)域所占比例較大，可以看出二者之間有一定正向關(guān)系，即水源涵養(yǎng)量多，促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖簧L(zhǎng)和恢復(fù)，進(jìn)一步促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展，同樣生態(tài)環(huán)境良好，植被生長(zhǎng)茂盛，水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)，也能加強(qiáng)區(qū)域的水源涵養(yǎng)。從空間位置分析，汾河流域水源涵養(yǎng)量和RSEI 的正相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布于汾河上游北部和南部、中游東部以及下游北部地區(qū)，包括寧武縣、靜樂縣、交城縣西部、文水縣、汾陽(yáng)市西部、孝義市西部、介休市東部、沁源縣西部和南部、靈石縣東部等地區(qū)，這主要得益于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)政策、植被恢復(fù)和水土保持工程，上游作為水源地，植被茂盛，水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)大，生態(tài)環(huán)境良好；負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在上游西南部、中游東部以及下游南部，包括嵐縣、陽(yáng)泉市、晉中市東部、和順縣、昔陽(yáng)縣、襄汾縣西部、鄉(xiāng)寧縣、河津市、萬(wàn)榮縣、翼城縣東部、沁水縣和絳縣等地區(qū)，主要與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，一方面由于長(zhǎng)期的煤礦開采和重工業(yè)發(fā)展，地表自然環(huán)境景觀和植被生長(zhǎng)遭到嚴(yán)重破壞，水源涵養(yǎng)功能急劇下降，在環(huán)保政策的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)?shù)胤e極改善生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)地表植被景觀，但是植被恢復(fù)速度慢，水源涵養(yǎng)功能具有滯后性。另一方面由于工業(yè)發(fā)展和生活農(nóng)業(yè)用水需求量大，城市發(fā)展迅速，水資源供需矛盾突出，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)量少，所以會(huì)表現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境變好了但是水源涵養(yǎng)功能依然很低。

4 討論

分析汾河流域RSEI時(shí)空分布變化趨勢(shì)，進(jìn)而分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量20 a的發(fā)展態(tài)勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)RSEI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2000年以后汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到大幅提高，以良好和中等為主。這與喬玉良［29］利用EI對(duì)汾河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，說(shuō)明RSEI 模型適用于汾河流域地區(qū)。分析其變化原因，主要包括自然和社會(huì)兩方面，一方面汾河自2000 年開始實(shí)行退耕還林政策，植被逐漸恢復(fù)［30］，另一方面在生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的支持下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)開始注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)，大幅度改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。值得注意的是，在太原市和清徐縣部分地區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差，這與工業(yè)生產(chǎn)有很大關(guān)系，需要重點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和改善。

利用InVEST模型計(jì)算汾河流域水源涵養(yǎng)量，進(jìn)而分析當(dāng)?shù)氐乃春B(yǎng)功能，研究發(fā)現(xiàn)水源涵養(yǎng)量呈增加趨勢(shì)，水源涵養(yǎng)功能得到提高。研究者對(duì)汾河流域水源涵養(yǎng)功能的研究多集中于汾河上游源地［18］，認(rèn)為水源涵養(yǎng)功能得到提高，與本文研究分析的水源涵養(yǎng)能力明顯增加區(qū)域?yàn)榉诤由嫌瘟饔蚪Y(jié)果一致，這源于上游的水土流失治理、汾河水量增加和植被恢復(fù)。需要格外關(guān)注汾河流域東北部和西南部，水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，說(shuō)明這2個(gè)地區(qū)用水量大于產(chǎn)水量，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，需要在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，兼顧地區(qū)水源涵養(yǎng)能力，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡。

利用空間相關(guān)性對(duì)RSEI 和水源涵養(yǎng)量進(jìn)行分析，認(rèn)為整體上水源涵養(yǎng)功能與生態(tài)環(huán)境存在正向相關(guān)關(guān)系，二者協(xié)同發(fā)展，即水源涵養(yǎng)能力提高，植被恢復(fù)速度加快，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，同時(shí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高也能提高當(dāng)?shù)氐乃春B(yǎng)能力。但是有21.58%的區(qū)域顯示二者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，一方面是因?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境受多方面因素的影響，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大，煤礦業(yè)發(fā)展帶來(lái)環(huán)境問題，地表自然環(huán)境景觀嚴(yán)重破壞，植被生長(zhǎng)受阻，水源涵養(yǎng)功能降低，在恢復(fù)植被的過(guò)程中，水源涵養(yǎng)功能具有一定的滯后性，會(huì)出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境變好了但是水源涵養(yǎng)功能依然很低的情況；另一方面是因?yàn)樗春B(yǎng)也受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重影響，水資源供需矛盾突出，產(chǎn)水的速度跟不上用水的速度，會(huì)導(dǎo)致整體的水源涵養(yǎng)量較低，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，用水量過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致二者存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然環(huán)境差異，影響水源涵養(yǎng)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因素不同導(dǎo)致二者出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。在分析兩者之間關(guān)系的方法上，本文僅參考空間Pearson 方法進(jìn)行了分析，沒有對(duì)比其他相關(guān)分析方法，還需多方面量化二者之間的相關(guān)關(guān)系，準(zhǔn)確判斷二者的關(guān)系，后續(xù)研究需要引入其他分析方法。

文中分析的是汾河流域20 a的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)的時(shí)空變化，由于數(shù)據(jù)量大且處理繁瑣，故基于系統(tǒng)性和整體性以及科學(xué)性考慮，選擇2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果相對(duì)于連續(xù)20 a數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)說(shuō)精度欠缺，故后期可利用連續(xù)時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性研究。此外，研究二者之間的相關(guān)性，僅采用空間Pearson 方法進(jìn)行了分析，沒有對(duì)其進(jìn)一步分析探討，后期研究中需要采用多方法進(jìn)行量化二者之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

本研究基于RSEI 模型分析了汾河流域20 a 來(lái)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與水源涵養(yǎng)量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)Pearson 空間相關(guān)性量化二者之間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)論如下：

（1）汾河流域20 a 來(lái)生態(tài)環(huán)境持續(xù)變好，良好和優(yōu)面積逐年增加，差和較差面積逐年下降，中等級(jí)呈現(xiàn)波動(dòng)上升后下降趨勢(shì)。同時(shí)，汾河上游西部和下游南部生態(tài)環(huán)境較差，仍需繼續(xù)加強(qiáng)治理和修復(fù)。

（2）汾河流域20 a 來(lái)水源涵養(yǎng)功能持續(xù)提高，2020年水源涵養(yǎng)總量228.9×108mm，相較于2000年增加了23×108mm。汾河上游水源地的水源涵養(yǎng)量明顯增加，中下游中部地區(qū)較低。

（3）汾河流域生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)正相關(guān)性比例最大，水源涵養(yǎng)能力提高能夠促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，同時(shí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高也能提高當(dāng)?shù)氐乃春B(yǎng)能力。存在21.58%的區(qū)域二者關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這主要與二者的主導(dǎo)因素有關(guān)。