摘要 運用InVEST模型并結(jié)合實地調(diào)研結(jié)果，對云南10個典型低丘緩坡建設(shè)項目區(qū)開發(fā)前后生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能進行定量測算，比較分析不同類型項目區(qū)水源涵養(yǎng)功能的差異。結(jié)果表明，開發(fā)后項目區(qū)平均產(chǎn)水量和平均產(chǎn)水深度均低于開發(fā)前，城市建設(shè)區(qū)的產(chǎn)水總量高于工業(yè)區(qū)，下降程度也高于工業(yè)區(qū);大部分項目區(qū)水源涵養(yǎng)總量均低于開發(fā)前，僅光華項目區(qū)水源涵養(yǎng)總量高于開發(fā)前，城市建設(shè)區(qū)的水源涵養(yǎng)總量高于工業(yè)區(qū)，工業(yè)區(qū)水源涵養(yǎng)量下降程度高于城市建設(shè)區(qū);導(dǎo)致項目區(qū)開發(fā)前后水源涵養(yǎng)量變化的原因有土地利用結(jié)構(gòu)、植被、地形、徑流、降水、土壤等自然和人為因素，其中受土地利用類型影響較大;低丘緩坡開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到干擾和破壞，但不同的開發(fā)模式和功能定位對其影響存在差異。因此在低丘緩坡開發(fā)過程中，應(yīng)采取工程、監(jiān)管、法律和經(jīng)濟等綜合措施，實現(xiàn)低丘緩坡開發(fā)建設(shè)與生態(tài)保護的協(xié)調(diào)。

　　關(guān)鍵詞 低丘緩坡;建設(shè)開發(fā);水源涵養(yǎng);InVEST模型

　　生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能主要體現(xiàn)在改善水文狀況、調(diào)節(jié)區(qū)域水分循環(huán)等方面[1]。生態(tài)系統(tǒng)中的植被如森林、灌叢、草地對水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮著巨大的作用，其通過林冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤層蓄水來調(diào)節(jié)地表徑流和補充地下水，在防治旱澇災(zāi)害、凈化水質(zhì)等方面具有至關(guān)重要的作用[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST)從水文角度以中小尺度流域單元為對象，反映不同氣候狀況、土地利用、地形起伏、土壤性質(zhì)下的產(chǎn)水量大小，功能模型以地圖形式表達(dá)了流域的產(chǎn)水能力，間接地對區(qū)域的自然價值賦予了適當(dāng)?shù)暮饬繕?biāo)準(zhǔn)，而數(shù)據(jù)與參數(shù)的適宜性成為模型結(jié)果是否可信的關(guān)鍵[3]。近年來國內(nèi)學(xué)者將InVEST模型廣泛運用于北京山區(qū)、陜北黃土高原、秦嶺地區(qū)、橫斷山區(qū)、若爾蓋高原等山地[4-8]，均取得較好的應(yīng)用效果。國外學(xué)者將InVEST模型廣泛應(yīng)用于美國、英國等國家和地區(qū)的產(chǎn)水量計算中[9-11]。

　　目前，國內(nèi)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究報道較多，但對整個云南低丘緩坡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究較少且時序較早。陳武強等[12]研究昆明西華濕地公園水分調(diào)節(jié)量和價值，趙元藩等[13]估算玉溪市森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量和調(diào)節(jié)水量價值，楊芳等[14]評估玉龍縣天保工程森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力，都是從宏觀上估算了區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力以及為保護環(huán)境創(chuàng)造的價值。云南省山地面積占全省土地面積的90%以上，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境多樣。山地環(huán)境具有空間異質(zhì)性和垂直分異性，海拔、地形起伏和土地覆被在一定的空間尺度上鑲嵌復(fù)合。水循環(huán)受土地利用、氣候、地形、土壤、植被等自然和人為因素的復(fù)雜影響，如何量化這種水源涵養(yǎng)能力，仍是一個懸而未決的問題[15]。鑒于上述原因，筆者針對氣候、地形、土壤、土地利用對山地水循環(huán)的影響，采用InVEST產(chǎn)水量模型與地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率、流速系數(shù)結(jié)合的方法，估算研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力，旨在揭示低丘緩坡綜合開發(fā)前后水源涵養(yǎng)功能的時空變化與影響因素，為低丘緩坡合理開發(fā)和水資源保護提供科學(xué)依據(jù)。

　　1 資料與方法

　　1.1 研究區(qū)概況 該研究在選取研究區(qū)時，主要考慮的是功能定位、地理位置、氣候類型和開發(fā)情況4個因素，具體理由如下：①功能定位，依據(jù)功能定位，項目區(qū)大致可分為2種類型，一類是以加工、能源、倉儲物流、高新技術(shù)為主的工業(yè)區(qū)，且具有特色產(chǎn)業(yè);另一類是集旅游、康養(yǎng)、居住等功能的城市建設(shè)區(qū)。②地理位置，該研究根據(jù)地理區(qū)位劃分，從滇中選擇6個，滇西選擇2個，滇南選擇2個項目區(qū)。③氣候類型，云南省大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，滇南部分地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候。為了避免氣候類型對結(jié)果產(chǎn)生較大影響，該研究所選項目區(qū)8個屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，景洪的光華和景大項目區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候。④開發(fā)情況，對項目區(qū)進行實地調(diào)研，選擇開發(fā)程度較高的項目區(qū)進行研究。

　　研究區(qū)位于云南省昆明市、曲靖市、玉溪市、大理白族自治州和西雙版納傣族自治州(表1和圖1)。研究區(qū)面積在550.98～2 158.40 hm 研究區(qū)內(nèi)土壤類型多樣，有水稻土、暗黃棕壤、黃棕壤、紅壤、山原紅壤、赤紅壤、磚紅壤、褐紅土。植被類型豐富，主要為闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉灌叢、灌草叢和山地草甸。

　　1.2 InVEST產(chǎn)水量模型

　　InVEST模型基于水量平衡原理，通過研究區(qū)的降水、地表蒸發(fā)、植物蒸騰、土壤深度、根系深度、地形等數(shù)據(jù)計算每個柵格的產(chǎn)水量。充分考慮不同土地利用類型下土壤滲透的空間差異和地形等因素對徑流的影響，定量估算不同土地利用類型的產(chǎn)水量，結(jié)果更為科學(xué)。同時，對北京山區(qū)、黃土高原和橫斷山區(qū)等山區(qū)產(chǎn)水或水源涵養(yǎng)評估，也體現(xiàn)了該模型具備參數(shù)調(diào)整靈活、空間表達(dá)性強等優(yōu)點。

　　Yjx=1-AETxjPx×Px(1)

　　式中，Yjx為第j類土地利用/覆被上柵格單元x的年產(chǎn)水量(mm);Px為柵格單元x的年平均降水量(mm);AETxj為第j類土地利用/覆被類型上柵格單元x的實際年平均蒸散量(mm)，通過公式(2)計算。

　　AETxjPx=1+ωxRxj1+ωxRxj+1/Rxj(2)

　　式中，Rxj為土地利用類型j上柵格單元x的干燥指數(shù)，無量綱，表示潛在蒸發(fā)量與降水量的比值，由公式(3)計算;

　　k為蒸散系數(shù)，由植被葉面積指數(shù)LAI計算獲得，見公式(4);ET0為潛在蒸散量(mm/d)，計算公式如式(5)。

　　ωx為修正植被年可利用水量與降水量的比值，無量綱，由公式(6)計算。

　　Rxj=k×ET0Px(3)

　　k=min( LAI3)(4)

　　ET0=0.001 3×0.408×RA×(Tavg+17)×(TD-0.012 3P)0.76(5)

　　ωx=ZAWCxPx(6)

　　式中，RA為太陽大氣頂層輻射[MJ/(m2·d)];Tavg是日最高溫均值和日最低溫均值的平均值(℃);TD是日最高溫均值和日最低溫均值的差值(℃)。太陽大氣頂層輻射用氣象站太陽平均總輻射除以50%計算獲得[16]。Z為zhang系數(shù);AWCx為植被有效可利用水，由土壤深度和理化性質(zhì)決定，計算公式如下：

　　AWCx=min(maxSDx，RDx)×PAWCx(7)

　　PAWCx=54.509-0.132Sand-0.003(Sand)2-0.055Silt-0.006(Silt)2-0.738Clay+0.007(Clay)2-2.688OM+0.501(OM)2(8)

　　式中，maxSDx為最大土壤深度;RDx為根系深度;PAWCx為植被可利用水含量;Sand為土壤砂粒含量(%);Silt為土壤粉粒含量(%);Clay為土壤黏粒含量(%);OM為土壤有機質(zhì)含量(%)。

　　1.3 水源涵養(yǎng)模型 該研究選取研究區(qū)均為山地，必須考慮地形對水源涵養(yǎng)功能的影響，因此在產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上，再利用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)對產(chǎn)水量進行修正，得到研究區(qū)的水源涵養(yǎng)量。

　　WR=min( 249V)×min( 0.9×TI3)×min( Ks300)×Yjx(9)

　　TI=lg(DASD×PS)(10)

　　lnKs=20.62-0.96×ln(C)-0.66×ln(S)-0.46×ln(OC)-8.43×BD(11)

　　式中，WR為水源涵養(yǎng)量(mm);TI為地形指數(shù)，無量綱;Ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)，該研究選用土壤傳遞函數(shù)間接計算得出[17]。V為流速系數(shù)，數(shù)據(jù)無量綱;Yjx為產(chǎn)水量。DA為集水區(qū)柵格數(shù)量，無量綱;SD為土壤深度(mm);PS為百分比坡度。C為土壤黏粒含量(%);S為土壤砂粒含量(%);OC為土壤有機碳含量(%);BD為土壤容重(g/cm3)。

　　1.4 水源涵養(yǎng)功能影響因素 為定量分析影響因素與不同水源涵養(yǎng)功能等級之間的關(guān)系，利用地圖代數(shù)原理，利用公式(12)對研究區(qū)的土地利用類型、坡度與水源涵養(yǎng)功能之間的相關(guān)變化信息進行提取。

　　Cij=Rij×100+Sij(12)

　　式中，Cij為各個影響因素圖層與水源涵養(yǎng)功能圖層進行空間疊加的綜合圖層，Rij為各個影響因素圖層，Sij為水源涵養(yǎng)功能圖層。通過對2個不同的專題圖層進行空間疊加運算，計算結(jié)果既能在空間上反映不同專題圖層的等級變化，同時又能得到不同圖層之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

　　1.5 數(shù)據(jù)來源及處理

　　1.5.1 產(chǎn)水量數(shù)據(jù)。

　　水源涵養(yǎng)功能受到多種因素的影響，其計算過程必然關(guān)系到多種因素的信息提取與集成利用。利用InVEST模型進行產(chǎn)水量評估需要的輸入數(shù)據(jù)包括土地利用/覆被圖、年平均降水量圖、年平均潛在蒸散量圖、土壤根系深度圖、植物可利用水含量(PAWC)、集水區(qū)以及生物物理參數(shù)表。

　　(1)年平均降水量。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https：//data.cma.cn/)的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集，為對應(yīng)研究區(qū)開發(fā)時段，也為了避免單年數(shù)據(jù)的低代表性，該研究選取2000—2020年的降水?dāng)?shù)據(jù)，運用Python 3.8.3提取項目區(qū)周圍格點的月降水量，在ArcGIS中以地形作為協(xié)變量進行空間插值獲得研究區(qū)多年平均降水量柵格圖層。

　　(2)年平均潛在蒸散量。太陽輻射數(shù)據(jù)來源于WorldClim(https：//www.worldclim.org/)，氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https：//data.cma.cn/)的中國地面累年值日值數(shù)據(jù)集(1981—2010年)的累年平均日最高氣溫和日最低氣溫。估算潛在蒸散量的方法有很多，該研究使用InVEST模型推薦的Modified-Hargreaves。在ArcGIS中進行克里金插值、重采樣和裁剪等處理，并運用柵格計算器對太陽輻射、平均日最高氣溫和最低氣溫計算得到多年平均潛在蒸散量柵格圖。

　　(3)土地利用類型。土地利用類型由資源三號衛(wèi)星遙感影像解譯得到。根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求將土地利用類型劃分為7個一級地類、14個二級地類，分別是耕地(水田、旱地)、林地(有林地、灌木林地、其他林地)、園地、草地、水域(水庫坑塘、灘涂)、建設(shè)用地(農(nóng)村居民點用地、城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地)、未利用地(裸地、荒草地)。同時，利用Google Earth 高分辨率影像(2020年)，對土地利用解譯結(jié)果和植被覆蓋情況進行野外選點驗證并訪談當(dāng)?shù)鼐用窈凸ぷ魅藛T，對土地利用數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場復(fù)核。

　　(4)土壤深度。土壤數(shù)據(jù)來源于北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(http：//geodata.pku.edu.cn)的中國土壤數(shù)據(jù)集。對全國土壤數(shù)據(jù)進行空間插值后得到云南省土壤根深圖，再運用項目區(qū)范圍數(shù)據(jù)對云南省土壤根深圖進行裁剪得到研究區(qū)的土壤根深柵格數(shù)據(jù)。

　　(5)植被可利用水含量。結(jié)合中國土壤數(shù)據(jù)集中土壤質(zhì)地的劃分，將砂粒、粉粒、黏粒、有機質(zhì)等質(zhì)量分?jǐn)?shù)導(dǎo)入土壤有效含水量的經(jīng)驗公式中，在ArcGIS中利用字段算計器求出PAWC，由空間分析和轉(zhuǎn)換工具處理，得到植被可利用含水量圖。

　　(6)Z系數(shù)。Z系數(shù)是表征降水季節(jié)性特征的一個常數(shù)，其值在1～30，降水主要集中在冬季時，其值越大，降水主要集中在夏季或季節(jié)分布較均勻時，其值越小;但在降水量相等的地區(qū)，降水事件越頻繁，Z值越大。產(chǎn)水量的大小受到Z系數(shù)影響，在熱帶地區(qū)Z值取4;在季風(fēng)氣候區(qū)Z值取1;在溫帶海洋性氣候區(qū)Z值取9[18];該研究區(qū)均屬于季風(fēng)氣候，故Z值取1。

　　(7)InVEST模型參數(shù)。蒸散系數(shù)和流速系數(shù)數(shù)據(jù)是參考相關(guān)文獻與結(jié)合InVEST用戶指南推薦使用的參考數(shù)據(jù)以及根據(jù)研究區(qū)地表植被覆蓋實際情況確定。LULC_veg表示采用何種實際蒸散量公式的信息，含有植被土地利用/覆被賦值為 其他賦值為0(表2)。

　　1.5.2 水源涵養(yǎng)數(shù)據(jù)來源及處理。

　　(1)地形指數(shù)。通過項目區(qū)資料獲得2012年等高線、高程點、項目區(qū)范圍，通過ArcGIS 10.2創(chuàng)建TIN后轉(zhuǎn)為柵格，得到開發(fā)前的DEM;運用2020年資源三號衛(wèi)星影像立體像對，采用ENVI 5.3提取DEM。通過ArcGIS 10.2的水文分析工具進行填洼、流向、流量等計算步驟，獲得流量柵格，根據(jù)項目區(qū)情況確定閾值，利用Con條件函數(shù)篩選主要徑流，經(jīng)過盆域分析得到流域圖。再采用面轉(zhuǎn)柵格工具得到流域單元集水區(qū)柵格的數(shù)量;通過 ArcGIS中3D分析提取DEM中的百分比坡度，此時會得到坡度為0的柵格，為了不影響后面的計算，將百分比坡度為0的點替換成0.000 0 由于該值遠(yuǎn)小于地形指數(shù)的計算位數(shù)，誤差可忽略不計。最后綜合百分比坡度、流域單元集水區(qū)柵格數(shù)量以及土壤深度可得到流域的地形指數(shù)。