摘要 運用InVEST模型并結合實地調研結果，對云南10個典型低丘緩坡建設項目區開發前后生態系統水源涵養功能進行定量測算，比較分析不同類型項目區水源涵養功能的差異。結果表明，開發后項目區平均產水量和平均產水深度均低于開發前，城市建設區的產水總量高于工業區，下降程度也高于工業區;大部分項目區水源涵養總量均低于開發前，僅光華項目區水源涵養總量高于開發前，城市建設區的水源涵養總量高于工業區，工業區水源涵養量下降程度高于城市建設區;導致項目區開發前后水源涵養量變化的原因有土地利用結構、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;低丘緩坡開發導致區域生態環境受到干擾和破壞，但不同的開發模式和功能定位對其影響存在差異。因此在低丘緩坡開發過程中，應采取工程、監管、法律和經濟等綜合措施，實現低丘緩坡開發建設與生態保護的協調。

　　關鍵詞 低丘緩坡;建設開發;水源涵養;InVEST模型

　　生態系統的水源涵養功能主要體現在改善水文狀況、調節區域水分循環等方面[1]。生態系統中的植被如森林、灌叢、草地對水源涵養功能發揮著巨大的作用，其通過林冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤層蓄水來調節地表徑流和補充地下水，在防治旱澇災害、凈化水質等方面具有至關重要的作用[2]。生態系統服務和權衡的綜合評估模型(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、土壤性質下的產水量大小，功能模型以地圖形式表達了流域的產水能力，間接地對區域的自然價值賦予了適當的衡量標準，而數據與參數的適宜性成為模型結果是否可信的關鍵[3]。近年來國內學者將InVEST模型廣泛運用于北京山區、陜北黃土高原、秦嶺地區、橫斷山區、若爾蓋高原等山地[4-8]，均取得較好的應用效果。國外學者將InVEST模型廣泛應用于美國、英國等國家和地區的產水量計算中[9-11]。

　　目前，國內關于生態系統服務的研究報道較多，但對整個云南低丘緩坡生態系統服務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節量和價值，趙元藩等[13]估算玉溪市森林生態系統涵養水源量和調節水量價值，楊芳等[14]評估玉龍縣天保工程森林生態系統水源涵養能力，都是從宏觀上估算了區域的水源涵養能力以及為保護環境創造的價值。云南省山地面積占全省土地面積的90%以上，地質環境復雜，生態環境多樣。山地環境具有空間異質性和垂直分異性，海拔、地形起伏和土地覆被在一定的空間尺度上鑲嵌復合。水循環受土地利用、氣候、地形、土壤、植被等自然和人為因素的復雜影響，如何量化這種水源涵養能力，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的影響，采用InVEST產水量模型與地形指數、土壤飽和導水率、流速系數結合的方法，估算研究區水源涵養能力，旨在揭示低丘緩坡綜合開發前后水源涵養功能的時空變化與影響因素，為低丘緩坡合理開發和水資源保護提供科學依據。

　　1 資料與方法

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

　　研究區位于云南省昆明市、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)。研究區面積在550.98～2 158.40 hm 研究區內土壤類型多樣，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產水量模型

　　InVEST模型基于水量平衡原理，通過研究區的降水、地表蒸發、植物蒸騰、土壤深度、根系深度、地形等數據計算每個柵格的產水量。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水量，結果更為科學。同時，對北京山區、黃土高原和橫斷山區等山區產水或水源涵養評估，也體現了該模型具備參數調整靈活、空間表達性強等優點。

　　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，無量綱，表示潛在蒸發量與降水量的比值，由公式(3)計算;

　　k為蒸散系數，由植被葉面積指數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;AWCx為植被有效可利用水，由土壤深度和理化性質決定，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為土壤有機質含量(%)。

　　1.3 水源涵養模型 該研究選取研究區均為山地，必須考慮地形對水源涵養功能的影響，因此在產水量的基礎上，再利用地形指數、土壤飽和導水率和流速系數對產水量進行修正，得到研究區的水源涵養量。

　　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為水源涵養量(mm);TI為地形指數，無量綱;Ks為土壤飽和導水率(cm/d)，該研究選用土壤傳遞函數間接計算得出[17]。V為流速系數，數據無量綱;Yjx為產水量。DA為集水區柵格數量，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 水源涵養功能影響因素 為定量分析影響因素與不同水源涵養功能等級之間的關系，利用地圖代數原理，利用公式(12)對研究區的土地利用類型、坡度與水源涵養功能之間的相關變化信息進行提取。

　　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換關系。

　　1.5 數據來源及處理

　　1.5.1 產水量數據。

　　水源涵養功能受到多種因素的影響，其計算過程必然關系到多種因素的信息提取與集成利用。利用InVEST模型進行產水量評估需要的輸入數據包括土地利用/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)、集水區以及生物物理參數表。

　　(1)年平均降水量。降水數據來源于中國氣象數據網(https：//data.cma.cn/)的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數據集，為對應研究區開發時段，也為了避免單年數據的低代表性，該研究選取2000—2020年的降水數據，運用Python 3.8.3提取項目區周圍格點的月降水量，在ArcGIS中以地形作為協變量進行空間插值獲得研究區多年平均降水量柵格圖層。

　　(2)年平均潛在蒸散量。太陽輻射數據來源于WorldClim(https：//www.worldclim.org/)，氣溫數據來源于中國氣象數據網(https：//data.cma.cn/)的中國地面累年值日值數據集(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星遙感影像解譯得到。根據數據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)、建設用地(農村居民點用地、城鎮用地、其他建設用地)、未利用地(裸地、荒草地)。同時，利用Google Earth 高分辨率影像(2020年)，對土地利用解譯結果和植被覆蓋情況進行野外選點驗證并訪談當地居民和工作人員，對土地利用數據進行現場復核。

　　(4)土壤深度。土壤數據來源于北京大學城市與環境學院地理數據平臺(http：//geodata.pku.edu.cn)的中國土壤數據集。對全國土壤數據進行空間插值后得到云南省土壤根深圖，再運用項目區范圍數據對云南省土壤根深圖進行裁剪得到研究區的土壤根深柵格數據。

　　(5)植被可利用水含量。結合中國土壤數據集中土壤質地的劃分，將砂粒、粉粒、黏粒、有機質等質量分數導入土壤有效含水量的經驗公式中，在ArcGIS中利用字段算計器求出PAWC，由空間分析和轉換工具處理，得到植被可利用含水量圖。

　　(6)Z系數。Z系數是表征降水季節性特征的一個常數，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分布較均勻時，其值越小;但在降水量相等的地區，降水事件越頻繁，Z值越大。產水量的大小受到Z系數影響，在熱帶地區Z值取4;在季風氣候區Z值取1;在溫帶海洋性氣候區Z值取9[18];該研究區均屬于季風氣候，故Z值取1。

　　(7)InVEST模型參數。蒸散系數和流速系數數據是參考相關文獻與結合InVEST用戶指南推薦使用的參考數據以及根據研究區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 水源涵養數據來源及處理。

　　(1)地形指數。通過項目區資料獲得2012年等高線、高程點、項目區范圍，通過ArcGIS 10.2創建TIN后轉為柵格，得到開發前的DEM;運用2020年資源三號衛星影像立體像對，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，根據項目區情況確定閾值，利用Con條件函數篩選主要徑流，經過盆域分析得到流域圖。再采用面轉柵格工具得到流域單元集水區柵格的數量;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 由于該值遠小于地形指數的計算位數，誤差可忽略不計。最后綜合百分比坡度、流域單元集水區柵格數量以及土壤深度可得到流域的地形指數。