氣候變化背景下秦嶺水源涵養功能時空變異特征

王輝源， 宋進喜,3， 吳 瓊

(1.西北大學城市與環境學院，西安 710127；2.陜西省地表系統與資源環境承載力重點實驗室，西安 710127；3.西北大學秦嶺研究院，西安 710127)

森林具有涵養水源、調節徑流、凈化水質等功能，尤其在水環境惡化、水污染加劇，水需求加重的當下，提升森林水源涵養功能是流域高質量發展的基礎，也是當下生態水文學研究的熱點。20世紀60年代，我國從蘇聯引入水源涵養功能概念，20世紀80年代，眾多學者對不同區域的森林水源涵養功能進行計量與評價，對水源涵養功能定量評估小尺度和大尺度評估方法不同，小尺度方法集中在森林生態系統水源涵養功能某組成要素或者各組成要素定位觀測，一般利用綜合蓄水量法、模糊數學、灰色關聯分析法等分析不同植被類型、不同林分結構水源涵養功能；大尺度研究主要基于利用水量平衡原理構建水文模型，定量分析評估流域或者區域生態系統水源涵養各個分量，然后探究水源涵養功能時空變異規律。

秦嶺因其獨特的地理位置，特殊的生態功能，秦嶺水源涵養功能變化將對流域生態水文及供水安全產生重要影響，但20世紀70年后，由于秦嶺森林植被破壞，水源涵養功能降低，秦嶺北坡河流80%成為間歇河，1960—2011年秦嶺南坡金錢河年均徑流深每年下降5.675 mm，秦嶺野生魚類種類和種群數量減少，水質也進一步惡化。圍繞秦嶺水源涵養功能許多學者做了大量研究，雷瑞德基于水分平衡原理；劉宇等基于土壤室內烘干法，計算秦嶺火地塘林區華山松林、3種土地利用類型的水源涵養功能；康艷利用3S技術評價秦嶺山地植被水源涵養功能格局；范亞寧等、卓靜等、寧亞洲等、曹明等基于InVEST模型分析秦嶺水源涵養格局，計算近年來秦嶺林區水源涵養量的變化。

但是目前針對秦嶺水源涵養功能的研究偏靜態描述，缺少長序列動態演變規律方面的研究，年度水源涵養功能與年度降水量同步波動，且水源涵養功能年際變化較大，如果僅選擇某幾個相同階段年份水源涵養功能進行比較，以此來判斷水源涵養功能動態變化結果具有隨機性，不同時間段水源涵養比較往往結果不同。地理要素時空特征是圍繞水源涵養研究的基礎性工作，氣象因子是影響水源涵養功能的決定性要素，近幾十年來，秦嶺氣候以顯著增暖為特征，在全球氣候變化背景下，秦嶺水源涵養如何演變，水源涵養影響因子定量評價和空間化表征都是當下亟待開展的工作。

InVEST模型產水量模塊因其數據易獲取、結果可信度高、參數調節靈活、可視化表達等優點，在國內，三江源、北京、陜西等地，在國外，英國、以色列、地中海等地都有成功的應用。為了研究結果具有更好的空間展示性和解釋能力，本文選取1981—2015年秦嶺降水數據、參考蒸散發數據、植被數據、土壤數據等，運用InVEST模型產水量模塊、水源涵養模型、Matlab逐像元線性擬合，計算秦嶺水源涵養演變規律，分析水源涵養功能空間變化演變趨勢，探討氣候變化對水源涵養功能的影響，揭示水源涵養功能演變特征，其研究成果對政府管理者和科研工作者具有實踐和理論雙重意義。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

陜西秦嶺即“小秦嶺”，地理位置31.92°—34.53°N，105.48°—111.03°E，秦嶺北坡研究區范圍參考陜西秦嶺保護區范圍，為保證研究區流域完整，秦嶺南坡研究區范圍參考漢江南岸，高程164～3 748 m，面積77 341 km(圖1)。秦嶺北麓氣候為暖溫帶，秦嶺南坡氣候為亞熱帶，秦嶺北坡近45年年均氣溫10.8 ℃，秦嶺南坡近45年年均氣溫13.1 ℃，秦嶺近50年年均降水量505～1 268 mm。秦嶺植被茂密，秦嶺北坡植被以暖溫帶落葉闊葉林為主，秦嶺南坡植被以北亞熱帶落葉闊葉林—常綠闊葉混交林為主，秦嶺土壤類型以棕壤、暗棕壤、黃棕壤為主。

圖1 秦嶺研究范圍及氣象站點分布

1.2 數據來源

(1)氣象數據：1981—2015年降水數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)，參考蒸散發數據首先通過國家氣象數據中心獲取秦嶺42個站點平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫、風速、平均相對濕度、日照時間數據，然后利用FAO推薦的基于彭曼-蒙蒂斯公式軟件EToCalculatorV64計算站點參考蒸散發數據，最后通過地統計分析克呂金插值獲取參考蒸散發數據，空間分辨率1 km。

(2)土地利用數據：1981—2015年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期土地利用遙感監測數據，空間分辨率1 km(http://www.resdc.cn)。

(3)地形數據：DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率90 m，基于ArcGIS水文分析模塊獲取流域、子流域矢量數據、百分比坡度(注：坡度為0時根據TOPMODEL地形指數計算處理)、流域匯水量柵格數據。

(4)土壤數據：土壤類型數據和土壤質地數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，土壤有機質數據集來源于國家青藏高原數據中心(http://data.tpdc.ac.cn)，土壤深度數據在土壤類型數據基礎上根據陜西土壤獲取秦嶺土壤深度數據，植物可利用含水量數據是基于土壤質地數據和土壤有機質數據獲取，土壤飽和導水率數據是基于土壤質地數據，由Neuro Theta軟件計算獲取，空間分辨率1 km(表1)。

表1 不同土地利用類型下作物系數和根系深度模型參數

1.3 研究方法

選取3.8.1版本的InVEST模型產水量，以年為時間尺度，投影統一為Krasovsky_1940_Albers，空間分辨率1 km，數據格式TIFF，以1981—2015年氣象、植被；土壤等數據為基礎，基于水量平衡原理，計算產水量，在此基礎上結合地形指數、流速系數、土壤飽和導水率計算水源涵養量，然后利用Matlab矩陣分析求取1981—2015年逐像元的線性擬合系數。

1.3.1 InVEST模型產水量模塊 Water Yield模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設，每個柵格單元上的降水量減去實際蒸散發量即水源供給量，柵格單元年產水量()計算公式為：

(1)

式中：()為柵格年產水量(mm)；AET()為柵格年實際蒸散發量(mm)；()為柵格年降水量(mm)。

(2)

式中：PET()為柵格年潛在蒸散發量(mm)；()為自然氣候—土壤性質的非物理參數。

()計算公式為：

(3)

式中：AWC()為柵格土壤有效含水量(mm)，由土壤質地和土壤深度決定；為區域降水時間尺度分布，無量綱，如果降水集中在冬季時，值接近于10，如果降水集中在夏季或者季節分配較為均勻，值接近于1。

1.3.2 水源涵養量計算 水源涵養量是基于Water Yield計算結果，結合地形指數、土壤飽和導水率、流速系數等參數，計算土壤含水量。

(4)

式中：Retention為土壤水源涵養量(mm)；Velocity為流速系數，采用模型參數表數據，無量綱；Ksat為土壤飽和導水率(cm/d)；為地形指數，無量綱。

計算公式為：

(5)

式中：為集水區匯水量；Soil為土壤深度(mm)；為百分比坡度(%)。

2 結果與分析

2.1 過去35年秦嶺水源涵養時空變異

由圖2可知，1981—2015年秦嶺北坡及秦嶺南坡水源涵養變化同步波動，且年際變化較大，呈下降趨勢，秦嶺水源涵養年際變化速率-1.44 mm/a，北坡水源涵養年際變化速率-1.90 mm/a，南坡水源涵養年際變化速率-1.38 mm/a，北坡水源涵養減少趨勢更為明顯；1981—2015年秦嶺年平均水源涵養量350.3 mm，秦嶺北坡年平均水源涵養量354.9 mm，秦嶺南坡年平均水源涵養量349.5 mm，總體上秦嶺北坡水源涵養量大于秦嶺南坡；秦嶺北坡和秦嶺南坡年均水源涵養極小值都是1997年，極大值都是1983年。雖然秦嶺及秦嶺南北坡水源涵養呈現出減少趨勢，但并非線性減少，而是“階梯狀“動態變化過程，具體表現為3個階段：(1)1981—1995年為第1階段，年水源涵養量快速下降，尤其是1983—1986年4年間直線下降；(2)1995—2010年為第2階段，年水源涵養量緩慢增加；(3)2010—2015年為第3階段，年水源涵養量緩慢減少。

圖2 1981-2015年秦嶺南北水源涵養量

由圖3可知，1981—2015年秦嶺水源涵養變化具有明顯的空間異質性，中部明顯減少，外圍略有減少，主要特征表現為：(1)過去35年秦嶺水源涵養整體上呈下降趨勢，但秦嶺南北水源涵養下降程度不同，秦嶺北坡所有流域水源涵養明顯下降，秦嶺南坡玉帶河上游、牧馬河上游、褚河上游年均水源涵養量略有增加，年變化速率約為0.02 mm/a，除此以外，秦嶺南坡其他流域水源涵養也呈下降趨勢；(2)秦嶺水源涵養明顯減少流域主要集中在秦嶺南北分界線兩側，秦嶺北坡集中在石頭河流域、黑河流域、灃河流域，秦嶺南坡集中在褒河流域、太白河流域、子午河上游、乾佑河上游等流域，年變化速率約-0.35 mm/a，減少最為明顯位于留壩縣周邊區域，年變化速率約-0.42 mm/a；(3)秦嶺水源涵養略有減少區域集中在漢江干流兩側、丹江干流兩側和伊洛河干流兩側，年均變化速率約-0.06 mm/a。

圖3 1981-2015年秦嶺水源涵養空間變化趨勢

2.2 過去35年氣候要素時空變異

由圖4可知，水源涵養能力高低與降水量大小密切相關，秦嶺1981—2015年降水量的年際變化與水源涵養年際變化完全同步波動，區別僅在于降水量年變化速率-2.21 mm/a，水源涵養年際變化速率-1.44 mm/a，降水量下降幅度大于水源涵養；降水量空間變化趨勢與水源涵養空間變化趨勢空間分布近乎一致，降水量明顯減少區域水源涵養也明顯減少，降水量增加的區域水源涵養也增加，可以說明降水量是影響水源涵養最主要的因素。

圖4 1981-2015年秦嶺時空變化

秦嶺1981—2015年年均參考蒸散發1 041.2 mm，參考蒸散發變化速率1.34 mm/a，秦嶺水源涵養年變化速率-1.44 mm/a，按照線性擬合水源涵養與參考蒸散發呈負相關；按照曲線擬合，1981—2005年參考蒸散發呈增加趨勢，2005—2015年參考蒸散發呈減少趨勢，1981—1995年和2010—2015年水源涵養呈減少趨勢，1995—2010年水源涵養呈增加趨勢，1981—1995年水源涵養與蒸散發呈負相關，1995年以后水源涵養與蒸散發呈正相關，降水量年際變化遠大于參考蒸散發，參考蒸散發與降雨、溫度、風速、輻射等多種氣象因素密切相關，對水源涵養的影響小于降水因子。參考蒸散發空間變化呈現“一帶兩中心”，以佛坪為中心的周邊區域和以丹鳳為中心的周邊區域，參考蒸散發呈減少趨勢，但減少幅度小于降水量減少幅度，所以水源涵養也呈下降趨勢，柞水、鎮安、嵐皋一帶參考蒸散發呈增加趨勢，但降水量減小，所以水源涵養也略微減少。

近60年來全球地表溫度變化速率0.12 ℃/10 a，中國地表溫度變化速率0.23 ℃/10 a，由秦嶺1981—2015年地表溫度時空變化發現，近35年來秦嶺地表溫度變化速率0.44 ℃/10 a，秦嶺增溫速率大于全國增溫速率，氣候趨于暖干化；地表溫度變化速率均值為0.44 ℃/10 a，大于0.44 ℃/10 a為增溫高值區，小于0.44 ℃/10 a為增溫低值區，增溫高值區主要集中在嘉陵江流域，其次褚河流域、伊洛河流域、丹江流域，增溫低值區主要集中在秦嶺中部，秦嶺地表溫度升溫速率周邊區域大于中心區域，秦嶺水源涵養減少速率周邊區域小于中心區域，溫度變化速率與水源涵養變化速率空間上區域一致，地表溫度與水源涵養呈負相關。

2.3 氣候因素驅動下水源涵養影響因素分析

基于MATLAB矩陣分析，1981-2015年逐年秦嶺水源涵養柵格數據與1981—2015年逐年秦嶺降雨因子、參考蒸散發因子、溫度因子柵格數據逐像元線性擬合，求取逐像元非標準回歸系數、擬合度、Sig顯著程度，由表2可知，3類氣候因子顯著度都非常高，說明水源涵養與3類氣候因子有很強的相關性，降水因子擬合度最高，參考蒸散發因子與溫度因子擬合度較低，說明降水因子對水源涵養有較好的反應，降水因子與水源涵養正相關，參考蒸散發因子、溫度因子與水源涵養負相關，每增加1 mm降水水源涵養增加0.65 mm，每增加1 mm參考蒸散發水源涵養減少1.123 mm，地表溫度每增加1 ℃水源涵養減少68.638 mm。

表2 水源涵養與氣象因子影響因素分析

基于ArcGIS空間分析，獲取秦嶺每間隔100 m高程空間范圍，高程分級范圍與氣象因子逐項元擬合度、非標準回歸系數進行疊置分析，可反映氣象因子空間影響歸因。由圖5可知，每間隔100 m高程梯度上，降水因子、參考蒸散發因子和溫度因子與水源涵養擬合度變化較為平緩，波動不大，但降水因子、參考蒸散發因子和溫度因子與水源涵養的非標準化系數變化較為劇烈，大致以2 085 m高程為界，在186～2 085 m降水因子、參考蒸散發因子、溫度因子對水源涵養影響呈增加趨勢，2 085～3 666 m降水因子、參考蒸散發因子、溫度因子對水源涵養影響呈減少趨勢。氣象因子對水源涵養影響空間格局，主要原因是森林的垂直分布變化和降水隨高程非線性變化引起的，秦嶺2 000 m以上為核心保護區，186～2 000 m隨著高程增加，森林生態系統受人為干擾逐漸減少，植被覆蓋度越來越高，耕地和建設用地逐漸減少，林地逐漸增加，落葉闊葉栓皮櫟林和落葉闊葉尖齒櫟林逐漸占主導地位，降水也隨著高程增加而增加，生態系統水源涵養功能逐漸增強，降水因子、參考蒸散發因子、溫度因子對水源涵養影響逐漸增加，2 000～3 666 m隨著高程增加，降水逐漸減少，坡度逐漸增加，落葉尖齒櫟林帶和落葉闊葉樺木林逐漸減少，針葉云杉林、針葉冷杉林逐漸增加，且出現高山草甸和高山積雪，生態系統水源涵養功能逐漸減弱，降雨因子、參考蒸散發因子、溫度因子對水源涵養影響逐漸減少。

圖5 氣象因子影響因素空間擬合度與非標準化系數

3 討 論

秦嶺是我國中部重要的生態屏障，然秦嶺生態環境卻屬于中度脆弱，且人類不合理的經濟開發行為加劇了生態環境脆弱性，保護好、利用好秦嶺生態環境，對區域可持續發展和全國經濟社會發展都具有重要意義。水源涵養是秦嶺主要的生態水文功能，維持沿線河流生產、生活、生態用水，目前針對秦嶺水源涵養功能的研究主要以靜態評估居多，缺少長時間序列水源涵養功能動態定量化研究。

(1)森林生態系統水源涵養方法眾多，基于不同的研究方法結果差異較大，僅是研究結果變化趨勢相同，但各結果之間難以相互印證。InVEST模型因其結構簡單，數據易獲取，被廣泛應用于水源涵養功能計算。但是InVEST模型以年為時間尺度，弱化了降水、參考蒸散發時空分配，水源涵養的計算與季節常數密切相關，并且研究區統一值弱化了秦嶺南北降水季節分配差異，研究結果縮小了南北水源涵養功能差異。加之為保證研究區流域完整及河流南北水源涵養格局分析，秦嶺南坡研究區范圍包括漢江南岸，研究區大于秦嶺保護區范圍，秦嶺南坡緯度越低，降水量越大，水源涵養量較高，這些都進一步縮小了秦嶺南北水源涵養量差距。

(2)目前的InVEST模型把枯枝落葉層歸納到土壤層中，InVEST模型考慮了土壤水對地下水的補給，但忽略了地下水對土壤水的補給，因此基于InVEST模型計算水源涵養量往往比實際值偏大。目前缺少土壤水實測資料，基于遙感的土壤水數據空間分辨率較低，阻礙了模型的驗證。

(3)數據質量引起的不確定性，秦嶺山地高山觀測缺乏，導致山地水源涵養數據估算結果存在很大不確定性。首先基于Penman—Monteith方程，用于估算蒸散量，需要大量數據，包括但不限于太陽輻射、風速、最高溫度、最低溫度等數據，現有的氣象數據難以完全反映全部氣象特征。其次，雖然獲取到秦嶺42個站點氣象數據，氣象站點分布均勻，能夠反映秦嶺氣象概況，但特別是降水、蒸發與海拔高度的關系，并不滿足線性垂直遞減變化，基于現有氣象數據會影響計算結果準確性，后期考慮基于氣象雷達圖數據修正現有氣象柵格數據。

(4)氣象因子是影響水源涵養功能最重要的因子，量化氣候變化和地表覆蓋變化對水源涵養功能的影響一直是森林水文學研究前沿。未來氣候是趨于暖干化還是暖濕化？暖干化或暖濕化疊加植被覆蓋變綠是否導致未來水資源安全面臨越來越大壓力？單獨增加植被覆蓋未必會增加水源涵養功能，植被種類的改變也可能導致水源涵養狀態的改變。

(5)水源涵養功能作為生態系統主要服務功能，一方面與降水量息息相關；另一方面與生態系統組分、結構、格局密切相關。尤其是人類不合理的經濟行為，造成水土流失、植被破壞、濕地減少，導致水源涵養功能降低。水利發展的整體性、完整性及與山水林田湖的格局不匹配也會降低水源涵養功能。

4 結 論

(1)1981—2015年秦嶺年平均水源涵養量350.3 mm，1983年水源涵養量最大，1997年水源涵養量最低；秦嶺水源涵養呈下降趨勢趨勢，年際變化速率為-1.44 mm/a，秦嶺及秦嶺南北坡水源涵養同步波動，呈下降趨勢，且秦嶺北坡下降幅度大于秦嶺南坡。

(2)秦嶺水源涵養時空特征主要表現為時間上水源涵養量呈“非線性，階梯狀”動態變化過程，快速下降階段1981—1995年，緩慢增加階段1995—2010年，緩慢減少階段2010—2015年；空間上水源涵養變化呈現異質性，除秦嶺南坡玉帶河上游、牧馬河上游、褚河上游年均水源涵養量略有增加，其他流域都呈減少趨勢，且秦嶺外圍區域減少幅度小于秦嶺中部。

(3)人類活動加劇引起土地利用變化勢必導致水資源時空重新分配，人類不合理的經濟行為對森林和草地的破壞降低了生態系統水源涵養功能。因研究區域較大，空間分辨率較低，遙感影像對人類活動的影響刻畫不足，基于現在空間分辨率下，降水減少和蒸散發增加是秦嶺水源涵養減少的主要原因。