基于凈初級生產力的丘陵山地生態系統水源涵養功能評價—以重慶市為例

葉勤玉 , 何澤能 , 楊世琦* , 王 舒 , 張德軍

（1.中國氣象局氣候資源經濟轉化重點開放實驗室，重慶市氣象科學研究所，重慶 401147；2.國家氣象信息中心，北京 100081）

引言

水源涵養是指生態系統通過植被層、土壤層、枯枝落葉層特有的結構對降水進行再分配[1]，從而實現徑流調節、滯洪補枯、凈化水質等功能[2]。水源涵養生態功能動態監測與評估，能夠在區域水資源管理與配置、生態系統保護和修復等方面提供科學指導，是生態環境研究的熱點問題[3-4]。

傳統針對水源涵養功能評估的方法主要有綜合蓄水能力法、水量平衡法、模型法、林冠截留量法等。綜合蓄水能力法是從蓄水能力角度研究植被冠層、枯落物層與土壤層的蓄水能力[5]。水量平衡法從水量平衡的角度考慮生態系統水分的流入和流出，進而估算生態系統水源涵養量[6-7]。模型法是使用模型計算流域的產水量、對降水的截留量或者水源涵養量，常用的有In-VEST 模型和SWAT 模型等[8-9]。林冠截留量法是通過計算林木冠層對降水的截留量來評估水源涵養能力高低[10]。上述評估方法的短板在于：綜合蓄水能力法需要生態水文站點觀測數據作為支撐；水量平衡法未考慮地表水與地下水的相互作用，而林冠截留量法未考慮蒸散、徑流以及土壤層的作用，兩種方法均需要地表徑流系數和林冠截留率來參與計算，這些系數基本來源于已發表文獻，難以根據研究區域自然地理狀況進行調整；模型法所需參數較多，基礎數據更新較為困難[11]?？梢?，監測評估和持續跟蹤大區域尺度、地形復雜地區水源涵養功能變化，迫切需要引入精準高效的監測手段作為重要技術支撐。

近年來，衛星遙感技術飛速發展，它能快速、大面積、重復獲取生態環境信息，其監測數據具有客觀性、宏觀性[12]，能有效解決數據更新慢、監測不及時等問題，有助于動態監測和精準定位區域水源涵養功能變化。目前，已有多項研究[13-14]使用與生態系統服務相關的植被指數在大尺度上對生態系統質量和服務進行間接評估，如葉面積指數、植被凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）等。NPP 是表征陸面生態過程的一個關鍵參數，與多種生態系統服務功能的生產和流動有著密切關系，被廣泛應用于生態系統服務功能的監測和評估[15-18]?！渡鷳B保護紅線劃定指南》也將NPP 評估法作為劃分水源涵養生態保護紅線的推薦方法之一[19]。本文以重慶市為例，基于NPP 改進水源涵養生態功能定量指標評估模型，提出了一個高效評估丘陵山地水源涵養功能的新方法，并利用該方法分析了生態系統水源涵養功能空間分布特征以及不同下墊面上水源涵養能力變化規律，旨在為合理開發利用自然資源和保護生態系統健康提供科學依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

重慶市位于長江上游地區，幅員面積達8.24×104km2。境內以丘陵、山地為主，其中山地占76%，多呈現“一山一槽二嶺”的形態，是典型的丘陵山地地貌（圖1a）。重慶多年平均降水量為914～1844 mm，多年平均氣溫介于16～18 ℃，境內河流眾多，長江橫貫全境，與嘉陵江、烏江等河流交匯，水資源十分豐富[20]。重慶地形地貌較為復雜，境內植被類型主要有針葉林、闊葉林、草地等（圖1b），處于秦巴生態系統、四川盆地生態系統、云貴高原的生態交錯帶[21]。重慶市是我國典型的山水城市，森林茂密，物種多樣，復雜的自然條件和特殊的地理位置決定了重慶特殊的生態地理地位。境內江津、綦江屬于大婁山區水源涵養與生物多樣性保護重要區；城口、巫溪屬于秦嶺-大巴山生物多樣性保護和水源涵養重要區；黔江、酉陽、秀山、彭水、石柱屬于武陵山區生物多樣性保護與水源涵養重要區?？傊?，豐富的水資源和充足的降水使重慶成為長江上游重要的水源涵養地。

圖1 重慶市地形（a）和土地利用（b）分布

1.2 數據介紹

MODIS（ Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer）是搭載在Terra 和Aqua 衛星上的重要傳感器。研究選取了MODIS 植被指數產品[22]、土地覆蓋產品[23]以及1:1000000 土壤屬性數據庫[24-25]、CLDASV2.0（CMA Land Data Assimilation System）降水產品[26]參與模型分析和構建，具體情況見表1。研究中將多源衛星遙感數據進行了重投影和歸一化處理，空間分辨率統一重采樣為250 m。采用最大化合成法對Terra和Aqua 植被指數產品進行了月合成，并對月數據進行年平均值計算。對CLDAS 小時降水數據進行了年累計合成，得到年累計降水數據。利用高分衛星數據提取的水體，對IGBP 地表分類中水體分類進行了校正，再將其用于不同土地覆蓋類型上的水源涵養生態功能分析。

表1 數據來源及說明

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度估算模型

植被覆蓋度（Fraction Vegetation Coverage, FVC）是衡量陸表植被狀況的一個關鍵參數，研究中采用像元二分模型估算植被覆蓋度[27]，計算公式如下：

式中：NDVIsoil為純裸土像元的NDVI值，NDVIveg為純植被像元的NDVI值；使用研究區域內累積頻率為1%的NDVI值為NDVIsoil，累積頻率為99%的NDVI值為NDVIveg。為了消除由于云霧影響所帶來的數據缺失，獲取更多的有效監測數據，采用最大化合成法對Aqua 和Terra 兩顆衛星數據進行了合成。

2.2 NPP 估算模型

NPP 是指綠色植物通過光合作用，在單位時間和單位面積內，扣除自養呼吸消耗后所累積的有機物數量，是表征陸面生態系統質量的一個關鍵參數。利用MODIS 植被指數、地面氣象資料、土地覆蓋類型數據，采用光能利用率CASA 模型估算植被凈初級生產力[28]，具體公式如下：

式中：t表示時間，x表示像元的空間位置，APAR(x,t)為光合作用有效輻射， ε(x,t)為實際光能利用率。光合作用有效輻射計算公式如下：

式中：SOL(x,t) 為太陽總輻射量（單位：MJ·m-2），FPAR(x,t)為植被光合有效輻射吸收比例。FPAR可由NDVI計算得到，具體公式如下:

式（7）中： α為調整系數，取值0.5。

光能利用率主要受溫度和水分的影響，可由下式計算：

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)反映溫度對光能轉化率的影響，Wε(x,t) 為水分脅迫影響系數， εmax為理性狀態下的最大光能轉化率。Tε1(x,t)、Tε2(x,t)和Wε(x,t)計算公式如下：

式中：Topt(x)為NDVI到達最高值時對應月份的平均氣溫，E(x,t) 為區域實際蒸散量，Ep(x,t)為區域潛在蒸散量。

2.3 基于NPP 的水源涵養功能評估模型

根據《生態保護紅線劃定指南》[19]中水源涵養NPP定量指標評估方法，對區域水源涵養生態功能進行評估，計算公式如下：

式中：WR表示生態系統水源涵養服務能力，NPPmean為植被凈初級生產力（單位：gC·m-2），Fsic為土壤滲流系數，Fpre為降水（單位：mm），Fslo為坡度（單位：°）。從公式（12）中可以看到，WR與NPP、降水、滲流因子呈正相關，與坡度呈負相關。

3 基于NPP 的水源涵養評估模型改進

已有研究[29-33]表明：生態系統水源涵養功能受植被、降水、地形等多種因素的影響，尤其是森林覆蓋率對子流域水源涵養能力影響最為顯著；植被覆蓋度、降水量、地形指數、土壤厚度和可利用含水量均對水源涵養功能有正向驅動作用，其中植被可通過林冠層和枯枝落葉層攔截降水，將更多的地表徑流轉為地下徑流，起到涵養水源的作用。本文為提高評估準確性，根據重慶實際地形、植被分布等生態狀況，在分析植被覆蓋度分布與坡度關系的基礎上，對公式（12）進行改進。

圖2 給出了重慶市2019 年植被覆蓋度空間分布。如圖所示，植被覆蓋度較高區域主要分布在渝東北（城口、巫溪、奉節、開州等區縣）、渝東南（秀山、酉陽、黔江、彭水等區縣）以及渝西南（南川、綦江等區縣），這些地區分布著大巴山、巫山、七曜山、方斗山、仙女山、四面山等山脈，大量森林使得植被覆蓋度較高；植被覆蓋度相對較低區域主要集中在渝西（潼南、大足、永川、榮昌等區縣）；植被覆蓋度最低區域以重慶主城區、各區縣城鎮以及河流等水域為主，其中長江、嘉陵江、烏江等水體的植被覆蓋度為0，而重慶主城區、各區縣城鎮的城市化發展導致了植被覆蓋度偏低?？梢?，植被覆蓋度空間分布與森林分布、人類活動和土地利用變化密切相關。

圖2 重慶市2019 年植被覆蓋度空間分布

為了詳細描述不同季節植被覆蓋度隨坡度的變化趨勢，將坡度進行3°分級，圖3 和圖4 分別給出了2019 年重慶地區月平均以及年平均植被覆蓋度隨坡度的變化情況。分析可知，2019 年重慶市月平均植被覆蓋度隨著坡度升高基本上呈現出先增后降的趨勢，但是下降時段的植被覆蓋度仍然高于坡度較緩時段（圖3）。在1—3 月和10—12 月，當坡度小于15°時，植被覆蓋度隨著坡度升高而迅速增加；在15°～60°之間，植被覆蓋度變化較為平緩；當坡度大于60°時，10 月、1 月和2 月植被覆蓋度略有上升，11 月、12 月和3 月植被覆蓋度略有下降。在4—6 月，當坡度小于45°時，植被覆蓋度呈緩慢上升趨勢；當坡度大于60°時，植被覆蓋度下降較為明顯。在7—9 月，當坡度小于35°時，植被覆蓋度增加較為迅速；在35°～45°之間，植被覆蓋度變化較為平緩；當坡度大于45°時，植被覆蓋度略有下降。年平均植被覆蓋度隨坡度的變化趨勢與月平均植被覆蓋度類似，同樣隨著坡度升高基本呈先增后降的趨勢（圖4）。當坡度小于20°時，植被覆蓋度隨著坡度升高迅速增加；在20°～50°之間，植被覆蓋度變化較為平緩；當坡度大于50°時，植被覆蓋度呈緩慢下降趨勢，但數值仍然比坡度小于10°時高。綜合圖3 和圖4 可知，在重慶這種丘陵山地地區，植被覆蓋度和坡度基本呈正相關，植被覆蓋度隨著坡度升高而增大，這與韓繼沖等[34]和朱林富等[35]的研究結論基本一致。

圖3 2019 年重慶市月平均植被覆蓋度隨坡度的變化趨勢

圖4 2019 年不同坡度年平均植被覆蓋度變化趨勢

因此，本文根據重慶山地城市的實際自然地理狀況，對《生態保護紅線劃定指南》中的方法進行改進，將坡度由負相關調整為正相關，定義改進的水源涵養服務能力指數（Water Retention Index，WRI）如下：

式中：WRI為改進的水源涵養服務能力指數，NPP由CASA 模型進行估算，Fsic通過土壤質地數據計算得到，Fpre來源于CLDAS-V2.0 再分析資料，Fslo通過DEM數據計算得到。

按照《生態保護紅線劃定指南》中的方法對土壤屬性數據進行了處理，土壤滲流因子與土壤質地密切相關，土壤滲流因子從小到大排序為：重黏土＜粉質黏土＜輕黏土＜粉質黏壤土＜黏壤土＜粉砂土＜粉質壤土＜砂質黏土＜壤土＜砂質黏壤土＜砂質壤土＜壤質砂土＜砂土。

4 生態系統水源涵養服務功能評估結果

4.1 NPP 與降水空間分布

根據公式（13），由NPP、降水、滲流、坡度共4 個因子計算得出WRI，評估生態系統水源涵養能力的高低，其中NPP 和降水是關鍵因子。如圖5a 所示，2019 年重慶市年平均NPP 為934 gC·m-2，渝東北的開州、巫溪、渝東南的石柱、武隆等區縣NPP 較高，主城區、江津、長壽、涪陵等區縣NPP 較低。如圖5b所示，重慶市2019 年降水量為500～1400 mm，北碚、渝北、長壽、涪陵、武隆、開州、萬州等區縣降水量較高，巫山、云陽、江津等區縣降水量較低。如圖5c 所示，重慶市森林生態系統平均NPP 較高，在1000 gC·m-2以上，草地生態系統平均NPP 次之，城鎮和裸地平均NPP 最低?？梢?，重慶市NPP 的空間分布與植被覆蓋度（圖2）較為一致，與森林分布、人類活動和土地利用變化密切相關。

圖5 2019 年重慶市（a）NPP、（b）降水空間分布以及（c）不同土地覆蓋類型對應的平均NPP

4.2 水源涵養生態功能空間分布

對比2019 年重慶市WR（圖6a）和WRI（圖6b）空間分布發現，二者差異顯著。如圖6a 所示，重慶西部水源涵養能力較強，東北部水源涵養能力較差；WR與降水（圖5b）的空間分布較為一致，降水量較高的渝西、開州、梁平等區域的水源涵養能力較高，降水量較低的巫山、奉節、巫溪等區域的水源涵養能力較低?？梢?，當年降水量對水源涵養能力空間分布格局具有決定性影響。由重慶市土地利用分布（圖1b）可知：重慶東北部以森林生態系統為主，人類活動較弱；西部以作物和自然植被的鑲嵌體為主，人類活動較強。圖5c 也說明森林生態系統平均NPP 更高。綜上可知，WR反映的信息明顯與研究區域實際情況不符。

圖6 2019 年重慶市WR（a）和WRI（b）空間分布

如圖6b 所示，WRI 客觀耦合了植被和降雨的信息，其整體評估結果更為連續合理；人類活動較強的西部地區，水源涵養能力較弱；森林和自然植被較多的巫溪、城口、奉節等區域，水源涵養能力較強；對忠縣、豐都、酉陽等區縣的評估結果也更加連續，并沒有因為降水的影響形成突變?？梢?，單個降水因子只在WRI 模型中起到了部分作用，使得模型更為合理穩定，適用于評估人類活動和氣象條件對生態系統水源涵養能力的綜合影響?？偟膩碚f，WRI 空間分布與實際狀況和已有研究更為相符[36-37]，用于評估丘陵山地水源涵養服務能力是可行且可靠的，與高分辨率衛星遙感數據相結合，更能及時監測和精準定位由于人類活動造成的局部地區水源涵養能力變化，對于及時發現生態環境問題、科學監管生態保護紅線區以及合理制定保護政策具有重要的科學意義和應用價值。

如 圖7 所 示，2019 年 重 慶 市 年 平 均WRI 為0.04，水源涵養能力較高的區域沿山脊呈帶狀分布。WRI較高值區域主要分布在東北（城口、巫溪、開州等區縣）、東南（酉陽、武隆等區縣）以及西南部（南川、萬盛等區縣），這些區域有大量的森林覆蓋，可以減少水分蒸發，具有良好的截留降水能力，使得水源涵養能力較強。重慶西部以及墊江、長壽、忠縣的部分區域，地貌以平壩丘陵為主，存在大量耕地，人類活動影響劇烈，自然植被保持較少，水源涵養能力較低。巫山、奉節等區縣雖然有大量的森林等自然植被覆蓋，但由于2019 年這兩個區縣局部降水較少，因此部分區域水源涵養能力較低。渝西雖然整體水源涵養能力較低，但是區域內巴岳山、英山、云霧山、箕山、黃瓜山、縉云山、中梁山、華鎣山等山脊水源涵養能力較高。重慶主城區以建設用地為主，水源涵養服務能力最低。

圖7 2019 年重慶市不同區縣平均WRI

4.3 水源涵養生態功能重要性分布

分位數算法是統計學中用于分級的常見方法，對總體X和給定的 α（0 ＜α ＜1） ，若存在xα，使P{x≥xα}，則xα為X分布上的上側 α分位數。本節采用分位數法，將水源服務能力指數按從低到高的順序排列，參考《生態保護紅線劃定指南》[19]中分級方式，將系統服務功能重要性分為一般重要、重要、極重要共3 級。

圖8 給出了重慶市水源涵養生態功能重要性分布。如圖所示，極重要等級分布在城口、開州、石柱、武隆、酉陽、秀山、南川等地，面積約2.69×104km2，占全市面積的32.6%，其中大巴山、巫山、雪寶山、七曜山、方斗山、金佛山等區域分布有連續不斷的大量森林，水源涵養服務能力指數很高，水源涵養服務能力極重要；此外，極重要等級在渝西呈帶狀分布，主要集中在云霧山、縉云山、中梁山、巴岳山等山脈附近；在墊江、梁平的明月山、精華山也分布有極重要等級。重要等級穿插分布在極重要等級之間，面積約2.76×104km2，占全市面積的33.5%，這些區域有一定的森林分布，自然植被狀況較好，但同時有一定的人類活動影響，主要分布在奉節、云陽、忠縣、綦江等區縣。一般重要等級穿插分布在重要等級之間，面積約2.79×104km2，占全市面積的33.9%，這些區域以耕地為主，人類活動影響劇烈，自然植被保持的較少，主要集中分布在潼南、榮昌、永川、大足、銅梁、合川、江津等區縣。

圖8 重慶市水源涵養服務功能重要性空間分布

根據MODIS 土地覆蓋數據，分析不同土地覆蓋類型上水源涵養重要性功能分布特征（圖9），結果表明：極重要、重要等級主要分布在森林和草地上，其次是作物；城市和建成區分布有少量的重要、極重要等級，其原因可能是使用的土地利用類型數據未及時更新，城市的快速發展已經使一部分自然植被覆蓋地表轉化為建設用地，也可能是城市里園林的存在有助于涵養水源；森林區域的極重要等級面積約占整個極重要等級面積的33.8%，草地占54.8%，說明森林和草地對于生態系統水源涵養功能非常重要，保護自然植被有利于生態系統涵養水源。

圖9 不同土地覆蓋類型對應的水源涵養服務功能重要性

5 結論與討論

本文以重慶市為例，基于NPP 改進了水源涵養生態功能定量指標評估模型，提出了一個高效評估丘陵山地水源涵養功能的新方法，并用其分析了生態系統水源涵養功能空間分布特征以及不同下墊面上水源涵養能力變化規律，得到如下主要結論：

（1）2019 年，重慶市年平均NPP 為934 gC·m-2，年降水量為500～1400 mm，WRI 為0.04。重慶市水源涵養生態功能整體呈“東北與東南部高、西部低”的空間分布格局，水源涵養能力較高的區域沿山脊呈帶狀分布。

（2）水源涵養功能極重要等級分布在城口、開州、石柱、武隆、酉陽、秀山、南川的部分區域，這些區域森林資源豐富，水源涵養服務能力極重要。極重要等級在渝西呈帶狀分布，主要集中在山脈附近。在墊江、梁平的明月山、精華山也分布有極重要等級。重要等級穿插分布在極重要等級之間，主要分布在奉節、云陽、忠縣、綦江等區縣。一般重要等級穿插分布在重要等級之間，主要集中分布在潼南、榮昌、永川、大足、銅梁、合川、江津等區縣。森林區域的極重要等級面積約占整個極重要等級面積的33.8%，草地占54.8%，自然植被是生態系統涵養水源的主體，應給與重視、保護和發展。

本研究為利用NPP 對丘陵山地區域水源涵養功能評估提供了一個可行可靠的方法，能為水源涵養定量化、空間化、精細化監測提供技術支撐。該方法耦合了植被和降水的信息，適合于評估人類活動和氣象條件對生態系統水源涵養能力的綜合影響。結合高分辨率衛星數據，更能精準反映由于人類活動造成局部地區水源涵養能力變化，這對于區域生態保護紅線監管具有重要作用。后續將對生態系統水源涵養能力變化的驅動機制進行深入研究，同時嘗試提升NPP、降水時空分辨率，獲取更加精細的水源涵養功能時空分布特征以及變化規律，為生態環境保護提供科學的評估結果。