廣州市水源涵養生態系統服務功能評價與影響因素研究

陳德權，蘭澤英，張 郁，吳 輝

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510120； 2.廣東工業大學 管理學院，廣東 廣州 510520）

開展生態水文調節、水源涵養等生態系統服務研究對區域的可持續發展具有積極影響，探索區域水源涵養服務時空變化特征與關聯模式有利于海綿城市建設過程中規劃者因地制宜制定方案與協助推進國土空間規劃自然基底評價工作[1-12]。目前對水源涵養功能的研究局限于模型的簡單應用，熱衷于對典型的干旱區或水資源豐富的區域或特定流域的物質量進行模擬分析與驗證，對研究區域城市化發展與人類活動影響、宏觀發展背景和政策背景關注不足，對研究區水源涵養服務影響機制和分析挖掘有待進一步深入。因此，本文以廣州市水源涵養生態系統為研究對象，展開了相關分析[13-19]。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與預處理

研究中基礎數據包括2013—2017 年5 期Landsat8遙感影像數據、2013—2017 年氣象數據、DEM 數據、土壤數據、社會經濟數據、水資源數據，分別來源于美國地質勘查局、國家氣象信息中心、地理空間數據云、中國科學院資源環境數據云平臺、廣東土種志數據集、世界土壤數據庫、廣州市統計年鑒、廣州市水文局。

對廣州市2013—2017 年五期遙感影像進行輻射定標、大氣校正、影像融合合并與裁剪得到15 m 分辨率影像，并借助ENVI 監督分類工具中神經網絡分類法，選取訓練樣本進行監督分類后得到耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地（裸地）等六類土地覆被類型數據（圖1）。年平均降水量來自市氣象局統計數據，將屬性賦予氣象站點坐標，利用ArcGIS 反距離權重空間插值方法生成年柵格空間數據（圖2）。利用python 軟件提取中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)中位于廣州市范圍內氣象站點2013—2017 年年平均氣溫、日最高溫均值和日最低溫均值，最后根據公式計算潛在蒸散量。分別從世界土壤數據庫中國土壤數據集、中國科學院資源環境科學數據中心下載的中國土壤類型數據中提取出廣州市區域的數據，結合廣東省土種志制作生成研究區土壤有機質含量、土壤顆粒組成與容重等信息的土壤空間數據[20]。

圖1 2013-2017年廣州市土地利用分類結果

圖2 2013-2017年廣州市總降水量

1.2 水源涵養量評估模型

水源涵養量評估模型基于InVEST 的產水量模塊計算結果，通過計算修正公式得出水源涵養量結果。本文在參照InVEST3.2 用戶手冊和相關研究的基礎上，利用ArcGIS10.6、ENVI5.3sp1 等空間數據處理軟件對InVEST 軟件運行所需要的數據與參數進行處理計算，保證數據類型和格式的正確性[21]。水源涵養量相關計算公式與方法如下：

式中，R為單位柵格的水源涵養量（mm）；K為土壤飽和導水率（cm/d），由spaw 軟件結合土地類型得出；V為流速系數，不同土地覆被類型有對應系數；TI為地形指數，由DEM 數據處理得到；Y為產水量，通過公式（2）計算。

式中，Yxj為土地利用類型j柵格單元x的產水量；Px為柵格單元x的年平均降水量；AETxj為j地類柵格x的年平均蒸散發量，通過公式（3）計算。

式中，Rxj為j地類柵格x的Bydyko 干燥指數，由公式（4）計算；wx為植被可利用水系數，由公式（5）計算。

式中，k為植被系數；LAI 為植被葉面積指數；Z為季節性降雨指數，參考Donohue等對于季節參數Z的計算公式（6）計算得出，N為年降雨事件數，由綜合統計了研究區廣州站、增城站2010—2017年近8 a來日降水情況得到；AWCx為土壤有效含水量，由公式（7）計算，SoilDepth 為土壤深度， RootDepth 為根系深度； ET0為潛在蒸散發量（單位：mm/d），由Hargreaves計算公式（8）[4-5]：

式中， PAWC 為植物可利用水量，為田間持水量（FMC，field moisture capacity） 和 永 久 萎 蔫 系 數（WC，wilting coefficient）的差值，兩者計算公式參照游松財[22]等相關研究，Ra太陽大氣頂層輻射（單位：MJ·m-2·d-1）；Ta為日最高溫均值和日最低溫均值的平均值（單位：℃）；Tmax為日最高溫均值；Tmin為日最低溫均值的差（單位：℃）。

式中，sand 、silt、clay、om、BD 分別為土壤沙粒含量（%）、土壤粉粒含量（%）、土壤有機質含量（%）、土壤黏粒含量（%）及土壤容重（g/cm3），有機質含量數據來源于廣東土種志數據集[23]。土壤深度數據從HWSD中的中國數據集處理得出。

2 結果分析

2.1 土地利用/覆被變化分析

從表1 可以發現，林地為主要用地類型，占總面積的40%左右，耕地、建設用地比重接近，2017年的面積占比基本持平?？傮w而言，2013—2017年間土地利用/覆被類型數量上變化較大，耕地數量大幅減少，城市建設用地面積增加，范圍不斷擴張，林地、未利用地小幅減少，草地和水域增加；從變化率來看，2013—2017年間耕地和建設用地變化率最大，耕地減少10.29%，建設用地增加10.92%，未利用地和林地有小幅度的減少，變化率分別是-3.69%、-0.62%，草地和水域分別增加1.94%、7.68%。地類轉化方面，減少量較大的耕地主要轉化為建設用地和林地，面積為301.455 km2和248.018 km2；轉出率最大的是未利用地，其次的是草地，草地主要轉換為耕地和林地；轉入情況中，建設用地數量增長最大，數量增長較大的部分來源于耕地，面積有301.455 km2；除此以外還有林地和水域，面積分別為59.316 km2和39.003 km2。

表1 2013—2017年廣州市各土地覆被類型面積與比例及其變化

表2 廣州市2013—2017年土地覆被變化轉移矩陣／%

2.2 水源涵養功能評估

2.2.1 水源涵養量時空變化分析

結合廣州市水文局公布的水資源公報相關數據，基于模型模擬的產水量與公報統計的水資源總量基本相符，精確率為88.42%。

根據分析結果，2013—2017 年水源涵養總量分別為4.063×109m3、3.983×109m3、5.053×109m3、6.270×109m3、4.486×109m3，平均水源涵養量深度分別為549.220 mm、538.320 mm、682.971 mm、847.494 mm、606.280 mm，多年平均水涵養總量為4.771×109m3，多年平均水源涵養量深度為644.860 mm；年均水源涵養量5 a 間增長了10.39%，2013—2017 年總產水量分別 為8.650×109m3、8.426×109m3、9.846×109m3、1.272×1010m3、9.348×109m3；多年平均產水量為9.397×109m3，平均產水深度為1 324.190 mm；產水總量5 a間增長了8.07%，整體保持一定的增長趨勢，結合土地利用變化情況說明區域的水源涵養功能增強。從空間上來看，廣州市2013—2017 年的水源涵養量存在明顯的空間異質性，水源涵養量高的地方分布在東北部林地區域，行政區劃上主要位于在增城區、黃埔區北部、從化區、白云區東部、花都區北部；而水源涵養量較低的區域集中在中心建成區。

2.2.2 水源涵養功能變化分析

研究區域不同的行政區縣在2013—2017 年，平均水源涵養量深度變化差異明顯，單位面積平均水源涵養量深度5 a 間增長了69.688 mm。多年單位平均涵養量最高的區域是從化區、增城區、南沙區，水源涵養量深度分別為789.356 mm、717.881 mm、696.421 mm，其5 a 間水源涵養量變化率分別為9.74%、12.15%、0.34%，最低的是越秀區和荔灣區，涵養量深度分別為302.189 mm和323.971 mm，其水源涵養量變化率分別為10.54%、3.64%，其他行政區中2013—2017 涵養量的變化率最大的是花都區和白云區，分別為29.81%和13.83%。截至2017年平均水源涵養量深度在600 mm以上的只有從化區、南沙區、增城區和黃埔區，2017年廣州市水源涵養總量為4.486×109m3，其中從化區和增城區總體水源涵養量超10億m3以上，水源涵養總量最小的是越秀區，為1.163×107m3，其他行政區水源涵養總量在2×1 07m3～10×108m3之間。

2013—2017 年不同行政區縣的單位產水量和水源涵養量都保持正向增長，各行政區縣的單位水源涵養量的平均增長率大于地產水量，這說明研究區不僅從總量上可以看出整體的水源涵養服務功能有所提升，在較細層面上的不同行政區域中同樣得以體現，在所有水源涵養功能提升的行政區域中，海珠區、番禺區和荔灣區較為突出，可能與海綿城市建設取得積極進展有關。

從不同土地覆被類型上來看，平均水源涵養深度最高的是水域，其次是林地、草地、耕地、未利用地、建設用地。各土地利用類型的水源涵養量變化趨勢大體與總的降水量情況相同，都是先增長后降低。從2013—2017 年變化率上來看，最高的是建設用地，為21.29%，其次是林地、耕地、未利用地和草地，變化率分別為13.39%、10.36%、9.58%、5.54%。

通過結合不同覆被類型下單位平均面積產水量和水源涵養量的變化率可以進一步分析出不同的土地覆被類型的水源涵養功能變化情況。林地總體趨于穩定，草地減弱，建設用地在數量增長的情況下，水源涵養功能同樣未降低，耕地同樣保持良好的水源涵養服務功能。結合土地利用結構趨于穩定的土地利用變化情況，可以得出服務功能整體增強的同時保持了土地利用結構上的穩定，說明研究區在生態文明建設、海綿城市建設背景下城市生態建設正朝著良好的方向發展。

2.3 水源涵養功能變化影響因素探究

為了對水源涵養量變化的影響因素和驅動機制進行更好的分析，探討自然經濟社會影響因素的主導關系。在考慮數據可獲得性的同時，本文從氣候、土地覆被變化、經濟社會因素等方面綜合選取關聯分析指標。分別選取了研究區域的降雨量、蒸散量、平均氣溫、NDVI、GDP 密度、人口密度，林地占比、耕地占比、建設用地占比等指標，構建多元線性回歸模型在區級尺度上進行線性擬合分析，以求對研究區水源涵養服務的變化情況進行更科學合理的解釋。

由表3 中Spearman 相關性分析結果可以看出研究區的水源涵養服務受到氣候變化和社會經濟發展的綜合影響，具體的因子上來看，水源涵養服務的變化與降雨量、蒸散量、GDP、密度、人口密度和NDVI 的變化有顯著性關聯，其中與降雨量和NDVI 呈正相關，與其他因子呈負相關，特別顯著的因子是降雨量（r=0.836，P＜0.01）、NDVI（r=0.745，P＜0.01）。另外，與土地覆被類型的占比變化并未顯示出顯著性的關聯，可能是因為和行政區的土地利用結構總體保持穩定的緣故，從模型的擬合性指標來看，氣候變化類型因子的調整后R2達到0.879，說明氣候變化因子能夠解釋水源涵養量總體變化的87.9%，是研究區域的水源涵養服務變化的主導因素，社會經濟發展因素為次要因素。

表3 水源涵養服務變化影響因素

3 結 論

本文以Landsat8 衛星遙感影像數據、降水氣溫等氣象數據、土壤數據和社會統計數據為基礎，將基于InVEST的水源涵養評估模型應用到海綿城市建設背景下的廣州市，并對水源涵養服務功能影響因素進行了綜合分析。研究結論如下：

1）廣州市在2013—2017 年海綿城市建設背景下，水源涵養量整體波動增長，水源涵養量較高的分布在東北部林地區域，水源涵養量較低的區域分布在老城市建成區。但海珠區、荔灣區等老城區及番禺區的水源涵養功能提升，不同土地利用類型上，林地水源涵養功能表現相對穩定，耕地和建設用地水源涵養功能提升。

2）研究區水源涵養服務功能整體增強，期間土地利用結構保持穩定，建設用地在數量增長的情況下，水源涵養功能同樣未降低，耕地同樣保持良好的水源涵養服務功能，說明研究區在生態文明建設、海綿城市建設背景下城市生態建設正朝著良好的方向發展。

3）廣州市2013—2017年水源涵養功能受到自然因素與社會經濟因素的綜合影響。其中，水源涵養功能服務變化與降雨量、植被覆蓋度等自然因素存在正向關聯，與蒸散量、GDP密度、人口密度等自然社會因素存在負向關聯，其中氣候變化因子是研究區域的水源涵養服務變化的主導因素，社會經濟發展因素為次要因素。

4 展 望

研究區域水源涵養服務功能受到土地利用變化的一定影響，未來需要進一步加強對城市生態環境規劃研究，落實科學合理的空間規劃以繼續保持土地利用結構的穩定，以減輕負向影響。當前廣州市海綿城市建設正蹄疾步穩前行，但生態恢復與保護措施特別是針對水源涵養服務提升方面還需要進一步落實。后期研究可以利用水文站點數據，對模擬結果進行更為精細化的模型校驗。