肖泱 徐偉紅

摘 要：以遙感和地面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量評(píng)估濰坊市的水源涵養(yǎng)功能。結(jié)果顯示：2015—2020年，濰坊市水源涵養(yǎng)量分布呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性，水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要集中在西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域和北部的濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域；2015—2020年，濰坊市水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，在2015—2019年期間，濰坊市總水源涵養(yǎng)量一直處于上升狀態(tài)，土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)地表徑流的能力在逐漸增強(qiáng)，但在2020年，受氣候等因素影響，濰坊市總水源涵養(yǎng)量出現(xiàn)了較大幅度的下降，基本恢復(fù)到了2015年的水平。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)；水源涵養(yǎng)量；遙感監(jiān)測(cè)；動(dòng)態(tài)變化；濰坊市

中圖分類(lèi)號(hào)：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-9655（2023）02-0-08

0 引言

生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展與安全評(píng)估研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，科學(xué)合理地對(duì)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，不僅可以理清生態(tài)環(huán)境狀況，也可以找到生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的主要原因，對(duì)該國(guó)家或地區(qū)制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)政策有著積極意義。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境條件與效用[1]。

水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)其結(jié)構(gòu)和過(guò)程攔截滯蓄降水，增強(qiáng)土壤下滲，涵養(yǎng)土壤水分和補(bǔ)充地下水，調(diào)節(jié)河川流量，增加可利用水資源量的功能。水源涵養(yǎng)作為其提供的眾多服務(wù)之一，是水資源可持續(xù)利用的保障。通過(guò)植被及土壤將降水?dāng)r蓄、吸收、積蓄在系統(tǒng)內(nèi)，具有抑制蒸發(fā)、調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)等功能[2]。

本文以遙感和地面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能，分析其空間格局和變化情況以便了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化趨勢(shì)[3，4]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

濰坊市位于山東半島西部，居半島城市群中心位置，地跨東經(jīng)118°10′～120°01′，北緯35°41′～37°26′，東與青島、煙臺(tái)兩市連接，西鄰淄博、東營(yíng)兩市，南連臨沂、日照兩市，北瀕渤海萊州灣。濰坊市域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)區(qū)，背陸面海。受歐亞大陸和太平洋的共同影響，大陸度在50%以上，是暖溫帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)大陸性氣候。濰坊市地表水系主要有6條，即濰河、彌河、白浪河、南膠萊河、北膠萊河及淄河，其他數(shù)百條河流及溪流，均系上述主要河流的支流，過(guò)境河流只有小清河。由于受自然條件的限制，地表徑流主要來(lái)自大氣降水。

水源涵養(yǎng)量評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)源主要包括濰坊市2015—2020年生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型與分布遙感解譯數(shù)據(jù)；地表參量，包括植被覆蓋度、生物量、蒸散發(fā)量等；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，并綜合運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及有關(guān)生物多樣性、水土保持、生態(tài)水文等學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類(lèi)與數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1，部分?jǐn)?shù)據(jù)直接從氣象站點(diǎn)、網(wǎng)站下載和樣方調(diào)查獲取，部分?jǐn)?shù)據(jù)由遙感數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到[5]。

2 評(píng)估方法

生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)攔截滯蓄降水，增強(qiáng)土壤下滲、蓄積，涵養(yǎng)土壤水分、調(diào)節(jié)地表徑流和補(bǔ)充地下水所增加的水資源總量，即為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量[6]。圖1為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的反演流程圖，指標(biāo)反演的主要源數(shù)據(jù)包括降雨量數(shù)據(jù)、MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及生態(tài)系統(tǒng)解譯結(jié)果數(shù)據(jù)。

通過(guò)水量平衡方程計(jì)算：

式中：Qwr—水源涵養(yǎng)量，m3/a；Pi—產(chǎn)流降雨量，mm/a；Ri—地表徑流量，mm/a；ETi—蒸散發(fā)量，mm/a；Ai—i類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的面積，m2；i—第i類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型；n—生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型總數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水源涵養(yǎng)量主要影響因子分析

3.1.1 產(chǎn)流降雨量

產(chǎn)流降雨量是指能夠產(chǎn)生徑流的最小降雨量。2015—2020年，濰坊市產(chǎn)流降雨量的分布呈現(xiàn)出明顯的地域差異性，部分地區(qū)的產(chǎn)流降雨量年際變化較明顯。其中，2015年、2016年、2017年和2019年濰坊市的產(chǎn)流降雨量相對(duì)偏低，大部分地區(qū)處于中等偏低水平，產(chǎn)流降雨量較高的區(qū)域主要集中在西部和南部地區(qū)，產(chǎn)流降雨量可達(dá)到600～700 mm。而其余地區(qū)的產(chǎn)流降雨量則偏低，大部分地區(qū)的產(chǎn)流降雨量不足600 mm。

在2018和2020年，受大范圍降水的影響，濰坊市整體的產(chǎn)流降雨量有明顯升高，全市大部分地區(qū)的產(chǎn)流降雨量處在中等偏高水平。其中2018年產(chǎn)流降雨量較高的地區(qū)集中在中部的濰坊市中心附近和西南部地區(qū)，最高產(chǎn)流降雨量可達(dá)到919 mm；而2020年產(chǎn)流降雨量較高的地區(qū)則主要集中在東南部地區(qū)，全市產(chǎn)流降雨量總體呈現(xiàn)自西北至東南逐漸升高的變化趨勢(shì)，部分地區(qū)產(chǎn)流降雨量最高可達(dá)到1067 mm。2015—2020年產(chǎn)流降雨量分布見(jiàn)圖2。

2015—2020年，濰坊市平均產(chǎn)流降雨量的年際差異較大，在2017年和2019年出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，但在2018年和2020年又上升到較高水平。其中，2020年平均產(chǎn)流降雨量達(dá)到最高，為845.9 mm。2015年以來(lái)濰坊市平均產(chǎn)流降雨量變化趨勢(shì)詳情見(jiàn)圖3。

依據(jù)2020年與2015年產(chǎn)流降雨量變化量，將變化程度分為輕微增加和顯著增加兩個(gè)等級(jí)，并未出現(xiàn)產(chǎn)流降雨量減少的現(xiàn)象。相較于2015年，2020年濰坊市產(chǎn)流降雨量輕微增加的區(qū)域主要集中在西部地區(qū)，其余地區(qū)產(chǎn)流降雨量均顯著增加。詳情見(jiàn)圖4。

3.1.2 地表徑流量

地表徑流量指的是降水或融雪強(qiáng)度一旦超過(guò)下滲強(qiáng)度，超過(guò)的水量可能暫時(shí)留于地表，當(dāng)?shù)乇碣A留量達(dá)到一定限度時(shí)，即向低處流動(dòng)，成為地表水而匯入溪流的水量。地表徑流量由降雨量乘以地表徑流系數(shù)獲得。地表徑流系數(shù)是指地表徑流量（mm）與降雨量的比值，在一定程度上反應(yīng)了生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的能力。地表徑流系數(shù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料獲得，主要包括公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和出版專(zhuān)著上的關(guān)于各類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)徑流小區(qū)的降水、地表徑流數(shù)據(jù)（表1）。

2015—2020年，濰坊市地表徑流量的分布存在明顯的空間異質(zhì)性，濰坊市西南部地區(qū)以森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型為主，土壤吸收水分的能力較強(qiáng)，因而地表徑流量較低。其余地區(qū)地表徑流量處在中等偏高水平，尤其是在各縣市政府駐地附近，由于城鎮(zhèn)化建設(shè)程度較高，地表不透水面面積較大，地表徑流量也隨之升高。

其中，2015年、2016年、2017年和2019年大部分地區(qū)地表徑流量適中，處在400～500 mm范圍，部分城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)附近產(chǎn)流降雨量超過(guò)500 mm。

在2018年和2020年，受大范圍降水的影響，濰坊市整體的地表徑流量在數(shù)值上有明顯升高，但分布特征與其余年份基本保持一致，僅有西南部森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)地表徑流量處在較低水平。2015—2020年濰坊市地表徑流量的分布詳情見(jiàn)圖5。

2015—2020年濰坊市平均地表徑流量年際變化明顯，在2016年、2018年和2020年，總地表徑流量較上一年有了明顯增長(zhǎng)，而2017年和2019年相較上一年則有了一定幅度的下降。其中，2020年濰坊市平均地表徑流量達(dá)到最高值，為554.7 mm。2015—2020年濰坊市逐年平均地表徑流量詳情見(jiàn)圖6。

依據(jù)2020年與2015年地表徑流量變化量，將變化程度分為輕微增加和顯著增加兩個(gè)等級(jí)，并未出現(xiàn)地表徑流量減少的現(xiàn)象?？梢钥闯鱿噍^于2015年，2020年地表徑流量顯著增加的地區(qū)主要集中在濰坊市的中東部地區(qū)，其余區(qū)域地表徑流量增加幅度較小。詳情見(jiàn)圖7。

3.1.3 蒸散發(fā)量

蒸散發(fā)量是指農(nóng)田土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總耗水量。

2015—2020年期間，濰坊市蒸散發(fā)量的分布存在明顯的空間異質(zhì)性，總體呈現(xiàn)出中部和西北部地區(qū)較低，其余地區(qū)相對(duì)較高的分布態(tài)勢(shì)。西南部森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域蒸散發(fā)量常年保持在較高水平，除2020年蒸散發(fā)量均在500 mm左右，在2018年部分區(qū)域達(dá)到1654.4 mm，為近6年來(lái)的最高值。

其中，2018年濰坊市全市的蒸散發(fā)量較其他年份有明顯升高，全市除中西部少部分地區(qū)的蒸散發(fā)量較低外，其余大部分區(qū)域的蒸散發(fā)量處在450 mm以上，尤其是在濰坊市西南部和東南部，部分區(qū)域的蒸散發(fā)量超過(guò)1000 mm。而2020年全市的蒸散發(fā)量明顯偏低，高值區(qū)域分布較少且相對(duì)零散，蒸散發(fā)量的最高值僅有750.7 mm。2015—2020年濰坊市蒸散發(fā)量分布詳情見(jiàn)圖8。

2015—2020年期間，濰坊市平均蒸散發(fā)量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。在2015—2018年平均蒸散發(fā)量逐年升高，而在2018年后則逐漸減少。其中，2018年濰坊市平均蒸散發(fā)量最高，達(dá)到了499.7 mm；2020年濰坊市平均蒸散發(fā)量最低，僅有360.4 mm。2015年以來(lái)濰坊市平均蒸散發(fā)量變化趨勢(shì)詳情見(jiàn)圖9。

依據(jù)2020年與2015年蒸散發(fā)量變化量，將變化程度分為顯著減少、輕微減少、輕微增加和顯著增加四個(gè)等級(jí)?？梢钥闯鱿噍^于2015年，2020年濰坊市大部分區(qū)域的蒸散發(fā)量呈現(xiàn)輕微減少的變化趨勢(shì)，顯著減少的區(qū)域面積較小且分布零散，蒸散發(fā)量增加的區(qū)域主要集中在西南部和北部的少量地區(qū)。詳情見(jiàn)圖10。

3.2 水源涵養(yǎng)量變化分析

自2015年以來(lái)，濰坊市水源涵養(yǎng)量的分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性，水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要集中在濰坊市西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域和北部的濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，部分地區(qū)最高水源涵養(yǎng)量達(dá)到9.1×1010 m3/a，為近6年來(lái)的最高值。此外，在其他地區(qū)也零散分布有少量水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域?？傮w看來(lái)，濰坊市大部分地區(qū)的水源涵養(yǎng)量較低，土壤涵養(yǎng)水分、調(diào)節(jié)地表徑流的能力不強(qiáng)。2015—2020年濰坊市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能水源涵養(yǎng)量分布詳情見(jiàn)圖11。

2015—2019年期間，濰坊市總水源涵養(yǎng)量一直處于上升狀態(tài)，土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)地表徑流的能力在逐漸增強(qiáng)。2015年濰坊市總水源涵養(yǎng)量較低，僅為1.3×1016 m3/a；增長(zhǎng)至2019年，濰坊市總水源涵養(yǎng)量達(dá)到7.6×1016 m3/a。2015—2016年變化速度最快，增長(zhǎng)幅度達(dá)到114.8 %；2016—2018年間，變化速度稍有放緩，增長(zhǎng)幅度在50%左右，到2018—2019年間，增長(zhǎng)幅度僅為16.2%。在2020年，受氣候等因素影響，濰坊市總水源涵養(yǎng)量出現(xiàn)了較大幅度的下降，僅為1.6×1016 m3/a。2015—2020年濰坊市總水源涵養(yǎng)量變化趨勢(shì)詳情見(jiàn)圖12。

將2020年與2015年水源涵養(yǎng)量變化程度分級(jí)，依據(jù)變化量將變化程度分為顯著減少、輕微減少、輕微增加和顯著增加四個(gè)等級(jí)。由圖中可以看出，相較于2015年，2020年濰坊市水源涵養(yǎng)量顯著減少的區(qū)域主要集中在北部的濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，其余大部分地區(qū)的水源涵養(yǎng)量均有不同程度的增加，尤其以西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域增加最為明顯。2015—2020年濰坊市水源涵養(yǎng)量變化程度分布詳情見(jiàn)圖13。

4 結(jié)論

2015—2020年，濰坊市水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，在2015—2019年期間，濰坊市總水源涵養(yǎng)量一直處于上升狀態(tài)，土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)地表徑流的能力在逐漸增強(qiáng)，到2019年，濰坊市總水源涵養(yǎng)量達(dá)到7.6×1016 m3/a，增長(zhǎng)幅度達(dá)485%。但在2020年，受氣候等因素影響，濰坊市總水源涵養(yǎng)量出現(xiàn)了較大幅度的下降，僅為1.6×1016 m3/a，基本恢復(fù)到了2015年的水平。

2015—2020年，濰坊市水源涵養(yǎng)量分布呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性。水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要集中在濰坊市西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域和北部的濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，其他地區(qū)也零散分布有少量水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域。

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Abstract： Based on RS and ground-based survey data， combined with long-term monitoring data of the ecosystem， the water conservation function of Weifang was assessed quantitatively. The results showed that from 2015 to 2020， there was significant spatial heterogeneity in the distribution of water conservation in the region. Water conservation in Weifang increased first and then declined from 2015 to 2020， with the highest levels of water conservation occurring in the forest ecosystems in the southwest and wetland ecosystems in the north. During 2015—2019， total water conservation in Weifang has been on the rise， and the ability of soil to conserve water and regulate surface runoff has been gradually enhanced. However， in 2020， due to climate and other factors， total water conservation in Weifang decreased considerably， which was basically back to 2015 level.

Key words： ecological system; water conservation; remote sensing monitor; dynamic changes; Weifang