基于InVEST模型的延安市水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)

摘要 基于InVEST模型中“Annual Water Yield”板塊，計(jì)算2002、2012和2022年延安市產(chǎn)水量，并結(jié)合地形指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)特定區(qū)域的產(chǎn)水量進(jìn)行修正，從而確定水源涵養(yǎng)量，劃分水源涵養(yǎng)功能重要性等級(jí)，進(jìn)而對(duì)延安市水源涵養(yǎng)量的時(shí)空變化特性進(jìn)行量化分析。結(jié)果表明：2002—2022年延安市除耕地面積減少外，其他各類用地面積均有不同程度的增加。土地利用類型的變化主要反映在草地與林地之間、耕地與草地之間的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出。延安市水源涵養(yǎng)量高值主要分布在延安市中部和南部地區(qū)，水源涵養(yǎng)量低值區(qū)域主要集中在延安市西北地區(qū)和洛河?xùn)|岸部分地區(qū)。2002—2022年水源涵養(yǎng)量呈上升趨勢(shì)。土地利用方式主要借助調(diào)整地表覆蓋特性來調(diào)控水源涵養(yǎng)量的高低，延安市林地的年均水源涵養(yǎng)能力最高。延安市2002—2022年水源涵養(yǎng)功能較低重要區(qū)與低度重要區(qū)的面積呈現(xiàn)出縮減的趨勢(shì)，而中度重要區(qū)、較高重要區(qū)、高度重要區(qū)的面積則呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 InVEST模型；水源涵養(yǎng)量；時(shí)空變化特征；土地利用變化；延安市

中圖分類號(hào) X 824" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" 文章編號(hào) 0517-6611（2025）04-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.04.012

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of Water Conservation Function in Yan’an City Based on InVEST Model

ZHAO Si rui

（School of Land Engineering， Chang’an University， Xi’an， Shaanxi 710061）

Abstract The study was based on the “Annual Water Yield” section of the InVEST model， calculating the water production in Yan’an City in 2002， 2012 and 2022， and correcting the water production in specific areas by combining key parameters such as terrain index， in order to determine the water conservation capacity， classify the importance level of water conservation function， and quantitatively analyze the spatiotemporal variation characteristics of water conservation capacity in Yan’an City. The results showed that from 2002 to 2022， except for a decrease in cultivated land area， all other types of land use areas in Yan’an City had increased to varying degrees. The changes of land use types mainly reflected the transfer in and out between grasslands and forests， as well as between cultivated land and grasslands.The high value of water conservation capacity in Yan’an City was mainly distributed in the central and southern regions， while the low value areas of water conservation capacity were mainly concentrated in the northwest of Yan’an City and some areas on the east bank of the Luo River. The water conservation capacity showed an upward trend from 2002 to 2022. The land use type mainly relied on adjusting the surface cover characteristics to regulate the level of water conservation capacity， and the annual average water conservation capacity of forest in Yan’an City was the highest.From 2002 to 2022， the areas of areas with lower and low water conservation functions in Yan’an City showed a decreasing trend， while the areas of areas with moderate， higher and high importance showed an increasing trend.

Key words InVEST model;Water conservation capacity;Spatio temporal variation characteristics;Land use change;Yan’an City

作者簡(jiǎn)介 趙思銳（2000—），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向：土地利用。

收稿日期 2024-04-18

生態(tài)系統(tǒng)憑借其獨(dú)特結(jié)構(gòu)，在與水相互作用的過程中展現(xiàn)出水源涵養(yǎng)功能。這一過程涵蓋了對(duì)降水的截留、滲透和儲(chǔ)存，進(jìn)而通過蒸散發(fā)過程來調(diào)節(jié)水流和水循環(huán)。這一功能主要體現(xiàn)在降低地表徑流速度、增強(qiáng)地下水補(bǔ)給、減少河流水量季節(jié)性波動(dòng)、維護(hù)水質(zhì)等方面^［1］。自水源涵養(yǎng)概念提出以來，學(xué)者們提出多種定量估算方法，主要包括綜合蓄水量法^［2］、土壤蓄水能力法^［3］、水量平衡法^［4-5］等。其中，綜合蓄水量法考慮降水?dāng)r蓄、土壤蓄水等，是理想方法^［6］。土壤蓄水能力法在忽視林冠及枯枝落葉作用后，會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏低^［7］，其土壤蓄水量是影響森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的關(guān)鍵因素。水量平衡法適用于各種時(shí)空維度，其核心在于降水、蒸發(fā)與徑流之間的差值關(guān)系，但此方法常忽視地表水與地下水之間的相互作用與影響^［8］。

基于土地利用方式能夠?qū)λ春B(yǎng)功能產(chǎn)生顯著影響，根據(jù)地類分布特征，我國(guó)的水源保持能力在空間分布上呈現(xiàn)出東南部較強(qiáng)、西北部較弱^［9-10］。延安市位于黃土高原的丘陵溝壑區(qū)域，超過90%的土地被黃土覆蓋，地形復(fù)雜，植被稀疏，水資源稀缺，因此，水土流失問題十分嚴(yán)重。水資源直接影響著西北干旱、半干旱地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為此，定量評(píng)估水源涵養(yǎng)重要性對(duì)延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升具有重要意義。筆者基于InVEST模型，對(duì)延安市在2002—2022年水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，揭示水源涵養(yǎng)功能在時(shí)空維度上的演變趨勢(shì)及其重要性等級(jí)，旨在為西北地區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展與長(zhǎng)期繁榮提供科學(xué)依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展策略。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部，地處黃河中游南岸，黃土高原中南地區(qū)，地理坐標(biāo)為35°20′37″～37°30′59″N、107°40′57″～110°32′44″E（圖1），總面積為37 070.87 km2。延安市境內(nèi)河流均屬于黃河水系，受黃土地形和生態(tài)條件影響，河流水體含沙量較高。

1.2 數(shù)據(jù)來源

中國(guó)30 m精度土地利用數(shù)據(jù)和流域與子流域數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。中國(guó)1 km逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)和中國(guó)1 km分辨率降水?dāng)?shù)據(jù)均來源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(tái)（http：//www.geodata.cn/）。土壤屬性數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（IIASA）構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database）。1 km 中國(guó)土壤深度圖參考相關(guān)文獻(xiàn)中現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//doi.org/10.1038/s41597-019-0345-6）。各數(shù)據(jù)均提取30 m分辨率的2002、2012和2022年延安市域。

1.3 研究方法

1.3.1

產(chǎn)水量。該研究采用InVEST模型^［11］中“Annual Water Yield”板塊計(jì)算2002、2012、2022年延安市產(chǎn)水量。該模型基于水量平衡原理，通過計(jì)算研究區(qū)降水量、土壤深度、潛在蒸散發(fā)量和植物可用水分含量等參數(shù)，從而計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)流域產(chǎn)水量。

利用Budyko曲線與研究區(qū)年均降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)柵格單元上年產(chǎn)水量，計(jì)算公式如下：

Y i=1-AET iP i×P i（1）

式中：Y i為柵格單元i的年產(chǎn)水量（mm）；AET i為柵格單元i的年實(shí)際蒸散發(fā)量（mm）；P i為柵格單元i的年降水量（mm）。

基于Fu^［12］和Zhang等^［13］提出的Budyko水熱耦合平衡假設(shè)，Budyko干燥指數(shù)為潛在蒸發(fā)量與降水量的比值，不同土地利用類型所對(duì)應(yīng)的AET i/P i計(jì)算公式如下：

AET iP i=1+wPET iP i

1+wPET iP i+P iPET i

（2）

PET i=K i×ET i（3）

ET i=0.001 3×0.408×RA×T rag×（TD-0.012 3P）^0.76（4）

w=AWC×ZP i（5）

AWC=min（Soil.Depth，Root.Depth）×PAWC（6）

PAWC=54.509-0.013 Sand-0.003Sand2-0.055Silt-0.006Silt2-0.738Clay+0.007Clay2-2.668OM+0.501OM2

（7）

式中：PET i為柵格單元i的潛在蒸散發(fā)量（mm/d）；P i為柵格單元i的年降水量（mm）；w為植物可用水分含量與降水量的比值；ET i為柵格單元i的蒸散發(fā)量（mm/d）；K i為植被系數(shù)；T rag為研究區(qū)日均最高溫度與最低溫度的平均值（℃）；TD為研究區(qū)日均最高溫度與最低溫度的差值（℃）；RA為太陽(yáng)大氣層輻射［MJ/（m2·d）］；AWC為植物可用水分含量；Z為季節(jié)因子系數(shù)；Sand、Silt、Clay、OM分別為土壤中砂粒、粉粒、黏粒、有機(jī)碳的含量（%）。

1.3.2

水源涵養(yǎng)。由于InVEST模型^［11］中“Annual Water Yield”板塊不能直接得到區(qū)域水源涵養(yǎng)量，需要利用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率、流速系數(shù)等參數(shù)對(duì)區(qū)域產(chǎn)水量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，進(jìn)而推算出水源涵養(yǎng)量。具體的計(jì)算公式如下：

Retention=min1，249Velocity×min1，0.9×TI3×min1，K SAT300×Yield（8）

式中：Retention為水源涵養(yǎng)量（mm）；Velocity為流域的流速系數(shù)；TI為地形指數(shù)；K SAT為土壤飽和導(dǎo)水率（mm/d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

延安市2002—2022年土地利用類型分布如圖2所示，對(duì)延安市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算2002、2012、2022年各地類面積及2002—2022年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

從各地類面積（表1）來看，研究區(qū)內(nèi)除耕地面積減少外，其他各類用地面積均有不同程度的增加。林地主要呈面狀集中分布在延安市南部地區(qū)，2002—2012年林地面積增加較多，2012—2022年出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)；延安市的北部地區(qū)是草地的主要分布區(qū)，其面積約占延安市總面積的50%，整體呈增加趨勢(shì)，2002—2022年面積由15 942.02 km2增加至17 528.06 km2，增幅為9.9%；建設(shè)用地集中在各縣（區(qū)）的中心城區(qū)，氣候改變、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口密度的增長(zhǎng)是推動(dòng)建設(shè)用地面積大幅度擴(kuò)張的重要因素；水域和未利用地的面積均呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，但其變化幅度較小；耕地主要分布在延安市境內(nèi)的洛河和延河兩岸及北部地區(qū)，由于近年來退耕還林還草和防沙治沙項(xiàng)目的成果顯著，耕地面積從2002年的11 769.90 km2降至2022年的9 308.89 km2。

從延安市2002—2022年的土地利用變化（表2）來看，各類土地之間的相互轉(zhuǎn)化十分明顯，尤其體現(xiàn)在耕地與草地、草地與林地之間的轉(zhuǎn)變。在此期間，草地面積的增加尤為顯著，這種增長(zhǎng)大部分源于耕地的轉(zhuǎn)化。同時(shí)，耕地減少的面積大部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值兀@種耕地與林草地之間的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致林地?cái)?shù)量的增加和耕地?cái)?shù)量的減少，而林地面積總體上呈增加趨勢(shì)。水域面積呈現(xiàn)出輕微的增加趨勢(shì)，側(cè)面表明人們的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然因素都對(duì)水域面積造成一定程度的影響。建設(shè)用地增速較為緩慢，水域和建設(shè)用地的擴(kuò)張主要來自草地與耕地的轉(zhuǎn)變。此外，未利用地面積整體上呈增加趨勢(shì)，增加面積主要來源于草地、耕地和林地的轉(zhuǎn)變，這表明延安市仍存在土地退化現(xiàn)象。

2.2 水源涵養(yǎng)量時(shí)空演變

利用延安市2002、2012、2022年年降水量、根系限制層深度、年潛在蒸散發(fā)量和植物可用水分含量等相關(guān)參數(shù)（圖3）計(jì)算產(chǎn)水量，并利用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率、流速系數(shù)等參數(shù)（圖4）對(duì)區(qū)域產(chǎn)水量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，進(jìn)而推算出水源涵養(yǎng)量。

從延安市水源涵養(yǎng)量計(jì)算結(jié)果（圖5）可以看出，2002、2012和2022年水源涵養(yǎng)量平均值分別為7.997 3、7.413 0、9.130 2 mm，整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在空間分布上，高值區(qū)域分布較為零散，主要集中在延安市的中部和南部，盡管這些區(qū)域的降水量相對(duì)較大，但林草地覆蓋率較高，能夠有效攔截和儲(chǔ)存降水，降低雨水直接沖刷地表的徑流量。水源涵養(yǎng)量低值區(qū)域主要集中在延安市西北地區(qū)和洛河?xùn)|岸部分地區(qū)，這部分區(qū)域多為地形較平坦的耕地和建設(shè)用地，蒸散發(fā)量較高且土壤飽和導(dǎo)水率和植物可用水分含量較低，水熱條件差。

黃龍縣、黃陵縣和富縣3個(gè)區(qū)域水源涵養(yǎng)量平均值較延安市其他區(qū)域高，其主要原因是林地面積大、潛在蒸散發(fā)量小、森林生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛，因此水源涵養(yǎng)量高。

2.3 不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量

土地類型的轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǔ潭壬嫌绊懥怂春B(yǎng)功能。從2002—2022年延安市各土地利用類型水源涵養(yǎng)量及變化率（表3）可以看出，不同地類水源涵養(yǎng)量均有不同程度的漲幅，其中，未利用地漲幅最大，為27.88%，主要是由于未利用地面積在2012—2022年大幅增加；建設(shè)用地漲幅最低，為6.51%。林地水源涵養(yǎng)量最高，林地的土壤因?yàn)槠洫?dú)特的構(gòu)造和由植物腐爛根部形成的孔洞，具有出色的滲透能力和較大的蓄水容量，調(diào)節(jié)坡面徑流的同時(shí)能夠減少水土流失的發(fā)生。

結(jié)合圖5可以看出，水源涵養(yǎng)量隨年份的變遷與年降水量的走勢(shì)相類似，均呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。這是由于降水量是水源涵養(yǎng)量的主要來源之一，同時(shí)植被的生長(zhǎng)和分布、地形地貌等因素也與降水量密切相關(guān)。因此，不同土地利用類型的水源在降水量增加或減少的情況下，水源涵養(yǎng)量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

2.4 水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)估

水源涵養(yǎng)通過攔截、滲透和儲(chǔ)存降水，同時(shí)利用蒸發(fā)過程來調(diào)節(jié)和管理水流與水循環(huán)。該研究利用ArcGIS柵格計(jì)算器對(duì)研究區(qū)2002、2012、2022年水源涵養(yǎng)量進(jìn)行計(jì)算^［14］，并依據(jù)自然斷裂法，對(duì)水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行劃分，由高到低依次為高度重要區(qū)、較高重要區(qū)、中度重要區(qū)、較低重要區(qū)和低度重要區(qū)，并將高度重要區(qū)和較高重要區(qū)合并為水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)。2002—2022年延安市水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)估等級(jí)分布詳情如圖6所示，其面積及占比如表4所示。

從表4可以看出，延安市2002—2022年較低重要區(qū)和低度重要區(qū)面積減少，中度重要區(qū)、較高重要區(qū)和高度重要區(qū)面積增加，高等級(jí)區(qū)面積的增加有助于維護(hù)水資源安全、生物多樣性和氣候穩(wěn)定，也反映出延安市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面的積極進(jìn)步。其中高度重要區(qū)面積不斷增加，由2002年的4 905.71 km2增加至2022年的6 579.14 km2，增加了1 673.43 km2；較高重要區(qū)面積增加最多，由2002年的1 305.77 km2增加至2022年的3 832.10 km2，增加了2 526.33 km2，2012—2022年漲幅最大，主要體現(xiàn)在延河流域周邊地區(qū)；中度重要區(qū)分布最為廣泛，約占市域總面積的50%，增加了1 297.21 km2，漲幅為7.61%；較低重要區(qū)面積減少最多，由2002年的8 288.66 km2減少至2022年的5 363.88 km2，減少了2 924.78 km2；低度重要區(qū)面積在2022年占比最小，20年間減少了2 572.19 km2。水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)面積由2002年的6 211.48 km2增加至2022年的10 411.24 km2，增加了4 199.76 km2。

整體上看，研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能重要性高值區(qū)在持續(xù)增加，說明延安市在長(zhǎng)期的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理措施以及年降水量增加等因素的影響下，生態(tài)環(huán)境在不斷變好，促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和豐富性。隨著生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的逐步增強(qiáng)，這為自然資源的可持續(xù)利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與討論

該研究基于InVEST模型中“Annual Water Yield”板塊，計(jì)算2002、2012和2022年延安市產(chǎn)水量，并對(duì)區(qū)域產(chǎn)水量進(jìn)行修正，計(jì)算出水源涵養(yǎng)量。研究結(jié)果表明：

（1）2002—2022年延安市除耕地面積減少外，其他各類用地面積均有不同程度的增加。在空間分布上，耕地主要分布在延安市境內(nèi)的洛河和延河兩岸及北部地區(qū)；林地主要集中在延安市南部地區(qū)；草地主要分布在北部地區(qū)；而建設(shè)用地則主要集聚在各縣（區(qū)）的中心城區(qū)。

（2）延安市水源涵養(yǎng)量從空間分布來看，水源涵養(yǎng)量高值分布較散，主要分布在延安市中部和南部地區(qū)，水源涵養(yǎng)量低值區(qū)主要集中在延安市西北地區(qū)和洛河?xùn)|岸部分地區(qū)。黃龍縣、黃陵縣和富縣3個(gè)區(qū)域水源涵養(yǎng)量平均值較延安市其他區(qū)域高。2002、2012和2022年水源涵養(yǎng)量平均值分別為7.997 3、7.413 0、9.130 2 mm，整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

（3）水源涵養(yǎng)量的變化走向與年降水量相吻合，各土地利用類型均表現(xiàn)出先降低后上升的態(tài)勢(shì)。土地利用方式主要通過調(diào)整地表覆蓋特性來調(diào)控水源涵養(yǎng)量的高低，根據(jù)研究結(jié)果，延安市林地具有最高的年均水源涵養(yǎng)能力。

（4）2002—2022年延安市較低重要區(qū)和低度重要區(qū)面積減少，中度重要區(qū)、較高重要區(qū)和高度重要區(qū)面積增加。其水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)面積由2002年的6 211.48 km2增加至2022年的10 411.24 km2，增加了4 199.76 km2。

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