韩念龙，张伟璇，张亦清

（海南大学政治与公共管理学院，海南海口 570228）

生态系统服务是指生态系统形成及维持的人类赖以生存的自然环境与效用［1］，直接或间接地为人类生存提供资源［2］，在维系人类社会可持续发展，区域生态安全等方面发挥着重要作用［3-4］.产水量是生态系统服务中重要的服务类型，也是许多生态过程和生态服务功能的基础.它影响着生物量、碳循环等生态功能，对维持生态系统稳定及提高人类福祉具有重要意义［5］.因此空间定量化、可视化评估产水量的时空变化，揭示其变化的主要驱动因素有着重要意义.

研究产水量的方法有水量平衡法、多因子回归法、年径流量法等［6-7］，应用于产水量的模型有SWAT、MIKE SHE和TOP MODEL等模型［8-10］.相比其他模型，InVEST（The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tools）模型在空间可视化、综合性强以及简化输入参数等方面具有优势［11］，在产水量研究中应用越来越广泛，已成功应用于夏威夷群岛［12］、印度加普那拉河盆地［13］、泰国宋卡兰河流域［14］、印度纳尔默达河流域［15］等国外热带岛屿、河流的产水服务功能研究；在中国，InVEST模型也已经应用于横断山区［16］、三江源流域［17］、东北地区［18］、南四湖流域［19］、石羊河流域［20］、太湖流域［21］等重要生态功能区、气候变化敏感区域以及典型流域地区的产水量研究.

海南岛属于热带季风气候，是一个独立封闭的地理单元，虽然水资源比较丰富，但由于气候变化以及快速城市化带来的土地利用剧变导致产水量分布供给的不确定性，对生态系统稳定性可能产生威胁.由此引发的生态环境问题，将进一步影响社会经济的可持续发展.目前有关海南岛产水量的研究包括基于不同土地利用/覆盖进行海南岛产水量空间分布研究［22］以及海南中部山区水源涵养时空变化特征［23］，但这些研究均未考虑气候变化对产水量的影响，本研究综合考虑土地利用及气候变化对产水量的研究，根据不同情景探讨产水量对气候和土地利用变化的响应.

1 研究地点

海南岛位于中国最南端，范围为北纬18°10′～20°07′，东经108°37′～111°03′.海南省陆地总面积约3.4万平方公里，海域面积约200万平方公里，现辖27个市和县（区）［24］.海南岛地势中部高四周低，呈辐射状水系，全岛独流入海的河流共154条.南渡江、昌化江和万泉河三大河流的流域面积占全岛面积的47%［22］.海南岛属于热带季风气候，年平均气温为22℃～27℃，年均降水量为1 639 mm，有明显的多雨季和少雨季.

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理InVEST模型产水量模块计算包括土地利用/覆被数据、降水量及潜在蒸散发、土壤深度、植物有效含水量（A W C）、生物物理参数以及季节参数.同时，各栅格数据空间地理坐标系统一为CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_35，分辨率均为1 km.

本研究中使用的1995年、2005年及2015年的空间分辨率为1 km三期土地利用/覆被类型数据，该数据由中国科学院资源环境科学数据中心公开提供，可免费获取，同时1 km分辨率已满足研究应用.结合海南实际情况将该土地利用/覆被产品归类为耕地、林地、园地、草地、水域、居民点与工矿用地及未利用地7类.气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网，获取1985—2015年间海口、东方、儋州、琼中、琼海、三亚和陵水七个基本气象站的降水、平均气温、最低气温、最高气温、风速、日照时数和相对湿度逐日数据.降水量可通过ArcGIS软件Kriging插值得到；潜在蒸散发通过Penman-Monteith公式计算，并通过Arc-GIS软件Kriging插值获取；同时将1985—1995年，1995—2005年和2005—2015年三个时段降雨量和潜在蒸散发均值，分别表征1995年、2005年及2015年的三个时期的降雨量和潜在蒸散发特征.土壤数据的土壤深度数值基于南京土壤所中国1∶100万土壤数据库获取.植物有效含水量通过对应土壤类型的土壤质地（土壤砂粒、粉粒及粘粒比例）及土壤有机质含量计算获取.生物物理参数表（表1）包括各土地利用/覆被类型及相应的植被根系深度和蒸散系数.其中，植被根系深度根据Canadell等对全球范围内植被最大根系深度的研究获得［25］.按定义，蒸散系数等于实际蒸散发与潜在蒸散发的比值，本研究的蒸散系数参考联合国粮农组织作物系数参考值［26］.季节参数值Z代表区域降水分布及其他水文地质特征，参考公式（4）或者经验值进行计算.

2.2 InVEST模型产水量模型InVEST模型中的产水量评估模型是基于水量平衡原理，将每一个栅格的降水量减去蒸散发得到该栅格的产水量值，该值包括地表产流、土壤含水量、枯落物持水量以及冠层截留量［16］.产水量的计算方法如下：

式中Px表示栅格单元x的年降水量，AE Tx表示栅格单元x的年实际蒸散发，如下公式计算：

上述公式中，Rx j为土地利用覆被类型j上栅格单元x的Budyko干燥指数，定义为潜在蒸散发与降雨量的比值；w是一个经验参数；Z为经验常数，与区域降水模式和水文特征相关；AWCx为土壤有效含水量，由植物可利用水分含量与土壤的最大根系埋藏深度，植物根系深度共同决定；kij是植物蒸散系数；E T0表示栅格单元x的潜在蒸散发，由Penman-Monteith公式计算得出：

式中，Rx表示地表净辐射，G表示土壤热通量，γ表示干湿表常数，T mean表示日平均温度，u2表示2m高处风速，es表示饱和水气压，ea表示实际水气压.

基于以上计算及数据，经多次验证，季节参数值为2.6时计算的多年平均产水量体积为349.32亿m3，与海南省水资源公报的1998—2015年多年平均产水量较为接近，因此，本文基于该模拟结果展开海南岛的产水量的时空变化分析.

3 结果与分析

3.1 产水量时空变化产水量结果表明，1995—2015年期间海南岛的多年产水深度均值分别为944.08 mm、1 032.42 mm和1 104.3 mm，产水量体积分别为321.14亿m³、351.18亿m³和375.64亿m³，产水深度均值和产水量呈上升趋势，增长幅度为17%.

海南省1995—2005年海南岛产水深度、降水及实际蒸散发空间分布如图1所示.总体上，产水深度受降水量影响明显，空间分布相对一致，而与实际蒸散发空间分布无明显相关.海南岛产水深度分布不均衡，产水深度自东部至岛内中部的腹地区域高，并以此为中心向外逐渐减小，西南部地区产水深度最低.不同时间的产水深度空间分布趋势较为一致，均呈现出东中部高西南部低的空间格局.1995年，产水深度均值较高地区沿海南岛东部沿海一带以及中北部区域零散分布，低值区主要位于西南部.2005年，产水深度高值区域东部向中部腹地扩张，同时，海南岛南部沿海一带的产水深度出现明显降低.2015年，东北部的产水深度整体上升，且向东北扩张，西南部地区产水量低值区无明显变化.总体来说，1995—2015年海南岛东部、中部及东北部的产水深度增加明显.

图1 1995—2015年海南岛降水、实际蒸散发及产水量

图2为1995—2015年海南省各市县的产水深度、降水量以及实际蒸散发均值的分布.可以看出，海南省多年产水深度均值位于前四的市县分别是万宁市、琼海市、定安和屯昌县；产水深度均值较低的后四个市县分别是东方市、乐东县、三亚市及昌江县.总体而言，海南岛各市县的产水深度与降水和实际蒸散发的差值存在一致性，降水与实际蒸散发差值越高的市县产水深度越高，反之越低.从总体趋势上看，各市县的产水深度大小与降水量高度相关，但由于受到海南岛地形地貌及土地利用/覆盖类型对实际蒸散发的影响，部分市县产水深度与降水量并未完全一致.例如位于海南岛中部山区，多年降水量均值相对较高的五指山市、白沙县及保亭县，该区域的森林覆盖率高，多年平均的实际蒸散发也相对较高，从而导致这些区域的产水深度并不高，各市县的产水深度与降水量分布呈现出不平衡的空间格局.

图2 1995—2015年海南各市县气候与产水量特征

通过冷热点分析可以识别产水量在空间上的高值簇和低值簇，热点即为高值簇，冷点即为低值簇.通过多年间产水量冷热点的空间格局变化可分析相关因素对产水量的影响.从图3可看出，1995年海南岛产水量的冷热点区域空间分布比较分散，大部分热点区域位于海南岛南部及东部的沿海以及中部以北；冷点区域相对集中，主要位于海南岛西南部.2005年，海南岛的冷热点区域较1995年并无明显变化，但南部的三亚市区、乐东县莺歌海区域及西部的昌化江入海口的产水量热点区域出现明显缩小.2015年海南岛冷热点区域均出现明显增加：热点区域在东部和北部集聚且扩张明显，冷点区域在西南区域愈加集聚.从市县分布来看，热点区域范围主要覆盖范围是东部的万宁市、琼海市、文昌市及中部的屯昌县、定安县及琼中县的东北部，冷点区域主要覆盖范围是西南部三亚市、乐东市、东方市、五指山市、保亭县、昌江县及白沙县西南部.

图3 海南岛1995—2005年产水量热点分布

整体而言，1995—2015年间海南岛的产水量冷热点区域变化分为两个阶段：第一个阶段为1995—2005年，冷热点区域变化不明显；第二阶段为2005—2015年，冷热点区域出现明显集聚并扩大，且从空间上相对分散状态发展成集聚状态，空间上出现明显的西南—东北分界格局.冷点区域在西南集聚明显，而热点区域不仅集聚同时向海南岛东北方向扩张.热点区域比例由27%扩大到38%，冷点区域比例由28%增至33%，而非显著区域比例则由45%降至29%.

3.2 土地利用及气候变化对产水量的影响

3.2.1 土地利用/覆被结构及转移分析表2为1995—2015年海南岛土地利用/覆被转移矩阵，2015年林地面积占比最大，占全岛面积49.3%；其次是耕地，占比25.5%；园地、水域、居民与工矿用地、草地及未利用地占比分别为15%，3.6%，3.3%，2.9%和0.3%.林地是海南岛产水总量主要贡献者，提供了全岛产水总量的44.3%；耕地、园地、居民与工矿用地、草地、水域及未利用地的产水总量贡献率分别为28.5%、16.9%、4.6%、3.5%、1.9%和0.2%.

表2 1995—2015年土地利用/覆被转移矩阵 km2

1995—2015年，海南岛的林地、耕地、草地及未利用地面积均有不同程度的减少.林地面积减小最多，共488.9 km2，主要转变成园地（52.2%）、居民与工矿用地（18.8%）和耕地（16.7%）；耕地面积减少次之，共221 km2，主要转变成居民点与工矿用地（49%）以及园地（19.8%），16.4%转变成林地.居民点与工矿用地、园地与水域面积增加，居民点与工矿用地面积增加最多，共429.4 km2，较1995年增幅为62.3%，主要转化自耕地（45.6%）和林地（27.8%）.园地增幅为6.4%，增加面积309.9 km2，主要分别由林地（74.9%）和耕地（17.9%）转化而来.1995—2015年间的土地利用变化说明，海南岛受人类活动的影响强度增大，表现为城镇化的快速扩张以及农业种植园的大量增多，其特征是两者扩张均主要占用了耕地和林地.

3.2.2 不同土地利用/覆被类型的产水量土地利用/覆被类型变化是通过改变下垫面状况，即影响实际蒸散发、土壤理化性质和水分状况，进而影响区域产水量［27］.由表3可知不同土地利用/覆被类型的产水量均值从大到小分别是居民与工矿用地、草地、园地、耕地、林地、未利用地和水域，对应的多年产水深度 均 值 分 别 为1 284.41 mm、1 118.36 mm、1118.3 mm、1 106.6 mm、957.52 mm、728.36 mm和542.26 mm.这是因为不同土地利用/覆被类型的蒸散系数和土壤含水量等因素不同导致单位面积平均产水能力差异.

表3 1995—2015年海南岛土地利用/覆被类型产水量均值 mm

产水量上与植被蒸散发呈反比关系［16］，林地森林茂密，植被覆盖率高，产水量相对较低；居民点及工矿用地植被少，相应的蒸散发也小，同时人工建筑导致不透水面积的增多，因此具有较高的产水量.从土地利用/覆被变化角度分析，1995—2015年间海南岛产水总量升高的可能原因：一是产水量较低的林地减少并转化成产水量较高的居民点及工矿用地和园地；二是耕地转成产水量相对较高的居民点与工矿用地.

3.2.3 情景分析除土地利用/覆盖变化因素外，还需要考虑气候变化对产水量的影响.为量化气候与土地利用/覆被变化对海南省产水量的影响，本研究设置了四个情景（表4）.情景1是1985—1995年的气候条件和1995年的土地利用/覆被模式；情景2是2005—2015年的气候条件和2015年的土地利用/覆被模式；情景3是1985—1995年的气候条件和2015年的土地利用/覆被模式；情景4是2005—2015年的气候条件和1995的土地利用/覆被模式.情景1和2分别表示的是1995年和2015年两个时期的实际产水量；情景4-1反映的是土地利用/覆被模式不变的情况下，气候变化影响下的产水量变化.情景3-1反映的是气候因素不变情况下，不同土地利用/覆被模式影响的产水量变化；情景2-1反映的是两个时期土地利用/覆被和气候变化对产水量的综合影响.

表4 情景分析

通过表5可以反映1995—2015年不同情景下海南岛的产水量及相应的变化情况.情景2与情景1的差异表明了土地利用/覆被和气候变化的综合效应下的产水量变化，增量为160.22 mm，占情景1的产水量比例为16.97%.情景3和情景1的产水量差值代表了因土地利用/覆被变化带来的产水量效应，产水深度增加6.55 mm，占情景1产水深度比例为0.69%.情景4和情景1的产水量差值表明，在气候变化的影响下海南岛的产水深度增加了153.8 mm，占情景1的产水量比例为16.29%.

通过情景分析表明，气候和土地利用/覆被类型两者共同影响海南岛的产水量变化，气候变化的影响远大于土地利用/覆被变化对产水量带来的影响.当气候变化不变的条件下，土地利用/覆被变化对产水量的影响并不显著.因此，气候变化是海南岛产水量变化的主要驱动力.

4 讨论

海南岛的产水量空间分布格局总体上与降水量分布一致，但中部区域的五指山、保亭及白沙三市县森林覆盖率高，且部分区域位于背风坡导致降水量分配不均，因此该区域的降水量均值相对高而产水量均值相对低的相背离情形，因此还需要考虑地形因素对产水量的影响［16］.2005—2015年，产水量热点区域在海南岛东北部扩张较1995—2005年更为明显，产水量热点区域是人类活动的重点区域，2005—2015年是环岛快速铁路建成通车、海口至文昌段高速公路建成通车及海南国际旅游岛一系列政策实施的时间节点，印证了政策及经济驱动导致建设用地扩张及基础设施建设等人类活动导致土地空间格局变化会对产水量产生影响［19］.因此，在此区域内的城镇应加强绿地规划建设，减轻城市热岛的影响及防范洪涝风险；引导耕地及园地的合理布局，严控陡坡地的农业开发，同时实施改善水利设施，提升农业水资源的使用效率等措施，以提升生态水资源的绿色循环利用度.

1995—2015年海南岛处于一个快速城镇化的进程，居民点与工矿用地大幅增加，尽管其扩张会导致产水量增多，但是降水到达人工地表后难以被循环利用，同时带来了洪涝风险增加及地下水补给减少等不利影响.另一方面，虽然林地类型的平均产水深度低，但因其面积大贡献全岛产水量的46%，在水源涵养、水土保持及固碳等生态系统功能方面发挥着重要作用，所以在规划过程中要考虑土地利用变化产生的水文及生态效应影响，控制城镇规模及发展速度，兼顾生态发展.

通过本研究发现气候变化是海南岛产水量变化的主要因素，而土地利用/覆被变化对产水量的变化影响较小，这与大连市［17］和宁波地区［28］的产水量影响相关研究结论一致.气候变化在长期内会显著影响产水量，但土地利用/覆被变化在短期内对产水量也会有一定影响［29］，甚至土地利用/覆被的变化反过来也影响着局部气候从而对产水量变化产生影响.例如森林可通过水分再循环以及对降水的再分配来影响气候，城镇化导致城市的热岛效应使得局地气候发生明显变化.因此，土地利用/覆盖对生态系统产水功能的影响机理仍待进一步研究.

尽管本研究的产水量总体结果与吴哲等人的研究［22］有较高的一致性，但InVEST模型中季节参数以及植被蒸散系数的设置对产水量的最终结果影响较大，因此未来研究中有必要实现模型计算的参数本地化，提高产水量结果的精度.另外，本研究仅从自然因素角度进行产水量的影响分析，未考虑社会经济的因素，未来需加强这方面研究.

5 结论

本研究基于1995、2005及2015年三期土地利用数据，结合气象数据等研究海南岛20年间的产水量时空格局变化，并探究气候及土地利用/覆被因素对海南岛产水量的影响，研究取得以下主要结论：

基于InVEST模型能够较好的模拟海南岛的产水量，1995—2015年间产水量呈上升趋势；同时海南岛的产水量空间分布不均衡，呈现自东中部高与西南低的分异特征.1995—2015年间，海南岛的产水量冷热点变化说明，海南岛东北部区域的人类活动规模和强度在增强.通过情景分析表明，气候与土地利用/覆被变化均影响海南省产水量变化，但是气候因素对对产水量的影响远大于土地利用/覆被变化，海南岛产水量对气候变化的响应更为敏感.