福建省森林覆盖率居全国之首,是我国降水量、水资源量最丰沛的地区之一,也是我国水源涵养重点保护区。2017年,福建省新增9个水源涵养国家重点生态功能区,分别为永泰县、泰宁县、永春县、华安县、武夷山市、屏南县、寿宁县、周宁县、柘荣县,因此选择福建省作为评估森林水源涵养服务的研究区。本文应用气象、土壤等空间栅格数据和站点实测数据两种数据,采用InVEST模型和meta分析两种技术手段,对水量平衡法和综合蓄水能力法的水源涵养服务进行定量对比研究,旨在探寻不同评估方法下的水源涵养服务评估差异与一致性,明确不同评估方法侧重的环境影响因素,分析各方法特点及相互关系,在具体的森林水源涵养研究中,对从两套方法体系中选择合适的评估方法原理提供参考依据。
本文数据可归纳为点数据(站点观测数据、室内测试数据)和空间数据(数字制图数据、遥感数据)。
产水量为降水量减去实际蒸发量后地表及地下的剩余水量,水源涵养能力为产水量减去土壤水分饱和后流失的径流量的剩余部分。首先利用气象、土壤和土地覆被数据计算产水量,再结合流速、地形和土壤渗透性因素对产水量进行修正,从而得到水源涵养能力值,计算公式为：
式中,WRjx为土地覆被类型j/像元x处的年均水源涵养能力(mm)；Velocityj为土地覆被类型j处的流速系数,无量纲,表示不同土地利用类型对地表径流的影响；TIx为像元x处的地形指数,利用集水区栅格数、土层厚度(mm)及百分比坡度(%)计算得到；Ksatx为像元x处的土壤饱和导水率(%),利用土壤砂粒含量(%)、土壤粘粒含量(%),根据土壤传递函数Cosby模型计算得到；Yjx为土地覆被类型j/像元x处的年均产水量(mm)。
式中,产水量Yjx利用InVEST3.8.0产水量模块计算,即年均降水量Px(mm)与年均实际蒸散量AETjx(mm)之差。
蒸散部分根据干燥指数计算得出。其中,k为土地覆被类型j处的蒸散系数；PETx为像元x处的年潜在蒸散量(mm);ω为植物需水量与降水量的比值，是描述自然气候与土壤性质的参数。
PETx根据Penman-Monteith公式计算,所需数据包括地表净辐射Rn(MJm-2d-1)、土壤热通量G(MJm-2d-1)、湿度常数γ(kPa/℃)、日平均温度T(℃)、2m处风速U2(m/s、饱和水汽压es(kPa)、实际水汽压ea(kPa)、饱和水汽压-温度曲线斜率Δ(kPa/℃)。
式中,WRjx为土地覆被类型j/像元x处的水源涵养能力(mm)；CICjx为土地覆被类型j/像元x处的森林冠层截留能力(mm),以年均降水量(mm)与年均林冠截留率(%)的乘积表示；LWHCjx为土地覆被类型j/像元x处的枯落物层持水能力(mm),以枯落物蓄积量(t/hm2)与最大持水率(%)的乘积表示；SSCjx为土地覆被类型j/像元x处的土壤层蓄水能力(mm),以土壤厚度(mm)与土壤非毛管孔隙度(%)的乘积表示。
本文基于两套方法体系,评估了1988—2017年福建省森林地区水源涵养服务,整合了两套方法体系间的区别及联系,辨析适用的数据及方法,对研究者选择和使用两种方法提供了具体参考。结果表明,水源涵养能力与海拔高度成正比;不同森林类型的水源涵养能力差异显著,InVEST模型侧重地形、气象和土地覆被因素,水源涵养能力为常绿针叶林最高,对应了高海拔、多降水区域；meta分析法侧重森林水平结构和垂直结构,即森林林分密度和郁闭度,水源涵养能力为混交林最高。meta分析评估的水源涵养能力均值大于InVEST模型,但InVEST模型涵养能力的高值更高、低值更低,数值区间跨度是meta分析法的近3倍。
meta分析通过自下而上、由点到面的分析思路实现对水源涵养试验站点数据的整合,InVEST模型则是自上而下的模拟,都可应用于大尺度研究。对比评估结果发现,造成meta分析结果差异的原因包括参数定义及测量方法的多样性,今后的重点应落在统一参数概念及测量标准；meta分析的试验站点观测信息如何与机器学习等方法结合,更准确地实现由点到面的拓展是今后重要研究方向；InVEST模型系数本地化水平需进一步提升。对于生态系统水源涵养服务评估,应尽快建立更科学、更精确的评估体系,不同方法原理之间相互关联才能更好地辨别优缺异同,从而为研究者选择不同的研究方法以达到不同的研究目的提供明确的选择依据。