Study on Freshwater Ecosystem Service Flow in Watersheds of Southeastern Fujian under Water Pollution Stress
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摘要:
淡水生态系统服务的空间流动和供需分析是当前生态系统服务研究的前沿热点。目前对于生态系统服务的流动路径研究鲜有报道, 且已有研究较少考虑水质调节服务对于淡水供给服务流的影响。闽东南地区流域受人类活动扰动大, 存在典型的水质型缺水问题。该研究选取福建省平和县花山溪流域作为研究区域, 利用InVEST模型、情景设置、供需分析等方法, 从子流域尺度和行政区(乡镇)尺度揭示水质胁迫(以氮为例)对淡水供给服务的影响, 分别定量并可视化自然状态和供需平衡状态下淡水供给服务的供需情况和流动路径。结果表明: (1)基于子流域尺度的自然状态, 累积盈余流量为4.59×108 m3, 在水质胁迫的情景下削减为9.9×107 m3, 削减率为78.43%, 流向不受水质影响; (2)基于行政区尺度的供需平衡状态, 动态服务流量为4.63×107 m3, 在水质胁迫情景下约为4.02×107 m3, 削减率为13.17%, 水质影响下乡镇间水资源供需差异发生改变, 故流向发生变化, 霞寨镇从原先的相对供给区转变为相对受益区。该研究成果可为生态系统服务流的研究以及闽东南地区乡镇水资源管理提供一定的参考依据。
Abstract:Although freshwater ecosystem service flow regarding supply and demand has attracted wide attentions, few studies have considered the influence of water quality regulation service on fresh water provision service flow. The watersheds of southeastern Fujian are disturbed by human activities and typical water scarcity have been caused by pollution. Based on supply-demand analysis, InVEST model and scenario analysis were used to quantify ecosystem services supply, demand, and flows within Huashan Creek Watershed in Pinghe County, where freshwater ecosystem services are strongly affected by the intensive agricultural activities. The interactions of freshwater provision services (water quantity) and regulation services (water quality, taking nitrogen pollution as example) and their impacts on freshwater ecosystem services flow were addressed both at watershed scale (i.e., the natural status) and political scale (i.e., the proposed status). The results show that (1) In the context of watershed scale, the ecosystem services flows were 4.59×108 m3, and decreased to 9.9×107 m3 under nitrogen pollution stress with the reduction rate of 78.43%, while the paths of flow were not affected. (2) In the context of political scale (i.e., the proposed status), the dynamic flows of freshwater ecosystem services were about 4.63×107 m3, and decreased to 4.02×107 m3 considering water regulation services, with a reduction of 13.17%. Water quality have changed the supply and demand of ecosystem services, and subsequently altered the path of flows, which switched Xiazhai County from supplier to beneficiary. The results of the study could be references to the researches on ecosystem services flows and provide guidelines for regional/local water resources management.
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Keywords:
- ecosystem services flow /
- InVEST model /
- scenario analysis /
- flow analysis
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生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中获得的各种产品和惠益[1]，生态系统服务从供给区以某种形式和路径流向受益区的过程被认为是生态系统服务流[2]。从服务流的角度能更加直观地揭示生态系统服务的供需关系以及空间流动，也能更准确地量化生态系统服务真正作用于人类社会的部分[3-4]。淡水被认为是支持人类社会最重要的自然资源[5]，流域淡水生态系统服务作为能够为人类提供生态系统服务的核心[6]，其产生机制、流动过程与供需匹配机制关乎水资源的空间优化配置及其可持续利用。随着人类社会的高速发展，人类活动对流域淡水生态系统的利用和开发强度越来越大，导致多种生态服务退化或消失。近年来，从“水十条”的颁布到“河长制”的提出，再到“碧水保卫战”的打响，水资源保护和流域治理也成为我国国家战略行动和地方重大需求[7-10]。
当前关于淡水供给服务的研究，正逐渐从静态的淡水供给量化研究发展为动态的淡水供给流动研究，越来越多研究者开始运用“源-汇”框架[11-12]，从供给和需求的角度研究淡水供给服务[13-16]，并通过下垫面特征模拟淡水供给服务流[17]。李萍[18]根据淡水供给指数(fresh water provision index, FWPI)将水量供给数据和水质营养盐数据相结合，运用SWAT模型量化了密西西比河流域淡水供给服务。董丽青[19]结合InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)模型与SPANs(service path attribution networks)模型，以机井、自来水厂、水库等为供给区，以工业、农业、生活用地为需求区，通过供需量插值构建万家寨水利枢纽地区的淡水供给服务流。陈登帅等[20]根据水资源安全指数(water security index, WSI)，以淡水资源供需比来反映延河流域各个子流域的供需平衡情况，进而结合高程与水系刻画淡水供给服务流。QIN等[21]结合服务路径属性网络模型(SPANs)与ArcGIS流向分析, 模拟了黄河流域的山东、河南的水流情况，以基于河网栅格的水流流向代表淡水供给服务流。
目前关于淡水供给服务流的研究仍存在以下问题: (1)服务流流量方面，产水量的模拟多为流域尺度，需水量的模拟为行政区尺度，但是目前基于供需关系服务流的研究仅局限在单一的流域尺度或行政区尺度，缺乏综合考虑2个尺度之下的服务流流量差别[22-23]；(2)服务流路径方面，目前大多数淡水供给服务流的研究集中在自然水源供给方面，供给服务的流动路径多是基于地形地貌的自然高度落差[21]，但实际上淡水供给服务最终要被人类所利用，要经过水厂、管道等人工处理和运输环节，仅基于地形的水资源空间流动不能全面地反映实际情况；(3)生态系统提供淡水供给服务时，不仅体现在水量供给方面，也体现在水质调节上[17, 24-25]，只有符合水质使用标准的淡水才能真正为人类所用，而目前在涉及淡水供给服务流的研究中，多数侧重水量的供给和需求，但对于水质情况的关注较少，水中的营养盐如何影响淡水供给服务的空间分布格局与流动路径[26]，仍需要进一步研究。
综合已有研究存在的问题，笔者结合水质调节服务，从自然状态和供需平衡状态2种不同的角度分别探究淡水供给服务的流动路径，综合考虑自然生态过程与人类社会过程对生态系统服务流的影响。福建省漳州市平和县近30 a来大力开发蜜柚种植产业，2017年蜜柚种植面积达267 km2，超过总流域面积的1/4。而单一化过度发展蜜柚产业带来了严重的水土污染问题，出现水体硝酸盐超标等现象，严重威胁当地居民和下游漳州两大水厂的饮用水安全，对于研究水质调节服务对淡水供给服务的影响具有典型性。该研究旨在结合生态系统服务间交互关系，并尝试从自然状态和供需平衡状态分别探究淡水供给服务的流动路径，创新点在于探究水质调节服务对不同尺度的淡水供给服务供需分布格局与空间流动的影响，对水质型缺水问题严重的闽东南地区流域的水资源调配与管理有一定的参考意义。
1. 研究区域与数据来源
1.1 区域概况
花山溪流域位于福建省漳州市平和县(24°11′~24°31′ N，117°05′~117°25′ E)(图 1)。花山溪是九龙江西溪三大支流之一，发源于平和县双尖山，自北向南流经霞寨镇、国强乡后折向东北，流经坂仔镇、小溪镇后往东北方向经山格镇，最终汇入九龙江西溪。花山溪全长约88 km，平均坡降2.8‰[27]，流域面积约864 km2，流域总人口约20万人。花山溪流域属亚热带季风气候区, 多年平均气温约为20.9 ℃，降水量的年际变化较大，多年平均降水量为980~2 100 mm。植被覆盖率较高，以亚热带常绿阔叶林为主。土壤以红壤、赤红壤、水稻土和黄壤为主。此外，流域内土地利用以林地、园地、耕地为主，其中林地面积最大，占比为40.5%。
1.2 数据来源
研究选取的数据主要包括花山溪流域年降水量、年潜在蒸散量、土壤属性数据、土地利用数据、DEM数字高程数据、归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、社会经济统计数据、水质数据等。其中年降水量数据来自中国气象数据网合计10个站点2017年的年降水量监测数据；年潜在蒸散量数据从全球干旱与潜在蒸散数据库(Global Aridity and PET Database)获取；土壤属性数据取自世界土壤数据库(HWSD)；土地利用数据取自当地测绘部门，经合并后分为9类；DEM数字高程模型数据取自中国地理空间数据云平台；人口分布、GDP分布和NDVI取自中国科学院资源与环境科学数据中心，各项用水指标取自《2017年福建省水资源公报》。所有栅格数据经重采样和裁剪处理，得到像元大小为30 m×30 m的研究区域范围数据。
2. 研究方法
研究构建了一套适用于淡水生态系统服务流定量评估与可视化制图的研究方法框架，主要分为3个部分(图 2)：(1)收集和处理基础自然地理数据和社会经济数据，构建GIS空间地理数据库；(2)从生态系统服务的产出和需求2个模块入手，使用InVEST模型和ArcGIS软件进行定量供需分析与空间制图，并结合水质调节服务量进行情景分析，确定生态系统服务供需比与潜在服务流量；(3)结合地形地貌特征与社会供需特征，在子流域和乡镇2种尺度下，分情况讨论有/无水质胁迫情景下的淡水供给服务空间流动的方向与流量。
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图 2 生态系统服务流定量评估与可视化方法框架Figure 2. Schematic diagram for quantitative assessment and visualization methods of ecosystem service flow2.1 生态系统服务定量方法
2.1.1 淡水供给服务
选用InVEST模型“Water Yield”子模块对花山溪流域的淡水供给服务进行定量制图，其核心算法是基于水量平衡公式[28]。通过降水量、蒸散量的平衡，结合土壤属性数据、土地利用数据、植物可利用水、季节因子等影响下渗与蒸腾的因素，最终借由ArcGIS平台，以栅格图层的形式呈现某个区域的产水量分布情况。
$$ {Y_x} = \left( {1 - \frac{{{A_x}}}{{{P_x}}}} \right) \times {P_x}。 $$ (1) 式(1)中，Yx为栅格单元x的年产水量，mm；Px为栅格单元x的年降水量，mm；Ax为栅格单元x的年实际蒸散量，mm。其中，Ax/Px采用傅抱璞[29]和ZHANG等[30]提出的Budyko水热耦合平衡假设公式进行下一步的转化：
$$ \frac{{{A_x}}}{{{P_x}}} = 1 + \frac{{{T_x}}}{{{P_x}}} - {\left[ {1 + {{\left( {\frac{{{T_x}}}{{{P_x}}}} \right)}^\omega }} \right]^{\frac{1}{\omega }}}。 $$ (2) 式(2)中，Tx为栅格单元x的年潜在蒸散量，mm，与特定土地利用类型的植被蒸散系数有关；ω为与自然气候和土壤性质相关的非物理参数。
2.1.2 水质调节服务
选用InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模块对花山溪流域的水质调节服务进行定量制图，水质净化模块主要评估的是流域对氮、磷2种营养物的净化能力。由于花山溪流域以农业氮污染为主，评估结果以氮输出量来表示，输出到河流中的氮越多，表明流域受到的污染越严重，以此代表水质胁迫对于淡水供给服务的影响。
地表径流中的氮磷通过植被缓冲带和土壤后，其中部分被植物吸收、微生物固定、硝化反硝化后截留。该模块基于改进后的输出系数法，考虑了氮磷营养物在输移过程中的截留和沉积，其基本原理是先计算每一个像元的养分持留量，然后总结每一个流域的养分输出和持留量。其主要公式为
$$ {V_x} = {H_x} \times {l_x}。 $$ (3) $$ {H_x} = {\lambda _x}/{\lambda _w}。 $$ (4) $$ {\lambda _x} = \lg \left( {\sum\limits_U {{Y_u}} } \right)。 $$ (5) 式(3)~(5)中，Vx为营养物输出值, kg；Hx为水文敏感性得分；lx为输出系数；λx为径流指数；λw为流域平均径流指数；$\sum\limits_U {{Y_u}} $为栅格产水量总和, m3。
2.1.3 部分模型参数列表
结合文献[31-35]以及InVEST模型操作手册，定量花山溪流域淡水供给服务和水质调节服务的生物物理属性表，部分参数如表 1所示。季节常数Z根据流域出水口流量进行校正，取值3.01。汇流累积量阈值、地下径流氮最大保留率和最大保留率下氮的输送距离参考国内相似地区研究成果以及模型使用手册[36-39]，分别取值1 000、0.81、300。
表 1 InVSET模型部分参数Table 1. Partial parameter list of InVEST model用地类型 LULC_veg root_depth/mm Kc load_n eff_n crit_len_n/m 耕地 1 2 100 1.15 11.00 0.40 25 草地 1 1 800 0.65 3.00 0.48 150 园地 1 3 000 0.80 16.00 0.40 25 林地 1 3 900 1.10 1.60 0.81 300 建设用地 0 10 0.30 10.00 0.05 10 裸地 0 10 0.20 0.01 0.05 10 水域 0 10 1.00 0.01 0.05 10 工业用地 0 10 0.20 10.00 0.05 10 道路 0 10 0.10 0.01 0.05 10 LULC_veg为蒸散参数，有植被覆盖地类赋值为1，其他土地利用类型赋值为0；root_depth为植被覆盖地类的最大根系深度；Kc为每种土地利用类型的植物蒸散系数；load_n为氮输出负荷系数，代表各土地利用分类的养分负载；eff_n为植被最大氮磷滞留效率，代表每个像素大小的LULC分类的植被过滤百分比；crit_len_n为氮滞留临界距离，代表土地利用类型滞留营养物最大距离。 2.2 用水量定量方法
鉴于InVEST模型在计算淡水供给量模块时，根据土壤属性数据和植物可利用水，已经考虑了研究区域内生态用水的部分[40]，因此在定量花山溪流域淡水供给服务的需求与消费时，将用水需求量定义为3个部分：
$$ {W_x} = {D_x} + {G_x} + {A_x}。 $$ (6) 式(6)中，Wx为栅格单元x的年用水需求量，m3；Dx为栅格单元x的居民生活用水年需求量，m3；Gx为栅格单元x的产业生产用水年需求量，m3；Ax为栅格单元x的农田灌溉用水年需求量，m3。
根据彭建等[41]的方法，基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，计算淡水供给服务供需比(RESD)，将花山溪流域淡水供需情况进行空间可视化。
$$ {R_{{\rm{ESD}}}} = \frac{{S - D}}{{\left( {{S_{\max }} + {D_{\max }}} \right)/2}}。 $$ (7) 式(7)中，S为生态系统服务供给；D为生态系统服务需求；Smax为生态系统服务供给最大值；Dmax为生态系统服务需求最大值。
2.3 服务流分析方法
关于生态系统服务的流动分析主要包括流量和流向。基于淡水供给量和用水需求量，计算各个乡镇单元和子流域的淡水盈余量，由于盈余的淡水供给服务具有补充其他区域的潜在能力[42]，因此将栅格单元在原位的淡水供给量扣减原位用水需求量后剩余的淡水盈余量定义为潜在服务流流量。对于服务流的流动路径，结合现有文献的方法，分2类讨论：一类是基于子流域高程的自然状态服务流[21, 43]，另一类是基于各行政区淡水供需情况的平衡状态服务流[20]。
2.3.1 基于子流域尺度的自然状态服务流
自然状态服务流方向主要根据“D8算法”[44]，基于花山溪流域水系分布和DEM数字高程模型，淡水供给服务流从上游子流域流向下游子流域，代表了自然状态下淡水供给服务在各个子流域间的流动方向。
依照LI等[43]和QIN等[21]的方法，在自然状态下，水系将上游子流域的淡水盈余量累加至下游子流域，此部分流量只考虑地形和重力作用下淡水供给服务流的流量情况，将其定义为累计盈余流量。
基于DEM数字高程模型的自然状态服务流可以反映流域淡水资源在不受人类活动干扰下的流动路径，对于流域上下游地区的水资源自然调配有一定的研究意义。
2.3.2 基于行政区尺度的供需平衡状态服务流
供需平衡驱动的服务流方向通过统计和比较各个乡镇区域的淡水盈余量，划分相对供给区和相对受益区，动态淡水供给服务流的方向由相对供给区流向相对需求区，可以代表在水资源供需平衡的驱动下，人类需水活动对服务流方向的影响。供需平衡状态下基于乡镇间淡水供给服务流的方向，由乡镇间潜在服务流量相对大小决定。
将相邻乡镇单元的潜在服务流量作差，参考水资源供需平衡相关研究[45-46]，将潜在服务流量差值的1/2定义为这2个相邻区域间的动态服务流量。基于各乡镇淡水供需情况的平衡状态服务流可以反映流域淡水资源在人类需水活动的驱动下，通过区域调水的形式在行政区间的流动，以达到各地区水资源供需平衡的结果，是一种基于结果假设的服务流，对于跨区域调水有一定的借鉴作用。
2.4 水质胁迫情景分析方法
根据HUANG等[47]对于九龙江流域的研究，流域土地利用变化会影响流域局部与整体的氮输出与氮负荷，水质氮指标超标将严重影响淡水可利用率，即导致水质型缺水问题。因此，可以认为水质胁迫对于水资源供给是一种削减作用。采用情景分析的方法，基于InVEST模型“Nutrient Delivery Ratio”子模块模拟的流域氮输出图层，以流域像素单元的氮输出量代表水质调节服务的高低。假设水质胁迫的情景对于流域淡水供给量有削减作用，按氮输出量从高到低依次重分类，赋值为0.1~0.9。基于ArcGIS 10.2的“Raster Calculator”工具，将水质权重赋予InVEST模型生成的产水分布栅格图，探究水质胁迫对淡水供给服务的影响。
3. 结果与分析
3.1 淡水供给服务供需分析
按照2.1和2.2节中的方法，定量并可视化淡水供给量与用水需求量，并计算生态系统服务供需比，绘制2017年花山溪流域淡水供给服务量和淡水供给服务供需比分布图(图 3)。
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图 3 花山溪流域淡水供给服务量和生态系统服务供需比分布Figure 3. Spatial distribution of freshwater provision services and ratio of freshwater ecosystem services supply and demand in Huashan Creek Watershed花山溪流域2017年淡水供给服务总量约为6.13×108 m3，用水需求总量约为1.52×108 m3，产水量整体较高，其中产水量高值区集中在霞寨镇与山格镇。从淡水供需平衡的角度，生态系统服务供需比在大部分地区呈现较高的正值，说明淡水资源可以实现原位的自给自足，负值区主要集中在需水量较大的耕地。
3.2 水质胁迫情景分析
按照2.4节中的方法，定量并可视化氮输出量，并计算水质胁迫削减比，绘制2017年花山溪流域的氮输出量和水质胁迫削减比分布图(图 4)。
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图 4 花山溪流域氮输出量和水质胁迫削减比分布Figure 4. Simulation of nitrogen output and water quality reduction ratio in Huashan Creek Watershed花山溪流域2017年氮输出总量约为2.69×105 kg，氮输出高值区主要分布于霞寨镇、小溪镇和坂仔镇。较高的氮输出值说明水质污染严重，对于淡水供给服务会有一定的削减作用。水质胁迫导致的淡水供给服务削减主要集中于园地，说明当地蜜柚果园种植对于水资源的影响严重。
3.3 潜在淡水供给服务流
3.3.1 潜在服务流量的空间布局
按照2.3节中的方法，定量可视化有/无水质胁迫情景下的潜在服务流量，绘制了2017年花山溪流域潜在淡水供给服务流量分布栅格图(图 5)。
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图 5 花山溪流域在有/无水质协迫下的淡水供给服务流分布Figure 5. Distribution of freshwater provision service flow with/without considering water quality streg in Huashan Creek Watershed在无水质胁迫情景下，花山溪流域2017年潜在服务流量约为4.63×108 m3，流域内大部分区域处于较高水平，以耕地为代表的部分区域出现负值。在水质胁迫情景下，花山溪流域整体的潜在服务流量受到了削减，降低为9.86×107m3，其中低流量区域受到更大的影响。
3.3.2 潜在服务流量：子流域统计结果
为探究淡水供给服务在自然地形的高度差驱动下的流动情况，计算区域淡水盈余总量，进一步分析了各子流域的潜在服务流量(图 6)。
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图 6 花山溪流域不同子流域在有/ 无水质协迫下的生态系统服务流Figure 6. Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different sub-watersheds with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed在不考虑水质胁迫的情景下，潜在服务流量最大和最小的子流域分别是钟腾溪流域(1.33×108 m3)，山格溪流域(4.9×107 m3)，其余子流域的潜在服务流量从5.29×107到8.59×107 m3不等。
在水质胁迫的情景下，各子流域的潜在服务流量均受到不同程度削减，潜在服务流量最大和最小的子流域分别是钟腾溪流域(2.84×107 m3)和山格溪流域(5.70×106 m3)，其余乡镇潜在服务流量从8.79×106到2.15×107 m3不等。
3.3.3 潜在服务流量: 乡镇行政单元统计结果
为探究淡水供给服务在区域间水资源供需平衡驱动下的流动情况，计算区域淡水盈余总量，进一步分析了各乡镇行政单元的潜在服务流量，结果如图 7所示。
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图 7 花山溪流域不同乡镇的生态系统在有/ 无水质胁迫下的生态系统服务流Figure 7. Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different township with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed在不考虑水质胁迫的情景下，潜在服务流量最大和最小的乡镇分别是霞寨镇8.97×107 m3，南胜镇4.43×107 m3，其余乡镇潜在服务流量从7.50×107到8.62×107 m3不等。
在水质胁迫的情景下，各乡镇的潜在服务流量均受到不同程度削减，潜在服务流量最大和最小的乡镇分别是国强乡(2.46×107 m3)和南胜镇(7.76×106 m3)，其余乡镇潜在服务流量从7.77×106到2.34×107 m3不等。
3.4 基于子流域尺度的自然状态服务流
按照2.3.1节中的方法，定量可视化花山溪流域基于地形水系的自然状态服务流方向与各子流域累积盈余量分布图(图 8)。
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图 8 花山溪流域自然状态服务流方向与各子流域累计盈余量分布Figure 8. The natural state service flow direction and the distribution of cumulative surplus in each sub-watershed in Huashan Creek Watershed自然状态下，花山溪流域的淡水供给服务流方向与河流方向一致，由上游子流域流向下游子流域，流动方向不受区域淡水供需情况以及水质胁迫的影响。上游地区的钟腾溪子流域是最主要的供给区，同时高磜溪、牛头溪和南胜溪子流域由于地势原因，河流汇入下游地区，因此也属于供给区。坂仔溪和山格溪子流域位于花山溪流域下游平原地区，接受上游地区的淡水供给，是主要的受益区。从累计盈余流量的角度，花山溪流域的水质胁迫对各个子流域的流量都产生了明显的削减作用，最终汇入下游山格溪流域的累计盈余流量从4.59×108削减为9.9×107 m3，削减约78.4%。
3.5 基于行政区尺度的供需平衡状态服务流
为探究各乡镇在达到水资源供需平衡的假设状态下，淡水供给服务的空间流动路径，按照2.3.2节中方法，定量可视化花山溪流域淡水供给服务流方向与各乡镇间的动态服务流量柱状图，如图 9~10所示。为更直观展示流量大小，将所有流量排序后，按照大小将前40%和后30%分别定义为大流量和小流量，其余定义为中流量。
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图 9 花山溪流域在有/无水质胁迫下的淡水供给服务流方向Figure 9. Direction of freshwater provision service flow with/without considering water quality in Huashan Creek Watershed![]()
图 10 花山溪流域在有/无水质胁迫下的动态服务流量-服务流方向Figure 10. Dynamic service flow direction statistics with/without considering water quality in Huashan creek watershed如图 9所示，基于淡水供需情况，各乡镇淡水供给服务流在不考虑水质胁迫影响的情况下，多以小流量为主，服务流量总量约4.63×107 m3。服务流方向按流量从大到小依次为坂仔镇→南胜镇、霞寨镇→国强乡、坂仔镇→国强乡、霞寨镇→小溪镇、山格镇→小溪镇、坂仔镇→小溪镇、霞寨镇→坂仔镇、霞寨镇→山格镇。霞寨镇是主要的供给区，国强乡和小溪镇是主要的受益区。
在水质胁迫的情景下，基于淡水供需情况的各乡镇淡水供给服务流在流量大小和流动方向上发生了较大改变，服务流量总量约4.02×107 m3。区域间大流量、中流量服务流增多，反映水质胁迫加剧了乡镇间水资源的供需差异。服务流方向按流量从大到小依次为国强乡→霞寨镇、小溪镇→霞寨镇、坂仔镇→南胜镇、坂仔镇→霞寨镇、山格镇→霞寨镇、小溪镇→山格镇、国强乡→坂仔镇、小溪镇→坂仔镇。水质胁迫的情景使得花山溪流域淡水供给服务的供给区和受益区发生了改变，国强乡和小溪镇转变为主要的供给区，霞寨镇转变为主要的受益区。
4. 讨论
4.1 淡水供给服务的定量与空间流动
供需定量方面，研究估算2017年花山溪流域淡水供给服务总量约为6.13×108 m3，平均产水量约为67.7 m3·km-2，与其他研究中估算的福建省产水量相比偏高[48-49]，原因在于花山溪流域位于福建省南部，降水量高于福建省平均水平[49]。用水需求总量约为1.52×108 m3，全流域潜在服务流量约为4.61×108 m3，生态系统服务供需比＜0的地区主要集中在耕地区，符合花山溪流域以农业灌溉用水为主的特征。
流动分析方面，基于子流域高程的自然状态服务流路径与陈登帅等[20]运用SWAT模型在延河流域的淡水资源供需分析以及张欣蓉等[50]对喀斯特地貌区生态系统服务流的研究结果一致，以水系为流动路径，这与QIN等[21]与LI[43]等在京津冀地区以及山东—河南地区的淡水供给服务流的研究结果(以像元形式呈现的流动)有所不同，但可以更直观地体现水资源在流域间的流动过程。基于供需平衡状态服务流与各个乡镇的水资源供需情况有关，孙雪萍[40]在张承地区的淡水供给服务流研究中，综合考虑了各个行政区的水资源供需情况，由于张承地区位于我国东北部，存在有典型的淡水资源无法自给自足的受益区，供给区和受益区划分明显。从水量角度，花山溪流域各乡镇都能实现供水自足，因此笔者在定义服务流量时以区域间淡水资源的差值来划分相对供给区和受益区，对于水资源总量充沛，但存在水质型缺水问题地区的淡水供给服务空间流动研究有一定的参考价值。
研究尺度方面，采用子流域、乡镇行政区2种不同尺度，子流域尺度下的累计盈余流量高于乡镇尺度下的动态服务流量，同时氮污染对服务流的削减幅度也更大。其原因在于子流域尺度的自然状态服务流是水量从上游往下游的叠加，水质的影响是对水量的直接削减，流动方向不发生改变。而乡镇尺度的供需平衡状态服务流是基于乡镇间水资源供需的差异，总流量和削减比可能较子流域尺度偏低。因此在区域水资源管理与调配中需要结合流域过程和社会供需情况综合考虑2种尺度。
4.2 水质调节服务对淡水供给服务的影响
衡量水质调节服务对于淡水供给服务的影响主要是利用氮输出对淡水资源可利用性的削减，2017年花山溪流域的氮输出对于产水量的平均削减率约为59.14%。从基于地形的自然状态服务流角度，水质胁迫对下游山格溪子流域累计盈余流量的削减率约为78.43%。从基于各乡镇淡水供需情况的平衡状态服务流角度，水质胁迫对乡镇间动态服务流总量削减率约13.17%，同时水质胁迫情景下，淡水供给服务的流动方向也发生了变化，相对供给区和相对受益区有所改变。
已有研究表明，土地利用等人类活动是驱动河流氮输出空间变异性的主要因子[51-52]，城市化扩张和农业活动会加剧河流氮的污染程度[53]。相似研究中关于水质对于产水量的影响通过不同尺度下的相关系数判定协同与权衡关系[54-56]。潘翔[39]在评估河湟地区生态系统服务交互关系时，计算出淡水供给服务和水质调节服务有37.04%的县区呈正相关，9.26%的县区呈负相关，然而结果无法以地图形式定量描绘水质对于水量的影响。该研究侧重定量描述水质对于淡水供给的削减，创新使用水质赋权的方法，将服务间交互关系以空间可视化的形式呈现。
4.3 流域淡水生态系统服务影响因素
为探究花山溪流域淡水生态系统服务空间分布格局的主要影响因素，以产水量和氮输出量为代表，计算淡水供给服务、水质调节服务与降水、NDVI、坡度等自然因素以及土地利用类型占比等人类活动因素的相关性[37, 39](图 11)。
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图 11 花山溪流域淡水生态系统服务影响因素的相关性分析Figure 11. Correlation analysis of influencing factors of freshwater ecosystem services in Huashan Creek Watershed由相关性分析结果可得，产水量与降水显著正相关(r=0.95，P<0.05)，与NDVI极显著正相关(r=0.93, P<0.01)。这与YANG等[57]和JIANG等[58]通过敏感性分析方法研究流域产水量影响因素的结果一致，说明降水量是流域淡水供给服务的主要驱动力，植被覆盖是通过改变下垫面特征和蒸散发调节来改变产水量[59]。需水量与NDVI显著正相关(r=0.85, P < 0.05)，与耕地面积极显著正相关(r=0.97, P < 0.01)。花山溪用水需求量主要由耕地面积决定，符合当地以农业用水灌溉为主的特点[60]。氮输出量与园地面积显著正相关(r=0.82, P < 0.05)，与林地面积显著负相关(r=-0.83, P < 0.05)。水质调节服务影响因素的分析结果验证了花山溪流域由于大规模蜜柚种植业引发水环境污染的现状[60-61]，也说明林地对于氮营养盐有一定的缓冲和吸附作用[62-64]，与韩蕊等[65]在川东地区以及孟浩斌等[66]在三峡库区水质调节服务影响因素的研究结果一致。
5. 结论
基于InVEST模型，评估了花山溪流域2017年淡水供给量、用水需求量和氮输出量空间分布情况，使用情景分析的方法，以氮为例讨论了有/无水质胁迫情景下子流域尺度以及供需平衡状态下乡镇尺度的淡水供给服务的空间流动，主要定量研究结果如下：
(1) 子流域尺度基于地形高程的自然状态服务流最终汇入位于下游的山格溪子流域，累计盈余流量4.59×108 m3，在水质胁迫的情景下削减为9.9×107 m3，削减率为78.43%，流动方向由地形水系决定，不受水质的影响。对于流域上下游地区的水资源自然调配有一定参考价值。
(2) 乡镇尺度基于各乡镇淡水供需情况的平衡状态服务流总量约4.63×107 m3，在水质胁迫情景下约4.02×107 m3，削减率为13.17%，水质胁迫使得乡镇间动态服务流量增大，加剧区域供需差异，同时改变了淡水供给服务流方向，在水质影响下霞寨镇从相对供给区转变为相对受益区。区域间水资源管理和调配需要综合考虑水质和水量。
(3) 花山溪流域的淡水供给服务与降水量和NDVI显著正相关，用水需求量主要受耕地面积影响，水质调节服务与园地面积显著负相关，与林地面积显著正相关，说明花山溪流域的综合整治需要重点管控果园面积和化肥施用，推广天然林地的种植与保护。
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图 2 生态系统服务流定量评估与可视化方法框架
Figure 2. Schematic diagram for quantitative assessment and visualization methods of ecosystem service flow
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图 3 花山溪流域淡水供给服务量和生态系统服务供需比分布
Figure 3. Spatial distribution of freshwater provision services and ratio of freshwater ecosystem services supply and demand in Huashan Creek Watershed
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图 4 花山溪流域氮输出量和水质胁迫削减比分布
Figure 4. Simulation of nitrogen output and water quality reduction ratio in Huashan Creek Watershed
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图 5 花山溪流域在有/无水质协迫下的淡水供给服务流分布
Figure 5. Distribution of freshwater provision service flow with/without considering water quality streg in Huashan Creek Watershed
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图 6 花山溪流域不同子流域在有/ 无水质协迫下的生态系统服务流
Figure 6. Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different sub-watersheds with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed
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图 7 花山溪流域不同乡镇的生态系统在有/ 无水质胁迫下的生态系统服务流
Figure 7. Comparisons of freshwater ecosystem service flow for different township with/without considering water quality in the Huashan Creek Watershed
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图 8 花山溪流域自然状态服务流方向与各子流域累计盈余量分布
Figure 8. The natural state service flow direction and the distribution of cumulative surplus in each sub-watershed in Huashan Creek Watershed
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图 9 花山溪流域在有/无水质胁迫下的淡水供给服务流方向
Figure 9. Direction of freshwater provision service flow with/without considering water quality in Huashan Creek Watershed
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图 10 花山溪流域在有/无水质胁迫下的动态服务流量-服务流方向
Figure 10. Dynamic service flow direction statistics with/without considering water quality in Huashan creek watershed
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图 11 花山溪流域淡水生态系统服务影响因素的相关性分析
Figure 11. Correlation analysis of influencing factors of freshwater ecosystem services in Huashan Creek Watershed
表 1 InVSET模型部分参数
Table 1 Partial parameter list of InVEST model
用地类型 LULC_veg root_depth/mm Kc load_n eff_n crit_len_n/m 耕地 1 2 100 1.15 11.00 0.40 25 草地 1 1 800 0.65 3.00 0.48 150 园地 1 3 000 0.80 16.00 0.40 25 林地 1 3 900 1.10 1.60 0.81 300 建设用地 0 10 0.30 10.00 0.05 10 裸地 0 10 0.20 0.01 0.05 10 水域 0 10 1.00 0.01 0.05 10 工业用地 0 10 0.20 10.00 0.05 10 道路 0 10 0.10 0.01 0.05 10 LULC_veg为蒸散参数，有植被覆盖地类赋值为1，其他土地利用类型赋值为0；root_depth为植被覆盖地类的最大根系深度；Kc为每种土地利用类型的植物蒸散系数；load_n为氮输出负荷系数，代表各土地利用分类的养分负载；eff_n为植被最大氮磷滞留效率，代表每个像素大小的LULC分类的植被过滤百分比；crit_len_n为氮滞留临界距离，代表土地利用类型滞留营养物最大距离。 
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