吳 丹, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 曹 巍

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

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三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)評估

吳 丹1,2, 邵全琴2, 劉紀(jì)遠(yuǎn)2, 曹 巍2

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

摘要：[目的] 分析青海省三江源地區(qū)生態(tài)工程實(shí)施前后生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的變化情況，客觀評估生態(tài)工程的效果。[方法] 采用降水貯存量法估算三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量。[結(jié)果] 1997—2012年三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)在波動中有所提升，平均水源涵養(yǎng)量為1.54×1010m3/a，單位面積水源涵養(yǎng)量為430.67 m3/hm2。三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程實(shí)施后(2005—2012年)林草生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量比前期(1997—2004年)增加了15.60%。從空間格局而言，三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力自東南向西北逐漸遞減。單位面積水源涵養(yǎng)量瀾滄江流域最高，其次為黃河流域，長江流域最低。真實(shí)氣候條件和平均氣候狀況下，生態(tài)工程實(shí)施后的區(qū)域林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量均比前期高。前期主要受到區(qū)域氣候變化的影響，后期則疊加了生態(tài)工程的驅(qū)動作用。兩種情況下，生態(tài)工程實(shí)施后三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的線性變化趨勢分別為1.94×109和4.64×108 m3/10 a。[結(jié)論] 生態(tài)工程對三江源地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)提升的貢獻(xiàn)率約為23.98%。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 水源涵養(yǎng)量; 降水貯存量法; 三江源地區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 吳丹, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等.三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)評估[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：206-210.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.035

20世紀(jì)90年代以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)今國際生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前言和熱點(diǎn)[1-2]。水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)之一，是植被層、枯枝落葉層和土壤層對降雨進(jìn)行再分配的復(fù)雜過程[3-5]。植被以其繁茂的林冠層、林下的灌草層、枯枝落葉層和疏松而深厚的土壤層，構(gòu)建了截留、吸收和貯存大氣降水的良好環(huán)境，發(fā)揮陸地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)，起到削弱降雨侵蝕力，改善土壤結(jié)構(gòu)，削減洪峰流量、減少地表徑流、調(diào)節(jié)河川流量等作用[6-8]。

近年來，青海三江源地區(qū)因受全球氣候變暖和人類活動加劇的雙重作用，生態(tài)狀況持續(xù)退化，受到了全國各界的廣泛關(guān)注[9-12]。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)簡單，生態(tài)環(huán)境較為敏感和脆弱，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與服務(wù)極易受到自然和人為因素的影響[13-14]。為此，2005年國家批準(zhǔn)了《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》，投資7.5×109元開展生態(tài)工程建設(shè)。本研究以生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量為評估指標(biāo)，通過分析三江源地區(qū)生態(tài)工程實(shí)施前后全區(qū)、流域水源涵養(yǎng)服務(wù)的變化情況，厘定氣候變化和人類活動對水源涵養(yǎng)服務(wù)的貢獻(xiàn)，客觀評估生態(tài)工程的效果，以期為生態(tài)工程的長期規(guī)劃與科學(xué)部署提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

三江源地區(qū)(31°39′—36°12′N，89°45′—102°23′E)位于青海省南部，地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江3大河流的發(fā)源地，素有“中華水塔”之稱。行政區(qū)域涉及青海省玉樹、果洛、海南、黃南4個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉山鄉(xiāng)，總面積為3.63×105km2。

三江源地區(qū)以山地地貌為主，山脈綿延、山勢高聳、地形復(fù)雜，海拔4 000～5 800 m的高山是該區(qū)地貌的主要骨架。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷母咴箨懶詺夂?，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日溫差大、日照時間長、輻射強(qiáng)烈的氣候特征。冷季為青藏冷高壓控制，熱量低、降水少、風(fēng)沙大；暖季受西南季風(fēng)影響產(chǎn)生熱氣壓，水汽豐富、降水量多。年平均降水量262.2～772.8 mm，其中6—9月降水量約占全年降水量的75%。區(qū)內(nèi)河流密布，湖泊、沼澤眾多，雪山冰川廣布，是世界上海拔最高、濕地面積最大、濕地類型最為豐富的地區(qū)。其特殊的地理位置、獨(dú)特的氣候特征、典型的高寒植被系統(tǒng)和豐富的物種資源，使其在全國甚至全球生態(tài)系統(tǒng)中占有非常突出的戰(zhàn)略地位。

根據(jù)LUCC遙感解譯與生態(tài)系統(tǒng)類型信息獲取，2012年三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型以草地為主，草地生態(tài)系統(tǒng)面積占三江源地區(qū)總面積的65.44%；其次為由裸土地、裸巖礫石地、荒漠等構(gòu)成的其他生態(tài)系統(tǒng)類型，面積占比為21.13%，集中分布在中、西部高海拔地區(qū)；森林生態(tài)系統(tǒng)面積占4.70%，主要分布在東部及中南部降水較為充沛的區(qū)域；水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積占8.46%；農(nóng)田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)在三江源地區(qū)分布較少，面積占比分別為0.26%和0.02%。

2研究方法與數(shù)據(jù)

2.1研究方法

本研究以降水貯存量法來衡量生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的能力[15]，國內(nèi)學(xué)者亦采用該方法對區(qū)域或國家尺度森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了估算研究[16-18]。該方法用公式可表示為：

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中：Q——與裸地相比較，森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(m3)；A——生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；J——研究區(qū)年產(chǎn)流降雨量(mm)；J0——研究區(qū)年降雨量(mm)；K——研究區(qū)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；R——與裸地相比較，生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；R0——產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg——產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

2.2數(shù)據(jù)來源與處理

三江源地區(qū)年均降雨量通過對該區(qū)及其周邊氣象站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)插值而成。

產(chǎn)流降雨量是指發(fā)生產(chǎn)流的降雨量總和。研究發(fā)現(xiàn)，并非所有的降雨都能形成徑流，只有在降雨量和雨強(qiáng)滿足一定的條件后才有可能產(chǎn)流。通過搜集已公開發(fā)表文獻(xiàn)中用徑流小區(qū)實(shí)測的降雨產(chǎn)流臨界值，根據(jù)點(diǎn)位信息，以臨近國家氣象臺站實(shí)測日降雨數(shù)據(jù)修正同時期熱帶降雨測量衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission, TRMM)逐日3 h降雨量數(shù)據(jù)，累積單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值，得到單點(diǎn)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例(K值)；將上述K值與該點(diǎn)河川徑流系數(shù)建立線性關(guān)系，通過該線性關(guān)系，基于徑流系數(shù)分布圖即可得到區(qū)域K值的空間分布。

三江源地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率主要通過已有的文獻(xiàn)資料收集得到；草地生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率Rg通過草地植被覆蓋度fc計(jì)算得到[19]：

Rg=-0.318 7×fc+0.364 03

(4)

該區(qū)高寒草甸面積較大，植物種類繁多，植株低矮，生長密集，其土壤具有良好的涵養(yǎng)水源能力。不同植被覆蓋度下高寒草甸的降水產(chǎn)流特征采用李元壽等[20]在長江和黃河源區(qū)的研究結(jié)果。

3結(jié)果與分析

3.1真實(shí)氣候條件下三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化

3.1.1區(qū)域水源涵養(yǎng)服務(wù)變化為分析三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的實(shí)施效果，使數(shù)據(jù)具有可比性，本部分以生態(tài)工程實(shí)施前(1997—2004年)后(2005—2012年)各8 a生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行生態(tài)工程成效評估(圖1)。

圖1　1997-2012年三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量

如圖1所示，1997—2012年三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.54×1010m3/a，單位面積水源涵養(yǎng)量為430.67 m3/hm2。三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程實(shí)施前8 a(1997—2004年)林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.43×1010m3/a，工程實(shí)施后8 a(2005—2012年)平均水源涵養(yǎng)量為1.65×1010m3/a，相比增加了2.22×109m3/a(15.60%)。從空間分布上看，工程實(shí)施后三江源地區(qū)大部分范圍年平均水源涵養(yǎng)量均高于工程實(shí)施前。

三江源地區(qū)生態(tài)工程實(shí)施前(1997—2004年)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化趨勢為1.66×108m3/10 a，工程實(shí)施后(2005—2012年)水源涵養(yǎng)服務(wù)增加趨勢更為明顯，變化趨勢為1.94×109m3/10 a。

3.1.2流域水源涵養(yǎng)服務(wù)變化如圖2所示，三江源地區(qū)長江、黃河、瀾滄江流域林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)分布差異明顯，1997—2012年平均水源涵養(yǎng)量分別為6.12×109，6.29×109和2.55×109m3/a。就單位面積水源涵養(yǎng)量而言，以降水最為豐富的瀾滄江流域最高，為690.02 m3/hm2；其次為降水和氣溫相對理想的黃河流域，為624.77 m3/hm2；而降水較少、氣溫較低、海拔較高、以荒漠分布為主的長江流域最低，為371.59 m3/hm2。與整個三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力相比較，瀾滄江流域和黃河流域分別高60.22%和45.07%，長江流域則低13.72%。

圖2　　　　生態(tài)工程實(shí)施前后三江源地區(qū)分

長江、黃河、瀾滄江流域林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量在生態(tài)工程實(shí)施后均有所提高，分別增加了9.23×108，1.05×109和1.30×108m3/a。

3.2平均氣候狀況下三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化

3.2.1區(qū)域水源涵養(yǎng)服務(wù)變化為消除年際間氣候波動對估算結(jié)果的影響，本文采用了多年平均氣象插值數(shù)據(jù)參與計(jì)算(圖3)。

圖3　　　　平均氣候狀況下，1997-2012年

如圖3所示，1997—2012年三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.50×1010m3/a，單位面積水源涵養(yǎng)量為419.77 m3/hm2。三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程實(shí)施前8 a(1997—2004年)林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.47×1010m3/a，工程實(shí)施后8 a(1997—2004年)平均水源涵養(yǎng)量為1.52×1010m3/a，相比增加了5.35×108m3/a(3.63%)。

三江源地區(qū)生態(tài)工程實(shí)施前(1997—2004年)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化趨勢為-1.25×108m3/10 a，工程實(shí)施后(2005—2012年)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化趨勢為4.64×108m3/10 a。

3.2.2流域水源涵養(yǎng)服務(wù)變化如圖4所示，1997—2012年三江源地區(qū)長江、黃河、瀾滄江流域林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量分別為5.92×109，6.15×109和2.51×109m3/a。單位面積水源涵養(yǎng)量排序?yàn)椋簽憸娼饔?黃河流域>長江流域，依次為678.63，610.90和359.84 m3/hm2。與平均氣候狀況下三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力相比較，瀾滄江流域和黃河流域分別高61.66%和45.53%，長江流域則低14.28%。

圖4　　　　平均氣候狀況下，生態(tài)工程實(shí)施前后三江

長江、黃河、瀾滄江流域林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量在生態(tài)工程實(shí)施后均有所提高，分別增加了2.96×108，2.79×108和1.12×108m3/a。

3.3氣候變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)影響的厘定

三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)各項(xiàng)工程總

投資75億元，內(nèi)容包括退牧還草、退耕還林、草地鼠害治理、森林草原防火、生態(tài)搬遷工程、人工增雨工程等22個子項(xiàng)目。旨在通過對自然保護(hù)區(qū)和生態(tài)功能區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)的分步實(shí)施，基本上扭轉(zhuǎn)整個三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡性循環(huán)的趨勢，保護(hù)和恢復(fù)源區(qū)林草植被，遏制草地植被退化、沙化等高原生態(tài)系統(tǒng)失衡的趨勢，增加保持水土、涵養(yǎng)水源能力的生態(tài)目標(biāo)。

根據(jù)歷年《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)生態(tài)監(jiān)測報(bào)告》，截止到2012年，保護(hù)區(qū)內(nèi)共完成退牧還草6.31×106hm2，黑土灘治理1.85×105hm2，退耕還林1.02×104hm2，封山育林2.43×105hm2，沙漠化防治4.41×104hm2，草原鼠害防治7.85×106hm2。三江源地區(qū)于2005年開始實(shí)施人工增雨工程項(xiàng)目，共計(jì)投資1.60×108元。截止到2011年，該項(xiàng)目共增加降水量3.89×1010m3。

在2004年進(jìn)入生態(tài)建設(shè)工程期后，三江源地區(qū)氣候正由前期(1976—2004年)以暖干為主進(jìn)入后期(2005—2012年)以暖濕為主的階段(圖5)。全區(qū)年平均氣溫持續(xù)上升，加之人工增雨的作用，后期降水量進(jìn)入一個充沛期，生態(tài)系統(tǒng)濕潤狀況有所改善，區(qū)域氣候變化有利于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

同時，生態(tài)移民和減畜措施減輕了草地載畜壓力，降低了土地利用強(qiáng)度，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化速度趨緩，草地退化趨勢在一定程度上得到遏制；鼠害防治和黑土灘草地治理工程有利于已經(jīng)退化草地的恢復(fù)和防止新的草地退化發(fā)生；封山育林工程增加了森林郁閉度和蓄積量；濕地封育保護(hù)避免了人類擾動對濕地的影響；沙化草原治理、草地圍欄、人工增雨等工程措施亦對區(qū)域植被恢復(fù)產(chǎn)生了一定的積極作用，提高了草地覆蓋度和生產(chǎn)力，增加了草地的理論載畜量。一系列重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、生態(tài)狀況改善、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升發(fā)揮了重要作用。

圖5　三江源地區(qū)年平均氣溫、年降水量變化

4討論與結(jié)論

真實(shí)氣候條件下，1997—2012年三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.54×1010m3/a。三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程實(shí)施后(2005—2012年)年平均水源涵養(yǎng)量比前期(1997—2004年)增加了15.60%。從空間格局而言，三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力自東南向西北逐漸遞減。單位面積水源涵養(yǎng)量瀾滄江流域最高，其次為黃河流域，長江流域最低。

三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程的實(shí)施對區(qū)域水源涵養(yǎng)服務(wù)的提升具有一定的正向作用，一系列重點(diǎn)項(xiàng)目措施及降水增加有利于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與生態(tài)狀況的改善。真實(shí)氣候條件和平均氣候狀況下，生態(tài)工程實(shí)施后的林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量均比前期高。前期主要受到區(qū)域氣候變化的影響，后期則疊加了生態(tài)工程的驅(qū)動作用。兩種情況下，生態(tài)工程實(shí)施后三江源地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的線性變化趨勢分別為1.94×109和4.64×108m3/10 a，生態(tài)工程對三江源地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)提升的貢獻(xiàn)率約為23.98%。

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收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-08-19

通訊作者：邵全琴(1962—),女(漢族),江蘇省常州市人,博士,研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)GIS。E-mail:shaoqq@lreis.ac.cn。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0206-05

中圖分類號：S718.5

Assessment of Water Regulation Service of Forest and Grassland Ecosystems in Three-River Headwaters Region

WU Dan1,2, SHAO Quanqin2, LIU Jiyuan2, CAO Wei2

(1.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing,Jiangsu210042,China; 2.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

Abstract：[Objective] To analyze changes in ecosystem water regulation services before and after the implementation of ecological projects in the Three-River headwaters region, Qinghai Province, and to evaluate the ecological effect of these projects objectively. [Methods] This paper calculated the water regulation amount of forest and grassland ecosystems with rainfall storage capacity method. [Results] The water regulation services of forest and grassland ecosystems increased in fluctuations from 1997 to 2012, with the averaged value of 1.54×1010m3/a within the region and 430.67 m3/hm2 per unit area. The regulated amount of water in the later period(2005—2012) increased by 15.60% than that in the earlier period(1997—2004). Spatially, water regulation service capacity gradually decreased from southeast to northwest. Water regulation amount per unit area of different basins in descending order was Lantsang River basin>Yellow River basin>Yangtze River basin. Water regulation amount after the implementation of ecological projects was higher than before under both real climate conditions and mean climate conditions. In the earlier period, the water regulation service was mainly affected by regional climate change. While in the later period, it was overlaid the effects of ecological projects. In these two conditions, the linear trend of water regulation amount from 2005 to 2012 was 1.94×109 m3/10 a and 4.64×108 m3/10 a, respectively. [Conclusion] Implementation of the ecological projects had certain positive effects on improvement of water regulation service, with a contribution rate of about 23.98%.

Keywords:ecosystem service; amount of water regulation; rainfall storage capacity method; the Three-River headwaters region

資助項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“國家生態(tài)系統(tǒng)觀測評估技術(shù)系統(tǒng)集成研究與示范”(2013BAC03B00); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4157011492); 青海省重大科技專項(xiàng)(2015-SF-A4-1); 中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-005-04)

第一作者：吳丹(1988—),女(漢族),江蘇省常州市人,博士,助理研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)。E-mail:cumtwudan@163.com。