曹 巍,劉璐璐,吳 丹,黃 麟

1 中國(guó)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 2 成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 成都 610106 3環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 南京 210042

三江源區(qū)是我國(guó)青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分,然而其生態(tài)環(huán)境脆弱,在全球氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)加劇的多重影響下,近幾十年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化[1]。三江源國(guó)家公園的建立,可加強(qiáng)對(duì)三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性、原始性的保護(hù),重點(diǎn)解決保護(hù)地交叉重疊、多頭管理、管理不到位等突出問(wèn)題[2]。三江源國(guó)家公園的定位遵循生態(tài)系統(tǒng)整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)理念,以一級(jí)功能分區(qū)明確空間管控目標(biāo),以二級(jí)功能分區(qū)落實(shí)管控措施[3]?？茖W(xué)合理的功能分區(qū)有助于自然資源保護(hù)和平衡各方利益[4],但目前體制試點(diǎn)區(qū)尚存在保護(hù)環(huán)境類(lèi)型不夠全面、保護(hù)區(qū)域不連續(xù)等薄弱之處[5]。

目前,針對(duì)國(guó)家公園的研究多從體制建設(shè)[6]、制度創(chuàng)新、發(fā)展模式[7]、旅游開(kāi)發(fā)[8]等角度開(kāi)展,從生態(tài)角度針對(duì)國(guó)家公園的評(píng)估相對(duì)較少[9]。目前多以三江源區(qū)、自然保護(hù)區(qū)或單一流域?yàn)檠芯繀^(qū),開(kāi)展包括重要生態(tài)功能指標(biāo)如水源涵養(yǎng)[10]、土壤保持[11]、碳固定、生物多樣性[12]、植被覆蓋度[13]等物質(zhì)量、價(jià)值量時(shí)空分布狀況,生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究[14],三江源生態(tài)工程的效益評(píng)估[15],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化機(jī)理[16]等方面的有益探索。從地理空間上看, 盡管三江源國(guó)家公園與自然保護(hù)區(qū)范圍重疊較大, 但它們?cè)诃h(huán)境條件上差異明顯[5]。

資源評(píng)估是國(guó)家公園功能區(qū)劃的重要方法之一[4],目前多是針對(duì)某一年份的評(píng)估分析[4,17]。然而因降水周期等外界環(huán)境的影響變化,單一年份評(píng)估結(jié)果存在一定不確定性,不能真實(shí)反應(yīng)生態(tài)資源概況[1]。建立國(guó)家公園動(dòng)態(tài)過(guò)程生態(tài)本底,即定量分析建立國(guó)家公園體制前一段時(shí)長(zhǎng)內(nèi)該區(qū)生態(tài)功能基礎(chǔ)狀況及其時(shí)空變化特征,對(duì)于支撐國(guó)家公園體制實(shí)施方案的管理決策,強(qiáng)化自然資源資產(chǎn)管理,指導(dǎo)該區(qū)生態(tài)保護(hù)的統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)布局、分區(qū)管控,明確后續(xù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)和效益預(yù)估,后期進(jìn)一步爭(zhēng)取中央加大財(cái)政轉(zhuǎn)移支付力度,探索生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制具有重要意義。

本文利用遙感、地理信息系統(tǒng)、生態(tài)評(píng)估模型等數(shù)據(jù)與方法,對(duì)三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型及其功能狀況的空間分異特征,2000—2015年生態(tài)功能時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析,厘清國(guó)家公園的生態(tài)系統(tǒng)本底狀況,辨識(shí)生態(tài)功能的重要性,可為科學(xué)劃分國(guó)家公園管理分區(qū)、實(shí)行差異化保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),在構(gòu)建我國(guó)國(guó)家公園體制的頂層設(shè)計(jì)等方面具有科學(xué)和實(shí)踐意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源國(guó)家公園包括黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)(圖1),總面積為12.31萬(wàn)km2,占青海三江源區(qū)總面積的31.16%。其中,黃河源園區(qū)位于果洛州瑪多縣境內(nèi),包括三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的扎陵湖—鄂陵湖和星星海2個(gè)自然保護(hù)分區(qū),面積1.91萬(wàn)km2；長(zhǎng)江源園區(qū)(可可西里)位于玉樹(shù)藏族自治州治多、曲麻萊兩縣,包括可可西里國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)與三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的索加-曲麻河自然保護(hù)分區(qū),面積9.03萬(wàn)km2；瀾滄江源園區(qū)位于玉樹(shù)藏族自治州雜多縣,包括三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的果宗木查、昂賽2個(gè)自然保護(hù)分區(qū),面積1.37萬(wàn)km2。

圖1 三江源國(guó)家公園地理位置、范圍及其與自然保護(hù)區(qū)的空間關(guān)系Fig.1 Location/scope and the relation between the Three-river-source National Park and National Nature Reserves

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型：基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),經(jīng)輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精糾正等預(yù)處理后,判讀解譯獲得土地利用/覆被數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,生成森林、草地、水體與濕地、荒漠、聚落生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)。遙感解譯成果精度達(dá)到95%左右,滿(mǎn)足研究需求[18]。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)：收集了MODIS 2000—2015年的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13Q1)。該數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率為16d。利用Savitzky-Golay濾波對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以去除云和大氣等噪聲的影響。

氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)：來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)2000—2015年的日值觀測(cè)數(shù)據(jù),主要包括日均風(fēng)速、風(fēng)向、降水、溫度、日照時(shí)數(shù)等。采用ANUSPLINE對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到空間分辨率為1 km的柵格數(shù)據(jù)。

地形數(shù)據(jù)：SRTM(Shuttle Radar Topography Mission,航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù))數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)(V4.1),空間分辨率為90 m,來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站。

土壤數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1∶100萬(wàn)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù),為空間矢量數(shù)據(jù),主要包括土壤類(lèi)型、土壤顆粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量等屬性。

1.3 生態(tài)功能評(píng)估方法

1.3.1 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)量計(jì)算采用的是降水貯存量法,它通過(guò)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)衡量其涵養(yǎng)水分的能力,具體公式如下：

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中,Q表示與裸地相比較,森林、草地、農(nóng)田、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(m3)；A表示生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；J表示計(jì)算區(qū)多年均產(chǎn)流降雨量(mm)；J0表示計(jì)算區(qū)多年均降雨總量(mm)；R0表示產(chǎn)流降雨條件下裸地(或皆伐跡地)降雨徑流率；Rg表示產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率；K表示計(jì)算區(qū)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；R表示與裸地(或皆伐跡地)相比,生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù)。

在計(jì)算過(guò)程中,將K值利用實(shí)測(cè)日降水值、TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission,熱帶降雨監(jiān)測(cè)計(jì)劃)數(shù)據(jù)、多年均河川徑流系數(shù)等,修正為1 km分辨率的空間分布數(shù)據(jù)；森林Rg通過(guò)文獻(xiàn)收集得到；草地Rg與草地植被覆蓋度建立關(guān)系,以得到其空間分布數(shù)據(jù)[10]。

利用直門(mén)達(dá)、沱沱河、吉邁、唐乃亥水文站1997—2012年的實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù),對(duì)4個(gè)流域估算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證,R2系數(shù)均超過(guò)0.6。

1.3.2 土壤保持

土壤保持量為潛在土壤侵蝕量與真實(shí)土壤侵蝕量的差值,本研究土壤侵蝕量采用修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)計(jì)算。具體公式如下：

A真實(shí)=R×K×L×S×C×P

(4)

A潛在=R×K×L×S×C潛在

(5)

A保持=A潛在-A真實(shí)

(6)

式中,A為土壤侵蝕模數(shù)(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；L為坡長(zhǎng)因子,無(wú)量綱；S為坡度因子,無(wú)量綱；C為土地覆蓋和管理因子,取值范圍為0—1,無(wú)量綱；P為水土保持措施因子,取值范圍為0—1,無(wú)量綱。

降雨侵蝕力因子采用章文波等[19]提出的基于日降雨量估算半月降雨侵蝕力的方法計(jì)算。土壤可蝕性因子采用諾謨圖[20]模型計(jì)算。坡度因子綜合采用RUSLE方程和劉寶元等[21]的研究成果進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)坡度小于等于18%時(shí),采用RUSLE的計(jì)算公式；當(dāng)坡度大于18%時(shí),采用劉寶元等[21]改進(jìn)后的計(jì)算公式。坡長(zhǎng)因子的計(jì)算采用RUSLE的計(jì)算公式。覆蓋和管理因子通過(guò)與植被覆蓋度建立關(guān)系式[22]進(jìn)行計(jì)算。水土保持措施因子反映作物管理措施對(duì)土壤流失量的影響,結(jié)合前人研究成果[23-26]及三江源國(guó)家公園實(shí)地概況,根據(jù)三江源國(guó)家公園土地利用數(shù)據(jù),林地和草地取1,水體與沼澤取0,居民地與建設(shè)用地取0,旱地取0.4,沙地與鹽堿地取1。

通過(guò)搜集稱(chēng)多縣及德念溝2個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤侵蝕實(shí)測(cè)資料(2006—2009年)與本研究土壤侵蝕模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,R2系數(shù)達(dá)到0.63。利用沱沱河、吉邁以及直門(mén)達(dá)3個(gè)水文站1996—2004年5—10月的逐日輸沙量數(shù)據(jù)對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證,R2為0.89[27]。

1.3.3 防風(fēng)固沙

防風(fēng)固沙量為潛在土壤風(fēng)蝕量與真實(shí)土壤風(fēng)蝕量的差值,土壤風(fēng)蝕量采用修正的土壤風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)計(jì)算。具體公式如下：

SL=Qx/x

(7)

Qx=Qmax[1-e(x/s)2]

(8)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·COG)

(9)

s=150.71(WF·EF·SCF·K′·COG)-0.3711

(10)

式中,SL表示土壤風(fēng)蝕模數(shù)(kg/m2);x表示地塊長(zhǎng)度(m);Qx表示地塊長(zhǎng)度x處的沙通量(kg/m)；Qmax表示風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；s表示關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性因子；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子；COG表示植被因子,包括平鋪、直立作物殘留物和植被冠層。

氣候因子中的風(fēng)因子和土壤濕度因子利用獲取的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算完成，雪蓋因子利用從寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載的中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算。土壤可蝕性因子[28]及土壤結(jié)皮因子主要利用1∶100 萬(wàn)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需先利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)土壤顆粒含量進(jìn)行粒徑轉(zhuǎn)換。土壤糙度因子取決于自由糙度和定向糙度，采用滾軸式鏈條法來(lái)測(cè)定地表糙度。植被因子用來(lái)確定植被殘茬和生長(zhǎng)植被的覆蓋對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，利用照片法定點(diǎn)及NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)文獻(xiàn)收集地面測(cè)定的不同地區(qū)的風(fēng)蝕模數(shù)結(jié)果對(duì)本估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果尚好[29-30]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 變化趨勢(shì)分析方法

采用最小二乘法分析生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持以及防風(fēng)固沙等功能,及植被覆蓋度、氣象要素的年際變化趨勢(shì)：

(11)

式中,S為變化斜率,Xi為水源涵養(yǎng)、土壤保持以及防風(fēng)固沙等功能及植被覆蓋度、氣象要素,i= 1,2,3,…,n,mi為年份序數(shù),m1=1,m2= 2,m3= 3,…,mn=n。

1.4.2 生態(tài)功能重要性辨識(shí)方法

利用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[31]中關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性的分級(jí)方法,分別對(duì)三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持和防風(fēng)固沙功能值進(jìn)行從高到底的排序并累加,將累加功能量值占生態(tài)功能總值比例的50%與80%所對(duì)應(yīng)的值,作為生態(tài)功能評(píng)估分級(jí)的分界點(diǎn),以此將生態(tài)功能重要性分為3級(jí),即極重要、重要和一般重要。分級(jí)結(jié)果中,極重要區(qū)累積功能值占功能總值的50%,重要區(qū)累積功能值占比為30%,一般重要區(qū)累積功能值占比為20%。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型空間分布格局

三江源國(guó)家公園以草地、荒漠、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)為主(圖2),面積分別為6.9×104、4.34×104和1.04×104km2,分別占國(guó)家公園總面積的56.2%、35.2%和8.4%；森林及聚落生態(tài)系統(tǒng)分別占國(guó)家公園總面積的0.16%、0.004%。其中：

長(zhǎng)江源園區(qū)以草地與荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主,分別占長(zhǎng)江源園區(qū)面積的48.0%和43.2%。草地主要分布在該園區(qū)東南部,荒漠主要分布在該園區(qū)西北部,園區(qū)內(nèi)還分布著大量的湖泊與濕地,面積約占園區(qū)面積的8.8%,占三江源國(guó)家公園水體與濕地面積的76.7%(圖2)。

黃河源園區(qū)以草地生態(tài)系統(tǒng)為主,面積約占該園區(qū)面積的72.5%；其次是荒漠生態(tài)系統(tǒng),約占該園區(qū)面積的17.8%；園區(qū)內(nèi)同樣分布著以扎陵湖與鄂陵湖為代表的眾多高原湖泊以及濕地生態(tài)系統(tǒng),面積約占國(guó)家公園水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的17.3%(圖2)。

瀾滄江源園區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)的面積占比最高,為88.1%,其次是荒漠、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng),面積占比均不足10%。該園區(qū)南部分布少量森林生態(tài)系統(tǒng),面積約占國(guó)家公園森林生態(tài)系統(tǒng)的63.8%；聚落生態(tài)系統(tǒng)約占國(guó)家公園聚落面積的41.5%(圖2)。

圖2 三江源國(guó)家公園各分園區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型面積及占比Fig.2 Area and its percentage of different ecosystem in each sub-park in the Three-river-source National Park

2.2 三江源國(guó)家公園生態(tài)功能及其重要性空間格局

2.2.1 水源涵養(yǎng)

2000—2015年,三江源國(guó)家公園多年平均水源涵養(yǎng)量約為65.4×108m3,單位面積水源涵養(yǎng)量為6.8萬(wàn)m3/km2,呈西北低東南高的空間格局(圖3)。從水源涵養(yǎng)總量來(lái)看,長(zhǎng)江源園區(qū)最大,為33.3×108m3,其次是黃河源園區(qū),為21.2×108m3,瀾滄江涵養(yǎng)水源量為10.9×108m3；從單位面積量來(lái)看,黃河源園區(qū)最高,為11.9萬(wàn)m3/km2,其次是瀾滄江源園區(qū),為8.0萬(wàn)m3/km2,長(zhǎng)江源園區(qū)為5.2萬(wàn)m3/km2(圖3)。

圖3 三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能空間分布和各園區(qū)水源涵養(yǎng)量及單位面積量Fig.3 Spatial distribution of water regulation function in the Three-river-source National Park and the total and per unit area volume in each sub-park

三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能一般重要區(qū)面積占比為74.6%,主要分布于全區(qū)的西北部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為74%,其次為黃河源園區(qū),面積占比為16%,瀾滄江源園區(qū)面積占比為10%；重要區(qū)面積占比10.1%,主要分布于全區(qū)中部,其中瀾滄江源園區(qū)面積占比最大,為45%,其次為長(zhǎng)江源園區(qū),面積占比為36%,黃河源園區(qū)面積占比為18%；極重要區(qū)面積占比15.3%,主要分布于長(zhǎng)江源園區(qū)中部、南部,黃河源園區(qū)中部,瀾滄江源園區(qū)北部和南部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為52%,其次為黃河源園區(qū),面積占比為34%,瀾滄江源園區(qū)面積占比為14%(圖4)。

圖4 三江源國(guó)家公園水源涵養(yǎng)重要性分級(jí)及各園區(qū)面積占比概況Fig.4 Importance classification of water regulation function in the Three-river-source National Park and area percentages of different important levels in each sub-park

2.2.2 土壤保持

2000—2015年,三江源國(guó)家公園多年平均土壤保持量約為1.52×108t,單位面積土壤保持量為13.5 t/hm2,呈中部高西北部低的空間格局(圖5)。從土壤保持總量來(lái)看,長(zhǎng)江源園區(qū)最大,為1.01×108t,其次是瀾滄江源園區(qū),為0.35×108t,黃河源園區(qū)保持土壤量為0.16×108t；從單位面積量來(lái)看,瀾滄江源園區(qū)最高,為26.4 t/hm2,其次是長(zhǎng)江源園區(qū),為12.3 t/hm2,黃河源園區(qū)為9.2 t/hm2(圖5)。

圖5 三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間分布和各園區(qū)土壤保持量及單位面積量Fig.5 Spatial distribution of soil conservation function in the Three-river-source National Park and the total and per unit area volume in each sub-park

三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能一般重要區(qū)面積占比為73.5%,主要分布于西北部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為75%,其次為黃河源園區(qū),面積占比為17%,瀾滄江源園區(qū)面積占比為8%；重要區(qū)面積占比為12.8%,主要分布于中部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為69%,其次為黃河源園區(qū),面積占比為16%,瀾滄江源園區(qū)面積占比為15%；極重要區(qū)面積占比13.7%,主要分布于長(zhǎng)江源園區(qū)中東部,瀾滄江源園區(qū)南部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為67%,其次為瀾滄江源園區(qū),面積占比為26%,黃河源園區(qū)面積占比為8%(圖6)。

圖6 三江源國(guó)家公園土壤保持重要性分級(jí)及各園區(qū)面積占比概況Fig.6 Importance classification of soil conservation function in the Three-river-source National Park and area percentages of different important levels in each sub-park

2.2.3 防風(fēng)固沙

2000—2015年,三江源國(guó)家公園多年平均防風(fēng)固沙量約為4.80×108t,單位面積防風(fēng)固沙量為42.6 t/hm2,呈西高東低的空間格局(圖7)。從防風(fēng)固沙總量來(lái)看,長(zhǎng)江源園區(qū)最大,為4.37×108t,其次是瀾滄江源園區(qū),為0.36×108t,黃河源園區(qū)防風(fēng)固沙總量為0.07×108t；從單位面積量來(lái)看,長(zhǎng)江源園區(qū)最高,為53.1 t/hm2,其次是瀾滄江源園區(qū),為27.0 t/hm2,黃河源園區(qū)為4.1 t/hm2(圖7)。

圖7 三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能空間分布和各園區(qū)防風(fēng)固沙量及單位面積量Fig.7 Spatial distribution of wind prevention/sand fixation function in the Three-river-source National Park and the total and per unit area volume in each sub-park

三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能一般重要區(qū)面積占比為53.0%,主要分布于黃河源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)南部以及長(zhǎng)江源園區(qū)中北部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為55%,其次為黃河源園區(qū),面積占比為29%,瀾滄江源園區(qū)面積占比為16%；重要區(qū)面積占比24.6%,主要分布于長(zhǎng)江源園區(qū)南部及瀾滄江源園區(qū)北部,其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為87%,其次為瀾滄江源園區(qū),面積占比為13%,黃河源園區(qū)無(wú)；極重要區(qū)面積占比22.4%,主要分布于長(zhǎng)江源園區(qū)中西部地區(qū),其中長(zhǎng)江源園區(qū)面積占比最大,為99%,其次為瀾滄江源園區(qū),面積占比為1%,黃河源園區(qū)無(wú)(圖8)。

圖8 三江源國(guó)家公園防風(fēng)固沙重要性分級(jí)及各園區(qū)面積占比概況Fig.8 Importance classification of wind prevention/sand fixation function in the Three-river-source National Park and area percentages of different important levels in each sub-park

2.2.4 生態(tài)功能重要性總體評(píng)價(jià)

三江源國(guó)家公園生態(tài)功能極重要區(qū)約占全區(qū)面積的51.4%,其中水源涵養(yǎng)極重要區(qū)主要位于東部,土壤保持極重要區(qū)主要位于中部,防風(fēng)固沙極重要區(qū)主要位于西部(圖9)。

從不同生態(tài)功能極重要區(qū)能力來(lái)看,黃河源園區(qū)的水源涵養(yǎng)極重要區(qū)能力最強(qiáng),為35.9萬(wàn)m3/km2；瀾滄江園區(qū)的土壤保持極重要區(qū)能力最強(qiáng),為68.4 t/hm2；長(zhǎng)江源園區(qū)的防風(fēng)固沙極重要區(qū)能力最強(qiáng),為95.1 t/hm2(圖10)。

分園區(qū)來(lái)看,黃河源園區(qū)中,生態(tài)功能極重要區(qū)約占該分區(qū)面積的32.9%,其中水源涵養(yǎng)極重要區(qū)在該區(qū)面積占比最高,為26.0%,因此該分區(qū)核心生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)；瀾滄江源園區(qū)中,生態(tài)功能極重要區(qū)約占該分區(qū)面積的45.6%,其中土壤保持極重要區(qū)在該區(qū)面積占比最高,為29.9%,因此該分區(qū)核心生態(tài)功能為土壤保持；長(zhǎng)江源園區(qū)中,生態(tài)功能極重要區(qū)約占該分區(qū)面積的54.1%,其中防風(fēng)固沙極重要區(qū)在該區(qū)面積占比最高,為30.5%,因此該分區(qū)核心生態(tài)功能為防風(fēng)固沙(圖10)。

由此,三江源國(guó)家公園形成了東部以水源涵養(yǎng)、中部以土壤保持、西部以防風(fēng)固沙為核心生態(tài)功能的空間格局。

圖9 三江源國(guó)家公園生態(tài)功能極重要區(qū)空間分布Fig.9 Spatial distribution of ecosystem functions with the utmost importance in the Three-river-source National Park

圖10 各園區(qū)生態(tài)功能極重要區(qū)單位面積功能量及面積占比Fig.10 Ecosystem functions volume per unit area and area percentages in each sub-park

2.3 2000—2015年三江源國(guó)家公園生態(tài)功能變化態(tài)勢(shì)

2.3.12000—2015年水源涵養(yǎng)功能變化

2000—2015年,三江源國(guó)家公園水源涵養(yǎng)量呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì),年變化趨勢(shì)約為-0.56×108m3/a,單位面積水源涵養(yǎng)量變化趨勢(shì)約為-617 m3km-2a-1(圖11)。其中,黃河源園區(qū)變化趨勢(shì)有所上升,約為78 m3km-2a-1,長(zhǎng)江源園區(qū)和瀾滄江源園區(qū)均有所下降,分別為-671 m3km-2a-1和-1229 m3km-2a-1。極重要區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)量的平均變化趨勢(shì)明顯下降,約為-5067 m3km-2a-1,一般重要區(qū)和重要區(qū)有所上升。

圖11 三江源國(guó)家公園水源涵養(yǎng)功能變化態(tài)勢(shì)時(shí)空分布概況Fig.11 Change trend of water regulation function in the Three-river-source National Park

從不同變化態(tài)勢(shì)的分布來(lái)看,國(guó)家公園水源涵養(yǎng)功能主要呈轉(zhuǎn)好態(tài)勢(shì),約有84.5%的地區(qū)水源涵養(yǎng)量呈上升趨勢(shì),僅有14.6%的地區(qū)呈下降趨勢(shì),3個(gè)源區(qū)水源涵養(yǎng)量增加的地區(qū)也均超過(guò)各源區(qū)面積的80%,但因升幅不高,導(dǎo)致全區(qū)年均水源涵養(yǎng)總量呈下降趨勢(shì)。極重要區(qū)水源涵養(yǎng)量增加的地區(qū)超過(guò)其面積的53.8%,減少區(qū)域占45.4%,一般重要區(qū)和重要區(qū)均以增加為主(圖11)。

2.3.22000—2015年土壤保持功能變化

2000—2015年,三江源國(guó)家公園土壤保持量呈波動(dòng)上升態(tài)勢(shì),年變化趨勢(shì)約為987萬(wàn)t/a,單位面積土壤保持量變化趨勢(shì)約為0.88 t hm-2a-1(圖12)。其中,瀾滄江源園區(qū)的變化趨勢(shì)最大,約為2.52 t hm-2a-1,長(zhǎng)江源園區(qū)與黃河源園區(qū)相當(dāng),分別為0.69 t hm-2a-1和0.50 t hm-2a-1。極重要區(qū)單位面積土壤保持量的平均變化趨勢(shì)明顯上升,約為3.69 t hm-2a-1,一般重要區(qū)和重要區(qū)也有所上升。

圖12 三江源國(guó)家公園土壤保持功能變化態(tài)勢(shì)時(shí)空分布概況Fig.12 Change trend of soil conservation function in the Three-river-source National Park

全區(qū)超過(guò)95%的地區(qū)土壤保持量均呈上升趨勢(shì),其中長(zhǎng)江源園區(qū)94.4%的區(qū)域呈上升趨勢(shì),黃河源園區(qū)及瀾滄江源園區(qū)分別達(dá)到98.6%及99.5%。極重要區(qū)土壤保持量增加的地區(qū)占其總面積的97.3%,一般重要區(qū)和重要區(qū)也均以增加為主(圖12)。

2.3.32000—2015年防風(fēng)固沙功能變化

2000—2015年,三江源國(guó)家公園防風(fēng)固沙量呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì),年變化趨勢(shì)約為-356萬(wàn)t/a,單位面積防風(fēng)固沙量呈波動(dòng)變化態(tài)勢(shì),變化趨勢(shì)約為-0.32 t hm-2a-1(圖13)。其中,長(zhǎng)江源園區(qū)和黃河源園區(qū)均有所下降,變化趨勢(shì)均為-0.36 t hm-2a-1,瀾滄江源園區(qū)基本不變。極重要區(qū)單位面積防風(fēng)固沙量的平均變化呈下降趨勢(shì),約為-1.41 t hm-2a-1,一般重要區(qū)有些許下降,重要區(qū)有所上升。

圖13 三江源國(guó)家公園防風(fēng)固沙功能變化態(tài)勢(shì)時(shí)空分布概況Fig.13 Change trend of wind prevention/sand fixation function in the Three-river-source National Park

全區(qū)39.3%的地區(qū)防風(fēng)固沙量有所上升,56.0%的地區(qū)則出現(xiàn)了下降。下降幅度較大的地區(qū)主要集中在長(zhǎng)江源園區(qū)西部以及黃河源園區(qū)東部。長(zhǎng)江源園區(qū)出現(xiàn)上升和下降的區(qū)域面積相當(dāng),分別為45.2%和49.2%；而黃河源園區(qū)下降的區(qū)域超過(guò)了90%。極重要區(qū)防風(fēng)固沙量增加的地區(qū)占其面積的35.3%；重要區(qū)以增加為主,增加區(qū)域占其面積的56.8%；一般重要區(qū)以減少為主,減少區(qū)域占其面積的58.6%(圖13)。

2.4 驅(qū)動(dòng)因素

2000—2015年,三江源國(guó)家公園溫度及降水量分別以0.05℃/a和2.10 mm/a的變化趨勢(shì)波動(dòng)上升,其中,黃河源園區(qū)增加最快,分別為0.053℃/a和5.26 mm/a,其次是長(zhǎng)江源園區(qū),分別為0.053℃/a和1.56 mm/a,瀾滄江源園區(qū)的溫度及降水增加趨勢(shì)不顯著,分別為0.039℃/a和1.40 mm/a(圖14)。氣候暖濕化有助于植被返青期提前、生長(zhǎng)期延長(zhǎng),進(jìn)而提高植被覆蓋度[32]。此外,三江源區(qū)實(shí)施了大量生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程,至2012年累計(jì)完成退牧還草631.22萬(wàn)hm2,封山育林42.34萬(wàn)hm2,治理黑土灘18.46萬(wàn)hm2,治理沙漠化土地4.41萬(wàn)hm2,草原鼠害防治面積785.41萬(wàn)hm2[1]。在暖濕化氣候與生態(tài)工程的共同作用下,三江源國(guó)家公園草地退化趨勢(shì)基本遏制,森林面積、郁閉度、蓄積量有所增加[1],區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)狀況得到較明顯改善。過(guò)去15年間,三江源國(guó)家公園植被覆蓋度呈波動(dòng)上升趨勢(shì),為1.55%/10a,其中,黃河源園區(qū)植被覆蓋度上升趨勢(shì)最明顯,為2.29%/10a,其次是長(zhǎng)江源園區(qū),為1.58%/10a,瀾滄江源園區(qū)僅0.49%/10a(圖14)。得益于以上因素,水源涵養(yǎng)及土壤保持功能主要呈轉(zhuǎn)好態(tài)勢(shì)。

防風(fēng)固沙功能的下降主要由風(fēng)速的減小及植被覆蓋度的局部降低造成。過(guò)去15年間,三江源國(guó)家公園風(fēng)速總體以-0.01 m/s/10a的趨勢(shì)波動(dòng)下降,黃河源園區(qū)下降最明顯,為-0.11 m/s/10a,其次是長(zhǎng)江源園區(qū),為-0.007 m/s/10a,瀾滄江源園區(qū)平均風(fēng)速呈上升趨勢(shì),為0.11 m/s/10a(圖14)。風(fēng)速降低會(huì)造成潛在土壤風(fēng)蝕量減少,進(jìn)而有可能造成防風(fēng)固沙量的降低。同時(shí),通過(guò)植被覆蓋度及防風(fēng)固沙量空間變率數(shù)據(jù)的耦合可以發(fā)現(xiàn),防風(fēng)固沙量的降低主要發(fā)生在植被覆蓋度降低的區(qū)域,尤其在長(zhǎng)江源園區(qū)的西北區(qū)域最為明顯。

圖14 2000—2015年三江源國(guó)家公園降雨、氣溫、植被覆蓋度、風(fēng)速變化趨勢(shì)空間分布Fig.14 Change trends of the precipitation, temperature, vegetation coverage, wind speed from 2000 to 2015 in the Three-river-source National Park

3 討論

生態(tài)功能極重要區(qū)對(duì)于三江源國(guó)家公園生態(tài)功能的發(fā)揮具有重大意義。2000—2015年間,三江源國(guó)家公園生態(tài)功能雖整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì),但防風(fēng)固沙功能及極重要區(qū)水源涵養(yǎng)功能呈明顯下降趨勢(shì)。草地退化態(tài)勢(shì)尚未完全遏制,局部地區(qū)植被覆蓋度仍有所下降,而且植被根系層的恢復(fù)極其緩慢,尤其在氣候條件相對(duì)較差的西部地區(qū),要進(jìn)一步加強(qiáng)退化草地的修復(fù)。Liu等[13]預(yù)測(cè),由于氣溫上升趨勢(shì)顯著高于降水,隨著氣溫的進(jìn)一步升高,潛在蒸散量將隨之增加,三江源區(qū)暖濕化趨勢(shì)將有所減弱[33],促使其呈現(xiàn)暖干化趨勢(shì),進(jìn)而抑制植被的生長(zhǎng)。

在黃河源園區(qū),盡管植被覆蓋度上升趨勢(shì)明顯,但其好轉(zhuǎn)僅表現(xiàn)在長(zhǎng)勢(shì)上,群落結(jié)構(gòu)并未發(fā)生好轉(zhuǎn)[15]；在長(zhǎng)江源園區(qū),西北區(qū)域植被覆蓋度存在大面積的降低,同時(shí)溫度的升高會(huì)造成冰川、永久積雪和凍土加速融化,一旦打破該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的平衡狀態(tài),將會(huì)嚴(yán)重威脅其生態(tài)安全；在瀾滄江源園區(qū),氣候暖濕化趨勢(shì)并不明顯,同時(shí)植被覆蓋度增速緩慢,生態(tài)系統(tǒng)未見(jiàn)明顯好轉(zhuǎn)。因此,三江源國(guó)家公園總體規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍任重道遠(yuǎn)。

在未來(lái)的研究中,將圍繞高寒地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)維持機(jī)理與提升技術(shù)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升、水土資源協(xié)調(diào)利用為主線,通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)格局-過(guò)程-服務(wù)的有機(jī)結(jié)合,更加深入研究高寒地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成過(guò)程、人為與自然驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為三江源國(guó)家公園山水林田湖草重要生態(tài)系統(tǒng)原真性、完整性的永續(xù)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本文分析了三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型及其功能狀況的時(shí)空分異特征,追溯了2000—2015年生態(tài)功能時(shí)空變化趨勢(shì),進(jìn)行生態(tài)功能重要性辨識(shí),有助于三江源國(guó)家公園建立生態(tài)本底、科學(xué)劃分管理分區(qū)與分級(jí)。得到主要結(jié)論如下：

(1)三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型以草地、荒漠、水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)為主。其中,長(zhǎng)江源園區(qū)以草地與荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主；黃河源園區(qū)以草地生態(tài)系統(tǒng)為主；瀾滄江源園區(qū)以草地生態(tài)系統(tǒng)為主,同時(shí)該園區(qū)南部分布少量森林生態(tài)系統(tǒng)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)西北低、東南高的空間分布態(tài)勢(shì),其中黃河源園區(qū)單位面積量最高,其次是瀾滄江源園區(qū),長(zhǎng)江源園區(qū)最低；土壤保持功能呈現(xiàn)中部高、西北部低的分布態(tài)勢(shì),其中瀾滄江源園區(qū)單位面積量最高,其次是長(zhǎng)江源園區(qū),黃河源園區(qū)最低；防風(fēng)固沙功能呈現(xiàn)西部高、東部低的分布態(tài)勢(shì),其中長(zhǎng)江源園區(qū)單位面積量最高,其次是瀾滄江源園區(qū),黃河源園區(qū)最低。

(3)三江源國(guó)家公園形成了東部以水源涵養(yǎng)、中部以土壤保持、西部以防風(fēng)固沙為核心生態(tài)功能的空間格局,其中黃河源園區(qū)以水源涵養(yǎng)為主,水源涵養(yǎng)極重要區(qū)在該區(qū)面積占比為26.0%；瀾滄江源園區(qū)以土壤保持為主,土壤保持極重要區(qū)在該區(qū)面積占比為29.9%；長(zhǎng)江源園區(qū)以防風(fēng)固沙為主,防風(fēng)固沙極重要區(qū)在該區(qū)面積占比為30.5%。

(4)2000—2015年,三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能從量上看呈下降趨勢(shì),年變化趨勢(shì)約為-0.56×108m3/a,但從變化態(tài)勢(shì)的空間分布來(lái)看,提升區(qū)的面積占比達(dá)到84.5%,總體提升,極重要區(qū)呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)；土壤保持功能總體提升,年變化趨勢(shì)為987萬(wàn)t/a,轉(zhuǎn)好區(qū)面積超過(guò)95%；防風(fēng)固沙功能則出現(xiàn)下降態(tài)勢(shì),年變化趨勢(shì)為-356萬(wàn)t/a,僅39.3%的地區(qū)防風(fēng)固沙量有所上升。

(5)氣候暖濕化以及三江源生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施是三江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)及土壤保持功能呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好態(tài)勢(shì)的主要原因。防風(fēng)固沙功能的下降主要由風(fēng)速的減小及植被覆蓋度的局部降低造成。

三江源國(guó)家公園的規(guī)劃建設(shè),應(yīng)遵循生態(tài)系統(tǒng)整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)理念,依照各分園區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)、核心生態(tài)功能類(lèi)型及其重要性分級(jí)分布,分區(qū)施策,因地制宜。在黃河源園區(qū),應(yīng)以草地及濕地的保護(hù)為主,采取以禁牧、圍欄封育為主的自然修復(fù)措施。在長(zhǎng)江源園區(qū),除草地外,還應(yīng)注重雪山、冰川及荒漠的保護(hù),嚴(yán)格限制冰川雪山周邊的人類(lèi)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。在瀾滄江源園區(qū),除草地外,還應(yīng)以森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)為主,采取公益林補(bǔ)償、封山育林等綜合保護(hù)措施。最后,在加強(qiáng)保護(hù)力度的基礎(chǔ)上,需要加強(qiáng)生態(tài)工程的管理利用,充分發(fā)揮廣大農(nóng)牧民群眾生態(tài)保護(hù)的主體作用,盡快設(shè)立生態(tài)管護(hù)公益崗位。