周雪彤,孫文義,2,*,穆興民,2,宋小燕,趙廣舉,2,高 鵬,2

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 楊凌 712100

水源涵養(yǎng)是評估生態(tài)系統(tǒng)功能的重要內(nèi)容之一[1],是生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空條件下對水分的調(diào)蓄和保存能力,具有攔蓄洪水、削減洪峰、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等功能[2]。水源涵養(yǎng)能力對區(qū)域氣候、土壤、水文和植被狀況產(chǎn)生直接影響[3],在維持生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用。水源涵養(yǎng)能力通常采用水源涵養(yǎng)量表征,反映了一段時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)在水文循環(huán)中存儲降水的能力[4]。探明水源涵養(yǎng)能力的變化規(guī)律及影響因素對提高區(qū)域水資源供給能力、保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義[5]。

水源涵養(yǎng)能力的定量研究是生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[4]。水源涵養(yǎng)能力的定量評估傳統(tǒng)方法主要有水量平衡法、土壤蓄水量法、林冠截留剩余法、綜合蓄水能力法和年徑流法等。根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)以及不同研究目的構(gòu)建的模型逐步成為水源涵養(yǎng)能力評價(jià)的主流方法[6],其中,InVEST模型,即“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與權(quán)衡交易綜合評價(jià)模型”,是目前應(yīng)用較為廣泛的量化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評估模型[7]。通過對模型參數(shù)的修正,InVEST模型在中國不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估方面有較好適應(yīng)性[8],目前已在國內(nèi)三江源地區(qū)[9]、黑河流域[10]、黃土高原[11]、大別山區(qū)[12]、北京[13—14]等地區(qū)成功應(yīng)用,在估算水源涵養(yǎng)能力,模擬生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能變化方面起到重要作用。

氣候變化和人類活動(dòng)是影響水源涵養(yǎng)能力的重要因素[15]。氣候變化主要通過降水量和蒸散量的改變對區(qū)域水源涵養(yǎng)能力產(chǎn)生影響[16—17],人類活動(dòng)通過改變土地利用和覆被狀況等地表特征直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力[18]。龔詩涵等[19]通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)降水、溫度、蒸散發(fā)與水源涵養(yǎng)能力存在顯著正相關(guān)關(guān)系。邵全琴等[20]對三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)一期工程的生態(tài)成效進(jìn)行了評估,結(jié)果表明,生態(tài)保護(hù)工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力恢復(fù)程度優(yōu)于非工程區(qū)。寧亞洲等[21]通過量化不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量,表明林地、草地水源涵養(yǎng)能力高于其它土地利用類型。情景模擬法可通過假設(shè)理想情景,模擬單因素或多因素變化的影響。王盛等[22]假設(shè)降水不變而潛在蒸散發(fā)生定量改變和潛在蒸散不變而降水發(fā)生定量改變兩種情景,對張承地區(qū)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評估,結(jié)果表明,降水對水源涵養(yǎng)服務(wù)的影響遠(yuǎn)大于潛在蒸散。張利利[23]假設(shè)土地利用情況未發(fā)生變化,模擬石羊河流域產(chǎn)水深度變化并分別計(jì)算土地利用對產(chǎn)水量的影響量,結(jié)果表明,土地利用與氣候變化對產(chǎn)水深度分別起反向抑制作用和正向促進(jìn)作用。

三江源是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地,是國家重點(diǎn)水源涵養(yǎng)功能保護(hù)區(qū)[24]。受全球變暖和過度放牧等人類活動(dòng)的影響,三江源地區(qū)生態(tài)狀況持續(xù)退化,水源涵養(yǎng)能力受到影響[25]。2005年國家啟動(dòng)三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程以來,生態(tài)退化現(xiàn)象得到有效控制[21],水源涵養(yǎng)能力有所恢復(fù)[9]。三江源生態(tài)恢復(fù)過程中水源涵養(yǎng)能力的變化及其驅(qū)動(dòng)因素研究尚不充分。因此,本研究基于InVEST模型,定量評估1990—2020年三江源生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的時(shí)空變化,對比研究生態(tài)治理前后水源涵養(yǎng)能力變化及其對氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng),對揭示三江源區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制具有較好參考價(jià)值,為三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工作提供重要的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)(89°45′—102°23′E、31°39′—36°12′N)為長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)[9],總面積約36.3萬km2(圖1)。以山地地貌為主,海拔為2554—6826 m。氣候?yàn)榈湫透咴箨懶詺夂?雨熱同期,年均溫-5.4—7.5℃[26],氣溫日較差大、年較差小;年均降水量300—500 mm,由東南向西北遞減,主要集中于6—8月[27]。三江源區(qū)徑流資源豐富,雪山、冰川與濕地分布廣泛,素有“中華水塔”之稱,是重要的水源涵養(yǎng)地,也是我國和東南亞國家生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障,在我國生態(tài)文明建設(shè)中占有重要地位。黨的十八大以來,三江源水源涵養(yǎng)區(qū)著力推進(jìn)一系列生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程,保證了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性不斷提升。

圖1 三江源區(qū)地理位置及流域水系分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水量、潛在蒸散量、土地利用/覆被、高程、土壤屬性和其它數(shù)據(jù)來源及相應(yīng)處理如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.3 研究方法

1.3.1產(chǎn)水量

InVEST模型產(chǎn)水模塊是基于水量平衡的估算方法,將每個(gè)柵格上的降水量與實(shí)際蒸散發(fā)量之差定義為該柵格的產(chǎn)水量,并求取子流域上每個(gè)柵格單元的產(chǎn)水量之和。計(jì)算方法如下:

(1)

(2)

(3)

AWCx=min(MaxsoilDepth,RootDepth)×PWACx

(4)

PWAC=54.409-0.132sand-0.003(sand)2-0.055silt-0.006(silt)2-0.738clay+0.007(clay)2-2.688OM+0.501(OM)2

(5)

(6)

式中,Yxj表示j類土地類型柵格單元x的產(chǎn)水量,mm;AETxj表示j類土地類型柵格單元x的年實(shí)際蒸散發(fā)量,mm;Px表示柵格單元x的年降雨量,mm;Rxj為潛在蒸散發(fā)與降水量的比值;ωx為表達(dá)氣候-土壤屬性關(guān)系的非物理參數(shù);AWCx表示植物有效利用含水量,mm;MaxsoilDepth為最大土壤深度;RootDepth為根系深度;PWACx為植被可利用水。sand為土壤砂粒含量,%;silt為土壤粉粒含量,%;clay為土壤粘粒含量,%;OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量,%。Z即Zhang系數(shù),Zhang系數(shù)是表示研究區(qū)降水特征的常數(shù),又稱“季節(jié)常數(shù)”,能夠代表區(qū)域降水分布及水文地質(zhì),特征取值范圍1—30。ET0x表示單元x的潛在蒸散發(fā)量,mm。Kxj表示某植被類型的蒸散系數(shù)。

1.3.2水源涵養(yǎng)量

計(jì)算得到產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)地形指數(shù)、地表流速系數(shù)和土壤飽和導(dǎo)水率計(jì)算柵格尺度的水源涵養(yǎng)量。計(jì)算方法如下:

(7)

(8)

式中,Rententionxj為j類土地類型柵格單元x的水源涵養(yǎng)量,mm;Velxj是j類土地類型柵格單元x的流速系數(shù),由模型參數(shù)表得到。Ksatx為柵格單元x的土壤飽和導(dǎo)水率,mm/d;TIx為柵格單元x的地形指數(shù);drainagearea為集水區(qū)柵格數(shù)量;soildepthx為柵格單元x的土壤深度,mm;slopex為柵格單元x的百分比坡度。根據(jù)表2中土地類型與生態(tài)系統(tǒng)類型的對應(yīng)關(guān)系,可計(jì)算得到相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)量。

表2 InVEST模型各土地利用/覆被類型的生物物理參數(shù)

1.3.3Mann-Kendall趨勢分析

Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,在氣象、水文研究中有廣泛應(yīng)用[33]。本文借助MATLAB R2018B軟件實(shí)現(xiàn)柵格尺度水源涵養(yǎng)能力變化的Mann-Kendall趨勢分析。公式如下:

(9)

xk,xi為連續(xù)的數(shù)據(jù)變量,n為數(shù)據(jù)資料時(shí)間長度。

(10)

(11)

若Z大于0,數(shù)據(jù)序列呈上升趨勢;Z小于0,數(shù)據(jù)序列呈下降趨勢。當(dāng)|Z|≥1.96時(shí),表明趨勢變化顯著;當(dāng)|Z|≥2.58時(shí),表明趨勢變化極顯著。

1.3.4驅(qū)動(dòng)因素情景分析

在假定情景下,認(rèn)為一種或多種變量保持不變,在模型中輸入該種或多種變量的固定值及其它變量的實(shí)際值進(jìn)行運(yùn)算,核算出的結(jié)果即為該模擬情景的水源涵養(yǎng)量[34]。InVEST模型產(chǎn)水量模塊參數(shù)中,土地利用/覆被參數(shù)代表相應(yīng)年份土地利用/覆被狀況,降水量和潛在蒸散量參數(shù)代表相應(yīng)年份氣候狀況。為評估氣候變化和土地利用/覆被變化單一因素對水源涵養(yǎng)量的影響,本研究設(shè)計(jì)了兩種變化情景:一是分析氣候變化對水源涵養(yǎng)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng),設(shè)定氣候?yàn)轵?qū)動(dòng)因素,土地利用/覆被不發(fā)生變化;二是分析土地利用/覆被變化對水源涵養(yǎng)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng),設(shè)定土地利用/覆被變化為驅(qū)動(dòng)因素,氣候因素不發(fā)生變化。情景一條件下,輸入的土地利用/覆被參數(shù)為1990年初始值,輸入的氣候數(shù)據(jù)為相應(yīng)年份的降水量、潛在蒸散量;情景二條件下,輸入的土地利用/覆被參數(shù)為1990—2020年每5年的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),降水量、潛在蒸散量設(shè)定為1990年初始值。基于以上兩種情景,分別模擬產(chǎn)水量并計(jì)算水源涵養(yǎng)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源生態(tài)系統(tǒng)分布及其水源涵養(yǎng)量

三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要類型為草地生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)(圖2)。草地生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛,面積占約26.07萬km2,占三江源總面積的72.09%。灌叢生態(tài)系統(tǒng)面積約為1.08萬km2,主要分布在長江源西南部及東南部、黃河源東部及東南部、瀾滄江南部地區(qū)?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)面積約為6.04萬km2,主要分布在長江源西北部、黃河源西北部及中部地區(qū)。濕地生態(tài)系統(tǒng)面積約為2.55萬km2,主要分布在長江源西北部及西南部、黃河源北部區(qū)域。

圖2 三江源2020年生態(tài)系統(tǒng)類型分布圖

草地生態(tài)系統(tǒng)為三江源水源涵養(yǎng)功能的主體(圖3),水源涵養(yǎng)量為120.04億m3,占總量的70.59%;荒漠生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為35.61億m3,占總量的20.95%;灌叢生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為7.05億m3,占總量的4.14%;濕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為5.03億m3,占總量的2.96%。以單位面積的水源涵養(yǎng)量表征水源涵養(yǎng)能力,森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力顯著高于其它類型。三江源森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力最高,為70.05 mm;灌叢生態(tài)系統(tǒng)次之,為64.98 mm;草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力為46.04 mm。

圖3 三江源不同生態(tài)系統(tǒng)1990—2020年平均水源涵養(yǎng)量及水源涵養(yǎng)能力

2.2 三江源水源涵養(yǎng)量的年際變化特征

1990—2020年三江源區(qū)及長江源、黃河源、瀾滄江源三個(gè)子流域水源涵養(yǎng)量均呈增長趨勢(圖4)。三江源多年平均水源涵養(yǎng)量為163.84億m3;水源涵養(yǎng)量顯著增加,速率為1.80億m3/a(P<0.05),從1990年的119.49億m3增加至2020年的169.19億m3。三個(gè)子流域中,長江流域和黃河流域水源涵養(yǎng)量呈顯著增長趨勢,變化速率分別為0.86億m3/a(P<0.05)和0.81億m3/a(P<0.05);瀾滄江流域增長速率最小,且趨勢不顯著,為0.13億m3/a。

圖4 三江源區(qū)及其子流域水源涵養(yǎng)量的年際變化

以2005年生態(tài)治理前后為節(jié)點(diǎn),將研究期分為生態(tài)工程實(shí)施前(1990—2005年)、實(shí)施后(2005—2020年)兩個(gè)時(shí)段。三江源整體在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)水源涵養(yǎng)量均呈增長趨勢, 2005—2020年變化速率(0.16億m3/a)小于1990—2005年變化速率(3.34億m3/a)。三個(gè)子流域中,黃河流域和瀾滄江流域水源涵養(yǎng)量均呈增長趨勢,生態(tài)工程實(shí)施前水源涵養(yǎng)量變化速率大于生態(tài)工程實(shí)施后;長江流域生態(tài)工程實(shí)施前水源涵養(yǎng)量增加速率為1.82億m3/a(P<0.05);生態(tài)工程實(shí)施后水源涵養(yǎng)量呈下降趨勢,但變化不顯著。

2.3 三江源水源涵養(yǎng)能力的空間分布及變化特征

三江源地區(qū)1990—2020年平均水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)出東南高、西北低的空間分布特點(diǎn)(圖5)。長江流域水源涵養(yǎng)能力整體較低,平均水源涵養(yǎng)能力為39.52 mm,大部分區(qū)域低于40 mm;黃河流域水源涵養(yǎng)能力空間差異顯著,南部區(qū)域部分高于100 mm,北部區(qū)域部分低于20 mm,平均水源涵養(yǎng)能力為49.15 mm;瀾滄江流域水源涵養(yǎng)能力整體較高,大部分區(qū)域水源涵養(yǎng)能力大于60 mm,平均水源涵養(yǎng)能力為62.98 mm。

圖5 三江源1990—2020年平均水源涵養(yǎng)能力空間分布圖及顯著性變化圖

三江源地區(qū)1990—2020年水源涵養(yǎng)能力顯著增長面積為22.07萬km2,占全區(qū)總面積的60.79%。三個(gè)子流域中,黃河流域顯著增長區(qū)域范圍最廣,占該流域面積的77.82%;長江流域中東部區(qū)域水源涵養(yǎng)能力顯著增長,占該流域面積的58.64%;瀾滄江流域23.05%的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力顯著增長。

2.4 氣候變化和土地利用對水源涵養(yǎng)能力的影響

1990—2020年三江源降水量、潛在蒸散量、實(shí)際蒸散量、實(shí)際蒸散比變化趨勢如圖6所示。降水量、潛在蒸散量和實(shí)際蒸散量呈顯著增加趨勢,變化速率分別為2.67 mm/a(P<0.05)、1.84 mm/a(P<0.05)和0.95 mm/a(P<0.05)。實(shí)際蒸散比(實(shí)際蒸散量占降水量的比率)呈顯著下降趨勢(P<0.05)。

圖6 三江源氣象要素變化趨勢

Pearson相關(guān)分析表明,降水、實(shí)際蒸散與水源涵養(yǎng)能力存在顯著正相關(guān)關(guān)系,實(shí)際蒸散比與水源涵養(yǎng)能力存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。三江源降水、實(shí)際蒸散與水源涵養(yǎng)能力相關(guān)系數(shù)分別為0.991(P<0.01)、0.876(P<0.01)。實(shí)際蒸散比與水源涵養(yǎng)能力的負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.953(P<0.01),表明相同降雨條件下,實(shí)際蒸散量越大,水源涵養(yǎng)能力越低。

表3 三江源水源涵養(yǎng)能力與氣象要素相關(guān)關(guān)系

氣候變化情景下,受降雨量增加影響,1990—2005年三江源水源涵養(yǎng)能力整體明顯增加(圖7)。其中,長江流域平均增加21.08 mm,西南部地區(qū)呈極顯著增加趨勢(P<0.01);黃河流域平均增加32.25 mm,東北部地區(qū)呈顯著增加趨勢(P<0.05);瀾滄江流域平均增加17.35 mm,西北部地區(qū)呈顯著增加趨勢(P<0.05)。2005—2020年三江源水源涵養(yǎng)能力整體降低,除三江源東部小部分區(qū)域水源涵養(yǎng)能力增加(0—20 mm)外,其它地區(qū)水源涵養(yǎng)能力普遍下降,在P=0.05水平上變化趨勢不顯著。

圖7 三江源區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化情景模擬

土地利用/覆被變化情景下,生態(tài)治理前,1990—2005年三江源水源涵養(yǎng)能力整體降低(圖7),但變化幅度較小,長江流域、黃河流域和瀾滄江流域水源涵養(yǎng)能力分別變化-0.03 mm、-0.47 mm和-0.01 mm,在P=0.05水平上變化趨勢不顯著。生態(tài)治理后,2005—2020年三江源水源涵養(yǎng)能力整體增加,長江流域西北部及南部地區(qū)、黃河流域東部及南部地區(qū)、瀾滄江大部分地區(qū)增長明顯,水源涵養(yǎng)能力增加大于30 mm;長江流域、黃河流域和瀾滄江流域水源涵養(yǎng)能力平均增長17.00 mm、19.60 mm和33.76 mm,呈顯著變化趨勢(P<0.05)。

3 討論

水源涵養(yǎng)能力是生態(tài)系統(tǒng)維持健康穩(wěn)定狀況的重要指示器[3]。三江源是國家重點(diǎn)水源涵養(yǎng)功能保護(hù)區(qū)[24],探明該地區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化趨勢及其影響因素對提高區(qū)域水資源供給能力、保障生態(tài)系統(tǒng)健康和維持功能穩(wěn)定具有重要意義[5]。本研究表明,1990—2020年三江源水源涵養(yǎng)能力呈上升趨勢,其中黃河流域東部區(qū)域水源涵養(yǎng)能力增加顯著,與呂樂婷等[35]、潘韜等[9]和張媛媛[36]研究結(jié)果相似。三江源區(qū)20世紀(jì)九十年代以來降雨不斷增多,溫度持續(xù)上升[37],氣候趨向暖濕,對水源涵養(yǎng)能力提高具有一定正向作用。然而,本世紀(jì)以來,降水波動(dòng)幅度大,強(qiáng)降雨增加,氣溫上升趨勢顯著高于降水,氣候條件逐漸向暖干化發(fā)展,對植被生長有抑制作用,尤其導(dǎo)致高寒草甸退化[38],抑制了水源涵養(yǎng)能力提高。三江源由北至南、由西至東植被覆蓋度逐漸增加;長江流域未利用地廣布,西部地區(qū)有濕地、冰川分布,東部地區(qū)有草地分布;黃河流域以草地為主,東部分布有耕地和林地;瀾滄江流域植被條件較好,林、草地覆蓋廣泛[39]。國家于2005年啟動(dòng)三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程以來,退耕還林、休牧育草等措施的實(shí)施使生態(tài)退化現(xiàn)象得到一定遏制[40],林、草植被增加,水熱條件較好的東部地區(qū)植被恢復(fù)情況有明顯好轉(zhuǎn),西北部地區(qū)植被恢復(fù)較為緩慢[41]。黃河流域東部草地覆蓋度顯著提高,部分草地向森林轉(zhuǎn)化;長江流域東部至黃河流域西部草地面積顯著增長;瀾滄江流域變化較小[42]。此外,在氣候變化影響下,21世紀(jì)以來長江流域濕地面積呈下降趨勢,人類活動(dòng)同時(shí)干擾濕地景觀破碎化程度加劇,濕地水源涵養(yǎng)能力顯著降低[43],對長江流域水源涵養(yǎng)能力影響較大。氣候變化與人類活動(dòng)共同影響著三江源水源涵養(yǎng)能力的空間分布格局。

氣候變化通過改變降水量和蒸散量來影響流域的水源涵養(yǎng)能力[16—17],土地利用/覆被變化引起流域下墊面植被格局的變化,從而改變了區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的空間格局。本研究表明,生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施前,假設(shè)土地利用/覆被狀況不發(fā)生變化,氣候變化對水源涵養(yǎng)能力變化呈正影響,假設(shè)氣候狀況不發(fā)生變化,土地利用/覆被變化對水源涵養(yǎng)能力變化呈負(fù)影響;生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程實(shí)施后,假設(shè)土地利用/覆被狀況不發(fā)生變化,氣候變化對水源涵養(yǎng)能力變化呈負(fù)影響,假設(shè)氣候狀況不發(fā)生改變,土地利用/覆被變化對水源涵養(yǎng)能力變化呈正影響。龔詩涵等[19]全國水源涵養(yǎng)能力驅(qū)動(dòng)因子的研究表明水源涵養(yǎng)能力與降水、蒸散、溫度等氣候因素呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這與本研究降水、實(shí)際蒸散與水源涵養(yǎng)能力存在顯著正相關(guān)關(guān)系結(jié)論基本一致。生態(tài)治理前,三江源土地利用類型變化不顯著[24],水源涵養(yǎng)能力主要受到降水量增加、實(shí)際蒸散量增加和實(shí)際蒸散比減少等氣候條件變化的影響,呈增長趨勢。生態(tài)治理后,三江源林、草地面積顯著增加[42],人為干預(yù)下,氣候變化對水源涵養(yǎng)能力的負(fù)影響得到抑制,由于森林和草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力顯著高于其它類型生態(tài)系統(tǒng),退耕還林和休牧育草等措施促進(jìn)了水源涵養(yǎng)能力提高。

本文模型模擬的中間參量和模擬結(jié)果與現(xiàn)有研究進(jìn)行了大量的對比驗(yàn)證,實(shí)際蒸散量結(jié)果與呂樂婷等[35]、尹云鶴等[44]的研究結(jié)果進(jìn)行了比較;水源供給量的計(jì)算結(jié)果與潘韜等[9]、喬飛等[45]的研究進(jìn)行了比較,并與1990—2020年青海省水資源公報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)相比較;水源涵養(yǎng)量的估算結(jié)果與張媛媛[36]、劉敏超等[46]的結(jié)果進(jìn)行了對比,研究結(jié)果均具有較高的一致性。在模型參數(shù)合理?xiàng)l件下,本文基于情景模擬法,在生態(tài)治理前后兩個(gè)時(shí)段分析了三江源氣候與土地利用/覆被變化分別對水源涵養(yǎng)能力的影響。但三江源水源涵養(yǎng)能力的模擬研究還有待進(jìn)一步提升,本研究未能充分考慮土地利用/覆被變化對三江源區(qū)土壤物理和生態(tài)水文過程的影響,模型中輸入的土壤參數(shù)未考慮其時(shí)間變化特征。此外,受全球氣候變暖影響,冰川融水和凍土退化作為三江源河流徑流量的重要補(bǔ)給來源,是影響三江源區(qū)水源涵養(yǎng)能力的一個(gè)重要因素,這在InVEST模型中未能具體量化,在未來研究中,將繼續(xù)深入。

4 結(jié)論

本文基于InVEST模型,對三江源區(qū)1990—2020年水源涵養(yǎng)能力的變化趨勢、時(shí)空分布及其影響因素進(jìn)行分析,取得如下結(jié)果:

(1)草地生態(tài)系統(tǒng)為三江源水源涵養(yǎng)功能主體,多年平均水源涵養(yǎng)量為120.04億m3。

(2)1990—2020年三江源區(qū)水源涵養(yǎng)量年際變化呈顯著上升趨勢,1990—2005年水源涵養(yǎng)量增長速率為3.34億m3/a,大于2005—2020年增長速率(0.16億m3/a)。

(3)三江源區(qū)水源涵養(yǎng)能力空間分布上表現(xiàn)為東南高西北低的特征。1990—2020年三江源水源涵養(yǎng)能力顯著增長區(qū)域面積22.07萬km2。三個(gè)子流域中,黃河流域水源涵養(yǎng)能力增長面積最廣。

(4)對比生態(tài)治理前后兩時(shí)期,1990—2005年三江源降水量增長和實(shí)際蒸散比下降等氣候變化對水源涵養(yǎng)能力增長起到主要正向促進(jìn)作用;2005—2020年三江源生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施后,林草植被覆蓋面積增加,土地利用/覆被變化對水源涵養(yǎng)能力增長起到主要正向促進(jìn)作用。

林草植被與濕地在生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能中起到重要作用,為扎實(shí)推進(jìn)三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程,應(yīng)結(jié)合地區(qū)氣候與土壤條件,科學(xué)規(guī)劃退耕還林、休牧育草以及濕地保護(hù)工作,制定更合理的生態(tài)保護(hù)政策。