沁河源區水源涵養功能輻射效益研究

郭新亞, 杜世勛, 寧 婷, 李 霞, 桑滿杰, 張夢瑩

(山西省生態環境研究中心, 太原 030009)

“河源區”作為一種重要的生態功能區，具有極高的水源涵養服務功能和很好的生態效益，可為中下游地區提供生態保障，對河源區保護程度的好壞直接影響中下游以致整個流域范圍的生態環境的好壞。目前關于生態系統服務的研究主要以Costanza[1]、Chopra[2]等的研究成果最具代表性。國內關于河源區生態系統服務功能的研究較少，賴敏等[3]對三江源地區的單位生態服務價值進行了修正，估算了生態修復額度；趙秀敏[4]通過開展遼河源頭的生態系統服務功能評價，分析了生態系統功能演變及其成因。沁河為黃河一級支流，其源頭區的森林覆蓋率高達53%以上，其中油松林資源質量屬全國最好，還有廣茂的華北落葉松林、遼東櫟林、山楊林、白樺林等，較好的自然生態系統對于維持和提高源頭徑流能力、防治沁河上游的水土流失、維護生物多樣性和生物多樣性的棲息環境、實現自然資源的可持續利用具有重要的意義。

生態系統服務功能具有空間流動性，一個地區的生態系統服務功能不僅對本區域具有一定的生態效益，而且某些服務功能會通過某些途徑在空間上流動到系統之外的地區，對區域外的地區產生一定的輻射效益，其中水源涵養的輻射效益是指上游集水區域植被與土壤所涵養的水分通過河流水系等輸水通道轉移到中下游地區產生的服務效用[5]。國內學者開展了一些輻射效益方面的研究，韓永偉等[5]對黑河下游重要生態功能區防風固沙功能的輻射距離和輻射量進行了估算，李慶旭等[6]通過測量城市間的直線距離來估算生態系統服務受益區，陳璐[7]通過構建輻射效益評估模型對洪水調蓄、大氣調節、凈化水質、涵養水源等的輻射量進行了估算。但是國內學者對輻射效益的定量化研究甚少，且對水源涵養的輻射效益一般換算成價值量進行估算，直接計算輻射量的較少。本文在水源涵養輻射效益的概念上，以水文循環為基礎，構建輻射效益評估模型，并以沁河源區為例，估算水源涵養輻射量。

本文利用水量平衡法研究沁河源區水源涵養功能空間分布特征，通過構建輻射效益評估模型，估算其水源涵養輻射量，并對輻射量和水源涵養量進行對比，研究沁河源區的輻射效益空間分布特征，以期為水源涵養功能的輻射效益研究提供一定的參考，并對在河源區以及流域范圍研究中的應用提供一定的借鑒作用，同時開展河源區生態服務效益的探索與研究，對認識河源區的重要生態功能、實行河源區的保護具有重要意義。

1 研究區概況

沁河，屬于黃河一級支流，干流總長485 km，流域面積13 532 km2，發源于山西省長治市沁源縣霍山東麓的二郎神溝，源頭至孔家坡段為河源區，長度69 km，區域面積1 360.71 km2(圖1)。研究區地處我國東部季風區暖溫帶半濕潤地區的西緣，大陸性季風氣候顯著，四季分明，雨熱同期。研究區內的海拔高度范圍為0～2 500 m，大部分區間屬于山區型峽谷，坡陡流急，水多沙少，河道平均縱坡為3.8‰，水能資源豐富。以石質山區為主，干流河道大部分為砂頁巖地層，水量滲透較少。

2 數據與方法

2.1 數據資料

本文的氣象數據來源于研究區周圍18個氣象站點所提供的2001—2015年氣象資料，其中將整理出的各站點年降雨數據根據經緯度坐標導入到ArcGIS，利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區多年平均降水量柵格圖；土地利用類型數據基于2015年高分影像數據解譯獲得；土壤屬性數據來源于聯合國糧農組織和維也納國際應用系統研究所所構建的世界土壤數據庫(HWSD v1.1)；DEM數據來自ASTER GDEM，空間分辨率為30 m。

圖1沁河源區水系

2.2 水源涵養量計算

水源涵養是森林、草地等生態系統對降水進行截留、滲透、蓄積，并通過蒸散發實現對水流、水循環的調控，主要表現在緩和地表徑流、補充地下水、減緩河流流量的季節波動、滯洪補枯、保證水質等方面。水源涵養功能的評價方法主要有水量平衡法、綜合蓄水量法、降水存儲量法、模型法等。其中水量平衡法是研究水源涵養機理的基礎，能夠比較準確地計算水源涵養量，且可操作性強，使用頻率最高。

采用水量平衡法進行水源涵養生態功能評價。

W=∑(10×Ai×Fi×Ki×Pi×α)

(1)

式中：W為生態系統水源涵養量(m3)；Pi為評價區域多年平均降水量(mm)；Ai為土地利用類型的面積(hm2)；Fi，Ki分別為該類型的覆蓋率與發育度指數；α為徑流系數。

大量研究表明，植被生長狀態最好的指標數據就是植被指數，其中，歸一化植被指數(NDVI)和植被覆蓋度的相關性最大，故植被覆蓋度的計算公式如下：

(2)

式中：NDVIv和NDVIs分別是茂密植被覆蓋和完全裸土像元的NDVI值。

發育度與林地成熟度和保護狀態有關，原始森林約為1.0，其他地方小于1.0。根據已有研究[8-9]，具體賦值見表1。

表1 生態系統類型K值

徑流系數是指一定匯水面積的地面徑流量與降水量的比值，表示降水量中形成徑流的比例。根據已有研究[8-9]，具體賦值見表2。

表2 生態系統類型α值

2.3 輻射效益估算

某地區的水源涵養量有兩方面的作用，一方面用于滿足自身的需求，另一方面植被和土壤所涵養的水量通過下滲形成地下水，匯入到河流，通過河流水系等輸水通道流入中下游，為中下游地區提供一定的水資源量，從而產生一定的輻射效益。故水源涵養的輻射效益是指森林、草地、河流等生態系統所涵養的水分通過河流水系等輸水通道轉移到中下游地區產生的服務效用。根據產生機理的不同，分別對森林、草地、農田和河流生態系統進行輻射效益估算。

2.3.1 森林生態系統 森林生態系統所涵養的水量包含3部分，即冠層截留量、枯枝落葉含水量和土壤蓄水量[10]。

對于森林和草地生態系統，土壤里儲存的水一部分留在土壤孔隙中，一部分進行下滲，只有超過田間持水量，才能形成自由重力水，從而形成地下水。森林生態系統輻射效益的評估需確定土壤蓄水量及田間持水量，進而確定可滲入地下的水量，假設可滲入地下的水量都匯入河流，對下游產生服務效用，則這部分水量即為輻射量。輻射量估算步驟如下：

(1) 確定土壤蓄水量[11-12]。基于水量平衡確定土壤蓄水量，計算林冠層截留量和枯枝落葉含水量，與水源涵養量相減得到土壤蓄水量。

Q1=P×b×A×10

(3)

Q2=c×A

(4)

S=Q1-Q2

(5)

式中：S為土壤蓄水量(t)；Q1為林冠層截留量(t)；Q2為枯枝落葉含水量(t)；P為降雨量(mm)；A為面積(hm2)；b為林冠截留率(%)；c為枯枝落葉層最大持水量(t/hm2)。

(2) 確定田間持水量。根據Larson等[13]于1979年提出的公式進行計算田間持水量：

FMC=0.003075n1+0.005886n2+0.008039F+0.002208O-0.1434R

(6)

式中：n1為土壤砂粒含量百分比(%)；n2為土壤粉砂粒含量百分比(%)；F為土壤黏粒含量百分比(%)；O是土壤有機質含量(%)；R為土壤容重(g/cm3)。

土壤水分超過田間持水量，多余的水分就會滲透，沒有不透水層的干擾，就會在重力作用下滲透到地下水中去。如果土壤蓄水量大于田間持水量就會形成地下徑流，如果小于，則不匯入地下水。

(3) 估算輻射量。土壤蓄水量減去田間持水量即為可滲入地下的水量，即為輻射量。

2.3.2 草地生態系統和農田生態系統 草地生態系統和農田生態系統所涵養的水量為土壤蓄水量。通過計算水源涵養量，得到土壤蓄水量，再計算田間持水量，得到可滲入地下的水量，即輻射量。

2.3.3 河流生態系統 降雨落入河流后不產流，河流的水源涵養量為降雨量減去蒸發量后的水量。這部分水量一方面可維護本地河流自身的生態需求，另一方面流向下游，保證下游水量，其次也可提供水資源供人類需求。因本研究區為沁河源區，該區域位于河流的源頭，山高坡陡，人類的可達性較差，使得人類從河流中取水的可能性較小，故本研究排除人類取水的影響，認為河流所涵養的水量均可流向中下游，從而對中下游產生輻射效益，則沁河源區內的河流的水源涵養量即為輻射量。

2.4 輻射比計算公式

就某一柵格斑塊而言，雨水降落到斑塊后，除去徑流和蒸發量后的水量為該斑塊的水源涵養量，但水源涵養量并非可以全部下滲到地下匯入地下水，通過河流水系匯入下游，從而產生一定的輻射效益，故具有輻射效益的水源涵養量占總水源涵養量的一定比例。本文運用水源涵養的輻射百分比進行水源涵養供給量和輻射量的對比，該比例可用來反映特定區域內生態系統的實際輻射量和供給量之間的關系，計算公式如下：

(7)

式中：a為輻射比；W為生態系統水源涵養量(m3)；M為生態系統水源涵養輻射量 (m3) 。

3 結果與分析

3.1 沁河源區水源涵養功能空間分布特征

基于水量平衡法，得到柵格分布式的沁河源區水源涵養量(30 m×30 m)，結果如圖2所示。

沁河源區多年平均水源涵養量為234.75 m3，水源涵養總量達3.52億m3。水源涵養功能在研究區內表現出明顯的空間差異，水源涵養功能較高的地區主要集中在以落葉闊葉林和常綠針葉林覆蓋為主的區域，主要原因在于這些地區林地覆蓋度高，雖然蒸發作用強烈，但是雨水截留量大，徑流產生少，土壤保水能力高，因而水源涵養量較高。水源涵養功能次高的地區主要集中在以灌木林和草地覆蓋為主的區域，與有林地相比，其蒸騰作用相對較弱，但土壤的蓄水能力亦較弱，且易產生地表徑流。居住地、工業用地和采礦場等建設用地的蓄水能力弱，徑流量大、匯流時間短，降雨多以地表徑流的形式流走，水源涵養功能差。

圖2 沁河源區水源涵養功能

研究區內的生態系統類型包括森林、草地、農田、河流和城鎮生態系統，其中林地的面積最大，占研究區總面積的75.40%；其次為旱地(190.97 km2)，占總面積的14.04%；草地面積次之，包括草叢(106.25 km2)和草甸(15.26 km2)；建設用地和河流的面積最小，僅占總面積的1.52%和0.11%。將水源涵養量與土地利用類型疊加，得到不同土地利用類型的水源涵養總量和單位面積水源涵養能力(表3)。不同土地利用類型水源涵養總量不同，大小依次為：落葉闊葉林>常綠針葉林>落葉闊葉灌木林>旱地>草叢>草甸>河流>農村宅基地>風電項目>采礦場>工業用地。林地和草地的水源涵養量最多，占研究區水源涵養總量的近94%。農村宅基地水源涵養總量大于河流、工業用地等主要是由于其面積較大。此外，不同土地利用類型單位面積水源涵養能力也不同，大小依次為：常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>草甸>草叢>河流>旱地>采礦場>農村宅基地>風電項目>工業用地。常綠針葉林與落葉闊葉林相比，葉面積較小，蒸發作用小，故水源涵養量均值較大；研究區內的草甸是山西屈指可數的典型亞高山草甸之一，主要生長矮草類高山植物，與草叢相比，植被茂盛且覆蓋度高，水源涵養能力相對也較好。

表3 不同土地利用類型的水源涵養能力

3.2 沁河源區水源涵養功能輻射效益特征

利用水循環得到柵格分布式的沁河源區水源涵養輻射量(30 m×30 m)，結果如圖3所示。

圖3沁河源區林地、草地和農田輻射功能

研究區內林地包括落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林，面積分別為412.27，397.85，213.43 km2，其中落葉闊葉林以櫟林為主，常綠針葉林以油松林為主。就森林生態系統而言，林地通過冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤滲透蓄水發揮水源涵養功能[14]，針葉樹種的截留降水量較大，闊葉樹種次之，常綠樹種較大，落葉樹種次之，故常綠針葉林的冠層截留量較落葉闊葉林的大[15]。依據相關研究成果，取落葉闊葉林和常綠針葉林的林冠截留率為24.3%和28.9%[16-17]，落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林的枯枝落葉層最大持水量分別為22.5，27.13，34.9 t/hm2[18-19]。

沁河源區水源涵養輻射平均量為164.54 m3，總量為2.38億m3。99.30%的林地具有水源涵養輻射效益，平均輻射量為172.17 m3，輻射總量達到1.91億m3，輻射量的空間分布與植被分布有關，輻射較好的區域主要分布在落葉闊葉林區域，其中落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林的平均輻射量分別為179.33，162.13，174.88 m3，輻射總量分別為0.81億m3，0.71億m3，0.39億m3。97.12%的草地具有水源涵養輻射效益，平均輻射量為140.99 m3，輻射總量為0.22億m3。94.89%的農田具有水源涵養輻射效益，平均輻射量為136.18 m3，輻射總量為0.24億m3。河流平均水源涵養輻射量為174.31 m3，水源涵養輻射總量達到232.94萬m3。

3.3 沁河源區水源涵養輻射比特征

基于公式(8)：得到柵格分布式的沁河源區水源涵養輻射比(30 m×30 m)，結果如圖4所示。

圖4沁河源區林地、草地和農田水源涵養輻射比

沁河源區內輻射總量占水源涵養總量的67.61%，具有輻射效益的區域面積占總面積的96.81%，主要集中在林地、草地、農田和河流區域。就產生輻射效益的區域而言，99.30%的林地具有水源涵養輻射效益，林地斑塊水源涵養量的64.89%可形成地下水匯入河流中；97.12%的草地具有水源涵養輻射效益，草地斑塊水源涵養量的97.76%可下滲至地下水，隨水的流動匯入下游區域；94.89%的農田具有水源涵養輻射效益，其中92.98%的水源涵養量具有輻射效益；河流涵養的水量一部分用于維護生態系統正常功能，一部分流向下游，為下游提供水資源。研究區具有很好的植被覆蓋，以落葉闊葉林和常綠針葉林為主，土壤以粉砂壤土和壤土為主，滲透性較強；研究區內有草甸分布，是山西屈指可數的典型亞高山草甸之一，主要生長著矮草類高山植物，植被茂盛且覆蓋度高，水源涵養能力相對較好，且林地具有較大的林冠截留，故與草地下滲至地下的水源涵養比例相比，林地下滲的比例較少。

4 結 論

(1) 沁河源區多年平均水源涵養量234.75 m3，水源涵養總量達3.52億m3。林地和草地的水源涵養量最多，占研究區水源涵養總量的近94%。不同土地利用類型單位面積水源涵養能力不同，大小依次為：常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>草甸>草叢>河流。

(2) 沁河源區水源涵養輻射平均量168.41 m3，總量2.14億m3。沁河源區99.30%的林地、97.12%的草地、94.89%的農田和100%的河流具有水源涵養輻射效益，輻射總量分別為1.91億m3，0.22億m3，0.24億m3，232.94萬m3。

(3) 沁河源區林地斑塊的實際輻射量占供給量的64.89%，草地斑塊的實際輻射量占供給量的97.76%，耕地斑塊的實際輻射量占供給量的92.98%。