1980—2016年三江源國家公園水源供給及水源涵養功能時空變化研究

呂樂婷,任甜甜,孫才志,鄭德鳳,王 輝

遼寧師范大學地理科學學院, 大連 116029

三江源地處青藏高原腹地,是長江、黃河、瀾滄江的發源地,是我國淡水資源的重要補給地,是我國最大的水源供給和涵養生態功能區[1]。在三江源地區開展國家公園體制試點是黨中央、國務院統籌推進“五位一體”總體布局的重大戰略決策,是生態文明制度建設的重要內容。三江源國家公園位于三江源核心區域,是我國第一個國家公園體制試點。公園內生態系統保持著較高的原始性和完整性,同時也具備對氣候變化響應敏感、對人類活動干擾敏感等脆弱性特征[2]。

近年來,氣候變化和高寒草甸的持續退化對水源涵養產生了較大的影響[3- 4],源區水源供給及涵養量發生了變化,引起了眾多學者的關注[1, 5]。潘韜等[1]基于InVEST模型,尹云鶴等[6]基于改進的LPJ動態植被模型,喬飛等[7]、張永勇等[8]基于SWAT模型,徐翠等[9]、楊永勝等[3]采用實地采樣與室內測試分析法,分別對三江源地區的徑流演變、水源供給、水源涵養等功能進行了評估。InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型由斯坦福大學、大自然保護協會、世界自然基金會和其他相關機構共同開發。模型能夠計算不同情景對生態系統服務價值的影響[10-11]。模型的產水量模塊基于水循環原理,通過降水、植物蒸騰、地表蒸發、根系深度等參數計算獲得產水量,再用地形指數、土壤飽和導水率和流速系數對其進行修正,進而獲得水源涵養量,實現對水生態系統服務功能多尺度、綜合、動態、可視化的評估,目前已得到國內外學者認可。如：Redhead等[12]基于InVEST模型評估了英國22個流域的產水量,并采用實測數據對模擬結果進行了驗證。Terrado等[13]利用 InVEST 模型模擬了地中海地區極端氣候條件對水生態服務價值的影響。在國內,InVEST模型除了在三江源地區[1]外,在秦嶺北麓[14]、北京市[15]、陜西省[16]等地也有成功應用,為這些地區水資源評估與規劃決策提供了科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

三江源國家公園位于青藏高原腹地,包括長江源、黃河源、瀾滄江源3個園區,總面積12.31萬km2。園區以高原和高山峽谷地貌為主,地勢高聳,地形復雜,平均海拔4500 m以上。園區位于青藏高原氣候區,冷熱兩季、雨熱同期、冬長夏短；多年平均氣溫在-5.6—7.8℃,冷季長達7個月。多年平均降水量自西北向東南 262.2—772.8 mm。土壤類型以高山草甸土為主,凍土面積較大。園區共涉及治多、曲麻萊、瑪多、雜多四縣和可可西里自然保護區管轄區域,共12個鄉鎮、53個行政村(圖1)。

圖1 研究區概況Fig.1 Location of Sanjiangyuan National Park

1.2 數據來源

(1)土地利用及地形數據。1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年共7期土地利用利用數據,均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源,通過人工目視解譯生成。本文根據研究區土地利用類型以及相關參考文獻[17- 19],將原數據土地利用類型歸并調整為8類,以便更加清晰明確的反映研究區土地利用類型的狀況及演變(表1)。本研究采用1980年土地利用數據來代表園區1980—1985年土地利用狀況,以此類推,1990、1995、2000、2005、2010、2015年土地利用數據分別代表1986—1992、1993—1997、1998—2002、2003—2007、2008—2012、2013—2016年土地利用狀況。三江源國家公園土地利用類型以草地及沙地、戈壁與裸地為主,共占總面積85.84%。草地共占總面積60.83%,其中低覆蓋度草地占比最高,達35.77%。沙地、戈壁與裸地占總面積29.74%。園區內河湖、冰川雪地、濕地灘涂等水體共占總面積6.76%(圖2)。1985年至2016年,研究區土地利用變化不大。數字高程模型(DEM)數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn),該數據集利用SRTM3 V4.1版本的數據加工得來,空間分辨率為90 m。

表1 三江源國家公園各園區土地利用類型對照表

(2)氣象數據。本研究所需1980—2016年降水量空間插值數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。計算潛在蒸散量所需降水、氣溫、風速、日照時數、氣壓日值數據來源于中國氣象局氣象數據中心(http://data.cma.cn/),基于FAO修正的Penman-Monteith公式計算潛在蒸散量,再通過空間插值獲得潛在蒸散量柵格數據。

(3)土壤厚度和土壤有效含水量。土壤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構建的世界土壤數據庫,中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據。園區土壤類型由高到低主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土等,以高山草甸土為主,凍土面積較大。土壤有效含水量的計算是基于土壤屬性數據,由美國華盛頓州立大學開發的土壤水特性軟件SPAW(https://spaw-hydrology.software.informer.com/)中的Soil-Water-Characterstics(SWCT)模塊計算獲得。計算方法如下：首先根據粘土(Clay)、砂(Sand)、有機物(Organic Matter)、鹽度(Salinity)、砂礫(Gravel)等參數計算得出的凋萎系數和田間持水量,土壤有效含水量為田間持水量和凋萎系數差值。

圖2 三江源國家公園土地利用類型圖Fig.2 Landuse map of Sanjiangyuan National Park

2 研究方法

本研究采用InVEST模型的產水量模塊,基于水量平衡原理估算產水量,即水源供給量。并此基礎上再考慮地形、土壤層厚度和滲透性等因素的影響,計算水源涵養量[15-16, 23]。

2.1 產水量計算

模型將每個柵格單元的產水量定義為該柵格范圍內的降水量扣除蒸散量(包括植物蒸騰和地表蒸發)之后剩余水量,并假設每一個柵格單元所有的產水量都通過地表徑流或者地下徑流的方式到達了流域出口,最終在子流域尺度上對每一個柵格的產水量進行加和或求取其平均值。流域產水量計算方式如下：

(1)

式中,Yxj為柵格單元x中土地覆被類型j的年產水量,主要包括地表徑流量、土壤含水量、枯落物持水量、冠層截留量；Px為柵格單元x的多年平均降水量；AETxj為柵格單元x中的土地覆被類型j的實際蒸散,由(2)式計算：

患兒頻繁嘔吐腹瀉，極易造成脫水及營養流失。護理人員需指導家長為患及時補充營養，未斷奶的患兒可以母乳喂養，斷奶后的需營養豐富、易消化的半流質食物；另外，家長需保證患兒飲食衛生，無病毒細菌。

(2)

式中,wx為自然氣候條件下表示土壤性質的一個無量綱非物理參數,由(3)式計算：

(3)

式中,Z為經驗常數,代表區域降水分布及其他水文地質特征。根據相關研究,對于冬季降水為主(12月至翌年4月)的地區,Z值接近10,而對于降水均勻分布的濕潤地區和夏季降水為主的地區,Z值接近1[9]。Z值越高,或干旱指數較大或較小的地區,模型結果受季節常數Z影響越小[13]；AWCx為柵格單元x的土壤有效含水量,由土壤深度和理化性質決定。Rxj為Bydyko干燥指數,由(4)式計算：

(4)

式中,ET0為柵格單元x中土地覆被類型j的植被蒸散系數；kxj為參考作物蒸散。

2.2 水源涵養量計算

水源涵養量由年產水量、地形指數、土壤飽和導水率與地表徑流流速系數等計算徑流在柵格上停留時間計算得出,具體計算方法如下：

(5)

式中,retention為單位面積水源涵養量(mm)；V是流速系數,采用模型參數表數據；Ksat為土壤飽和導水率(mm/d)。TI為地形指數,由(6)式計算：

TI= log(Darea/Soildep×Pslope)

(6)

式中,Darea為集水區柵格數量,Soildep為土壤深度(mm),Pslope為坡度比。

3 結果與分析

3.1 產水量及水源涵養量年際變化

1980—2016年三江源國家公園年降水、潛在蒸散、實際蒸散、產水量及水源涵養量的變化狀況如圖3所示。研究區多年平均降水量406.50 mm,整體上呈不顯著增加趨勢,增加速率為5.7 mm/10a；多年平均潛在蒸散量789.49 mm,呈顯著增加趨勢(P<0.01),增加速率為14.46 mm/10a。結果與周秉榮等對整個三江源地區潛在蒸散的研究結果基本一致[24]。潛在蒸散最低值出現在20世紀90年代初期,可能與該時期太陽輻射與直接輻射減少有關[25]。園區多年平均實際蒸散量291.70 mm,呈顯著增加趨勢(P<0.05),增加速率為5.95 mm/10a,其中黃河源國家公園多年平均實際蒸散量為341.53 mm,與尹云鶴等[6]基于改進的LPJ模型所計算的黃河源多年平均實際蒸散量(342.28 mm ±12.33 mm)非常接近,在一定程度上證明了模型結果的準確性。園區多年平均實際蒸散比(實際蒸散量占降水量比例)71.76%,這意味著大部分降水通過實際蒸散發返回到了大氣當中。在氣象要素變化的影響下,研究區多年平均產水量118.17 mm,占降水量29.07%；水源涵養45.04 mm,占降水量11.05%。在研究時段內,產水量和水源涵養量皆呈現不顯著增加趨勢,增加速率分別為1.93 mm/10a和0.88 mm/10a。

圖3 1980—2016年三江源國家公園降水、潛在蒸散、實際蒸散、產水量及水源涵養量Fig.3 Annual precipitation, potential evapotranspiration, actual evapotranspiration, water yield and water conservation in Sanjiangyuan National Park during 1980—2016

經過相關分析得出(表2),產水量、水源涵養量與降水量的相關系數為分別為0.929(P<0.01)和0.976(P<0.01),與實際蒸散發的相關系數為分別為0.825(P<0.01)和0.854(P<0.01),這一結果與龔詩涵對全國水源涵養影響因素的研究結果一致[26]。實際蒸散比(實際蒸散占降水量比率)與產水量、水源涵養量呈顯著負相關,相關系數分別為-0.977(P<0.01),和-0.906(P<0.01)。這意味著,實際蒸散占降水比例越大,產水量和水源涵養量就越小。實際蒸散比代表了綜合考慮氣候要素及下墊面狀況下的蒸發能力,受降水(相關系數-0.860,P<0.01)和潛在蒸散影響(相關系數0.359,P<0.05),也與地表覆蓋類型、土壤蓄水能力相關,非常復雜。綜合分析,本研究認為降水量、實際蒸散量是影響三江源國家公園產水量和水源涵養量的主要氣候因素,另外,實際蒸散比(實際蒸散能力)也會對產水量和水源涵養量產生影響。

表2 三江源國家公園各水文-氣象要素相關關系表

在不同研究時段內,三園區降水量都呈現先降低后增加的趨勢(圖4)。相對于20世紀80年代,三園區降水量在20世紀90年代皆大幅度降低。其中黃河源園區下降量最大,達62.39 mm,降幅達-12.70%。在此影響下,三園區實際蒸散量、產水量及水源涵養量也大幅降低,黃河源園區降幅最大,分別降低了25.22、36.22 mm和16.64 mm,降幅分別為-7.15%、-27.21%和-28.53%。從水資源總量上來說,長江源園區由于其面積最大,產水總量及水源涵養總量降低最大,分別降低了17.9、7.40億m3,降幅為-16.72%和-18.75%。隨后至2000s及2010s(2010—2016),長江源園區降水量穩步提升,黃河源及瀾滄江源園區降水量則先增后減。在此影響下,長江源園區實際蒸散量、產水量及水源涵養量亦穩步提升,而黃河源及瀾滄江源園區實際蒸散量、產水量及水源涵養量則發生波動,變化趨勢與降水變化一致。2010年以后,黃河源及瀾滄江源園區水資源總量較80年代有所降低,兩園區產水總量上分別減少了5.96億m3和3.88億m3,降幅分別為-23.53%和-18.30%。水源涵養總量分別減少了2.57億m3和1.81億m3,降幅分別為-23.13%和-21.79%。唯有長江源園區水資源量有所增加,產水量和水源涵養量分別增加了5.29億m3和2.85億m3,增幅分別為4.95%和7.23%。總覽三園區水資源總量,產水量及水源涵養量在不同年代皆呈現出先驟降、后增加、再略有降低的變化趨勢(圖5)。

圖4 不同年代三園區年均降水、實際蒸散、產水量及水源涵養量 Fig.4 Annual precipitation, actual evapotranspiration, water yield and water conservation from 1980s to 2010s

圖5 不同年代三園區水資源總量Fig.5 Total water resources from 1980s to 2010s

3.2 產水量及水源涵養量空間分布特征

三園區氣象要素、產水量及水源涵養量空間分布特征如圖6所示。1980—2016年,三江源國家公園年均降水量自西北向東南221—715 mm。其中瀾滄江園區年均降水量最為豐沛,達575.48 mm,是黃河源園區的1.26倍、長江源園區的1.55倍(圖6)。實際蒸散空間分布特征與降水量基本一致,自西北向東南遞增。瀾滄江園區降水量居三園區之首,用地類型以高寒森林、灌叢、草原草甸鑲嵌分布為主,植被蒸散發能力也較其余兩園區強,因此年均實際蒸散量最高,達427.97 mm,分別為是黃河源園區和長江源園區的1.25倍、1.68倍(圖6)。

受降水、蒸發、蒸散比(圖6)土地利用及土壤類型的綜合影響,三江源國家公園產水量總體變化趨勢為西北高,中部低,南部略微增加(圖6)。從產水總量上來看,長江源園區由于其面積最大,年均產水總量最高,達104.11億m3,分別是瀾滄江源園區及黃河源園區的5倍和4倍。從單位面積產水量上來看,瀾滄江園區接近高原亞寒帶濕潤區,降水量最高,平均產水深亦為最高,達139.95 mm。黃河源園區由北向南,氣候類型從高原亞寒帶干旱區過度至高原亞寒帶濕潤區,產水量亦呈明顯的由北向南遞增的變化趨勢。長江源園區降水量最低,但園區沙地、荒漠裸地面積占比達44.6%,植被稀疏,蒸散系數低,蒸散發能力弱。尤其在北部西西可里地區,蒸散比非常低,降水更多直接轉換為徑流,因此平均產水深較黃河源園區稍高。但由于缺少地表植被,這些水資源主要以藍水資源存在,而對陸地生態系統生產性和服務性功能的維護具有重要意義的綠水資源則十分稀缺。在三園區中,長江源園區產水量占降水量比例最高,達31.03%,其產水能力最高。瀾滄江源其次,黃河源產水能力最低(表2)。

水源涵養量除與產水量相關外,還受地形指數影響(圖6),空間分布特征與產水量基本一致(圖6)。長江源園區水源涵養總量最高,達43.45億m3。瀾滄江源園區最低,為5.92億m3。從單位面積水源涵養量上來看,黃河源園區水源涵養深度最高,為53.65 mm,長江源其次,瀾滄江源最低。在三園區中,長江源園區水源涵養量占降水量比例最高,達12.91%,代表其水源涵養能力最高,黃河源其次。瀾滄江源園區地處唐古拉山北麓,以高山峽谷為多,河流切割強烈,地勢陡峭,水源涵養能力最低(表3)。

圖6 年均降水、實際蒸散、蒸散比、產水量、地形指數及水源涵養量空間分布Fig.6 Space distribution of annual precipitation, actual evapotranspiration, ratio transpiration, water yield, TI and water conservation in Sanjiangyuan National Park during 1980—2016

3.3 極端降水條件下產水量與水源涵養量變化

根據三江源國家公園氣候特征,選擇年降水量最高年份2009年(525.63 mm)代表極濕潤年份,降水量最低年份2015年(314.27 mm)代表極干旱年份,研究極端氣候下園區產水量及水源涵養量的數量及空間分布特征,結果如圖7所示。

園區濕潤年份單位面積產水量185.42 mm,是多年平均量的1.57倍。其中瀾滄江園區最高,達197.02 mm。長江源其次,為187.62 mm,黃河源最低為166.46 mm。空間上呈由北向南先減少后增加的趨勢。園區單位面積水源涵養量70.94 mm,是多年平均量的1.58倍。瀾滄江園區最高,達78.55 mm,黃河源園區74.66 mm,長江源園區68.95 mm。水源涵養空間分布與產水量基本相似,另外受地形及土壤性質影響。園區干旱年份單位面積產水量60.93 mm,僅為濕潤年份的32.86%,是多年平均量的51.56%。長江源園區產水量變化最大,54.56 mm,為濕潤年份的29.08%,多年平均量的47.48%。相應的水源涵養量也與濕潤年分差別最大,僅有20.69 mm,是濕潤年份的30.01%,多年平均量的43.14%。黃河源與瀾滄江源園區干旱年份產水量與水源涵養量為濕潤年份的40%—45%,多年平均量的58%—75%。降水的差異對長江源園區水資源量的影響較大,在氣候變化的大背景下,長江源園區的生態風險較高。

表3 三園區年均氣象要素、產水量及水源涵養量

圖7 極端氣候下產水量及水源涵養量空間分布Fig.7 Space distribution of water yield and water conservation under extreme precipitation conditions

4 討論

InVEST模型基于水量平衡原理,簡化了產水量評估的步驟,但在應用中也暴露出一些缺陷和不足,如對各項參數及評估結果無法有效驗證。三江源國家公園的生態水源實際狀況難以獲取,數據缺乏。公園地跨多個區縣,且邊界不與區縣邊界相符合,因此亦無法采用行政區水資源數據對其進行驗證。本文為了克服InVEST模型這一缺陷,在結果驗證方面參考了大量文獻。如：對于園區多年平均潛在蒸散量計算結果,與周秉榮等[24]研究結果進行了對比；黃河源國家公園多年平均實際蒸散量與尹云鶴等[6]的研究結果進行了對比；另外,研究區產水量的計算結果與潘韜等[1]研究成果及中國科學院資源環境科學數據中心提供的中國三級流域產水模數數據進行了對比(http://www.resdc.cn/data.aspx?dataid=279)；水源涵養結果與張媛媛[5]的研究結果進行了對比；以上結果與本文結論皆基本一致,可以作為模型計算結果正確的佐證。

本文使用1980—2016年期間共7期土地利數據,結合氣象數據,對研究區多年產水量及水源涵養量進行計算,并作對比分析,證明模型具有良好的動態評估性能。近幾十年,受多種驅動因素的影響,三江源區生態系統退化嚴重,水源供給能力受到影響[1]。本文對長時間序列及不同時段園區水資源狀態及空間分布特征進行了計算及分析,并模擬了極端降水條件下園區產水量與水源涵養量變化。1980—2016年,園區水資源量呈現出先驟降、后增加、再略有降低的變化趨勢。這與園區降水量、實際蒸散量與實際蒸散比的變化密切相關。1980年至今,三江源地區降水量呈先降后增的趨勢,平均氣溫則呈現明顯增加趨勢[1,6]。降雨的變化直接影響了水資源總量大小,氣溫變化亦通過影響蒸發來間接影響產水量及水源涵養功能。2000年代中期之后,隨著三江源地區生態保護建設工程的推進,園區生態退化現象得到了一定程度的遏制與恢復,水源供給及涵養能力有所恢復[1]。在未來,對于園區生態保護和建設過程中必須充分考慮氣候變化影響,建立相應措施,才能確保國家公園區乃至整個三江源地區的生態系統有效的適應全球變化。

5 結論

本文基于InVEST模型對1980—2016年三江源國家公園產水量、水源涵養量的時間變化及空間分布特征進行了分析,探求了對其產生影響的主要氣候要素及下墊面要素。主要結論如下：

(1)1980—2016年,三江源國家公園年均降水量406.50 mm,呈不顯著增加趨勢；年均潛在蒸散789.49 mm、年均實際蒸散291.70 mm,二者顯著增加,增加速率分別為14.46 mm/10a和5.95 mm/10a。園區年均產水量118.17 mm,水源涵養45.04 mm。20世紀80年代至90年代,產水量及水源涵養量驟降,至2000年后有所增加,2010年后又略有降低。

(2)三江源國家公園產水量總體變化趨勢為由北向南先減少后增加。瀾滄江園區降水最為豐沛,植被覆蓋度高,產水量最大。黃河源園區產水量受氣候類型變化影響由北向南呈明顯遞增趨勢。長江源園區降水量最低,但園區沙地、荒漠裸地面積占比高,蒸散系數低,蒸散發能力弱,產水量較黃河源園區稍高。在三園區中,長江源園區產水能力最高。瀾滄江源其次,黃河源產水能力最低。水源涵養量除與產水量相關外,還受地形指數影響,空間分布特征與產水量基本一致。

(3)在極端降水條件下,園區產水量及水源涵養量的數量及空間分布差異十分顯著。黃河源與瀾滄江源園區干旱年份產水量與水源涵養量為濕潤年份的40%—45%,多年平均量的58%—75%。長江源園區干旱年份產水量僅為濕潤年份的29.08%,不足多年平均產水量的一半。水源涵養量亦僅為濕潤年份的30.01%,多年平均量的43.14%。長江源園區水資源量對降水量變化的響應最為敏感,生態風險較高。