京津風沙源治理工程區水源涵養功能時空變化分析

張 彪,王 爽,李慶旭,謝高地

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國生態文明研究與促進會,北京 100035

土地是人類賴以生存的物質基礎和自然資源。由于人口數量持續增長和土地資源不合理利用,我國土地退化態勢較嚴重[1],截至2014年仍有荒漠化土地261.16萬km2,沙化土地172.12萬km2[2]。為遏制土地退化趨勢,我國相繼實施了一系列重大生態保護工程[3],并取得了顯著的生態建設成效。但生態系統演化與恢復是一個漫長過程,開展生態系統狀況評估與生態恢復成效監測尤為重要[4]。由于我國重大生態工程區涉及到廣大的干旱、半干旱地區,而水分狀況是植被生長與生態修復的關鍵,因此清晰揭示生態工程區水分狀況的動態變化可為生態保護與修復工程的規劃布局提供重要參考。水源涵養是陸地生態系統的重要服務功能之一,對區域水文狀況改善、水分循環調節以及飲用水源保護等具有重要意義[5],但易受生態系統類型、土壤理化性質、地形地貌特征以及降水、蒸散和徑流等因素影響[6],因此準確評價水源涵養功能是當前研究的難點與熱點。張彪等[7]總結森林水源涵養功能的評估方法有土壤蓄水能力法、區域水量平衡法、年徑流量法、多因子回歸法等,王曉學等[8]進一步明確了這些方法的基本假設和適用尺度,司今等[9]則分析探討了水源涵養功能計算方法的區域適用性。近年來,SWAT[10]、SCS-CN[11]、InVEST[12]、DTVGM[13]以及元胞自動機[14]等模型也被應用于水源涵養功能評價中。但是,水源涵養是一定時空范圍內生態系統截留與保持水分的過程和能力[5],是多個生態水文要素與過程綜合作用的結果,不同地區水源涵養的功能潛力及其影響因子可能不同,但是區域生態修復與保護工程規劃布局的關鍵依據,為此需要清晰揭示區域降水的整體分配與利用情況。水量平衡方程是將區域生態系統視為一個黑箱,把大氣降水作為輸入水量,蒸散量和徑流量作為輸出水量,水量輸入和輸出的差值即為水源涵養量,可充分反映區域降水的整體分配情況[15- 16],而且使用頻率較高[6,11,17- 18]。

京津風沙源治理工程是為遏制北京及周邊地區土地沙化趨勢、改善京津地區大氣環境而實施的一項重大生態工程,其植被覆蓋狀況與生態系統功能受到重點關注。比如李慶旭等[19]測算發現,2000—2015年京津風沙源區的植被覆蓋度以0.4%/年的速率增加；張彪等[20]采用修正風蝕方程估算發現,風沙源區的防風固沙功能也以年均0.71%的速率波動增加；吳丹等[21]從生態系統結構、質量和服務功能的角度評估認為,2000—2010年京津風沙源治理工程的生態效應顯著。但是京津風沙源治理工程集中分布在我國的干旱、半干旱地區,區域蒸散發與干旱化風險均較大[22],區域水資源與土壤水分狀況對工程區的植被及功能有重要影響[23]。現有研究側重工程區植被狀況與防風固沙效益評估,對其水源涵養功能的變化規律及其空間差異研究較少。隨著京津風沙源治理工程的持續推進,分區施策與精準修復已成為生態治理的重要任務,因此亟需分析揭示工程區水源涵養功能的時空變化差異。

為此,該文基于京津風沙源治理工程區的長序列遙感影像數據,采用區域水量平衡方程與GIS空間分析技術,評估分析2000—2015年工程區水源涵養功能的時空變化特征,分析揭示區域水源涵養功能差異及其影響因子,為京津風沙源治理工程的成效監測與分區施策提供參考依據。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究區概況

京津風沙源治理工程區(109°30′—114°20′E, 38°50′—46°40′N)主要位于我國北方的干旱、半干旱地區,西起內蒙古達爾罕茂明安聯合旗,東至河北省平泉縣,南起山西省代縣,北至內蒙古東烏珠穆沁旗。一期工程區面積45.8萬km2,涵蓋北京、天津、錫林郭勒、承德、張家口等11個地市的75個縣(旗、市、區)。

工程區地貌以平原、山地和高原為主(圖1)。其中,京津市區為海河平原的一部分,其西部與北部被太行山北端和燕山西部環繞,山地外側為內蒙古高原；東部渾善達克沙地是錫林郭勒高原的重要組成部分,沙化土地廣布；西部烏蘭察布高原由陰山北麓的丘陵、地勢平緩的凹陷地帶及橫貫東西的石質丘陵隆起帶組成,境內多季節性河流；燕山山地和太行山地形起伏較大,易造成水土流失。

工程區多年平均氣溫為7.5℃,平均降水量為459.5mm,且集中在6—9月,年蒸發量平均為2110mm。工程區主要內流河有安固里河、大清溝,外流河有永定河、灤河、潮白河和遼河,水資源總量約為229.16億m3,其中地表水132.93億m3,地下水資源量132.77億m3。

工程區土壤種類繁多,內蒙古高原地帶性土壤以黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土為主,燕山山地以石灰土、石質土為主。工程區植被類型復雜,內蒙古高原天然植被以冷蒿、大針茅、克氏針茅和短花針茅等為主,人工植被以闊葉喬木和旱生灌木為主；燕山山地及太行山北部山地天然植被多為次生楊樺林及荊條、胡枝子、山杏等針葉灌叢,人工植被以油松為主,高海拔地帶以落葉松為主[24]。

由于京津風沙源治理工程區面積廣闊,地貌差異大,涉及不同的生物氣候帶和土壤類型區,且地表植被狀況存在明顯差異,參照石莎等[25]劃分方法,將工程區分為荒漠草原亞區、典型草原亞區、渾善達克沙地亞區、大興安嶺南部亞區、科爾沁沙地亞區、農牧交錯帶草原亞區、晉北山地丘陵亞區和燕山丘陵山地水源保護亞區等進行比較分析(圖1)。

圖1 京津風沙源治理工程區海拔及分區組成Fig.1 Altitudes and subzones in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

1.2 研究方法

本文采用區域水量平衡方程評估工程區的水源涵養量與涵養能力。首先,利用工程區內氣象站降雨數據插值得到每年的評估期降雨量(P),基于不同年份土地覆被數據與地表徑流系數(r)估算地表徑流量(R)；然后利用Thorntnwaite Menorial 模型[26- 28]以及插值到的評估期溫度(T)估算相應的最大蒸散量(L),并引入土地覆被蒸散發調整系數(ei)估算蒸散發量(ET)；水源涵養能力(WCA)為一定時間內評估單元的降雨量(P)與地表徑流量(R)及蒸散發(ET)的差值,水源涵養量(WCQ)為某區域水源涵養能力(WCA)與土地覆被面積的乘積。計算公式為：

(1)

L=300+25×T+0.05×T3

(2)

(3)

WCA=P-R-ET

(4)

(5)

式中,P為評估期降雨量(mm),R為地表徑流量(mm),ri為不同土地覆被類型的地表徑流系數(表1)；L為評估期最大蒸散量(mm),T為評估期平均氣溫(℃),ET為蒸散發估算量(mm),ei為不同土地覆被類型的蒸散發調整系數(表1)；WCA為水源涵養能力(mm),WCQ為區域水源涵養量(m3),A為土地覆被面積(hm2),i為土地覆被類型?？紤]到工程區80%降雨集中在6—9月份[34],本文將評估期設定為每年的6—9月,并估算相應年份的降雨量、蒸散量和徑流量。

表1 京津風沙源治理工程區徑流系數與蒸散發調整系數

1.3 數據來源

本文中2000—2015年京津風沙源治理工程區的地表覆被類型及其面積均來自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)的土地利用數據(30m×30m柵格),包括森林、灌叢、草地、濕地、農田、沙地、城鎮等7類；氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)的位于工程區內的81個氣象站,并采用6—9月降水數據插值成柵格數據。為保證不同數據精度的一致性,以上數據均重采樣為100m×100m的柵格單元參與計算。

2 結果與分析

2.1 年際變化

結果表明,2000—2015年京津風沙源治理工程區的降雨量波動在224—383mm之間,其中2007年和2012年分別達到最小值和最大值,多年平均的評估期降雨量為289mm,且總體呈現小幅增加趨勢(圖2),對區域水源涵養功能的發揮與利用有一定積極意義。2000—2015年工程區蒸散量與降雨量變化趨勢基本一致,評估期蒸散量變動在243—355mm之間,多年平均值為295mm,且受區域氣溫上升的影響[35],評估期蒸散量整體有所增大,加劇了區域干旱化趨勢[36]。此外,2000—2015年京津風沙源治理工程區地表徑流量介于36—62mm之間,且受降雨量與地表覆被變化的影響,徑流量波動變化顯著,多年平均值為46mm(圖2)。

2000—2015年間京津風沙源治理工程區可涵養水源3.61億—35.39億m3,并分別于2007年和2012年達到最低值和最高值,多年平均的水源涵養量為16.79億m3,約占工程區水資源總量的7.33%、地表水資源量的12.63%,對工程區植被生長需求與生態恢復有一定積極作用；2000—2015年工程區水源涵養能力變動在0.74 —7.23mm,多年平均的涵養水源能力為3.66mm,不足平均年降雨量(459.5mm)的1.14%,說明大氣降水的有效利用水平較低。此外,2000—2015年京津風沙源治理工程區的水源涵養量與涵養能力均呈現整體增加趨勢(圖3),原因在于工程區生態狀況的改善提升了區域水源涵養功能,但相比之下,水源涵養量的變化幅度高于涵養能力,這是因為水源涵養量受涵養能力與地表覆被的共同影響。

圖2 京津風沙源治理工程區降雨量、蒸散量和地表徑流量變化Fig.2 Changes of rainfall, evapotranspiration and runoff in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

圖3 京津風沙源治理工程區水源涵養功能變化 Fig.3 Changes of water conservation service in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.2 空間格局

基于京津風沙源治理工程區水源涵養能力空間差異發現,工程區東部水源涵養能力普遍高于西部,且高涵養能力的區域明顯增加(表2),說明工程區水源涵養功能整體改善。水源涵養能力高值區主要為東烏穆沁旗的東北部以及寬城、薊縣、平谷、承德和興隆縣等南部地區,其面積約占工程區的7.52%；水源涵養能力較高區的面積較大,約占24.93%,集中分布在太仆寺旗、阿魯科爾沁旗、西烏珠穆沁旗以及多倫、張北縣等區域；涵養水源能力一般的地區面積最大,占到工程區的38.03%,且集中分布在西北部；另外有11.17%的水源涵養能力較低區,主要分布在治理工程區的西部以及西南部地區；而水源涵養能力低值區約有18.35%,且集中分布于達爾罕茂明安聯合旗、四王子旗、蘇尼特左旗和蘇尼特右旗等西部地區(圖4)。

表2 京津風沙源治理工程區2000—2015年水源涵養能力變化統計

圖4 京津風沙源治理工程區多年平均涵養水源能力空間分布Fig.4 Averaged water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

相比2000年,2015年京津風沙源治理工程區有41.65%的地區涵養水源能力增加(表2),其中22.01%的地區顯著增加,主要分布在東烏珠穆沁旗的東北部以及赤峰市、隆化縣、灤平縣以及北京市密云區等；19.64%的地區水源涵養能力小幅度增加,主要為錫林浩特市、克什克騰旗、西烏珠穆沁旗、巴林左旗等。工程區中西部地區水源涵養能力變化不明顯,其面積占到39%。此外,蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、四王子旗和達爾罕茂明安聯合旗等西部地區的水源涵養能力小幅下降,其面積約占15.23%。另有4.11%的區域水源涵養能力顯著下降,主要分布在四子王旗南部、蘇尼特左旗北部、朔州市、多倫縣以及張北縣等地區(圖5)?？梢?2000—2015年京津風沙源治理工程區東部和北部的水源涵養能力增加明顯,而西部與中部的部分地區下降。

圖5 京津風沙源治理工程區水源涵養能力變化空間分布Fig.5 Changed areas of water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.3 分區差異

圖6 京津風沙源不同治理分區多年平均的水源涵養功能差異Fig.6 Differences of water conservation service in eight subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

京津風沙源治理工程區地域廣闊,不同治理亞區的工程措施有所差異,其水源涵養量與涵養能力均存在明顯差異(圖6)。其中,典型草原亞區的水源涵養量最大,多年平均涵養水源4.50億m3,約占工程區水源涵養量的25.15%,水源涵養能力達到4.30mm；其次為燕山丘陵山地水源亞區,年均提供21.24%的水源涵養量,其水源涵養能力為4.83mm；科爾沁沙地亞區、大興安嶺南部亞區和農牧交錯帶草原亞區的水源涵養量介于1.5—2.0億m3,可供給工程區水源涵養量的8%—10%；相比較而言,晉北山地丘陵亞區的水源涵養量較低,而荒漠草原亞區年均涵養水源量為0.70億m3,僅為工程區水源涵養量的3.89%,其水源涵養能力也不及1mm。

圖7 京津風沙源治理工程區不同亞區水源涵養能力變化趨勢Fig.7 Changes of the water conservation services in subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

從不同治理分區水源涵養變化來看(圖7),2000—2015年科爾沁沙地亞區的水源涵養能力上升趨勢顯著；典型草原亞區、大興安嶺南部亞區、燕山丘陵山地水源保護亞區和渾善達克沙地亞區的水源涵養能力均波動增加,不過2007年燕山丘陵山地水源保護亞區和晉北山地丘陵亞區的水源涵養能力出現負值,渾善達克沙地亞區水源涵養能力的增幅較?。浑m然2000—2015年農牧交錯帶草原亞區的水源涵養能力均為正值,但多在平均值附近波動(3.40mm),其變化趨勢相對穩定；荒漠草原亞區的水源涵養能力明顯較低,且與年份變化負相關,2000—2015年其水源涵養能力多次出現負值,水源涵養功能下降趨勢明顯。

2.4 影響因子

區域水源涵養功能易受自然因素和人類活動的綜合影響。為識別氣象、地形以及植被格局等因素對水源涵養功能的影響,本文選取年均溫、降雨量、海拔、坡度、植被覆蓋度以及斑塊聚集度指數(CI)等指標,分別與水源涵養能力進行敏感性或相關性分析。結果表明,京津風沙源治理工程區的水源涵養能力主要受降雨和氣溫的影響,且降雨量變化對涵養能力影響遠大于氣溫變化的影響(表3)。如果工程區降雨量減少10%,其水源涵養能力將下降49%,而如果氣溫降低10%,水源涵養能力則增大2.47%。此外,工程區水源涵養能力與地形、植被等因子存在一定程度的相關性(圖8)。其中,區域涵養水源能力與植被覆蓋度的正相關性最高(0.45),說明區域植被質量狀況越好越有利于截留涵蓄雨水。隨著地形坡度的增加,其水源涵養能力表現出一定程度的增加趨勢(0.28),這可能與坡面匯流過程增加有關；但隨著海拔高度的增加,區域水源涵養能力有所下降(-0.21),主要是高海拔處的降雨與氣溫均有所降低所致。雖然景觀斑塊聚集度指數(CI)與涵養水源能力有一定關系,但相關趨勢并不顯著。整體來看,京津風沙源治理工程區的水源涵養能力與溫度、降雨以及植被覆蓋度的關系密切。

表3 京津風沙源治理工程區氣候參數變化對水源涵養能力的敏感性

圖8 京津風沙源治理工程區水源涵養能力與影響因子的相關性Fig.8 Relations of water conservation capacities and influence factors in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

為分析不同影響因子對各亞區水源涵養能力的制約程度,利用SPSS軟件統計水源涵養能力與氣候(降雨、氣溫)、地形(海拔、坡度)和植被(覆蓋度、聚集度指數)的復相關系數(表4)。結果發現,燕山丘陵山地水源保護亞區的氣候、地形因素對其水源涵養能力的影響程度較大,相比之下,晉北山地丘陵亞區的水源涵養能力主要取決于降雨、氣溫等氣候因素,降雨量下降成為該地區水源涵養能力的限制性因子；典型草原亞區和農牧交錯帶草原亞區的涵養水源能力主要與氣候、植被有關,但農牧交錯帶水源涵養能力較低的原因在于降雨量較低以及地表植被變化；大興安嶺南部亞區較高的水源涵養能力主要受益于植被和地形因素；科爾沁沙地亞區與渾善達克沙地亞區的水源涵養能力主要與植被狀況有關,2000—2015年植被覆被狀況改善明顯提升了區域水源涵養能力；而荒漠草原亞區涵養水源能力主要受氣候與植被因素制約,在植被稀疏、降水稀少的自然背景下,區域氣溫升高進一步加大蒸散發量而降低水源涵養能力。

表4 京津風沙源治理工程區不同因子對水源涵養能力的影響

3 討論與結論

3.1 討論

京津風沙源治理工程區主要位于我國北方干旱半干旱地區,水資源供需矛盾突出[37],尤其是隨著二期工程的實施推進,統籌兼顧水資源差異的分區施策已成為區域生態治理修復的重點。該文基于水量平衡方程和GIS空間分析技術,評估分析了2000—2015年京津風沙源治理工程區的水源涵養功能動態變化,發現工程區水源涵養功能有所提升,這可能與2000—2014年京津風沙源區NDVI顯著增加有關[38]。本研究測算工程區內水源涵養能力多年均值為3.66mm,稍低于張雪峰等[39]應用InVEST模型測算的錫林河流域草地的涵養水源能力(4.11mm),主要原因在于該文估算了區域植被的實際蒸散量而不是潛在蒸散量(表5)。單楠等[41]分析發現,京津風沙源區年尺度潛在蒸散對最高氣溫敏感,且空間上對氣溫的敏感性從東北向西南減少。該研究證實,典型草原亞區、晉北山地丘陵亞區和荒漠草原亞區的水源涵養能力受氣溫影響較大,可能是區域氣溫升高帶來蒸散發量的增加。孫斌等[35]證實,1981—2010年京津風沙源區氣溫顯著上升,區域氣候的暖干化可能加劇風沙源區草地的退化[42],從而引起地表水熱條件的改變和地表徑流的增加[43]。

表5 本文研究方法與結果的不確定性分析

生態水文過程是大氣降水、蒸散發、土壤入滲、地表徑流、地下水運動、積雪融雪等過程綜合作用的結果,目前有關降水、地貌、土壤等自然環境因子以及植被組成結構對水文過程的影響研究尚不完善[44]。本文重點關注研究區土地覆被及氣候、地形因素對水文過程的影響,尤其是區域降水輸入以及植被蒸發散和地表徑流的輸出,未考慮沙地土壤入滲、地下水補給以及地下徑流與地表徑流的互相影響[45],因此水源涵養量的估算可能存在一定誤差。此外,水源涵養計量方法與研究尺度及研究目的有較大相關性[8],雖然SWAT、InVEST、DTVGM等模型可模擬不同尺度生態系統水文調節分量[5],但該研究從區域水量平衡的角度更有利于水源涵養功能的時空差異對比分析,但地形地貌、土壤類型、植被條件等區域水文要素的空間異質性,以及降水、蒸發散、徑流等水文通量的時空異質性降低了尺度外推的準確性[45],如何將不同尺度的研究成果進行整合外推,以及研發優化適用于草原區水源涵養功能評估模型還需要深入的探索和研究。

為此,建議將京津風沙源治理工程區依據水源涵養能力、提升潛力以及關鍵生態功能劃分為重點提升區、優化維護區與綜合保障區,并施以不同的生態恢復管控措施。其中,重點提升區以荒漠草原亞區為主,此地區水源涵養能力較低,地勢平坦且以荒地沙地為主,土壤下滲快,應重點施加人工生態修復與保墑措施,減緩土壤水分下滲,降低區域蒸散發；優化維護區以水源涵養能力較高且生態恢復較好區域為主,包括科爾沁沙地亞區、渾善達克沙地亞區、農牧交錯帶草原亞區和晉北丘陵山地亞區,應逐步減少生態工程與人工干擾措施,增強生態系統的自然演替；而綜合優化區為雨水資源較豐富、高水源能力的區域,包括燕山丘陵山地水源保護區、典型草原亞區和大興安嶺山地保護亞區,提供著水源涵養、水土保持、防風固沙等生態屏障功能,應綜合調控局地氣候-植被-土壤系統,保護豐富多樣的自然生境。

3.2 結論

該研究表明,2000—2015年京津風沙源治理工程區的水源涵養量與涵養能力增大,多年平均值分別為16.79億m3和3.66mm,在一定程度上保障著區域水分供給,但涵養大氣降水的能力仍有較大提升空間。工程區水源涵養能力由西向東遞增的空間格局趨勢明顯,近32.45%的地區涵養水源能力高于5mm；相比2000年,2015年有41.65%的地區水源涵養能力增加,19.34%的地區涵養水源能力下降,需要加以重點關注。此外,燕山丘陵山地水源保護亞區和典型草原亞區是工程區水源涵養功能的主要供給地,荒漠草原亞區水源涵養能力下降明顯。整體來看,京津風沙源治理工程區的水源涵養功能主要受制于溫度、降雨量以及植被覆蓋度等因素,渾善達克沙地與科爾沁沙地水源涵養能力的提升在于植被覆蓋狀況的改善,而荒漠草原亞區的涵養能力明顯受到氣候與植被的影響,因此不同治理分區需注重水源涵養能力、提升潛力以及關鍵生態功能的不同而施以不同的生態恢復與管控措施。