三江源地區林草生態系統水源涵養服務評估

吳 丹, 邵全琴, 劉紀遠, 曹 巍

(1.環境保護部 南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042;2.中國科學院 地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101)

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三江源地區林草生態系統水源涵養服務評估

吳 丹1,2, 邵全琴2, 劉紀遠2, 曹 巍2

(1.環境保護部 南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042;2.中國科學院 地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101)

摘要：[目的] 分析青海省三江源地區生態工程實施前后生態系統水源涵養服務的變化情況，客觀評估生態工程的效果。[方法] 采用降水貯存量法估算三江源地區林草生態系統的水源涵養量。[結果] 1997—2012年三江源地區林草生態系統水源涵養服務在波動中有所提升，平均水源涵養量為1.54×1010m3/a，單位面積水源涵養量為430.67 m3/hm2。三江源生態保護與建設工程實施后(2005—2012年)林草生態系統年平均水源涵養量比前期(1997—2004年)增加了15.60%。從空間格局而言，三江源地區林草生態系統涵養水源能力自東南向西北逐漸遞減。單位面積水源涵養量瀾滄江流域最高，其次為黃河流域，長江流域最低。真實氣候條件和平均氣候狀況下，生態工程實施后的區域林草生態系統水源涵養量均比前期高。前期主要受到區域氣候變化的影響，后期則疊加了生態工程的驅動作用。兩種情況下，生態工程實施后三江源地區林草生態系統水源涵養量的線性變化趨勢分別為1.94×109和4.64×108 m3/10 a。[結論] 生態工程對三江源地區水源涵養服務提升的貢獻率約為23.98%。

關鍵詞：生態系統服務; 水源涵養量; 降水貯存量法; 三江源地區

文獻參數： 吳丹, 邵全琴, 劉紀遠, 等.三江源地區林草生態系統水源涵養服務評估[J].水土保持通報，2016,36(3)：206-210.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.035

20世紀90年代以來，生態系統服務已成為當今國際生態學和經濟學研究的前言和熱點[1-2]。水源涵養是陸地生態系統重要的服務之一，是植被層、枯枝落葉層和土壤層對降雨進行再分配的復雜過程[3-5]。植被以其繁茂的林冠層、林下的灌草層、枯枝落葉層和疏松而深厚的土壤層，構建了截留、吸收和貯存大氣降水的良好環境，發揮陸地生態系統的水源涵養服務，起到削弱降雨侵蝕力，改善土壤結構，削減洪峰流量、減少地表徑流、調節河川流量等作用[6-8]。

近年來，青海三江源地區因受全球氣候變暖和人類活動加劇的雙重作用，生態狀況持續退化，受到了全國各界的廣泛關注[9-12]。該區生態系統群落結構簡單，生態環境較為敏感和脆弱，生態系統結構、功能與服務極易受到自然和人為因素的影響[13-14]。為此，2005年國家批準了《青海三江源自然保護區生態保護和建設總體規劃》，投資7.5×109元開展生態工程建設。本研究以生態系統涵養水源量為評估指標，通過分析三江源地區生態工程實施前后全區、流域水源涵養服務的變化情況，厘定氣候變化和人類活動對水源涵養服務的貢獻，客觀評估生態工程的效果，以期為生態工程的長期規劃與科學部署提供科學依據。

1研究區概況

三江源地區(31°39′—36°12′N，89°45′—102°23′E)位于青海省南部，地處青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江3大河流的發源地，素有“中華水塔”之稱。行政區域涉及青海省玉樹、果洛、海南、黃南4個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉山鄉，總面積為3.63×105km2。

三江源地區以山地地貌為主，山脈綿延、山勢高聳、地形復雜，海拔4 000～5 800 m的高山是該區地貌的主要骨架。區內氣候屬典型的高原大陸性氣候，表現為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日溫差大、日照時間長、輻射強烈的氣候特征。冷季為青藏冷高壓控制，熱量低、降水少、風沙大；暖季受西南季風影響產生熱氣壓，水汽豐富、降水量多。年平均降水量262.2～772.8 mm，其中6—9月降水量約占全年降水量的75%。區內河流密布，湖泊、沼澤眾多，雪山冰川廣布，是世界上海拔最高、濕地面積最大、濕地類型最為豐富的地區。其特殊的地理位置、獨特的氣候特征、典型的高寒植被系統和豐富的物種資源，使其在全國甚至全球生態系統中占有非常突出的戰略地位。

根據LUCC遙感解譯與生態系統類型信息獲取，2012年三江源地區生態系統類型以草地為主，草地生態系統面積占三江源地區總面積的65.44%；其次為由裸土地、裸巖礫石地、荒漠等構成的其他生態系統類型，面積占比為21.13%，集中分布在中、西部高海拔地區；森林生態系統面積占4.70%，主要分布在東部及中南部降水較為充沛的區域；水體與濕地生態系統面積占8.46%；農田和城鎮生態系統在三江源地區分布較少，面積占比分別為0.26%和0.02%。

2研究方法與數據

2.1研究方法

本研究以降水貯存量法來衡量生態系統涵養水分的能力[15]，國內學者亦采用該方法對區域或國家尺度森林、草地生態系統的水源涵養量進行了估算研究[16-18]。該方法用公式可表示為：

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中：Q——與裸地相比較，森林、草地等生態系統涵養水分的增加量(m3)；A——生態系統面積(hm2)；J——研究區年產流降雨量(mm)；J0——研究區年降雨量(mm)；K——研究區產流降雨量占降雨總量的比例；R——與裸地相比較，生態系統減少徑流的效益系數；R0——產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg——產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

2.2數據來源與處理

三江源地區年均降雨量通過對該區及其周邊氣象站點的觀測數據插值而成。

產流降雨量是指發生產流的降雨量總和。研究發現，并非所有的降雨都能形成徑流，只有在降雨量和雨強滿足一定的條件后才有可能產流。通過搜集已公開發表文獻中用徑流小區實測的降雨產流臨界值，根據點位信息，以臨近國家氣象臺站實測日降雨數據修正同時期熱帶降雨測量衛星(tropical rainfall measuring mission, TRMM)逐日3 h降雨量數據，累積單次降雨量大于降雨產流臨界值的數值，得到單點產流降雨量占降雨總量的比例(K值)；將上述K值與該點河川徑流系數建立線性關系，通過該線性關系，基于徑流系數分布圖即可得到區域K值的空間分布。

三江源地區森林生態系統降雨徑流率主要通過已有的文獻資料收集得到；草地生態系統降雨徑流率Rg通過草地植被覆蓋度fc計算得到[19]：

Rg=-0.318 7×fc+0.364 03

(4)

該區高寒草甸面積較大，植物種類繁多，植株低矮，生長密集，其土壤具有良好的涵養水源能力。不同植被覆蓋度下高寒草甸的降水產流特征采用李元壽等[20]在長江和黃河源區的研究結果。

3結果與分析

3.1真實氣候條件下三江源地區林草生態系統水源涵養服務變化

3.1.1區域水源涵養服務變化為分析三江源生態保護和建設工程的實施效果，使數據具有可比性，本部分以生態工程實施前(1997—2004年)后(2005—2012年)各8 a生態系統的水源涵養量進行生態工程成效評估(圖1)。

圖1　1997-2012年三江源地區林草生態系統水源涵養量

如圖1所示，1997—2012年三江源地區林草生態系統平均水源涵養量為1.54×1010m3/a，單位面積水源涵養量為430.67 m3/hm2。三江源生態保護與建設工程實施前8 a(1997—2004年)林草生態系統平均水源涵養量為1.43×1010m3/a，工程實施后8 a(2005—2012年)平均水源涵養量為1.65×1010m3/a，相比增加了2.22×109m3/a(15.60%)。從空間分布上看，工程實施后三江源地區大部分范圍年平均水源涵養量均高于工程實施前。

三江源地區生態工程實施前(1997—2004年)林草生態系統水源涵養服務變化趨勢為1.66×108m3/10 a，工程實施后(2005—2012年)水源涵養服務增加趨勢更為明顯，變化趨勢為1.94×109m3/10 a。

3.1.2流域水源涵養服務變化如圖2所示，三江源地區長江、黃河、瀾滄江流域林草生態系統水源涵養服務分布差異明顯，1997—2012年平均水源涵養量分別為6.12×109，6.29×109和2.55×109m3/a。就單位面積水源涵養量而言，以降水最為豐富的瀾滄江流域最高，為690.02 m3/hm2；其次為降水和氣溫相對理想的黃河流域，為624.77 m3/hm2；而降水較少、氣溫較低、海拔較高、以荒漠分布為主的長江流域最低，為371.59 m3/hm2。與整個三江源地區林草生態系統涵養水源能力相比較，瀾滄江流域和黃河流域分別高60.22%和45.07%，長江流域則低13.72%。

圖2　　　　生態工程實施前后三江源地區分

長江、黃河、瀾滄江流域林草生態系統水源涵養量在生態工程實施后均有所提高，分別增加了9.23×108，1.05×109和1.30×108m3/a。

3.2平均氣候狀況下三江源地區林草生態系統水源涵養服務變化

3.2.1區域水源涵養服務變化為消除年際間氣候波動對估算結果的影響，本文采用了多年平均氣象插值數據參與計算(圖3)。

圖3　　　　平均氣候狀況下，1997-2012年

如圖3所示，1997—2012年三江源地區林草生態系統平均水源涵養量為1.50×1010m3/a，單位面積水源涵養量為419.77 m3/hm2。三江源生態保護與建設工程實施前8 a(1997—2004年)林草生態系統平均水源涵養量為1.47×1010m3/a，工程實施后8 a(1997—2004年)平均水源涵養量為1.52×1010m3/a，相比增加了5.35×108m3/a(3.63%)。

三江源地區生態工程實施前(1997—2004年)林草生態系統水源涵養服務變化趨勢為-1.25×108m3/10 a，工程實施后(2005—2012年)水源涵養服務變化趨勢為4.64×108m3/10 a。

3.2.2流域水源涵養服務變化如圖4所示，1997—2012年三江源地區長江、黃河、瀾滄江流域林草生態系統平均水源涵養量分別為5.92×109，6.15×109和2.51×109m3/a。單位面積水源涵養量排序為：瀾滄江流域>黃河流域>長江流域，依次為678.63，610.90和359.84 m3/hm2。與平均氣候狀況下三江源地區林草生態系統涵養水源能力相比較，瀾滄江流域和黃河流域分別高61.66%和45.53%，長江流域則低14.28%。

圖4　　　　平均氣候狀況下，生態工程實施前后三江

長江、黃河、瀾滄江流域林草生態系統水源涵養量在生態工程實施后均有所提高，分別增加了2.96×108，2.79×108和1.12×108m3/a。

3.3氣候變化和人類活動對生態系統水源涵養服務影響的厘定

三江源自然保護區生態保護和建設各項工程總

投資75億元，內容包括退牧還草、退耕還林、草地鼠害治理、森林草原防火、生態搬遷工程、人工增雨工程等22個子項目。旨在通過對自然保護區和生態功能區生態保護和建設的分步實施，基本上扭轉整個三江源地區生態環境惡性循環的趨勢，保護和恢復源區林草植被，遏制草地植被退化、沙化等高原生態系統失衡的趨勢，增加保持水土、涵養水源能力的生態目標。

根據歷年《青海三江源自然保護區生態保護和建設生態監測報告》，截止到2012年，保護區內共完成退牧還草6.31×106hm2，黑土灘治理1.85×105hm2，退耕還林1.02×104hm2，封山育林2.43×105hm2，沙漠化防治4.41×104hm2，草原鼠害防治7.85×106hm2。三江源地區于2005年開始實施人工增雨工程項目，共計投資1.60×108元。截止到2011年，該項目共增加降水量3.89×1010m3。

在2004年進入生態建設工程期后，三江源地區氣候正由前期(1976—2004年)以暖干為主進入后期(2005—2012年)以暖濕為主的階段(圖5)。全區年平均氣溫持續上升，加之人工增雨的作用，后期降水量進入一個充沛期，生態系統濕潤狀況有所改善，區域氣候變化有利于生態系統的恢復。

同時，生態移民和減畜措施減輕了草地載畜壓力，降低了土地利用強度，生態系統結構變化速度趨緩，草地退化趨勢在一定程度上得到遏制；鼠害防治和黑土灘草地治理工程有利于已經退化草地的恢復和防止新的草地退化發生；封山育林工程增加了森林郁閉度和蓄積量；濕地封育保護避免了人類擾動對濕地的影響；沙化草原治理、草地圍欄、人工增雨等工程措施亦對區域植被恢復產生了一定的積極作用，提高了草地覆蓋度和生產力，增加了草地的理論載畜量。一系列重點項目的實施對區域生態系統恢復、生態狀況改善、生態系統服務的提升發揮了重要作用。

圖5　三江源地區年平均氣溫、年降水量變化

4討論與結論

真實氣候條件下，1997—2012年三江源地區林草生態系統平均水源涵養量為1.54×1010m3/a。三江源生態保護與建設工程實施后(2005—2012年)年平均水源涵養量比前期(1997—2004年)增加了15.60%。從空間格局而言，三江源地區林草生態系統涵養水源能力自東南向西北逐漸遞減。單位面積水源涵養量瀾滄江流域最高，其次為黃河流域，長江流域最低。

三江源地區生態保護與建設工程的實施對區域水源涵養服務的提升具有一定的正向作用，一系列重點項目措施及降水增加有利于生態系統的恢復與生態狀況的改善。真實氣候條件和平均氣候狀況下，生態工程實施后的林草生態系統水源涵養量均比前期高。前期主要受到區域氣候變化的影響，后期則疊加了生態工程的驅動作用。兩種情況下，生態工程實施后三江源地區林草生態系統水源涵養量的線性變化趨勢分別為1.94×109和4.64×108m3/10 a，生態工程對三江源地區水源涵養服務提升的貢獻率約為23.98%。

[參考文獻]

[1]Costanza R, d’Arge R, De Groot R, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J]. Nature, 1997,387(6630):253-260.

[2]傅伯杰,呂一河,高光耀.中國主要陸地生態系統服務與生態安全研究的重要進展[J].自然雜志,2012,34(5):261-272.

[3]張洪江,孫艷紅,程云.重慶縉云山不同植被類型對地表徑流系數的影響[J].水土保持學報,2006,20(6):11-45.

[4]Brauman K A, Freyberg D L, Daily G C. Forest structure influences on rainfall partitioning and cloud interception:A comparison of native forest sites in Kona, Hawai'i[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2010,150(2):265-275.

[5]Pert P L, Butler J R, Brodie J E, et al. A catchment-based approach to mapping hydrological ecosystem services using riparian habitat:a case study from the Wet Tropics, Australia[J]. Ecological Complexity, 2010,7(3):378-388.

[6]陳東立,余新曉,廖邦洪.中國森林生態系統水源涵養功能分析[J].世界林業研究,2005,18(1):49-54.

[7]Descheemaeker K, Nyssen J, Poesen J, et al. Runoff on slopes with restoring vegetation:a case study from the Tigray highlands, Ethiopia[J]. Journal of Hydrology, 2006,331(1):219-241.

[8]Tang Jia, Fang Jiangping, Li Ping, et al. The Function and Value of Water Conservation of Forest Ecosystem in Gongbo Nature Reserve of Tibet[J]. Asian Agricultural Research, 2012,4(1):68-70.

[9]趙新全,周華坤.三江源區生態環境退化、恢復治理及其可持續發展[J].中國科學院院刊,2005,20(6):471-476.

[10]劉紀遠,徐新良,邵全琴.近30 a來青海三江源地區草地退化的時空特征[J].地理學報,2008,63(4):364-376.

[11]Huang Lin, Liu Jiyuan, Shao Quanqin, et al. Changing inland lakes responding to climate warming in Northeastern Tibetan Plateau[J]. Climatic Change, 2011,109(3):479-502.

[12]Yi Xiangsheng, Li Guosheng, Yin Yanyu. Temperature variation andabrupt change analysis in the Three-River Headwaters Region during1961-2010[J]. Journal of Geographical Sciences, 2012,22(3):451-469.

[13]Fan Jiangwen, Shao Quanqin, Liu Jiyuan, et al. Assessment of effects of climate change and grazing activity on grassland yield in the Three Rivers headwaters region of Qinghai-Tibet Plateau, China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2010,170(1/2/3/4):571-584.

[14]胡光印,董治寶,逯軍峰,等.近30 a來長江源區沙漠化時空演變過程及成因分析[J].干旱區地理,2011,34(2):300-308.

[15]趙同謙,歐陽志云,賈良清,等.中國草地生態系統服務功能間接價值評價[J].生態學報,2004,24(6):1101-1110.

[16]姜立鵬,覃志豪,謝雯,等.中國草地生態系統服務功能價值遙感估算研究[J].自然資源學報,2007,22(2):161-170.

[17]劉軍會,高吉喜.北方農牧交錯帶生態系統服務價值測算及變化[J].山地學報,2008,26(2):145-153.

[18]方瑜.區域森林生態系統水文調節功能空間特征評價[D].北京:中國科學院生態環境研究中心,2012.

[19]朱連奇,許叔明,陳沛云.山區土地利用/覆被變化對土壤侵蝕的影響[J].地理研究,2003,22(4):432-438.

[20]李元壽,王根緒,王一博,等.長江黃河源區覆被變化下降水的產流產沙效應研究[J].水科學進展,2006,17(5):616-623.

收稿日期：2015-04-13修回日期：2015-08-19

通訊作者：邵全琴(1962—),女(漢族),江蘇省常州市人,博士,研究員,研究方向為生態GIS。E-mail:shaoqq@lreis.ac.cn。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0206-05

中圖分類號：S718.5

Assessment of Water Regulation Service of Forest and Grassland Ecosystems in Three-River Headwaters Region

WU Dan1,2, SHAO Quanqin2, LIU Jiyuan2, CAO Wei2

(1.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing,Jiangsu210042,China; 2.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

Abstract：[Objective] To analyze changes in ecosystem water regulation services before and after the implementation of ecological projects in the Three-River headwaters region, Qinghai Province, and to evaluate the ecological effect of these projects objectively. [Methods] This paper calculated the water regulation amount of forest and grassland ecosystems with rainfall storage capacity method. [Results] The water regulation services of forest and grassland ecosystems increased in fluctuations from 1997 to 2012, with the averaged value of 1.54×1010m3/a within the region and 430.67 m3/hm2 per unit area. The regulated amount of water in the later period(2005—2012) increased by 15.60% than that in the earlier period(1997—2004). Spatially, water regulation service capacity gradually decreased from southeast to northwest. Water regulation amount per unit area of different basins in descending order was Lantsang River basin>Yellow River basin>Yangtze River basin. Water regulation amount after the implementation of ecological projects was higher than before under both real climate conditions and mean climate conditions. In the earlier period, the water regulation service was mainly affected by regional climate change. While in the later period, it was overlaid the effects of ecological projects. In these two conditions, the linear trend of water regulation amount from 2005 to 2012 was 1.94×109 m3/10 a and 4.64×108 m3/10 a, respectively. [Conclusion] Implementation of the ecological projects had certain positive effects on improvement of water regulation service, with a contribution rate of about 23.98%.

Keywords:ecosystem service; amount of water regulation; rainfall storage capacity method; the Three-River headwaters region

資助項目：國家科技支撐計劃項目“國家生態系統觀測評估技術系統集成研究與示范”(2013BAC03B00); 國家自然科學基金項目(4157011492); 青海省重大科技專項(2015-SF-A4-1); 中國科學院科技服務網絡計劃項目(KFJ-EW-STS-005-04)

第一作者：吳丹(1988—),女(漢族),江蘇省常州市人,博士,助理研究員,研究方向為生態系統服務。E-mail:cumtwudan@163.com。