中國草地生態系統水源涵養服務時空變化

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,南京 210042; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所,北京 100101)

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中國草地生態系統水源涵養服務時空變化

吳 丹1,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,南京 210042; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所,北京 100101)

生態系統服務已成為國際上生態學和經濟學研究的熱點，水源涵養是草地生態系統重要的服務之一，是植被、水與土壤相互作用所產生的綜合功能的體現。基于降水貯存量法，利用草地植被覆蓋度確定水分調節參數，估算了中國不同區域、不同時段下草地生態系統的水源涵養量。通過前后兩個10年(20世紀80年代末—2000年、2000—2010年)年平均水源涵養量的對比分析，評估中國草地生態系統水源涵養服務功能時空變化。結果表明，前后兩個10年相比較，我國草地生態系統年平均水源涵養量增加了22.15億m3/a，水源涵養服務功能保有率上升了4.80%，草地生態系統水源涵養服務功能有所提升。

生態系統服務; 水源涵養; 降水貯存量法; 草地生態系統

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[1-6]。水源涵養服務是陸地生態系統重要的服務之一，是植被、水與土壤相互作用后所產生的綜合功能的體現，主要功能表現在增加可利用水資源、減少土壤侵蝕、調節徑流和凈化水質4個方面[7-8]。

草地是我國面積最大的生態系統類型，主要分布在年降雨量400 mm以下的干旱、半干旱地區，南方和東部濕潤半濕潤地區的山地，以及東部和南部海岸帶。在草地生態系統水源涵養服務研究方面，謝高地等[9]參照Costanza等提出的方法，在對草地生態系統服務價格根據其生物量修正的基礎上，估計了我國各類草地生態系統的各項服務價值。王根緒等[10]研究發現青藏高原高寒草甸草地植被覆蓋度與土壤水分之間具有顯著的相關關系。劉軍會等[11]采用降水貯存量法對我國北方農牧交錯帶的草地生態系統水源涵養量進行了估算。鄭淑華等[12]根據草地地上生物量和草地徑流系數的關系，通過降水量與徑流系數的乘積估算了北方農牧交錯帶草地生態系統的涵養水源量。近年來，越來越多的研究關注土地利用/土地覆被變化對水文參數的影響[13-17]。本文以與極度退化狀態下的殘留植被相比較，草地生態系統涵養水分的增加量作為評估方法，通過估算近20 a(20世紀80年代末—2010年)國家、區域尺度草地生態系統的水源涵養量，開展前10年和后10年水源涵養服務功能變化狀況的比較，分析中國草地生態系統水源涵養服務功能的時空變化，有助于提升對生態系統水源涵養服務機理與調控機制的認識，為準確評估草地生態系統水文調節功能和水源涵養服務提供科學依據。

1　研究方法與數據處理

1.1研究方法

本文以降水貯存量法估算我國草地生態系統的水源涵養量，該方法以生態系統的水文調節效應來衡量其涵養水分的能力[18]，用公式可表示為：

Q=A·J·R

(1)

J=J0·K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中：Q為與裸地相比較，草地生態系統涵養水分的增加量；A為草地生態系統面積；J為研究區產流降水量；J0為研究區降水量；K為產流降雨量占降雨總量的比例；R為與裸地相比較，草地生態系統減少徑流的效益系數；R0為產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產流降雨條件下草地生態系統降雨徑流率。

本文認為，在一定的氣候條件下，自然植被在極度退化狀態下也會保留一定的覆蓋度，不會完全退化至純裸地，因此上式中裸地降雨徑流率用極度退化下殘留植被的降雨徑流率代替。

為消除年際間降水波動對模擬結果的影響，本文定義了草地生態系統水源涵養服務功能保有率，其結果集中體現了草地生態系統由于自身變化導致的服務功能的變化。

草地生態系統水源涵養服務功能保有率計算公式可以表達為：

(4)

式中：WPik為第i年第k個柵格的草地生態系統水源涵養服務功能保有率；Wik為第i年第k個柵格的草地生態系統水源涵養量；WGik為第i年第k個柵格草地植被覆蓋度為100%(假設量)的水源涵養量。

1.2數據來源與處理

1.2.1數據來源全國1 km柵格百分比土地覆被數據集(1980s、2000年、2010年)由中國科學院地理科學與資源研究所提供。氣象站點降水觀測數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。中國逐日格點降水數據集(1990—2010年)由國家氣象信息中心提供[19]。1990—2000年NOAA/AVHRR 1 km 16 d最大合成NDVI及2000—2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI數據由中國科學院地理科學與資源研究所提供。

1.2.2參數獲取

(1)年降水量。本文首先通過中國地區756個氣象站點的月降水資料，采用基于薄片樣條理論的ANUSPLIN方法[20-21]進行空間插值，生成了1990—2010年全國1 km逐月降水數據集。該方法在空間插值過程中考慮了地形因子的影響，能夠表達一定的空間異質性；但由于未考慮周邊國際氣象臺站的數據，邊界處插值結果偏低(附圖10)。本文將ANUSPLIN插值結果與國家氣象信息中心提供的0.25°×0.25°日值降水格點數據結合，以每個格點降水量糾正控制ANUSPLIN插值結果的總量，同時保留ANUSPLIN插值數據中的空間差異，生成了1990—2010年全國1 km逐月降水數據集。

(2)產流降雨量占降雨總量的比例(K值)。產流降雨量是指發生產流的降雨量總和。自然降雨中的小降雨次數頻繁，而這些小降雨事件多半不產生徑流，在計算產流降雨量時如果將不產生地表徑流的降雨剔除掉，不但會大大減少工作量，而且會提高計算精度。

通過搜集已公開發表文獻中的實測降雨產流臨界值[22-30]，根據點位信息，以臨近國家氣象臺站實測日降水數據修正同時期熱帶降雨測量衛星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)提供的逐日3 h降水量數據，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)。本文掃描并數字化了多年均河川徑流系數等值線，并進行了空間插值，將上述K值與該點徑流系數建立線性關系，相關系數高達0.8以上(圖1)。通過該線性關系，基于徑流系數圖即可得到產流降雨量占降雨總量比例的空間分布(附圖11)。

(3)降雨徑流率。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[31]：

Rg=-0.3187fc+0.36403

(5)

青藏高原區的高寒草甸是發育在高原和高山上的一種非地帶性草地類型。其土壤表層有厚約3—10 cm的草皮，根系交織似氈，軟韌而具彈性，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[32]在長江和黃河源區的研究結果。

圖1　徑流系數與K值關系

(4)植被覆蓋度。植被覆蓋度通過歸一化植被指數(NDVI)估算：

(6)

式中：NDVI為各像元的NDVI值；NDVImax，NDVImin分別表示區域內最大和最小的NDVI值。

本文利用1990—2000年NOAA/AVHRR 1 km 16 d最大合成NDVI數據產品，以及2000—2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI數據產品計算植被覆蓋度。由于NOAA/AVHRR和MODIS數據由不同的衛星傳感器觀測得到，它們的輻照強度具有一定差異。為了保證AVHRR NDVI和MODIS NDVI數據具有一致可比性，本文以2000年一一對應的24期柵格值通過線性回歸的方法進行擬合，建立一元線性關系，對AVHRR NDVI數據進行了校正，得到1990—2010年長時間序列植被覆蓋度數據集。

不同地區生態系統由于所處氣候條件、水熱環境等方面的差異，在極度退化狀況下的植被覆蓋度也是有差異的。本文以中國科學院中國生態系統研究網絡(CERN)提供的生態分區作為基礎分區數據，根據統計各生態分區中1990—2010年每16 d的最低植被覆蓋度(直方統計圖低值端5%處的值)取平均，得到極度退化狀態下的殘留植被覆蓋度，用于計算殘留植被的降雨徑流率。

2　結果與分析

2.1草地生態系統水源涵養量時空變化

20世紀80年代末—2000年，我國草地生態系統年平均水源涵養量為1 161.66億m3/a；2000—2010年，我國草地生態系統年平均水源涵養量為1 183.81億m3/a，增加了22.15億m3/a。

前后兩個10年相比較，西北區草地生態系統水源涵養量明顯上升，物質量增加了39.18億m3/a，變化率為14.43%；西南區草地生態系統水源涵養量基本持衡，物質量增加了0.57億m3/a，變化率為0.10%；華中區、華北區和華南區草地生態系統水源涵養量輕微下降，物質量分別減少了1.10，2.45，3.10億m3/a，變化率分別為-2.90%，-3.08%，-4.71%；華東區和東北區草地生態系統水源涵養量較明顯下降，物質量分別減少了8.85，2.10億m3/a，變化率分別為-7.80%和-9.01%(表1，附圖12—13)。

表1　中國分區草地生態系統年平均水源涵養量變化

注：變化程度依據變化率劃分為：明顯下降(<-10%)、較明顯下降(-5%～-10%)、輕微下降(-1%～-5%)、基本持衡(-1%～1%)、輕微上升(1%～5%)、較明顯上升(5%～10%)、明顯上升(>10%)，下表同。

2.2水源涵養服務功能保有率時空變化

20世紀80年代末—2000年，我國草地生態系統水源涵養服務功能保有率為0.28；2000—2010年，我國草地生態系統水源涵養服務功能保有率為0.30，增加了4.80%。前后兩個10年相比較，我國草地生態系統水源涵養服務功能保有率以提升為主，華北區表現為明顯上升，東北區和西北區表現為較明顯上升，其他區域則表現為輕微上升；主要原因是各區草地植被覆蓋度后10年較前10年均有所增加(表2，圖2)。

從空間分布上看(附圖14—15)，內蒙呼倫貝爾市西部和錫林郭勒盟西南部、四川盆地周邊、云南、貴州等地草地生態系統水源涵養服務功能有所下降；青藏高原區和黃土高原區草地生態系統水源涵養服務功能提升明顯，其中黃土區水源涵養服務功能保有率升幅達12.09%，體現了退耕還草工程的實施在黃土高原地區取得了明顯的生態成效。

表2　中國分區草地生態系統水源涵養服務功能保有率變化

圖2　前后兩個10年草地植被覆蓋度

3　結論與討論

目前，采用降水貯存量法評估陸地生態系統水源涵養服務的研究較少，有些研究通過該方法估算森林、草地生態系統的水源涵養量進而估算其服務價值，但是文中沒有給出具體水源涵養量的數值[11,33-34]。本文通過改進降水貯存量法的各項參數，估算了20世紀80年代末以來我國草地生態系統的水源涵養量。結果表明，2000—2010年，我國草地生態系統年平均水源涵養量比前10年增加了22.15億m3/a。草地生態系統水源涵養服務功能保有率以提升為主，主要是由于各區草地植被覆蓋度后10年較前10年均有所增加。水源涵養服務功能保有率消除了年際間降水波動對模擬結果的影響，其結果集中體現了生態系統由于自身變化導致的服務功能的變化。

生態系統水源涵養服務的發揮與氣候、土壤、植被、地形地貌等因素密切相關，是一個極其復雜的綜合調控過程。生態工程的實施對我國草地生態系統水源涵養服務功能的恢復與提升發揮了積極作用,這種作用在黃土區表現得尤為明顯。西部地區生態環境較為脆弱，應加強生態保護與生態恢復建設，保護重要河流上游和重要水源補給區植被，不斷恢復并擴大草地生態系統的水源涵養空間，充分發揮和提升自然生態系統水源涵養服務效益。

氣候變化和人類活動是影響草地生態系統水源涵養服務的兩大驅動因素，如何量化區分兩者對生態系統水源涵養服務的相對貢獻，對未來氣候變化、不同土地利用方式、強度下的生態系統水源涵養服務進行模擬，從而有效指導合理的人類活動，有待進一步深入研究。

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Spatiotemporal Dynamics of Water Regulation Service of Grassland Ecosystem in China

WU Dan1,SHAO Quanqin2,LIU Jiyuan2,CAO Wei2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,MEP,Nanjing 210042,China; 2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China)

Assessment of ecosystem service has become an international hot point of ecology and economics.Water regulation is one of the important services of grassland ecosystem.It is the comprehensive performance of interactions among vegetation,water and soil.We used the rainfall storage capacity method to calculate the water regulation amount of grassland ecosystem in different regions and periods in China based on the grassland vegetation coverage,and evaluated the spatiotemporal dynamics of water regulation service for grassland ecosystem.The following conclusions were obtained.Compared with the first ten years (1980s—2000),the annual mean water regulation amount of grassland ecosystem in China increased by 2.215 billion m3per year during the period from 2000 to 2010.At the same time,the water regulation service ratio of grassland ecosystem increased by 4.80%.The water regulation service of grassland ecosystem in China was somewhat improved.

ecosystem service; water regulation; rainfall storage capacity method; grassland ecosystem

2015-10-20

2015-10-27

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)

吳丹(1988—),女,江蘇常州人,助理研究員,博士,主要從事生態系統服務研究。E-mail:cumtwudan@163.com

邵全琴(1962—),女,江蘇常州人,研究員,博士,主要從事生態GIS研究。E-mail:shaoqq@lreis.ac.cn

S812

A

1005-3409(2016)05-0256-05