河湟谷地水源涵養功能空間格局研究

侯光良, 許長軍, 李曉勤, 戚寶正

河湟谷地水源涵養功能空間格局研究

侯光良1,*, 許長軍2, 李曉勤3, 戚寶正3

1. 高原科學與可持續發展研究院, 西寧 810008 2. 青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室,西寧 810001 3. 青海師范大學地理科學學院,西寧 810008

河湟谷地水源涵養能力空間分布的科學分析, 為區域生態文明戰略實施與蘭西城市群水資源開發利用提供依據。采用水量平衡方程來計算河湟谷地水源涵養能力, 進行GIS空間分析, 并結合自然保護地(國家自然保護區、國家公園、水源地)分布, 綜合劃分區域水源涵養功能分區。結果表明: 本區北部祁連山脈的冷龍嶺、達坂山一帶為水源涵養功能極重要和重要區域, 約占總面積25%, 一般重要與中等重要區域主要分布于中部的中小起伏中山地, 約占總面積66.3%; 水源涵養功能不重要區域則集中在湟水與黃河谷地內, 此處人類活動最為集中, 約占本區面積的8.7%。提出區域水源涵養能力建設的措施包括將北部祁連山脈的冷龍嶺和達坂山一帶確定為水源涵養功能極重要和重要區域并列為自然保護區; 將水源涵養功能分區作為設置水源地的考慮因素; 因地制宜增加森林面積, 加大嵩草、雜類草高寒草甸和溫帶叢生禾草草原的治理與恢復。

河湟谷地; 水源涵養; 空間格局

0 前言

2019年9月, 習總書記發表了黃河流域生態保護和高質量發展講話, 指出黃河流域是我國重要的生態屏障, 也是我國重要的經濟地帶, 堅持流域生態優先、綠色發展, 以水而定、量水而行, 讓黃河成為造福人民的幸福河[1]。位于黃河上游的河湟谷地是青藏高原人口、城鎮、產業最為集中的區域, 谷地內的西寧市既是省會, 又是青藏高原最大的城市, 因此河湟谷地成為實施與貫徹黃河流域生態保護和高質量發展的前沿陣地。此外國家區域發展戰略—蘭西城市群建設也涉及本區[2], 以蘭州、西寧為軸心, 涵蓋甘肅省定西市和青海省海東市、海北藏族自治州等22個地州市的經濟地帶, 是中國西部重要的跨省區城市群。同時西寧為融入國家發展戰略, 也提出構建城市生態空間格局, 實施綠色人文建設行動升級版及生態環境治理能力提升行動。地處我國西北干旱半干旱地區的河湟谷地, 水資源的利用與開發事關上述國家戰略與區域規劃實施的成敗, 而水源涵養能力評價與建設是個關鍵環節。因此對河湟谷地水源涵養能力的研究既有戰略意義, 也有積極的實踐需求。

目前國內外多采用生態系統服務功能價值核算的相關理論, 先計算區域內不同地塊單元的水源涵養量, 然后根據水源涵養量選擇其中需要重點保護的區域。這類方法廣泛應用于對全球17類主要生態系統類型的生態服務功能價值進行估算[3], 中國陸地生態系統單位面積服務價值[4]等研究工作中。這些水源涵養定量研究中有采用Invest模型[5], 模型的產水量模塊基于水循環原理, 通過降水等參數計算獲得產水量, 再用地形指數進行修正, 進而獲得水源涵養量, 實現對水生態系統服務功能的評估, 這一方法被廣泛應用于三江源等地區的相關研究中[6–9]。也有一些研究采用水量平衡方程進行水源涵養的計算, 水源涵養功能是生態保護評價的重要指標之一, 也是劃分生態保護紅線的重要組成部分[10–11]。“生態保護紅線”是國家的一條重要“生命線”, 是編制國土空間規劃的基礎[12]。2017年國家發展與改革委員會聯合發布的《生態保護紅線劃定技術指南》中將水量平衡方程列為評價水源涵養的推薦方法[13], 該方法具有過程原理清晰、參數需求少、簡單易行等優點, 被廣泛應用于水源涵養能力評價中[14–15], 尤其是它直接服務于生態保護紅線工作, 顯示了具服務社會的實踐功能和實用性。

本文采用生態系統服務功能評估中常用的價值核算理論來對河湟谷地水源涵養功能進行評估,將區域內不同地帶的水源涵養量進行定量分析, 結合區域內已經確立的河流源地、重要水源保障供給地、水源涵養功能保護性地帶等, 綜合確定區域水源涵養重要性等級與區域劃分[16]。

1 研究區簡介

本文的河湟谷地, 包括黃河和湟水谷地, 由北向南依次為冷龍嶺-大通河谷地-達坂山-湟水河谷地-拉脊山-黃河谷地, 谷地內河谷寬闊, 階地發育, 海拔多在1650—2400 m, 適宜發展農業。本區總面積約43600 km2, 海拔處于1650—5200 m之間; 屬于高原溫帶半干旱氣候, 年均氣溫3—8 ℃, 年均降水量250—520 mm, 蒸散發強烈。黃河干流自西向東貫穿全境, 并發育一級支流湟水河與隆務河、二級支流大通河。植被以溫性草原為主, 巨大的海拔落差與地貌差異, 導致植被垂直地帶性非常顯著。河谷地區內為栽培作物; 海拔2200—2400 m的小起伏中山地主要為溫帶叢生矮草-半灌木草原; 海拔2400—2900 m中起伏中山地主要為溫帶叢生禾草草原; 海拔2900—3800 m的大起伏高山地生長金露梅等高寒灌叢; 海拔>3800 m的區域則為高寒草甸與草甸土[17]。

從行政區域來看, 包括西寧市(西寧市區、大通縣、湟中縣、湟源縣)、海東市(平安區、樂都區、互助縣、民和縣、循化縣、化隆縣)、海北州門源縣、黃南州同仁縣和尖扎縣、海南州貴德縣等。本區是青藏高原水熱條件較為優越的區域之一, 面積雖只占全省面積的5%, 但約占全省72.77%的人口和60%的耕地。西寧市與海東市就座落于河谷地區內, 是青藏高原人口、城鎮、經濟活動最為密集區域, 僅西寧市與海東市, 2018年人口達385.13 萬人, 占全省的63.84%; 國民生產總值1737.91 億元, 占全省的60.65%(中國統計信息網http://www.tjcn.org/tjgb/ 29qh/35837_3.html)。

圖1 河湟谷地水系與城鎮

Figure 1 River system and town in Hehuang Valley

2 數據與方法

2.1 數據

本文所用數據及來源為: 研究區90 m×90 m空間分辨率的DEM數據來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www. gscloud.cn/); 基于DEM數據, 通過ArcGIS的表面分析功能得到坡度; 中國1 km柵格年均降水量數據(1971—2000年)來自資源學科創新平臺網站(http://www.data.ac.cn/), 中國1 km月均氣溫和月均降水量(1971—2000年)來自國家生態系統觀測研究網絡科技資源服務系統(http://www.cnern.org.cn/)以及文獻[18]; 植被數據為中國科學院資源環境科學數據中心的中國1:100 萬植被類型空間分布數據。自然保護區來自于中華人民共和國生態環境部全國自然保護區名錄(http://www.forestry.gov.cn/), 國家森林公園數據來自國家林業和草原局以及國家公園管理局網站(http://www.mee.gov.cn/),本區水源地資料來自西寧供水網(http://www.8112112.com/a/yewujianshe/ shuichangyushengchan/)和海東市人民政府辦公室文件(http://www.haidong.gov.cn/html/52/75838.html)。

2.2 水源涵養能力

水源涵養能力的計算采用水量平衡方程, 計算公式為:

(1)式中:為總水源涵養量(m3),P為年均降水量(mm),R為年均地表徑流量(mm),A為類生態系統面積(km2),為研究區第類生態系統類型,為研究區生態系統類型數,E為年均實際蒸散發(mm); (2)式中, A、B、C為經驗系數, 分別取值3100、1.8、34.4,R為第月降水量(mm),t為第月平均氣溫(℃),E采用經驗公式(2)計算獲得[19]。

如果按照ARCGIS中柵格數據來計算, 則公式修改為:

則為第個像元格。

地表徑流是降雨量乘以地表徑流系數獲得, 計算公式如下:

式中:為地表徑流量(mm),為多年平均降雨量(mm),為地表徑流系數, 如表1所示。

2.3 自然保護地

本區涉及到水源涵養的自然保護地, 有6個國家森林公園和3個國家級自然保護區, 類型均為森林生態系統; 其中祁連山自然保護區面積較大, 分布在門源、祁連、天峻、德令哈等縣市, 在本區分布于門源。大通國家森林公園由鷂子溝和察汗河兩部分組成, 它們都分布有豐富的地表與地下水資源,也是非常重要的水源涵養地。水源地保護區和飲用水水源地是水源涵養功能被利用的區域, 直接被認為是極重要區。因此水源地未必屬于自然保護地, 但本文為方便計算, 使之與國家森林公園、自然保護區列在一起。此外本區有兩處國家地質公園, 與國家森林公園基本重合, 故不單獨列出。自然保護地分布區域即為水源涵養極重要分布區。點狀水源地也是水廠所在地, 因為涉及到百姓的水源生產與供給, 以點狀水源地為中心, 做2 km的緩沖區, 區內也為水源涵養極重要區域。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型的水源涵養能力

通過計算并統計本區不同植被類型的水源涵養能力, 發現: 本區地處干旱半干旱地區, 降水較少, 蒸散發較大, 并有一定的徑流量, 故本區各植被類型水源涵養能力均較低, 并處于負值狀態, 除冰川地帶, 降水在地表形成冰得以儲存。盡管如此, 本區不同植被類型, 水源涵養能力仍有明顯差別, 從總量來看水源涵養能力排在前五位的依次為溫帶落葉灌叢、溫帶針葉林、溫帶針闊混交林、寒溫帶和溫帶山地針葉林、亞熱帶落葉闊葉林, 從單位面積水源涵養能力來看依次為寒溫帶和溫帶山地針葉林>溫帶針葉林>亞熱帶落葉闊葉林>溫帶落葉闊葉林>溫帶針闊混交林>亞熱帶和熱帶山地針葉林>禾草、薹草高寒草原>溫帶落葉灌叢>亞高山革質常綠闊葉灌叢>溫帶叢生矮禾草、矮半灌木荒漠草原>亞高山落葉闊葉灌叢>溫帶叢生禾草草原>嵩草、雜類草高寒草甸>嵩草、雜類草高寒草甸+亞高山落葉闊葉灌叢>多汁鹽生矮半灌木荒漠>栽培作物>高山稀疏植被。

表1 河湟谷地植被類型與地表徑流系數[13]

表2 河湟谷地國家森林公園與自然保護區

3.2 水源涵養能力的空間分布

本區水源涵養能力變化幅度在-330—130 mm·a–1, 呈現出顯著的南北高、中間低的空間分布模式(圖2)。水源涵養能力>0的區域主要分布在北部的冷龍嶺、門源盆地、達坂山一帶以及南部的循化孟達自然保護區、麥秀林場一帶。中部的湟水谷地-拉脊山-黃河谷地等廣大區域的水源涵養能力＜0。湟水和黃河谷地水源涵養能力較弱, 尤其是貴德段黃河河谷地帶, 水源涵養能力最差, 年水源涵養能力在-202—-330 mm之間。

3.3 河湟谷地水源涵養功能空間分區

根據本區水源涵養能力變化數值分布特征, 將水源涵養能力分級如表4。由表4知: 水源涵養能力不重要(-330—-220 mm·a–1)的區域面積為3794 km2, 約占本區面積的8.7%, 一般重要、中等重要、重要和極重要區域分別占本區面積的44.9%、30.2%、13.2%和3%, 也就是說水源涵養能力＜0的區域占總面積的83.8%, 是本區面積的絕大部分, 僅有16.2%的區域水源涵養能力>0, 因此本區水源涵養能力總體較弱。由此可見重要與極重要區域對于本區水源保障與供給顯得極為重要。

考慮到自然保護地均為極重要的水源涵養區, 本文的自然保護地包括國家森林公園、國家自然保護區和水源地, 將自然保護地與水源涵養能力進行疊合, 綜合分析, 則可以得到本區最終的水源涵養功能重要性分級。由表4可見: 考慮自然保護地后, 水源涵養極重要區域面積明顯增多, 達到6001.3 km2, 符合本區生態建設為重中之重的戰略需求[20], 也與蘭西城市群的建設規劃相一致。水源涵養功能極重要與重要區域面積占本區面積的25%, 而中等重要與一般重要區域面積約占全區面積的66.3%, 不重要區域面積約占全區的8.7%(圖3)。

表3 本區不同植被類型水源涵養能力

總體來看, 水源涵養功能極重要和重要區域主要分布在北部祁連山脈的冷龍嶺和達坂山一帶, 南部西傾山少部分地區也有分布, 中部廣大地區面積小, 較分散, 呈島狀不連續分布。一般重要區域分布面積最廣, 主要分布在河谷與大起伏高山地過渡地帶的中小起伏中山地, 而河谷地帶則基本為不重要區域。

注: a.年均降水量; b.蒸散發; c.年徑流系數; d.年徑流量; e.水源涵養能力。

Figure 2 Water conservation capacity and factor map of Hehuang Valley

表4 水源涵養功能重要性分級標準[8]

4 討論

為強化和建設本區生態環境的水源涵養功能, 將水源涵養能力強的區域也納入自然保護區, 加以保護。尤其是本區北部冷龍嶺、達坂山一帶的水源涵養能力為45—130 mm·a–1的區域, 目前均未納入自然保護區也未納入國家森林公園, 因此建議以上區域(圖3b)應該納入自然保護地中, 實行有效管理, 提升其水源涵養能力[21]。尤其是達坂山一帶, 與大通北川河源區自然保護區毗鄰, 卻屬于無人管理的狀態, 該區域也是北川河河源的重要部分, 其水源涵養功能直接關系到西寧市生態文明建設及其水源的供給, 具有重要的生態與生產價值[20]。

注: a.國家級自然保護區、國家級森林公園和水源地分布; b.水源涵養能力分級; c.水源涵養功能重要性分布。

Figure 3 Importance distribution of water conservation function in Hehuang Valley

為保證水源供給質量與可持續發展, 因地制宜適當增加水源涵養功能極重要和重要區域的水源地建設, 關閉環境污染問題較突出且分布在一般重要與不重要區域的水源地。從目前本區17個水源地分布來看, 僅有3個位于水源涵養功能極重要區域, 1個位于中等重要區域, 9個位于一般重要區域, 甚至有4個位于不重要區域。水源地分布于極重要與重要區域的數量明顯偏少, 甚至重要區域無水源地; 而一般重要與不重要區域明顯偏多。需要說明的是水源涵養功能極重要和重要區域, 多是遠離人類活動密集的高山地帶, 人類活動干擾少, 水質受污染的可能性較低; 恰好相反, 4個位于不重要區域的水源地, 距離城鎮較近, 有些存在地下水位下降、工農業污染嚴重的問題[22]。當然水源地的設置不僅僅是考慮水源涵養功能重要性, 還要綜合考慮技術經濟以及社會經濟要素的分布。

加強區域生態治理與修復。由前文可知: 寒溫帶和溫帶山地針葉林、溫帶針葉林、溫帶落葉闊葉林、針闊混交林等幾種適應本地生態環境的植被類型有較高的水源涵養能力, 因此因地制宜, 根據區域的環境差異, 大力營造適宜本地的人工林, 而以上幾種植被類型顯然是比較好的選擇。有研究也支持這種說法, 提出最佳的水源涵養林樹種配置模式是青海云杉-白樺混交林[23–24], 并認為樹種的選擇要優先考慮云杉落葉松、青海云杉、云杉白樺混交、華北落葉松、白樺等[25]。此外, 從表3可知, 本區植被類型分布面積最廣的是嵩草、雜草類高寒草甸和溫帶叢生禾草草原, 它們在維持區域水源涵養、土壤發育等生態系統服務功能方面有重要價值[26], 在維護區域生態安全格局等方面有重要作用[27–28]。但本區高寒草甸和溫性草原, 普遍存在開發過度、退化嚴重的問題[29], 因此要加強高寒草甸和溫性草原的生態治理與修復[30], 本區生態服務功能將大有提高。

5 結論

河湟谷地在國家生態文明戰略實施與蘭西城市群建設中具有重要地位, 而水源涵養能力也是區域水資源開發的重要環節, 本文對區域水源涵養能力空間分布進行研究, 并提出相應的對策建議。但是也存在明顯不足, 本文未結合國家主體功能區規劃的生態功能定位進行綜合闡釋, 單獨強調水源涵養功能的重要性, 并不一定符合主導生態亞類功能的定位。希望在以后的工作中進一步細化與推進, 使得相關工作更為全面。本文取得如下結論:

(1)不同的植被類型, 水源涵養能力有明顯差別。從單位面積水源涵養能力來看森林水源涵養能力最強, 包括寒溫帶和溫帶山地針葉林、溫帶針葉林、溫帶落葉闊葉林、針闊混交林等, 草原中溫帶叢生矮禾草、矮半灌木荒漠草原水源涵養能力較為突出。

(2)本區水源涵養能力呈現出北部冷龍嶺、達坂山一帶較高, 中間湟水與黃河谷地較低的空間分布模式。

(3)將本區水源涵養功能重要性分為5級, 其中北部祁連山脈的冷龍嶺和達坂山一帶為極重要和重要區域, 約占本區總面積的25%; 一般重要區域分布面積最廣, 約占42%, 主要分布在河谷與大起伏高山地過渡地帶的中小起伏中山地; 不重要區域則主要分布于河谷地帶。

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Spatial pattern of water conservation function in Hehuang Valley

HOU Guangliang1,*, XU Changjun2, LI Xiaoqin3, QI Baozheng3

1. Academy of Plateau Science and Sustainability, Xining 810008, China2. Geomatics Technology and Application Key Laboratory of Qinghai Province, Xining 810001, China3. School of Geography Science, Qinghai Normal University, Xining, 810008, China

This paper discusses the spatial distribution of water conservation capacity in Hehuang Valley, providing basis for the implementation of regional ecological civilization strategy and the scientific development and utilization of water resources in Lanxi urban agglomeration. Water balance equation is used for calculating the water conservation capacity of Hehuang Valley, and then GIS analysis is carried out;what’s more, combining with the distribution of natural reserves (national nature reserves, national parks, water sources), the zonesof function for regional water conservation were divided comprehensively. The results show that the areas of Lenglong Mountain and Daban Mountain in the north of Qilian Mountains are the extremely important and important area for the function of water conservation, accounting for 25% of the total area; and the general important and middle importantarea are mainly distributed in the middle and small undulating mountains of the middle part, accounting for 66.3% of the total area; the unimportant area for the function of water conservation ismainly distributed in Huangshui and Yellow River Valley; where human activities are the most concentrated, accounting for 8.7% of the area. Therefore, the measures of regional water conservation capacity construction are put forward. The Lenglong Mountain and Daban Mountain areas in the north of Qilian Mountains are determined as extremely important and important area for the function of water conservation, which are classified as natural reserves; the zones of function for water conservation is considered as the consideration of setting water sources; according to the local conditions, increasing the forest area and the management and restoration of Kobresia, miscellaneous grass alpine meadow and temperate clump grass grassland.

Hehuang Valley; water conservation; spatial pattern

侯光良, 許長軍, 李曉勤, 等. 河湟谷地水源涵養功能空間格局研究[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 169–176.

HOU Guangliang, XU Changjun, LI Xiaoqin, et al. Spatial pattern of water conservation function in Hehuang Valley[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 169–176.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.019

X144

A

1008-8873(2021)04-169-08

2020-02-20;

2020-03-18

青海省地理空間信息技術與應用重點實驗室基金(2019-002)

侯光良(1972—), 博士, 教授, 主要從事自然地理與人類活動研究, E-mail: hgl20@163.com

侯光良