川西亞高山區域的水源涵養功能變化趨勢

汪 璇, 鄧麗梅, 劉剛才, 陸傳豪, 董先勇, 朱萬澤

(1.中國科學院 山地表生過程與生態調控重點實驗室, 中國科學院、水利部 成都山地災害與環境研究所 四川 成都610041; 2.中國三峽集團公司， 四川 成都610041; 3.中國科學院大學 北京100049)

生態系統服務功能與價值的研究是近年來在國內外備受重視，受到科學界的高度關注。水源涵養功能是生態系統的重要服務功能之一，水源涵養能力與植被類型和蓋度、枯落物組成和現存量、土層厚度及土壤物理性質等密切相關，是植被和土壤共同作用的結果。因此，不同區域水源涵養的時空特征不同。

雖然關于水源涵養功能的研究已有數十年的歷史，但是水源涵養功能作為生態與水文學科交叉的研究熱點，由于其特有的復雜性，目前尚未形成一個完全公認的定義[1]：早期指森林對河川徑流的調節能力；目前有學者認為是某區域在一定時段內收入與支出水量之差；核心意義是指生態系統對降水的截留和儲存能力。水源涵養評估方法也較多[1-3]，包括蓄水法、降雨貯存量法、水量平衡法、綜合指標評價法、模型計算等方法，其中，InVEST模型相對而言有較廣泛的應用[4-9]；同時，目前也沒有形成標準的方法，而且不同方法，包括同一方法采用不同的參數等，其評價結果差異較大[10-11]。因此，生態系統水源涵養能力的評估還任重道遠。

西南高山亞高山主要分布于川西、滇西北和藏東南，面積超過100 km2，是中國第二大林區。川西亞高山是中國第二大林區的主體部分，該區域森林集中分布于長江上游的金沙江 、雅礱江、岷江、大渡河等流域及其支流，是長江上游的天然生態屏障，也是中國“兩屏三帶”生態安全屏障中“青藏高原生態屏障”和“黃土高原—川滇生態屏障”的重要區域，生態屏障戰略地位十分突出，對維護長江流域生態安全，促進長江流域經濟社會可持續發展具有舉足輕重的作用，直接影響著四川省的經濟社會可持續發展狀況，具有重要的生態和社會經濟方面的意義。在20世紀下半葉以來，整個川西亞高山森林遭受大規模的采伐利用，加之森林火災、森林病蟲害、過度放牧等自然和人為干擾的影響，絕大多數天然林退化為次生林地、疏林灌叢地、荒草地、跡地等，生態系統的結構和功能遭受嚴重的破壞，其蓄水、保水等功能低。在2000年以來，該區不僅全面停止了森林砍伐，而且進行了生態修復和保護等生態工程，森林覆蓋率由2000年之前的61.8%升至2017年的65.6%[12]；近年來植被覆蓋率遞增0.24%/a[13]，植被情況逐年持續好轉[14-15]。但是，川西亞高山區的水源涵養有何變化趨勢，還不得而知。為此，本研究以該區岷江上游雜谷腦河流域為例，通過對雜谷腦河流域出口的降水、氣溫和水、沙變化的分析，以揭示川西亞高山區水源涵養的變化趨勢，為明確該區的水源涵養動態特征提供科學依據。

1 研究區概況

雜谷腦河流域位于北緯31°12′—31°55′，東經102°36′—103°39′，流域呈扇形，南、西、北三面為群山環抱，西北高、東南低，其西部、西北部以鷓鴣山、邛崍山與大渡河流域相鄰，北部以鷓鴣山支脈與岷江支流黑水河接壤，南部以邛崍山支脈與草坡河、漁子溪為界。雜谷腦河為岷江上游右岸一級支流，發源于鷓鴣山南麓，從源頭到古城，兩岸山勢陡峻，水流湍急，屬典型的高山峽谷型河流，古城以下山勢漸緩，河谷逐步開闊。雜谷腦河流域面積4 632 km2，干流河道總長168 km，平均坡降18.4 ‰。流域內最高海拔為5 615 m，最低海拔為1 812 m。根據DEM(90 m分辨率)分析表明，2 000 m以下和5 000 m以上的區域面積僅占全流域的3.2%，3 000～4 500 m高程區間的面積最大，占據流域面積的79.9%，3 800 m(林線)以上的區域占流域面積的53.3%[16]。

由于流域內地形復雜，相對高差大，氣區內候具有明顯的垂直地帶差異性：氣溫有隨海拔升高而降低、而降雨有隨海拔升高而增大的趨勢。從流域內已有的降水資料來看，米亞羅等海拔高度2 400 m以上區域，是本流域最濕潤的地區。隨著高程降低，降水量逐漸減少。河流的下游理縣及其以下河谷，有明顯的干旱河谷氣候特征，降雨稀少，至河口汶川縣城，降水量達到流域的最低值。

流域內森林資源豐富，主要植被類型有：草甸、灌叢、針葉林、闊葉林、針闊混交林、人工林等；主要物種有：蒿草、苔草、羊茅、高山櫟、高山柳、岷江冷杉、云杉、樺木等等。主要土壤類型有：山地灰褐土、褐色土、棕壤、暗棕壤、灰化土、亞高山草甸土、高山草甸土和高山寒漠土。

2 材料與方法

2.1 數據來源與水源涵養量估算

流域(雜谷腦河上游)出口的水、沙數據，來源于中國長江三峽集團公司負責的雜谷腦水文站，該站位于理縣縣城，1958年8月設立，控制集水面積2 404 km2。水沙數據監測獲取過程中，水位、流量和輸沙量以及水文站負荷的測定，均遵循中國水利電力部頒布的國家標準進行，其中，中國水文站水文測量、采樣和實驗室分析的程序和方法，與國際上使用的程序基本相同，數據處理過程中，遵循標準進行了嚴格的檢查和錯誤分析，以確保準確性[17]。該站氣象信息(氣溫和降水量等)由四川省氣象局提供。

區域水量平衡方程[18]：

P=R+E+W-M

(1)

式中：P為降水量;R為徑流量;E為蒸散發量;W為流域內儲存的降水量(即水源涵養量);M為流域內冰川消融量,由于流域內冰川很少[19],故M在研究期間無顯著變化可忽略不計。因此,流域的年均徑流量為:

R=P-E-W

(2)

公式(2)表明，根據流域徑流量的變化，可以推測流域內儲水量W的變化情況；當P和E不變時，即有徑流R增加則流域內的儲水量W即水涵養量減少，反之則反，即有：

ΔR=-ΔW

(3)

公式(3)表示徑流變化量的絕對值就是區域內儲水量變化量的絕對值，即徑流減少多少，區內水源涵養量就增加多少。

2.2 數據統計分析與制圖

本研究所有數據的統計分析均使用ExcelL軟件，制圖和回歸分析都采用Windows系統下的Sigmaplot 12.0軟件。

相關變量如降雨、徑流等分析，采用非參數檢驗方法，即Mann-Kendall( M-K)秩相關檢驗法[20]來檢測長期變化趨勢，其中，Z值是標準正態分布，是按照時間序列順序計算出來的統計量序列，Z>0時表示上升趨勢，Z<0時表示下降趨勢，若|Z|≥1.96，表示通過置信度95%的顯著性檢驗，即表明序列存在顯著的表現趨勢變化。

3 結果與分析

3.1 雜谷腦河水文站年均徑流量

圖1表明，雜谷腦河水文站的年均徑流量呈顯著的連續遞減趨勢(p=0.005 5)。20世紀60年代初，該區年均徑流量達約1 000 mm，當前約為830 mm，減少17.3%，平均每年減少0.29%(2.83 mm)，即平均每年水源涵養量增加28.3 t/hm2。不同時間段看，20世紀60年代初至90年代，平均每年減少0.26%(2.54 mm)，即平均每年水源涵養量增加25.4 t/hm2；但20世紀90年代末至2020年，平均每年減少約0.32%(3.12 mm)，即平均每年水源涵養量增加31.2 t/hm2。因此，21世紀以來，雜谷腦河上游亞高山區域徑流量減少趨勢更明顯，即水源涵養量增加趨勢較明顯。

圖1 雜谷腦河水文站年均徑流量的動態

從M-K趨勢分析結果看，Z值除了少數年份外都小于0，即絕大多數年份，區域內的徑流是呈減少趨勢的；特別是從2000年左右起，Z值小于0(圖2)，即表明近20 a開始，雜谷腦河上游亞高山區域內的年均徑流量呈顯著減少趨勢，也就是說，2000年后該區域的水源涵養量增加趨勢顯著。

圖2 雜谷腦河水文站年均徑流量的趨勢分析

3.2 雜谷腦河上游出口降水與氣溫

從雜谷腦河上游出口即理縣縣城氣象動態看，年均氣溫有顯著(p<0.001)的遞增趨勢，從1960年的年均氣溫7.2 ℃，增加到2019年的11.9 ℃，增加了4.7 ℃；但是，年均降水量沒有明顯增加的趨勢，而是呈上下波動式的動態，回歸分析表明，也沒有顯著(p=0.522 9)的波動式變化趨勢(圖3)。

圖3 雜谷腦河上游出口理縣縣城的降水氣溫動態

從M-K趨勢分析(圖4)看，雜谷腦河上游出口即理縣縣城的年均降水量也沒有明顯變化趨勢，Z值在0上下波動，并呈減少—增加—再減少—再增加趨勢；而氣溫的Z值大致呈“V”型趨勢，大致從1995年開始呈上升趨勢，至2010年開始，Z值大于1.96，即表明近10 a來，氣溫開始顯著上升。

圖4 雜谷腦河上游出口理縣縣城的降水氣溫趨勢分析

3.3 雜谷腦河上游出口含沙量

雜谷腦河上游亞高山區域，每10 a徑流減少28.3 mm，因此，這個區域的徑流減少是較明顯的。以岷江上游的紫坪鋪水文站觀測資料為基礎，獲得的研究結果也是徑流呈較明顯的減少趨勢[21-22]。我們也可以從這個區域出口的含沙量動態(圖5)及其趨勢分析結果(圖6)也可以進一步表明，這個區域的徑流呈減少趨勢。這個區域出口的含沙量呈顯著(p=0.002 6)的遞減趨勢，趨勢分析也表明：除個別年份外，Z值都小于0，即含沙量一直呈減少趨勢，這從側面表明了，這個區域的徑流是減少的趨勢，因為：徑流中含沙量與徑流量呈一定正相關關系[23-25]；同時，這也表明：這個區域保持土壤的能力在增加而土壤流失在減少，從而提高生態系統土壤部分的水源涵養能力。

圖5 雜谷腦河上游出口含沙量的動態

圖6 雜谷腦河上游出口含沙量的趨勢分析

4 討論與結論

4.1 討 論

雜谷腦河上游出口處的氣象資料表明，降水沒有明顯變化趨勢，即變化可以忽略不計，與我們事先的假設一致。多數研究認為：降水量增或減的變化因區域不同而不同[26-27]；氣候變化在高海拔地區較明顯[28]。在過去的幾十年中，整個青藏高原區域的氣候變化呈暖濕化趨勢，氣溫平均以0.19～0.25 ℃/10 a的速度增長，年降水量則以23.5～28.6 mm/10 a的速度增加[29]，西藏大部分地區的年降水量變化為正趨勢，降水傾向率為 1.4～66.6 mm/10 a[30-31]。三江源各源區的年均降雨量和氣溫呈上升趨勢[32-33]。在川西的貢嘎山東坡>3 600 m的區域降水有增加趨勢[34]；本研究表明，研究區域降水呈不顯著的波動式變化，無明顯增減趨勢。因此，根據這些研究結果，可以推測區內的徑流減少不是降水減少引起的。

當然，從另一個方面看，岷江流域在近60 a來氣溫呈顯著的上升趨勢，特別是上游地區更明顯[35]；本研究流域出口站的氣溫也是呈增加趨勢，特別是近10 a來，氣溫有顯著增加趨勢。氣溫升高可能會增大區域內的蒸散發而使得徑流減少。但是，有研究認為：川西高原2000年以來，實際蒸散發量呈沒有顯著的波動式變化趨勢[36]，因為，蒸散發除了氣溫外，還有風速、植被等諸多其他影響因素。因此，該區徑流減少主要是由于區內水源涵養能力增加導致的，也不是蒸散發的增加而引起的。

2000年以來，該區域實施了嚴禁森林砍伐和生態修復等工程，該區域的水源涵養量增加趨勢顯著，表明實施生態工程，包括生態修復和生態保護，對水源涵養有較明顯的正作用[37-39]。從該區的植被覆蓋情況看，2000年之前有逐年變差趨勢[40-41]，而2000年之后，植被覆蓋度整體上呈緩慢上升的趨勢[14-15,42]。因此，該區2000年以來的水源涵養量增加較明顯。

4.2 結 論

雜谷腦河上游亞高山區域的水源涵養能力呈較明顯的增加趨勢，特別是2000年以來，該區域實施了生態保護和生態修復等工程，該區域的水源涵養能力增加顯著，平均每年水源涵養量增加31.2 t/hm2。因此，實施生態工程對區域的水源涵養能力提升有明顯的促進作用。紫坪鋪水文站的徑流也有較明顯的減少趨勢。