水源涵養型國家重點生態功能區生態系統服務功能評估

杜世勛,劉海江,張夢瑩,王亞璐,劉雪佳,劉軍會

1 山西省生態環境保護服務中心(山西省環境規劃院),太原 030000

2 中國環境監測總站,北京 100012

3 中國環境科學研究院,北京 100012

國家重點生態功能區是指承擔水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維護等重要生態功能,關系全國或較大范圍區域的生態安全,需要在國土空間開發中限制大規模高強度工業化開發,以保持并提高生態產品供給能力的區域。為維護國家生態安全,推動國家重點生態功能區地方政府加強生態環境保護和改善民生,財政部于2009年印發了《國家重點生態功能區轉移支付(試點)辦法》,中央財政開始以一般性轉移支付的方式對國家重點生態功能區縣級政府進行生態補償[1]。截止到2019年,國家已累計下達轉移支付資金近5200多億元。目前關于國家重點生態功能區轉移支付生態保護效應的理論研究主要是對轉移支付政策理解[2—3]、轉移支付方式[4—5]等進行分析論述,實證研究案例大多集中在單個區域[6—9],而針對整個水源涵養型國家重點生態功能區的研究,主要是在國家轉移支付政策實施前[10],所以評估國家轉移支付政策實施十多年來(2011—2019年)水源涵養型國家重點功能區的生態保護成效,對國家生態環境保護與修復決策具有重要意義。水源涵養功能區作為國家重點生態功能區四種類型之一,主要分布在我國重要江河源頭區和重要水源補給區[11]。

本研究選擇水源涵養型國家重點生態功能區作為研究對象,基于水量平衡法,計算2011、2019年水源涵養狀況及變化,評估國家重點生態功能區轉移支付政策對水源涵養功能區生態保護的效果,以期為促進國家重點生態功能區地方政府生態環境保護提供支撐。

1 研究區概況

目前,納入國家重點生態功能區轉移支付范圍的水源涵養類生態功能區有31個,涉及361個縣區,分布在23個省份,面積約207.10萬km2,約占我國國土面積的21.88%(圖1、表1)。

表1 水源涵養類型國家重點生態功能區分布表Table 1 The distribution table of the water conservation type national key ecological function areas

續表功能區名稱Function areas name主要生態系統類型Main ecosystem types面積/km2Area /km2涉及縣(區、市)個數Number of counties (districts、cities) involved海東-甘南高寒草甸草原水源涵養功能區Water conservation ecological function area of alpine meadow steppe re-gion on Haidong-Gannan草地4549.162天山北坡森林草原水源涵養功能區Ecological function area of forest steppe region on the north slope of tian-shan mountain water conservation草地68523.1610祁連山冰川與水源涵養生態功能區Glacier and water conservation region in Qilian Mountains草地228250.7220阿爾泰山地森林草原生態功能區Mountain forest steppe region in Altai草地117549.827桐柏山水源涵養生態功能區Ecological function area of Tongbai mountain water conservation耕地1915.231甘南盆地水源涵養生態功能區Ecological function area of Gannan basin water conservation耕地7825.573衡水湖水源涵養生態功能區Ecological function area of Hengshui lake耕地2411.073白洋淀水源涵養生態功能區Ecological function area of Baiyangdian耕地1260.872合計 Total2070994.11361

圖1 全國水源涵養重點生態功能區Fig.1 The water conservation type national key ecological function areas

2 研究方法與數據來源

2.1 水源涵養功能評價

(1)水源涵養量計算

目前,國內外提出了多種定量評估水源涵養能力的方法,如綜合蓄水能力法[12—13]、林冠截留剩余量法[14]、水量平衡法[15—16]、降水儲存量法[17—18]、多因子回歸法[19]、森林水文模型法[20]以及多模型集成法[21—23]等,并且在區域[24—27]、流域[28—29]、全國[30]等多個尺度得到廣泛應用。在這些方法中,水量平衡法基于系統整體性原理,只考慮水分輸入與輸出來核算生態系統持水量,需要降雨量、蒸散量和土地類型數據三個參數即可估算,簡單易操作,能夠較為準確的計算水源涵養量[31],已得到廣泛應用。因此本文采用水量平衡方程來計算水源涵養量,計算公式為：

式中,TQ為總水源涵養量(m3),Pi為降雨量(mm),Ri為地表徑流量(mm),ETi為蒸散發(mm),Ai為i類生態系統面積(km2),i為研究區第i類生態系統類型,j為研究區生態系統類型數。

2.2 數據來源

(1)土地覆被數據

2011、2019年的土地覆被數據來源于中國環境監測總站國家生態環境監測網2011、2019年水源涵養功能區生態類型監測數據,該數據基于中高分辨率衛星遙感數據解譯獲得。本文根據土地利用特點,將土地覆被類型歸并為森林、草地、濕地、耕地、其他和城市6個生態系統類型。

(2)氣象數據

降水量數據：從中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn)中國地面氣候月值數據集中獲取全國氣象站點2011年和2019年20—20時降水量數據。運用ArcGIS 10.3中的克里金插值工具對月降水量數據進行空間插值,插值完成后在柵格計算器中合成年總降水量,精度為30m。

實際蒸散發：來源于MODIS的MOD16A2蒸散發數據(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search),空間分辨率為1000m,時間分辨率為8d,運用MODIS Reprojection Tool對影像進行拼接、裁剪,之后在ArcGIS 10.3中進行2011、2019年年值數據的疊加,并重采樣為30m空間分辨率,最后得到蒸散發因子柵格圖。

地表徑流數據：地表徑流系數依據中國環境監測總站國家生態環境監測網2011、2019年全國生態類型監測數據,根據相應的生態系統類型進行折算,其中有林地取常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林及落葉針葉林的均值；灌木林地取常綠闊葉灌叢、落葉闊葉灌叢以及針葉灌叢的均值；疏林地直接對應取值；其他林地根據“全國生態遙感監測土地利用/覆蓋分類體系”中對地類含義的描述,取稀疏灌叢、喬木園地與灌木園地的均值；高覆蓋度草地取值為草原；中覆蓋度草地取草甸和草叢的均值；低覆蓋度草地取值為稀疏草地；濕地、水田、旱地、建設用地及未利用地直接對應取值。得到表2中的地表徑流系數均值。

地表徑流量由降水量乘以地表徑流系數獲得,計算公式為：

R=P×α

式中,R為地表徑流量(mm),P為多年平均降水量(mm),α為平均地表徑流系數。各類型生態系統地表徑流系數賦值見表2。

表2 各類型生態系統地表徑流系數均值表Table 2 Table of mean values of surface runoff coefficients of various types of ecosystems

2.3 生態系統質量評價

本研究選取植被覆蓋度反映生態系統質量的狀況。植被覆蓋度信息提取是在對光譜信號進行分析的基礎上,通過建立歸一化植被指數與植被覆蓋度的轉換信息,直接提取植被覆蓋度信息。

Ci=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中,NDVIveg為完全植被覆蓋地表所貢獻的信息,NDVIsoil為無植被覆蓋地表所貢獻的信息。由于大部分植被覆蓋類型是不同植被類型的混合體,所以不能采用固定的NDVIsoil和NDVIveg值,通常根據NDVI的頻率統計表,計算NDVI的頻率累積值,累積頻率為5%的NDVI值為NDVIsoil,累積頻率為95%的NDVI值為NDVIveg。

NDVI數據采用MODIS的MOD13Q1 NDVI數據產品(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search),空間分辨率為250m,時間分辨率為16d。

3 結果與分析

3.1 水源涵養功能

從空間分布來看,全國水源涵養型重點生態功能區內的水源涵養量呈現從西北部到東南部逐漸增加的趨勢,水源涵養量較高的區域主要分布在南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區東部、黃山水源涵養生態功能區西南部、浙閩山區水源涵養生態功能區東部,以森林生態系統類型為主。水源涵養量較低的區域主要分布在西北部的天山北坡森林草原水源涵養功能區、阿爾泰山地森林草原生態功能區以及雅江上游高寒草甸草原水源涵養區,草地是主要的生態系統類型,2011年和2019年水源涵養型生態功能區水源涵養量空間分布情況見圖2。

圖2 2011年和2019年全國水源涵養重點生態功能區水源涵養量分布Fig.2 Distribution of water conservation in the water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

分析表明,2011年全國31個水源涵養型生態功能區的水源涵養總量為3656.59億m3,單位面積水源涵養量為0.0018×108m3/km2,2019年全國31個水源涵養型生態功能區的水源涵養總量為8284.09億m3,單位面積水源涵養量為0.0040×108m3/km2,2019年水源涵養總量較2011年增長4627.50億m3,單位面積水源涵養量增加0.0022×108m3/km2,增幅達120%以上,增長主要原因是重點生態功能區內降水量的增長、森林面積的增加以及植被覆蓋度的提高,2011和2019年水源涵養型生態功能區水源涵養量見表3。水源涵養重點生態功能區內2011和2019年的平均降水量分別是602.60mm和829.43mm,增幅為37.6%,具體見表3,2011和2019年水源涵養型生態功能區降雨量空間分布情況見圖3。研究區內2011年平均蒸散發為334.51mm,2019年平均蒸散發為328.19mm,稍有減少,具體見表3,降水量的增加和蒸散發的減少直接導致水源涵養量的大幅升高。森林面積2019年較2011年增長13110.07km2,且植被覆蓋度有所增加,森林水源涵養量占到了重點功能區水源涵養總量的70%以上,轉移支付政策實施以來,退耕還林、天然林保護等政策的實施,使得水源涵養重點生態功能區內森林面積增加,保證了水源涵養功能的穩定提高。

表3 2011年和2019年全國水源涵養重點生態功能區水源涵養功能情況表Table 3 Table of water conservation function of water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

圖3 2011年和2019年全國水源涵養重點生態功能區降水量分布Fig.3 Distribution of precipitation in the water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

從單個功能區水源涵養總量變化來看,全國31個水源涵養型重點生態功能區中,約80.65%的功能區呈現增長趨勢,38.71%的功能區呈現倍數增長,僅9.68%的功能區的增長幅度較小,呈現相對穩定狀態。水源涵養量增加多的功能區主要分布在我國東北部以及青藏高原的東北邊緣,其中位于我國東北部的大小興安嶺森林生態功能區和長白山森林生態功能區,2019年的降水量均比2011年增加一倍以上,水源涵養量的增加主要得益于降水量的增長。位于青藏高原東北邊緣水源涵養量增加明顯的4個重點生態功能區分別是海東-甘南高寒草甸草原水源涵養功能區、甘南黃河重要水源補給生態功能區、若爾蓋草原濕地生態功能區和三江源草原草甸濕地生態功能區,4個功能區內林地面積和降水量均有增加,蒸散發降低,由于其處于高原氣候區,水分收入是影響該區生態系統結構和功能的主要因素,所以水源涵養量增長明顯。水源涵養量降低的功能區主要是京津水源地水源涵養生態功能區和閩東丘陵常綠闊葉林生態功能區。2019年較2011年京津水源地水源涵養生態功能區林地面積增長25.41%,但降水量2019年較2011年下降幅度大,降幅達57%,直接影響了功能區內2019年的水源涵養功能。閩東丘陵常綠闊葉林生態功能區的森林面積降低,降幅為9.44%,且降雨減少明顯,減幅為44.53%,森林面積的降低和降水量的減少導致該區2019年水源涵養功能下降。

3.2 生態系統宏觀結構變化情況

全國水源涵養型重點生態功能區生態系統類型以森林和草地為主。2011年全國水源涵養型重點生態功能區森林生態系統面積735965.68km2,草地生態系統面積為666812.47km2,濕地生態系統面積63398.08km2,分別占水源涵養全國重點生態功能區面積的35.63%、32.28%、3.07%。2019年全國水源涵養重點生態功能區森林和濕地面積分別增加13110.07km2和3202.22km2,增長幅度分別為1.78%和5.05%,草地面積有所減少,減少了25975.95km2,減幅為3.90%。減少的草地中有48.82%轉換為森林,主要分布在三江源草原草甸濕地生態功能區東部、南水北調水源涵養生態功能區西部以及京津水源地水源涵養生態功能區東部,有30.90%轉換為未利用地,主要分布在三江源草原草甸濕地生態功能區西北部和阿爾泰山地森林草原生態功能區。森林生態系統和濕地生態系統的穩定增長,保障了重點生態功能區重要生態系統服務功能的提高。全國水源涵養重點生態功能區生態系統情況見圖4和表4。

表4 2011年和2019年全國水源涵養重點生態功能區生態系統情況表Table 4 Ecosystem situation table of water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

圖4 全國水源涵養重點生態功能區典型生態系統變化Fig.4 Changes of typical ecosystems in the water conservation type national key ecological function areas

全國水源涵養型重點生態功能區中森林生態系統面積增長較為明顯的功能區有京津水源地水源涵養生態功能區、海東-甘南高寒草甸草原水源涵養功能區、中喜馬拉雅山北翼高寒草原水源涵養區、祁連山冰川與水源涵養生態功能區、南水北調水源涵養生態功能區、雪峰山水源涵養生態功能區,增幅均超過10%,京津水源地水源涵養生態功能區的增幅最高,為25.41%。森林生態系統面積降低較為明顯的功能區有雅江上游高寒草甸草原水源涵養區、雅江中游谷地水源涵養區,降幅均超過50%,雅江上游高寒草甸草原水源涵養區減少的林地中有49.46%轉換為草地,49.82%轉換為未利用地,雅江中游谷地水源涵養區減少的林地中有98.76%轉換為草地。

草地生態系統面積增長較為明顯的功能區有雅江中游谷地水源涵養區、雅江上游高寒草甸草原水源涵養區、中喜馬拉雅山北翼高寒草原水源涵養區,增幅分別為59.09%、8.38%、5.36%。草地面積減少的功能區主要包括天目山區水源涵養生態功能區、雪峰山水源涵養生態功能區、京津水源地水源涵養生態功能區,降幅均超過50%,三個功能區減少的草地85%以上都轉換為森林,其中天目山區水源涵養生態功能區減少的草地中有97.87%轉換為森林,雪峰山水源涵養生態功能區減少的草地中有91.40%轉換為森林,京津水源地水源涵養生態功能區減少的草地中有87.44%轉換為森林。

3.3 生態系統質量變化情況

本文選取植被覆蓋度反映生態系統質量的狀況。2011年全國水源涵養重點生態功能區內平均植被覆蓋度為0.63,植被覆蓋度較高的區域主要分布在我國東北部的大小興安嶺森林生態功能區、長白山森林生態功能區、中南部區域的南水北調水源涵養生態功能區以及南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區等區域；植被覆蓋度較低的區域主要分布在我國西北部區域,以阿爾泰山地森林草地生態功能區南部區域、祁連山冰川與水源涵養生態功能區北部區域、三江源草原草甸濕地生態功能區北部區域、雅江上游高寒草甸草原水源涵養生態功能區、雅江中游谷地水源涵養生態功能區以及中喜馬拉雅山北翼高寒草原水源涵養生態功能區為主。

2019年全國水源涵養重點生態功能區內平均植被覆蓋度為0.64,與2011年相比有所增加,植被覆蓋度較高及較低的分布區域與2011年相同(圖5)。從功能區內森林和草地生態系統的植被覆蓋度來看,阿爾泰山地森林草原生態功能區、甘南黃河重要水源補給生態功能區和南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區等10個重點生態功能區內的森林和草地生態系統的植被覆蓋度都有所提高。雅江中游谷地水源涵養區和幕阜山-九嶺山水源涵養生態功能區均是森林生態系統的植被覆蓋度降低,草地生態系統的植被覆蓋度上升。中喜馬拉雅山北翼高寒草原水源涵養區、雅江上游高寒草甸草原水源涵養區則相反,均是森林生態系統的植被覆蓋度上升,草地生態系統的植被覆蓋度降低。水源涵養型國家重點生態功能區內森林、草地主要生態系統的植被覆蓋度情況見表5。

表5 各功能區森林、草地生態系統植被覆蓋度Table 5 Vegetation coverage of forest and grassland ecosystem in each water conservation type national key ecological function areas

圖5 全國水源涵養重點生態功能區植被覆蓋度Fig.5 Vegetation coverage in water conservation type national key ecological function areas

4 結論與討論

4.1 結論

本文在全國水源涵養型重點生態功能區范圍內進行2011年和2019年水源涵養功能評估,并結合各功能區主要生態系統類型對評估結果進行綜合分析比較,得出以下結論：

(1)我國水源涵養型重點生態功能區水源涵養量呈現從西北部到東南部逐漸增加的空間分布趨勢。國家重點生態功能區轉移支付自2011年實施以來,水源涵養型國家重點生態功能區生態系統狀況總體好轉,水源涵養總量呈現明顯增加。

(2)森林和濕地生態系統面積增加,保障了重點生態功能區重要生態系統服務功能的提高。

(3)轉移支付政策實施以來水源涵養型國家重點生態功能區植被覆蓋度有所增加,生態系統質量提高。

(4)總體來看,轉移支付政策天然林保護、退耕還林、退牧還草等工程的實施對全國水源涵養重點生態功能區森林、草地生態系統水源涵養服務的提升發揮了積極作用。2011年到2019年全國水源涵養型重點生態功能區基本上地達到了轉移支付政策預期的階段性目標。

4.2 討論

生態系統服務功能是國家實施生態補償和構建生態安全屏障的重要基礎和依據。從本文研究結果來看,實施轉移支付政策以來,2019年水源涵養型國家重點生態功能區的水源涵養服務整體呈現增加趨勢,但少數功能區呈現下降趨勢,這些功能區應該引起足夠重視,加大生態保護力度,避免生態系統服務功能的退化和惡化。另外,本文僅對轉移支付政策實施之后的2011和2019年兩個年份進行了水源涵養功能的評估,如果在數據可獲取的情況下,可進行水源涵養功能的逐年評估,以便更好的評估轉移支付政策的階段性實施效果。

水量平衡法是研究水源涵養機理的基礎,能夠比較準確地計算水源涵養量,而且容易操作,因此理論上講是計算水源涵養量最完美的方法,也是目前使用頻率最高的方法。但依然存在不確定性問題,一是蒸散發目前還難以實現精準測量；二是研究區的空間異質性問題一般被忽略掉。本研究中地表徑流的估算對不同區域的同一種生態系統類型采取同一個地表徑流系數,具有極大的不確定性,會對評價結果產生一定的誤差。因此如何結合水文學知識,集成成熟的徑流計算模型,獲得較為準確的流域尺度徑流估算值,進而提高水源涵養量的估算精度是未來研究工作的重點之一。同時,建議在水源涵養型國家重點生態功能區內逐步建設生態系統服務功能數據觀測共享平臺,觀測收集與水源涵養能力相關的各個重要因子數據,便于更好的監測功能區水源涵養功能的變化情況。

根據水源涵養功能評估方法可知,對水源涵養功能影響最大的兩類因素為氣候因子和下墊面因子。而人為干預很難做到直接快速的改善區域內氣候狀況,所以采用改善下墊面特征是相對較為適合、且效果較好的改善地區水源涵養功能的方法。因此可以通過控制城市無序擴張、減少裸地面積、增加森林草地濕地面積、改善森林結構等方式改善土地覆被類型,從而從整體上提高區域的水源涵養功能,體現轉移支付資金的使用效益。