黃河源區生態環境系統格局與服務功能演變

田世民，梁 帥，趙高磊，賈 佳，周雄冬，常靜怡，江恩慧

（1.黃河水利科學研究院，河南鄭州 450003； 2.河南省黃河流域生態環境保護與修復重點實驗室，河南鄭州 450003； 3.河南省黃河水生態環境工程技術研究中心，河南鄭州 450003；4.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

生態環境系統是一個有機整體，其分布格局和服務功能變化能反映生態環境的整體變化情況，當前研究多從這兩個方面對全球或區域的生態環境狀況進行評估。 2001 年聯合國啟動千年生態系統評估（Millennium Ecosystem Assessment，MA）國際合作項目，得到世界各國的廣泛響應［1］。 隨后歐美等發達國家相繼發布了各國（州）生態系統評估報告［2］。 2012 年，經國務院批準，環境保護部和中國科學院聯合開展了“全國生態環境十年變化（2000—2010 年）遙感調查與評估”項目，并于2016 年發布了《全國生態環境十年變化（2000—2010 年）遙感調查與評估報告》，調查結果表明全國生態環境脆弱，生態系統質量和服務功能低［3］。 此后，諸多研究者對不同區域和不同生態系統類型的分布格局和服務功能進行了評估，如有研究者對黃河源區、黃土高原和河口濕地等不同區域開展了相關研究［4-5］，也有學者對高原［6］、草地［7］、農田［8］、河流［9］、湖泊［10］等單一生態系統的格局分布和服務功能演變情況進行了研究與評估，均旨在掌握生態環境狀況及其變化趨勢、變化的時空分布特征和存在的主要問題，找出生態環境變化及問題出現的主要原因，提出新時期我國生態環境保護對策與建議。

黃河源區是黃河流域重要的產水區和水源涵養區。 20 世紀八九十年代，全球氣候變暖與人類活動區域日益擴大，導致黃河源區生態環境受到一定破壞，土地利用類型發生極端轉化，使得源區生態系統穩定性減弱［11］。 黃河流域是一個動態的復雜開放巨系統，系統內部上中下游緊密聯系并存在互饋關系［12］。 黃河源區生態系統受損不僅會威脅源區人民的生產和生活安全，而且會對黃河流域水資源安全和經濟社會發展產生負面影響。 2011 年國務院印發的《全國主體功能區規劃》將三江源定位于重點生態功能區，生態系統服務功能成為其主體功能之一。 筆者及其團隊自2006 年以來持續開展黃河源區生態環境研究，對生態環境要素進行了全方位分析，對重要因素進行了持續現場監測。 為了深入認識黃河源區生態環境演變過程和現狀特征，結合前期研究，本文系統梳理了黃河源區生態環境系統格局和功能，并在此基礎上給出了提升黃河源區生態環境質量和生態系統服務功能及保障源區生態格局安全的對策與建議。

1 黃河源區生態格局變化情況

整體來看，1980—2020 年黃河源區綜合土地利用動態變化幅度較小。 相較于1980 年，2020 年黃河源區草地、林地、湖泊、沼澤濕地、耕地和建設用地面積均呈增加趨勢，其中建設用地增加幅度最為顯著，增幅為226.8%，其次為耕地和沼澤濕地，增幅分別為30.0%和15.4%。 未利用地面積呈減少趨勢，減少面積為5 230 km2（減幅為29.82%）。 草地為黃河源區最主要的生態系統類型，從面積變化來看，源區草地面積增加最多，增加了4 353.9 km2（增加比例為3.57%），但增加的主要為低覆蓋草地面積，為5 770.2 km2（增加比例為4.73%），高、中覆蓋草地面積仍然呈減少趨勢，分別減少了663.1 km2（減少比例為0.54%）和753.2 km2（減少比例為0.62%）。 1980—2020 年黃河源區草地和未利用地之間的轉化最為劇烈，其次為水域和未利用地之間的轉化，凈轉化面積分別為5 063.9 km2和132.4 km2。 建設用地的增加主要是侵占了草地面積，兩者間的凈轉化面積為82.8 km2，占建設用地增加總面積的90.7%。

從時間尺度來看，黃河源區生態環境變化過程可分為3 個階段，分別為1980—1990 年、1991—2005 年和2006—2020 年，其生態環境狀況相應地表現為良好—破壞—恢復。 2005—2010 年源區各類土地利用類型動態變化幅度均較大，之后變化趨于平穩，主要原因是2000 年后，國家實施了一系列重大生態保護措施，有效遏制了黃河源區生態退化的趨勢［13］。

從空間分布來看，1980—2020 年，除未利用土地外，源區各類土地利用類型在空間上的轉化并不明顯。黃河源區各時期土地利用類型的空間分布見圖1。

圖1 黃河源區各時期土地利用類型的空間分布

1980—2020 年，在扎陵湖、鄂陵湖以上的源頭區域，未利用土地的面積明顯增加，主要為沙化草地；黃河源區沙地面積呈減少趨勢，共減少了125.7 km2，但扎陵湖、鄂陵湖以上的源頭區域土壤沙化還在持續；黃河源區生態環境狀況呈現出整體好轉和局部退化的狀態；黃河源區景觀生態格局總體表現為異質性增強，破碎化程度提高，連通度下降，1990 年左右景觀生態格局破碎化加劇，2005 年后趨于平緩。

2 黃河源區水生態環境變化情況

2.1 水文過程變化

唐乃亥水文斷面為黃河源區的出口斷面，1956—2020 年唐乃亥站年均徑流量為203.36 億m3，年均徑流量極值比為3.09，極值差為221.1 億m3，變差系數CV為0.27，表明唐乃亥站徑流年際波動較小［13］，65 a間源區徑流量呈現不顯著波動增加趨勢［14］，遞增速率為0.84 億m3／10 a。 從年際變化來看，當前研究普遍認為黃河源區徑流突變年份為1990 年左右［15-16］，1990 年之前為徑流的上升階段、之后為下降階段［17］。黃河源區徑流存在7、12、28、45 a 不同時間尺度的“豐—枯”演變周期［18］，在整個65 a 的研究尺度上，徑流存在較大尺度的豐枯交替變化，即枯（1956—1965年）—長豐（1966—1989 年）—長枯（1990—2005年）—偏豐（2006—2020 年）。 從年內變化來看，黃河源區徑流量年內分布極不均勻，6—10 月的徑流量較大，7 月和9 月徑流量一般會出現峰值，分別占全年徑流量的17.25%和15.36%。 相較于1956—1989 年，1990—2020 年年內徑流量在8、9、10 月下降明顯，分別下降了10.51%、26.36%、15.97%；9 月徑流量顯著下降導致源區年內水文分布類型由“雙峰型”轉變為“單峰型”。

從空間變化來看，自鄂陵湖站至唐乃亥站，徑流量逐漸增加，其中區間水量增加較多的河段為吉邁—瑪曲河段，年均水量增加約103.31 億m3，約占源區年均總徑流量的50.80%。 吉邁—瑪曲河段有多條支流匯入，水量較大的有沙柯曲、白河和黑河3 條支流。 其上有久治、唐克和大水3 個水文站，其中久治站為沙柯曲入匯黃河的把口站，多年平均徑流量為5.47 億m3，唐克站為白河入匯黃河的把口站，多年平均徑流量為20.27億m3，大水站為黑河入匯黃河的把口站，多年平均徑流量為10.36 億m3。 沙柯曲、白河和黑河3 條支流補充了吉邁—瑪曲區間1／3 以上的徑流量。 吉邁—瑪曲河段是黃河源區的主要產水區，也是需要重點關注的水源涵養區。

2.2 水環境變化

根據歷年《中國生態環境狀況公報》和《青海省生態環境狀況公報》可知，自2008 年起，黃河源區干流河段的水質整體趨勢向好。 2008 年和2009 年，黃河源區的水質類別為Ⅲ類，2011 年后有好轉，轉為Ⅱ類，黃河源區上游河源—瑪曲河段水質2016 年后變為Ⅰ類并持續至2020 年，2021 和2022 年該河段水質類別為Ⅱ類。 瑪曲—龍羊峽水庫河段水質自2011 年轉為Ⅱ類以來一直持續至今。 黃河源區主要支流水質均維持在Ⅱ類及以上。 2017 年以來，筆者所在研究團隊每年對黃河源區干支流水質進行監測，監測斷面分布見圖2，至2023 年已完成7 期水質監測。 監測指標主要包括水溫（T）、溶解氧（DO）、電導率（SPC）、總溶解固體（TDS）、酸堿度（pH）、氧化還原電位（ORP）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）和高錳酸鹽指數（CODMn）等。 監測結果顯示，2017 年以來黃河源區主要干支流水質均維持在Ⅱ類及以上標準。

圖2 黃河源區水質監測斷面分布

2.3 水生態變化

2016—2023 年，對黃河主要干支流的大型無脊椎底棲動物進行了4 次監測。 白河流域共監測到3 門7 科73 屬底棲動物，Shannon-Wiener 多樣性指數為0.61～2.01。 各斷面底棲動物的豐度、密度、生物量和多樣性指數因棲息地環境不同而表現出較大差異，在所有底棲動物樣本中，環節動物數量占比最低，僅6.3%，節肢動物數量占比為33.6%，軟體動物數量占比最高，高達60.1%，在節肢動物中水生昆蟲數量占94.5%。 黃河二級支流蘭木措曲共監測到25 科30 屬底棲動物，生物密度為9～541 ind／m2，Shannon-Wiener 多樣性指數為0.70 ～2.21。 該河段的優勢物種包括長角泥甲科的Ordobrevia屬，占總個體數的24.15%，其次為鉤蝦科的Gammarus屬，占總體的23.93%，二者數量接近總個體數量的一半，第三優勢物種為搖蚊科的Polypedilum屬，占總個體數的16.64%。 2023 年6 月對黃河源區干流和6 條主要支流入匯處的底棲動物進行了監測，共監測到3 門12 科32 屬底棲動物，其優勢物種為鉤蝦科的Gammarus屬，占總個體數的24.49%，其次為搖蚊科的Georthocladius屬，占總個體數的12.04%。 通過計算可知，底棲動物Hilsenhoff 生物指數為4.37 ～9.31，敏感類群評價指數（BMWP）為3.0 ～57.2，科級耐污指數（FBI）為1.77～6.75，大型無脊椎動物生物完整性指數（BIBIE）為0.13 ～1.71。 生物多樣性高低是一個地區生態質量優劣的重要量度。 黃河源區底棲動物生物多樣性總體表現為α多樣性低、β多樣性高，即群落或生境內部物種的多樣性較低，而從一個生境到另一個生境所發生的物種的多樣性變化速率和范圍較高。

3 黃河源區河流演變對水生態系統的影響

黃河源區干支流多為沖積性彎曲河流，天然狀態下河流在自然演變過程中發生裁彎，發育了大量的牛軛湖濕地。 牛軛湖是彎曲河流長期演變過程的伴生產物，其既是過去古河道的遺跡，又是彎曲河流橫向遷移而形成河曲帶的地貌組成單元。 河流裁彎是牛軛湖形成的起點，河流裁彎后，牛軛湖的水流條件、泥沙供給和沉積作用發生了根本性變化。 牛軛湖作為一類獨特的濱河生物棲息地，在生物多樣性和景觀多樣性方面有著不可替代的作用［19］。 牛軛湖地處水陸過渡帶，蓄積了來自水陸兩相的營養物質，具有較高的生物多樣性的底質條件和較高的初級生產力［20］，某些物種更喜歡生活在牛軛湖中［21］。 牛軛湖在演變過程中，受河流間歇性淹沒的影響，洪水期與河流發生物質與養分交換，同時湖內不斷淤積，水體環境特征也發生變化［22］。此外，牛軛湖還通過影響周圍土壤水分來影響周邊的植被分布［23］，對河流生態系統有著重要的影響［24］。

通常而言，地勢低洼平坦、有利于泥沙淤積的河段極易發生河道改道，形成新河槽［25］。 黃河源區瑪曲至唐乃亥河段的若爾蓋濕地是一片寬闊的沼澤濕地，極易因沖淤變化而導致河形改變。 本研究選擇黑河和白河來探究源區河流演變對水生態系統的影響。 黑河和白河河床類型兼有砂質河床和卵石河床。 通過聚類分析可知，黃河源區底棲動物棲息地類型可分為4 類，分別為砂質河床棲息地（SA）、卵石河床棲息地（CB）、挺水植物或沉水植物占優的低生物量牛軛湖棲息地（OⅠ，代表牛軛湖發育前期）和沉水植物占優的高生物量牛軛湖棲息地（OⅡ，代表牛軛湖發育后期），各類棲息地群落特征見圖3。 與棲息地環境特征相對應，SA 棲息地中底棲動物的豐度、密度、生物量和多樣性指數非常低。 CB 和OⅠ兩類棲息地的底棲動物豐度、密度、水生昆蟲密度相近，OⅠ牛軛湖Shannon-Wiener指數稍低于CB 的，但底棲動物生物量則是CB 的近2倍。 CB 棲息地為流水型，優勢物種為EPT 物種（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目生物）及喜流水的雙翅目等；靜水型的OⅠ牛軛湖棲息地底質中值粒徑相對較小，優勢物種為喜靜水的搖蚊科生物。 OⅡ牛軛湖棲息地底棲動物的豐度、密度、生物量和Shannon-Wiener 指數均顯著高于其他類型棲息地，龍虱科、劃蝽科的水生昆蟲及小型螺類、貝類占有極端優勢。

圖3 黃河源區底棲動物各類棲息地群落特征

OⅡ棲息地底棲動物群落在垂直空間上并不是均質的，具有非常強的結構性。 一般地，在植被占優勢的牛軛湖中，植被附著類生物構成物種豐度主體，而底棲類生物則構成密度和生物量的主體，但在本次研究中情況卻有所不同：在OⅡ牛軛湖中，水體層的底棲動物無論是在豐度、密度還是生物量上都高于底泥層的底棲動物。 此外，其群落構成也截然不同：水體層的高植被、富氧環境中大量分布有蘿卜螺屬、扁蜷螺屬等攀緣生物和龍虱科、劃蝽科等潛水生物，而在底泥層的低氧環境中搖蚊屬和葉甲幼蟲等蔓生生物和穴居生物則占優勢。 總的來說，牛軛湖作為一類獨特的棲息地，提高了黃河源區棲息地多樣性，對黃河源區生物多樣性有著重要的生態意義。

在氣候變化和人類活動干擾下，黃河源區面臨著濕地萎縮等生態退化的狀況。 據統計，在近30 a 間，白河流域所在的若爾蓋濕地中的沼澤型濕地損失面積比例高達88%。 濕地萎縮會導致牛軛湖間歇性通水或長期不通水，牛軛湖則會萎縮形成單獨的靜水生態系統直至完全消失。 但臨近河道的地表徑流和地下水補給，使得牛軛湖濕地的損失相對較慢，受原始河道的尺寸和現有人為政策干預的影響，牛軛湖能夠維持上百年甚至上千年的時間才消失。 在自然條件下，一方面黃河源區彎曲河流裁彎不斷形成新的牛軛湖，另一方面牛軛湖發育、演變并最終消失，黃河源區河流生態系統在較長時間尺度維持著動態平衡。

4 黃河源區生態系統服務功能

4.1 水源涵養

水源涵養是指生態系統通過對降水的截留、吸收和貯存，改變流域產流特征、水文循環路徑和水分存儲形式，調節流域地表水、土壤水和地下水之間存儲和交換關系，從而既能保障和維持流域生態系統健康，又能最大限度為流域外提供生態產品和服務的功能［12，26］。水源涵養是黃河源區最重要的生態系統服務功能之一。 基于黃河源區1970—2020 年系列水文氣象數據，采用SWAT 模型從時間尺度、空間尺度和生態系統尺度對黃河源區水源涵養變化情況進行分析。 結果表明：在時間尺度上，黃河源區1970—2020 年水源涵養量為27.92～244.83 mm，增長率為13.36 mm／10 a。 水源涵養量與降水量、蒸散發量和地表徑流量正相關，受降水量影響最大。 在空間尺度上，黃河源區水源涵養受降雨影響，年內分布不均，空間分布南部多于西部，若爾蓋濕地是黃河源區重要的水源涵養區。 在生態系統尺度上，不同生態系統類型水源涵養的貢獻度有差異，濕地（15. 26%） ＞林地（15. 04%） ＞高覆蓋度草地（14.56%）＞中覆蓋度草地（13.11%）＞裸地（12.81%）＞低覆蓋度草地（12.53%）＞人造地表（9.07%）＞耕地（7.08%） ＞水體（0.54%），其中草地總貢獻率為40.20%。 保護草地、林地和濕地生態系統是維持黃河源區水源涵養能力的重要措施。

4.2 碳儲量

碳儲量是指生態系統中碳素的存留量，與生態系統中生物的現存量關系密切。 碳儲量作為衡量生態系統的初級生產力規模和數量的重要指標，是全球氣候變化研究的核心內容之一，準確估算陸地生態系統碳儲量對研究氣候變化具有重要意義［27］。 通過研究發現，1980—2020 年黃河源區碳儲量為15.60×105～16.22×105t，增長率為0.16×105t／10 a。 黃河源區分布有大面積高寒草甸，其碳儲量最高，占源區總碳儲量的91.3%，其次為林地（6.6%）和未利用地（2.1%）。 在所有碳儲量類型中，土壤碳儲量占比最高，其次分別為地下碳儲量、凋落物碳儲量和地上碳儲量。 碳儲量空間分布與源區草地空間分布具有一致性。

4.3 生境質量

生境質量反映了區域生態系統可提供給系統內動植物生存和延續所需的自然資源的質量，生境質量指數是衡量生態環境水平的重要指標［28-29］。 利用InVEST模型計算黃河源區1980—2020 年8 期生境質量，結果表明黃河源區平均生境質量指數為0.725 ～0.761。 整體來看，黃河源區生境質量指數的變化幅度較小，生境質量水平較高。 從空間尺度來看，1980—2020 年生境質量總體空間格局較穩定。 黃河源區大范圍地區生境質量指數為高（0.8～1.0）與較高等級（0.6～0.8），低等級（0～0.2）主要分布在源區西部與北部地區，呈現零星分布，其中阿尼瑪卿山北側分布面積較廣。 1980—2015 年，黃河源區生境質量指數在一定范圍內波動，呈現相對穩定的特征，2020 年有大幅度上升，尤其是吉邁水文站以上的西部地區，說明1980—2022 年黃河源區生境質量呈向好的趨勢。

4.4 洪水調蓄

湖泊和濕地等是抵御河流水系洪水災害的天然屏障，而水庫則是現代防洪工程體系的重要組成部分，二者在減少洪水災害、保障區域防洪安全方面發揮著極為關鍵的作用［30］。 利用黃河源區1980—2020 年土地利用類型數據計算了源區洪水調蓄功能，結果表明黃河源區洪水調蓄量為60.88 億～77.27 億m3，增長率為3.93 億m3／10 a。 時間尺度上源區洪水調蓄量呈現先降低后升高的趨勢，其中2000 年調蓄量最小，2000 年之后黃河源區水電站（調蓄庫容8.4 億m3）的建成蓄水與沼澤濕地的恢復導致源區洪水調蓄能力大幅提高（13.20%）。 沼澤濕地對黃河源區洪水調蓄量的貢獻最大（72. 60%）， 其次為湖泊（15. 88%） 和水庫（11.52%）。 從空間分布來看，源區東南部若爾蓋濕地對洪水的調蓄作用最大，其次為瑪多縣以上的源頭區。

5 結束語

對黃河源區的水資源、水環境、水生態和生態系統格局以及生態系統服務功能演變特征等開展了系統而全面的研究，主要得出以下結論：

1）1980—2020 年黃河源區綜合土地利用動態變化幅度較小，草地、林地、湖泊、沼澤濕地、耕地和建設用地面積均呈增加趨勢，未利用地面積呈減少趨勢，草地和未利用地之間的轉化最為劇烈，黃河源區生態環境狀況呈現整體好轉和局部退化的狀態，景觀生態格局總體表現為異質性增強，破碎化程度提高，連通度下降。

2）黃河源區1956—2020 年唐乃亥站年均徑流量呈現不顯著波動增加趨勢，遞增速率為0.84 億m3／10 a。從年際變化來看，源區徑流突變年份為1990 年左右，1990 年之前為徑流的上升階段，之后為下降階段，在徑流年內變化上，9 月份其下降最為顯著；在整個65 a的研究尺度上，徑流存在較大尺度的豐枯交替變化，即枯（1956—1965 年）—長豐（1966—1989 年）—長枯（1990—2005 年）—偏豐（2006—2020 年）。

3）黃河源區水質整體呈良好狀況，近10 a 水質類別基本在Ⅱ類及以上；源區底棲動物以節肢動物為主，優勢物種以敏感種鉤蝦科的Gammarus屬為主，多樣性總體表現為α多樣性低、β多樣性高的特征。

4）黃河源區河流演變豐富了底棲動物棲息地類型，尤其發育后期的牛軛湖，大幅度提高了源區底棲動物的豐度、密度和生物量。 黃河源區河流生態系統處于長期變化的動態平衡狀態。

5）1980—2020 年黃河源區生態系統服務功能整體向好，其水源涵養功能、碳儲功能、生境質量和洪水調蓄功能均在穩步提升。

黃河源區生態環境脆弱，20 世紀八九十年代，全球氣候變暖與人類活動區域的日益擴大導致了黃河源區生態環境受到一定破壞，土地利用類型極端轉化。在國家實施一系列重大生態保護措施后，黃河源區生態退化的趨勢得到有效遏制，源區生態狀況呈現穩定向好趨勢。 氣候變化和人類活動是影響黃河源區生態環境變化的主要因素。 從本質上來講，人類活動影響只是改變了區域下墊面條件，而氣候條件變化不受人為干預，故氣候變化導致的冰川退化、凍土消融等生態環境問題將長期存在。 目前只能通過調控人類活動，如通過保護和修復措施來改善黃河源區下墊面條件，從而提升源區生態環境質量與生態系統服務功能。 針對黃河源區現狀問題，提出以下建議與意見。

1）全面評估氣候變化和人類活動對黃河源區生態環境系統的定量影響。 目前來看，人類活動影響黃河源區生態環境的趨勢向好，如何應對氣候條件變化引起的生態環境問題應是未來研究的重點問題。 因此，亟須開展未來不同情景下黃河源區生態環境演變趨勢研究，構建相應的預測模型，評估未來黃河源區生態環境演變趨勢與演變特征，為提升源區生態環境質量提供理論支撐。

2）系統謀劃黃河源區重大生態保護與恢復工程。根據黃河源區生態用地類型和保護目標實際情況，以重要的生態功能區保障為重點，以增強生態系統服務功能為目標，科學規范生態建設與生態恢復，統籌謀劃區域重大生態保護與恢復工程，構建科學合理的生態安全格局。

3）開展黃河源區徑流變化中長期預測研究。 黃河源區是黃河流域重要的產水區。 源區徑流變化不僅影響黃河流域水資源安全，而且影響黃河源區水源涵養、洪水調蓄等諸多生態系統服務功能，從而影響黃河源區乃至整個流域的生態安全。 因此，需要開展源區徑流變化預測研究，進一步明確黃河源區徑流變化對黃河流域水資源和生態安全的影響。

4）提升黃河源區生態系統服務功能。 黃河源區的功能定位是重點生態功能區，其生態系統服務功能是源區主體功能之一。 因此，亟須通過工程和非工程措施提升源區生態系統服務功能，保障重點生態功能區的主體功能穩定，提升源區生態系統對人類福祉的貢獻。