京津风沙源治理工程区水源涵养功能时空变化分析

张 彪,王 爽,李庆旭,谢高地

1 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101 2 中国科学院大学,北京 100049 3 中国生态文明研究与促进会,北京 100035

土地是人类赖以生存的物质基础和自然资源。由于人口数量持续增长和土地资源不合理利用,我国土地退化态势较严重[1],截至2014年仍有荒漠化土地261.16万km2,沙化土地172.12万km2[2]。为遏制土地退化趋势,我国相继实施了一系列重大生态保护工程[3],并取得了显著的生态建设成效。但生态系统演化与恢复是一个漫长过程,开展生态系统状况评估与生态恢复成效监测尤为重要[4]。由于我国重大生态工程区涉及到广大的干旱、半干旱地区,而水分状况是植被生长与生态修复的关键,因此清晰揭示生态工程区水分状况的动态变化可为生态保护与修复工程的规划布局提供重要参考。水源涵养是陆地生态系统的重要服务功能之一,对区域水文状况改善、水分循环调节以及饮用水源保护等具有重要意义[5],但易受生态系统类型、土壤理化性质、地形地貌特征以及降水、蒸散和径流等因素影响[6],因此准确评价水源涵养功能是当前研究的难点与热点。张彪等[7]总结森林水源涵养功能的评估方法有土壤蓄水能力法、区域水量平衡法、年径流量法、多因子回归法等,王晓学等[8]进一步明确了这些方法的基本假设和适用尺度,司今等[9]则分析探讨了水源涵养功能计算方法的区域适用性。近年来,SWAT[10]、SCS-CN[11]、InVEST[12]、DTVGM[13]以及元胞自动机[14]等模型也被应用于水源涵养功能评价中。但是,水源涵养是一定时空范围内生态系统截留与保持水分的过程和能力[5],是多个生态水文要素与过程综合作用的结果,不同地区水源涵养的功能潜力及其影响因子可能不同,但是区域生态修复与保护工程规划布局的关键依据,为此需要清晰揭示区域降水的整体分配与利用情况。水量平衡方程是将区域生态系统视为一个黑箱,把大气降水作为输入水量,蒸散量和径流量作为输出水量,水量输入和输出的差值即为水源涵养量,可充分反映区域降水的整体分配情况[15- 16],而且使用频率较高[6,11,17- 18]。

京津风沙源治理工程是为遏制北京及周边地区土地沙化趋势、改善京津地区大气环境而实施的一项重大生态工程,其植被覆盖状况与生态系统功能受到重点关注。比如李庆旭等[19]测算发现,2000—2015年京津风沙源区的植被覆盖度以0.4%/年的速率增加；张彪等[20]采用修正风蚀方程估算发现,风沙源区的防风固沙功能也以年均0.71%的速率波动增加；吴丹等[21]从生态系统结构、质量和服务功能的角度评估认为,2000—2010年京津风沙源治理工程的生态效应显著。但是京津风沙源治理工程集中分布在我国的干旱、半干旱地区,区域蒸散发与干旱化风险均较大[22],区域水资源与土壤水分状况对工程区的植被及功能有重要影响[23]。现有研究侧重工程区植被状况与防风固沙效益评估,对其水源涵养功能的变化规律及其空间差异研究较少。随着京津风沙源治理工程的持续推进,分区施策与精准修复已成为生态治理的重要任务,因此亟需分析揭示工程区水源涵养功能的时空变化差异。

为此,该文基于京津风沙源治理工程区的长序列遥感影像数据,采用区域水量平衡方程与GIS空间分析技术,评估分析2000—2015年工程区水源涵养功能的时空变化特征,分析揭示区域水源涵养功能差异及其影响因子,为京津风沙源治理工程的成效监测与分区施策提供参考依据。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究区概况

京津风沙源治理工程区(109°30′—114°20′E, 38°50′—46°40′N)主要位于我国北方的干旱、半干旱地区,西起内蒙古达尔罕茂明安联合旗,东至河北省平泉县,南起山西省代县,北至内蒙古东乌珠穆沁旗。一期工程区面积45.8万km2,涵盖北京、天津、锡林郭勒、承德、张家口等11个地市的75个县(旗、市、区)。

工程区地貌以平原、山地和高原为主(图1)。其中,京津市区为海河平原的一部分,其西部与北部被太行山北端和燕山西部环绕,山地外侧为内蒙古高原；东部浑善达克沙地是锡林郭勒高原的重要组成部分,沙化土地广布；西部乌兰察布高原由阴山北麓的丘陵、地势平缓的凹陷地带及横贯东西的石质丘陵隆起带组成,境内多季节性河流；燕山山地和太行山地形起伏较大,易造成水土流失。

工程区多年平均气温为7.5℃,平均降水量为459.5mm,且集中在6—9月,年蒸发量平均为2110mm。工程区主要内流河有安固里河、大清沟,外流河有永定河、滦河、潮白河和辽河,水资源总量约为229.16亿m3,其中地表水132.93亿m3,地下水资源量132.77亿m3。

工程区土壤种类繁多,内蒙古高原地带性土壤以黑钙土、栗钙土、棕钙土为主,燕山山地以石灰土、石质土为主。工程区植被类型复杂,内蒙古高原天然植被以冷蒿、大针茅、克氏针茅和短花针茅等为主,人工植被以阔叶乔木和旱生灌木为主；燕山山地及太行山北部山地天然植被多为次生杨桦林及荆条、胡枝子、山杏等针叶灌丛,人工植被以油松为主,高海拔地带以落叶松为主[24]。

由于京津风沙源治理工程区面积广阔,地貌差异大,涉及不同的生物气候带和土壤类型区,且地表植被状况存在明显差异,参照石莎等[25]划分方法,将工程区分为荒漠草原亚区、典型草原亚区、浑善达克沙地亚区、大兴安岭南部亚区、科尔沁沙地亚区、农牧交错带草原亚区、晋北山地丘陵亚区和燕山丘陵山地水源保护亚区等进行比较分析(图1)。

图1 京津风沙源治理工程区海拔及分区组成Fig.1 Altitudes and subzones in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

1.2 研究方法

本文采用区域水量平衡方程评估工程区的水源涵养量与涵养能力。首先,利用工程区内气象站降雨数据插值得到每年的评估期降雨量(P),基于不同年份土地覆被数据与地表径流系数(r)估算地表径流量(R)；然后利用Thorntnwaite Menorial 模型[26- 28]以及插值到的评估期温度(T)估算相应的最大蒸散量(L),并引入土地覆被蒸散发调整系数(ei)估算蒸散发量(ET)；水源涵养能力(WCA)为一定时间内评估单元的降雨量(P)与地表径流量(R)及蒸散发(ET)的差值,水源涵养量(WCQ)为某区域水源涵养能力(WCA)与土地覆被面积的乘积。计算公式为：

(1)

L=300+25×T+0.05×T3

(2)

(3)

WCA=P-R-ET

(4)

(5)

式中,P为评估期降雨量(mm),R为地表径流量(mm),ri为不同土地覆被类型的地表径流系数(表1)；L为评估期最大蒸散量(mm),T为评估期平均气温(℃),ET为蒸散发估算量(mm),ei为不同土地覆被类型的蒸散发调整系数(表1)；WCA为水源涵养能力(mm),WCQ为区域水源涵养量(m3),A为土地覆被面积(hm2),i为土地覆被类型。考虑到工程区80%降雨集中在6—9月份[34],本文将评估期设定为每年的6—9月,并估算相应年份的降雨量、蒸散量和径流量。

表1 京津风沙源治理工程区径流系数与蒸散发调整系数

1.3 数据来源

本文中2000—2015年京津风沙源治理工程区的地表覆被类型及其面积均来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)的土地利用数据(30m×30m栅格),包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、沙地、城镇等7类；气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)的位于工程区内的81个气象站,并采用6—9月降水数据插值成栅格数据。为保证不同数据精度的一致性,以上数据均重采样为100m×100m的栅格单元参与计算。

2 结果与分析

2.1 年际变化

结果表明,2000—2015年京津风沙源治理工程区的降雨量波动在224—383mm之间,其中2007年和2012年分别达到最小值和最大值,多年平均的评估期降雨量为289mm,且总体呈现小幅增加趋势(图2),对区域水源涵养功能的发挥与利用有一定积极意义。2000—2015年工程区蒸散量与降雨量变化趋势基本一致,评估期蒸散量变动在243—355mm之间,多年平均值为295mm,且受区域气温上升的影响[35],评估期蒸散量整体有所增大,加剧了区域干旱化趋势[36]。此外,2000—2015年京津风沙源治理工程区地表径流量介于36—62mm之间,且受降雨量与地表覆被变化的影响,径流量波动变化显著,多年平均值为46mm(图2)。

2000—2015年间京津风沙源治理工程区可涵养水源3.61亿—35.39亿m3,并分别于2007年和2012年达到最低值和最高值,多年平均的水源涵养量为16.79亿m3,约占工程区水资源总量的7.33%、地表水资源量的12.63%,对工程区植被生长需求与生态恢复有一定积极作用；2000—2015年工程区水源涵养能力变动在0.74 —7.23mm,多年平均的涵养水源能力为3.66mm,不足平均年降雨量(459.5mm)的1.14%,说明大气降水的有效利用水平较低。此外,2000—2015年京津风沙源治理工程区的水源涵养量与涵养能力均呈现整体增加趋势(图3),原因在于工程区生态状况的改善提升了区域水源涵养功能,但相比之下,水源涵养量的变化幅度高于涵养能力,这是因为水源涵养量受涵养能力与地表覆被的共同影响。

图2 京津风沙源治理工程区降雨量、蒸散量和地表径流量变化Fig.2 Changes of rainfall, evapotranspiration and runoff in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

图3 京津风沙源治理工程区水源涵养功能变化 Fig.3 Changes of water conservation service in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.2 空间格局

基于京津风沙源治理工程区水源涵养能力空间差异发现,工程区东部水源涵养能力普遍高于西部,且高涵养能力的区域明显增加(表2),说明工程区水源涵养功能整体改善。水源涵养能力高值区主要为东乌穆沁旗的东北部以及宽城、蓟县、平谷、承德和兴隆县等南部地区,其面积约占工程区的7.52%；水源涵养能力较高区的面积较大,约占24.93%,集中分布在太仆寺旗、阿鲁科尔沁旗、西乌珠穆沁旗以及多伦、张北县等区域；涵养水源能力一般的地区面积最大,占到工程区的38.03%,且集中分布在西北部；另外有11.17%的水源涵养能力较低区,主要分布在治理工程区的西部以及西南部地区；而水源涵养能力低值区约有18.35%,且集中分布于达尔罕茂明安联合旗、四王子旗、苏尼特左旗和苏尼特右旗等西部地区(图4)。

表2 京津风沙源治理工程区2000—2015年水源涵养能力变化统计

图4 京津风沙源治理工程区多年平均涵养水源能力空间分布Fig.4 Averaged water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

相比2000年,2015年京津风沙源治理工程区有41.65%的地区涵养水源能力增加(表2),其中22.01%的地区显著增加,主要分布在东乌珠穆沁旗的东北部以及赤峰市、隆化县、滦平县以及北京市密云区等；19.64%的地区水源涵养能力小幅度增加,主要为锡林浩特市、克什克腾旗、西乌珠穆沁旗、巴林左旗等。工程区中西部地区水源涵养能力变化不明显,其面积占到39%。此外,苏尼特左旗、苏尼特右旗、四王子旗和达尔罕茂明安联合旗等西部地区的水源涵养能力小幅下降,其面积约占15.23%。另有4.11%的区域水源涵养能力显著下降,主要分布在四子王旗南部、苏尼特左旗北部、朔州市、多伦县以及张北县等地区(图5)。可见,2000—2015年京津风沙源治理工程区东部和北部的水源涵养能力增加明显,而西部与中部的部分地区下降。

图5 京津风沙源治理工程区水源涵养能力变化空间分布Fig.5 Changed areas of water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.3 分区差异

图6 京津风沙源不同治理分区多年平均的水源涵养功能差异Fig.6 Differences of water conservation service in eight subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

京津风沙源治理工程区地域广阔,不同治理亚区的工程措施有所差异,其水源涵养量与涵养能力均存在明显差异(图6)。其中,典型草原亚区的水源涵养量最大,多年平均涵养水源4.50亿m3,约占工程区水源涵养量的25.15%,水源涵养能力达到4.30mm；其次为燕山丘陵山地水源亚区,年均提供21.24%的水源涵养量,其水源涵养能力为4.83mm；科尔沁沙地亚区、大兴安岭南部亚区和农牧交错带草原亚区的水源涵养量介于1.5—2.0亿m3,可供给工程区水源涵养量的8%—10%；相比较而言,晋北山地丘陵亚区的水源涵养量较低,而荒漠草原亚区年均涵养水源量为0.70亿m3,仅为工程区水源涵养量的3.89%,其水源涵养能力也不及1mm。

图7 京津风沙源治理工程区不同亚区水源涵养能力变化趋势Fig.7 Changes of the water conservation services in subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

从不同治理分区水源涵养变化来看(图7),2000—2015年科尔沁沙地亚区的水源涵养能力上升趋势显著；典型草原亚区、大兴安岭南部亚区、燕山丘陵山地水源保护亚区和浑善达克沙地亚区的水源涵养能力均波动增加,不过2007年燕山丘陵山地水源保护亚区和晋北山地丘陵亚区的水源涵养能力出现负值,浑善达克沙地亚区水源涵养能力的增幅较小；虽然2000—2015年农牧交错带草原亚区的水源涵养能力均为正值,但多在平均值附近波动(3.40mm),其变化趋势相对稳定；荒漠草原亚区的水源涵养能力明显较低,且与年份变化负相关,2000—2015年其水源涵养能力多次出现负值,水源涵养功能下降趋势明显。

2.4 影响因子

区域水源涵养功能易受自然因素和人类活动的综合影响。为识别气象、地形以及植被格局等因素对水源涵养功能的影响,本文选取年均温、降雨量、海拔、坡度、植被覆盖度以及斑块聚集度指数(CI)等指标,分别与水源涵养能力进行敏感性或相关性分析。结果表明,京津风沙源治理工程区的水源涵养能力主要受降雨和气温的影响,且降雨量变化对涵养能力影响远大于气温变化的影响(表3)。如果工程区降雨量减少10%,其水源涵养能力将下降49%,而如果气温降低10%,水源涵养能力则增大2.47%。此外,工程区水源涵养能力与地形、植被等因子存在一定程度的相关性(图8)。其中,区域涵养水源能力与植被覆盖度的正相关性最高(0.45),说明区域植被质量状况越好越有利于截留涵蓄雨水。随着地形坡度的增加,其水源涵养能力表现出一定程度的增加趋势(0.28),这可能与坡面汇流过程增加有关；但随着海拔高度的增加,区域水源涵养能力有所下降(-0.21),主要是高海拔处的降雨与气温均有所降低所致。虽然景观斑块聚集度指数(CI)与涵养水源能力有一定关系,但相关趋势并不显著。整体来看,京津风沙源治理工程区的水源涵养能力与温度、降雨以及植被覆盖度的关系密切。

表3 京津风沙源治理工程区气候参数变化对水源涵养能力的敏感性

图8 京津风沙源治理工程区水源涵养能力与影响因子的相关性Fig.8 Relations of water conservation capacities and influence factors in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

为分析不同影响因子对各亚区水源涵养能力的制约程度,利用SPSS软件统计水源涵养能力与气候(降雨、气温)、地形(海拔、坡度)和植被(覆盖度、聚集度指数)的复相关系数(表4)。结果发现,燕山丘陵山地水源保护亚区的气候、地形因素对其水源涵养能力的影响程度较大,相比之下,晋北山地丘陵亚区的水源涵养能力主要取决于降雨、气温等气候因素,降雨量下降成为该地区水源涵养能力的限制性因子；典型草原亚区和农牧交错带草原亚区的涵养水源能力主要与气候、植被有关,但农牧交错带水源涵养能力较低的原因在于降雨量较低以及地表植被变化；大兴安岭南部亚区较高的水源涵养能力主要受益于植被和地形因素；科尔沁沙地亚区与浑善达克沙地亚区的水源涵养能力主要与植被状况有关,2000—2015年植被覆被状况改善明显提升了区域水源涵养能力；而荒漠草原亚区涵养水源能力主要受气候与植被因素制约,在植被稀疏、降水稀少的自然背景下,区域气温升高进一步加大蒸散发量而降低水源涵养能力。

表4 京津风沙源治理工程区不同因子对水源涵养能力的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

京津风沙源治理工程区主要位于我国北方干旱半干旱地区,水资源供需矛盾突出[37],尤其是随着二期工程的实施推进,统筹兼顾水资源差异的分区施策已成为区域生态治理修复的重点。该文基于水量平衡方程和GIS空间分析技术,评估分析了2000—2015年京津风沙源治理工程区的水源涵养功能动态变化,发现工程区水源涵养功能有所提升,这可能与2000—2014年京津风沙源区NDVI显著增加有关[38]。本研究测算工程区内水源涵养能力多年均值为3.66mm,稍低于张雪峰等[39]应用InVEST模型测算的锡林河流域草地的涵养水源能力(4.11mm),主要原因在于该文估算了区域植被的实际蒸散量而不是潜在蒸散量(表5)。单楠等[41]分析发现,京津风沙源区年尺度潜在蒸散对最高气温敏感,且空间上对气温的敏感性从东北向西南减少。该研究证实,典型草原亚区、晋北山地丘陵亚区和荒漠草原亚区的水源涵养能力受气温影响较大,可能是区域气温升高带来蒸散发量的增加。孙斌等[35]证实,1981—2010年京津风沙源区气温显著上升,区域气候的暖干化可能加剧风沙源区草地的退化[42],从而引起地表水热条件的改变和地表径流的增加[43]。

表5 本文研究方法与结果的不确定性分析

生态水文过程是大气降水、蒸散发、土壤入渗、地表径流、地下水运动、积雪融雪等过程综合作用的结果,目前有关降水、地貌、土壤等自然环境因子以及植被组成结构对水文过程的影响研究尚不完善[44]。本文重点关注研究区土地覆被及气候、地形因素对水文过程的影响,尤其是区域降水输入以及植被蒸发散和地表径流的输出,未考虑沙地土壤入渗、地下水补给以及地下径流与地表径流的互相影响[45],因此水源涵养量的估算可能存在一定误差。此外,水源涵养计量方法与研究尺度及研究目的有较大相关性[8],虽然SWAT、InVEST、DTVGM等模型可模拟不同尺度生态系统水文调节分量[5],但该研究从区域水量平衡的角度更有利于水源涵养功能的时空差异对比分析,但地形地貌、土壤类型、植被条件等区域水文要素的空间异质性,以及降水、蒸发散、径流等水文通量的时空异质性降低了尺度外推的准确性[45],如何将不同尺度的研究成果进行整合外推,以及研发优化适用于草原区水源涵养功能评估模型还需要深入的探索和研究。

为此,建议将京津风沙源治理工程区依据水源涵养能力、提升潜力以及关键生态功能划分为重点提升区、优化维护区与综合保障区,并施以不同的生态恢复管控措施。其中,重点提升区以荒漠草原亚区为主,此地区水源涵养能力较低,地势平坦且以荒地沙地为主,土壤下渗快,应重点施加人工生态修复与保墒措施,减缓土壤水分下渗,降低区域蒸散发；优化维护区以水源涵养能力较高且生态恢复较好区域为主,包括科尔沁沙地亚区、浑善达克沙地亚区、农牧交错带草原亚区和晋北丘陵山地亚区,应逐步减少生态工程与人工干扰措施,增强生态系统的自然演替；而综合优化区为雨水资源较丰富、高水源能力的区域,包括燕山丘陵山地水源保护区、典型草原亚区和大兴安岭山地保护亚区,提供着水源涵养、水土保持、防风固沙等生态屏障功能,应综合调控局地气候-植被-土壤系统,保护丰富多样的自然生境。

3.2 结论

该研究表明,2000—2015年京津风沙源治理工程区的水源涵养量与涵养能力增大,多年平均值分别为16.79亿m3和3.66mm,在一定程度上保障着区域水分供给,但涵养大气降水的能力仍有较大提升空间。工程区水源涵养能力由西向东递增的空间格局趋势明显,近32.45%的地区涵养水源能力高于5mm；相比2000年,2015年有41.65%的地区水源涵养能力增加,19.34%的地区涵养水源能力下降,需要加以重点关注。此外,燕山丘陵山地水源保护亚区和典型草原亚区是工程区水源涵养功能的主要供给地,荒漠草原亚区水源涵养能力下降明显。整体来看,京津风沙源治理工程区的水源涵养功能主要受制于温度、降雨量以及植被覆盖度等因素,浑善达克沙地与科尔沁沙地水源涵养能力的提升在于植被覆盖状况的改善,而荒漠草原亚区的涵养能力明显受到气候与植被的影响,因此不同治理分区需注重水源涵养能力、提升潜力以及关键生态功能的不同而施以不同的生态恢复与管控措施。