中國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)時(shí)空變化

吳 丹,邵全琴,劉紀(jì)遠(yuǎn),曹 巍

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所,南京 210042; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

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中國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)時(shí)空變化

吳 丹1,邵全琴2,劉紀(jì)遠(yuǎn)2,曹 巍2

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所,南京 210042; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為國際上生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)，水源涵養(yǎng)是草地生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)之一，是植被、水與土壤相互作用所產(chǎn)生的綜合功能的體現(xiàn)。基于降水貯存量法，利用草地植被覆蓋度確定水分調(diào)節(jié)參數(shù)，估算了中國不同區(qū)域、不同時(shí)段下草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量。通過前后兩個(gè)10年(20世紀(jì)80年代末—2000年、2000—2010年)年平均水源涵養(yǎng)量的對(duì)比分析，評(píng)估中國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能時(shí)空變化。結(jié)果表明，前后兩個(gè)10年相比較，我國草地生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量增加了22.15億m3/a，水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率上升了4.80%，草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能有所提升。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 水源涵養(yǎng); 降水貯存量法; 草地生態(tài)系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)今國際生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前言和熱點(diǎn)[1-6]。水源涵養(yǎng)服務(wù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)之一，是植被、水與土壤相互作用后所產(chǎn)生的綜合功能的體現(xiàn)，主要功能表現(xiàn)在增加可利用水資源、減少土壤侵蝕、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)4個(gè)方面[7-8]。

草地是我國面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型，主要分布在年降雨量400 mm以下的干旱、半干旱地區(qū)，南方和東部濕潤半濕潤地區(qū)的山地，以及東部和南部海岸帶。在草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)研究方面，謝高地等[9]參照Costanza等提出的方法，在對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)格根據(jù)其生物量修正的基礎(chǔ)上，估計(jì)了我國各類草地生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值。王根緒等[10]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原高寒草甸草地植被覆蓋度與土壤水分之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系。劉軍會(huì)等[11]采用降水貯存量法對(duì)我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了估算。鄭淑華等[12]根據(jù)草地地上生物量和草地徑流系數(shù)的關(guān)系，通過降水量與徑流系數(shù)的乘積估算了北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源量。近年來，越來越多的研究關(guān)注土地利用/土地覆被變化對(duì)水文參數(shù)的影響[13-17]。本文以與極度退化狀態(tài)下的殘留植被相比較，草地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量作為評(píng)估方法，通過估算近20 a(20世紀(jì)80年代末—2010年)國家、區(qū)域尺度草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量，開展前10年和后10年水源涵養(yǎng)服務(wù)功能變化狀況的比較，分析中國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的時(shí)空變化，有助于提升對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)機(jī)理與調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為準(zhǔn)確評(píng)估草地生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能和水源涵養(yǎng)服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.1研究方法

本文以降水貯存量法估算我國草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量，該方法以生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)效應(yīng)來衡量其涵養(yǎng)水分的能力[18]，用公式可表示為：

Q=A·J·R

(1)

J=J0·K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中：Q為與裸地相比較，草地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量；A為草地生態(tài)系統(tǒng)面積；J為研究區(qū)產(chǎn)流降水量；J0為研究區(qū)降水量；K為產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；R為與裸地相比較，草地生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；R0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產(chǎn)流降雨條件下草地生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

本文認(rèn)為，在一定的氣候條件下，自然植被在極度退化狀態(tài)下也會(huì)保留一定的覆蓋度，不會(huì)完全退化至純裸地，因此上式中裸地降雨徑流率用極度退化下殘留植被的降雨徑流率代替。

為消除年際間降水波動(dòng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，本文定義了草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率，其結(jié)果集中體現(xiàn)了草地生態(tài)系統(tǒng)由于自身變化導(dǎo)致的服務(wù)功能的變化。

草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率計(jì)算公式可以表達(dá)為：

(4)

式中：WPik為第i年第k個(gè)柵格的草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率；Wik為第i年第k個(gè)柵格的草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量；WGik為第i年第k個(gè)柵格草地植被覆蓋度為100%(假設(shè)量)的水源涵養(yǎng)量。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源全國1 km柵格百分比土地覆被數(shù)據(jù)集(1980s、2000年、2010年)由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供。氣象站點(diǎn)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。中國逐日格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)集(1990—2010年)由國家氣象信息中心提供[19]。1990—2000年NOAA/AVHRR 1 km 16 d最大合成NDVI及2000—2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供。

1.2.2參數(shù)獲取

(1)年降水量。本文首先通過中國地區(qū)756個(gè)氣象站點(diǎn)的月降水資料，采用基于薄片樣條理論的ANUSPLIN方法[20-21]進(jìn)行空間插值，生成了1990—2010年全國1 km逐月降水?dāng)?shù)據(jù)集。該方法在空間插值過程中考慮了地形因子的影響，能夠表達(dá)一定的空間異質(zhì)性；但由于未考慮周邊國際氣象臺(tái)站的數(shù)據(jù)，邊界處插值結(jié)果偏低(附圖10)。本文將ANUSPLIN插值結(jié)果與國家氣象信息中心提供的0.25°×0.25°日值降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合，以每個(gè)格點(diǎn)降水量糾正控制ANUSPLIN插值結(jié)果的總量，同時(shí)保留ANUSPLIN插值數(shù)據(jù)中的空間差異，生成了1990—2010年全國1 km逐月降水?dāng)?shù)據(jù)集。

(2)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例(K值)。產(chǎn)流降雨量是指發(fā)生產(chǎn)流的降雨量總和。自然降雨中的小降雨次數(shù)頻繁，而這些小降雨事件多半不產(chǎn)生徑流，在計(jì)算產(chǎn)流降雨量時(shí)如果將不產(chǎn)生地表徑流的降雨剔除掉，不但會(huì)大大減少工作量，而且會(huì)提高計(jì)算精度。

通過搜集已公開發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)降雨產(chǎn)流臨界值[22-30]，根據(jù)點(diǎn)位信息，以臨近國家氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)日降水?dāng)?shù)據(jù)修正同時(shí)期熱帶降雨測(cè)量衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)提供的逐日3 h降水量數(shù)據(jù)，累積單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值，得到單點(diǎn)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例(K值)。本文掃描并數(shù)字化了多年均河川徑流系數(shù)等值線，并進(jìn)行了空間插值，將上述K值與該點(diǎn)徑流系數(shù)建立線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8以上(圖1)。通過該線性關(guān)系，基于徑流系數(shù)圖即可得到產(chǎn)流降雨量占降雨總量比例的空間分布(附圖11)。

(3)降雨徑流率。草地生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率Rg通過草地植被覆蓋度fc計(jì)算得到[31]：

Rg=-0.3187fc+0.36403

(5)

青藏高原區(qū)的高寒草甸是發(fā)育在高原和高山上的一種非地帶性草地類型。其土壤表層有厚約3—10 cm的草皮，根系交織似氈，軟韌而具彈性，具有良好的涵養(yǎng)水源能力。不同植被覆蓋度下高寒草甸的降水產(chǎn)流特征采用李元壽等[32]在長江和黃河源區(qū)的研究結(jié)果。

圖1　徑流系數(shù)與K值關(guān)系

(4)植被覆蓋度。植被覆蓋度通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)估算：

(6)

式中：NDVI為各像元的NDVI值；NDVImax，NDVImin分別表示區(qū)域內(nèi)最大和最小的NDVI值。

本文利用1990—2000年NOAA/AVHRR 1 km 16 d最大合成NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以及2000—2010年MODIS 1 km 16 d最大合成NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算植被覆蓋度。由于NOAA/AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)由不同的衛(wèi)星傳感器觀測(cè)得到，它們的輻照強(qiáng)度具有一定差異。為了保證AVHRR NDVI和MODIS NDVI數(shù)據(jù)具有一致可比性，本文以2000年一一對(duì)應(yīng)的24期柵格值通過線性回歸的方法進(jìn)行擬合，建立一元線性關(guān)系，對(duì)AVHRR NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，得到1990—2010年長時(shí)間序列植被覆蓋度數(shù)據(jù)集。

不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)由于所處氣候條件、水熱環(huán)境等方面的差異，在極度退化狀況下的植被覆蓋度也是有差異的。本文以中國科學(xué)院中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)提供的生態(tài)分區(qū)作為基礎(chǔ)分區(qū)數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)各生態(tài)分區(qū)中1990—2010年每16 d的最低植被覆蓋度(直方統(tǒng)計(jì)圖低值端5%處的值)取平均，得到極度退化狀態(tài)下的殘留植被覆蓋度，用于計(jì)算殘留植被的降雨徑流率。

2　結(jié)果與分析

2.1草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量時(shí)空變化

20世紀(jì)80年代末—2000年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量為1 161.66億m3/a；2000—2010年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量為1 183.81億m3/a，增加了22.15億m3/a。

前后兩個(gè)10年相比較，西北區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量明顯上升，物質(zhì)量增加了39.18億m3/a，變化率為14.43%；西南區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量基本持衡，物質(zhì)量增加了0.57億m3/a，變化率為0.10%；華中區(qū)、華北區(qū)和華南區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量輕微下降，物質(zhì)量分別減少了1.10，2.45，3.10億m3/a，變化率分別為-2.90%，-3.08%，-4.71%；華東區(qū)和東北區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量較明顯下降，物質(zhì)量分別減少了8.85，2.10億m3/a，變化率分別為-7.80%和-9.01%(表1，附圖12—13)。

表1　中國分區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量變化

注：變化程度依據(jù)變化率劃分為：明顯下降(<-10%)、較明顯下降(-5%～-10%)、輕微下降(-1%～-5%)、基本持衡(-1%～1%)、輕微上升(1%～5%)、較明顯上升(5%～10%)、明顯上升(>10%)，下表同。

2.2水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率時(shí)空變化

20世紀(jì)80年代末—2000年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率為0.28；2000—2010年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率為0.30，增加了4.80%。前后兩個(gè)10年相比較，我國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率以提升為主，華北區(qū)表現(xiàn)為明顯上升，東北區(qū)和西北區(qū)表現(xiàn)為較明顯上升，其他區(qū)域則表現(xiàn)為輕微上升；主要原因是各區(qū)草地植被覆蓋度后10年較前10年均有所增加(表2，圖2)。

從空間分布上看(附圖14—15)，內(nèi)蒙呼倫貝爾市西部和錫林郭勒盟西南部、四川盆地周邊、云南、貴州等地草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能有所下降；青藏高原區(qū)和黃土高原區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能提升明顯，其中黃土區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率升幅達(dá)12.09%，體現(xiàn)了退耕還草工程的實(shí)施在黃土高原地區(qū)取得了明顯的生態(tài)成效。

表2　中國分區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率變化

圖2　前后兩個(gè)10年草地植被覆蓋度

3　結(jié)論與討論

目前，采用降水貯存量法評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的研究較少，有些研究通過該方法估算森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)而估算其服務(wù)價(jià)值，但是文中沒有給出具體水源涵養(yǎng)量的數(shù)值[11,33-34]。本文通過改進(jìn)降水貯存量法的各項(xiàng)參數(shù)，估算了20世紀(jì)80年代末以來我國草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量。結(jié)果表明，2000—2010年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)年平均水源涵養(yǎng)量比前10年增加了22.15億m3/a。草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率以提升為主，主要是由于各區(qū)草地植被覆蓋度后10年較前10年均有所增加。水源涵養(yǎng)服務(wù)功能保有率消除了年際間降水波動(dòng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，其結(jié)果集中體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)由于自身變化導(dǎo)致的服務(wù)功能的變化。

生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的發(fā)揮與氣候、土壤、植被、地形地貌等因素密切相關(guān)，是一個(gè)極其復(fù)雜的綜合調(diào)控過程。生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)我國草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的恢復(fù)與提升發(fā)揮了積極作用,這種作用在黃土區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)恢復(fù)建設(shè)，保護(hù)重要河流上游和重要水源補(bǔ)給區(qū)植被，不斷恢復(fù)并擴(kuò)大草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)空間，充分發(fā)揮和提升自然生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)效益。

氣候變化和人類活動(dòng)是影響草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的兩大驅(qū)動(dòng)因素，如何量化區(qū)分兩者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的相對(duì)貢獻(xiàn)，對(duì)未來氣候變化、不同土地利用方式、強(qiáng)度下的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)進(jìn)行模擬，從而有效指導(dǎo)合理的人類活動(dòng)，有待進(jìn)一步深入研究。

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Spatiotemporal Dynamics of Water Regulation Service of Grassland Ecosystem in China

WU Dan1,SHAO Quanqin2,LIU Jiyuan2,CAO Wei2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,MEP,Nanjing 210042,China; 2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China)

Assessment of ecosystem service has become an international hot point of ecology and economics.Water regulation is one of the important services of grassland ecosystem.It is the comprehensive performance of interactions among vegetation,water and soil.We used the rainfall storage capacity method to calculate the water regulation amount of grassland ecosystem in different regions and periods in China based on the grassland vegetation coverage,and evaluated the spatiotemporal dynamics of water regulation service for grassland ecosystem.The following conclusions were obtained.Compared with the first ten years (1980s—2000),the annual mean water regulation amount of grassland ecosystem in China increased by 2.215 billion m3per year during the period from 2000 to 2010.At the same time,the water regulation service ratio of grassland ecosystem increased by 4.80%.The water regulation service of grassland ecosystem in China was somewhat improved.

ecosystem service; water regulation; rainfall storage capacity method; grassland ecosystem

2015-10-20

2015-10-27

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“國家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)評(píng)估技術(shù)系統(tǒng)集成研究與示范”(2013BAC03B00)

吳丹(1988—),女,江蘇常州人,助理研究員,博士,主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究。E-mail:cumtwudan@163.com

邵全琴(1962—),女,江蘇常州人,研究員,博士,主要從事生態(tài)GIS研究。E-mail:shaoqq@lreis.ac.cn

S812

A

1005-3409(2016)05-0256-05