晉北沙漠化區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空變化

侯德恒

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,太原 030012)

0 引言

水是生態(tài)系統(tǒng)所必需的關(guān)鍵因子,生態(tài)系統(tǒng)主要通過海洋蒸發(fā)、植物蒸騰、水汽輸送、降水和地表、地下徑流等水循環(huán)過程為各生命有機(jī)體提供水分。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的水資源主要來源于大氣降水,而在大氣降水和水資源之間又存在著各種耗水過程。潛在的水資源是大氣降水除去滲漏、蒸散后剩下的固態(tài)和液態(tài)水,即陸地生態(tài)系統(tǒng)所有形式產(chǎn)水的總和[1]。

產(chǎn)水服務(wù)是關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一,又叫地表產(chǎn)水量,是地表徑流與地下入滲的總和,也是流域水文模型的一個(gè)主要輸出[2]。水資源供給服務(wù)隨著產(chǎn)水量的增加而增加[3]。產(chǎn)水量的計(jì)算基于水量平衡法,即降雨量減去蒸散發(fā)和地下滲漏后所剩余的部分[4]。如中國的新安江模型,先測(cè)得水面蒸發(fā)和土壤濕度,然后將實(shí)測(cè)結(jié)果代入到蒸散發(fā)模型,即可計(jì)算出流域蒸散發(fā)[5]。再根據(jù)降雨的實(shí)測(cè)值,將其與上一步得出的蒸散發(fā)輸入到產(chǎn)流方程中,計(jì)算得出徑流;下一步將所得的徑流代入到分水源方程,計(jì)算得出地面徑流、土壤中流與地下徑流三個(gè)結(jié)果,最后將其合并計(jì)算而成為流域的產(chǎn)水量。其它模型如SWAT模型或者WEPP模型都能對(duì)徑流等進(jìn)行計(jì)算。其中由斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的InVEST模型是最為有效的評(píng)價(jià)工具之一。InVEST模型在其空間分析功能、應(yīng)用成本、開源性、評(píng)估精度等方面相比其他模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。InVEST模型是用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估的模型系統(tǒng),其中InVEST模型的產(chǎn)水服務(wù)是基于budyko方程得以實(shí)現(xiàn)的[6]。近年來,基于InVEST模型國內(nèi)外學(xué)者開展了不同區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)的研究。如部分學(xué)者在利用多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)精確校正的基礎(chǔ)上,運(yùn)用InVEST模型的產(chǎn)水量模塊對(duì)西苕溪流域產(chǎn)水量進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)[7]。此外,潘韜等[8]以InVEST模型為基礎(chǔ),對(duì)三江源區(qū)的水源供給量進(jìn)行了定量估算,并根據(jù)估算結(jié)果分析了產(chǎn)水量的時(shí)空變化特征及形成原因。

水資源短缺是晉北沙漠化區(qū)面臨的主要生態(tài)問題之一,也是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)重建的主要限制因素。隨著人口數(shù)量的不斷增長,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)區(qū)域水資源的需求越來越重要。20世紀(jì)90年代,晉北沙漠化區(qū)不合理的人類活動(dòng)改變了地表結(jié)構(gòu),如人為大面積的毀林開荒造成了嚴(yán)重的水土流失和生態(tài)的失衡,導(dǎo)致土壤保持和涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務(wù)功能遭到了危害,對(duì)產(chǎn)水服務(wù)的供給造成了負(fù)面影響[9]。而近年來,隨著生態(tài)工程建設(shè)的實(shí)施,對(duì)研究區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)的供給產(chǎn)生了一定的積極作用。產(chǎn)水服務(wù)作為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是晉北沙漠化區(qū)開展生態(tài)環(huán)境建設(shè)的限制性服務(wù)之一[10]。產(chǎn)水量是表示降水與蒸發(fā)關(guān)系的一種指標(biāo),為水資源供應(yīng)力的研究和水庫、生態(tài)建設(shè)等方面提供了依據(jù)。因此,本文應(yīng)用InVEST模型分析了1999年、2009年和2014年3個(gè)時(shí)期晉北沙漠化區(qū)產(chǎn)水服務(wù)的時(shí)空變化,為晉北沙漠化區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建設(shè)提供重要理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

晉北地區(qū)位于我國北方生態(tài)脆弱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶,是山西省土地沙化較為嚴(yán)重的地區(qū),行政區(qū)轄朔州市的右玉縣、平魯區(qū)、應(yīng)縣等,大同市的南郊區(qū)、新榮區(qū)、渾源縣、大同縣等和忻州市的偏關(guān)縣、河曲縣、保德縣、繁峙縣、代縣等,共計(jì)20個(gè)縣(區(qū)),國土總面積3.17萬km2。研究區(qū)內(nèi)黃土遍布,地勢(shì)繁雜,植被覆蓋率低,土壤裸露面積大,防風(fēng)固沙以及蓄水能力很有限,土地沙漠化較為嚴(yán)重?！耙缓怠笔菚x北沙漠化區(qū)的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn),全區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。全年年平均氣溫為3.6～8.8℃,年光照時(shí)數(shù)為2 300 ～ 2 900 h。年均降水量為360 ～ 490 mm。該地區(qū)擁有大量礦產(chǎn)、煤炭等自然資源,人類的活動(dòng)對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境干擾頻繁[11-12]。主要流域有忻州市、朔州市及大同市的朱家川河、縣河、偏關(guān)河、恢河、大沙溝、蒼頭河、黃河水、滹沱河、十里河、口泉河、渾河、淤泥河、御河和南洋河。盡管大小流域分布較為密集,但人為對(duì)自然資源不斷開發(fā)加劇了水資源的消耗,導(dǎo)致水資源短缺的現(xiàn)象進(jìn)一步突出,反過來也加劇了土壤的沙化[13-14]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所需的數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和流域分布數(shù)據(jù)等。其中土地利用數(shù)據(jù)由Landsat TM遙感影像解譯獲得;土壤數(shù)據(jù)(主要為土壤質(zhì)地和土壤深度)來源于中科院寒區(qū)及旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心;氣象數(shù)據(jù)來源于山西省氣象臺(tái),為3期(1999年、2009年和2014年)10個(gè)站點(diǎn)的月平均氣溫、月平均降雨量和月日照時(shí)數(shù)等;DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái),空間分辨率為30 m;流域分布數(shù)據(jù)(研究區(qū)流域和子流域的矢量圖)在ArcGIS支持下由DEM提取。

2.2 研究方法

基于InVEST模型,結(jié)合水量平衡法,從流域尺度(圖1)對(duì)晉北沙漠化區(qū)三個(gè)時(shí)期的產(chǎn)水量進(jìn)行估算,公式如下:

(1)

式中:Yxj為不同時(shí)期的年產(chǎn)水量;AETxj是第j類土地利用類型上的第x個(gè)柵格的年均蒸散發(fā)量。Px是第x個(gè)柵格的年均降水量。年均蒸散發(fā)量由公式(2)計(jì)算獲得:

(2)

式中,Rxj為第j類土地利用類型上的第x個(gè)柵格的無量綱干燥指數(shù)[15-16]。ωx為修正指數(shù),是用來修正植被年可利用水量與降水量的比值。Rxj、ωx的計(jì)算見公式(3)。

(3)

式中:ET0x是第x個(gè)柵格的潛在蒸散量,本文采用Hamon公式[17-19]計(jì)算獲得;kxj是第j類土地利用類型上的第x個(gè)柵格的植被蒸散系數(shù)[13](表1)。Z為是表征多年平均降水特征的常數(shù)因子,本研究中為9.433;AWCx為可利用水含量(mm),由土壤深度、有效根深和土壤質(zhì)地等參數(shù)共同計(jì)算獲得[20-21](表1)。在完成晉北沙漠化區(qū)多年平均徑流量和蒸散量的計(jì)算后,基于其數(shù)據(jù)結(jié)果,采用水量平衡法對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),最后得到晉北沙漠化區(qū)的多年平均產(chǎn)水量[22-24]。

表1 InVEST模型輸入?yún)?shù)的參考值

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空動(dòng)態(tài)

基于DEM圖將研究區(qū)劃分為朱家川河、十里河、縣河、偏關(guān)河、恢河、大沙溝、蒼頭河、口泉河、渾河、黃河水、滹沱河、淤泥河、御河和南洋河等14個(gè)流域。對(duì)DEM進(jìn)行預(yù)處理,確定水流方法,然后計(jì)算匯流累計(jì)量,確定提取流域河網(wǎng)。在提取流域河網(wǎng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)河網(wǎng)確定的水文節(jié)點(diǎn),將河網(wǎng)劃分成不同河段,最后可完成子流域邊界的確定。研究區(qū)子流域的分布如圖1所示。

Fig.1 Watershed map of in desertification area of Northern Shanxi Province圖1 晉北沙漠化區(qū)流域劃分圖

基于InVEST模型和表1中的參數(shù),計(jì)算了研究區(qū)流域尺度1999年、2009年和2014年3個(gè)階段的產(chǎn)水量,3個(gè)階段的產(chǎn)水量空間分布如圖2所示。1999年晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量98.28 mm～184.44 mm,其中產(chǎn)水量最大值分布在忻州市西部的朱家川河流域(集中在五寨縣、神池縣和保德縣內(nèi)),和朔州市的大沙河流域(集中在平魯區(qū)、朔城區(qū)和山陰縣內(nèi))。產(chǎn)水量的相對(duì)較小的區(qū)域主要集中在忻州市偏關(guān)縣的偏關(guān)河流域。2009年,晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量值比1999年的產(chǎn)水量值大,范圍在139.73 mm到260.15 mm之間。產(chǎn)水量最大值主要分布在忻州市的西部的朱家川河流域和東部滹沱河流域,朔州市的恢河流域和大沙河流域;其最小值主要分布在大同市天鎮(zhèn)縣和陽高縣的南洋河,大同縣的御河,新榮區(qū)的淤泥河和南郊區(qū)的口泉河等流域,渾源縣的渾河、偏關(guān)縣偏關(guān)河、右玉縣的蒼頭河等流域的產(chǎn)水量也相對(duì)較低。相比前兩個(gè)時(shí)期,2014年晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量范圍明顯增大。范圍在208.39 mm到398.33 mm之間。其中產(chǎn)水量的最高值依然分布在忻州市的西部的朱家川河流域(五寨縣、神池縣和保德縣內(nèi)),縣河流域和蒼頭河流域產(chǎn)水量也相對(duì)較高,產(chǎn)水量最小值分布在大同市的御河和南洋河流域內(nèi)。

Fig.2 Spatial and temporal variations of water yield services of 1999, 2009 and 2014 in desertification area of northern Shanxi province圖2 晉北沙漠化區(qū)1999,2009和2014年產(chǎn)水服務(wù)的空間分布及三年產(chǎn)水量的時(shí)間變化

從圖2可以看出,1999年、2009年和2014年晉北沙漠化區(qū)的平均產(chǎn)水量是分別為144.37 mm,191.42 mm和264.48 mm。整體上來看,1999～2014年整個(gè)晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量呈顯著上升的趨勢(shì)。1999～2009年研究區(qū)的產(chǎn)水量增加了47.05 mm,而2009～2014年研究區(qū)的產(chǎn)水量增加了73.06 mm。因此,1999～2014年研究區(qū)的產(chǎn)水量呈緩慢增加趨勢(shì),研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水服務(wù)在增強(qiáng)。

3.2 產(chǎn)水服務(wù)變化空間格局

1999～2014年、1999～2009年和2009～2014年這三個(gè)時(shí)期產(chǎn)水服務(wù)的空間分布(圖3)顯示:1999～2009年晉北沙漠化區(qū)產(chǎn)水量均呈整體增加的趨勢(shì),沒有出現(xiàn)負(fù)值,但空間上差異較大。前10a的產(chǎn)水量從南到北呈逐漸減少的趨勢(shì)。整體來看,忻州市東部的滹沱河流域增加最為明顯,其次是忻州市西部朱家川河,縣河,偏關(guān)河,朔州市的恢河,大沙河和黃水河流域,而大同市的南洋河、御河、淤泥河、十里河和口泉河等流域產(chǎn)水量增加不明顯。但是,2009～2014年產(chǎn)水量空間變化差異較大。除忻州市東部滹沱河流域外,其他區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)均呈增強(qiáng)的趨勢(shì),其中大同市的大部分區(qū)縣(大同縣、南郊區(qū)、新榮區(qū)和左云縣)和忻州市西部(神池縣、五寨縣、保德縣)各流域的產(chǎn)水量增加變化大且較為明顯。1999～2014年晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量呈顯著增加的趨勢(shì),增加值在80 mm到213.89 mm之間。具體來看,忻州市西部的偏關(guān)河、朱家川河和縣河流域增加范圍最大,主要集中在150 mm以上;其次是朔州市北部的蒼頭河、大同市西部的十里河、淤泥河和御河及忻州市東部滹沱河。增加較為緩慢的區(qū)域主要集中在大同市的東南和東北部,朔州市的北部的部分流域。為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,國家于在區(qū)域開展了一系列生態(tài)工程的實(shí)施,如2001年啟動(dòng)實(shí)施的京津風(fēng)沙源治理工程和1999年啟動(dòng)實(shí)施退耕還林工程。因此,從1999～2014年晉北沙漠化區(qū)產(chǎn)水量空間變化可以看出,隨著國家這些政策的實(shí)施,研究區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)在增強(qiáng)。

Fig.3 Difference of Water Yield Services in Desertification Area of Northern Shanxi Province over different periods圖3 晉北沙漠化區(qū)產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分布圖

3.3 討論

本研究結(jié)果顯示研究區(qū)的西南部產(chǎn)水量增加幅度較大,適合集約化的灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn);而研究區(qū)西北部和東南部相關(guān)區(qū)域產(chǎn)水量增長速度次之,適合一些需水較少的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),如玉米、高粱等的種植及一些滴灌、地膜覆蓋等節(jié)水農(nóng)業(yè)方式。此外,產(chǎn)水服務(wù)的分析結(jié)果也為生態(tài)移民等生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施提供了理論依據(jù)。一般來說,產(chǎn)水量高的地方,其生態(tài)環(huán)境狀況也相應(yīng)好一些,這些區(qū)域的生態(tài)承載力相應(yīng)也高,也是進(jìn)行生態(tài)移民異地安置的合適區(qū)域;而產(chǎn)水量少的區(qū)域則應(yīng)該減少生態(tài)壓力,進(jìn)行生態(tài)保育。

整個(gè)晉北沙漠化區(qū)處于干旱區(qū),年降雨量不足400 mm,有必要在綜合分析產(chǎn)水服務(wù)的基礎(chǔ)上,集約化地利用有限的水資源。在產(chǎn)水量較高的區(qū)域,合理布局喬灌草的分布格局,千方百計(jì)增加當(dāng)?shù)厮Y源涵養(yǎng)能力。在水庫的選點(diǎn)上,要選擇那些產(chǎn)水量高的區(qū)域進(jìn)行修建。對(duì)于產(chǎn)水量增加緩慢的地區(qū),應(yīng)該有針對(duì)性地結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,盡可能地提高產(chǎn)水服務(wù),減少干旱狀況的發(fā)生,避免沙化的加劇。此外,研究區(qū)的地形,地質(zhì)等因素對(duì)流域產(chǎn)水量可能會(huì)有很大影響,本研究缺少對(duì)特征參數(shù)ω進(jìn)行區(qū)域化的校正處理。在今后的研究中,需基于特征流域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)參數(shù)ω進(jìn)行修正,從而提高產(chǎn)水量的模擬精度。此外,應(yīng)結(jié)合水質(zhì)等因子對(duì)研究區(qū)進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)論

本文對(duì)晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)進(jìn)行定量研究及分析,得出以下結(jié)論:

(1)時(shí)間上,1999年、2009年和2014年晉北沙漠化區(qū)的產(chǎn)水量呈逐漸增加的趨勢(shì),3 a的年平均產(chǎn)水量是分別為144.37 mm,191.42 mm和264.48 mm。研究區(qū)的產(chǎn)水量的空間差異較大,其中研究區(qū)西南部的忻州市的朱家川流域產(chǎn)水量較大,而研究區(qū)東北的大同市的南陽河和御河產(chǎn)水量相對(duì)較小。

(2)1999～2014年、1999～2009年和2009～2014年晉北沙漠化區(qū)3個(gè)階段的產(chǎn)水量均呈增加的趨勢(shì)。其中,忻州市西部的偏關(guān)河、朱家川河和縣河流域增加范圍最大,主要集中在150 mm以上。