1980—2016年三江源國(guó)家公園水源供給及水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化研究

呂樂(lè)婷,任甜甜,孫才志,鄭德鳳,王 輝

遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 大連 116029

三江源地處青藏高原腹地,是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地,是我國(guó)淡水資源的重要補(bǔ)給地,是我國(guó)最大的水源供給和涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)[1]。在三江源地區(qū)開(kāi)展國(guó)家公園體制試點(diǎn)是黨中央、國(guó)務(wù)院統(tǒng)籌推進(jìn)“五位一體”總體布局的重大戰(zhàn)略決策,是生態(tài)文明制度建設(shè)的重要內(nèi)容。三江源國(guó)家公園位于三江源核心區(qū)域,是我國(guó)第一個(gè)國(guó)家公園體制試點(diǎn)。公園內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)保持著較高的原始性和完整性,同時(shí)也具備對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感、對(duì)人類活動(dòng)干擾敏感等脆弱性特征[2]。

近年來(lái),氣候變化和高寒草甸的持續(xù)退化對(duì)水源涵養(yǎng)產(chǎn)生了較大的影響[3- 4],源區(qū)水源供給及涵養(yǎng)量發(fā)生了變化,引起了眾多學(xué)者的關(guān)注[1, 5]。潘韜等[1]基于InVEST模型,尹云鶴等[6]基于改進(jìn)的LPJ動(dòng)態(tài)植被模型,喬飛等[7]、張永勇等[8]基于SWAT模型,徐翠等[9]、楊永勝等[3]采用實(shí)地采樣與室內(nèi)測(cè)試分析法,分別對(duì)三江源地區(qū)的徑流演變、水源供給、水源涵養(yǎng)等功能進(jìn)行了評(píng)估。InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)、世界自然基金會(huì)和其他相關(guān)機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)。模型能夠計(jì)算不同情景對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[10-11]。模型的產(chǎn)水量模塊基于水循環(huán)原理,通過(guò)降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度等參數(shù)計(jì)算獲得產(chǎn)水量,再用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正,進(jìn)而獲得水源涵養(yǎng)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能多尺度、綜合、動(dòng)態(tài)、可視化的評(píng)估,目前已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可。如：Redhead等[12]基于InVEST模型評(píng)估了英國(guó)22個(gè)流域的產(chǎn)水量,并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Terrado等[13]利用 InVEST 模型模擬了地中海地區(qū)極端氣候條件對(duì)水生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響。在國(guó)內(nèi),InVEST模型除了在三江源地區(qū)[1]外,在秦嶺北麓[14]、北京市[15]、陜西省[16]等地也有成功應(yīng)用,為這些地區(qū)水資源評(píng)估與規(guī)劃決策提供了科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

三江源國(guó)家公園位于青藏高原腹地,包括長(zhǎng)江源、黃河源、瀾滄江源3個(gè)園區(qū),總面積12.31萬(wàn)km2。園區(qū)以高原和高山峽谷地貌為主,地勢(shì)高聳,地形復(fù)雜,平均海拔4500 m以上。園區(qū)位于青藏高原氣候區(qū),冷熱兩季、雨熱同期、冬長(zhǎng)夏短；多年平均氣溫在-5.6—7.8℃,冷季長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。多年平均降水量自西北向東南 262.2—772.8 mm。土壤類型以高山草甸土為主,凍土面積較大。園區(qū)共涉及治多、曲麻萊、瑪多、雜多四縣和可可西里自然保護(hù)區(qū)管轄區(qū)域,共12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、53個(gè)行政村(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of Sanjiangyuan National Park

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)土地利用及地形數(shù)據(jù)。1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年共7期土地利用利用數(shù)據(jù),均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,通過(guò)人工目視解譯生成。本文根據(jù)研究區(qū)土地利用類型以及相關(guān)參考文獻(xiàn)[17- 19],將原數(shù)據(jù)土地利用類型歸并調(diào)整為8類,以便更加清晰明確的反映研究區(qū)土地利用類型的狀況及演變(表1)。本研究采用1980年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)代表園區(qū)1980—1985年土地利用狀況,以此類推,1990、1995、2000、2005、2010、2015年土地利用數(shù)據(jù)分別代表1986—1992、1993—1997、1998—2002、2003—2007、2008—2012、2013—2016年土地利用狀況。三江源國(guó)家公園土地利用類型以草地及沙地、戈壁與裸地為主,共占總面積85.84%。草地共占總面積60.83%,其中低覆蓋度草地占比最高,達(dá)35.77%。沙地、戈壁與裸地占總面積29.74%。園區(qū)內(nèi)河湖、冰川雪地、濕地灘涂等水體共占總面積6.76%(圖2)。1985年至2016年,研究區(qū)土地利用變化不大。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn),該數(shù)據(jù)集利用SRTM3 V4.1版本的數(shù)據(jù)加工得來(lái),空間分辨率為90 m。

表1 三江源國(guó)家公園各園區(qū)土地利用類型對(duì)照表

(2)氣象數(shù)據(jù)。本研究所需1980—2016年降水量空間插值數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。計(jì)算潛在蒸散量所需降水、氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、氣壓日值數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/),基于FAO修正的Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散量,再通過(guò)空間插值獲得潛在蒸散量柵格數(shù)據(jù)。

(3)土壤厚度和土壤有效含水量。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù),中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國(guó)土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)。園區(qū)土壤類型由高到低主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土等,以高山草甸土為主,凍土面積較大。土壤有效含水量的計(jì)算是基于土壤屬性數(shù)據(jù),由美國(guó)華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的土壤水特性軟件SPAW(https://spaw-hydrology.software.informer.com/)中的Soil-Water-Characterstics(SWCT)模塊計(jì)算獲得。計(jì)算方法如下：首先根據(jù)粘土(Clay)、砂(Sand)、有機(jī)物(Organic Matter)、鹽度(Salinity)、砂礫(Gravel)等參數(shù)計(jì)算得出的凋萎系數(shù)和田間持水量,土壤有效含水量為田間持水量和凋萎系數(shù)差值。

圖2 三江源國(guó)家公園土地利用類型圖Fig.2 Landuse map of Sanjiangyuan National Park

2 研究方法

本研究采用InVEST模型的產(chǎn)水量模塊,基于水量平衡原理估算產(chǎn)水量,即水源供給量。并此基礎(chǔ)上再考慮地形、土壤層厚度和滲透性等因素的影響,計(jì)算水源涵養(yǎng)量[15-16, 23]。

2.1 產(chǎn)水量計(jì)算

模型將每個(gè)柵格單元的產(chǎn)水量定義為該柵格范圍內(nèi)的降水量扣除蒸散量(包括植物蒸騰和地表蒸發(fā))之后剩余水量,并假設(shè)每一個(gè)柵格單元所有的產(chǎn)水量都通過(guò)地表徑流或者地下徑流的方式到達(dá)了流域出口,最終在子流域尺度上對(duì)每一個(gè)柵格的產(chǎn)水量進(jìn)行加和或求取其平均值。流域產(chǎn)水量計(jì)算方式如下：

(1)

式中,Yxj為柵格單元x中土地覆被類型j的年產(chǎn)水量,主要包括地表徑流量、土壤含水量、枯落物持水量、冠層截留量；Px為柵格單元x的多年平均降水量；AETxj為柵格單元x中的土地覆被類型j的實(shí)際蒸散,由(2)式計(jì)算：

患兒頻繁嘔吐腹瀉，極易造成脫水及營(yíng)養(yǎng)流失。護(hù)理人員需指導(dǎo)家長(zhǎng)為患及時(shí)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，未斷奶的患兒可以母乳喂養(yǎng)，斷奶后的需營(yíng)養(yǎng)豐富、易消化的半流質(zhì)食物；另外，家長(zhǎng)需保證患兒飲食衛(wèi)生，無(wú)病毒細(xì)菌。

(2)

式中,wx為自然氣候條件下表示土壤性質(zhì)的一個(gè)無(wú)量綱非物理參數(shù),由(3)式計(jì)算：

(3)

式中,Z為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),代表區(qū)域降水分布及其他水文地質(zhì)特征。根據(jù)相關(guān)研究,對(duì)于冬季降水為主(12月至翌年4月)的地區(qū),Z值接近10,而對(duì)于降水均勻分布的濕潤(rùn)地區(qū)和夏季降水為主的地區(qū),Z值接近1[9]。Z值越高,或干旱指數(shù)較大或較小的地區(qū),模型結(jié)果受季節(jié)常數(shù)Z影響越小[13]；AWCx為柵格單元x的土壤有效含水量,由土壤深度和理化性質(zhì)決定。Rxj為Bydyko干燥指數(shù),由(4)式計(jì)算：

(4)

式中,ET0為柵格單元x中土地覆被類型j的植被蒸散系數(shù)；kxj為參考作物蒸散。

2.2 水源涵養(yǎng)量計(jì)算

水源涵養(yǎng)量由年產(chǎn)水量、地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率與地表徑流流速系數(shù)等計(jì)算徑流在柵格上停留時(shí)間計(jì)算得出,具體計(jì)算方法如下：

(5)

式中,retention為單位面積水源涵養(yǎng)量(mm)；V是流速系數(shù),采用模型參數(shù)表數(shù)據(jù)；Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率(mm/d)。TI為地形指數(shù),由(6)式計(jì)算：

TI= log(Darea/Soildep×Pslope)

(6)

式中,Darea為集水區(qū)柵格數(shù)量,Soildep為土壤深度(mm),Pslope為坡度比。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量年際變化

1980—2016年三江源國(guó)家公園年降水、潛在蒸散、實(shí)際蒸散、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量的變化狀況如圖3所示。研究區(qū)多年平均降水量406.50 mm,整體上呈不顯著增加趨勢(shì),增加速率為5.7 mm/10a；多年平均潛在蒸散量789.49 mm,呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.01),增加速率為14.46 mm/10a。結(jié)果與周秉榮等對(duì)整個(gè)三江源地區(qū)潛在蒸散的研究結(jié)果基本一致[24]。潛在蒸散最低值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初期,可能與該時(shí)期太陽(yáng)輻射與直接輻射減少有關(guān)[25]。園區(qū)多年平均實(shí)際蒸散量291.70 mm,呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),增加速率為5.95 mm/10a,其中黃河源國(guó)家公園多年平均實(shí)際蒸散量為341.53 mm,與尹云鶴等[6]基于改進(jìn)的LPJ模型所計(jì)算的黃河源多年平均實(shí)際蒸散量(342.28 mm ±12.33 mm)非常接近,在一定程度上證明了模型結(jié)果的準(zhǔn)確性。園區(qū)多年平均實(shí)際蒸散比(實(shí)際蒸散量占降水量比例)71.76%,這意味著大部分降水通過(guò)實(shí)際蒸散發(fā)返回到了大氣當(dāng)中。在氣象要素變化的影響下,研究區(qū)多年平均產(chǎn)水量118.17 mm,占降水量29.07%；水源涵養(yǎng)45.04 mm,占降水量11.05%。在研究時(shí)段內(nèi),產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量皆呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì),增加速率分別為1.93 mm/10a和0.88 mm/10a。

圖3 1980—2016年三江源國(guó)家公園降水、潛在蒸散、實(shí)際蒸散、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量Fig.3 Annual precipitation, potential evapotranspiration, actual evapotranspiration, water yield and water conservation in Sanjiangyuan National Park during 1980—2016

經(jīng)過(guò)相關(guān)分析得出(表2),產(chǎn)水量、水源涵養(yǎng)量與降水量的相關(guān)系數(shù)為分別為0.929(P<0.01)和0.976(P<0.01),與實(shí)際蒸散發(fā)的相關(guān)系數(shù)為分別為0.825(P<0.01)和0.854(P<0.01),這一結(jié)果與龔詩(shī)涵對(duì)全國(guó)水源涵養(yǎng)影響因素的研究結(jié)果一致[26]。實(shí)際蒸散比(實(shí)際蒸散占降水量比率)與產(chǎn)水量、水源涵養(yǎng)量呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.977(P<0.01),和-0.906(P<0.01)。這意味著,實(shí)際蒸散占降水比例越大,產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量就越小。實(shí)際蒸散比代表了綜合考慮氣候要素及下墊面狀況下的蒸發(fā)能力,受降水(相關(guān)系數(shù)-0.860,P<0.01)和潛在蒸散影響(相關(guān)系數(shù)0.359,P<0.05),也與地表覆蓋類型、土壤蓄水能力相關(guān),非常復(fù)雜。綜合分析,本研究認(rèn)為降水量、實(shí)際蒸散量是影響三江源國(guó)家公園產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量的主要?dú)夂蛞蛩?另外,實(shí)際蒸散比(實(shí)際蒸散能力)也會(huì)對(duì)產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量產(chǎn)生影響。

表2 三江源國(guó)家公園各水文-氣象要素相關(guān)關(guān)系表

在不同研究時(shí)段內(nèi),三園區(qū)降水量都呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)(圖4)。相對(duì)于20世紀(jì)80年代,三園區(qū)降水量在20世紀(jì)90年代皆大幅度降低。其中黃河源園區(qū)下降量最大,達(dá)62.39 mm,降幅達(dá)-12.70%。在此影響下,三園區(qū)實(shí)際蒸散量、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量也大幅降低,黃河源園區(qū)降幅最大,分別降低了25.22、36.22 mm和16.64 mm,降幅分別為-7.15%、-27.21%和-28.53%。從水資源總量上來(lái)說(shuō),長(zhǎng)江源園區(qū)由于其面積最大,產(chǎn)水總量及水源涵養(yǎng)總量降低最大,分別降低了17.9、7.40億m3,降幅為-16.72%和-18.75%。隨后至2000s及2010s(2010—2016),長(zhǎng)江源園區(qū)降水量穩(wěn)步提升,黃河源及瀾滄江源園區(qū)降水量則先增后減。在此影響下,長(zhǎng)江源園區(qū)實(shí)際蒸散量、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量亦穩(wěn)步提升,而黃河源及瀾滄江源園區(qū)實(shí)際蒸散量、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量則發(fā)生波動(dòng),變化趨勢(shì)與降水變化一致。2010年以后,黃河源及瀾滄江源園區(qū)水資源總量較80年代有所降低,兩園區(qū)產(chǎn)水總量上分別減少了5.96億m3和3.88億m3,降幅分別為-23.53%和-18.30%。水源涵養(yǎng)總量分別減少了2.57億m3和1.81億m3,降幅分別為-23.13%和-21.79%。唯有長(zhǎng)江源園區(qū)水資源量有所增加,產(chǎn)水量和水源涵養(yǎng)量分別增加了5.29億m3和2.85億m3,增幅分別為4.95%和7.23%?？傆[三園區(qū)水資源總量,產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量在不同年代皆呈現(xiàn)出先驟降、后增加、再略有降低的變化趨勢(shì)(圖5)。

圖4 不同年代三園區(qū)年均降水、實(shí)際蒸散、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量 Fig.4 Annual precipitation, actual evapotranspiration, water yield and water conservation from 1980s to 2010s

圖5 不同年代三園區(qū)水資源總量Fig.5 Total water resources from 1980s to 2010s

3.2 產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量空間分布特征

三園區(qū)氣象要素、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量空間分布特征如圖6所示。1980—2016年,三江源國(guó)家公園年均降水量自西北向東南221—715 mm。其中瀾滄江園區(qū)年均降水量最為豐沛,達(dá)575.48 mm,是黃河源園區(qū)的1.26倍、長(zhǎng)江源園區(qū)的1.55倍(圖6)。實(shí)際蒸散空間分布特征與降水量基本一致,自西北向東南遞增。瀾滄江園區(qū)降水量居三園區(qū)之首,用地類型以高寒森林、灌叢、草原草甸鑲嵌分布為主,植被蒸散發(fā)能力也較其余兩園區(qū)強(qiáng),因此年均實(shí)際蒸散量最高,達(dá)427.97 mm,分別為是黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)的1.25倍、1.68倍(圖6)。

受降水、蒸發(fā)、蒸散比(圖6)土地利用及土壤類型的綜合影響,三江源國(guó)家公園產(chǎn)水量總體變化趨勢(shì)為西北高,中部低,南部略微增加(圖6)。從產(chǎn)水總量上來(lái)看,長(zhǎng)江源園區(qū)由于其面積最大,年均產(chǎn)水總量最高,達(dá)104.11億m3,分別是瀾滄江源園區(qū)及黃河源園區(qū)的5倍和4倍。從單位面積產(chǎn)水量上來(lái)看,瀾滄江園區(qū)接近高原亞寒帶濕潤(rùn)區(qū),降水量最高,平均產(chǎn)水深亦為最高,達(dá)139.95 mm。黃河源園區(qū)由北向南,氣候類型從高原亞寒帶干旱區(qū)過(guò)度至高原亞寒帶濕潤(rùn)區(qū),產(chǎn)水量亦呈明顯的由北向南遞增的變化趨勢(shì)。長(zhǎng)江源園區(qū)降水量最低,但園區(qū)沙地、荒漠裸地面積占比達(dá)44.6%,植被稀疏,蒸散系數(shù)低,蒸散發(fā)能力弱。尤其在北部西西可里地區(qū),蒸散比非常低,降水更多直接轉(zhuǎn)換為徑流,因此平均產(chǎn)水深較黃河源園區(qū)稍高。但由于缺少地表植被,這些水資源主要以藍(lán)水資源存在,而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)性和服務(wù)性功能的維護(hù)具有重要意義的綠水資源則十分稀缺。在三園區(qū)中,長(zhǎng)江源園區(qū)產(chǎn)水量占降水量比例最高,達(dá)31.03%,其產(chǎn)水能力最高。瀾滄江源其次,黃河源產(chǎn)水能力最低(表2)。

水源涵養(yǎng)量除與產(chǎn)水量相關(guān)外,還受地形指數(shù)影響(圖6),空間分布特征與產(chǎn)水量基本一致(圖6)。長(zhǎng)江源園區(qū)水源涵養(yǎng)總量最高,達(dá)43.45億m3。瀾滄江源園區(qū)最低,為5.92億m3。從單位面積水源涵養(yǎng)量上來(lái)看,黃河源園區(qū)水源涵養(yǎng)深度最高,為53.65 mm,長(zhǎng)江源其次,瀾滄江源最低。在三園區(qū)中,長(zhǎng)江源園區(qū)水源涵養(yǎng)量占降水量比例最高,達(dá)12.91%,代表其水源涵養(yǎng)能力最高,黃河源其次。瀾滄江源園區(qū)地處唐古拉山北麓,以高山峽谷為多,河流切割強(qiáng)烈,地勢(shì)陡峭,水源涵養(yǎng)能力最低(表3)。

圖6 年均降水、實(shí)際蒸散、蒸散比、產(chǎn)水量、地形指數(shù)及水源涵養(yǎng)量空間分布Fig.6 Space distribution of annual precipitation, actual evapotranspiration, ratio transpiration, water yield, TI and water conservation in Sanjiangyuan National Park during 1980—2016

3.3 極端降水條件下產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量變化

根據(jù)三江源國(guó)家公園氣候特征,選擇年降水量最高年份2009年(525.63 mm)代表極濕潤(rùn)年份,降水量最低年份2015年(314.27 mm)代表極干旱年份,研究極端氣候下園區(qū)產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量的數(shù)量及空間分布特征,結(jié)果如圖7所示。

園區(qū)濕潤(rùn)年份單位面積產(chǎn)水量185.42 mm,是多年平均量的1.57倍。其中瀾滄江園區(qū)最高,達(dá)197.02 mm。長(zhǎng)江源其次,為187.62 mm,黃河源最低為166.46 mm?？臻g上呈由北向南先減少后增加的趨勢(shì)。園區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)量70.94 mm,是多年平均量的1.58倍。瀾滄江園區(qū)最高,達(dá)78.55 mm,黃河源園區(qū)74.66 mm,長(zhǎng)江源園區(qū)68.95 mm。水源涵養(yǎng)空間分布與產(chǎn)水量基本相似,另外受地形及土壤性質(zhì)影響。園區(qū)干旱年份單位面積產(chǎn)水量60.93 mm,僅為濕潤(rùn)年份的32.86%,是多年平均量的51.56%。長(zhǎng)江源園區(qū)產(chǎn)水量變化最大,54.56 mm,為濕潤(rùn)年份的29.08%,多年平均量的47.48%。相應(yīng)的水源涵養(yǎng)量也與濕潤(rùn)年分差別最大,僅有20.69 mm,是濕潤(rùn)年份的30.01%,多年平均量的43.14%。黃河源與瀾滄江源園區(qū)干旱年份產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量為濕潤(rùn)年份的40%—45%,多年平均量的58%—75%。降水的差異對(duì)長(zhǎng)江源園區(qū)水資源量的影響較大,在氣候變化的大背景下,長(zhǎng)江源園區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

表3 三園區(qū)年均氣象要素、產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量

圖7 極端氣候下產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量空間分布Fig.7 Space distribution of water yield and water conservation under extreme precipitation conditions

4 討論

InVEST模型基于水量平衡原理,簡(jiǎn)化了產(chǎn)水量評(píng)估的步驟,但在應(yīng)用中也暴露出一些缺陷和不足,如對(duì)各項(xiàng)參數(shù)及評(píng)估結(jié)果無(wú)法有效驗(yàn)證。三江源國(guó)家公園的生態(tài)水源實(shí)際狀況難以獲取,數(shù)據(jù)缺乏。公園地跨多個(gè)區(qū)縣,且邊界不與區(qū)縣邊界相符合,因此亦無(wú)法采用行政區(qū)水資源數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。本文為了克服InVEST模型這一缺陷,在結(jié)果驗(yàn)證方面參考了大量文獻(xiàn)。如：對(duì)于園區(qū)多年平均潛在蒸散量計(jì)算結(jié)果,與周秉榮等[24]研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；黃河源國(guó)家公園多年平均實(shí)際蒸散量與尹云鶴等[6]的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；另外,研究區(qū)產(chǎn)水量的計(jì)算結(jié)果與潘韜等[1]研究成果及中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)三級(jí)流域產(chǎn)水模數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比(http://www.resdc.cn/data.aspx?dataid=279)；水源涵養(yǎng)結(jié)果與張媛媛[5]的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；以上結(jié)果與本文結(jié)論皆基本一致,可以作為模型計(jì)算結(jié)果正確的佐證。

本文使用1980—2016年期間共7期土地利數(shù)據(jù),結(jié)合氣象數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)多年產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量進(jìn)行計(jì)算,并作對(duì)比分析,證明模型具有良好的動(dòng)態(tài)評(píng)估性能。近幾十年,受多種驅(qū)動(dòng)因素的影響,三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重,水源供給能力受到影響[1]。本文對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列及不同時(shí)段園區(qū)水資源狀態(tài)及空間分布特征進(jìn)行了計(jì)算及分析,并模擬了極端降水條件下園區(qū)產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量變化。1980—2016年,園區(qū)水資源量呈現(xiàn)出先驟降、后增加、再略有降低的變化趨勢(shì)。這與園區(qū)降水量、實(shí)際蒸散量與實(shí)際蒸散比的變化密切相關(guān)。1980年至今,三江源地區(qū)降水量呈先降后增的趨勢(shì),平均氣溫則呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)[1,6]。降雨的變化直接影響了水資源總量大小,氣溫變化亦通過(guò)影響蒸發(fā)來(lái)間接影響產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)功能。2000年代中期之后,隨著三江源地區(qū)生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程的推進(jìn),園區(qū)生態(tài)退化現(xiàn)象得到了一定程度的遏制與恢復(fù),水源供給及涵養(yǎng)能力有所恢復(fù)[1]。在未來(lái),對(duì)于園區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)過(guò)程中必須充分考慮氣候變化影響,建立相應(yīng)措施,才能確保國(guó)家公園區(qū)乃至整個(gè)三江源地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)有效的適應(yīng)全球變化。

5 結(jié)論

本文基于InVEST模型對(duì)1980—2016年三江源國(guó)家公園產(chǎn)水量、水源涵養(yǎng)量的時(shí)間變化及空間分布特征進(jìn)行了分析,探求了對(duì)其產(chǎn)生影響的主要?dú)夂蛞丶跋聣|面要素。主要結(jié)論如下：

(1)1980—2016年,三江源國(guó)家公園年均降水量406.50 mm,呈不顯著增加趨勢(shì)；年均潛在蒸散789.49 mm、年均實(shí)際蒸散291.70 mm,二者顯著增加,增加速率分別為14.46 mm/10a和5.95 mm/10a。園區(qū)年均產(chǎn)水量118.17 mm,水源涵養(yǎng)45.04 mm。20世紀(jì)80年代至90年代,產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量驟降,至2000年后有所增加,2010年后又略有降低。

(2)三江源國(guó)家公園產(chǎn)水量總體變化趨勢(shì)為由北向南先減少后增加。瀾滄江園區(qū)降水最為豐沛,植被覆蓋度高,產(chǎn)水量最大。黃河源園區(qū)產(chǎn)水量受氣候類型變化影響由北向南呈明顯遞增趨勢(shì)。長(zhǎng)江源園區(qū)降水量最低,但園區(qū)沙地、荒漠裸地面積占比高,蒸散系數(shù)低,蒸散發(fā)能力弱,產(chǎn)水量較黃河源園區(qū)稍高。在三園區(qū)中,長(zhǎng)江源園區(qū)產(chǎn)水能力最高。瀾滄江源其次,黃河源產(chǎn)水能力最低。水源涵養(yǎng)量除與產(chǎn)水量相關(guān)外,還受地形指數(shù)影響,空間分布特征與產(chǎn)水量基本一致。

(3)在極端降水條件下,園區(qū)產(chǎn)水量及水源涵養(yǎng)量的數(shù)量及空間分布差異十分顯著。黃河源與瀾滄江源園區(qū)干旱年份產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量為濕潤(rùn)年份的40%—45%,多年平均量的58%—75%。長(zhǎng)江源園區(qū)干旱年份產(chǎn)水量?jī)H為濕潤(rùn)年份的29.08%,不足多年平均產(chǎn)水量的一半。水源涵養(yǎng)量亦僅為濕潤(rùn)年份的30.01%,多年平均量的43.14%。長(zhǎng)江源園區(qū)水資源量對(duì)降水量變化的響應(yīng)最為敏感,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。