柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能時空特征分析

李 霞，崔 霞，何曉菲，姜 瀾，徐 睿

（1. 甘肅省科學院地質自然災害防治研究所, 甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州大學資源環(huán)境學院, 甘肅 蘭州 730000；3. 蘭州大學草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學草地農業(yè)科技學院, 甘肅 蘭州 730020）

水資源是人類賴以生存的重要物質基礎，水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要的服務功能之一，對水文狀況的改善、區(qū)域水分循環(huán)的調節(jié)具有重要意義。水源涵養(yǎng)容易受到生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候變化、地形地貌差異、土壤理化性質、降水、蒸散等因素的綜合影響，具有空間異質性和動態(tài)復雜性的特點[1]。如何科學準確地評價區(qū)域水源涵養(yǎng)功能一直是生態(tài)學和水文學等相關學科的研究熱點[2]。

近年來，國內外專家針對水源涵養(yǎng)能力基于不同尺度、不同區(qū)域的評估方法進行了大量研究，主要的水源涵養(yǎng)能力評估方法包括水量平衡法[3]、綜合蓄水能力法[4]、土壤蓄水能力法[5]、降水貯存量法[6]、物理模型法等。在小尺度上采用前4種方法通過開展野外試驗利用實測數據進行研究[6]，傳統(tǒng)方法在小尺度區(qū)域的研究日趨成熟，但現有的針對生態(tài)系統(tǒng)服務的研究大多關注于區(qū)域尺度，在大尺度生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)研究中模型模擬的手段被廣泛使用，主要集中于對區(qū)域尺度模擬水源涵養(yǎng)功能的空間分布特征及空間格局變化的研究[7-8]。物理模型中InVEST (integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型在空間分析和空間化表達等方面具有較強的優(yōu)勢，有操作性強的特點[9-10]。InVEST模型產水量模塊基于3S技術平臺和水循環(huán)原理，通過降水、植物蒸騰、地表蒸發(fā)、根系深度等參數計算產水量，再用地形指數、土壤飽和導水率和流速系數對其進行修正，進而獲得水源涵養(yǎng)量，充分反映區(qū)域降水的整體分配情況，實現對水生態(tài)系統(tǒng)服務功能多尺度、綜合、動態(tài)、可視化的定量評估[11]。InVEST可以預測不同土地利用情景、氣候情景下的水源涵養(yǎng)量，因此在區(qū)域生態(tài)服務功能研究中得到廣泛應用，目前在黃土高原、三江源、白龍江流域等取得了良好的模擬效果[12-14]。但InVEST模型仍然具有一定的缺陷，模型雖然可以很好地刻畫年際水源涵養(yǎng)量，但不能反映年內月尺度或者天尺度水源涵養(yǎng)量的變化；同時InVEST模型結果對輸入的大量柵格數據和生物物理數據敏感，需要對輸入數據進行本地化處理。

柴達木盆地位于青藏高原北部邊緣，屬脆弱的高寒干旱生態(tài)系統(tǒng)，水資源在促進盆地社會經濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境方面起著十分重要的作用。目前國內對生態(tài)服務方面的研究很多，但針對柴達木盆地長時間序列的水源涵養(yǎng)功能時空分布特征的研究仍未見報道，缺乏結合熱點分析從而確定水源涵養(yǎng)優(yōu)先和重點保護區(qū)域的研究。本文基于柴達木盆地土地利用數據，結合氣象數據、土壤數據、地形數據等，運用InVEST模型產水量模塊，對1980-2018年柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能進行定量評估，分析水源涵養(yǎng)功能的時空變化特征及水源涵養(yǎng)功能的冷熱點空間分布特征，明確柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能的熱點區(qū)域，從而確定水源涵養(yǎng)優(yōu)先和重點保護區(qū)域，為科學合理地制定柴達木盆地水源涵養(yǎng)保護決策提供依據。

1 研究區(qū)概況

圖1 柴達木盆地2018年土地利用類型Figure 1 Land use map of Qaidam Basin in 2018

2 數據與方法

2.1 數據來源

利用InVEST模型產水模塊基于土地利用、降水量、年均潛在蒸散量、植被可利用水量、土壤最大根系埋藏深度、流域及次一級子流域、生物物理系數表、土壤飽和導水率數據估算1980-2018年柴達木盆地水源涵養(yǎng)量。輸入數據的來源及處理如表1所列。輸入柵格數據均將分辨率統(tǒng)一為1 km。

表1 數據來源與參數處理說明Table 1 Data source and parameter processing description

2.2 研究方法

2.2.1 產水量計算

InVEST模型產水模塊是基于年平均降水量和Budyko曲線進行空間可視化表達[27]，區(qū)域產水量計算公式如下：

式中：Yx、AETx分別為不同土地利用類型柵格x的年產水量(mm)和年實際蒸散量(mm)；Px為不同土地利用類型柵格x的年降水量(mm)；AETx/Px用于評估區(qū)域水量平衡的蒸散分區(qū)[28]。

式中：Rx為不同土地利用類型柵格x的Bydyko干燥度指數，ωx為自然氣候-土壤性質的非物理參數，與植被可利用含水量、降水量和Zhang系數有關[29]。

式中：kx用以表征不同作物的蒸散系數；ET0為潛在蒸散量(mm·d-1)；Z為季節(jié)性因子Zhang系數，其值域為1 - 10[12]，AWCx為土壤有效含水量(mm)，ET0和AWCx的計算公式如下：

式中：RA為太陽大氣頂層輻射[MJ·(m2·d)-1];Trag為日最高溫均值和日最低溫均值的平均值(℃)；TD為日最高溫均值和日最低溫均值的差值(℃)；P為月平均降水量(mm)；sd為土壤深度，rd為根系深度，PAWCx為植被有效含水量，是指土壤土層中為植物生長提供的水量所占比例，利用土壤性質進行計算[23]。

“算一算你從出生到大學、花了我多少錢？算一算我懷你十月、受了多少罪？算一算我給你奶到三歲，你喝了我多少血？算一算……”

式中：Ssan為土壤沙礫含量(%)；Ssil為土壤粉粒含量(%)；Ccla為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機質含量(%)。

2.2.2 水源涵養(yǎng)量計算

基于產水量，并綜合考慮土壤滲透性、地類的地表徑流差異和地形等因素評估水源涵養(yǎng)量，計算過程如下：

式中：WR(water retention)為水源涵養(yǎng)量(mm)；Velocity為徑流系數，無量綱，表示不同土地利用類型對地表徑流的影響；TI為地形指數；Ksoil為土壤飽和導水率(cm·d-1)，利用Neuro Theta軟件根據柴達木盆地土壤粘粒、粉粒含量計算得到；Yx為產水量(mm)，TI計算公式如下：

式中：wpc為集水區(qū)匯流累積柵格數；sd為土壤深度(mm)；ps為百分比坡度，集水區(qū)匯流累積柵格數和百分比坡度根據DEM利用ArcGIS 10.2空間分析模塊中的水分分析模塊獲得。

2.2.3 熱點分析

利用ArcGIS中Hot Spot Analysis with Rendering工具對柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能熱冷點區(qū)域進行分析，在冷熱點分布屬性表中生成具有統(tǒng)計學意義的Z得分和P值，識別水源涵養(yǎng)功能的高值和低值在空間上的聚集情況。熱點分析的Z得分能有效識別冷熱點區(qū)域， Z得分低且為負數，表明存在低值聚類或冷點；Z得分高且為正數，表明存在高值聚類或熱點[12]。結合P值和Z得分將研究區(qū)劃分為極顯著熱點(冷點)區(qū)域，即99%置信區(qū)間；顯著熱點(冷點)區(qū)域，即95%置信區(qū)間；熱點(冷點)區(qū)域，即90%置信區(qū)間；以及不顯著區(qū)域[2]。

3 結果與分析

3.1 柴達木盆地土地利用時空變化特征

柴達木盆地主要的土地利用類型有草地、林地、耕地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地及未利用地。盆地內最主要的土地利用類型為未利用地，約占全盆地面積的64.93%；主要的植被類型為草地，約占全盆地面積的30.00%，主要分布在盆地東北、東部及南部的山區(qū)，其次為林地和耕地，約占全盆地面積的1.00%和0.23% (圖1)。1980-2018年盆地植被類型中耕地(旱地)面積總體呈增大趨勢；林地面積穩(wěn)定，其中有林地面積總體呈輕微增加趨勢，灌木林和疏林地面積穩(wěn)定；草地面積呈增加趨勢，其中高中覆蓋度草地面積增加趨勢明顯，高覆蓋度草地占比從1980年的0.68%增加到2018年的1.19%，39年內面積增加了1 410 km2；中覆蓋度草地的占比從1980年7.88%到2018年的9.31%，面積由21 614 km2增加到2018年的25 563 km2；低覆蓋度草地面積呈減小趨勢，占比從1980年的21.36%減少到2018年20.85%，整體減少了1 300 km2(表2)，表明柴達木盆地植被生態(tài)有向良性態(tài)勢發(fā)展的趨勢。

表2 不同年份植被類型面積與比例Table 2 Area and proportion of vegetation types in different years

3.2 柴達木盆地產水量及水源涵養(yǎng)量時空分布特征

根據《青海省水資源公報》，柴達木盆地多年平均總徑流量為44.40億m3，扣除冰川補給部分[18]，與柴達木盆地1980-2018年產水量模擬結果進行對比，確定當Z值取1.39時模擬的產水量相對誤差小于5%，說明InVEST模型對于產水量的模擬結果比較準確，該結果可用于后續(xù)水源涵養(yǎng)量的計算。

柴達木盆地多年平均產水量為32.17 × 108m3，1980-2018年產水量逐年增長，其中1990-2015年產水量增長緩慢，2018年產水量增長明顯且為柴達木 盆 地 多 年 產 水 量 的 最 高 值35.70 × 108m3(圖2)?？臻g上柴達木盆地產水量由東南向西北，由四周山區(qū)向盆地中心遞減。明顯的產水量高值區(qū)集中分布在盆地東部、南部及東南部，而低值區(qū)主要分布在盆地內部(圖3)。從產水總量上來看，盆地內部雖然面積比山地大，但其年均產水量較低，為2.41 × 108m3，僅為山地(海拔大于3 500 m)總產水量的8%。

基于產水量結果，結合地形指數、流速系數和土壤飽和導水率計算得到了1980-2018年柴達木盆地的水源涵養(yǎng)總量，其中多年平均水源涵養(yǎng)總量為12.17 × 108m3。1980-2018年柴達木盆地旱地、草地(高中低覆蓋度草地)水源涵養(yǎng)量呈增加趨勢，林地(灌木林、疏林地)水源涵養(yǎng)量呈減小趨勢(表3)。1980-2018年柴達木盆地水源涵養(yǎng)量空間分布格局變化不大，總體呈現出與產水量變化一致的規(guī)律性，產水量的分布與變化直接影響著區(qū)域的水源涵養(yǎng)量分布。1980-2018年柴達木盆地水源涵養(yǎng)總量呈增加趨勢，并在2018年達到最大值13.35 × 108m3(圖2)。研究區(qū)水源涵養(yǎng)量高值區(qū)集中在四周山地(圖3、圖4)，而盆地內部大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)量為0，四周山地(海拔大于3 500 m) 1980-2018年平均水源涵養(yǎng)總量為11.23 × 108m3，約為柴達木盆地總水源涵養(yǎng)量的91.39%。

圖4 柴達木盆地高程分布Figure 4 Elevation distribution of Qaidam Basin

表3 1980-2018年不同植被類型水源涵養(yǎng)量Table 3 The water conservation of different vegetation types from 1980 to 2018

圖2 柴達木盆地1980-2018年產水量和水源涵養(yǎng)量Figure 2 Water yield and water conservation in Qaidam Basin from 1980 to 2018

圖3 柴達木盆地1980-2018年平均產水量(a)及水源涵養(yǎng)量(b)空間分布Figure 3 Spatial distribution of annual average water yield and water conservation in Qaidam Basin from 1980 to 2018

不同山地生態(tài)系統(tǒng)(海拔大于3 500 m)水源涵養(yǎng)量存在明顯差異，以2018年為例(表4)，單位面積水源涵養(yǎng)量和水源涵養(yǎng)總量由高到低的順序依次為草地(高中低覆蓋度草地) ＞ 林地(有林地、灌木林地和疏林地) ＞ 耕地(旱地)，說明在高海拔的山區(qū)草地的水源涵養(yǎng)能力是最好的，草地是研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能的主要貢獻者。在草地生態(tài)系統(tǒng)中面積由大到小依次為低覆蓋度草地 ＞ 中覆蓋度草地 ＞高覆蓋度草地，但單位面積的水源涵養(yǎng)量大小卻與之相反，表明在植被覆蓋度較低的地區(qū)，土壤水分蒸發(fā)大，水源涵養(yǎng)能力低，植被覆蓋度高的區(qū)域則相反。

表4 柴達木盆地2018年山地植被水源涵養(yǎng)量Table 4 Water conservation of different mountain vegetation types in Qaidam Bain in 2018

3.3 柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能冷熱點空間分布

在空間上，熱點區(qū)域面積高于冷點區(qū)域面積，水源涵養(yǎng)功能的熱點區(qū)域主要集中于東部、東南部及南部山區(qū)，占柴達木盆地總面積的10.93%，該區(qū)域降水豐富，產水量高，草地是該區(qū)域主要植被類型，植被茂密，持水能力較強，水源涵養(yǎng)功能強。冷點區(qū)域面積較小，少量分布于研究區(qū)北部、南部及西北部(圖5)，屬于戈壁地帶少有植被覆蓋，僅在地下水埋藏較淺的沖洪積平原有少量林地覆蓋，且降水量少，蒸散量高，水源涵養(yǎng)功能低。柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能的冷熱點區(qū)域占該區(qū)總面積的比例分別為：不顯著點88.58%，冷點0.49%，熱點1.61%，顯著熱點3.30%，極顯著熱點6.02%。

圖5 柴達木盆地1980-2018年水源涵養(yǎng)冷熱點區(qū)域空間分布Figure 5 Spatial distribution of cold hot spots area of water conservation of Qaidam Basin from 1980 to 2018

4 討論

柴達木盆地內的降水分布直接影響水源涵養(yǎng)量的空間分布，盆地內氣候、地形及植被分布狀況共同影響水源涵養(yǎng)量的大小。

4.1 氣候因素對水源涵養(yǎng)功能的影響

降水量與蒸散量作為影響地區(qū)水源涵養(yǎng)功能的重要氣候因子，其時空變化驅動著水源涵養(yǎng)功能的變化。柴達木盆地多年平均降水量的空間差異比較明顯，盆地內干旱少雨，從盆地中心到周邊山區(qū)，降水量逐漸增加(圖6)。已有研究表明柴達木盆地多年平均蒸散量東南部低，西部高，并隨海拔高度的增高和經度的增加而降低[23]，蒸散量空間分布與降水量空間分布相反。水源涵養(yǎng)量與降水量具有一致的空間分布特征，海拔較高的山區(qū)降水量大，蒸發(fā)量小，水源涵養(yǎng)能力高，盆地中心降水量小，蒸發(fā)大，水源涵養(yǎng)能力低。由此可見，氣候因素對區(qū)域水源涵養(yǎng)功能空間分布具有重要的影響。在時間尺度上，1980-2018年柴達木盆地降水量呈增加趨勢，潛在蒸散呈減小趨勢(圖7)，水源涵養(yǎng)量呈增加趨勢(圖2)，說明降水量和潛在蒸散在年際變化上對水源涵養(yǎng)量有較大的影響。降水量的變化趨勢大于水源涵養(yǎng)量的變化趨勢，主要原因是由于降水量的季節(jié)分配對水源涵養(yǎng)具有重要的影響，但是InVEST模型雖然可以準確刻畫年際水源涵養(yǎng)量，但無法計算更短時間尺度(如月或者天尺度)水源涵養(yǎng)量的變化[30]。1980-2018年2010年降水量最高，但潛在蒸散也很高，造成2010年水源涵養(yǎng)量并未達到39年間最高值，而2018年柴達木盆地降水量高，同時潛在蒸散低，因此該年份水源涵養(yǎng)量高。

圖6 柴達木盆地年平均降水量空間分布Figure 6 Spatial distribution of annual mean precipitation in Qaidam Basin

圖7 柴達木盆地1980-2018年降水量和潛在蒸散的變化Figure 7 Temporal variation of precipitation and potential evapotranspiration from 1980 to 2018 in Qaidam Basin

4.2 植被空間分布對水源涵養(yǎng)量的影響

植被的空間分布對水源涵養(yǎng)也有較大的影響，不同植被類型土壤物理化學性質及植被覆蓋度、根系深度等不同，從而影響地表蒸散量與土壤儲水的能力。柴達木盆地總體植被發(fā)育較差，植被覆蓋度較低，不同海拔水、熱條件不同，會形成不同的植被類型。柴達木盆地隨著海拔的升高，降水量增加，溫度減小，植被覆蓋度[本文用歸一化差值植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)表示]增加(圖8)，海拔較高的山區(qū)主要的植被類型為草地，植被覆蓋度高(NDVI高)，海拔較低的盆地中心戈壁地帶植被覆蓋度低(NDVI低) (圖8)。植被覆蓋度高，植被含蓄水源能強，則水源涵養(yǎng)功能高；相反，植被覆蓋度低，土地裸露，則水源涵養(yǎng)功能低[31]。柴達木盆地主要水源涵養(yǎng)植被為草地，1980-2018年草地面積呈增加趨勢，其中高中覆蓋度草地面積增加趨勢明顯，低覆蓋度草地面積呈減小趨勢(表2)，且高中覆蓋度草地面積變化與水源涵養(yǎng)量變化一致，說明高中覆蓋度草地面積增加是柴達木盆地水源涵養(yǎng)量增加的主要原因。

圖8 柴達木盆地多年平均NDVI空間分布Figure 8 Spatial distribution of annual normalized difference vegetation index (NDVI) in Qaidam Basin

4.3 柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能冷熱點空間分布特征

通過對水源涵養(yǎng)功能冷熱點的空間分布格局客觀分析柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能的強弱分布，結果發(fā)現水源涵養(yǎng)的熱點區(qū)域為研究區(qū)的東部、南部和東南部山區(qū)，主要為以草地為主的畜牧業(yè)生產區(qū)域，海拔高、氣溫低、耕地少，人為活動影響較?。焕潼c區(qū)域主要分布在海拔低、地勢平坦、人為干擾比較大的區(qū)域，冷熱點的空間分布特征與劉宥延等[12]在黃土高原丘陵區(qū)得到的結論相似。通過水源涵養(yǎng)功能冷熱點的分析，可以確定柴達木盆地山區(qū)草地為水源涵養(yǎng)重點保護區(qū)域，維護山區(qū)草地的穩(wěn)定與健康，加強草地的保護，提升草地植被覆蓋度，同時加強盆地內部植被的恢復，有利于提高柴達木盆地的水源涵養(yǎng)功能。

4.4 水源涵養(yǎng)量評價不確定性分析

InVEST模型估算結果是以年為單位的水源涵養(yǎng)量均值，沒有考慮極端情況和水源涵養(yǎng)量在年內月尺度或者天尺度的變化。同時由于缺少實測數據，使得產水量結果需要通過青海省水資源公報中柴達木盆地總徑流量進行率定，產水量在空間上的分布很難驗證，增加了結果的不確定性。盡管該模型存在一些問題，但在區(qū)域尺度上采用InVEST模型對水源涵養(yǎng)功能進行定量估算，仍然是一種有效而可行的方法[32]。

5 結論

柴達木主要的植被類型為草地，主要分布在盆地東部、南部及東北部山區(qū)，1980-2018年草地面積呈增加趨勢，其中高中覆蓋度草地面積增加趨勢明顯，低覆蓋度草地面積呈減小趨勢，表明柴達木盆地植被生態(tài)有向良性態(tài)勢發(fā)展的趨勢。

1980-2018年柴達木盆地平均年產水量和水源涵養(yǎng)總量分別為32.17 × 108和12.17 × 108m3，水源涵養(yǎng)功能時空變化顯著，空間上由四周山區(qū)向盆地中心遞減，水源涵養(yǎng)量與降水量空間分布比較一致，海拔3 500 m以上的山地水源涵養(yǎng)量約為柴達木盆地總水源涵養(yǎng)量的91.39%，草地是柴達木盆地主要的水源涵養(yǎng)植被，其水源涵養(yǎng)總量占盆地總水源涵養(yǎng)量的95%。柴達木盆地水源涵養(yǎng)量從1980-2018年呈逐年增長趨勢，高中覆蓋度草地面積增加是柴達木盆地水源涵養(yǎng)量提升的主導因素。

柴達木盆地水源涵養(yǎng)功能熱點區(qū)主要集中于研究區(qū)東部、南部及東南部山區(qū)，占柴達木盆地總面積的44.14%，該區(qū)域降水豐富，產水量高，主要分布著中高覆蓋度草地，植被茂密，持水能力較強，水源涵養(yǎng)功能強。冷點區(qū)域主要分布于研究區(qū)中部、北部及西北部，植被稀疏且降水量少，蒸散量高，水源涵養(yǎng)功能低。