晋北沙漠化区生态系统产水服务时空变化

侯德恒

(山西省林业调查规划院,太原 030012)

0 引言

水是生态系统所必需的关键因子,生态系统主要通过海洋蒸发、植物蒸腾、水汽输送、降水和地表、地下径流等水循环过程为各生命有机体提供水分。陆地生态系统中的水资源主要来源于大气降水,而在大气降水和水资源之间又存在着各种耗水过程。潜在的水资源是大气降水除去渗漏、蒸散后剩下的固态和液态水,即陆地生态系统所有形式产水的总和[1]。

产水服务是关键的生态系统服务之一,又叫地表产水量,是地表径流与地下入渗的总和,也是流域水文模型的一个主要输出[2]。水资源供给服务随着产水量的增加而增加[3]。产水量的计算基于水量平衡法,即降雨量减去蒸散发和地下渗漏后所剩余的部分[4]。如中国的新安江模型,先测得水面蒸发和土壤湿度,然后将实测结果代入到蒸散发模型,即可计算出流域蒸散发[5]。再根据降雨的实测值,将其与上一步得出的蒸散发输入到产流方程中,计算得出径流;下一步将所得的径流代入到分水源方程,计算得出地面径流、土壤中流与地下径流三个结果,最后将其合并计算而成为流域的产水量。其它模型如SWAT模型或者WEPP模型都能对径流等进行计算。其中由斯坦福大学等研究机构开发的InVEST模型是最为有效的评价工具之一。InVEST模型在其空间分析功能、应用成本、开源性、评估精度等方面相比其他模型具有明显的优势。InVEST模型是用于生态系统服务功能评估的模型系统,其中InVEST模型的产水服务是基于budyko方程得以实现的[6]。近年来,基于InVEST模型国内外学者开展了不同区域的产水服务的研究。如部分学者在利用多年实测数据对模型参数精确校正的基础上,运用InVEST模型的产水量模块对西苕溪流域产水量进行了分析与预测[7]。此外,潘韬等[8]以InVEST模型为基础,对三江源区的水源供给量进行了定量估算,并根据估算结果分析了产水量的时空变化特征及形成原因。

水资源短缺是晋北沙漠化区面临的主要生态问题之一,也是当地生态重建的主要限制因素。随着人口数量的不断增长,社会经济的快速发展,对区域水资源的需求越来越重要。20世纪90年代,晋北沙漠化区不合理的人类活动改变了地表结构,如人为大面积的毁林开荒造成了严重的水土流失和生态的失衡,导致土壤保持和涵养水源等生态服务功能遭到了危害,对产水服务的供给造成了负面影响[9]。而近年来,随着生态工程建设的实施,对研究区的产水服务的供给产生了一定的积极作用。产水服务作为主导的生态系统服务,是晋北沙漠化区开展生态环境建设的限制性服务之一[10]。产水量是表示降水与蒸发关系的一种指标,为水资源供应力的研究和水库、生态建设等方面提供了依据。因此,本文应用InVEST模型分析了1999年、2009年和2014年3个时期晋北沙漠化区产水服务的时空变化,为晋北沙漠化区生态恢复重建设提供重要理论基础。

1 研究区概况

晋北地区位于我国北方生态脆弱的农牧交错带,是山西省土地沙化较为严重的地区,行政区辖朔州市的右玉县、平鲁区、应县等,大同市的南郊区、新荣区、浑源县、大同县等和忻州市的偏关县、河曲县、保德县、繁峙县、代县等,共计20个县(区),国土总面积3.17万km2。研究区内黄土遍布,地势繁杂,植被覆盖率低,土壤裸露面积大,防风固沙以及蓄水能力很有限,土地沙漠化较为严重。“一寒二旱”是晋北沙漠化区的主要气候特点,全区属于温带大陆性半干旱季风气候区。全年年平均气温为3.6～8.8℃,年光照时数为2 300 ～ 2 900 h。年均降水量为360 ～ 490 mm。该地区拥有大量矿产、煤炭等自然资源,人类的活动对区域的生态环境干扰频繁[11-12]。主要流域有忻州市、朔州市及大同市的朱家川河、县河、偏关河、恢河、大沙沟、苍头河、黄河水、滹沱河、十里河、口泉河、浑河、淤泥河、御河和南洋河。尽管大小流域分布较为密集,但人为对自然资源不断开发加剧了水资源的消耗,导致水资源短缺的现象进一步突出,反过来也加剧了土壤的沙化[13-14]。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

本研究所需的数据主要包括土地利用数据、土壤数据、气象数据、DEM数据和流域分布数据等。其中土地利用数据由Landsat TM遥感影像解译获得;土壤数据(主要为土壤质地和土壤深度)来源于中科院寒区及旱区科学数据中心;气象数据来源于山西省气象台,为3期(1999年、2009年和2014年)10个站点的月平均气温、月平均降雨量和月日照时数等;DEM数据来源于地理空间数据云平台,空间分辨率为30 m;流域分布数据(研究区流域和子流域的矢量图)在ArcGIS支持下由DEM提取。

2.2 研究方法

基于InVEST模型,结合水量平衡法,从流域尺度(图1)对晋北沙漠化区三个时期的产水量进行估算,公式如下:

(1)

式中:Yxj为不同时期的年产水量;AETxj是第j类土地利用类型上的第x个栅格的年均蒸散发量。Px是第x个栅格的年均降水量。年均蒸散发量由公式(2)计算获得:

(2)

式中,Rxj为第j类土地利用类型上的第x个栅格的无量纲干燥指数[15-16]。ωx为修正指数,是用来修正植被年可利用水量与降水量的比值。Rxj、ωx的计算见公式(3)。

(3)

式中:ET0x是第x个栅格的潜在蒸散量,本文采用Hamon公式[17-19]计算获得;kxj是第j类土地利用类型上的第x个栅格的植被蒸散系数[13](表1)。Z为是表征多年平均降水特征的常数因子,本研究中为9.433;AWCx为可利用水含量(mm),由土壤深度、有效根深和土壤质地等参数共同计算获得[20-21](表1)。在完成晋北沙漠化区多年平均径流量和蒸散量的计算后,基于其数据结果,采用水量平衡法对研究结果进行校验,最后得到晋北沙漠化区的多年平均产水量[22-24]。

表1 InVEST模型输入参数的参考值

3 结果与分析

3.1 产水服务时空动态

基于DEM图将研究区划分为朱家川河、十里河、县河、偏关河、恢河、大沙沟、苍头河、口泉河、浑河、黄河水、滹沱河、淤泥河、御河和南洋河等14个流域。对DEM进行预处理,确定水流方法,然后计算汇流累计量,确定提取流域河网。在提取流域河网的基础上,根据河网确定的水文节点,将河网划分成不同河段,最后可完成子流域边界的确定。研究区子流域的分布如图1所示。

Fig.1 Watershed map of in desertification area of Northern Shanxi Province图1 晋北沙漠化区流域划分图

基于InVEST模型和表1中的参数,计算了研究区流域尺度1999年、2009年和2014年3个阶段的产水量,3个阶段的产水量空间分布如图2所示。1999年晋北沙漠化区的产水量98.28 mm～184.44 mm,其中产水量最大值分布在忻州市西部的朱家川河流域(集中在五寨县、神池县和保德县内),和朔州市的大沙河流域(集中在平鲁区、朔城区和山阴县内)。产水量的相对较小的区域主要集中在忻州市偏关县的偏关河流域。2009年,晋北沙漠化区的产水量值比1999年的产水量值大,范围在139.73 mm到260.15 mm之间。产水量最大值主要分布在忻州市的西部的朱家川河流域和东部滹沱河流域,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镇县和阳高县的南洋河,大同县的御河,新荣区的淤泥河和南郊区的口泉河等流域,浑源县的浑河、偏关县偏关河、右玉县的苍头河等流域的产水量也相对较低。相比前两个时期,2014年晋北沙漠化区的产水量范围明显增大。范围在208.39 mm到398.33 mm之间。其中产水量的最高值依然分布在忻州市的西部的朱家川河流域(五寨县、神池县和保德县内),县河流域和苍头河流域产水量也相对较高,产水量最小值分布在大同市的御河和南洋河流域内。

Fig.2 Spatial and temporal variations of water yield services of 1999, 2009 and 2014 in desertification area of northern Shanxi province图2 晋北沙漠化区1999,2009和2014年产水服务的空间分布及三年产水量的时间变化

从图2可以看出,1999年、2009年和2014年晋北沙漠化区的平均产水量是分别为144.37 mm,191.42 mm和264.48 mm。整体上来看,1999～2014年整个晋北沙漠化区的产水量呈显著上升的趋势。1999～2009年研究区的产水量增加了47.05 mm,而2009～2014年研究区的产水量增加了73.06 mm。因此,1999～2014年研究区的产水量呈缓慢增加趋势,研究区生态系统的产水服务在增强。

3.2 产水服务变化空间格局

1999～2014年、1999～2009年和2009～2014年这三个时期产水服务的空间分布(图3)显示:1999～2009年晋北沙漠化区产水量均呈整体增加的趋势,没有出现负值,但空间上差异较大。前10a的产水量从南到北呈逐渐减少的趋势。整体来看,忻州市东部的滹沱河流域增加最为明显,其次是忻州市西部朱家川河,县河,偏关河,朔州市的恢河,大沙河和黄水河流域,而大同市的南洋河、御河、淤泥河、十里河和口泉河等流域产水量增加不明显。但是,2009～2014年产水量空间变化差异较大。除忻州市东部滹沱河流域外,其他区域的产水服务均呈增强的趋势,其中大同市的大部分区县(大同县、南郊区、新荣区和左云县)和忻州市西部(神池县、五寨县、保德县)各流域的产水量增加变化大且较为明显。1999～2014年晋北沙漠化区的产水量呈显著增加的趋势,增加值在80 mm到213.89 mm之间。具体来看,忻州市西部的偏关河、朱家川河和县河流域增加范围最大,主要集中在150 mm以上;其次是朔州市北部的苍头河、大同市西部的十里河、淤泥河和御河及忻州市东部滹沱河。增加较为缓慢的区域主要集中在大同市的东南和东北部,朔州市的北部的部分流域。为了改善区域生态环境,国家于在区域开展了一系列生态工程的实施,如2001年启动实施的京津风沙源治理工程和1999年启动实施退耕还林工程。因此,从1999～2014年晋北沙漠化区产水量空间变化可以看出,随着国家这些政策的实施,研究区的产水服务在增强。

Fig.3 Difference of Water Yield Services in Desertification Area of Northern Shanxi Province over different periods图3 晋北沙漠化区产水服务时空动态变化分布图

3.3 讨论

本研究结果显示研究区的西南部产水量增加幅度较大,适合集约化的灌溉农业生产;而研究区西北部和东南部相关区域产水量增长速度次之,适合一些需水较少的农业生产,如玉米、高粱等的种植及一些滴灌、地膜覆盖等节水农业方式。此外,产水服务的分析结果也为生态移民等生态保护政策的实施提供了理论依据。一般来说,产水量高的地方,其生态环境状况也相应好一些,这些区域的生态承载力相应也高,也是进行生态移民异地安置的合适区域;而产水量少的区域则应该减少生态压力,进行生态保育。

整个晋北沙漠化区处于干旱区,年降雨量不足400 mm,有必要在综合分析产水服务的基础上,集约化地利用有限的水资源。在产水量较高的区域,合理布局乔灌草的分布格局,千方百计增加当地水资源涵养能力。在水库的选点上,要选择那些产水量高的区域进行修建。对于产水量增加缓慢的地区,应该有针对性地结合研究区实际情况,尽可能地提高产水服务,减少干旱状况的发生,避免沙化的加剧。此外,研究区的地形,地质等因素对流域产水量可能会有很大影响,本研究缺少对特征参数ω进行区域化的校正处理。在今后的研究中,需基于特征流域的实测数据,对参数ω进行修正,从而提高产水量的模拟精度。此外,应结合水质等因子对研究区进行更深入的研究。

4 结论

本文对晋北沙漠化区的产水服务进行定量研究及分析,得出以下结论:

(1)时间上,1999年、2009年和2014年晋北沙漠化区的产水量呈逐渐增加的趋势,3 a的年平均产水量是分别为144.37 mm,191.42 mm和264.48 mm。研究区的产水量的空间差异较大,其中研究区西南部的忻州市的朱家川流域产水量较大,而研究区东北的大同市的南阳河和御河产水量相对较小。

(2)1999～2014年、1999～2009年和2009～2014年晋北沙漠化区3个阶段的产水量均呈增加的趋势。其中,忻州市西部的偏关河、朱家川河和县河流域增加范围最大,主要集中在150 mm以上。