水源涵养型国家重点生态功能区生态系统服务功能评估

杜世勋,刘海江,张梦莹,王亚璐,刘雪佳,刘军会

1 山西省生态环境保护服务中心(山西省环境规划院),太原 030000

2 中国环境监测总站,北京 100012

3 中国环境科学研究院,北京 100012

国家重点生态功能区是指承担水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护等重要生态功能,关系全国或较大范围区域的生态安全,需要在国土空间开发中限制大规模高强度工业化开发,以保持并提高生态产品供给能力的区域。为维护国家生态安全,推动国家重点生态功能区地方政府加强生态环境保护和改善民生,财政部于2009年印发了《国家重点生态功能区转移支付(试点)办法》,中央财政开始以一般性转移支付的方式对国家重点生态功能区县级政府进行生态补偿[1]。截止到2019年,国家已累计下达转移支付资金近5200多亿元。目前关于国家重点生态功能区转移支付生态保护效应的理论研究主要是对转移支付政策理解[2—3]、转移支付方式[4—5]等进行分析论述,实证研究案例大多集中在单个区域[6—9],而针对整个水源涵养型国家重点生态功能区的研究,主要是在国家转移支付政策实施前[10],所以评估国家转移支付政策实施十多年来(2011—2019年)水源涵养型国家重点功能区的生态保护成效,对国家生态环境保护与修复决策具有重要意义。水源涵养功能区作为国家重点生态功能区四种类型之一,主要分布在我国重要江河源头区和重要水源补给区[11]。

本研究选择水源涵养型国家重点生态功能区作为研究对象,基于水量平衡法,计算2011、2019年水源涵养状况及变化,评估国家重点生态功能区转移支付政策对水源涵养功能区生态保护的效果,以期为促进国家重点生态功能区地方政府生态环境保护提供支撑。

1 研究区概况

目前,纳入国家重点生态功能区转移支付范围的水源涵养类生态功能区有31个,涉及361个县区,分布在23个省份,面积约207.10万km2,约占我国国土面积的21.88%(图1、表1)。

表1 水源涵养类型国家重点生态功能区分布表Table 1 The distribution table of the water conservation type national key ecological function areas

续表功能区名称Function areas name主要生态系统类型Main ecosystem types面积/km2Area /km2涉及县(区、市)个数Number of counties (districts、cities) involved海东-甘南高寒草甸草原水源涵养功能区Water conservation ecological function area of alpine meadow steppe re-gion on Haidong-Gannan草地4549.162天山北坡森林草原水源涵养功能区Ecological function area of forest steppe region on the north slope of tian-shan mountain water conservation草地68523.1610祁连山冰川与水源涵养生态功能区Glacier and water conservation region in Qilian Mountains草地228250.7220阿尔泰山地森林草原生态功能区Mountain forest steppe region in Altai草地117549.827桐柏山水源涵养生态功能区Ecological function area of Tongbai mountain water conservation耕地1915.231甘南盆地水源涵养生态功能区Ecological function area of Gannan basin water conservation耕地7825.573衡水湖水源涵养生态功能区Ecological function area of Hengshui lake耕地2411.073白洋淀水源涵养生态功能区Ecological function area of Baiyangdian耕地1260.872合计 Total2070994.11361

图1 全国水源涵养重点生态功能区Fig.1 The water conservation type national key ecological function areas

2 研究方法与数据来源

2.1 水源涵养功能评价

(1)水源涵养量计算

目前,国内外提出了多种定量评估水源涵养能力的方法,如综合蓄水能力法[12—13]、林冠截留剩余量法[14]、水量平衡法[15—16]、降水储存量法[17—18]、多因子回归法[19]、森林水文模型法[20]以及多模型集成法[21—23]等,并且在区域[24—27]、流域[28—29]、全国[30]等多个尺度得到广泛应用。在这些方法中,水量平衡法基于系统整体性原理,只考虑水分输入与输出来核算生态系统持水量,需要降雨量、蒸散量和土地类型数据三个参数即可估算,简单易操作,能够较为准确的计算水源涵养量[31],已得到广泛应用。因此本文采用水量平衡方程来计算水源涵养量,计算公式为：

式中,TQ为总水源涵养量(m3),Pi为降雨量(mm),Ri为地表径流量(mm),ETi为蒸散发(mm),Ai为i类生态系统面积(km2),i为研究区第i类生态系统类型,j为研究区生态系统类型数。

2.2 数据来源

(1)土地覆被数据

2011、2019年的土地覆被数据来源于中国环境监测总站国家生态环境监测网2011、2019年水源涵养功能区生态类型监测数据,该数据基于中高分辨率卫星遥感数据解译获得。本文根据土地利用特点,将土地覆被类型归并为森林、草地、湿地、耕地、其他和城市6个生态系统类型。

(2)气象数据

降水量数据：从中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)中国地面气候月值数据集中获取全国气象站点2011年和2019年20—20时降水量数据。运用ArcGIS 10.3中的克里金插值工具对月降水量数据进行空间插值,插值完成后在栅格计算器中合成年总降水量,精度为30m。

实际蒸散发：来源于MODIS的MOD16A2蒸散发数据(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search),空间分辨率为1000m,时间分辨率为8d,运用MODIS Reprojection Tool对影像进行拼接、裁剪,之后在ArcGIS 10.3中进行2011、2019年年值数据的叠加,并重采样为30m空间分辨率,最后得到蒸散发因子栅格图。

地表径流数据：地表径流系数依据中国环境监测总站国家生态环境监测网2011、2019年全国生态类型监测数据,根据相应的生态系统类型进行折算,其中有林地取常绿阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林、落叶阔叶林及落叶针叶林的均值；灌木林地取常绿阔叶灌丛、落叶阔叶灌丛以及针叶灌丛的均值；疏林地直接对应取值；其他林地根据“全国生态遥感监测土地利用/覆盖分类体系”中对地类含义的描述,取稀疏灌丛、乔木园地与灌木园地的均值；高覆盖度草地取值为草原；中覆盖度草地取草甸和草丛的均值；低覆盖度草地取值为稀疏草地；湿地、水田、旱地、建设用地及未利用地直接对应取值。得到表2中的地表径流系数均值。

地表径流量由降水量乘以地表径流系数获得,计算公式为：

R=P×α

式中,R为地表径流量(mm),P为多年平均降水量(mm),α为平均地表径流系数。各类型生态系统地表径流系数赋值见表2。

表2 各类型生态系统地表径流系数均值表Table 2 Table of mean values of surface runoff coefficients of various types of ecosystems

2.3 生态系统质量评价

本研究选取植被覆盖度反映生态系统质量的状况。植被覆盖度信息提取是在对光谱信号进行分析的基础上,通过建立归一化植被指数与植被覆盖度的转换信息,直接提取植被覆盖度信息。

Ci=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中,NDVIveg为完全植被覆盖地表所贡献的信息,NDVIsoil为无植被覆盖地表所贡献的信息。由于大部分植被覆盖类型是不同植被类型的混合体,所以不能采用固定的NDVIsoil和NDVIveg值,通常根据NDVI的频率统计表,计算NDVI的频率累积值,累积频率为5%的NDVI值为NDVIsoil,累积频率为95%的NDVI值为NDVIveg。

NDVI数据采用MODIS的MOD13Q1 NDVI数据产品(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search),空间分辨率为250m,时间分辨率为16d。

3 结果与分析

3.1 水源涵养功能

从空间分布来看,全国水源涵养型重点生态功能区内的水源涵养量呈现从西北部到东南部逐渐增加的趋势,水源涵养量较高的区域主要分布在南岭山地森林及生物多样性生态功能区东部、黄山水源涵养生态功能区西南部、浙闽山区水源涵养生态功能区东部,以森林生态系统类型为主。水源涵养量较低的区域主要分布在西北部的天山北坡森林草原水源涵养功能区、阿尔泰山地森林草原生态功能区以及雅江上游高寒草甸草原水源涵养区,草地是主要的生态系统类型,2011年和2019年水源涵养型生态功能区水源涵养量空间分布情况见图2。

图2 2011年和2019年全国水源涵养重点生态功能区水源涵养量分布Fig.2 Distribution of water conservation in the water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

分析表明,2011年全国31个水源涵养型生态功能区的水源涵养总量为3656.59亿m3,单位面积水源涵养量为0.0018×108m3/km2,2019年全国31个水源涵养型生态功能区的水源涵养总量为8284.09亿m3,单位面积水源涵养量为0.0040×108m3/km2,2019年水源涵养总量较2011年增长4627.50亿m3,单位面积水源涵养量增加0.0022×108m3/km2,增幅达120%以上,增长主要原因是重点生态功能区内降水量的增长、森林面积的增加以及植被覆盖度的提高,2011和2019年水源涵养型生态功能区水源涵养量见表3。水源涵养重点生态功能区内2011和2019年的平均降水量分别是602.60mm和829.43mm,增幅为37.6%,具体见表3,2011和2019年水源涵养型生态功能区降雨量空间分布情况见图3。研究区内2011年平均蒸散发为334.51mm,2019年平均蒸散发为328.19mm,稍有减少,具体见表3,降水量的增加和蒸散发的减少直接导致水源涵养量的大幅升高。森林面积2019年较2011年增长13110.07km2,且植被覆盖度有所增加,森林水源涵养量占到了重点功能区水源涵养总量的70%以上,转移支付政策实施以来,退耕还林、天然林保护等政策的实施,使得水源涵养重点生态功能区内森林面积增加,保证了水源涵养功能的稳定提高。

表3 2011年和2019年全国水源涵养重点生态功能区水源涵养功能情况表Table 3 Table of water conservation function of water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

图3 2011年和2019年全国水源涵养重点生态功能区降水量分布Fig.3 Distribution of precipitation in the water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

从单个功能区水源涵养总量变化来看,全国31个水源涵养型重点生态功能区中,约80.65%的功能区呈现增长趋势,38.71%的功能区呈现倍数增长,仅9.68%的功能区的增长幅度较小,呈现相对稳定状态。水源涵养量增加多的功能区主要分布在我国东北部以及青藏高原的东北边缘,其中位于我国东北部的大小兴安岭森林生态功能区和长白山森林生态功能区,2019年的降水量均比2011年增加一倍以上,水源涵养量的增加主要得益于降水量的增长。位于青藏高原东北边缘水源涵养量增加明显的4个重点生态功能区分别是海东-甘南高寒草甸草原水源涵养功能区、甘南黄河重要水源补给生态功能区、若尔盖草原湿地生态功能区和三江源草原草甸湿地生态功能区,4个功能区内林地面积和降水量均有增加,蒸散发降低,由于其处于高原气候区,水分收入是影响该区生态系统结构和功能的主要因素,所以水源涵养量增长明显。水源涵养量降低的功能区主要是京津水源地水源涵养生态功能区和闽东丘陵常绿阔叶林生态功能区。2019年较2011年京津水源地水源涵养生态功能区林地面积增长25.41%,但降水量2019年较2011年下降幅度大,降幅达57%,直接影响了功能区内2019年的水源涵养功能。闽东丘陵常绿阔叶林生态功能区的森林面积降低,降幅为9.44%,且降雨减少明显,减幅为44.53%,森林面积的降低和降水量的减少导致该区2019年水源涵养功能下降。

3.2 生态系统宏观结构变化情况

全国水源涵养型重点生态功能区生态系统类型以森林和草地为主。2011年全国水源涵养型重点生态功能区森林生态系统面积735965.68km2,草地生态系统面积为666812.47km2,湿地生态系统面积63398.08km2,分别占水源涵养全国重点生态功能区面积的35.63%、32.28%、3.07%。2019年全国水源涵养重点生态功能区森林和湿地面积分别增加13110.07km2和3202.22km2,增长幅度分别为1.78%和5.05%,草地面积有所减少,减少了25975.95km2,减幅为3.90%。减少的草地中有48.82%转换为森林,主要分布在三江源草原草甸湿地生态功能区东部、南水北调水源涵养生态功能区西部以及京津水源地水源涵养生态功能区东部,有30.90%转换为未利用地,主要分布在三江源草原草甸湿地生态功能区西北部和阿尔泰山地森林草原生态功能区。森林生态系统和湿地生态系统的稳定增长,保障了重点生态功能区重要生态系统服务功能的提高。全国水源涵养重点生态功能区生态系统情况见图4和表4。

表4 2011年和2019年全国水源涵养重点生态功能区生态系统情况表Table 4 Ecosystem situation table of water conservation type national key ecological function areas in 2011 and 2019

图4 全国水源涵养重点生态功能区典型生态系统变化Fig.4 Changes of typical ecosystems in the water conservation type national key ecological function areas

全国水源涵养型重点生态功能区中森林生态系统面积增长较为明显的功能区有京津水源地水源涵养生态功能区、海东-甘南高寒草甸草原水源涵养功能区、中喜马拉雅山北翼高寒草原水源涵养区、祁连山冰川与水源涵养生态功能区、南水北调水源涵养生态功能区、雪峰山水源涵养生态功能区,增幅均超过10%,京津水源地水源涵养生态功能区的增幅最高,为25.41%。森林生态系统面积降低较为明显的功能区有雅江上游高寒草甸草原水源涵养区、雅江中游谷地水源涵养区,降幅均超过50%,雅江上游高寒草甸草原水源涵养区减少的林地中有49.46%转换为草地,49.82%转换为未利用地,雅江中游谷地水源涵养区减少的林地中有98.76%转换为草地。

草地生态系统面积增长较为明显的功能区有雅江中游谷地水源涵养区、雅江上游高寒草甸草原水源涵养区、中喜马拉雅山北翼高寒草原水源涵养区,增幅分别为59.09%、8.38%、5.36%。草地面积减少的功能区主要包括天目山区水源涵养生态功能区、雪峰山水源涵养生态功能区、京津水源地水源涵养生态功能区,降幅均超过50%,三个功能区减少的草地85%以上都转换为森林,其中天目山区水源涵养生态功能区减少的草地中有97.87%转换为森林,雪峰山水源涵养生态功能区减少的草地中有91.40%转换为森林,京津水源地水源涵养生态功能区减少的草地中有87.44%转换为森林。

3.3 生态系统质量变化情况

本文选取植被覆盖度反映生态系统质量的状况。2011年全国水源涵养重点生态功能区内平均植被覆盖度为0.63,植被覆盖度较高的区域主要分布在我国东北部的大小兴安岭森林生态功能区、长白山森林生态功能区、中南部区域的南水北调水源涵养生态功能区以及南岭山地森林及生物多样性生态功能区等区域；植被覆盖度较低的区域主要分布在我国西北部区域,以阿尔泰山地森林草地生态功能区南部区域、祁连山冰川与水源涵养生态功能区北部区域、三江源草原草甸湿地生态功能区北部区域、雅江上游高寒草甸草原水源涵养生态功能区、雅江中游谷地水源涵养生态功能区以及中喜马拉雅山北翼高寒草原水源涵养生态功能区为主。

2019年全国水源涵养重点生态功能区内平均植被覆盖度为0.64,与2011年相比有所增加,植被覆盖度较高及较低的分布区域与2011年相同(图5)。从功能区内森林和草地生态系统的植被覆盖度来看,阿尔泰山地森林草原生态功能区、甘南黄河重要水源补给生态功能区和南岭山地森林及生物多样性生态功能区等10个重点生态功能区内的森林和草地生态系统的植被覆盖度都有所提高。雅江中游谷地水源涵养区和幕阜山-九岭山水源涵养生态功能区均是森林生态系统的植被覆盖度降低,草地生态系统的植被覆盖度上升。中喜马拉雅山北翼高寒草原水源涵养区、雅江上游高寒草甸草原水源涵养区则相反,均是森林生态系统的植被覆盖度上升,草地生态系统的植被覆盖度降低。水源涵养型国家重点生态功能区内森林、草地主要生态系统的植被覆盖度情况见表5。

表5 各功能区森林、草地生态系统植被覆盖度Table 5 Vegetation coverage of forest and grassland ecosystem in each water conservation type national key ecological function areas

图5 全国水源涵养重点生态功能区植被覆盖度Fig.5 Vegetation coverage in water conservation type national key ecological function areas

4 结论与讨论

4.1 结论

本文在全国水源涵养型重点生态功能区范围内进行2011年和2019年水源涵养功能评估,并结合各功能区主要生态系统类型对评估结果进行综合分析比较,得出以下结论：

(1)我国水源涵养型重点生态功能区水源涵养量呈现从西北部到东南部逐渐增加的空间分布趋势。国家重点生态功能区转移支付自2011年实施以来,水源涵养型国家重点生态功能区生态系统状况总体好转,水源涵养总量呈现明显增加。

(2)森林和湿地生态系统面积增加,保障了重点生态功能区重要生态系统服务功能的提高。

(3)转移支付政策实施以来水源涵养型国家重点生态功能区植被覆盖度有所增加,生态系统质量提高。

(4)总体来看,转移支付政策天然林保护、退耕还林、退牧还草等工程的实施对全国水源涵养重点生态功能区森林、草地生态系统水源涵养服务的提升发挥了积极作用。2011年到2019年全国水源涵养型重点生态功能区基本上地达到了转移支付政策预期的阶段性目标。

4.2 讨论

生态系统服务功能是国家实施生态补偿和构建生态安全屏障的重要基础和依据。从本文研究结果来看,实施转移支付政策以来,2019年水源涵养型国家重点生态功能区的水源涵养服务整体呈现增加趋势,但少数功能区呈现下降趋势,这些功能区应该引起足够重视,加大生态保护力度,避免生态系统服务功能的退化和恶化。另外,本文仅对转移支付政策实施之后的2011和2019年两个年份进行了水源涵养功能的评估,如果在数据可获取的情况下,可进行水源涵养功能的逐年评估,以便更好的评估转移支付政策的阶段性实施效果。

水量平衡法是研究水源涵养机理的基础,能够比较准确地计算水源涵养量,而且容易操作,因此理论上讲是计算水源涵养量最完美的方法,也是目前使用频率最高的方法。但依然存在不确定性问题,一是蒸散发目前还难以实现精准测量；二是研究区的空间异质性问题一般被忽略掉。本研究中地表径流的估算对不同区域的同一种生态系统类型采取同一个地表径流系数,具有极大的不确定性,会对评价结果产生一定的误差。因此如何结合水文学知识,集成成熟的径流计算模型,获得较为准确的流域尺度径流估算值,进而提高水源涵养量的估算精度是未来研究工作的重点之一。同时,建议在水源涵养型国家重点生态功能区内逐步建设生态系统服务功能数据观测共享平台,观测收集与水源涵养能力相关的各个重要因子数据,便于更好的监测功能区水源涵养功能的变化情况。

根据水源涵养功能评估方法可知,对水源涵养功能影响最大的两类因素为气候因子和下垫面因子。而人为干预很难做到直接快速的改善区域内气候状况,所以采用改善下垫面特征是相对较为适合、且效果较好的改善地区水源涵养功能的方法。因此可以通过控制城市无序扩张、减少裸地面积、增加森林草地湿地面积、改善森林结构等方式改善土地覆被类型,从而从整体上提高区域的水源涵养功能,体现转移支付资金的使用效益。