沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能輻射效益研究

郭新亞, 杜世勛, 寧 婷, 李 霞, 桑滿杰, 張夢(mèng)瑩

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心, 太原 030009)

“河源區(qū)”作為一種重要的生態(tài)功能區(qū)，具有極高的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能和很好的生態(tài)效益，可為中下游地區(qū)提供生態(tài)保障，對(duì)河源區(qū)保護(hù)程度的好壞直接影響中下游以致整個(gè)流域范圍的生態(tài)環(huán)境的好壞。目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要以Costanza[1]、Chopra[2]等的研究成果最具代表性。國(guó)內(nèi)關(guān)于河源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究較少，賴敏等[3]對(duì)三江源地區(qū)的單位生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了修正，估算了生態(tài)修復(fù)額度；趙秀敏[4]通過(guò)開展遼河源頭的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)，分析了生態(tài)系統(tǒng)功能演變及其成因。沁河為黃河一級(jí)支流，其源頭區(qū)的森林覆蓋率高達(dá)53%以上，其中油松林資源質(zhì)量屬全國(guó)最好，還有廣茂的華北落葉松林、遼東櫟林、山楊林、白樺林等，較好的自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于維持和提高源頭徑流能力、防治沁河上游的水土流失、維護(hù)生物多樣性和生物多樣性的棲息環(huán)境、實(shí)現(xiàn)自然資源的可持續(xù)利用具有重要的意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有空間流動(dòng)性，一個(gè)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不僅對(duì)本區(qū)域具有一定的生態(tài)效益，而且某些服務(wù)功能會(huì)通過(guò)某些途徑在空間上流動(dòng)到系統(tǒng)之外的地區(qū)，對(duì)區(qū)域外的地區(qū)產(chǎn)生一定的輻射效益，其中水源涵養(yǎng)的輻射效益是指上游集水區(qū)域植被與土壤所涵養(yǎng)的水分通過(guò)河流水系等輸水通道轉(zhuǎn)移到中下游地區(qū)產(chǎn)生的服務(wù)效用[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了一些輻射效益方面的研究，韓永偉等[5]對(duì)黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙功能的輻射距離和輻射量進(jìn)行了估算，李慶旭等[6]通過(guò)測(cè)量城市間的直線距離來(lái)估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受益區(qū)，陳璐[7]通過(guò)構(gòu)建輻射效益評(píng)估模型對(duì)洪水調(diào)蓄、大氣調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源等的輻射量進(jìn)行了估算。但是國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)輻射效益的定量化研究甚少，且對(duì)水源涵養(yǎng)的輻射效益一般換算成價(jià)值量進(jìn)行估算，直接計(jì)算輻射量的較少。本文在水源涵養(yǎng)輻射效益的概念上，以水文循環(huán)為基礎(chǔ)，構(gòu)建輻射效益評(píng)估模型，并以沁河源區(qū)為例，估算水源涵養(yǎng)輻射量。

本文利用水量平衡法研究沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征，通過(guò)構(gòu)建輻射效益評(píng)估模型，估算其水源涵養(yǎng)輻射量，并對(duì)輻射量和水源涵養(yǎng)量進(jìn)行對(duì)比，研究沁河源區(qū)的輻射效益空間分布特征，以期為水源涵養(yǎng)功能的輻射效益研究提供一定的參考，并對(duì)在河源區(qū)以及流域范圍研究中的應(yīng)用提供一定的借鑒作用，同時(shí)開展河源區(qū)生態(tài)服務(wù)效益的探索與研究，對(duì)認(rèn)識(shí)河源區(qū)的重要生態(tài)功能、實(shí)行河源區(qū)的保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

沁河，屬于黃河一級(jí)支流，干流總長(zhǎng)485 km，流域面積13 532 km2，發(fā)源于山西省長(zhǎng)治市沁源縣霍山東麓的二郎神溝，源頭至孔家坡段為河源區(qū)，長(zhǎng)度69 km，區(qū)域面積1 360.71 km2(圖1)。研究區(qū)地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)的西緣，大陸性季風(fēng)氣候顯著，四季分明，雨熱同期。研究區(qū)內(nèi)的海拔高度范圍為0～2 500 m，大部分區(qū)間屬于山區(qū)型峽谷，坡陡流急，水多沙少，河道平均縱坡為3.8‰，水能資源豐富。以石質(zhì)山區(qū)為主，干流河道大部分為砂頁(yè)巖地層，水量滲透較少。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于研究區(qū)周圍18個(gè)氣象站點(diǎn)所提供的2001—2015年氣象資料，其中將整理出的各站點(diǎn)年降雨數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)導(dǎo)入到ArcGIS，利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區(qū)多年平均降水量柵格圖；土地利用類型數(shù)據(jù)基于2015年高分影像數(shù)據(jù)解譯獲得；土壤屬性數(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)研究所所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD v1.1)；DEM數(shù)據(jù)來(lái)自ASTER GDEM，空間分辨率為30 m。

圖1沁河源區(qū)水系

2.2 水源涵養(yǎng)量計(jì)算

水源涵養(yǎng)是森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過(guò)蒸散發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流、水循環(huán)的調(diào)控，主要表現(xiàn)在緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水、減緩河流流量的季節(jié)波動(dòng)、滯洪補(bǔ)枯、保證水質(zhì)等方面。水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)方法主要有水量平衡法、綜合蓄水量法、降水存儲(chǔ)量法、模型法等。其中水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機(jī)理的基礎(chǔ)，能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算水源涵養(yǎng)量，且可操作性強(qiáng)，使用頻率最高。

采用水量平衡法進(jìn)行水源涵養(yǎng)生態(tài)功能評(píng)價(jià)。

W=∑(10×Ai×Fi×Ki×Pi×α)

(1)

式中：W為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量(m3)；Pi為評(píng)價(jià)區(qū)域多年平均降水量(mm)；Ai為土地利用類型的面積(hm2)；Fi，Ki分別為該類型的覆蓋率與發(fā)育度指數(shù)；α為徑流系數(shù)。

大量研究表明，植被生長(zhǎng)狀態(tài)最好的指標(biāo)數(shù)據(jù)就是植被指數(shù)，其中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)和植被覆蓋度的相關(guān)性最大，故植被覆蓋度的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：NDVIv和NDVIs分別是茂密植被覆蓋和完全裸土像元的NDVI值。

發(fā)育度與林地成熟度和保護(hù)狀態(tài)有關(guān)，原始森林約為1.0，其他地方小于1.0。根據(jù)已有研究[8-9]，具體賦值見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)類型K值

徑流系數(shù)是指一定匯水面積的地面徑流量與降水量的比值，表示降水量中形成徑流的比例。根據(jù)已有研究[8-9]，具體賦值見表2。

表2 生態(tài)系統(tǒng)類型α值

2.3 輻射效益估算

某地區(qū)的水源涵養(yǎng)量有兩方面的作用，一方面用于滿足自身的需求，另一方面植被和土壤所涵養(yǎng)的水量通過(guò)下滲形成地下水，匯入到河流，通過(guò)河流水系等輸水通道流入中下游，為中下游地區(qū)提供一定的水資源量，從而產(chǎn)生一定的輻射效益。故水源涵養(yǎng)的輻射效益是指森林、草地、河流等生態(tài)系統(tǒng)所涵養(yǎng)的水分通過(guò)河流水系等輸水通道轉(zhuǎn)移到中下游地區(qū)產(chǎn)生的服務(wù)效用。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，分別對(duì)森林、草地、農(nóng)田和河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行輻射效益估算。

2.3.1 森林生態(tài)系統(tǒng) 森林生態(tài)系統(tǒng)所涵養(yǎng)的水量包含3部分，即冠層截留量、枯枝落葉含水量和土壤蓄水量[10]。

對(duì)于森林和草地生態(tài)系統(tǒng)，土壤里儲(chǔ)存的水一部分留在土壤孔隙中，一部分進(jìn)行下滲，只有超過(guò)田間持水量，才能形成自由重力水，從而形成地下水。森林生態(tài)系統(tǒng)輻射效益的評(píng)估需確定土壤蓄水量及田間持水量，進(jìn)而確定可滲入地下的水量，假設(shè)可滲入地下的水量都匯入河流，對(duì)下游產(chǎn)生服務(wù)效用，則這部分水量即為輻射量。輻射量估算步驟如下：

(1) 確定土壤蓄水量[11-12]?；谒科胶獯_定土壤蓄水量，計(jì)算林冠層截留量和枯枝落葉含水量，與水源涵養(yǎng)量相減得到土壤蓄水量。

Q1=P×b×A×10

(3)

Q2=c×A

(4)

S=Q1-Q2

(5)

式中：S為土壤蓄水量(t)；Q1為林冠層截留量(t)；Q2為枯枝落葉含水量(t)；P為降雨量(mm)；A為面積(hm2)；b為林冠截留率(%)；c為枯枝落葉層最大持水量(t/hm2)。

(2) 確定田間持水量。根據(jù)Larson等[13]于1979年提出的公式進(jìn)行計(jì)算田間持水量：

FMC=0.003075n1+0.005886n2+0.008039F+0.002208O-0.1434R

(6)

式中：n1為土壤砂粒含量百分比(%)；n2為土壤粉砂粒含量百分比(%)；F為土壤黏粒含量百分比(%)；O是土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；R為土壤容重(g/cm3)。

土壤水分超過(guò)田間持水量，多余的水分就會(huì)滲透，沒(méi)有不透水層的干擾，就會(huì)在重力作用下滲透到地下水中去。如果土壤蓄水量大于田間持水量就會(huì)形成地下徑流，如果小于，則不匯入地下水。

(3) 估算輻射量。土壤蓄水量減去田間持水量即為可滲入地下的水量，即為輻射量。

2.3.2 草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所涵養(yǎng)的水量為土壤蓄水量。通過(guò)計(jì)算水源涵養(yǎng)量，得到土壤蓄水量，再計(jì)算田間持水量，得到可滲入地下的水量，即輻射量。

2.3.3 河流生態(tài)系統(tǒng) 降雨落入河流后不產(chǎn)流，河流的水源涵養(yǎng)量為降雨量減去蒸發(fā)量后的水量。這部分水量一方面可維護(hù)本地河流自身的生態(tài)需求，另一方面流向下游，保證下游水量，其次也可提供水資源供人類需求。因本研究區(qū)為沁河源區(qū)，該區(qū)域位于河流的源頭，山高坡陡，人類的可達(dá)性較差，使得人類從河流中取水的可能性較小，故本研究排除人類取水的影響，認(rèn)為河流所涵養(yǎng)的水量均可流向中下游，從而對(duì)中下游產(chǎn)生輻射效益，則沁河源區(qū)內(nèi)的河流的水源涵養(yǎng)量即為輻射量。

2.4 輻射比計(jì)算公式

就某一柵格斑塊而言，雨水降落到斑塊后，除去徑流和蒸發(fā)量后的水量為該斑塊的水源涵養(yǎng)量，但水源涵養(yǎng)量并非可以全部下滲到地下匯入地下水，通過(guò)河流水系匯入下游，從而產(chǎn)生一定的輻射效益，故具有輻射效益的水源涵養(yǎng)量占總水源涵養(yǎng)量的一定比例。本文運(yùn)用水源涵養(yǎng)的輻射百分比進(jìn)行水源涵養(yǎng)供給量和輻射量的對(duì)比，該比例可用來(lái)反映特定區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際輻射量和供給量之間的關(guān)系，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：a為輻射比；W為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量(m3)；M為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)輻射量 (m3) 。

3 結(jié)果與分析

3.1 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征

基于水量平衡法，得到柵格分布式的沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)量(30 m×30 m)，結(jié)果如圖2所示。

沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量為234.75 m3，水源涵養(yǎng)總量達(dá)3.52億m3。水源涵養(yǎng)功能在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異，水源涵養(yǎng)功能較高的地區(qū)主要集中在以落葉闊葉林和常綠針葉林覆蓋為主的區(qū)域，主要原因在于這些地區(qū)林地覆蓋度高，雖然蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，但是雨水截留量大，徑流產(chǎn)生少，土壤保水能力高，因而水源涵養(yǎng)量較高。水源涵養(yǎng)功能次高的地區(qū)主要集中在以灌木林和草地覆蓋為主的區(qū)域，與有林地相比，其蒸騰作用相對(duì)較弱，但土壤的蓄水能力亦較弱，且易產(chǎn)生地表徑流。居住地、工業(yè)用地和采礦場(chǎng)等建設(shè)用地的蓄水能力弱，徑流量大、匯流時(shí)間短，降雨多以地表徑流的形式流走，水源涵養(yǎng)功能差。

圖2 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能

研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)類型包括森林、草地、農(nóng)田、河流和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，其中林地的面積最大，占研究區(qū)總面積的75.40%；其次為旱地(190.97 km2)，占總面積的14.04%；草地面積次之，包括草叢(106.25 km2)和草甸(15.26 km2)；建設(shè)用地和河流的面積最小，僅占總面積的1.52%和0.11%。將水源涵養(yǎng)量與土地利用類型疊加，得到不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)總量和單位面積水源涵養(yǎng)能力(表3)。不同土地利用類型水源涵養(yǎng)總量不同，大小依次為：落葉闊葉林>常綠針葉林>落葉闊葉灌木林>旱地>草叢>草甸>河流>農(nóng)村宅基地>風(fēng)電項(xiàng)目>采礦場(chǎng)>工業(yè)用地。林地和草地的水源涵養(yǎng)量最多，占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的近94%。農(nóng)村宅基地水源涵養(yǎng)總量大于河流、工業(yè)用地等主要是由于其面積較大。此外，不同土地利用類型單位面積水源涵養(yǎng)能力也不同，大小依次為：常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>草甸>草叢>河流>旱地>采礦場(chǎng)>農(nóng)村宅基地>風(fēng)電項(xiàng)目>工業(yè)用地。常綠針葉林與落葉闊葉林相比，葉面積較小，蒸發(fā)作用小，故水源涵養(yǎng)量均值較大；研究區(qū)內(nèi)的草甸是山西屈指可數(shù)的典型亞高山草甸之一，主要生長(zhǎng)矮草類高山植物，與草叢相比，植被茂盛且覆蓋度高，水源涵養(yǎng)能力相對(duì)也較好。

表3 不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力

3.2 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能輻射效益特征

利用水循環(huán)得到柵格分布式的沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)輻射量(30 m×30 m)，結(jié)果如圖3所示。

圖3沁河源區(qū)林地、草地和農(nóng)田輻射功能

研究區(qū)內(nèi)林地包括落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林，面積分別為412.27，397.85，213.43 km2，其中落葉闊葉林以櫟林為主，常綠針葉林以油松林為主。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言，林地通過(guò)冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤滲透蓄水發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能[14]，針葉樹種的截留降水量較大，闊葉樹種次之，常綠樹種較大，落葉樹種次之，故常綠針葉林的冠層截留量較落葉闊葉林的大[15]。依據(jù)相關(guān)研究成果，取落葉闊葉林和常綠針葉林的林冠截留率為24.3%和28.9%[16-17]，落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林的枯枝落葉層最大持水量分別為22.5，27.13，34.9 t/hm2[18-19]。

沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)輻射平均量為164.54 m3，總量為2.38億m3。99.30%的林地具有水源涵養(yǎng)輻射效益，平均輻射量為172.17 m3，輻射總量達(dá)到1.91億m3，輻射量的空間分布與植被分布有關(guān)，輻射較好的區(qū)域主要分布在落葉闊葉林區(qū)域，其中落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林的平均輻射量分別為179.33，162.13，174.88 m3，輻射總量分別為0.81億m3，0.71億m3，0.39億m3。97.12%的草地具有水源涵養(yǎng)輻射效益，平均輻射量為140.99 m3，輻射總量為0.22億m3。94.89%的農(nóng)田具有水源涵養(yǎng)輻射效益，平均輻射量為136.18 m3，輻射總量為0.24億m3。河流平均水源涵養(yǎng)輻射量為174.31 m3，水源涵養(yǎng)輻射總量達(dá)到232.94萬(wàn)m3。

3.3 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)輻射比特征

基于公式(8)：得到柵格分布式的沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)輻射比(30 m×30 m)，結(jié)果如圖4所示。

圖4沁河源區(qū)林地、草地和農(nóng)田水源涵養(yǎng)輻射比

沁河源區(qū)內(nèi)輻射總量占水源涵養(yǎng)總量的67.61%，具有輻射效益的區(qū)域面積占總面積的96.81%，主要集中在林地、草地、農(nóng)田和河流區(qū)域。就產(chǎn)生輻射效益的區(qū)域而言，99.30%的林地具有水源涵養(yǎng)輻射效益，林地斑塊水源涵養(yǎng)量的64.89%可形成地下水匯入河流中；97.12%的草地具有水源涵養(yǎng)輻射效益，草地斑塊水源涵養(yǎng)量的97.76%可下滲至地下水，隨水的流動(dòng)匯入下游區(qū)域；94.89%的農(nóng)田具有水源涵養(yǎng)輻射效益，其中92.98%的水源涵養(yǎng)量具有輻射效益；河流涵養(yǎng)的水量一部分用于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)正常功能，一部分流向下游，為下游提供水資源。研究區(qū)具有很好的植被覆蓋，以落葉闊葉林和常綠針葉林為主，土壤以粉砂壤土和壤土為主，滲透性較強(qiáng)；研究區(qū)內(nèi)有草甸分布，是山西屈指可數(shù)的典型亞高山草甸之一，主要生長(zhǎng)著矮草類高山植物，植被茂盛且覆蓋度高，水源涵養(yǎng)能力相對(duì)較好，且林地具有較大的林冠截留，故與草地下滲至地下的水源涵養(yǎng)比例相比，林地下滲的比例較少。

4 結(jié) 論

(1) 沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量234.75 m3，水源涵養(yǎng)總量達(dá)3.52億m3。林地和草地的水源涵養(yǎng)量最多，占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的近94%。不同土地利用類型單位面積水源涵養(yǎng)能力不同，大小依次為：常綠針葉林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>草甸>草叢>河流。

(2) 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)輻射平均量168.41 m3，總量2.14億m3。沁河源區(qū)99.30%的林地、97.12%的草地、94.89%的農(nóng)田和100%的河流具有水源涵養(yǎng)輻射效益，輻射總量分別為1.91億m3，0.22億m3，0.24億m3，232.94萬(wàn)m3。

(3) 沁河源區(qū)林地斑塊的實(shí)際輻射量占供給量的64.89%，草地斑塊的實(shí)際輻射量占供給量的97.76%，耕地斑塊的實(shí)際輻射量占供給量的92.98%。