京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能時空變化分析

張 彪,王 爽,李慶旭,謝高地

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國生態(tài)文明研究與促進會,北京 100035

土地是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和自然資源。由于人口數(shù)量持續(xù)增長和土地資源不合理利用,我國土地退化態(tài)勢較嚴(yán)重[1],截至2014年仍有荒漠化土地261.16萬km2,沙化土地172.12萬km2[2]。為遏制土地退化趨勢,我國相繼實施了一系列重大生態(tài)保護工程[3],并取得了顯著的生態(tài)建設(shè)成效。但生態(tài)系統(tǒng)演化與恢復(fù)是一個漫長過程,開展生態(tài)系統(tǒng)狀況評估與生態(tài)恢復(fù)成效監(jiān)測尤為重要[4]。由于我國重大生態(tài)工程區(qū)涉及到廣大的干旱、半干旱地區(qū),而水分狀況是植被生長與生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵,因此清晰揭示生態(tài)工程區(qū)水分狀況的動態(tài)變化可為生態(tài)保護與修復(fù)工程的規(guī)劃布局提供重要參考。水源涵養(yǎng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要服務(wù)功能之一,對區(qū)域水文狀況改善、水分循環(huán)調(diào)節(jié)以及飲用水源保護等具有重要意義[5],但易受生態(tài)系統(tǒng)類型、土壤理化性質(zhì)、地形地貌特征以及降水、蒸散和徑流等因素影響[6],因此準(zhǔn)確評價水源涵養(yǎng)功能是當(dāng)前研究的難點與熱點。張彪等[7]總結(jié)森林水源涵養(yǎng)功能的評估方法有土壤蓄水能力法、區(qū)域水量平衡法、年徑流量法、多因子回歸法等,王曉學(xué)等[8]進一步明確了這些方法的基本假設(shè)和適用尺度,司今等[9]則分析探討了水源涵養(yǎng)功能計算方法的區(qū)域適用性。近年來,SWAT[10]、SCS-CN[11]、InVEST[12]、DTVGM[13]以及元胞自動機[14]等模型也被應(yīng)用于水源涵養(yǎng)功能評價中。但是,水源涵養(yǎng)是一定時空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)截留與保持水分的過程和能力[5],是多個生態(tài)水文要素與過程綜合作用的結(jié)果,不同地區(qū)水源涵養(yǎng)的功能潛力及其影響因子可能不同,但是區(qū)域生態(tài)修復(fù)與保護工程規(guī)劃布局的關(guān)鍵依據(jù),為此需要清晰揭示區(qū)域降水的整體分配與利用情況。水量平衡方程是將區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)視為一個黑箱,把大氣降水作為輸入水量,蒸散量和徑流量作為輸出水量,水量輸入和輸出的差值即為水源涵養(yǎng)量,可充分反映區(qū)域降水的整體分配情況[15- 16],而且使用頻率較高[6,11,17- 18]。

京津風(fēng)沙源治理工程是為遏制北京及周邊地區(qū)土地沙化趨勢、改善京津地區(qū)大氣環(huán)境而實施的一項重大生態(tài)工程,其植被覆蓋狀況與生態(tài)系統(tǒng)功能受到重點關(guān)注。比如李慶旭等[19]測算發(fā)現(xiàn),2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)的植被覆蓋度以0.4%/年的速率增加；張彪等[20]采用修正風(fēng)蝕方程估算發(fā)現(xiàn),風(fēng)沙源區(qū)的防風(fēng)固沙功能也以年均0.71%的速率波動增加；吳丹等[21]從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)功能的角度評估認(rèn)為,2000—2010年京津風(fēng)沙源治理工程的生態(tài)效應(yīng)顯著。但是京津風(fēng)沙源治理工程集中分布在我國的干旱、半干旱地區(qū),區(qū)域蒸散發(fā)與干旱化風(fēng)險均較大[22],區(qū)域水資源與土壤水分狀況對工程區(qū)的植被及功能有重要影響[23]。現(xiàn)有研究側(cè)重工程區(qū)植被狀況與防風(fēng)固沙效益評估,對其水源涵養(yǎng)功能的變化規(guī)律及其空間差異研究較少。隨著京津風(fēng)沙源治理工程的持續(xù)推進,分區(qū)施策與精準(zhǔn)修復(fù)已成為生態(tài)治理的重要任務(wù),因此亟需分析揭示工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能的時空變化差異。

為此,該文基于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的長序列遙感影像數(shù)據(jù),采用區(qū)域水量平衡方程與GIS空間分析技術(shù),評估分析2000—2015年工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能的時空變化特征,分析揭示區(qū)域水源涵養(yǎng)功能差異及其影響因子,為京津風(fēng)沙源治理工程的成效監(jiān)測與分區(qū)施策提供參考依據(jù)。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)(109°30′—114°20′E, 38°50′—46°40′N)主要位于我國北方的干旱、半干旱地區(qū),西起內(nèi)蒙古達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗,東至河北省平泉縣,南起山西省代縣,北至內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗。一期工程區(qū)面積45.8萬km2,涵蓋北京、天津、錫林郭勒、承德、張家口等11個地市的75個縣(旗、市、區(qū))。

工程區(qū)地貌以平原、山地和高原為主(圖1)。其中,京津市區(qū)為海河平原的一部分,其西部與北部被太行山北端和燕山西部環(huán)繞,山地外側(cè)為內(nèi)蒙古高原；東部渾善達(dá)克沙地是錫林郭勒高原的重要組成部分,沙化土地廣布；西部烏蘭察布高原由陰山北麓的丘陵、地勢平緩的凹陷地帶及橫貫東西的石質(zhì)丘陵隆起帶組成,境內(nèi)多季節(jié)性河流；燕山山地和太行山地形起伏較大,易造成水土流失。

工程區(qū)多年平均氣溫為7.5℃,平均降水量為459.5mm,且集中在6—9月,年蒸發(fā)量平均為2110mm。工程區(qū)主要內(nèi)流河有安固里河、大清溝,外流河有永定河、灤河、潮白河和遼河,水資源總量約為229.16億m3,其中地表水132.93億m3,地下水資源量132.77億m3。

工程區(qū)土壤種類繁多,內(nèi)蒙古高原地帶性土壤以黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土為主,燕山山地以石灰土、石質(zhì)土為主。工程區(qū)植被類型復(fù)雜,內(nèi)蒙古高原天然植被以冷蒿、大針茅、克氏針茅和短花針茅等為主,人工植被以闊葉喬木和旱生灌木為主；燕山山地及太行山北部山地天然植被多為次生楊樺林及荊條、胡枝子、山杏等針葉灌叢,人工植被以油松為主,高海拔地帶以落葉松為主[24]。

由于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)面積廣闊,地貌差異大,涉及不同的生物氣候帶和土壤類型區(qū),且地表植被狀況存在明顯差異,參照石莎等[25]劃分方法,將工程區(qū)分為荒漠草原亞區(qū)、典型草原亞區(qū)、渾善達(dá)克沙地亞區(qū)、大興安嶺南部亞區(qū)、科爾沁沙地亞區(qū)、農(nóng)牧交錯帶草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)和燕山丘陵山地水源保護亞區(qū)等進行比較分析(圖1)。

圖1 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)海拔及分區(qū)組成Fig.1 Altitudes and subzones in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

1.2 研究方法

本文采用區(qū)域水量平衡方程評估工程區(qū)的水源涵養(yǎng)量與涵養(yǎng)能力。首先,利用工程區(qū)內(nèi)氣象站降雨數(shù)據(jù)插值得到每年的評估期降雨量(P),基于不同年份土地覆被數(shù)據(jù)與地表徑流系數(shù)(r)估算地表徑流量(R)；然后利用Thorntnwaite Menorial 模型[26- 28]以及插值到的評估期溫度(T)估算相應(yīng)的最大蒸散量(L),并引入土地覆被蒸散發(fā)調(diào)整系數(shù)(ei)估算蒸散發(fā)量(ET)；水源涵養(yǎng)能力(WCA)為一定時間內(nèi)評估單元的降雨量(P)與地表徑流量(R)及蒸散發(fā)(ET)的差值,水源涵養(yǎng)量(WCQ)為某區(qū)域水源涵養(yǎng)能力(WCA)與土地覆被面積的乘積。計算公式為：

(1)

L=300+25×T+0.05×T3

(2)

(3)

WCA=P-R-ET

(4)

(5)

式中,P為評估期降雨量(mm),R為地表徑流量(mm),ri為不同土地覆被類型的地表徑流系數(shù)(表1)；L為評估期最大蒸散量(mm),T為評估期平均氣溫(℃),ET為蒸散發(fā)估算量(mm),ei為不同土地覆被類型的蒸散發(fā)調(diào)整系數(shù)(表1)；WCA為水源涵養(yǎng)能力(mm),WCQ為區(qū)域水源涵養(yǎng)量(m3),A為土地覆被面積(hm2),i為土地覆被類型。考慮到工程區(qū)80%降雨集中在6—9月份[34],本文將評估期設(shè)定為每年的6—9月,并估算相應(yīng)年份的降雨量、蒸散量和徑流量。

表1 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)徑流系數(shù)與蒸散發(fā)調(diào)整系數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文中2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的地表覆被類型及其面積均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)的土地利用數(shù)據(jù)(30m×30m柵格),包括森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、沙地、城鎮(zhèn)等7類；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)的位于工程區(qū)內(nèi)的81個氣象站,并采用6—9月降水?dāng)?shù)據(jù)插值成柵格數(shù)據(jù)。為保證不同數(shù)據(jù)精度的一致性,以上數(shù)據(jù)均重采樣為100m×100m的柵格單元參與計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際變化

結(jié)果表明,2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的降雨量波動在224—383mm之間,其中2007年和2012年分別達(dá)到最小值和最大值,多年平均的評估期降雨量為289mm,且總體呈現(xiàn)小幅增加趨勢(圖2),對區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮與利用有一定積極意義。2000—2015年工程區(qū)蒸散量與降雨量變化趨勢基本一致,評估期蒸散量變動在243—355mm之間,多年平均值為295mm,且受區(qū)域氣溫上升的影響[35],評估期蒸散量整體有所增大,加劇了區(qū)域干旱化趨勢[36]。此外,2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)地表徑流量介于36—62mm之間,且受降雨量與地表覆被變化的影響,徑流量波動變化顯著,多年平均值為46mm(圖2)。

2000—2015年間京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)可涵養(yǎng)水源3.61億—35.39億m3,并分別于2007年和2012年達(dá)到最低值和最高值,多年平均的水源涵養(yǎng)量為16.79億m3,約占工程區(qū)水資源總量的7.33%、地表水資源量的12.63%,對工程區(qū)植被生長需求與生態(tài)恢復(fù)有一定積極作用；2000—2015年工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力變動在0.74 —7.23mm,多年平均的涵養(yǎng)水源能力為3.66mm,不足平均年降雨量(459.5mm)的1.14%,說明大氣降水的有效利用水平較低。此外,2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)量與涵養(yǎng)能力均呈現(xiàn)整體增加趨勢(圖3),原因在于工程區(qū)生態(tài)狀況的改善提升了區(qū)域水源涵養(yǎng)功能,但相比之下,水源涵養(yǎng)量的變化幅度高于涵養(yǎng)能力,這是因為水源涵養(yǎng)量受涵養(yǎng)能力與地表覆被的共同影響。

圖2 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)降雨量、蒸散量和地表徑流量變化Fig.2 Changes of rainfall, evapotranspiration and runoff in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

圖3 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能變化 Fig.3 Changes of water conservation service in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.2 空間格局

基于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力空間差異發(fā)現(xiàn),工程區(qū)東部水源涵養(yǎng)能力普遍高于西部,且高涵養(yǎng)能力的區(qū)域明顯增加(表2),說明工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能整體改善。水源涵養(yǎng)能力高值區(qū)主要為東烏穆沁旗的東北部以及寬城、薊縣、平谷、承德和興隆縣等南部地區(qū),其面積約占工程區(qū)的7.52%；水源涵養(yǎng)能力較高區(qū)的面積較大,約占24.93%,集中分布在太仆寺旗、阿魯科爾沁旗、西烏珠穆沁旗以及多倫、張北縣等區(qū)域；涵養(yǎng)水源能力一般的地區(qū)面積最大,占到工程區(qū)的38.03%,且集中分布在西北部；另外有11.17%的水源涵養(yǎng)能力較低區(qū),主要分布在治理工程區(qū)的西部以及西南部地區(qū)；而水源涵養(yǎng)能力低值區(qū)約有18.35%,且集中分布于達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗、四王子旗、蘇尼特左旗和蘇尼特右旗等西部地區(qū)(圖4)。

表2 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)2000—2015年水源涵養(yǎng)能力變化統(tǒng)計

圖4 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)多年平均涵養(yǎng)水源能力空間分布Fig.4 Averaged water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

相比2000年,2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)有41.65%的地區(qū)涵養(yǎng)水源能力增加(表2),其中22.01%的地區(qū)顯著增加,主要分布在東烏珠穆沁旗的東北部以及赤峰市、隆化縣、灤平縣以及北京市密云區(qū)等；19.64%的地區(qū)水源涵養(yǎng)能力小幅度增加,主要為錫林浩特市、克什克騰旗、西烏珠穆沁旗、巴林左旗等。工程區(qū)中西部地區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化不明顯,其面積占到39%。此外,蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、四王子旗和達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗等西部地區(qū)的水源涵養(yǎng)能力小幅下降,其面積約占15.23%。另有4.11%的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力顯著下降,主要分布在四子王旗南部、蘇尼特左旗北部、朔州市、多倫縣以及張北縣等地區(qū)(圖5)。可見,2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)東部和北部的水源涵養(yǎng)能力增加明顯,而西部與中部的部分地區(qū)下降。

圖5 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化空間分布Fig.5 Changed areas of water conservation capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

2.3 分區(qū)差異

圖6 京津風(fēng)沙源不同治理分區(qū)多年平均的水源涵養(yǎng)功能差異Fig.6 Differences of water conservation service in eight subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)地域廣闊,不同治理亞區(qū)的工程措施有所差異,其水源涵養(yǎng)量與涵養(yǎng)能力均存在明顯差異(圖6)。其中,典型草原亞區(qū)的水源涵養(yǎng)量最大,多年平均涵養(yǎng)水源4.50億m3,約占工程區(qū)水源涵養(yǎng)量的25.15%,水源涵養(yǎng)能力達(dá)到4.30mm；其次為燕山丘陵山地水源亞區(qū),年均提供21.24%的水源涵養(yǎng)量,其水源涵養(yǎng)能力為4.83mm；科爾沁沙地亞區(qū)、大興安嶺南部亞區(qū)和農(nóng)牧交錯帶草原亞區(qū)的水源涵養(yǎng)量介于1.5—2.0億m3,可供給工程區(qū)水源涵養(yǎng)量的8%—10%；相比較而言,晉北山地丘陵亞區(qū)的水源涵養(yǎng)量較低,而荒漠草原亞區(qū)年均涵養(yǎng)水源量為0.70億m3,僅為工程區(qū)水源涵養(yǎng)量的3.89%,其水源涵養(yǎng)能力也不及1mm。

圖7 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)不同亞區(qū)水源涵養(yǎng)能力變化趨勢Fig.7 Changes of the water conservation services in subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

從不同治理分區(qū)水源涵養(yǎng)變化來看(圖7),2000—2015年科爾沁沙地亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力上升趨勢顯著；典型草原亞區(qū)、大興安嶺南部亞區(qū)、燕山丘陵山地水源保護亞區(qū)和渾善達(dá)克沙地亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力均波動增加,不過2007年燕山丘陵山地水源保護亞區(qū)和晉北山地丘陵亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力出現(xiàn)負(fù)值,渾善達(dá)克沙地亞區(qū)水源涵養(yǎng)能力的增幅較??；雖然2000—2015年農(nóng)牧交錯帶草原亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力均為正值,但多在平均值附近波動(3.40mm),其變化趨勢相對穩(wěn)定；荒漠草原亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力明顯較低,且與年份變化負(fù)相關(guān),2000—2015年其水源涵養(yǎng)能力多次出現(xiàn)負(fù)值,水源涵養(yǎng)功能下降趨勢明顯。

2.4 影響因子

區(qū)域水源涵養(yǎng)功能易受自然因素和人類活動的綜合影響。為識別氣象、地形以及植被格局等因素對水源涵養(yǎng)功能的影響,本文選取年均溫、降雨量、海拔、坡度、植被覆蓋度以及斑塊聚集度指數(shù)(CI)等指標(biāo),分別與水源涵養(yǎng)能力進行敏感性或相關(guān)性分析。結(jié)果表明,京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)能力主要受降雨和氣溫的影響,且降雨量變化對涵養(yǎng)能力影響遠(yuǎn)大于氣溫變化的影響(表3)。如果工程區(qū)降雨量減少10%,其水源涵養(yǎng)能力將下降49%,而如果氣溫降低10%,水源涵養(yǎng)能力則增大2.47%。此外,工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力與地形、植被等因子存在一定程度的相關(guān)性(圖8)。其中,區(qū)域涵養(yǎng)水源能力與植被覆蓋度的正相關(guān)性最高(0.45),說明區(qū)域植被質(zhì)量狀況越好越有利于截留涵蓄雨水。隨著地形坡度的增加,其水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)出一定程度的增加趨勢(0.28),這可能與坡面匯流過程增加有關(guān)；但隨著海拔高度的增加,區(qū)域水源涵養(yǎng)能力有所下降(-0.21),主要是高海拔處的降雨與氣溫均有所降低所致。雖然景觀斑塊聚集度指數(shù)(CI)與涵養(yǎng)水源能力有一定關(guān)系,但相關(guān)趨勢并不顯著。整體來看,京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)能力與溫度、降雨以及植被覆蓋度的關(guān)系密切。

表3 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)氣候參數(shù)變化對水源涵養(yǎng)能力的敏感性

圖8 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力與影響因子的相關(guān)性Fig.8 Relations of water conservation capacities and influence factors in the Beijing-Tianjin sandstorm source control project area

為分析不同影響因子對各亞區(qū)水源涵養(yǎng)能力的制約程度,利用SPSS軟件統(tǒng)計水源涵養(yǎng)能力與氣候(降雨、氣溫)、地形(海拔、坡度)和植被(覆蓋度、聚集度指數(shù))的復(fù)相關(guān)系數(shù)(表4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),燕山丘陵山地水源保護亞區(qū)的氣候、地形因素對其水源涵養(yǎng)能力的影響程度較大,相比之下,晉北山地丘陵亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力主要取決于降雨、氣溫等氣候因素,降雨量下降成為該地區(qū)水源涵養(yǎng)能力的限制性因子；典型草原亞區(qū)和農(nóng)牧交錯帶草原亞區(qū)的涵養(yǎng)水源能力主要與氣候、植被有關(guān),但農(nóng)牧交錯帶水源涵養(yǎng)能力較低的原因在于降雨量較低以及地表植被變化；大興安嶺南部亞區(qū)較高的水源涵養(yǎng)能力主要受益于植被和地形因素；科爾沁沙地亞區(qū)與渾善達(dá)克沙地亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力主要與植被狀況有關(guān),2000—2015年植被覆被狀況改善明顯提升了區(qū)域水源涵養(yǎng)能力；而荒漠草原亞區(qū)涵養(yǎng)水源能力主要受氣候與植被因素制約,在植被稀疏、降水稀少的自然背景下,區(qū)域氣溫升高進一步加大蒸散發(fā)量而降低水源涵養(yǎng)能力。

表4 京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)不同因子對水源涵養(yǎng)能力的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)主要位于我國北方干旱半干旱地區(qū),水資源供需矛盾突出[37],尤其是隨著二期工程的實施推進,統(tǒng)籌兼顧水資源差異的分區(qū)施策已成為區(qū)域生態(tài)治理修復(fù)的重點。該文基于水量平衡方程和GIS空間分析技術(shù),評估分析了2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)功能動態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能有所提升,這可能與2000—2014年京津風(fēng)沙源區(qū)NDVI顯著增加有關(guān)[38]。本研究測算工程區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)能力多年均值為3.66mm,稍低于張雪峰等[39]應(yīng)用InVEST模型測算的錫林河流域草地的涵養(yǎng)水源能力(4.11mm),主要原因在于該文估算了區(qū)域植被的實際蒸散量而不是潛在蒸散量(表5)。單楠等[41]分析發(fā)現(xiàn),京津風(fēng)沙源區(qū)年尺度潛在蒸散對最高氣溫敏感,且空間上對氣溫的敏感性從東北向西南減少。該研究證實,典型草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)和荒漠草原亞區(qū)的水源涵養(yǎng)能力受氣溫影響較大,可能是區(qū)域氣溫升高帶來蒸散發(fā)量的增加。孫斌等[35]證實,1981—2010年京津風(fēng)沙源區(qū)氣溫顯著上升,區(qū)域氣候的暖干化可能加劇風(fēng)沙源區(qū)草地的退化[42],從而引起地表水熱條件的改變和地表徑流的增加[43]。

表5 本文研究方法與結(jié)果的不確定性分析

生態(tài)水文過程是大氣降水、蒸散發(fā)、土壤入滲、地表徑流、地下水運動、積雪融雪等過程綜合作用的結(jié)果,目前有關(guān)降水、地貌、土壤等自然環(huán)境因子以及植被組成結(jié)構(gòu)對水文過程的影響研究尚不完善[44]。本文重點關(guān)注研究區(qū)土地覆被及氣候、地形因素對水文過程的影響,尤其是區(qū)域降水輸入以及植被蒸發(fā)散和地表徑流的輸出,未考慮沙地土壤入滲、地下水補給以及地下徑流與地表徑流的互相影響[45],因此水源涵養(yǎng)量的估算可能存在一定誤差。此外,水源涵養(yǎng)計量方法與研究尺度及研究目的有較大相關(guān)性[8],雖然SWAT、InVEST、DTVGM等模型可模擬不同尺度生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)分量[5],但該研究從區(qū)域水量平衡的角度更有利于水源涵養(yǎng)功能的時空差異對比分析,但地形地貌、土壤類型、植被條件等區(qū)域水文要素的空間異質(zhì)性,以及降水、蒸發(fā)散、徑流等水文通量的時空異質(zhì)性降低了尺度外推的準(zhǔn)確性[45],如何將不同尺度的研究成果進行整合外推,以及研發(fā)優(yōu)化適用于草原區(qū)水源涵養(yǎng)功能評估模型還需要深入的探索和研究。

為此,建議將京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)依據(jù)水源涵養(yǎng)能力、提升潛力以及關(guān)鍵生態(tài)功能劃分為重點提升區(qū)、優(yōu)化維護區(qū)與綜合保障區(qū),并施以不同的生態(tài)恢復(fù)管控措施。其中,重點提升區(qū)以荒漠草原亞區(qū)為主,此地區(qū)水源涵養(yǎng)能力較低,地勢平坦且以荒地沙地為主,土壤下滲快,應(yīng)重點施加人工生態(tài)修復(fù)與保墑措施,減緩?fù)寥浪窒聺B,降低區(qū)域蒸散發(fā)；優(yōu)化維護區(qū)以水源涵養(yǎng)能力較高且生態(tài)恢復(fù)較好區(qū)域為主,包括科爾沁沙地亞區(qū)、渾善達(dá)克沙地亞區(qū)、農(nóng)牧交錯帶草原亞區(qū)和晉北丘陵山地亞區(qū),應(yīng)逐步減少生態(tài)工程與人工干擾措施,增強生態(tài)系統(tǒng)的自然演替；而綜合優(yōu)化區(qū)為雨水資源較豐富、高水源能力的區(qū)域,包括燕山丘陵山地水源保護區(qū)、典型草原亞區(qū)和大興安嶺山地保護亞區(qū),提供著水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙等生態(tài)屏障功能,應(yīng)綜合調(diào)控局地氣候-植被-土壤系統(tǒng),保護豐富多樣的自然生境。

3.2 結(jié)論

該研究表明,2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)量與涵養(yǎng)能力增大,多年平均值分別為16.79億m3和3.66mm,在一定程度上保障著區(qū)域水分供給,但涵養(yǎng)大氣降水的能力仍有較大提升空間。工程區(qū)水源涵養(yǎng)能力由西向東遞增的空間格局趨勢明顯,近32.45%的地區(qū)涵養(yǎng)水源能力高于5mm；相比2000年,2015年有41.65%的地區(qū)水源涵養(yǎng)能力增加,19.34%的地區(qū)涵養(yǎng)水源能力下降,需要加以重點關(guān)注。此外,燕山丘陵山地水源保護亞區(qū)和典型草原亞區(qū)是工程區(qū)水源涵養(yǎng)功能的主要供給地,荒漠草原亞區(qū)水源涵養(yǎng)能力下降明顯。整體來看,京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的水源涵養(yǎng)功能主要受制于溫度、降雨量以及植被覆蓋度等因素,渾善達(dá)克沙地與科爾沁沙地水源涵養(yǎng)能力的提升在于植被覆蓋狀況的改善,而荒漠草原亞區(qū)的涵養(yǎng)能力明顯受到氣候與植被的影響,因此不同治理分區(qū)需注重水源涵養(yǎng)能力、提升潛力以及關(guān)鍵生態(tài)功能的不同而施以不同的生態(tài)恢復(fù)與管控措施。