中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素

龚诗涵,肖 洋,郑 华,肖 燚,欧阳志云, *

1 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院研究生院, 北京 100039



中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素

龚诗涵1, 2,肖 洋1, 2,郑 华1,肖 燚1,欧阳志云1, *

1 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院研究生院, 北京 100039

水源涵养是陆地生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等自然过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。我国水资源贫乏,降水时空分布不均,在区域尺度上评估全国生态系统水源涵养功能空间特征及其影响因素,对科学认识和合理保护我国生态系统水源涵养,和制定生态环境保护决策具有十分重要的意义。以全国生态系统水源涵养功能为研究对象,通过收集和分析相关数据,对各类典型生态系统水源涵养数据进行归类与统计,在区域尺度上评估中国生态系统水源涵养功能,并分析气候与人类活动对其影响。结果表明：(1)中国水源涵养总体上呈现东南高西北低、由东到西逐渐递减特征。2010年全国生态系统水源涵养总量为12224.33亿m3。(2)森林是我国生态系统水源涵养的主体,其水源涵养量最高,占全国水源涵养总量的60.80%。其中,常绿针叶林生态系统水源涵养量最多,而常绿阔叶林水源涵养能力最高。按流域统计,相对于其他一级流域,长江流域生态系统的水源涵养量最高。(3)中国生态系统水源涵养受气候和人类活动的影响,与降水、温度、蒸散、坡度、COD密度和长江生态工程呈现显著的正相关,而与GDP密度和农村人口密度呈现明显的负相关。

水源涵养；空间特征；气候影响；人类活动

生态系统不仅为人类提供了粮食、木材、药材及其他工业用品,更重要的是支撑与维持了地球的生命支持系统[1]。过去人类对生态系统的重要性不甚了解,导致了生态环境的破坏,从而损害了生态系统功能[2- 3]。由于水是一重要的载体,水源涵养在各项生态系统中处于中心地位,对系统生产力、养分循环等其它功能都会产生影响[4]。在中国,水资源问题十分严重。水资源短缺,水质恶化,空间分布和时间分配不均,洪灾、旱灾频繁,等等,已给人们带来巨大影响。人口的增长、城市化进程的加快以及全球气候变暖也将进一步加剧水资源问题。

生态系统水源涵养功能一直是生态学与水文学研究的热点,已发表了大量的研究成果[5]。生态系统水源涵养功能是一个动态发展中的概念,其内涵随着人们对生态系统与水关系认识的不断深入而变化。早期对水源涵养的研究是指生态系统对河流水量的影响,主要涉及到径流调节部分[6]。后来的生态系统拦蓄降水和土壤含水功能逐渐受到重视[7],并展开了一系列相关研究。

水源涵养功能概念较广,主要表现形式包括生态系统的拦蓄降水,调节径流,影响降雨量,净化水质等。不同生态系统的水源涵养具有差异性,包括不同森林、草地的种类之间及各种群内部的水源涵养能力的差异。特别是森林水源涵养功能,研究者从各种角度进行研究和阐释,并且根据各自对水源涵养功能的理解,提出了不同的见解。总的来看,研究者对森林水源涵养功能的普遍定义是：降水被森林的林冠层、枯落物层和地下土壤层等拦截、吸收和积蓄,从而使降水充分积蓄和重新分配[8-10]；也有学者从更广义的角度,将森林净化水质、调节径流和影响雨量等也包含在森林的水源涵养功能内[11]。

近年来中国发生着巨大的变化,人口经济的快速增长、资源的需求进一步增大、生态环境受到一定的冲击。同时政府为了缓解发展的压力,在全国范围内开展了一系列的生态保护与恢复工程 (天然林保护、退耕还林还草、京津风沙源治理等)。这些变化必然会影响中国的生态系统水源涵养功能状况,进而影响我国经济和生态环境的可持续发展。因此,研究中国生态系统水源涵养功能状况,客观认识生态系统结构与水源涵养功能,确定水源涵养重要保护区域,探讨生态系统水源涵养变化的驱动因素,为促进我国生态系统管理与保护,缓解日趋严重的水资源问题,实现中国可持续发展具有重要科学意义。

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

生态系统类型图主要基于Landsat TM,环境卫星HJ数据采用的面向对象的分类技术获取[12-14]。降水与温度数据,基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论,时间范围1961—2010,来源于中国国家计量信息中心/中国气象局(NMIC/CMA)。实际蒸散发数据,主要用到MODIS全球蒸散发产品(MOD16)和气象局基于站点的插值数据,时间范围2000—2010,数据来源于陆地过程分布式数据档案中心 (LP DAAC) 和中国科学院地理科学与资源研究所。数字高程模型DEM,空间分辨率为90 m,来源于国际科学数据平台。详细数据信息见表1。

表1 主要数据来源

1.2 研究方法

水源涵养量与降水量、蒸散发、地表径流量和植被覆盖类型等因素密切相关。水源涵养量计算主要通过水量平衡方程(The Water Balance Equation)计算得到。水量平衡法是将森林生态系统视为一个“黑箱”,以水量的输入和输出为着眼点,从水量平衡的角度,降水量与森林蒸散量以及其他消耗的差即为水源涵养量[15]。公式如下：

(1)

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类生态系统的面积；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(此次计算包括森林生态系统6类,草地生态系统6类,灌丛生态系统4类,园地和湿地,详见表2)。

地表径流量由降雨量乘以地表径流系数获得。地表径流系数是指地表径流量(mm)与降雨量的比值,在一定程度上反应了生态系统水源涵养的能力。地表径流系通过查阅文献资料获得,主要包括公开发表的文献和出版专著上的关于各类型生态系统径流小区的降水、地表径流数据[16-23]。

R=P·α

(2)

式中,R为地表径流量(mm)；P为年降雨量(mm)；α为平均地表径流系数。地表径流系数详细见表2。

表2 各类型生态系统地表径流系数均值

1.3 数据分析

本文基于流域统计分析,揭示我国水源涵养重要性空间格局。采用ArcGIS中的Spatial Analyst-Zonal Statistics模块,根据流域统计水源涵养重要性,将水源涵养能力从大到小排序,累积得到水源涵养总量,总量的50%划分为极重要,其余的25%划分为重要,剩下的15%为中等,最后10%为一般。为了探索水源涵养与气候和人类活动之间的关系,选用皮尔逊相关系数分析。其中气候因素主要考虑降水和温度,人类活动主要考虑人口,国内生产总值GDP (农业生产总值GDP1,工业生产总值GDP2,服务业生产总值GDP3),交通密度、生态保护工程等。相关性分析均以县域为统计单元,在SPSS软件中进行。

2 结果与分析

2.1 水源涵养空间特性

中国生态系统水源涵养总体上呈现东南高西北低、由东到西逐渐递减特征,长江以南降水量较高地区的森林生态系统发挥着重要的涵养(图1)。2010年全国生态系统水源涵养总量为12224.33亿m3。其中水源涵养量较高的区域主要集中在武夷山脉、南岭、武陵山区、大巴山区,四川盆地,其次为云贵高原。水源涵养量一般的区域主要分布在长白山与大小兴安岭地带。而蒙古高原、青藏高原以及新疆西北部的水源涵养量较低。地处欧亚大陆低纬度地带的高山区,受人类活动影响较少,植被构成以亚热带和热带常绿阔叶林为主,而且降雨丰富,所有水源涵养量较高。然而,地处高纬度地带的大小兴安岭、长白山区,虽然人类活动干扰较少,植被以寒温带针叶林为主,但是该区域降水较低,植被蒸散量大,所以水源涵养量一般。至于蒙古高原与青藏高原地区,由于海拔较高,属于我国第二、三阶梯,且年降水量在400 mm以下,植被构成以草地生态系统为主,所以水源涵养量最低。

图1 中国水源涵养空间特征Fig.1 Spatial pattern of water conservation in China

由于地理位置、气候条件、植被结构存在空间差异,水源涵养也表现出明显的区别(图2)。在所有生态系统类型中,森林是我国生态系统水源涵养的主体,其水源涵养量为7432.32亿m3,约占全国水源涵养总量的60.80%；灌丛、草地的水源涵养量分别为1723.68亿m3、1912.54亿m3,各占总量的14.10%、15.65%。从水源涵养能力来看,水源涵养能力最强的是森林和园地,分别为39.21万m3km-2a-1和46.79万m3km-2a-1(图2a)。本研究所估算的全国森林水源涵养量比陈东立等人和鲁绍伟等人的研究结果3186.18亿m3和4933.21亿m3要大,但数量级一致[24]。估算结果存在差异,主要是因为不同的研究方法和数据来源所致。在森林生态系统中,常绿针叶林水源涵养总量最多,其次为常绿阔叶林。虽然常绿阔叶林水源涵养总量不及常绿针叶林,但是常绿阔叶林水源涵养能力最高。十大江河流域中,长江流域的水源涵养量最高,为4789.79亿m3,约占全国总量的39.19%；珠江流域次之,水源涵养量为2546.84亿m3,约占全国总量的20.84%(图2b)。由于长江流域降雨丰富,植被类型多,面积广,所以水源涵养量最高。水源涵养能力而言,能力最强的是东南诸河流域,为75.74万m3km-2a-1；其次是珠江流域和长江流域,分别为62.52万m3km-2a-1和40.92万m3km-2a-1。由于东南诸河流域位于亚热带沿海区域,降雨量较多,而且森林径流系数高,森林面积集中,所以水源涵养能力高。

为揭示我国水源涵养重要性特征,基于流域进行分析。本研究将水源涵养分为一般、中等、重要和极重要4个等级,得到全国生态系统水源涵养重要性空间格局(图3)。统计分析表明,极重要区的水源涵养总量为6486.57亿m3,约占总面积的15.18%。重要区的水源涵养总量为2977.70亿m3,占总面积的10.75%。一般区的水源涵养总量仅为1062.85亿m3,但所占面积比例最大,为65.58%。

2.2 水源涵养与气候、人类活动之间的关系

中国生态系统水源涵养受到气候和人类活动的影响。特别是降水的影响,当降水量超过下垫面的截留、填洼、下渗等时,就会产生地表径流。不论是蓄满产流或是超渗产流,地表径流量都是随降雨量的增大而增大,降水是决定地表径流量的最重要因子,进而影响水源涵养功能[25]。本文首先对水源涵养与所有可能的影响因子做相关性分析,发现与降水、温度、蒸散、坡度相关性较大,还与GDP密度、农村人口密度、COD密度和长江生态工程相关性显著(表3—表5)。在自然因素方面,水源涵养与降水、温度、蒸散、坡度呈现显著的正相关(R= 0.812,P< 0.01；R= 0.465,P< 0.01；R= 0.675,P< 0.01；R= 0.415,P< 0.01)。在人类因素方面,水源涵养与COD密度和长江生态工程呈现显著的正相关(R= 0.110,P< 0.01；R= 0.190,P< 0.01)。然而,与GDP密度和农村人口密度呈现明显的负相关(R= -0.068,P< 0.01；R= -0.052,P< 0.01)。水源涵养与降水、温度、蒸散、坡度具有较高的相关性,表明水源涵养主要受地形和气候的影响。这与尹云鹤等人的研究结果较为一致,认为降水量以及大气水分需求能力的变化是影响生态系统水源涵养量增减的主要因素[26]。能力高的水源涵养主要集中在降水丰富、蒸散强度高、温度高、坡度大。此外,生态工程也显著的影响着水源涵养,生态工程实施区内外的相关性存在显著的差异。近些年来,国家重视生态环境保护,在全国范围内实施了一系列的生态工程,特别是在长江流域实施植树造林工程。在工程实施区域,植树造林与天然林保护,对水源涵养产生了积极正面作用,同时采伐森林等人类活动负面干扰较低,所以该区域水源涵养能力较高。

图2 中国水源涵养空间分布Fig.2 Spatial distribution of water conservation

图3 中国水源涵养重要性2010年Fig.3 Spatial pattern of water conservation importance in China in 2010

地形Topography气候Climate海拔Altitude坡度Slope降水Precipitation蒸散Evapotranspiration温度Temperature相关性Pearson-0．0670．415∗∗0．812∗∗0．675∗∗0．465∗∗显著性Significance0．0610．0000．0000．0000．000样本数Samples28922892289228922892

3 结论

本文基于年降雨量、蒸散量和不同生态系统类型径流系数,通过水量平衡方程,计算全国生态系统水源涵养功能,并评估其与气候,人类活动的相关关系,在此基础上探讨了气候和人类活动对水源涵养的影响。得出以下主要结论：

表4 水源涵养与经济人口因素相关性

表5 水源涵养与水质和生态工程因素相关性

(1)中国生态系统水源涵养量总体上呈现东南高西北低、由东到西逐渐递减特征。2010年全国生态系统水源涵养总量为12224.33亿m3。森林生态系统的水源涵养作用十分显著,约占全国水源涵养总量的60.80%。其中,常绿针叶林生态系统水源涵养总量最多,常绿阔叶林水源涵养能力最高。就我国水源涵养重要性而言,极重要区域主要分布在相对海拔高的原始森林地带。

(2)中国生态系统水源涵养功能与气候和人类活动的关系非常密切,自然因子包括降水、温度、蒸散、坡度与水源涵养呈现显著的正相关。而人类因子除了COD密度和长江生态工程与水源涵养呈显著的正相关外,GDP密度和农村人口密度与其呈明显的负相关。气候与地形因子是直接影响生态系统水源涵养量分布的主要因素,人类因子则通过改变地表生态系统格局和干扰生态系统过程,间接影响生态系统水源涵养功能。

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Spatial patterns of ecosystem water conservation in China and its impact factors analysis

GONG Shihan1, 2, XIAO Yang1, 2, ZHENG Hua1, XIAO Yi1, OUYANG Zhiyun1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Water conservation is an important component of ecosystem services, and is involved in natural processes such as regional climate circulation, the hydrologic cycle, vegetation growth and survival, soil conditions, and other natural processes. It is also an important indicator of regional ecosystem status. Water resources in China are scarce, and precipitation is uneven through time and space. Many researchers have attributed water resource loss in China to long-term human interference and widespread changes in land use and cover. Other studies have found that climate conditions, such as drought, severe storms, and temperatureuctuations are the primary cause of water resource changes. Whatever be the cause, recent studies have shown that human activities can improve the level of water conservation in selected study regions across China. It is necessary to investigate current water level conservation and its response to climatic variation and human activities, which will allow for a better understanding of their accumulated consequences.This study analyzed literature and applied Geographic Information System techniques to analyze the hydrological characteristics of different ecosystems, and to develop a method to assess the water conservation service of different ecosystems at a regional scale while considering how those water conservation services formed. We quantied the water conservation services of different ecosystems in China comparing those services across different types of ecosystems, basins and elevations separately. We then analyzed the respective effect of climate and human activities on spatial patterns in water conservation services. We found that: (1) In China, water conservation followed a decreasing trend from the southeast to the northwest of inland areas. The total amount of water conserved in China in 2010 was 12224.33×108m3. The vast areas south of the Yangtze River, which experience high levels of precipitation, were the primary water conservation area. This included the middle and lower reaches of the Yangtze River; the hilly areas near the southern Yangtze River; the Sichuan basins; and the Yunnan, Guangxi, Guangdong, and Taiwan areas. Conversely, we found relatively weak water conservation services in ecosystems in areas of northeastern China, northeastern Inner Mongolia, northern China, Shaanxi-Gansu-Ningxia province and northwestern Xinjiang province.(2) Ecosystem types performed different water conservation services. Forests were the main carriers of water conservation, as they produced the highest amounts of water conservation. They produced 7432.32×108m3, which accounts for 60.80% of the total. The contribution of different forest types to water conservation in decreasing order was as follows: evergreen broadleaf forestevergreen needleleaf forestmixed needleleaf and broadleaf forestdeciduous broadleaf forestdeciduous needleleaf forestsparse forest. Evergreen coniferous forests could produce the most amount of water conservation, however its capacity was not the highest.(3) The spatial characteristics of water conservation services are formed by interactions among several inuencing factors. There were partial correlations between water conservation and precipitation, temperature, evapotranspiration, slope, Chemical Oxygen Demand (COD) density and ecological restoration project in the Yangtze River basin were positive and statistically signicant. By contrast, water conservation was negatively correlated with the Gross Domestic Product (GDP) of the region and the rural population density. As the social economy developed rapidly, the influence of human activities on water conservation gradually increased. However, climate and topography were still the dominant factors that influenced the spatial characteristics of water conservation. These results provide specific information that may serve to strengthen the necessary public awareness about protecting and restoring water conservation services.

water conservation; spatial patterns; climatic interaction; human activities

10.5846/stxb201512012406

全国生态环境长期跟踪遥感调查(KFJ-EW-ZY-004)

2015- 12- 01; 网络出版日期:2016- 08- 30

龚诗涵,肖洋,郑华,肖燚,欧阳志云.中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素.生态学报,2017,37(7):2455- 2462.

Gong S H, Xiao Y, Zheng H, Xiao Y, Ouyang Z Y.Spatial patterns of ecosystem water conservation in China and its impact factors analysis.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2455- 2462.

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn