川西亚高山区域的水源涵养功能变化趋势

汪 璇, 邓丽梅, 刘刚才, 陆传豪, 董先勇, 朱万泽

(1.中国科学院 山地表生过程与生态调控重点实验室, 中国科学院、水利部 成都山地灾害与环境研究所 四川 成都610041; 2.中国三峡集团公司， 四川 成都610041; 3.中国科学院大学 北京100049)

生态系统服务功能与价值的研究是近年来在国内外备受重视，受到科学界的高度关注。水源涵养功能是生态系统的重要服务功能之一，水源涵养能力与植被类型和盖度、枯落物组成和现存量、土层厚度及土壤物理性质等密切相关，是植被和土壤共同作用的结果。因此，不同区域水源涵养的时空特征不同。

虽然关于水源涵养功能的研究已有数十年的历史，但是水源涵养功能作为生态与水文学科交叉的研究热点，由于其特有的复杂性，目前尚未形成一个完全公认的定义[1]：早期指森林对河川径流的调节能力；目前有学者认为是某区域在一定时段内收入与支出水量之差；核心意义是指生态系统对降水的截留和储存能力。水源涵养评估方法也较多[1-3]，包括蓄水法、降雨贮存量法、水量平衡法、综合指标评价法、模型计算等方法，其中，InVEST模型相对而言有较广泛的应用[4-9]；同时，目前也没有形成标准的方法，而且不同方法，包括同一方法采用不同的参数等，其评价结果差异较大[10-11]。因此，生态系统水源涵养能力的评估还任重道远。

西南高山亚高山主要分布于川西、滇西北和藏东南，面积超过100 km2，是中国第二大林区。川西亚高山是中国第二大林区的主体部分，该区域森林集中分布于长江上游的金沙江 、雅砻江、岷江、大渡河等流域及其支流，是长江上游的天然生态屏障，也是中国“两屏三带”生态安全屏障中“青藏高原生态屏障”和“黄土高原—川滇生态屏障”的重要区域，生态屏障战略地位十分突出，对维护长江流域生态安全，促进长江流域经济社会可持续发展具有举足轻重的作用，直接影响着四川省的经济社会可持续发展状况，具有重要的生态和社会经济方面的意义。在20世纪下半叶以来，整个川西亚高山森林遭受大规模的采伐利用，加之森林火灾、森林病虫害、过度放牧等自然和人为干扰的影响，绝大多数天然林退化为次生林地、疏林灌丛地、荒草地、迹地等，生态系统的结构和功能遭受严重的破坏，其蓄水、保水等功能低。在2000年以来，该区不仅全面停止了森林砍伐，而且进行了生态修复和保护等生态工程，森林覆盖率由2000年之前的61.8%升至2017年的65.6%[12]；近年来植被覆盖率递增0.24%/a[13]，植被情况逐年持续好转[14-15]。但是，川西亚高山区的水源涵养有何变化趋势，还不得而知。为此，本研究以该区岷江上游杂谷脑河流域为例，通过对杂谷脑河流域出口的降水、气温和水、沙变化的分析，以揭示川西亚高山区水源涵养的变化趋势，为明确该区的水源涵养动态特征提供科学依据。

1 研究区概况

杂谷脑河流域位于北纬31°12′—31°55′，东经102°36′—103°39′，流域呈扇形，南、西、北三面为群山环抱，西北高、东南低，其西部、西北部以鹧鸪山、邛崃山与大渡河流域相邻，北部以鹧鸪山支脉与岷江支流黑水河接壤，南部以邛崃山支脉与草坡河、渔子溪为界。杂谷脑河为岷江上游右岸一级支流，发源于鹧鸪山南麓，从源头到古城，两岸山势陡峻，水流湍急，属典型的高山峡谷型河流，古城以下山势渐缓，河谷逐步开阔。杂谷脑河流域面积4 632 km2，干流河道总长168 km，平均坡降18.4 ‰。流域内最高海拔为5 615 m，最低海拔为1 812 m。根据DEM(90 m分辨率)分析表明，2 000 m以下和5 000 m以上的区域面积仅占全流域的3.2%，3 000～4 500 m高程区间的面积最大，占据流域面积的79.9%，3 800 m(林线)以上的区域占流域面积的53.3%[16]。

由于流域内地形复杂，相对高差大，气区内候具有明显的垂直地带差异性：气温有随海拔升高而降低、而降雨有随海拔升高而增大的趋势。从流域内已有的降水资料来看，米亚罗等海拔高度2 400 m以上区域，是本流域最湿润的地区。随着高程降低，降水量逐渐减少。河流的下游理县及其以下河谷，有明显的干旱河谷气候特征，降雨稀少，至河口汶川县城，降水量达到流域的最低值。

流域内森林资源丰富，主要植被类型有：草甸、灌丛、针叶林、阔叶林、针阔混交林、人工林等；主要物种有：蒿草、苔草、羊茅、高山栎、高山柳、岷江冷杉、云杉、桦木等等。主要土壤类型有：山地灰褐土、褐色土、棕壤、暗棕壤、灰化土、亚高山草甸土、高山草甸土和高山寒漠土。

2 材料与方法

2.1 数据来源与水源涵养量估算

流域(杂谷脑河上游)出口的水、沙数据，来源于中国长江三峡集团公司负责的杂谷脑水文站，该站位于理县县城，1958年8月设立，控制集水面积2 404 km2。水沙数据监测获取过程中，水位、流量和输沙量以及水文站负荷的测定，均遵循中国水利电力部颁布的国家标准进行，其中，中国水文站水文测量、采样和实验室分析的程序和方法，与国际上使用的程序基本相同，数据处理过程中，遵循标准进行了严格的检查和错误分析，以确保准确性[17]。该站气象信息(气温和降水量等)由四川省气象局提供。

区域水量平衡方程[18]：

P=R+E+W-M

(1)

式中：P为降水量;R为径流量;E为蒸散发量;W为流域内储存的降水量(即水源涵养量);M为流域内冰川消融量,由于流域内冰川很少[19],故M在研究期间无显著变化可忽略不计。因此,流域的年均径流量为:

R=P-E-W

(2)

公式(2)表明，根据流域径流量的变化，可以推测流域内储水量W的变化情况；当P和E不变时，即有径流R增加则流域内的储水量W即水涵养量减少，反之则反，即有：

ΔR=-ΔW

(3)

公式(3)表示径流变化量的绝对值就是区域内储水量变化量的绝对值，即径流减少多少，区内水源涵养量就增加多少。

2.2 数据统计分析与制图

本研究所有数据的统计分析均使用ExcelL软件，制图和回归分析都采用Windows系统下的Sigmaplot 12.0软件。

相关变量如降雨、径流等分析，采用非参数检验方法，即Mann-Kendall( M-K)秩相关检验法[20]来检测长期变化趋势，其中，Z值是标准正态分布，是按照时间序列顺序计算出来的统计量序列，Z>0时表示上升趋势，Z<0时表示下降趋势，若|Z|≥1.96，表示通过置信度95%的显著性检验，即表明序列存在显著的表现趋势变化。

3 结果与分析

3.1 杂谷脑河水文站年均径流量

图1表明，杂谷脑河水文站的年均径流量呈显著的连续递减趋势(p=0.005 5)。20世纪60年代初，该区年均径流量达约1 000 mm，当前约为830 mm，减少17.3%，平均每年减少0.29%(2.83 mm)，即平均每年水源涵养量增加28.3 t/hm2。不同时间段看，20世纪60年代初至90年代，平均每年减少0.26%(2.54 mm)，即平均每年水源涵养量增加25.4 t/hm2；但20世纪90年代末至2020年，平均每年减少约0.32%(3.12 mm)，即平均每年水源涵养量增加31.2 t/hm2。因此，21世纪以来，杂谷脑河上游亚高山区域径流量减少趋势更明显，即水源涵养量增加趋势较明显。

图1 杂谷脑河水文站年均径流量的动态

从M-K趋势分析结果看，Z值除了少数年份外都小于0，即绝大多数年份，区域内的径流是呈减少趋势的；特别是从2000年左右起，Z值小于0(图2)，即表明近20 a开始，杂谷脑河上游亚高山区域内的年均径流量呈显著减少趋势，也就是说，2000年后该区域的水源涵养量增加趋势显著。

图2 杂谷脑河水文站年均径流量的趋势分析

3.2 杂谷脑河上游出口降水与气温

从杂谷脑河上游出口即理县县城气象动态看，年均气温有显著(p<0.001)的递增趋势，从1960年的年均气温7.2 ℃，增加到2019年的11.9 ℃，增加了4.7 ℃；但是，年均降水量没有明显增加的趋势，而是呈上下波动式的动态，回归分析表明，也没有显著(p=0.522 9)的波动式变化趋势(图3)。

图3 杂谷脑河上游出口理县县城的降水气温动态

从M-K趋势分析(图4)看，杂谷脑河上游出口即理县县城的年均降水量也没有明显变化趋势，Z值在0上下波动，并呈减少—增加—再减少—再增加趋势；而气温的Z值大致呈“V”型趋势，大致从1995年开始呈上升趋势，至2010年开始，Z值大于1.96，即表明近10 a来，气温开始显著上升。

图4 杂谷脑河上游出口理县县城的降水气温趋势分析

3.3 杂谷脑河上游出口含沙量

杂谷脑河上游亚高山区域，每10 a径流减少28.3 mm，因此，这个区域的径流减少是较明显的。以岷江上游的紫坪铺水文站观测资料为基础，获得的研究结果也是径流呈较明显的减少趋势[21-22]。我们也可以从这个区域出口的含沙量动态(图5)及其趋势分析结果(图6)也可以进一步表明，这个区域的径流呈减少趋势。这个区域出口的含沙量呈显著(p=0.002 6)的递减趋势，趋势分析也表明：除个别年份外，Z值都小于0，即含沙量一直呈减少趋势，这从侧面表明了，这个区域的径流是减少的趋势，因为：径流中含沙量与径流量呈一定正相关关系[23-25]；同时，这也表明：这个区域保持土壤的能力在增加而土壤流失在减少，从而提高生态系统土壤部分的水源涵养能力。

图5 杂谷脑河上游出口含沙量的动态

图6 杂谷脑河上游出口含沙量的趋势分析

4 讨论与结论

4.1 讨 论

杂谷脑河上游出口处的气象资料表明，降水没有明显变化趋势，即变化可以忽略不计，与我们事先的假设一致。多数研究认为：降水量增或减的变化因区域不同而不同[26-27]；气候变化在高海拔地区较明显[28]。在过去的几十年中，整个青藏高原区域的气候变化呈暖湿化趋势，气温平均以0.19～0.25 ℃/10 a的速度增长，年降水量则以23.5～28.6 mm/10 a的速度增加[29]，西藏大部分地区的年降水量变化为正趋势，降水倾向率为 1.4～66.6 mm/10 a[30-31]。三江源各源区的年均降雨量和气温呈上升趋势[32-33]。在川西的贡嘎山东坡>3 600 m的区域降水有增加趋势[34]；本研究表明，研究区域降水呈不显著的波动式变化，无明显增减趋势。因此，根据这些研究结果，可以推测区内的径流减少不是降水减少引起的。

当然，从另一个方面看，岷江流域在近60 a来气温呈显著的上升趋势，特别是上游地区更明显[35]；本研究流域出口站的气温也是呈增加趋势，特别是近10 a来，气温有显著增加趋势。气温升高可能会增大区域内的蒸散发而使得径流减少。但是，有研究认为：川西高原2000年以来，实际蒸散发量呈没有显著的波动式变化趋势[36]，因为，蒸散发除了气温外，还有风速、植被等诸多其他影响因素。因此，该区径流减少主要是由于区内水源涵养能力增加导致的，也不是蒸散发的增加而引起的。

2000年以来，该区域实施了严禁森林砍伐和生态修复等工程，该区域的水源涵养量增加趋势显著，表明实施生态工程，包括生态修复和生态保护，对水源涵养有较明显的正作用[37-39]。从该区的植被覆盖情况看，2000年之前有逐年变差趋势[40-41]，而2000年之后，植被覆盖度整体上呈缓慢上升的趋势[14-15,42]。因此，该区2000年以来的水源涵养量增加较明显。

4.2 结 论

杂谷脑河上游亚高山区域的水源涵养能力呈较明显的增加趋势，特别是2000年以来，该区域实施了生态保护和生态修复等工程，该区域的水源涵养能力增加显著，平均每年水源涵养量增加31.2 t/hm2。因此，实施生态工程对区域的水源涵养能力提升有明显的促进作用。紫坪铺水文站的径流也有较明显的减少趋势。