黄河源区生态环境系统格局与服务功能演变

田世民，梁 帅，赵高磊，贾 佳，周雄冬，常静怡，江恩慧

（1.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003； 2.河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南郑州 450003； 3.河南省黄河水生态环境工程技术研究中心，河南郑州 450003；4.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

生态环境系统是一个有机整体，其分布格局和服务功能变化能反映生态环境的整体变化情况，当前研究多从这两个方面对全球或区域的生态环境状况进行评估。 2001 年联合国启动千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment，MA）国际合作项目，得到世界各国的广泛响应［1］。 随后欧美等发达国家相继发布了各国（州）生态系统评估报告［2］。 2012 年，经国务院批准，环境保护部和中国科学院联合开展了“全国生态环境十年变化（2000—2010 年）遥感调查与评估”项目，并于2016 年发布了《全国生态环境十年变化（2000—2010 年）遥感调查与评估报告》，调查结果表明全国生态环境脆弱，生态系统质量和服务功能低［3］。 此后，诸多研究者对不同区域和不同生态系统类型的分布格局和服务功能进行了评估，如有研究者对黄河源区、黄土高原和河口湿地等不同区域开展了相关研究［4-5］，也有学者对高原［6］、草地［7］、农田［8］、河流［9］、湖泊［10］等单一生态系统的格局分布和服务功能演变情况进行了研究与评估，均旨在掌握生态环境状况及其变化趋势、变化的时空分布特征和存在的主要问题，找出生态环境变化及问题出现的主要原因，提出新时期我国生态环境保护对策与建议。

黄河源区是黄河流域重要的产水区和水源涵养区。 20 世纪八九十年代，全球气候变暖与人类活动区域日益扩大，导致黄河源区生态环境受到一定破坏，土地利用类型发生极端转化，使得源区生态系统稳定性减弱［11］。 黄河流域是一个动态的复杂开放巨系统，系统内部上中下游紧密联系并存在互馈关系［12］。 黄河源区生态系统受损不仅会威胁源区人民的生产和生活安全，而且会对黄河流域水资源安全和经济社会发展产生负面影响。 2011 年国务院印发的《全国主体功能区规划》将三江源定位于重点生态功能区，生态系统服务功能成为其主体功能之一。 笔者及其团队自2006 年以来持续开展黄河源区生态环境研究，对生态环境要素进行了全方位分析，对重要因素进行了持续现场监测。 为了深入认识黄河源区生态环境演变过程和现状特征，结合前期研究，本文系统梳理了黄河源区生态环境系统格局和功能，并在此基础上给出了提升黄河源区生态环境质量和生态系统服务功能及保障源区生态格局安全的对策与建议。

1 黄河源区生态格局变化情况

整体来看，1980—2020 年黄河源区综合土地利用动态变化幅度较小。 相较于1980 年，2020 年黄河源区草地、林地、湖泊、沼泽湿地、耕地和建设用地面积均呈增加趋势，其中建设用地增加幅度最为显著，增幅为226.8%，其次为耕地和沼泽湿地，增幅分别为30.0%和15.4%。 未利用地面积呈减少趋势，减少面积为5 230 km2（减幅为29.82%）。 草地为黄河源区最主要的生态系统类型，从面积变化来看，源区草地面积增加最多，增加了4 353.9 km2（增加比例为3.57%），但增加的主要为低覆盖草地面积，为5 770.2 km2（增加比例为4.73%），高、中覆盖草地面积仍然呈减少趋势，分别减少了663.1 km2（减少比例为0.54%）和753.2 km2（减少比例为0.62%）。 1980—2020 年黄河源区草地和未利用地之间的转化最为剧烈，其次为水域和未利用地之间的转化，净转化面积分别为5 063.9 km2和132.4 km2。 建设用地的增加主要是侵占了草地面积，两者间的净转化面积为82.8 km2，占建设用地增加总面积的90.7%。

从时间尺度来看，黄河源区生态环境变化过程可分为3 个阶段，分别为1980—1990 年、1991—2005 年和2006—2020 年，其生态环境状况相应地表现为良好—破坏—恢复。 2005—2010 年源区各类土地利用类型动态变化幅度均较大，之后变化趋于平稳，主要原因是2000 年后，国家实施了一系列重大生态保护措施，有效遏制了黄河源区生态退化的趋势［13］。

从空间分布来看，1980—2020 年，除未利用土地外，源区各类土地利用类型在空间上的转化并不明显。黄河源区各时期土地利用类型的空间分布见图1。

图1 黄河源区各时期土地利用类型的空间分布

1980—2020 年，在扎陵湖、鄂陵湖以上的源头区域，未利用土地的面积明显增加，主要为沙化草地；黄河源区沙地面积呈减少趋势，共减少了125.7 km2，但扎陵湖、鄂陵湖以上的源头区域土壤沙化还在持续；黄河源区生态环境状况呈现出整体好转和局部退化的状态；黄河源区景观生态格局总体表现为异质性增强，破碎化程度提高，连通度下降，1990 年左右景观生态格局破碎化加剧，2005 年后趋于平缓。

2 黄河源区水生态环境变化情况

2.1 水文过程变化

唐乃亥水文断面为黄河源区的出口断面，1956—2020 年唐乃亥站年均径流量为203.36 亿m3，年均径流量极值比为3.09，极值差为221.1 亿m3，变差系数CV为0.27，表明唐乃亥站径流年际波动较小［13］，65 a间源区径流量呈现不显著波动增加趋势［14］，递增速率为0.84 亿m3／10 a。 从年际变化来看，当前研究普遍认为黄河源区径流突变年份为1990 年左右［15-16］，1990 年之前为径流的上升阶段、之后为下降阶段［17］。黄河源区径流存在7、12、28、45 a 不同时间尺度的“丰—枯”演变周期［18］，在整个65 a 的研究尺度上，径流存在较大尺度的丰枯交替变化，即枯（1956—1965年）—长丰（1966—1989 年）—长枯（1990—2005年）—偏丰（2006—2020 年）。 从年内变化来看，黄河源区径流量年内分布极不均匀，6—10 月的径流量较大，7 月和9 月径流量一般会出现峰值，分别占全年径流量的17.25%和15.36%。 相较于1956—1989 年，1990—2020 年年内径流量在8、9、10 月下降明显，分别下降了10.51%、26.36%、15.97%；9 月径流量显著下降导致源区年内水文分布类型由“双峰型”转变为“单峰型”。

从空间变化来看，自鄂陵湖站至唐乃亥站，径流量逐渐增加，其中区间水量增加较多的河段为吉迈—玛曲河段，年均水量增加约103.31 亿m3，约占源区年均总径流量的50.80%。 吉迈—玛曲河段有多条支流汇入，水量较大的有沙柯曲、白河和黑河3 条支流。 其上有久治、唐克和大水3 个水文站，其中久治站为沙柯曲入汇黄河的把口站，多年平均径流量为5.47 亿m3，唐克站为白河入汇黄河的把口站，多年平均径流量为20.27亿m3，大水站为黑河入汇黄河的把口站，多年平均径流量为10.36 亿m3。 沙柯曲、白河和黑河3 条支流补充了吉迈—玛曲区间1／3 以上的径流量。 吉迈—玛曲河段是黄河源区的主要产水区，也是需要重点关注的水源涵养区。

2.2 水环境变化

根据历年《中国生态环境状况公报》和《青海省生态环境状况公报》可知，自2008 年起，黄河源区干流河段的水质整体趋势向好。 2008 年和2009 年，黄河源区的水质类别为Ⅲ类，2011 年后有好转，转为Ⅱ类，黄河源区上游河源—玛曲河段水质2016 年后变为Ⅰ类并持续至2020 年，2021 和2022 年该河段水质类别为Ⅱ类。 玛曲—龙羊峡水库河段水质自2011 年转为Ⅱ类以来一直持续至今。 黄河源区主要支流水质均维持在Ⅱ类及以上。 2017 年以来，笔者所在研究团队每年对黄河源区干支流水质进行监测，监测断面分布见图2，至2023 年已完成7 期水质监测。 监测指标主要包括水温（T）、溶解氧（DO）、电导率（SPC）、总溶解固体（TDS）、酸碱度（pH）、氧化还原电位（ORP）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）和高锰酸盐指数（CODMn）等。 监测结果显示，2017 年以来黄河源区主要干支流水质均维持在Ⅱ类及以上标准。

图2 黄河源区水质监测断面分布

2.3 水生态变化

2016—2023 年，对黄河主要干支流的大型无脊椎底栖动物进行了4 次监测。 白河流域共监测到3 门7 科73 属底栖动物，Shannon-Wiener 多样性指数为0.61～2.01。 各断面底栖动物的丰度、密度、生物量和多样性指数因栖息地环境不同而表现出较大差异，在所有底栖动物样本中，环节动物数量占比最低，仅6.3%，节肢动物数量占比为33.6%，软体动物数量占比最高，高达60.1%，在节肢动物中水生昆虫数量占94.5%。 黄河二级支流兰木措曲共监测到25 科30 属底栖动物，生物密度为9～541 ind／m2，Shannon-Wiener 多样性指数为0.70 ～2.21。 该河段的优势物种包括长角泥甲科的Ordobrevia属，占总个体数的24.15%，其次为钩虾科的Gammarus属，占总体的23.93%，二者数量接近总个体数量的一半，第三优势物种为摇蚊科的Polypedilum属，占总个体数的16.64%。 2023 年6 月对黄河源区干流和6 条主要支流入汇处的底栖动物进行了监测，共监测到3 门12 科32 属底栖动物，其优势物种为钩虾科的Gammarus属，占总个体数的24.49%，其次为摇蚊科的Georthocladius属，占总个体数的12.04%。 通过计算可知，底栖动物Hilsenhoff 生物指数为4.37 ～9.31，敏感类群评价指数（BMWP）为3.0 ～57.2，科级耐污指数（FBI）为1.77～6.75，大型无脊椎动物生物完整性指数（BIBIE）为0.13 ～1.71。 生物多样性高低是一个地区生态质量优劣的重要量度。 黄河源区底栖动物生物多样性总体表现为α多样性低、β多样性高，即群落或生境内部物种的多样性较低，而从一个生境到另一个生境所发生的物种的多样性变化速率和范围较高。

3 黄河源区河流演变对水生态系统的影响

黄河源区干支流多为冲积性弯曲河流，天然状态下河流在自然演变过程中发生裁弯，发育了大量的牛轭湖湿地。 牛轭湖是弯曲河流长期演变过程的伴生产物，其既是过去古河道的遗迹，又是弯曲河流横向迁移而形成河曲带的地貌组成单元。 河流裁弯是牛轭湖形成的起点，河流裁弯后，牛轭湖的水流条件、泥沙供给和沉积作用发生了根本性变化。 牛轭湖作为一类独特的滨河生物栖息地，在生物多样性和景观多样性方面有着不可替代的作用［19］。 牛轭湖地处水陆过渡带，蓄积了来自水陆两相的营养物质，具有较高的生物多样性的底质条件和较高的初级生产力［20］，某些物种更喜欢生活在牛轭湖中［21］。 牛轭湖在演变过程中，受河流间歇性淹没的影响，洪水期与河流发生物质与养分交换，同时湖内不断淤积，水体环境特征也发生变化［22］。此外，牛轭湖还通过影响周围土壤水分来影响周边的植被分布［23］，对河流生态系统有着重要的影响［24］。

通常而言，地势低洼平坦、有利于泥沙淤积的河段极易发生河道改道，形成新河槽［25］。 黄河源区玛曲至唐乃亥河段的若尔盖湿地是一片宽阔的沼泽湿地，极易因冲淤变化而导致河形改变。 本研究选择黑河和白河来探究源区河流演变对水生态系统的影响。 黑河和白河河床类型兼有砂质河床和卵石河床。 通过聚类分析可知，黄河源区底栖动物栖息地类型可分为4 类，分别为砂质河床栖息地（SA）、卵石河床栖息地（CB）、挺水植物或沉水植物占优的低生物量牛轭湖栖息地（OⅠ，代表牛轭湖发育前期）和沉水植物占优的高生物量牛轭湖栖息地（OⅡ，代表牛轭湖发育后期），各类栖息地群落特征见图3。 与栖息地环境特征相对应，SA 栖息地中底栖动物的丰度、密度、生物量和多样性指数非常低。 CB 和OⅠ两类栖息地的底栖动物丰度、密度、水生昆虫密度相近，OⅠ牛轭湖Shannon-Wiener指数稍低于CB 的，但底栖动物生物量则是CB 的近2倍。 CB 栖息地为流水型，优势物种为EPT 物种（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目生物）及喜流水的双翅目等；静水型的OⅠ牛轭湖栖息地底质中值粒径相对较小，优势物种为喜静水的摇蚊科生物。 OⅡ牛轭湖栖息地底栖动物的丰度、密度、生物量和Shannon-Wiener 指数均显著高于其他类型栖息地，龙虱科、划蝽科的水生昆虫及小型螺类、贝类占有极端优势。

图3 黄河源区底栖动物各类栖息地群落特征

OⅡ栖息地底栖动物群落在垂直空间上并不是均质的，具有非常强的结构性。 一般地，在植被占优势的牛轭湖中，植被附着类生物构成物种丰度主体，而底栖类生物则构成密度和生物量的主体，但在本次研究中情况却有所不同：在OⅡ牛轭湖中，水体层的底栖动物无论是在丰度、密度还是生物量上都高于底泥层的底栖动物。 此外，其群落构成也截然不同：水体层的高植被、富氧环境中大量分布有萝卜螺属、扁蜷螺属等攀缘生物和龙虱科、划蝽科等潜水生物，而在底泥层的低氧环境中摇蚊属和叶甲幼虫等蔓生生物和穴居生物则占优势。 总的来说，牛轭湖作为一类独特的栖息地，提高了黄河源区栖息地多样性，对黄河源区生物多样性有着重要的生态意义。

在气候变化和人类活动干扰下，黄河源区面临着湿地萎缩等生态退化的状况。 据统计，在近30 a 间，白河流域所在的若尔盖湿地中的沼泽型湿地损失面积比例高达88%。 湿地萎缩会导致牛轭湖间歇性通水或长期不通水，牛轭湖则会萎缩形成单独的静水生态系统直至完全消失。 但临近河道的地表径流和地下水补给，使得牛轭湖湿地的损失相对较慢，受原始河道的尺寸和现有人为政策干预的影响，牛轭湖能够维持上百年甚至上千年的时间才消失。 在自然条件下，一方面黄河源区弯曲河流裁弯不断形成新的牛轭湖，另一方面牛轭湖发育、演变并最终消失，黄河源区河流生态系统在较长时间尺度维持着动态平衡。

4 黄河源区生态系统服务功能

4.1 水源涵养

水源涵养是指生态系统通过对降水的截留、吸收和贮存，改变流域产流特征、水文循环路径和水分存储形式，调节流域地表水、土壤水和地下水之间存储和交换关系，从而既能保障和维持流域生态系统健康，又能最大限度为流域外提供生态产品和服务的功能［12，26］。水源涵养是黄河源区最重要的生态系统服务功能之一。 基于黄河源区1970—2020 年系列水文气象数据，采用SWAT 模型从时间尺度、空间尺度和生态系统尺度对黄河源区水源涵养变化情况进行分析。 结果表明：在时间尺度上，黄河源区1970—2020 年水源涵养量为27.92～244.83 mm，增长率为13.36 mm／10 a。 水源涵养量与降水量、蒸散发量和地表径流量正相关，受降水量影响最大。 在空间尺度上，黄河源区水源涵养受降雨影响，年内分布不均，空间分布南部多于西部，若尔盖湿地是黄河源区重要的水源涵养区。 在生态系统尺度上，不同生态系统类型水源涵养的贡献度有差异，湿地（15. 26%） ＞林地（15. 04%） ＞高覆盖度草地（14.56%）＞中覆盖度草地（13.11%）＞裸地（12.81%）＞低覆盖度草地（12.53%）＞人造地表（9.07%）＞耕地（7.08%） ＞水体（0.54%），其中草地总贡献率为40.20%。 保护草地、林地和湿地生态系统是维持黄河源区水源涵养能力的重要措施。

4.2 碳储量

碳储量是指生态系统中碳素的存留量，与生态系统中生物的现存量关系密切。 碳储量作为衡量生态系统的初级生产力规模和数量的重要指标，是全球气候变化研究的核心内容之一，准确估算陆地生态系统碳储量对研究气候变化具有重要意义［27］。 通过研究发现，1980—2020 年黄河源区碳储量为15.60×105～16.22×105t，增长率为0.16×105t／10 a。 黄河源区分布有大面积高寒草甸，其碳储量最高，占源区总碳储量的91.3%，其次为林地（6.6%）和未利用地（2.1%）。 在所有碳储量类型中，土壤碳储量占比最高，其次分别为地下碳储量、凋落物碳储量和地上碳储量。 碳储量空间分布与源区草地空间分布具有一致性。

4.3 生境质量

生境质量反映了区域生态系统可提供给系统内动植物生存和延续所需的自然资源的质量，生境质量指数是衡量生态环境水平的重要指标［28-29］。 利用InVEST模型计算黄河源区1980—2020 年8 期生境质量，结果表明黄河源区平均生境质量指数为0.725 ～0.761。 整体来看，黄河源区生境质量指数的变化幅度较小，生境质量水平较高。 从空间尺度来看，1980—2020 年生境质量总体空间格局较稳定。 黄河源区大范围地区生境质量指数为高（0.8～1.0）与较高等级（0.6～0.8），低等级（0～0.2）主要分布在源区西部与北部地区，呈现零星分布，其中阿尼玛卿山北侧分布面积较广。 1980—2015 年，黄河源区生境质量指数在一定范围内波动，呈现相对稳定的特征，2020 年有大幅度上升，尤其是吉迈水文站以上的西部地区，说明1980—2022 年黄河源区生境质量呈向好的趋势。

4.4 洪水调蓄

湖泊和湿地等是抵御河流水系洪水灾害的天然屏障，而水库则是现代防洪工程体系的重要组成部分，二者在减少洪水灾害、保障区域防洪安全方面发挥着极为关键的作用［30］。 利用黄河源区1980—2020 年土地利用类型数据计算了源区洪水调蓄功能，结果表明黄河源区洪水调蓄量为60.88 亿～77.27 亿m3，增长率为3.93 亿m3／10 a。 时间尺度上源区洪水调蓄量呈现先降低后升高的趋势，其中2000 年调蓄量最小，2000 年之后黄河源区水电站（调蓄库容8.4 亿m3）的建成蓄水与沼泽湿地的恢复导致源区洪水调蓄能力大幅提高（13.20%）。 沼泽湿地对黄河源区洪水调蓄量的贡献最大（72. 60%）， 其次为湖泊（15. 88%） 和水库（11.52%）。 从空间分布来看，源区东南部若尔盖湿地对洪水的调蓄作用最大，其次为玛多县以上的源头区。

5 结束语

对黄河源区的水资源、水环境、水生态和生态系统格局以及生态系统服务功能演变特征等开展了系统而全面的研究，主要得出以下结论：

1）1980—2020 年黄河源区综合土地利用动态变化幅度较小，草地、林地、湖泊、沼泽湿地、耕地和建设用地面积均呈增加趋势，未利用地面积呈减少趋势，草地和未利用地之间的转化最为剧烈，黄河源区生态环境状况呈现整体好转和局部退化的状态，景观生态格局总体表现为异质性增强，破碎化程度提高，连通度下降。

2）黄河源区1956—2020 年唐乃亥站年均径流量呈现不显著波动增加趋势，递增速率为0.84 亿m3／10 a。从年际变化来看，源区径流突变年份为1990 年左右，1990 年之前为径流的上升阶段，之后为下降阶段，在径流年内变化上，9 月份其下降最为显著；在整个65 a的研究尺度上，径流存在较大尺度的丰枯交替变化，即枯（1956—1965 年）—长丰（1966—1989 年）—长枯（1990—2005 年）—偏丰（2006—2020 年）。

3）黄河源区水质整体呈良好状况，近10 a 水质类别基本在Ⅱ类及以上；源区底栖动物以节肢动物为主，优势物种以敏感种钩虾科的Gammarus属为主，多样性总体表现为α多样性低、β多样性高的特征。

4）黄河源区河流演变丰富了底栖动物栖息地类型，尤其发育后期的牛轭湖，大幅度提高了源区底栖动物的丰度、密度和生物量。 黄河源区河流生态系统处于长期变化的动态平衡状态。

5）1980—2020 年黄河源区生态系统服务功能整体向好，其水源涵养功能、碳储功能、生境质量和洪水调蓄功能均在稳步提升。

黄河源区生态环境脆弱，20 世纪八九十年代，全球气候变暖与人类活动区域的日益扩大导致了黄河源区生态环境受到一定破坏，土地利用类型极端转化。在国家实施一系列重大生态保护措施后，黄河源区生态退化的趋势得到有效遏制，源区生态状况呈现稳定向好趋势。 气候变化和人类活动是影响黄河源区生态环境变化的主要因素。 从本质上来讲，人类活动影响只是改变了区域下垫面条件，而气候条件变化不受人为干预，故气候变化导致的冰川退化、冻土消融等生态环境问题将长期存在。 目前只能通过调控人类活动，如通过保护和修复措施来改善黄河源区下垫面条件，从而提升源区生态环境质量与生态系统服务功能。 针对黄河源区现状问题，提出以下建议与意见。

1）全面评估气候变化和人类活动对黄河源区生态环境系统的定量影响。 目前来看，人类活动影响黄河源区生态环境的趋势向好，如何应对气候条件变化引起的生态环境问题应是未来研究的重点问题。 因此，亟须开展未来不同情景下黄河源区生态环境演变趋势研究，构建相应的预测模型，评估未来黄河源区生态环境演变趋势与演变特征，为提升源区生态环境质量提供理论支撑。

2）系统谋划黄河源区重大生态保护与恢复工程。根据黄河源区生态用地类型和保护目标实际情况，以重要的生态功能区保障为重点，以增强生态系统服务功能为目标，科学规范生态建设与生态恢复，统筹谋划区域重大生态保护与恢复工程，构建科学合理的生态安全格局。

3）开展黄河源区径流变化中长期预测研究。 黄河源区是黄河流域重要的产水区。 源区径流变化不仅影响黄河流域水资源安全，而且影响黄河源区水源涵养、洪水调蓄等诸多生态系统服务功能，从而影响黄河源区乃至整个流域的生态安全。 因此，需要开展源区径流变化预测研究，进一步明确黄河源区径流变化对黄河流域水资源和生态安全的影响。

4）提升黄河源区生态系统服务功能。 黄河源区的功能定位是重点生态功能区，其生态系统服务功能是源区主体功能之一。 因此，亟须通过工程和非工程措施提升源区生态系统服务功能，保障重点生态功能区的主体功能稳定，提升源区生态系统对人类福祉的贡献。