黄河源区植被覆盖变化对水源涵养能力的影响研究

课题承担单位：中国环境科学研究院

课题负责人：杜加强

 黄河源区是三江源自然保护区的重要组成部分，对我国北方地区的生态安全、水安全起到重要的保障作用。从上个世纪70年代开始，黄河下游频繁断流，特别是进入90年代，黄河源头也出现断流，黄河流域的水资源日趋短缺。黄河是我国北方最重要的水资源，水资源的供需矛盾十分突出，频繁的断流现象给沿黄地区的社会经济发展造成了很大的损失。青海省黄河源区为黄河流域提供了近一半的径流量，其生态环境备受世人关注。保护黄河源区的生态环境，提高水源涵养能力，是从根本上解决黄河断流和枯水的方法之一。系统地研究黄河源区的气候、蒸散发、径流、植被覆盖变化及其相互作用，建立定量化的水源涵养能力表征体系，对于探讨黄河源区近年来的生态系统演变及其服务功能的变化，具有重要的科学意义和实践价值。

 本课题以黄河的主要产流区——青海省以上黄河流域为研究区域，从气候、植被、蒸散发的空间分布、变化过程、特征趋势出发，分析其可能对水文过程的影响，并在此基础上初步建立了定量化的水源涵养功能指标，研究了黄河源区水源涵养功能的变化。

 (l)深入分析了黄河源区的气温、降水量等气候要素的变化趋势、过程，建立了黄河源区的干湿气候分区。气候变化已经成为全球性的环境问题，生态系统的演变不可避免地要受到气候变化的影响。在全面收集研究区域及周边气象站历年观测数据的基础上，采用气候倾向率、建立气候基线等方法对近五十年来气候的变化趋势、变化过程进行分析，重点采用Mann-Kendall突变检测方法研究了近30年来年尺度和月尺度的气温和降水的变化，并采用较合理的降水蒸散比方法完成了研究区域的干湿气候区划及其变化趋势的计算。研究结果表明，近五十年来区域的气温除河南气象站外均呈显著增加趋势，降水量多呈不显著的减少趋势。除个别站点外，年均气温、最高气温的气候倾向率和多年平均值呈沿1959 - 1988年、1969 - 1998年、1979 - 2008年持续递增的趋势，最低气温的平均值变化趋势也与此相同，表明研究区域的气温呈普遍、快速上升的趋势；三个时段降水量的变化规律较弱，1979 - 2008年总体上呈减少趋势，位于研究区域东南部的主要产流区的降水量显著减少。1982 - 2006年的年均气温在上个世纪90年代中后期存在突变，变暖的趋势更加剧烈，而降水量变化较为平稳、连续。除贵德附近属干旱气候区外，基本上以泽库-玛沁一线为界，南部为半湿润地区，北部为半干旱地区，干湿分界线与450mm降水等值线大体一致，且存在干旱化的趋势。

 (2)利用GIMMS AVHRR NDVI数据，对研究区域1982 - 2006年的植被覆盖情况进行了动态监测，分析了植被覆盖对气候变化的响应。陆地生态系统与气候变化的关系，是全球变化研究的重要内容和焦点之一。植被是陆地生态系统最重要的组成部分，而气候条件则是宏观尺度上植被分布和变化的直接驱动力。1982 - 2006年的NDVI变化趋势表明，在研究区域东南部的半湿润地区，NDVI值呈显著增加趋势，植被覆盖提高主要发生在6-7月和9月；其他区域以减少区域为主，明显减少的区域主要位于玛多县部分地区、兴海一共和沿线区域。植被与气候之间的关系主要采用相关检验和植被降水利用率变化的方法。结果表明，在东南部半湿润地区，植被覆盖与气温呈显著正相关，气温的升高促进了植被覆盖的提高；NDVI与气温呈显著负相关的区域主要集中在源头部分地区和共和、兴海沿龙羊峡水库一带；以干湿界线为分界，NDVI与降水量的相关系数在半湿润和半干旱地区分别以负值和正值为主，显著正相关的区域主要位于玛多县城附近、研究区中部和西宁市附近。植被对降水和气温变化的响应具有近东南  西北方向空间分异的特点，西北部植被对降水量的敏感性更强，东南部对气温的敏感性更强。降水利用率与NDVI的变化趋势可以判定区域是否存在生态系统退化或改善的状况，结果表明，玛多县部分区域，兴海县沿黄河干流到共和县地带，存在着植被退化；而研究区域东南部的植被覆盖多呈改善趋势。

 (3)在筛选适宜于黄河源区的潜在蒸散发评估方法的基础上，计算了研究区域的潜在蒸散发变化趋势及其对几种气候因子的敏感性。无论在何种空间尺度上，蒸散发都是水量平衡、水量转化的重要环节，同时也关系到地表的能量平衡，是水循环中最直接受气候变化影响的一项。潜在蒸散发的计算方法多是针对特定气候设计的，具有较强的地域性。采用模型之间相互对比、与实测蒸发皿蒸发量对比的方法，评估了目前国内外广泛应用的14种方法在研究区域的适用性。FAO Penman-Monteith方法在数值和变化趋势方面，都与实测值吻合最好。研究区域的潜在蒸散发主要发生在生长季，并具有随海拔升高而减小的趋势；高海拔地区(≥3000m)与低海拔地区《3000m)的变化趋势也不尽相同，前者呈显著增加趋势，变化过程为先减少后增加，后者变化不明显或呈减小趋势，变化过程为先增加后减少。一年四季，日照时数的增加和相对湿度的降低将促进潜在蒸散发的增加，而气温和风速对潜在正散发的影响还依赖于其他气候要素的状况；生长季的潜在蒸散发主要受到日照时数、相对湿度和气温变化的影响；近50年来，研究区域潜在蒸散发对气温变化的敏感性显著增强，低海拔地区还对相对湿度的敏感性有所减弱。

 (4)建立了区域尺度水源涵养功能的定量化表征指标，评估了近50年来黄河源区的水源涵养功能的时空变化特征。水源涵养功能是江河源区生态系统最重要的服务功能之一，其变化对整个流域的水资源、水环境都具有重要影响。黄河源区的水源涵养功能主要表现在拦蓄降水、调节径流、抑制蒸发等几个方面。以水源涵养量表征水源涵养功能的“量”，以水源涵养能力来表征水源涵养功能的“质”，并分别采用水量平衡法和比值法来进行计算。水源涵养量和水源涵养能力的空间分布呈从东南向西部递减的趋势；1959 - 2008年，东南部的水源涵养量呈减少趋势，其他地区则以增加趋势为主；东南部呈先增加后减少的趋势，而玛多等地则呈先减少后增加的趋势。玛多县和久治县、河南县等的水源涵养能力呈显著减弱趋势，其他地区的减弱趋势不显著。研究区域东南部是区域降水量最丰富的地区，也是黄河最主要的产流区，该区域水源涵养量和水源涵养能力的降低，可能是近年来黄河源区出水量减少的主要原因之一。

(5)通过实地采样、测试分析发现，高寒地区草甸退化对土壤水源涵养功能具有显著影响。为定量研究草地退化对土壤水源涵养功能的影响，以土壤蓄水量法表征土壤水源涵养能力。2012年7月末、8月初在不同退化程度的高寒草甸境内共布设32个样地，采集植被样品和土壤样品，通过室内测试分析，计算高寒草甸地表植被生物量特征、土壤水文物理性质，从而分析草地退化对土壤蓄水能力的影响。结果表明，随着高寒草甸退化程度加剧，土壤物理性质发生明显变化，土壤容重逐渐增大，总孔隙度降低，土壤蓄水能力下降。中度退化草甸土壤蓄水能力比未退化草甸降低9%～10%，而严重退化草地则下降18% - 28%。土壤水源涵养量与高寒草甸地上生物量显著相关，为探索利用遥感技术定量化评价不同退化程度草地的水源涵养能力提供了新的思路和参考依据。