天山中部云杉天然林水源涵养功能定量评估——以乌鲁木齐河流域为例

为定量分析天山中部流域尺度云杉天然林水源涵养功能,以乌鲁木齐河流域为研究区,使用In VEST模型,研究云杉林及其它主要地类水源涵养量的大小,并对云杉林在不同分布面积、不同地形因子条件下的水源涵养量变化进行定量分析。结果表明:(1)In VEST模型可较好的确定研究区流域尺度水源涵养量。基于In VEST模型的模拟,乌鲁木齐河流域云杉林区水源涵养总量为4.93×10~6m~3,占研究区水源涵养总量(2.41×10~7m~3)的20.46%,林区平均水源涵养深度为54.25 mm;(2)云杉林区水源涵养量的大小在海拔、坡度、坡向上的变化与云杉林空间分布格局一致,每公顷水源涵养量随海拔升高先增大后降低、随坡度增大而降低;阴坡水源涵养能力最强;(3)研究区各地类中以林地水源涵养量最大(水源涵养量544.78 m~3/hm~2),随着云杉林覆盖率的不断增加,水源涵养总量、平均水源涵养深度及单位面积涵养量均呈增加趋势;(4)研究区水源涵养量的贡献率与森林面积密切相关,云杉林面积每增加1%,研究区与云杉林区水源涵养总量分别增加0.437×10~6m~3、0.522×10~6m~3;加强对研究区云杉林的保护与抚育管理,才能使森林发挥持续稳定的水源涵养生态服务功能。     

基于InVEST模型的黄河流域产水量时空变化及其对降水和土地利用变化的响应

黄河流域是重要的水源涵养和生态屏障区,研究其水源供给服务对实现黄河流域高质量发展和生态环境保护具有重要意义。本研究基于InVEST模型和情景分析法,以土地利用覆被、气象及土壤等数据作为输入,分析了1995—2015年黄河流域产水量的时空格局以及降水变化和土地利用变化对流域产水量的影响,并探讨产水量对二者的响应。结果表明:1995—2015年,黄河流域产水深度增加,增量为24.34 mm,产水高值区集中在西部和西南部,低值区集中在西北区域,产水深度空间格局特征变化不明显;黄河流域三级流域中,龙羊峡以上流域产水量最高,约117 亿m³·a^-1,是黄河流域主要产水区,兰州至河口流域产水量最低,约0.44 亿m³·a^-1;整个流域中永久冰川及雪地的平均产水深度最大,草地是全流域产水总量的主要贡献地类,提供了总产水量的62.6%;降水对产水量的影响比较显著,土地利用/覆被变化对产水量的影响较小。     

基于InVEST模型的金沙江流域干热河谷区水源涵养功能评估

以金沙江流域干热河谷区1990年、2000年、2010年和2019年4期Landsat遥感影像为基础数据,通过目视解译和最大似然相结合的方法进行土地利用类型分类,定量分析金沙江流域干热河谷区土地利用类型的时间变化与空间转移过程;采用InVEST模型,结合气象、土壤和地形等数据评估了1990-2019年金沙江流域干热河谷区及不同土地利用类型的产水功能和水源涵养功能。结果表明：1）1990-2019年金沙江流域干热河谷区土地利用类型以草地、乔木林地和耕地为主;近30年来,灌木林地、建设用地、交通运输用地和水域的面积不断增加,建设用地面积增幅最大;草地、乔木林地、耕地和裸地面积均减少。2）1990-2019年,建设用地、灌木林地、交通运输用地和水域面积的增加来源于草地、耕地和乔木林地。3）金沙江流域干热河谷区多年平均产水量为26.09×10⁸ m³,水源涵养量为7.26×10⁸ m³,产水量的变化与分布直接影响着区域的水源含养量;平均水源涵养能力68.74 mm,呈现上升-下降-上升的波动变化趋势。4）1990-2019年不同土地利用类型的水源涵养量变化明显,不同地类平均水源涵养量的大小依次为耕地 > 草地 > 建设用地 > 乔木林地 > 交通运输用地 > 灌木林地 > 裸地 > 水域。     

退耕还林还草工程对干旱区内陆河流域生态系统服务的影响

探讨人类活动尤其是大型工程、政策对生态系统服务的影响是国际上地理学和生态学研究的前沿与热点领域。利用土地利用数据、气象数据、遥感数据等, 结合InVEST产水量模型、CASA模型和RUSLE模型, 对石羊河流域退耕还林还草工程实施期间的生态系统产水、净初级产品生产和土壤保持服务进行精准测度, 分析其演变特征, 并进一步细化对比了工程实施区与非工程实施区生态系统服务变化的差异。结果表明: (1)石羊河流域退耕还林还草工程实施期间(2000—2015年), 林、草地面积有所增加, 耕地和未利用地面积有所减少; 面积变化比例最大的土地转化类型为“未利用地—草地”、“未利用地—林地”、“耕地—草地”和“耕地—林地”。(2)石羊河流域在退耕还林还草工程实施期间整体生态系统产水服务和土壤保持服务有不同程度衰退, 但是NPP有较为明显增加; 各服务在空间分布上具有一致性, 均呈现出南高北低, 由西南向东北阶梯递减的趋势。(3)石羊河流域“退耕区”产水、NPP和土壤保持总量和平均量均呈现出明显的增加趋势, 而“非退耕区”除了NPP总量和平均量有所增加以外, 其余两类服务均有不同程度的减少; 各退耕模式中, “荒地造林”区对各类服务的提升最为明显, “退耕还林”区产水总量和平均量均有所减少。     

秦岭水源涵养功能时空变化及其影响因素

秦岭是中国重要的南北分界线,也是中国重要的水源涵养功能区,探究秦岭地区水源涵养功能的时空变化,对于实现该区自然资源的合理利用与可持续发展具有重要现实意义。本文利用In VEST模型产水模块,分析了秦岭地区2000—2015年产水功能和水源涵养功能的时空变化,并采用逐步回归分析法对水源涵养功能的影响因素进行定量化分析。结果表明:秦岭多年平均产水量和水源涵养量分别为156.96×108和61.51×108m3,各市域的水源涵养能力依次为商洛安康汉中西安宝鸡渭南; 2000—2015年水源涵养功能时空变化显著,空间上呈现南高北低的分布特征,水源涵养量以每年0.26 mm逐年增加,产水量和水源涵养量与年降水量的空间分布基本一致,与实际蒸散发分布相反; 2000—2015年的土地利用变化以未变化类型为主,土地利用变化导致水源涵养能力变化-65.2～14.4 mm,其中林地和草地的水源涵养能力分别呈不同程度的增加和下降;子流域尺度上与水源涵养功能相关性强的主要因子为干燥指数、降水和土壤饱和导水率,对产水功能影响较大的因子有干燥指数、降水和实际蒸散发。     

东江流域森林水源涵养功能空间格局评价

东江流域森林水源涵养功能对于保障流域可持续发展具有重要作用。应用In VEST模型,结合东江流域土地覆盖分类数据、气候数据、土壤数据评估了东江流域森林水源涵养功能的空间分布。结果表明:东江流域森林生态系统水源涵养总量为47.29×10~8m~3,水源涵养功能最高为572.6 mm,平均水源涵养功能为204.15 mm。东江流域森林水源涵养功能在空间上呈现出不同的分布特征,流域内森林水源涵养功能随海拔升高呈现先上升后降低的趋势,在海拔900—1200 m范围,水源涵养功能平均值达到最大值270 mm;流域内森林水源涵养功能随坡度升高呈增加趋势,在坡度大于50°的区域,森林水源涵养功能平均值增加到327.2 mm,高于流域平均水平60%。流域水源涵养功能呈现中游下游上游的空间格局,流域上、中、下游地区的水源涵养总量占流域的比例分别为11%、72%、17%。     

基于InVEST模型的黄土高原丘陵区水源涵养功能空间特征分析

水源涵养功能是黄土高原丘陵区生态服务的主导功能,对保障该区域生态与社会经济的可持续发展具有重要作用。以定西市安定区为例,基于InVEST模型评估了2017年的水源涵养功能及其空间分布特征,并利用空间统计方法计算了水源涵养功能的冷热点和重要性分布格局。结果表明,该区2017年在栅格单元的水源涵养量介于0-364.541 mm之间,流域单位面积平均年水源涵养量36.37 m³/hm²,水源涵养总量为11900×10⁴ m³。其中,西河流域单位面积平均年水源涵养量最高,达54.64 m³/hm²,整个区域的水源涵养功能在空间分布上呈由西南向东北逐渐减少的特征。水源涵养功能的热点区域主要集中在南部地区,热点分布呈由西南至东北逐渐降低的分布格局;冷点区面积要高于热点区面积,非显著点面积占总面积的50%以上。水源涵养功能的高度重要区和极重要区面积占总面积的34.39%,主要分布在关川河流域;一般重要区和较重要区面积占总面积的40.59%,主要分布在海拔较低的称钩河和西河流域。通过对定西市安定区水源涵养功能及冷热点和重要性的空间分布特征分析,明确了生态保护与建设的重点区域,为黄土高原丘陵区的生态与社会经济发展提供决策依据。     

典型气候条件下东北地区生态系统水源涵养功能特征

东北地区是我国重要的生态功能区,其包含的典型生态系统具有独特的水源涵养功能,在防洪减灾,保障生态安全和人居安全中发挥着关键作用。以往有关水源涵养功能的研究主要是依托不同水文模型方法,从单一年份或多个年份的角度进行研究,较少考虑不同气候条件下水源涵养功能的空间分异特征。采用标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)划分研究区的典型气候年份(干旱、正常和湿润);基于水量平衡法,结合SCS-CN模型以及Penman-Monteith方程对东北地区典型气候条件下生长季内的水源涵养功能进行研究。结果表明:(1)研究区水源涵养功能在不同气候条件下差异明显,三个典型气候年份生长季内的水源涵养总量分别为:干旱年(SPEI=-1.26)为2214.64亿m~3、正常年(SPEI=-0.22)为3231.49亿m~3和湿润年(SPEI=1.05)为3969.33亿m~3。(2)水源涵养功能空间变异突出,但在三种典型气候条件下呈现出一致变化,均表现为长白山地区水源涵养量最大,大小兴安岭地区次之,水源涵养量最低的地方主要出现在呼伦贝尔以西的草原地区,在东北平原的部分地区也有低值的出现,如白城、通辽、鸡西等地区,水源涵养量较一般的地方出现在东北平原大部分以农田为主的地区。(3)水源涵养功能除受气候因素的影响外,还取决于土地利用类型的变化,对于整个东北地区来讲,水源涵养总量表现为林地农田草地湿地,单位面积水源涵养量在干旱年和正常年表现为林地农田湿地草地,在湿润年份表现为林地湿地农田草地。研究结果揭示了东北地区三种典型气候条件下重要生态系统的水源涵养功能大小、空间分布特征及其主要驱动因素,可为区域生态空间规划和生态系统管理提供科学指导。     

基于植被和环境因子的亚高山森林土壤水源涵养功能空间尺度上推模型构建——以岷江上游杂谷脑流域为例

土壤层水源涵养功能是森林水源涵养功能的主体。目前关于森林土壤水源涵养功能的研究主要集中在林地或坡面尺度上。由于流域尺度,尤其是环境空间异质性强的西南亚高山区流域,如何将林地尺度实测结果上推至流域或更大空间尺度仍是生态水文领域面临的巨大挑战之一。以川西岷江上游杂谷脑流域为研究对象,融合多种森林类型样地实测与流域尺度多源遥感数据,构建了基于植被和环境因子的林地-流域森林土壤水源涵养功能尺度转换模型,实现了流域尺度土壤水源涵养功能快速评价及其空间分布预测。样地尺度研究结果表明各类型森林的土壤水文特性各异,总体表现为天然林优于人工林,混交林优于单纯林。林地土壤持水能力受到区域气候、植被、土壤及地形等因子的共同影响,其中风速、NDVI及林龄与土壤最大持水量、毛管持水量及非毛管持水量均呈极显著正相关（P<0.01）。基于关键植被和环境因子构建的林地-流域土壤水源涵养功能尺度上推模型精度较高,土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量模型拟合优度R²分别为0.700、0.720和0.908;土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量的模型预测值与野外实测值的相关系数介于0.69-0.79之间,平均误差均低于20%,表明模型预测结果可靠。利用构建的土壤水源涵养功能尺度上推模型,估算得出流域尺度森林土壤持水量的空间分布,其结果表明杂谷脑流域森林土壤持水量空间分异明显,海拔较高区域森林土壤持水量最高,其次为距道路和河流有一定距离的缓坡地带,下游干旱河谷地区土壤持水量最低。本研究为亚高山森林生态功能的恢复和提升提供了科学依据和评价工具。     

黑河中上游地区2000—2010年土地利用变化及水土保持服务功能

基于遥感影像数据,分析了黑河中上游地区2000年到2010年土地利用变化,在此基础上,从上游、中游以及整个区域的角度综合评价了该区域的水源涵养和土壤保持生态系统服务功能物质量变化。研究结果表明:1研究区60%以上为未利用地,2000—2010年,耕地、林地和未利用地面积大量增加,草地和水域面积减少。2耕地增加以荒漠和草地转入为主;林地转入表现为草地和荒漠造林,转出主要为林地荒漠化;草地转出主要去向为造林和荒漠化,而增加主要来源于冰雪覆盖地和荒漠;未利用地增加主要来源于草地的退化。3研究区土地利用程度较低,由东南向西北递减,2000—2010年,上游土地利用程度有所降低,中游大部分地区呈上升趋势。4由于上游山区林地面积的增加,植被覆盖下土壤的水源涵养量显著增加,土壤贮水量增加了0.764×108t。5土壤保持量由1.860×108t增加到1.899×108t,主要原因为草地转化为林地。在气候变化背景下,黑河流域应控制上游地区人工林面积,减少林地蒸腾量,以增加下游可用水量;适当控制中游地区耕地面积的扩张趋势,保证湿地、草地等自然生态系统生态用水量,维持流域山地-绿洲-荒漠系统的稳定,进而持续发挥生态系统土壤保持等功能。     

土地利用变化对生态系统服务的影响——以张家口-承德地区为例

生态系统服务与人类福祉密切相关,人类活动引起的土地利用变化是生态系统服务变化的主要驱动力之一。运用InVEST模型估算张家口-承德地区产水量和土壤保持量,并分析不同海拔和坡度条件下,2011—2015年土地利用以及产水和土壤保持服务的变化,研究结果表明:建设用地和乔木林地分别为面积增加量和减少量最多的用地类型,陡坡地段建设用地增加的同时水体减少;灌木林地是产水和土壤保持能力均最高的生态用地类型;5年间产水量和土壤保持量分别增加了32.16×10~6 m~3和17.69×10~6 t;产水量在海拔900 m地段,海拔越高增加量越少,土壤保持量在较低海拔有所增加;坡度越陡产水增加量越少,土壤保持量在各坡度均有增加。基于此研究结果,有助于选择优先建设的用地类型,使当地在保护源头水系和维持生态功能的同时发展冰雪运动。     

退耕还林(草)工程对渭河流域生态系统服务的影响

退耕还林(草)工程作为中国启动的重要生态补偿项目,对维护国家生态安全起着关键作用,系统剖析退耕还林(草)工程对生态系统服务的影响,有助于为健全生态补偿制度提供借鉴。本研究以渭河流域为例,基于土地利用数据、气象数据等资料,在分析退耕还林(草)工程实施以来渭河流域土地利用和生态系统服务时空变化的基础上,运用Invest模型、地理加权回归等方法,探究退耕还林(草)工程对渭河流域水源涵养、土壤保持、碳储量、生境质量等生态系统服务变化的影响。结果表明: 退耕还林(草)工程实施以来,渭河流域林草覆盖率呈波动上升趋势,林草面积增加2704.49 km²。2000—2018年间,渭河流域水源涵养、土壤保持、碳储量、生境质量均呈波动上升趋势,其中,水源涵养和固碳服务增幅较大,生境质量和土壤保持增幅较小。退耕还林(草)工程有效提升了渭河流域的水源涵养、土壤保持、固碳、生境质量等生态系统服务,但对不同地域单元生态系统服务影响强度不同。     

2000—2010年我国重点生态功能区生态系统变化状况

分析了2000—2010年我国水源涵养型、水土保持型、防风固沙型、生物多样性维护型重点生态功能区的生态系统结构、质量与核心服务的变化.结果表明: 近11年来,水源涵养型重点生态功能区的森林、草地面积减少,水体与湿的面积增加,森林、草地、湿地生态系统水源涵养总量增加了2.9%,该类区域需要遏制森林、草地的减少趋势.水土保持型重点生态功能区的农田面积减少,而森林、草地、水体与湿地的面积增加,土壤侵蚀总量减少了28.2%,生态系统土壤保持总量增加了38.1%.防风固沙型重点生态功能区的农田、森林面积增加,草地、水体与湿地的面积减少,单位面积土壤风蚀量下降,单位面积防风固沙服务量有所提升,该类区域多位于干旱半干旱区,需要减少农田面积,优先保护原有生态系统.生物多样性维护型重点生态功能区的草地、荒漠面积减少,其他类型的面积有所增加,人类扰动呈现微弱的上升趋势,该类区域需要减少人类干扰.重点生态功能区应该针对核心服务和保护目标,分类分区开展生态系统保护、改善及其效果的定量综合评估.     

北京市4种城市功能区森林植被涵养水源功能评价及价值估算

本研究对北京市首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区进行林分涵养水源功能评价及价值估算,旨在探究提升城市功能区森林水源涵养功能较优林分配置模式。结果表明：（1）北京市森林植被面积2009年为4.00×10⁵ hm²,2014年为4.59×10⁵ hm²,北京市NDVI平均值2009年为0.331,2014年为0.708,北京市森林植被面积总体呈增加趋势。北京市2014年林地绿化调节水量较2009年降低了近1/3,2014年水源涵养功能价值量较2009年分别减少了22.08%和8.24%。（2）生态涵养发展区水源涵养功能年平均能力最强（2.88×10⁸ m³/a）,城市发展新区水源涵养功能年平均能力次之（1.72×10⁸ m³/a）,而首都功能核心区水源涵养功能年平均能力相对最弱,仅1.05×10⁶ m³/a。在针叶林、阔叶林和混交林三种林分类型中,2014年混交林水源涵养功能价值量较2009年增加5.13%,而阔叶林和针叶林分别减少34.93%和55.55%。（3）培育纯林,提高森林覆盖率,对于调节水土资源和保护生态环境具有非常重要的生态意义,而从森林水源涵养功能实物量和价值量考虑,认为混交林比纯林具有更强的水源涵养功能和较优的经济价值。在城市特定的条件下,建立生态与景观相协调的人工植物群落使城市土地资源的利用达到生态、社会、经济三大效益的最佳结合,是提高城市绿地质量的关键所在。     

水源涵养型国家重点生态功能区生态系统服务功能评估

为评估“十二五”以来国家重点生态功能区转移支付政策的阶段性实施效果，以水源涵养类型国家重点生态功能区为对象，基于水量平衡法，利用2011年和2019年土地覆被数据，并结合气象数据，分析了水源涵养型国家重点生态功能区2011年和2019年水源涵养功能、生态系统面积、生态系统质量状况及其变化情况。研究结果表明，自2011年转移支付政策实施以来：1)全国水源涵养型重点生态功能区内的水源涵养能力呈现从西北部到东南部逐渐增加的空间分布趋势，2019年全国水源涵养型重点生态功能区水源涵养能力较2011年显著增加。2)全国水源涵养型重点生态功能区森林面积有所增加，湿地得到有效恢复。3)全国水源涵养重点生态功能区内生态系统质量提高，平均植被覆盖度有所增加，呈现东北部及中南部高，西北部低的分布趋势。总体来看，转移支付政策的实施对全国水源涵养重点生态功能区森林、草地生态系统水源涵养功能的提升发挥了积极作用，基本上达到了转移支付政策预期的阶段性目标。     

雄安新区上游白洋淀流域水质净化提升目标下的生态恢复格局优化

白洋淀流域是雄安新区重要的淡水来源之一,流域内退耕政策在改善水质同时大幅降低了农田面积。如何通过退耕空间规则的优化权衡水质净化效率与农田面积是亟待解决的问题。通过设置基于不同退耕规则的情景,并与实际情景对比,提出了退耕规则的优化方案。结果表明：相同面积下,河岸带退耕的水质净化效率高于坡耕地退耕;相同退耕规则下,退耕还林驱动的水质净化效率高于还灌,还草;单位面积河岸带退耕的水质净化效率随缓冲区距离增加而降低;300m河岸带退耕还林情景下的水质净化率提升高于其他所有模拟情景,也比实际退耕情景（2015）高,同时农田面积降幅也低于实际情景。研究表明通过对退耕规则进行空间优化不仅能够满足区域水质净化提升的目标,还有利于保障区域农田面积,减少生态系统服务间的权衡。