典型氣候條件下東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能特征

崔景軒,李秀芬,鄭海峰,,*,付 堯,,張斯嶼,

1 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),沈陽 110866 2 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)向人類提供了生存所必須的環(huán)境和產(chǎn)品,發(fā)揮著極其重要的生態(tài)服務(wù)功能[1]。然而,自工業(yè)革命以來,在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下,生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重的破壞[2],導(dǎo)致了大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能明顯下降,造成了一系列的嚴(yán)重后果[3]。例如在1998年,長江和松花江等流域發(fā)生了重大的洪水災(zāi)害,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)流域沿線居民的生存與發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[4]。為了緩解類似的自然災(zāi)害,國家先后采取了多項(xiàng)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程來提高生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源能力,比如天然林保護(hù)工程、退耕還林還草工程等[5],以期有效地維護(hù)重點(diǎn)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6]。

水源涵養(yǎng)功能作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要功能,受到氣候變化、土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋類型、地形地貌特征等諸多因素的影響,而且在空間上存在很大變異性,因此,如何準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)功能一直是水文學(xué)及生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[7]。隨著對(duì)水源涵養(yǎng)功能理解的不斷加深,從早期生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)徑流到后來降水?dāng)r蓄、水質(zhì)凈化、土壤蓄水量的研究,人們?cè)桨l(fā)理解了生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的重要性[8]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了廣泛地研究,國外學(xué)者側(cè)重于對(duì)產(chǎn)水量以及產(chǎn)沙量進(jìn)行研究,并且多采用模型的方法,如SWAT模型[9]以及InVEST模型[10]等；國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究集中于采用多種計(jì)算方法模擬某地區(qū)的水源涵養(yǎng)量,如模型法和水量平衡法等[11],進(jìn)而研究其時(shí)空變化。綜合以上研究發(fā)現(xiàn),水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機(jī)理的基礎(chǔ),操作簡單,能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算水源涵養(yǎng)量,是目前使用最為廣泛的方法[12-15]。然而,目前對(duì)于水源涵養(yǎng)功能的研究多集中于對(duì)研究區(qū)多年平均或某一年水源涵養(yǎng)特征的分析,缺少不同氣候條件影響下水源涵養(yǎng)能力差異的研究。

東北地區(qū)處于歐亞大陸東岸,生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,是典型的氣候敏感區(qū)和脆弱區(qū),也是退耕還林還草工程實(shí)施效果較為顯著的地區(qū)。由于受到氣候和地理位置的影響,東北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)特征在時(shí)間和空間上差異顯著,研究典型氣候條件下該區(qū)水源涵養(yǎng)功能特征顯得尤為迫切。本文選用SPEI指數(shù)分析近幾十年來東北地區(qū)氣候特征,按固有的分類標(biāo)準(zhǔn)劃分出干旱,正常以及濕潤3個(gè)典型年份；以水量平衡法為基礎(chǔ),結(jié)合Penman-Monteith公式和SCS-CN模型,修訂相關(guān)參數(shù),進(jìn)而模擬典型氣候條件下東北地區(qū)生長季內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能,以期客觀地認(rèn)識(shí)不同生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能空間分布特征,為東北地區(qū)水資源的合理配置、空間防洪減災(zāi)規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的干旱指數(shù)SPEI數(shù)據(jù)來自于美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)[16],下載數(shù)據(jù)時(shí)間為1980—2016年,分辨率為0.5°,尺度為12個(gè)月,存儲(chǔ)為NC格式文件。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享中心的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0),提取出東北地區(qū)及其周邊共124個(gè)站點(diǎn)2001年,2010年及2013年4月到9月的逐日氣象資料,包括降水,溫度,日照時(shí)數(shù),相對(duì)濕度和風(fēng)速,該氣象數(shù)據(jù)經(jīng)中國氣象局嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)控,數(shù)據(jù)精度和實(shí)有率達(dá)到99%以上。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,選用2000年和2010年兩期1∶100萬土地利用分類圖,土地利用類型包括農(nóng)田、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)工礦用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型。DEM數(shù)據(jù)分辨率為90 m,來源于美國奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測(cè)繪SRTM(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)數(shù)據(jù),經(jīng)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載。土壤數(shù)據(jù)來自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1,HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(V1.1),中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù),采用FAO-90土壤分類系統(tǒng)。詳細(xì)數(shù)據(jù)信息見表1。

表1 主要數(shù)據(jù)來源

2 研究方法

2.1 SPEI指數(shù)處理

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),是當(dāng)前能夠較好反映干旱評(píng)價(jià)的指數(shù)之一,它既反映了溫度和降水對(duì)干旱的影響,同時(shí)又考慮了時(shí)間尺度的累計(jì)效應(yīng)。近50年東北地區(qū)年平均氣溫上升1.5 ℃,年降水量和生長季降水量均呈減少趨勢(shì),促使了東北地區(qū)干旱的頻繁發(fā)生,尤其是21世紀(jì)以來的十幾年里,這種氣候變化尤為明顯[17]。有許多研究表明,SPEI指數(shù)可以有效定量東北地區(qū)的干旱特征[18-21]。本文利用12個(gè)月尺度下的1980—2016年的SPEI指數(shù)數(shù)據(jù)分析氣候年際變化。按Yu等[18]提出的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),將東北地區(qū)干旱等級(jí)分為重度干旱、中度干旱、輕度干旱、正常、輕度濕潤、中度濕潤和重度濕潤七個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 按SPEI劃分的干旱/濕潤標(biāo)準(zhǔn)

SPEI：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù),Standardized Precipitation Evapotranspiration Index

2.2 降雨量和蒸散量計(jì)算

圖1為研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖。本研究采用基于局部薄盤樣條理論的ANUSPLIN插值方法[22]對(duì)東北地區(qū)及其周邊共124個(gè)站點(diǎn)日降雨量和日蒸散量進(jìn)行空間插值,該方法專用于氣象要素空間插值,是目前較好的一種曲面插值方法[23]。蒸散計(jì)算使用的是FAO-56分冊(cè)推薦的Penman-Monteith方程[24],公式中涉及的大氣物理參數(shù)(Rn、G、T、U2、es、ea、Δ、γ)均可以通過站點(diǎn)逐日氣象資料計(jì)算得出(包括風(fēng)速、濕度、溫度以及日照時(shí)數(shù)),進(jìn)而計(jì)算出逐日逐站的蒸散量,表達(dá)式如下：

(1)

式中,ET為可能蒸散量(mm/d)；Rn為地表凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；T為日平均氣溫(℃)；U2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水氣壓(kPa)；ea為實(shí)際水氣壓(kPa)；Δ為飽和水氣壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

圖1 東北地區(qū)氣象站點(diǎn)Fig.1 Meteorological stations in northeast China

2.3 基于SCS模型模擬地表徑流量

本研究采用SCS模型模擬東北地區(qū)地表徑流,該模型是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(現(xiàn)更名為自然資源保護(hù)局)20世紀(jì)50年代研發(fā)的水文模型,結(jié)構(gòu)簡單,所需參數(shù)少,并可應(yīng)用于無資料地區(qū)等特點(diǎn),已被廣泛用來模擬徑流量[25-26]。

2.3.1SCS模型原理

SCS模型基于水量平衡方程以及Mockus等人建立的降雨徑流關(guān)系式[27]：

P=Ia+F+Q

(2)

(3)

式中,P為總降雨量(mm)；Q為地表徑流量(mm)；F為地表徑流產(chǎn)生后的后損,即實(shí)際累計(jì)下滲量(mm)；Ia為地表徑流產(chǎn)生前降雨量的初損(mm)；S為土壤當(dāng)時(shí)最大持水量,是后損的上限(mm)。

根據(jù)式(2)、(3)可推導(dǎo)Q的計(jì)算公式,如式(4)：

(4)

降雨的初損量Ia包括地面坑洼、截留、下滲初損量等。模型設(shè)計(jì)者將Ia和S的關(guān)系做如下假設(shè)：

Ia=λS

(5)

式中,λ為初損率,隨不同地區(qū)的自然地理情況和水文條件的差異而變化,取值范圍為0.1—0.3,為方便計(jì)算,對(duì)該參數(shù)的選取常選取為0.2[28]。

S值隨空間變化很大,通常由CN計(jì)算得出,計(jì)算方法如式(6)：

(6)

式中,CN為徑流曲線值,是反映土地利用類型、土壤類型、坡度及前期土壤含水量的一個(gè)綜合指標(biāo)。土地利用數(shù)據(jù)集涵蓋了農(nóng)田、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型,整理其中的林地,農(nóng)田,草地以及水體4類進(jìn)行分析,結(jié)合美國國家工程手冊(cè)第四章中的CN值查算表[29]及相關(guān)文獻(xiàn)查取CN值[30]；土壤水文分組反映水分入滲速度的快慢,按照模型標(biāo)準(zhǔn)將土壤劃分為A、B、C、D共4類；前期土壤水分(AMC)依徑流產(chǎn)生之前5天的降雨總量分為3級(jí),AMCⅠ(干旱),AMCⅡ(一般),AMCⅢ(濕潤),東北地區(qū)為季風(fēng)性氣候,降水多集中在雨季,為便于計(jì)算本文選取一般條件模擬研究區(qū)徑流量,最終CN值見表3。

表3 不同土地利用類型的CN值

CN：徑流曲線值,curve numbers

2.3.2CN值坡度修正

坡度對(duì)徑流有很大的影響,傳統(tǒng)模型假設(shè)在一般條件下坡度為5%,Williams等[31-32]提出了對(duì)一般條件下CN值的訂正公式：

(7)

式中,CNα為坡度修正后的CN2,CN2和CN3分別表示AMCⅡ和AMCⅢ條件下的CN值,α表示坡度(%)。

2.4 水源涵養(yǎng)量模擬

本研究基于水量平衡方程(The Water Balance Equation)在日尺度上模擬了水源涵養(yǎng)量,水量平衡法將生態(tài)系統(tǒng)視為一個(gè)“黑箱”,忽略中間過程,把大氣降水視為水量的輸入,蒸散量及徑流量視為水量的輸出,根據(jù)水量平衡原理,水量的輸入和輸出之差即水源涵養(yǎng)量[12]。

WR=P-ET-Ra

(8)

式中,各因子均為日尺度下模擬值,WR為水源涵養(yǎng)量(mm)；P為降雨量(mm)；Ra為地表徑流量(mm)；ET為蒸散量(mm),隨后通過ArcGIS的柵格計(jì)算器疊加出整個(gè)生長季(4—9月共183天)的水源涵養(yǎng)量。

3 結(jié)果分析

3.1 東北地區(qū)典型氣候選擇及其特征分析

1980年到2016年東北地區(qū)12個(gè)月尺度下的年平均SPEI指數(shù)變化如圖2所示,從圖中可以看出,東北地區(qū)氣候呈現(xiàn)出干濕波動(dòng)變化,大多數(shù)年份的年平均SPEI指數(shù)在-0.5到0.5之間浮動(dòng)變化,部分地區(qū)出現(xiàn)干旱和濕潤交替。1980—1999年,干旱發(fā)生較少,氣候偏濕潤；而在2000年以后干旱頻繁發(fā)生,干濕交替更加明顯。結(jié)合圖2與圖3可知,東北地區(qū)在2000—2002年及2007—2008年的干旱較為嚴(yán)重,平均SPEI值在-1左右,其中又以2001年最為嚴(yán)重,年平均SPEI指數(shù)達(dá)到-1.26。2001年干旱面積約占總面積的79.72%,其中輕度干旱和中度干旱面積占總面積的37.04%和39.95%,重旱占總面積的2.73%。2013年東北地區(qū)降水豐富,氣候極其濕潤,年平均SPEI指數(shù)1.05,干旱發(fā)生較少,濕潤面積占總面積的59.21%,其中重度濕潤和中度濕潤分別占總面積的0.57%和11.12%。2000年以后東北地區(qū)氣候變化頻繁,為了方便與干旱和濕潤年份對(duì)比分析,選取出該時(shí)段正常面積最大的2010年作為正常年份的代表,SPEI指數(shù)為-0.22。

圖2 1980—2016年東北地區(qū)年平均SPEI Fig.2 Annual average SPEI in northeast China from 1980 to 2016

圖3 2000—2016年各干旱等級(jí)面積比重Fig.3 The proportion of each drought grade area from 2000 to 2016

圖4為2001年、2010年以及2013年干旱空間分布圖。2001年干旱的發(fā)生以中度干旱和輕度干旱為主,重度干旱發(fā)生在黑龍江西南部及吉林西北部地區(qū)；2010年大部分地區(qū)都為正常情況,在研究區(qū)西北部的部分地區(qū)出現(xiàn)了局部的干旱；2013年以輕度濕潤為主,主要包括遼寧大部地區(qū)、吉林的臨江東崗一帶沿西北至黑龍江的漠河地區(qū)以及與遼寧西北部接壤的內(nèi)蒙古地區(qū),其余地區(qū)多為正常情況,無干旱發(fā)生。

圖4 2001年、2010年和2013年干旱分布特征Fig.4 The spatial distribution of drought in 2001, 2010 and 2013

3.2 典型氣候條件下東北地區(qū)的降雨、蒸散和徑流分布

3.2.1降雨特征

圖5為東北地區(qū)三個(gè)典型年份生長季內(nèi)的降雨分布,降雨高值區(qū)均出現(xiàn)在長白山地區(qū),低值區(qū)均出現(xiàn)在研究區(qū)西部呼倫爾貝草原地區(qū)以及中部到西南部的平原地區(qū),生長季內(nèi)平均降雨量分別為干旱年342.61 mm,正常年464.58 mm和濕潤年548.57 mm。2001年為代表性干旱年份,生長季內(nèi)大部分地區(qū)降雨量不足400 mm,以研究區(qū)中西部地區(qū)為低值中心,呼倫貝爾草原地區(qū)降雨量不足200 mm,向東以環(huán)形擴(kuò)散增加。在研究區(qū)的北部地區(qū)、東南部的長白山地區(qū)以及三江平原地區(qū)的東北部出現(xiàn)了400 mm以上的降雨并且向外擴(kuò)散減小。2010為正常年份,在生長季內(nèi)的降雨呈現(xiàn)東高西低,南高北低的趨勢(shì)。降水低值中心出現(xiàn)在研究區(qū)的西部地區(qū),降雨不足200 mm。內(nèi)蒙古東部地區(qū),吉林西部以及黑龍江大部分地區(qū)的降雨量在300—450 mm。降雨高值中心在長白山地區(qū),降雨量達(dá)600—800 mm,部分地區(qū)超過850 mm。在2013年濕潤年份,全地區(qū)生長季內(nèi)降雨充足,僅少數(shù)地區(qū)降雨量低于400 mm,出現(xiàn)在呼倫貝爾草原的西部地區(qū)以及研究區(qū)西南部的草原和平原地區(qū),降雨高值區(qū)在東北北部地區(qū)、長白山地區(qū)以及三江平原東北部地區(qū),降雨量達(dá)600—800 mm,部分地區(qū)可達(dá)850 mm以上,大部分地區(qū)降雨量在400—600 mm之間,分布在研究區(qū)的北部,中部和東部。

圖5 干旱、正常和濕潤年份降雨量分布Fig.5 The spatial distribution of rainfall in dry, normal and wet years

3.2.2蒸散特征

由圖6可知,在3個(gè)年份生長季4—9月內(nèi),蒸散存在著南高北低的分布特征,較低的蒸散均出現(xiàn)在研究區(qū)北部漠河一帶,蒸散量在300 mm以下。呼倫貝爾草原地區(qū)、三江平原地區(qū)以及研究區(qū)中部到西南部的松嫩平原和遼河平原地區(qū)為東北地區(qū)的3個(gè)高蒸散區(qū),生長季內(nèi)氣溫較高,蒸發(fā)較大,植物生長又產(chǎn)生較大蒸騰。海拔較高的林區(qū),如長白山一帶,生長季內(nèi)蒸散量也很高,并且年際變化較為穩(wěn)定,在400—600 mm左右。

圖6 干旱、正常和濕潤年份蒸散量分布Fig.6 The spatial distribution of evapotranspiration in dry, normal and wet years

3.2.3徑流特征

圖7為生長季徑流量分布圖,東北地區(qū)在3個(gè)典型氣候年份下生長季內(nèi)平均徑流量分別為干旱年30.28 mm,正常年56.16 mm,濕潤年64.80 mm。本研究模擬的徑流量為地表徑流,所以在林地上基本無徑流產(chǎn)出。在東北平原上存在較大面積的水田及濕地,易產(chǎn)生地表徑流,如三江平原的北部,遼河平原的中部及松嫩平原的大部地區(qū)。在東北地區(qū)的西部草地與農(nóng)田相間分布,呼倫貝爾草原地區(qū)又多濕地和草地分布,土壤蓄水能力較弱,同樣容易產(chǎn)生地表徑流。

圖7 干旱、正常和濕潤年份徑流量分布Fig.7 The spatial distribution of runoff in dry, normal and wet years

3.3 典型氣候條件下東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能特征

3種典型氣候條件下東北地區(qū)水源涵養(yǎng)總量差距很大,水源涵養(yǎng)總量分別為干旱年份2178.19億m3,正常年份3231.49億m3以及濕潤年份3969.33億m3。如圖8所示,水源涵養(yǎng)量(mm)的空間分布存在一致性,3個(gè)年份存在共同的水源涵養(yǎng)低值區(qū)與高值區(qū),低值區(qū)位于呼倫貝爾以西的草原以及松嫩平原、三江平原和遼河平原的部分地區(qū),如白城、通遼、雞西等,這些地區(qū)蒸散量較大,土地利用類型以草地、水田和水體為主,以呼倫貝爾草原為代表,生長季內(nèi)水源涵養(yǎng)量不足100 mm。水源涵養(yǎng)量一般的地方同樣集中在東北三大平原地區(qū),這些地區(qū)旱地面積很大,同時(shí)也存在許多沼澤濕地,降雨量處于平均水平,水源涵養(yǎng)量較高。水源涵養(yǎng)量的高值區(qū)出現(xiàn)在長白山地區(qū),這一地區(qū)的降水豐富,土地覆蓋多為林地和沼澤濕地,水源涵養(yǎng)量最大,在干旱年份仍可達(dá)400 mm以上。水源涵養(yǎng)量次高值出現(xiàn)大小興安嶺一帶,該區(qū)土地利用類型同樣以林地為主,由于降雨不及長白山地區(qū)豐富,水源涵養(yǎng)量稍低。

圖8 干旱、正常和濕潤年份水源涵養(yǎng)量分布Fig.8 The spatial distribution of water conservation in drought, normal and wet year

3.4 水源涵養(yǎng)驅(qū)動(dòng)因素分析

生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能受地理與氣候的影響呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間差異性。本文在GIS中基于柵格數(shù)據(jù)對(duì)水源涵養(yǎng)量與其驅(qū)動(dòng)因素做了相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果表明,水源涵養(yǎng)量主要受降雨影響,在干旱、正常和濕潤年份均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)(R=0.863,P=0.000；R=0.828,P=0.000；R=0.728,P=0.000)。蒸散量和徑流量與水源涵養(yǎng)量之間相關(guān)性較弱,但仍呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān),其中蒸散的相關(guān)性稍強(qiáng)(干旱年R=-0.485,P=0.000；正常年R=-0.327,P=0.000；濕潤年R=-0.567,P=0.000)。

表4 典型氣候條件下水源涵養(yǎng)量與其相關(guān)因子的相關(guān)性

圖9 典型氣候條件下東北地區(qū)平均降雨量、平均蒸散量、平均徑流量以及平均水源涵養(yǎng)量Fig.9 The average rainfall, evapotranspiration, runoff and water conservation in northeast China in drought, normal and wet year

3個(gè)年份生長季內(nèi)平均降雨量、平均蒸散量、平均徑流量以及平均水源涵養(yǎng)量情況如圖9所示。干旱年生長季內(nèi)平均水源涵養(yǎng)量186.87 mm,占生長季內(nèi)平均降雨量的57.56%；正常年份生長季內(nèi)平均水源涵養(yǎng)量277.65 mm,占生長季平均降雨量的49%；濕潤年份生長季內(nèi)平均水源涵養(yǎng)量340.88 mm,占生長季平均降雨量的62.14%。圖10表示3個(gè)典型年份下不同土地利用類型的平均水源涵養(yǎng)能力,從圖中可以看出,不同土地利用類型的平均水源涵養(yǎng)能力存在差異,平均水源涵養(yǎng)量在干旱和正常年份表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>濕地>草地,而在濕潤年份表現(xiàn)為林地>濕地>農(nóng)田>草地。

圖10 典型氣候條件下東北地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量Fig.10 The average water conservation of various ecosystems in northeast China in drought, normal and wet year

從表5可以看出,3個(gè)年份的水源涵養(yǎng)總量在各生態(tài)系統(tǒng)下分布規(guī)律相同,均呈現(xiàn)為：林地>農(nóng)田>草地>濕地的分布形式。森林是東北地區(qū)水源涵養(yǎng)主體,林地水源涵養(yǎng)總量在干旱年為1291.44億m3,正常年份可達(dá)1821.99億m3,濕潤年份可達(dá)2201.73億m3；林地中以有林地為主體,結(jié)合圖10,有林地的平均水源涵養(yǎng)量(mm)最大,灌木林地和稀疏林地相比于有林地,土壤蓄水能力較弱,平均水源涵養(yǎng)量不及有林地。水源涵養(yǎng)總量次高的生態(tài)系統(tǒng)類型為農(nóng)田,2001年農(nóng)田水源涵養(yǎng)總量564.76億m3,其中旱地占95.46%,約為539.14億m3；2010年農(nóng)田水源涵養(yǎng)總量966.45億m3,旱地占95.01%,約918.23億m3；2013年濕潤年農(nóng)田水源涵養(yǎng)總量1076.1億m3,其中旱地占95.60%,為1028.77億m3。東北地區(qū)的草地面積是濕地面積的3倍,從圖10的平均水源涵養(yǎng)量上看,濕地的平均水源涵養(yǎng)量整體強(qiáng)于草地,但受所占面積的影響,濕地的水源涵養(yǎng)總量不及草地。3個(gè)年份中草地的水源涵養(yǎng)總量分別為241.14億m3、312.76億m3以及512.38億m3；濕地的水源涵養(yǎng)總量分別為80.84億m3、130.30億m3以及179.11億m3。

表5 干旱、正常和濕潤年份下不同土地利用類型水源涵養(yǎng)總量

4 討論

(1)本研究主要從氣候條件和生態(tài)系統(tǒng)類型兩個(gè)方面對(duì)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了分析,不同氣候條件下東北地區(qū)干濕變化較大,降雨、蒸散和徑流作為水源涵養(yǎng)功能的主要驅(qū)動(dòng)因子,在不同水熱年份下變化明顯,水源涵養(yǎng)功能的差異與氣候差異直接相關(guān)[15]。徑流量的變化主要受降雨量和下墊面的影響,林地上土壤結(jié)構(gòu)較好,水分會(huì)更好的入滲,地表徑流較低[12],而水體和水田作為水分傳輸?shù)妮d體,河道兩側(cè)的河床土壤粒徑較大,對(duì)水分的截留作用較弱[33],產(chǎn)生的地表徑流較大。在不同氣候條件下,蒸散受降水、溫度、風(fēng)速和輻射等指標(biāo)的影響,在數(shù)值上變化同樣很大,但空間分布大致穩(wěn)定,均呈現(xiàn)出南高北低的形式。降水和蒸散均對(duì)水源涵養(yǎng)量有極為顯著的相關(guān)性,其中又以降水的相關(guān)性最為明顯,因此降水是不同氣候條件下水源涵養(yǎng)功能存在差異的主要?dú)夂蛞蛩?。?duì)于降水來說,在正常年份下,研究區(qū)降水的分布與張杰[34]和劉正佳[35]的結(jié)果整體相近,即東北地區(qū)降水高值區(qū)在長白山地區(qū),低值區(qū)在研究區(qū)的西部地區(qū)。與正常年份相比,干旱年份內(nèi)整個(gè)研究區(qū)的降水量均出現(xiàn)不同幅度的減小,降水高值區(qū)向東南方向收縮,降水低值區(qū)向東部擴(kuò)張。在濕潤年份,趨勢(shì)恰好相反,全區(qū)域降水量較大,降水低值區(qū)向西部收縮,高值區(qū)擴(kuò)張到研究區(qū)的北部和東南部地區(qū)。水源涵養(yǎng)量的空間分布上,其低值區(qū)和高值區(qū)分布變化與降雨量高值和低值區(qū)的變化十分吻合。

(2)國家實(shí)施退耕還林、還草等生態(tài)工程已經(jīng)取得了重大的生態(tài)效益,與此同時(shí),導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生了改變,因此水源涵養(yǎng)功能不僅受氣候變化的影響,還受下墊面因素的影響,植被覆蓋越好,水源涵養(yǎng)功能越強(qiáng)[36]。水源涵養(yǎng)功能較差的地區(qū)為呼倫貝爾以西的草原地區(qū)以及東北三大平原的局部地區(qū),其中呼倫貝爾以西的草原地區(qū)降水稀少,蒸散量大,植被以稀疏草地為主,降水截留能力弱；該地區(qū)東部值開始變大,恰好是草地茂盛、旱地面積較大的地區(qū)。在三大平原中水源涵養(yǎng)量低值均出現(xiàn)在下墊面為水體和水田的地區(qū),該區(qū)蒸發(fā)和地表徑流很強(qiáng),截留降水的能力同樣很弱。對(duì)于長白山和大小興安嶺地區(qū)來說,生態(tài)系統(tǒng)多樣,植被覆蓋豐富,改變了土壤的性質(zhì),導(dǎo)致土壤下滲和持水能力很強(qiáng)[37],基本無地表徑流的產(chǎn)生,雖然茂密的植被會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的蒸散,但同時(shí)該地區(qū)也存在著豐富的降水,此消彼長之下該區(qū)水源涵養(yǎng)量依然很大。龔詩涵等[14]對(duì)中國的主要生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了分析,研究結(jié)果中有關(guān)東北地區(qū)水源涵養(yǎng)功能的描述和本文基本相同,即長白山地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng),其次為大小興安嶺地區(qū),且結(jié)論中的數(shù)量級(jí)一致,但在他們的研究中并未涉及到農(nóng)田的水源涵養(yǎng)狀況。東北三大平原上存在著大面積的農(nóng)田和濕地,在沼澤濕地的附近一般都有農(nóng)田分布,此時(shí)從單元水源涵養(yǎng)量上看,在相同地理和氣候條件下,沼澤濕地上的徑流量小,旱地的徑流量高,這就導(dǎo)致單元上沼澤濕地的水源涵養(yǎng)量要高于旱地。本研究進(jìn)而對(duì)東北地區(qū)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的平均水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果反映的是整個(gè)研究區(qū)中各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的平均狀態(tài),發(fā)現(xiàn)在干旱和正常年份時(shí),研究區(qū)下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的平均水源涵養(yǎng)量要稍高于濕地生態(tài)系統(tǒng),這是由于東北地區(qū)農(nóng)田空間分布較廣,水源涵養(yǎng)量變化很大,進(jìn)而影響了平均值。在濕潤年份時(shí),整個(gè)研究區(qū)降水豐富,空間差異并不突出,此時(shí)得到的結(jié)果更好的反映出了農(nóng)田和濕地的水源涵養(yǎng)能力,結(jié)果為濕地生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是可以理解的。

(3)在水源涵養(yǎng)量模擬的實(shí)際應(yīng)用中,常常用到模型法和水量平衡法。在采用模型法時(shí),需要輸入大量參數(shù)進(jìn)行訂正,原理十分復(fù)雜,尤其開展大區(qū)域尺度研究的時(shí)候,計(jì)算程序更加繁雜。例如,蘇常紅等[10]在采用InVEST模型對(duì)黃土高原地區(qū)產(chǎn)水量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),輸入了大量參數(shù)對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行訂正,雖然精度較高,但所需實(shí)測(cè)參數(shù)較多,計(jì)算繁瑣。水量平衡法是大多數(shù)模型的基礎(chǔ)原理,計(jì)算十分簡便,然而在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于其中的蒸散量和徑流量往往很難得到精確的計(jì)算。龔詩涵等[14]利用了MODIS蒸散數(shù)據(jù)和基于氣象站點(diǎn)的插值數(shù)據(jù)獲取了蒸散量,在計(jì)算徑流變化時(shí)采用了徑流系數(shù)法,該方法在進(jìn)行年徑流的模擬時(shí)可以簡單快速的得到研究區(qū)的多年平均徑流水平。聶億黃等[7]利用地表能力平衡法結(jié)合遙感資料計(jì)算了陸地實(shí)際蒸散發(fā)量,采用SCS模型計(jì)算了地表徑流量,該方法不失為有效研究水源涵養(yǎng)能力的方法。陳麗等[15]利用MODIS蒸散數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)合SCS模型對(duì)黃淮海平原的耕地水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了較好的評(píng)價(jià)?；谝陨涎芯亢捅狙芯堪l(fā)現(xiàn),SCS模型作為模擬地表徑流的經(jīng)典方法,在很多地區(qū)都可以進(jìn)行廣泛應(yīng)用[25-31]。本文在計(jì)算研究區(qū)蒸散量時(shí)采用了FAO訂正的Penman-Monteith公式,結(jié)果顯示,在生長季內(nèi),位于長白山和大小興安嶺地區(qū)的森林蒸散要略低于研究區(qū)西部高原地區(qū)的草地及西南部、中部和東部的農(nóng)田平原地區(qū)。由于研究方法的差異,研究區(qū)西部地區(qū)的蒸散結(jié)果要略高于周蕾[38]和賀添[39]的模擬結(jié)果,林地的蒸散量則較為穩(wěn)定,數(shù)值較為接近。此外,在本研究中,我們采用SCS模型進(jìn)行徑流計(jì)算,在參數(shù)訂正時(shí)選用了Williams等[32]提出的CN值坡度訂正公式,進(jìn)而較好地揭示出東北地區(qū)在氣候和地理因素影響下生長季內(nèi)徑流量的分布情況。目前,針對(duì)蒸散量和徑流量的計(jì)算方法多樣,采用何種方法可以精準(zhǔn)地模擬出某類因子的變化及其影響作用仍有待進(jìn)一步的深究。

應(yīng)用不同的氣象參數(shù)插值方法,會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)差異。本研究采用來自澳大利亞的ANUSPLIN插值方法,該方法是一種專門針對(duì)氣象要素的樣條插值方法,優(yōu)點(diǎn)是可以引入?yún)f(xié)變量進(jìn)行計(jì)算。我們主要引入了東北地區(qū)的海拔高度作為協(xié)變量,采用三變量局部薄盤光滑樣條方法對(duì)東北地區(qū)及其周邊共124個(gè)站點(diǎn)的降水和蒸散進(jìn)行了插值,得到了3個(gè)典型氣候年份的逐日的降水和蒸散資料。本研究中氣象數(shù)據(jù)是從氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的日值數(shù)據(jù)集中獲取,在三江平原東北部地區(qū)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)較少,缺少撫遠(yuǎn)等站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù),并且本文以日為尺度累計(jì)求和得到生長季內(nèi)的總量,導(dǎo)致研究區(qū)東北部的局部地區(qū)出現(xiàn)了較高的插值結(jié)果。

5 結(jié)論

本文分析了東北地區(qū)1980—2016年的SPEI指數(shù)變化,選擇出典型的干旱、正常和濕潤年份,基于水量平衡法,結(jié)合SCS-CN模型以及Penman-Monteith方程對(duì)3個(gè)不同氣候年份生長季內(nèi)的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論：

(1)在不同氣候條件下,水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出空間一致性,即長白山地區(qū)水源涵養(yǎng)量最高,大小興安嶺地區(qū)次之；水源涵養(yǎng)量最低的區(qū)域出現(xiàn)在在研究區(qū)西部的呼倫貝爾草原地區(qū)以及東北三大平原的局部地區(qū)；水源涵養(yǎng)量一般的地方出現(xiàn)在以農(nóng)田為主的東北平原區(qū),如中部的松嫩平原、南部的遼河平原及東部的三江平原。

(2)水源涵養(yǎng)功能主要受降雨的影響,呈顯著正相關(guān)。2001年為典型干旱年份,水源涵養(yǎng)總量為2178.19億m3；2010年為正常年份,水源涵養(yǎng)總量3231.49億m3；2013年為典型濕潤年份,水源涵養(yǎng)總量為3969.33億m3。除此之外,水源涵養(yǎng)功能還受土地利用類型的影響,在水源涵養(yǎng)總量上表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>草地>濕地,整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的平均水源涵養(yǎng)量在干旱年和正常年均表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>濕地>草地,而在濕潤年份表現(xiàn)為林地>濕地>農(nóng)田>草地。