陳治榮，曹廣超，陳克龍，馬元希，王欣燁

(1.寧夏師范學(xué)院 資源環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 固原 755100； 2.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，西寧 810008； 3.青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，西寧 810008； 4.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室，西寧 810008)

1 研究背景

水資源是人類賴以生存的寶貴資源，研究表明我國57%的河流水體的污染嚴重，導(dǎo)致水生態(tài)功能退化，水質(zhì)性缺水成為目前亟待解決的問題[1-3]。從生態(tài)系統(tǒng)方面入手，建立完整穩(wěn)定的水生態(tài)功能分區(qū)，以生態(tài)環(huán)境為首，科學(xué)規(guī)劃各生態(tài)功能區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)，是有效解決流域水環(huán)境和水質(zhì)量問題的關(guān)鍵[4]。同時，不同水生態(tài)功能的結(jié)構(gòu)存在差異，其對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境問題不同，需根據(jù)水生態(tài)功能的環(huán)境特征提出相應(yīng)的解決方法和措施[5]。開展水生態(tài)功能分區(qū)研究，可為水行政管理部門提供一定的技術(shù)指導(dǎo)，對具有同樣生態(tài)功能特征或同一種群的水體進行統(tǒng)一管理[6]。

青海湖位于青藏高原的東北緣，是阻止西部荒漠化向東蔓延的天然屏障，是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要節(jié)點，是中國最大的內(nèi)陸咸水湖，湖水容積8.55×1010m3、湖岸線長360 km。近年來青海湖水體面積連續(xù)增加，至2019年，青海湖水體面積已擴大至4 549.38 km2，與2018年同期相比增加了20.08 km2，十幾年來青海湖水位連續(xù)上升。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change)發(fā)布了第五次評估報告，第一次評估報告(1990年)至第五次評估報告(2014年)均提到了全球平均地表溫度在過去100多年(1880—2012年)中增加了0.3～0.6 ℃(1990年)、0.3～0.6 ℃(1996年)、0.4～0.8 ℃(2001年)、0.74(2007年)、0.85 ℃(2014年)[7-10]。近半個世紀以來，青藏高原氣候出現(xiàn)了由暖干向暖濕方向的轉(zhuǎn)型，且暖濕化程度明顯，青海湖則是以降水補給為主的封閉湖泊，受暖干氣候的影響，1974—2004年青海湖面積減少了253.8 km2，約為1974年湖面積的5.67%[11]。

水生態(tài)功能分區(qū)目的是揭示流域水生態(tài)系統(tǒng)的空間規(guī)律，反映水生態(tài)系統(tǒng)特征及其與自然因素的關(guān)系[6，12]。國內(nèi)外學(xué)者在水生態(tài)功能分區(qū)研究方面的原則、依據(jù)、指標和技術(shù)方法各不相同[13]，取得了豐碩的成果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以青藏高原東北部重要的自然地理單元青海湖流域為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)，以流域內(nèi)大中尺度的水生態(tài)系統(tǒng)及其影響因素為研究對象開展水生態(tài)功能分區(qū)[14]，為流域水生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃、管理方案提供依據(jù)。同時，探討流域水生態(tài)的保護目標及其實現(xiàn)途徑，維護良好的生態(tài)環(huán)境，是發(fā)展青海湖國家級自然保護區(qū)、建設(shè)青海湖國家公園的重要支撐，也是青藏高原生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)的重要舉措。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

青海湖流域又稱青海湖盆地，是一個獨立完整的自然地理單元，地理位置介于97°50′E—101°20′E、36°15′N—38°20′N(圖1)，流域總面積29 600 km2，北起大通山，南至青海南山，西臨阿木尼尼庫山，東靠日月山。青海湖流域既是連接青海省東部、西部和青南地區(qū)的樞紐地帶，又是通達甘肅省河西走廊、西藏自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)的主要通道[15]，涉及行政范圍包括海西蒙古族自治州天峻縣、海北藏族自治州剛察縣、海晏縣、海南藏族自治州共和縣等3個州、4個縣、26個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、125個行政村(其中跨流域村44個)，以及5個省、州、縣屬國有農(nóng)牧場。青海湖流域是青海省生態(tài)環(huán)境保護和建設(shè)的重點區(qū)域之一，也是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要水體[16]。流域河網(wǎng)呈現(xiàn)明顯的不對稱分布，西北部面積廣闊，河網(wǎng)發(fā)育，徑流量大，區(qū)域內(nèi)的較大河流均分布于此；東南部地域狹窄，河網(wǎng)稀疏，水量貧乏，多為季節(jié)性河流，徑流量小。流域多年平均徑流量為16.68×108m3，其中6—9月份徑流量占全年的80%[17]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the Qinghai Lake basin

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

利用青海湖流域數(shù)字高程模型(DEM)、流域7大主要河流水系、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量、土地利用類型等數(shù)據(jù)開展本研究。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn)，空間分辨率為90 m，柵格大小為90 m×90 m。研究區(qū)主要有布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、泉吉河、甘子河、倒淌河、黑馬河7大河流，在ArcGIS 10.0軟件中，以青海湖流域1：250 000數(shù)字高程模型圖(DEM)作為底圖，應(yīng)用水文分析模塊，經(jīng)過修正填洼，提取出河網(wǎng)形狀。研究區(qū)運用的遙感數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云(https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/search/)下載的2000—2016年標準化500 m MOD13A1植被指數(shù)?；谶b感對地觀測數(shù)據(jù)、GIS地理信息數(shù)據(jù)、站點觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，綜合集成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量測量方法，分別模擬和核算青海省各土地利用/覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量及貨幣價值量，主要包括供給服務(wù)、支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)，建立2000—2018年研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量及價值量賬戶，最終確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量數(shù)據(jù)，單位是1×108元/km。土地利用類型數(shù)據(jù)引用2014年解譯的青海湖流域土地利用類型圖。

2.3 研究方法

水生態(tài)功能分區(qū)一般采用“自上而下”的方法開展，該方法根據(jù)區(qū)域環(huán)境的地域分異規(guī)律以及水生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性進行分析。青海湖流域水生態(tài)功能一二級分區(qū)屬于大中尺度流域的高級別分區(qū)，適合“自上而下”的分區(qū)方法，參考已有的研究成果以及專家經(jīng)驗，體現(xiàn)青海湖流域水生態(tài)功能的宏觀規(guī)律性?！白陨隙隆钡姆謪^(qū)方法的基本原則包括整體性原則[18]、水陸耦合原則、層次性原則、主導(dǎo)因子原則[19]、可持續(xù)性原則[20]。

水生態(tài)功能分區(qū)指標選擇和體系建立：青海湖流域水生態(tài)功能分區(qū)指標體系是進行水生態(tài)功能區(qū)劃的重要依據(jù)，主要反映流域水生態(tài)系統(tǒng)特征的自然情況差異[21]。根據(jù)水陸耦合原則確定7大主要河流水系、DEM 2個因子作為青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)指標。根據(jù)空間自相關(guān)距離的大小，確定河流水系可作為水生態(tài)功能一級分區(qū)的主導(dǎo)指標[18]。青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)在一級水生態(tài)功能分區(qū)基礎(chǔ)上，根據(jù)整體性的原則確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量、近17年平均NDVI、土地利用類型等作為研究區(qū)水生態(tài)功能二級分區(qū)的指標。對指標進行空間自相關(guān)距離分析，確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量作為二級水生態(tài)功能分區(qū)的主導(dǎo)指標。水生態(tài)功能二級分區(qū)是為了將大尺度的水生態(tài)功能一級分區(qū)進一步細分，體現(xiàn)區(qū)域的局部生態(tài)特征以及生態(tài)環(huán)境的差異性。另外，在調(diào)整邊界時盡量考慮研究區(qū)各子流域的完整性[13]。

運用空間自相關(guān)技術(shù)，生成空間權(quán)重矩陣，確定各空間單元的權(quán)重，再根據(jù)各單元的屬性信息進行空間自相關(guān)分析?；谧韵嚓P(guān)分析法的基本原理，若某一變量在空間上不屬于隨機分布，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，那么該變量就存在空間自相關(guān)。根據(jù)以往對水生態(tài)功能區(qū)分區(qū)指標選取的經(jīng)驗和研究區(qū)特殊的環(huán)境條件，本研究在指標選擇時使用GS+軟件中自帶的半方差函數(shù)對研究區(qū)各指標的空間自相關(guān)性[22]進行分析，變異函數(shù)γ(h)的計算公式為

(1)

式中：N(h)表示間距為h的數(shù)值對數(shù)；Z(xi)表示區(qū)域化變量在點xi處的值；Z(xi+h)表示區(qū)域化變量在點xi+h處的值。

變異函數(shù)的主要參數(shù)有塊金值(C0)、基臺值(C0+C)及變程(a)。其中，塊金值指由小于試驗取樣尺度和試驗誤差引起的變異，基臺值指系統(tǒng)屬性中最大的變異，變程反映變量空間自相關(guān)的范圍。

在青海湖流域水生態(tài)功能分區(qū)研究中，運用Fuzzy Gamma方法，F(xiàn)uzzy Gamma是以Fuzzy Sum和Fuzzy Product為底，以Gamma為指數(shù)的代數(shù)乘積。Fuzzy Sum是遞增函數(shù)，當多個證據(jù)柵格的組合的重要性或該組合大于任何單個輸入柵格時使用此函數(shù)；Fuzzy Product是遞減函數(shù)，當多個證據(jù)柵格的組合的重要性或該組合小于任何單個輸入柵格時使用此函數(shù)。

3 結(jié)果和分析

3.1 青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)

由表1可知，青海湖流域布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、泉吉河、甘子河、倒淌河、黑馬河等7大主要河流水系的協(xié)方差(r2)為0.953，空間自相關(guān)距離為259.62 km；DEM的協(xié)方差(r2)為0.849，空間自相關(guān)距離為466.32 km。主要河流流域水系的空間自相關(guān)距離相對較小，可作為該區(qū)域水生態(tài)功能一級分區(qū)的主導(dǎo)指標，DEM作為該區(qū)域水生態(tài)功能分區(qū)的影響指標。

表1 青海湖流域水生態(tài)功能分區(qū)一級指標的空間自相關(guān)距離Table 1 Spatial autocorrelation distance of the first-level indicators of water ecological function in the Qinghai Lake basin

青海湖流域?qū)儆诟咴敫珊祪?nèi)流水系，河流大多發(fā)源于四周高山，進而向中部聚集，最終匯聚于青海湖。流入青海湖的大小河流有70余條，呈明顯不對稱分布，西北部河流相對較多，徑流量大；東南部河流稀疏，多為季節(jié)性河流。青海湖流域內(nèi)湖泊較多，面積>0.03 km2的湖泊有40多個，面積>0.30 km2的湖泊有17個，這些湖泊集中分布于青海湖西北地勢較高的河流源頭地區(qū)和青海湖東部的湖濱地帶。在地形地貌方面：地貌類型由湖濱平原、沖積平原、低山丘陵、中山和高山、冰原臺地和現(xiàn)代冰川等組成。流域內(nèi)山地面積大，約占流域總面積的67%，山勢陡峻、溝谷密布且多冰蝕地形，主要分布在流域西北分水嶺地帶；河谷和平原約占流域總面積的33%，主要分布于河流下游和青海湖周圍。

3.2 水生態(tài)功能一級分區(qū)過程及結(jié)果

圖2(a)是青海湖流域DEM，圖2(b)是青海湖流域河流水系，將研究區(qū)DEM圖層、水系圖層通過模糊疊加后(圖2(c))，基于小流域邊界完整性的要求，對一級分區(qū)邊界進行了修正，得到研究區(qū)水生態(tài)功能一級分區(qū)界線。根據(jù)研究區(qū)的河流分布和地貌特征，其水生態(tài)功能一級分區(qū)的命名參照青海省水功能區(qū)劃命名原則，采用“河流水系名稱+水生態(tài)功能區(qū)”[23]。輸出青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)結(jié)果(如圖3)：Ⅰ布哈河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅱ泉吉河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅲ沙柳河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅳ哈爾蓋河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅴ甘子河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅵ倒淌河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅶ黑馬河水系水生態(tài)功能區(qū)；Ⅷ青海湖湖體水系水生態(tài)功能分區(qū)。

圖2 青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)模糊疊加Fig.2 Fuzzy overlay of first-level water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

圖3 青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)結(jié)果Fig.3 Result of first-level water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

3.3 青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)

由表2可知，青海湖流域2000—2018年年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量的協(xié)方差(r2)為0.691，空間自相關(guān)距離為174.98 km；2000—2016年年均NDVI的協(xié)方差(r2)為0.802，空間自相關(guān)距離為201.55 km；2014年土地利用類型的協(xié)方差(r2)為0.866，空間自相關(guān)距離為208.02 km。在二級分區(qū)的3個指標中空間自相關(guān)距離最小的是2000—2018年年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量，因此選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量作為青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)的主導(dǎo)指標，2000—2016年年均NDVI、土地利用類型等指標作為青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)的影響指標。

表2 青海湖流域水生態(tài)功能分區(qū)二級指標的空間自相關(guān)距離Table 2 Spatial autocorrelation distance of the secondary indicators of water ecological function zones in the Qinghai Lake basin

通過計算可知：青海湖流域2000—2018年年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量為1 886.15億元/a，其中，2000—2012年呈逐年增加的趨勢，由1 691.70億元/a增加到2 280.51億元/a，增長34.81%，2013—2018年呈現(xiàn)第二個增長點，由1 863.11億元/a增加到2 166.92億元/a，增長16.31%。近17 a NDVI總體上呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。青海湖流域土地利用類型主要有裸巖、山地灌木、高寒沼澤、湖濱沼澤、河谷沼澤、耕地、居民地、河谷灌木、沙地、裸土地、石礫地、河流、湖泊、高寒草甸、高山流石稀疏植被和溫性草原等16種類型。

3.4 水生態(tài)功能二級分區(qū)過程及結(jié)果

根據(jù)青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)結(jié)果，在ArcGIS 10.0軟件支持下，將研究區(qū)2000—2018年年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量柵格圖、2000—2016年年均NDVI柵格圖、2014年土地利用類型矢量圖等圖層進行模糊疊加，如圖4，紅線表示水生態(tài)功能一級分區(qū)邊界，綠線表示水生態(tài)功能二級分區(qū)模糊疊加邊界，以8個一級分區(qū)邊界作為二級分區(qū)的外邊界，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量為主導(dǎo)指標，基于土地利用類型完整性的要求，對二級分區(qū)邊界進行了修正，得到青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)(如圖5)。根據(jù)青海湖流域土地利用類型及其環(huán)境因素，其二級水生態(tài)功能分區(qū)的命名參照青海省水功能區(qū)劃命名原則，采用“水系名稱+主要土地利用類型+水生態(tài)功能區(qū)”。命名結(jié)果依次為：Ⅰ- 1布哈河水系裸巖(土)水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅰ- 2布哈河水系高寒沼澤地水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅰ- 3布哈河水系河谷灌叢水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅰ- 4布哈河水系河谷沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅰ- 5布哈河水系高山流石稀疏植被水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅱ- 1泉吉河水系溫性草原水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅱ- 2泉吉河水系河谷沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅱ- 3泉吉河水系高山流石稀疏植被水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅲ- 1沙柳河水系溫性草原水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅲ- 2沙柳河水系河谷沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅲ- 3沙柳河水系高寒沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅲ- 4沙柳河水系裸巖(土)水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅳ- 1哈爾蓋河水系溫性草原水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅳ- 2哈爾蓋河水系河谷沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅳ- 3哈爾蓋河水系高寒沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅳ- 4哈爾蓋河水系高山流石稀疏植被水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅴ- 1甘子河水系沙地水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅴ- 2甘子河水系居民區(qū)與工礦用地水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅴ- 3甘子河水系河谷灌叢水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅵ- 1倒淌河水系沙地水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅵ- 2倒淌河水系耕地水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅵ- 3倒淌河水系溫性草原水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅵ- 4倒淌河水系耕地水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅶ- 1黑馬河水系湖濱沼澤水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅶ- 2黑馬河水系山地灌叢水生態(tài)功能分區(qū)，Ⅶ- 3黑馬河水系耕地水生態(tài)功能分區(qū)；Ⅷ- 1青海湖湖體湖泊水生態(tài)功能分區(qū)。

圖4 青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)模糊疊加Fig.4 Fuzzy overlay of secondary water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

圖5 青海湖流域水生態(tài)功能二級分區(qū)結(jié)果Fig.5 Result of secondary water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

通過對青海湖流域DEM數(shù)據(jù)、主要河流水系數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合研究區(qū)實際情況，在ArcGIS 10.0軟件支持下，使用GS+軟件研究各指標要素的空間自相關(guān)距離性，以及各因子之間的自相關(guān)距離，確定水生態(tài)功能一二級分區(qū)主導(dǎo)指標和影響指標，得到以下結(jié)論：

(1)利用青海湖流域DEM和7大主要河流水系2個因子，以河流水系為主導(dǎo)因子，確定水生態(tài)功能一級分區(qū)共分為8個；利用研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量、NDVI、土地利用類型3個因子，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量為主導(dǎo)因子，在一級分區(qū)的基礎(chǔ)上，確定水生態(tài)功能二級分區(qū)共分為27個。

(2)青海湖流域水生態(tài)功能一級分區(qū)與水功能分區(qū)基本一致，在生態(tài)保護方面，要將水資源的開發(fā)、利用和保護與生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)、利用和保護相結(jié)合，實現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)的整體開發(fā)、利用和保護，對青海湖國家公園的建設(shè)有一定的借鑒意義。對研究區(qū)二級分區(qū)的各個生態(tài)系統(tǒng)保護方面提供了一定的開發(fā)和保育策略。

4.2 展 望

本研究對青海湖流域水生態(tài)功能分區(qū)開展研究，并確定出流域內(nèi)一級和二級水生態(tài)功能分區(qū)，對其他高原湖泊流域的水生態(tài)功能區(qū)劃具有一定的指導(dǎo)意義。但是，目前我國的水生態(tài)功能分區(qū)仍然處于起步階段，本研究在分區(qū)指標選擇、指標體系建立的過程中依據(jù)河流水系特征、DEM特征、土地利用類型特征等要素建立指標體系，在邊界修正中人為主觀因素干擾比較大，不確定性難以把握，缺乏統(tǒng)一的方法和原則。作為一篇初探性的文章，主要參考前人研究的技術(shù)方法和成果，試探性地開展研究，研究結(jié)果比較單一，在指標綜合聚類[24]、邊界修正和結(jié)果命名等工作中仍然存在不足，需要在以后的科研工作中改進完善。