淡水供給生態(tài)系統(tǒng)服務量化及變化環(huán)境響應.pdf

1、生態(tài)系統(tǒng)服務已成為制定流域綜合管理策略的重要組成部分。淡水供給服務(FWP)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要服務類型之一，對其他各項服務具有較強的支撐作用。隨著全球人口數(shù)量的增加，人類對淡水供給服務的需求量日益增加，氣候變化及變異、集約化農業(yè)措施等環(huán)境因素的變化，直接改變著流域水文循環(huán)條件，影響其水量和水質的變化，進而對淡水供給服務產生級聯(lián)影響。因此，研究淡水供給服務量化及變化環(huán)境響應，對流域水土資源的高效利用及生態(tài)系統(tǒng)服務效率的提升具有科學意義。<

2、br>　　本文以美國密西西比河流域上游區(qū)(UMRB)為研究區(qū)，基于實測徑流及水質資料，采用生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)法對UMRB淡水供給服務進行了量化評價。根據(jù)流域水文氣象、DEM、土地利用/覆被和土壤等資料，構建了UMRB流域的SWAT模型，通過對模型參數(shù)的校準以及水文、水質及作物產量模擬結果的驗證，分析探討了模型的適用性?；赟WAT模型的水文、水質及作物產量模擬結果，對UMRB14個HUC4子流域的淡水和糧食供給服務進行了量化，并結合標

3、準化降水指數(shù)(SPI)、標準化土壤含水量指數(shù)(SSWI)和標準化徑流指數(shù)(SSI)，探究了不同干旱類型對淡水及糧食供給服務的影響。運用SWAT模型及兩種區(qū)域氣候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景下的氣候預測數(shù)據(jù)，分析評價了FWP效率提升對氣候變化及不同最優(yōu)化管理實踐(BMPs)情景措施的響應。主要研究結論如下:
　　(1) UMRB13個HUC8子流域近20年的淡水供給服務指數(shù)(FWPI)整體小于1，F(xiàn)WP明顯低于年總徑流量，

4、表明各子流域淡水供給服務呈減少態(tài)勢;敏感性分析結果表明，F(xiàn)WP對各水質成分濃度的敏感性最強，對徑流的敏感性次之，而對長期環(huán)境需水量的敏感性最弱，說明水質成分濃度對FWP的影響最為明顯;年降水量與FWPI之間呈顯著負相關關系，當降水量增加時，F(xiàn)WP和FWPI有所減少，究其原因是由于降水量增加的同時，也增大了水體污染物的負荷及濃度，在一定程度上降低了流域水質條件，從而減少了FWP，表明對于集約化管理農業(yè)流域，若以增加FWP為管理目標，改善流

5、域水質條件顯得非常必要。
　　(2)構建的UMRB流域SWAT模型校準期和驗證期13個水文站的確定性系數(shù)(R2)、Nash-Sutcliff效率系數(shù)(NSE)和百分比偏差(PBIAS)均滿足模型評價標準(R2＞0.6，NSE＞0.5，PBIAS＜25％)，月徑流模擬序列與實測序列的變化趨勢基本一致;總氮(TN)、總磷(TP)及泥沙(TSS)月負荷模擬序列與實測序列之間具有顯著的線性相關性，實測值與模擬值之間的偏差較小(R2＞0.6

6、、PBIAS＜70％)，TN和TP日實測濃度與模擬濃度基本吻合;多數(shù)子流域玉米產量模擬序列與實測序列的PBIAS低于10％，大豆產量實測序列與模擬序列的PBIAS變化位于-18.5％～14.8％。表明所構建的SWAT模型具有較高的模擬精度，能夠比較準確地模擬UMRB水文、水質及泥沙變化過程，模型具有良好的適用性。
　　(3) UMRB多數(shù)子流域年FWP與12個月時間尺度SSI(SSI12)的相關性整體高于與12個月時間尺度SPI(

7、SPI12)的相關性，說明水文干旱較氣象干旱對年FWP的影響更加顯著;季節(jié)性FWP受夏季和秋季降水盈虧條件的影響較顯著，而部分以農耕為主的子流域，春季和夏季FWP與3個月時間尺度SPI(SPI3)呈顯著負相關關系，r最小值為-0.61～-0.51，表明這一時期FWP主要受SPI3的影響，這也反映了河流水質條件與其徑流豐枯程度的內在關系。
　　(4)多數(shù)子流域年FP與3個月時間尺度SSWI(SSWI3)的相關性整體高于與SPI3的相

8、關性，說明FP受作物生育期農業(yè)干旱的影響較氣象干旱顯著;夏季和早秋時期年FP與SPI3和SSWI3具有顯著相關性(p＜0.05)，而冬季年FP與SPI3、SSWI3的r值為-0.3～0.3，p＞0.05，表明FP受夏季和早秋降水量和土壤水分盈虧條件的影響較顯著，而受冬季降水及土壤水分盈虧狀況的影響較小;位于UMRB干流且以農耕為主的多數(shù)子流域，春季年FP與SPI3、SSWI3呈顯著負相關(p＜0.05)，說明FP受春季干旱影響相對較小，

9、過剩的水壓力反而會抑制作物生長，進而減少糧食供給服務。
　　(5)基準氣候期和兩種氣候模型未來氣候期，免耕(NT)、作物覆蓋(CC)、植被過濾帶(FS)、草皮水道(GW)和各BMPs綜合措施(CM)5種BMPs情景措施下的年FWP均有所提高;CM情景下的年FWP提升效率高于單個BMPs情景，主要原因是各BMPs措施的綜合實施，能夠較大幅度地減少泥沙和營養(yǎng)物負荷及濃度，改善流域水質條件，從而提高了CM情景在各子流域的FWP提升效率;

10、NT和CC情景在以農耕為主的子流域，F(xiàn)WP提升效率相對較高;FS和GW情景在以非農耕為主的子流域中的FWP提升效率相對較高，而在其它以農耕為主的子流域中的FWP提升效率相對低于NT和CC情景，這主要是受農耕區(qū)地下瓦管排水的影響，田間部分氮以硝酸鹽形式隨地下瓦管水流直接排放到河道中，降低了FS和GW情景對氮的削減作用，使得FWP提升效率相對較低。
　　(6)兩種氣候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景的未來氣候條件下，UMRB6個

11、子流域各BMPs情景的FWP提升效率相對于基準氣候期均有所提高，表明這些子流域未來氣候條件的變化將有利于各BMPs措施提升淡水供給服務效率;然而，CCCma-CanESM2 RCA4模型兩種排放情景的未來氣候條件下，Turkey、Peruque-Piasa和LowerIllinois子流域不同BMPs情景的FWP提升效率均有所降低，其主要原因是受未來降水量增加和氣溫上升的綜合影響，過量的污染物負荷由田間運移至河道，使得未來氣候期TN、T