《生态系统水源涵养功能气象影响指数》编制说明

气象行业标准《生态系统水源涵养功能气象影响指数》
编制说明
一、工作简况
1. 任务来源
本标准由国家气象中心提出，全国农业气象标准化技术委员会（以下简称SAC/TC539)归口。

2019年9月30日由中国气象局政策法规司下达各省（区、市）气象局，各直属单位，各内设机构（气法函〔2019〕58号），项目编号QX/T-2020-41，立项名称为《生态系统水源涵养功能气象影响指数》。

2. 起草单位
本标准起草单位为国家气象中心和中国科学院生态环境研究中心。

国家气象中心生态和农业气象中心早在2005年就成立了生态气象业务科研团队，2018年又成立生态气象创新团队，已开展生态气象业务服务10余年，是国家级生态气象主要业务服务单位。

在科研业务方面，已构建了全国植被生态质量评估指标和模型，开展了基于月或年尺度的全国生态质量气象监测评估业务服务，完成了《草地气象监测评价方法》（国标）、《陆地植被气象与生态质量监测评价等级》（行标）以及《陆地植被生态质量气象监测评价业务规范》等生态气象业务规范。

生态和农业气象中心的业务服务能力和标准编制经验，可为本标准制定提供较好的技术基础和应用服务的支持。

中国科学院生态环境研究中心，是我国第一个全国性生态环境领域综合性研究机构。

在生态系统结构-过程-功能方面的研究，编制人员具有较强的科研实力，完成了《全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估》、《全国生态功能区划》、《北京水生态服务价值研究》、《中国分区域生态需水》等重大科研项目，参与了《生态保护红线划定指南（2017年）》的编制。

在生态系统生态服务功能评估方面，具有较好的科研基础，保障了本标准编制的科学性和适用性。

3. 主要起草人及所做工作
本标准主要起草人为曹云、郑华、钱拴、延昊、孙应龙、黄斌斌、吴门新，其分工如下：
曹云，负责标准技术调研、组织讨论、标准的申报、标准编写、修改和编写编制说明等工作。

郑华，负责评估方法技术把关、水源涵养功能评估模型研发、参数调整、标准编写与修改。

钱拴，负责业务服务技术把关、标准编写、修改。

延昊，负责蒸散发模型、标准修改、编制说明编写的工作。

黄斌斌，负责模型参数调整、评估结果应用。

孙应龙、吴门新负责相关信息调研及资料收集工作、初稿起草以及业务应用。

4. 主要工作过程
成立起草组：2019年10月，根据气法函〔2019〕58号文件，国家气象中心生态和农业气象中心和中国科学院生态环境研究中心的专家和业务人员成立了标准起草小组，明确目标和任务，制定编制计划，开始标准的编写工作。

组织起草：2019年11月，起草小组开展了相关调研及资料收集等工作，对已发布生态气象相关国家标准和行业标准以及业务规范进行认真学习，开始起草标准内容。

完成初稿：2020年4月，在前期调研和预研究的基础上，参考森林生态系统服务功能评估规范（GB/T38582-2020）、植被生态质量气象评价指数（GB/T 34815-2017）等标准和规范及其研究成果，结合生态气象业务的服务需求，完成标准初稿。

完成征求意见稿：2020年5月，起草小组在小范围内征求了生态功能评估、生态气象业务等方面专家意见，经过内部讨论和修改，按照相应的标准编写格式，形成标准的征求意见稿。

二、编制原则和主要内容确定的依据
1. 编制原则
标准依据GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的规则起草，参考出版的行业标准的相关编写规定，遵照相关法律、法规、规章、技术政策、标准及其规范，结合气象行业标准的特点，本着科学性、可操作性、适用性等原则进行编制。

（1）科学性原则
生态系统水源涵养功能是陆地生态系统重要生态功能之一。

在影响水源涵养的众多因素中，气象条件是生态系统水源涵养变化的重要驱动因子。

其中，温度、降水等气象因子的变化会影响地表径流和蒸散量等重要指标变化，最终导致水源涵养功能的变化。

因此可以从气象影响角度，通过评估时段气象条件影响下的生态系统涵养水量，与常年平均气候条件下涵养水量的比值，来表征在生态系统涵养水量变化中气象影响程度，开展水源涵养功能变化的气象影响评估。

本标准编制，充分参考《森林生态系统服务功能评估规范》（GB/T38582-2020）、生态环境部和国家发展改革委发布的《生态保护红线划定指南（2017年）》中水源涵养功能的评估方法，结合《全国生态功能区划》、《全国生态环境十年变化(2000-2010)评估》等前期研究成果，规范水源涵养功能评估的算法，构建生态系统水源涵养量变化中气象影响评估指标，在全国以及海河流域等不同尺度下开展研究和应用，为本标准制定提供了科学的依据和基础。

（2）可操作性原则
本标准基于水源涵养功能的普遍定义，将森林、灌丛等生态系统视为一个“黑箱”，以水量的输入和输出为着眼点，从生态系统的水量平衡角度，基于降水量与蒸散量以及地表径流量等主要消耗
量的差值，来开展水源涵养量的评估，进而利用涵养水量与常年气候条件下的比值来定量评估气象影响。

本标准制定了参考了行业标准和部委规范，评估模型和指标具有很好的代表性，保证了标准的科学性和通用性。

同时结合生态气象业务服务需求和能力，尽量在评估中采用气象业务科研和服务中常见的数据资料和计算方法，保证评估指标直观明确，计算方法简便易行，从而提高标准的实用性，满足生态气象业务服务需求，方便在气象行业服务中推广应用。

（3）适用性原则
水源涵养在各项生态系统服务功能中处于重要地位，是陆地生态系统重要生态服务功能之一。

作为影响水源涵养功能的重要驱动因素，构建统一、规范的气象影响指标，实现水源涵养量变化中气象影响的定量化评估，有助于满足生态功能评估的业务需求，推动生态气象服务领域拓展，提高生态文明建设的气象保障能力，为各省市乃至全国的生态气象业务服务工作提供了技术支撑，具有广泛的普遍性和社会性。

2. 主要内容及确定依据
2.1 主要内容
生态气象作为气象部门拓展的新型服务领域，近年来随着业务服务迫切需求，相关的标准、业务规范逐渐增加。

本标准在编制过程中，气象影响指数构建参考了《植被生态质量气象评价指数（国标）》中气象评价指数的方法，涵养功能评估参考了《森林生态系统服务功能评估规范（国标）》和《生态保护红线划定指南（2017年）》中有关技术方法，结合《全国生态功能区划》、《全国生态环境十年变化(2000-2010)评估》等前期研究应用成果，规范生态系统水源涵养功能算法、构建水源涵养功能气象影响评估指标。

本标准主要内容如下：
（1）生态系统水源涵养功能（EWC）评估
本标准基于水源涵养功能的普遍定义，将森林、灌丛等生态系统视为一个“黑箱”，以水量的输入和输出为着眼点，从生态系统的水量平衡角度，降水量作为输入量，与蒸散量、地表径流量等作为输出量的差值，即为涵养水量，开展生态系统水源涵养功能评估。

因此，基于水量平衡方程的生态系统水源涵养功能（Ecosystem Water Conservation，EWC）评估，采用公式（1）计算：
(1)
EWC PRE QF AET
--
式中：
EWC——水源涵养量，单位为毫米（mm）；
PRE——降水量，单位为毫米（mm）；
QF——地表径流量，单位为毫米（mm），计算方法见附录A；
AET——实际蒸散量，单位为毫米（mm），计算方法见附录B；
（2）EWC 气象影响指数（EWC MII ）
基于生态系统水源涵养功能模型，参考《植被生态质量气象评价指数》(GB/T 34815-2017)中气象评价指数构建方法，通过评估时段气象条件下的生态系统涵养水量与常年平均气候条件下涵养水量的比值，构建气象影响指数，表征在生态系统涵养水量变化中，气象影响程度的无量纲指标。

EWC 气象影响指数（EWC MII ）采用公式（2）计算：
=CS
EWC E M WC EWC II ……………………………（2） 式中：
EWC ——评估时段气象条件下的水源涵养量，单位为毫米（mm ）
； CS EWC ——常年平均气候条件下的水源涵养量，单位为毫米（mm ）
； 当EWC MII ＜1时，表示评价区域评估时段气象条件不利于水源涵养功能增加，数值越小，气象条
件越差，水源涵养量下降越多；
当EWC MEI =1时，表示评估时段气象条件与常年气候条件相似，水源涵养量相当；
当EWC MII ＞1时，表示评价区域评估时段气象条件利于水源涵养功能增加，数值越大，气象条件
越好，越有利于水源涵养量的增加。

2.2 标准确定的依据
在标准的编制过程中，参考了国家标准、行业标准以及生态环境部等相关部门的规范，并加强了对已有的期刊文献著作研究成果应用，主要依据的标准和参考文献：
（1） GB/T 34815-2017 植被生态质量气象评价指数.
（2） GB/T 38582-2020 森林生态系统服务功能评估规范.
（3） LY/T 1721-2008 森林生态系统服务功能评估规范
（4） LY-T 1606-2003 森林生态系统定位观测指标体系
（5） QX/T 200-2013 生态气象术语.
（6） 生态环境部和国家发展改革委发布的《生态保护红线划定指南（2017年）》
（7） Ouyang, Z., Zheng, H., Xiao, Y., Polasky, S., Liu, J., Xu, W., Daily, G. C. Improvements in ecosystem services from investments in natural
capital. Science, 2016, 352(6292): 1455-1459.
（8） 龚诗涵，肖洋，郑华，肖燚，欧阳志云. 中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素. 生态学报, 2017, 37(7): 2455-2462.
（9） 龚诗涵，肖洋，方瑜，郑华，肖燚，欧阳志云．中国森林生态系统地表径流调节特征. 生态学报, 2016, 36(22): 7472-7478．
（10） 张宏锋，欧阳志云，郑华. 生态系统服务功能的空间尺度特征. 生态学杂志, 2007, 26(9): 1432-1437.
（11） 郑华等. 海河流域生态系统评估. 科学出版社，2016.
（12） Zhang L, Dawes W R, Walker G R. Response of mean annual evapotranspiration to vegetation changes at catchment scale [J] Water
Resource Research, 2001, 37(3): 701－708
（13） 尹云鹤，吴绍洪，赵东升，戴尔阜．过去30年气候变化对黄河源区水源涵养量的影响．地理研究，2016, 35(1): 49-57.
三、主要验证分析（综述报告）及预期效果
3.1 研究背景
水源涵养功能是陆地生态系统重要生态服务功能之一，包含着大气、水分、植被等自然过程，其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况，是区域生态系统状况的重要指示器。

生态系统水源涵养功能是一个动态发展中的概念，其内涵随着人们对生态系统与水关系认识的不断深入而变化。

本标准基于水源涵养功能的普遍定义，将森林、灌丛等生态系统视为一个“黑箱”，以水量的输入和输出为着眼点，从生态系统水量平衡角度，降水量作为输入量，与蒸散量、地表径流量等作为输出量的差值，即为水源涵养量，并基于水源涵养功能评估的规范算法，构建生态系统水源涵养量变化中气象影响评估指标，客观、定量评估气象条件对水源涵养功能的影响，为生态文明建设的气象影响评价提供科学依据。

生态系统水源涵养功能是植被、降水等共同作用的结果，与降水量、蒸散量、地表径流量和植被覆盖类型等因素密切相关。

在影响水源涵养的众多因素中，气象条件是生态系统水源涵养变化的重要驱动因子，其中降水、气温等气象因子是影响生态系统水源涵养量的变化重要波动因子。

因此作为水源涵养功能变化的主要驱动因素，通过评估时段气象条件下生态系统涵养水量与常年平均气候条件下涵养水量的比值，所构建的水源涵养气象影响指数，可反映出气象条件对生态系统涵养水量变化的影响程度。

通过涵养水量与气象因子的相关分析，表明气象因素与水源涵养量具有显著的相关性，其中降水量与涵养水量的相关系数明显高于其他因子，是影响生态系统水源涵养功能变化的重要驱动因素。

这与尹云鹤等人（2016）的研究结果较为一致，降水量以及大气水分需求能力的变化是影响生态系统水源涵养量增减的主要因素。

表1 涵养水量与气象因素的相关分析
降水量蒸散量气温
相关性0.812** 0.675** 0.465**
显著性0.000 0.000 0.000
样本数2892 2892 2892
3.2 全国尺度的空间验证分析
基于本标准的模型和方法，在全国尺度，对不同年份的全国生态系统涵养功能及其气象影响程度进行了分析。

中国生态系统水源涵养功能总体上呈现南方高北方低、由东南向西北总体呈现递减趋势，与降水量空间分布特征具有较好一致性（图1）。

其中，长江以南降水量较高地区的森林生态系统发挥着重要的涵养功能，水源涵养量较高的区域主要集中在武夷山脉、南岭、武陵山区、大巴山区，四川盆地以及云贵高原等地降水量较高的低纬度地带的高山区。

这是因为这些高山区域植被
是以亚热带和热带常绿阔叶林为主，而且区域降雨充沛，导致低纬度高山区域的水源涵养量也较高。

而大小兴安岭、长白山区等北方山区植被以寒温带针叶林为主，加之区域降水量低于南方，植被蒸散量大，所以水源涵养量一般；蒙古高原、青藏高原等地植被主要以草地生态系统为主，年降水量在400mm以下，所以水源涵养量偏低。

从气象影响指数的对比分析来看（图2），降水对全国生态系统水源涵养功能的影响较为明显，降水量接近常年或偏多的区域，气象影响指数基本均在0.5以上，降水量越偏多的区域，气象指数也越大，表明这些区域气象条件有利于水源涵养量的增加。

例如，2019年青海西北部、内蒙古西部等地降水较常年偏多3-8成，区域气象影响指数达到3.5以上；云南降水偏少3-5成，加之气温偏高，气象条件不利于水源涵养量的提高，区域气象影响指数明显下降，大部从2010年0.5-1.5区间下降到0.1以下，表明生态系统水源功能气象影响指数变化，能够反映出降水、温度等气象因子变化对涵养水量增减的影响程度。

总之在全国尺度上，生态系统水源涵养功能及其气象影响指数空间分布规律，能显示出气象驱动因子的影响特征，与他人研究成果基本一致（陈东立等，2005；鲁绍伟等，2005），基本符合实际空间分布情况及区域变化特征，可用于定量评估气象影响程度。

图1 全国涵养水量及其降水量对比分析
图2 全国水源涵养功能气象影响指数及其降水距平对比分析
3.2 流域尺度的空间验证分析
本标准涉及技术方法和评估指标在流域尺度（以海河流域为例）也开展了研究应用，为标准在区域尺度开展业务应用和服务提供支持。

海河流域东临渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原，地势总体呈西北高、东南低的趋势，且人口稠密、大中城市聚集，在全国经济社会发展格局中占有十分重要的战略地位。

海河流域是我国七大流域中水资源最紧缺的区域，水资源供需矛盾十分突出，因而海河流域水资源变化更为敏感，流域水源涵养功能气象影响也成为区域生态保护和建设的关注热点。

从海河流域的涵养水量空间分布特征来看，北部燕山和西部太行山脉的森林灌丛等生态系统发挥着重要涵养功能，是流域主要涵养水源功能区。

结合气象条件的对比分析来看（图3），2019年海河流域大部降水偏少，部分地区较2018年偏少2-5成，加之气温偏高，出现不同程度旱情，流域气象条件明显不如2018年，导致2019年海河流域水源涵养量总体出现下降，较2018年减少45.7%，尤其北部和西部主要水源涵养功能区的涵养水量减小了5成以上。

2019年不利的气象条件也造成北部和西部气象影响指数出现明显下降，从2018年1.5-3.5下降到0.5-1.5之间，尤其南部地区降水较
常年和2018年减少2成以上，气象影响指数下降到0.3以下（图4）。

因此在流域尺度，本标准的评估模型和指标也能较好反映区域生态系统水源涵养量变化及其降水等气象驱动因素的影响程度，能够满足区域尺度的生态气象业务应用。

图3 海河流域近两年涵养水量及其降水量对比分析
图4 海河流域水源涵养功能气象影响指数及其降水距平对比分析
3.3 预期效果
水源涵养功能气象影响评估，是一项面向国家生态功能评估的气象服务保障工作，本标准结合并遵循现行的相关标准和规范规定，在确保评估的科学性基础上，采用的模型方法计算简便、参数易于获得，增强了标准实用性，拓展了气象行业的服务领域。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况，或者与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况
本标准在制定过程中，参考已发布的生态气象相关国标、行标以及生态环境部等其他部门的相关规范，但未查阅到与此有关的国际标准和国外先进标准，故本标准的制订没有采用国际标准。

五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系
本标准制定的内容符合国家相关法律、法规、政策的规定，并且符合GB/T1《标准化工作导则》系列标准的要求，和现行法律、法规及强制性标准不冲突。

六、重大分歧意见的处理经过和依据
无。

七、标准作为强制性标准或推荐性标准的建议
建议本标准作为推荐性标准发布实施。

八、贯彻标准的要求和措施建议
无。

九、废止现行有关标准的建议
无。

十、其他应予说明的事项
无。