中國森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流調(diào)節(jié)特征

龔詩涵,肖 洋,方 瑜,鄭 華,肖 燚,歐陽志云, *

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100039

中國森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流調(diào)節(jié)特征

龔詩涵1, 2,肖 洋1, 2,方 瑜1,鄭 華1,肖 燚1,歐陽志云1, *

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100039

徑流調(diào)節(jié)是森林生態(tài)系統(tǒng)重要生態(tài)服務(wù)功能之一,包含著大氣、水分、植被和土壤等生物物理過程,其變化將直接影響區(qū)域氣候水文、植被和土壤等狀況,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指示器。在區(qū)域尺度上評估森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流特征,對于科學(xué)認(rèn)識和合理保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能具有重要意義。以森林生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探討地表徑流與降水,徑流系數(shù)與植被的關(guān)系,建立徑流系數(shù)與植被的回歸方程,分析全國森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流調(diào)節(jié)特征。結(jié)果表明：(1)各森林類型地表徑流與降水相關(guān)性顯著,其對地表徑流的影響為37%—76%。此外,徑流系數(shù)與植被也顯著相關(guān),其對徑流系數(shù)的解釋能力為27%—47%。(2) 基于植被覆蓋數(shù)據(jù),通過植被與徑流系數(shù)回歸方程估算全國森林生態(tài)系統(tǒng)的地表徑流調(diào)節(jié)特征。全國各森林生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)能力存在差異,強(qiáng)弱順序?yàn)椋郝淙~針葉林>落葉闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>常綠闊葉林。

地表徑流調(diào)節(jié)；森林生態(tài)系統(tǒng)；降水；植被；徑流系數(shù)

森林生態(tài)系統(tǒng)作為地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),不僅為人類輸出木材、藥材及其他工業(yè)用品,而且還具有水源涵養(yǎng)、土壤保持、生物多樣性保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)等功能[1- 2]。由于人口的增長、需求的增加、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、資源開發(fā)力度的增大,導(dǎo)致了森林生態(tài)系統(tǒng)的退化,服務(wù)功能的降低,進(jìn)而威脅著人類賴以生存的環(huán)境[3- 4]。

徑流調(diào)節(jié)主要指養(yǎng)護(hù)水資源的舉措達(dá)到降低水土流失、控制土壤沙化的目的,對于緩解洪澇災(zāi)害,減少土壤與營養(yǎng)物質(zhì)流失,提高系統(tǒng)生產(chǎn)力有著重要影響[5]。森林生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)效應(yīng)是十分明顯,大多數(shù)徑流是以壤中流、地下流的形式流出。地表徑流調(diào)節(jié)受多種因素影響,包括氣候條件(降水量、降水強(qiáng)度)、植被特征(類型、結(jié)構(gòu)、林齡、覆蓋率),土壤條件(土壤厚度、孔隙率),地質(zhì)、地形特征以及人類活動影響等[6]。

目前,我國水資源和水環(huán)境問題十分嚴(yán)峻,水資源短缺,水質(zhì)惡化,洪災(zāi)、旱災(zāi)頻繁,已給人們生產(chǎn)生活造成了巨大的負(fù)面影響。此外,經(jīng)濟(jì)與人口的增長、城市化進(jìn)程的加快以及全球氣候變暖,將進(jìn)一步加劇水資源和水環(huán)境問題。由于環(huán)境問題的加劇,徑流調(diào)節(jié)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的重要性得到了廣泛的重視。盡管國內(nèi)外學(xué)者針對森林生態(tài)系統(tǒng)的徑流調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了大量的研究,但由于研究區(qū)局限和特定,并未能反映全國尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)特征[7]。本研究通過整合相關(guān)文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù),建立徑流系數(shù)與植被回歸方程,研究全國尺度的森林徑流調(diào)節(jié)特征,在探討森林降低水土流失,保護(hù)水土資源,以及森林植被恢復(fù)和生態(tài)重建方面具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集與篩選

本研究所用數(shù)據(jù)主要來自于相關(guān)文獻(xiàn)資料,包括從國內(nèi)公開發(fā)表的文獻(xiàn)和出版的專著(關(guān)于徑流小區(qū)的地表徑流、降水、植被數(shù)據(jù))。為了充分、有效地利用所收集的數(shù)據(jù),更好地反映各森林生態(tài)系統(tǒng)類型地表徑流與降水和植被的關(guān)系,本研究根據(jù)樣本數(shù)據(jù)獲得的方法的統(tǒng)一性對文獻(xiàn)資料進(jìn)行篩選,從多篇文獻(xiàn)資料中篩選滿足條件的樣本數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)較大程度地覆蓋了我國森林生態(tài)系統(tǒng)的分布區(qū)域,代表了我國的各種森林生態(tài)系統(tǒng)類型。植被覆蓋度數(shù)據(jù)是基于像元二分模型[8]通過Modis影像反演得到。像元二分模型是一種簡單實(shí)用的遙感估算模型,它假設(shè)一個像元的地表由有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分地表組成,而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這2個組分因子線性加權(quán)合成,各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比率,其中植被覆蓋度可以看作是植被的權(quán)重。全國2000—2010植被覆蓋數(shù)據(jù)(VC)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所。生態(tài)系統(tǒng)類型圖主要基于Landsat 數(shù)據(jù)采用的面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù),引入非影像光譜信息強(qiáng)化目標(biāo)的識別能力；生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所。降水與溫度數(shù)據(jù),基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論,來源于中國國家計(jì)量信息中心/中國氣象局(NMIC/CMA)。

1.2 研究方法

中國幅員遼闊,自然條件復(fù)雜。多樣化的氣候、地形特征,維持著不同生態(tài)系統(tǒng)類型。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言,其分布明顯反映了地帶性的特征,從北到南,大致分布為寒溫帶和溫帶山地針葉林、溫帶針闊混交林、溫帶落葉闊葉林、亞熱帶針闊混交林、亞熱帶常綠闊葉林、熱帶雨林和季雨林。目前,我國森林生態(tài)系統(tǒng)有多種分類方法,基于本文的研究目的和空間數(shù)據(jù)的可得性,本文依據(jù)《中華人民共和國植被圖(1∶100萬)》植被分類方法[9](表1),結(jié)合全國生態(tài)系統(tǒng)類型圖[10-11]整理得到。

表1 中國森林生態(tài)系統(tǒng)分類

利用篩選后的試驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用SPSS 軟件,進(jìn)行相關(guān)分析?；跀M合結(jié)果(回歸系數(shù)R2)選擇合適擬合方程,建立各森林類型地表徑流和降水、植被的函數(shù)關(guān)系,揭示其徑流調(diào)節(jié)特征。所建立的降水與徑流關(guān)系應(yīng)同時滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)的意義 (統(tǒng)計(jì)學(xué)意義為所建立的趨勢線能較好地代表所有數(shù)據(jù),關(guān)系達(dá)到顯著性；生態(tài)學(xué)意義則是在降水范圍內(nèi),徑流量均應(yīng)小于降水量)。

徑流調(diào)節(jié)能力WC表示森林生態(tài)系統(tǒng)對雨水的調(diào)節(jié)能力,計(jì)算公式如下：

WC=100-RC=100-R/P×100

式中,RC為徑流系數(shù)(%),等于地表徑流量R與降雨量P的比值乘以100。

2 結(jié)果與分析

由于收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不完整性,影響因子的復(fù)雜性,全面了解各因子對徑流調(diào)節(jié)的影響仍有很大的難度。目前,關(guān)于各因子對徑流的影響也尚未得到一致的規(guī)律性的結(jié)論[7]。所以,在分析地表徑流與影響因子關(guān)系時,應(yīng)關(guān)注主要的影響因素。研究表明,降水和植被會顯著影響地表徑流,其對徑流動態(tài)的貢獻(xiàn)率分別為69.8%和17.3%[12]。綜合考慮,本文基于數(shù)據(jù)可獲取性和影響因素重要性,選取森林類型、降水量和植被覆蓋作為區(qū)域尺度上分析地表徑流的關(guān)鍵因子。

2.1 地表徑流與降水的關(guān)系

森林作為陸地主要生態(tài)系統(tǒng)類型,通過林冠、林下植被和凋落物對降水截留,以及蒸散作用和森林土壤的貯存特征,使森林地表徑流減少,起到水文調(diào)節(jié)作用[13]。本文基于所收集的數(shù)據(jù)[14- 60],統(tǒng)計(jì)分析不同森林類型地表徑流與降水的關(guān)系。由圖1可見,各森林類型地表徑流與降水呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性,其中相關(guān)最高的為常綠針葉林,決定系數(shù)R2達(dá)到了0.764(表2)。回歸函數(shù)多為冪函數(shù)和線性函數(shù),說明隨著降水量的增多,森林地表的徑流量也隨之加大。降雨明顯作用于各森林類型的地表徑流,其影響的解釋力為37%—76%。剩余的24%—63%為其他因子對地表徑流的影響,例如土壤厚度、孔隙度、坡度等等。

圖1 地表徑流與降雨關(guān)系 (R為地表徑流量,P為降雨量)Fig.1 The relationship between surface runoff and precipitationR為地表徑流量,P為降雨量 (R is surface runoff and P is precipitation)

生態(tài)系統(tǒng)類型樣本數(shù)決定系數(shù)回歸函數(shù)EcosystemtypeNumberofdataR2Regressionfunction落葉針葉林Deciduousconiferousforest290.524R=0.0373×P+0.593常綠針葉林Evergreenconiferousforest1380.764R=0.0048×P1.197落葉闊葉林Deciduousbroadleafforest600.377R=0.0053×P+0.256常綠闊葉林Evergreenbroadleafforest3250.385R=0.0202×P0.916針闊混交林Mixedbroadleaf-coniferfor-est1450.543R=0.0106×P1.063

2.2 徑流系數(shù)與植被的關(guān)系

在樣本分析結(jié)果中,除了發(fā)現(xiàn)降水量與地表徑流顯著相關(guān)外,還發(fā)現(xiàn)植被覆蓋與徑流系數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)特征。由圖2可知,各森林類型植被覆蓋與徑流系數(shù)呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)性,其中相關(guān)最高的為落葉闊葉林,決定系數(shù)R2達(dá)到了0.56(表2)?；貧w函數(shù)多為冪函數(shù),說明隨著植被覆蓋度的增加,森林的徑流系數(shù)隨之降低。植被覆蓋在一定程度上確定著各森林類型的徑流系數(shù),其作用的解釋力為32%—56%。

2.3 徑流調(diào)節(jié)能力

雖然我國降雨時間分布差異明顯,但降雨主要分配在夏季(雨熱同期),同時該時段也是植被的主要生長時期,所以本文選取4—10月的植被覆蓋度平均值來代表年植被覆蓋度。基于植被覆蓋與徑流系數(shù)的回歸函數(shù)模擬了全國森林徑流調(diào)節(jié)能力。

圖2 徑流系數(shù)與植被覆蓋關(guān)系Fig.2 The relationship between runoff coefficient and vegetation cover

生態(tài)系統(tǒng)類型樣本數(shù)決定系數(shù)回歸函數(shù)EcosystemtypeNumberofdataR2Regressionfunction落葉針葉林Deciduousconiferousforest210.558RC=136717×VC-2.684常綠針葉林Evergreenconiferousforest310.516RC=9074.5×VC-1.9落葉闊葉林Deciduousbroadleafforest150.416RC=2×107×VC-3.697常綠闊葉林Evergreenbroadleafforest1300.533RC=1×1012×VC-6.114針闊混交林Mixedbroadleaf-coniferfor-est480.324RC=37277×VC-2.244

圖3 各類型森林生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)能力對比 Fig.3 Comparative analysis of surface runoff characteristics of different forests

統(tǒng)計(jì)分析各森林類型的徑流系數(shù)和徑流調(diào)節(jié)能力,用均值表示各類型的狀況,對比分析各類型徑流調(diào)節(jié)特征。由圖3可知,我國森林類型徑流系數(shù)的范圍為0.83%—4.58%,徑流調(diào)節(jié)能力在95.42%—99.17%之間。就徑流調(diào)節(jié)能力而言,落葉針葉林流調(diào)節(jié)能力最高,為0.83%；其次為落葉闊葉林,針闊混交林。

3 總結(jié)

本文以森林生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)分析地表徑流與降雨和植被的相關(guān)關(guān)系,得出以下主要結(jié)論：

(1) 各森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流與降雨呈顯著正相關(guān),隨著降水量的加大,森林徑流量主要呈線性和冪函數(shù)式的增加,降水對地表徑流的解釋能力達(dá)到37%—76%。

(2) 徑流系數(shù)與植被覆蓋存在顯著的負(fù)相關(guān)特征,隨著植被覆蓋度的增加,森林徑流系數(shù)主要呈冪函數(shù)式的降低,植被覆蓋對徑流系數(shù)的解釋能力為32%—56%。

(3) 通過對比分析各森林類型徑流調(diào)節(jié)特征,揭示出我國森林徑流調(diào)節(jié)能力：落葉葉針葉林>落葉闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>常綠闊葉林。

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Forest ecosystem surface run-off regulation characteristics in China

GONG Shihan1, 2, XIAO Yang1, 2, FANG Yu1, ZHENG Hua1, XIAO Yi1, OUYANG Zhiyun1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Run-off regulation is an important forest ecosystem service. It is involved in natural processes, such as regional climate circulation, the hydrological cycle, vegetation growth, soil conditions, and other natural processes. It is also an important indicator of regional ecosystem status change. Water resources in China are limited, and precipitation is uneven over time and space. Many researchers have attributed the water conservation loss in China to long-term human interference and widespread conversions of land use and land cover. Previous studies have found that climate conditions, such as drought, severe storms, and temperatureuctuations, are the primary cause of water conservation change. Therefore, the current forest run-off regulation characteristics and their relationships with precipitation, surface run-off, and vegetation need to be investigated if water conservation levels are to improve. To date, many reviews of paired catchment studies have only observed the changes in run-off characteristics over a couple of years. A few studies have used paired catchment results to predict the hydrological responses to permanent vegetation change. A comparison of the long term annual results from regrowth, deforestation, and afforestation experiments have shown that it takes more than 5 years for a catchment to reach a new equilibrium after permanent changes in vegetation have taken place. However, deforestation experiments reach a new equilibrium earlier than afforestation experiments. Paired catchment studies have successfully revealed relationships between the percentage vegetation change and associated hydrological characteristics in relatively small catchments. The relationship between run-off and precipitation becomes significant when seasonal storms and/or rain precipitation are included in the analysis. Previous plot scale studies have also shown that vegetation reduced runoff compared to farmland and grassland ecosystems. At the catchment scale, paired catchment studies have also shown that afforestation further reduces run-off, but the hydrological responses associated with rainfall-runoff processes are very complicated. This investigation used a literature review, statistical regression, and geographic information system analyses to study the run-off characteristics of different forest ecosystems and has developed a run-off regulation regression model for ecosystems at the regional scale. We quantied the run-off regulation characteristics of forest ecosystems in China, and compared the regulation characteristics of different types of ecosystems. Our main conclusions are (1) There is a significant correlation between precipitation and surface run-off in different forest ecosystems, and there is a correlation between vegetation cover and the run-off coefficient. The proposed run-off regulation functions were based on the regression analysis of a large amount of measured data obtained from the literature. (2) The run-off regulation characteristics for forest ecosystems were calculated over 11 years (2000—2010) using vegetation data for China and a statistical regression function. The forest ecosystems had different run-off regulation functions. The run-off regulation capability decreased in the following way: deciduous coniferous forest > mixed deciduous broadleaf forest > mixed broadleaf-conifer forest > evergreen coniferous forest > evergreen broadleaf forest.

surface runoff regulation; forest ecosystem; precipitation; vegetation; runoff coefficient

全國生態(tài)環(huán)境長期跟蹤遙感調(diào)查(KFJ-EW-ZY-004)

2016- 01- 12;

2016- 10- 12

10.5846/stxb201601120081

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

龔詩涵,肖洋,方瑜,鄭華,肖燚,歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流調(diào)節(jié)特征.生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7472- 7478.

Gong S H, Xiao Y, Fang Y, Zheng H, Xiao Y, Ouyang Z Y.Forest ecosystem surface run-off regulation characteristics in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7472- 7478.