喀斯特山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究

李文芳，余春婭，王霄念，劉弋菱

(貴州師范大學(xué)喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001 )

森林生態(tài)系統(tǒng)是指在一定地域環(huán)境內(nèi)生存的生物群落與環(huán)境之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞的統(tǒng)一體[1]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，具有保持水土、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)等多種功能[2]，隨著全球水資源需求量的不斷增加以及水資源環(huán)境的日益惡化，水資源緊缺這一全球性問題已成為世人所關(guān)注的共同性話題[3]，而森林生態(tài)系統(tǒng)有著對降水能進(jìn)行重新分配的重要功能,因此森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能也開始受到人們的廣泛關(guān)注[4]。在現(xiàn)有研究中，眾多學(xué)者從不同區(qū)域、不同尺度出發(fā)，對不同類型森林水源涵養(yǎng)功能的水文過程和形成機(jī)制展開了深入研究[5]。如吳丹等[6]運(yùn)用綜合蓄水能力法估算了四川省石棉縣水源涵養(yǎng)能力及分析了在植被類型和立地差異下森林水源涵養(yǎng)服務(wù)的特性；丁訪軍等[4]運(yùn)用水平衡法和土壤蓄水功能評估了江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其時(shí)空分布格局；劉璐璐等[7]運(yùn)用綜合蓄水能力法對南北盤江進(jìn)行了水源涵養(yǎng)功能評價(jià)。

由于研究者們的研究視角、思想不同，采用的技術(shù)手段各異，以及對森林涵養(yǎng)水源的過程和機(jī)理的理解不同，不同計(jì)量方法之間也存在著各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢和局限性[8]。如綜合蓄水能力法從各個(gè)方面考慮了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量，雖然比較全面，但需要許多實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算起來相對比較復(fù)雜[9]。土壤蓄水法僅考慮了土壤層的最大持水能力，計(jì)算結(jié)果不全面也欠缺精準(zhǔn)性[10]。從研究區(qū)的區(qū)域尺度、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)獲取的難易程度等影響因素考慮[11]，相對而言，降水貯存量法是利用森林的儲(chǔ)水效應(yīng)來估量水源涵養(yǎng)功能，所需數(shù)據(jù)量少，簡單易行[12]，結(jié)果能夠較為客觀地反映本文研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)能力。

黔西南州具有典型的喀斯特生境，而喀斯特地貌裂隙發(fā)育普遍、地質(zhì)結(jié)構(gòu)薄弱，地表水常因低洼處漏斗和落水洞補(bǔ)給成為地下水，地表缺水成為喀斯特地貌的一個(gè)顯著特征。森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)功能能夠有效地調(diào)節(jié)水循環(huán)、改善水質(zhì)、攔截蓄水，因此，研究喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能對于喀斯特山區(qū)涵養(yǎng)水源極為重要。黔西南州作為西部大開發(fā)中生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)治理區(qū)域[13]，區(qū)內(nèi)水土流失和石漠化較為嚴(yán)重,植被覆蓋度遭受人為、自然破壞的程度高。近幾年來，不少學(xué)者以黔西南州土壤質(zhì)量[14]、植被恢復(fù)[15]、石漠化治理[16]、石漠化空間分布[17]等作為研究熱點(diǎn)，但對于該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究鮮見報(bào)道。水是植被恢復(fù)主要限制因素之一[18]，研究該地區(qū)的森林水源涵養(yǎng)功能具有一定理論與現(xiàn)實(shí)意義。文章基于黔西南州2009—2010年特大干旱年背景下[19]，采用降水貯存量法，使用降水量數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)，綜合考慮研究區(qū)自然地理環(huán)境、森林類型及其空間分布差異，分析黔西南州森林水源涵養(yǎng)功能，以期通過本研究能夠?yàn)榭λ固氐貐^(qū)森林水源涵養(yǎng)量的計(jì)算提供方法指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

位于貴州省西南部的黔西南布依族苗族自治州，素有“西南屏障”和“滇黔鎖鑰”之稱，地理位置為東經(jīng)104°35′～106°32′，北緯24°38′～26°11′。首府為興義市，全州轄興義市和普安縣、晴隆縣、興仁縣、貞豐縣、安龍縣、冊亨縣、望謨縣共8個(gè)縣市。土地面積為16 804 km2，人口共計(jì)348萬，有布依族、苗族、漢族、瑤族、仡佬族等35個(gè)民族。全州氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，多年平均氣溫在13.8℃～19.4℃，年平均降水量為1 352.8 mm，熱量充足，雨量充沛，雨熱同期，終年溫暖濕潤。黔西南州屬于珠江水系的南北盤江流域，是典型的低緯度高海拔山區(qū)。州境內(nèi)地形、地貌較為復(fù)雜，整體地勢呈現(xiàn)西高東低、北高南低走向，巖性以灰?guī)r為主，喀斯特地貌面積占全州區(qū)面積的一半以上。州內(nèi)的典型喀斯特景觀——萬峰林是中國西南三大喀斯特地貌之一。黔西南州大部分地區(qū)森林覆蓋率較小，存在石漠化、土壤侵蝕嚴(yán)重、植被破壞等情況，由此衍生出了多種生態(tài)環(huán)境問題。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章以研究黔西南州森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能為出發(fā)點(diǎn)，以降水?dāng)?shù)據(jù)、植被類型數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，分析黔西南8個(gè)縣、市各森林類型的水源涵養(yǎng)能力及空間差異。降水?dāng)?shù)據(jù)是來源于貴州省各個(gè)氣象臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù)，2010年植被類型數(shù)據(jù)是通過高分辨率影像目視解譯得到(圖1)。

2.2 研究方法

利用降水貯存量法對研究區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行公式計(jì)算，即利用森林生態(tài)系統(tǒng)的儲(chǔ)水效應(yīng)來估量其涵養(yǎng)水源的功能[20]，公式如下:

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中Q——與裸地對比，森林等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增長量，mm·hm2/a；A——森林生態(tài)系統(tǒng)面積，hm2；J——研究區(qū)多年平均產(chǎn)流降雨量(P>20 mm),mm；J0——研究區(qū)多年平均降雨總量,mm；K——研究區(qū)產(chǎn)流降雨量占降水總量的比例，取南方區(qū)數(shù)值0.6[21]；R——與裸地比較生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；R0——產(chǎn)流降雨條件下裸地的降雨徑流率；Rg——產(chǎn)流降雨條件下的森林生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

中國主要生態(tài)系統(tǒng)類型的R值[22]，見表1。

圖1 研究區(qū)植被類型

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)R值

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1生態(tài)系統(tǒng)類型及面積

本文以黔西南州為研究區(qū)域，根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)類型分類體系，結(jié)合黔西南州的自然地理環(huán)境等特點(diǎn)，將黔西南州森林生態(tài)系統(tǒng)類型分為9類，包括：常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、灌木園地、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉灌木林、稀疏灌木林、喬木園地。森林生態(tài)系統(tǒng)面積見表2，其中，基于ArcGIS柵格計(jì)算器可得到各生態(tài)系統(tǒng)面積。

表2 黔西南州不同森林生態(tài)系統(tǒng)類型面積統(tǒng)計(jì)

3.1.2年均降水量

根據(jù)貴州省黔西南州及周邊各氣象站點(diǎn)2005—2010年降水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到各站點(diǎn)的多年平均降水量，利用ArcGIS中的克里金插值法，得出黔西南州多年平均降水量分布(圖2)。

圖2 黔西南州多年平均降水量分布

3.1.3水源涵養(yǎng)量

空間模型構(gòu)建運(yùn)算：根據(jù)降水貯存量法公式，可看出生態(tài)系統(tǒng)面積、R值、多年平均降水量值是影響研究區(qū)水源涵養(yǎng)量的主要因素，利用ArcGIS中的空間統(tǒng)計(jì)和柵格計(jì)算器，對公式中所需因子進(jìn)行空間計(jì)算，得出黔西南州2010年水源涵養(yǎng)量分布(圖3)。

圖3 黔西南州水源涵養(yǎng)量分布

3.2 結(jié)果分析

3.2.1森林水源涵養(yǎng)功能空間分布

通過對研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)面積、R值、多年平均降水值的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，分析得出2010年黔西南州森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量為1.89×1010m3，單位面積水源涵養(yǎng)總量為1.98×105m3。

從整體來看(圖3)，黔西南州水源涵養(yǎng)量分布為中間高，四周低；南部高，北部低；西部高、東部低。從各個(gè)區(qū)域來看(表3)，8個(gè)縣、市水源涵養(yǎng)量比例排序?yàn)椋号d義(19.42%)>望謨(18.20%)>冊亨(15.08%)>安龍(14.97%)>興仁(10.37%)>普安(9.42%)>晴隆(7.09%)>貞豐(5.45%)。統(tǒng)計(jì)得出，興義市、望謨縣、冊亨縣、安龍縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量占總量的一半以上，而4個(gè)縣、市森林類型面積共占68%，可見水源涵養(yǎng)量與森林類型面積有著密切聯(lián)系。其中，興義市、冊亨縣有大面積落葉闊葉林，安龍分布有大面積常綠針葉林，望謨有大面積常綠闊葉林，因此，水源涵養(yǎng)功能較高，而貞豐縣、晴隆縣森林類型面積小，水源涵養(yǎng)功能較低。

表3 黔西南州各縣、市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量

3.2.2不同森林類型水源涵養(yǎng)量

由圖4分析得出，面積與水源涵養(yǎng)量成正相關(guān)關(guān)系，相對而言，森林面積越大，水源涵養(yǎng)量越多，水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率越大。黔西南州森林類型主要以落葉闊葉林、常綠針葉林、常綠闊葉灌木林為主，面積占比分別為23.40%、23.79%、27.01%。3種森林類型面積占總面積的74.2%，水源涵養(yǎng)量占森林涵養(yǎng)水源總量的77.41%。其中，常綠針葉林水源涵養(yǎng)量(表4)為54.04×108m3，約占總量的28.60%；其次為常綠闊葉灌木林，為52.83×108m3，水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率(表4)為27.97%；落葉闊葉林低于常綠闊葉灌木林，水源涵養(yǎng)量占水源涵養(yǎng)總量的20.84%，水源涵養(yǎng)量為39.38×108m3；針闊混交林涵養(yǎng)水源量最少，水源涵養(yǎng)總量為1.65×108m3，貢獻(xiàn)率僅為0.87%。森林水源涵養(yǎng)量可排序?yàn)椋撼＞G針葉林>常綠闊葉灌木林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>常綠闊葉林>稀疏灌木林>喬木園地>灌木園地>針闊混交林。

圖4 黔西南州不同森林類型面積占比及水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率

表4 黔西南州不同森林生態(tài)系統(tǒng)類型面積占比、水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率、涵養(yǎng)量

單位面積水源涵養(yǎng)量是評價(jià)森林水源涵養(yǎng)能力高低的表現(xiàn)。因此，就不同森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積水源涵養(yǎng)量來說，如表4，黔西南州針闊混交林涵養(yǎng)水源能力最強(qiáng)，單位面積水源涵養(yǎng)量為3.09×104m3；其次為常綠闊葉林，單位面積水源涵養(yǎng)量為2.90×104m3；常綠針葉林略低于常綠闊葉林，單位面積水源涵養(yǎng)量為2.88×104m3；灌木園地單位面積水源涵養(yǎng)量最低，為1.04×104m3。水源涵養(yǎng)功能排序?yàn)椋横橀熁旖涣?常綠闊葉林>常綠針葉林>常綠闊葉灌木林>落葉闊葉灌木林>落葉闊葉林>稀疏灌木林>喬木園地>灌木園地。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

文章以ArcGIS軟件為平臺(tái)，基于黔西南州降水?dāng)?shù)據(jù)、2010年植被類型數(shù)據(jù)，利用降水貯存量法公式，計(jì)算和分析研究區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)量及其空間分布情況，得出以下結(jié)論。

a)整體來看，黔西南州森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量為1.89×1010m3，單位面積水源涵養(yǎng)總量為1.98×105m3。具體分布情況為中間高、四周低；南部高、北部低；東部高、南部低。黔西南州森林涵養(yǎng)水源量的空間差異與森林類型分布、森林類型面積等因素有關(guān)，水源涵養(yǎng)量高的地區(qū)，森林類型多為常綠針葉林、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉林，且森林覆蓋率較高。

b)局部來看，興義市是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的高值區(qū)，被譽(yù)為“中國綠色生態(tài)城市”的興義具有獨(dú)特的低緯度中海拔、豐富的景觀資源優(yōu)勢，分布有大面積森林類型，涵養(yǎng)水源量最多。望謨縣、冊亨縣次之，貞豐縣最少。從各個(gè)行政區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量來看，森林生態(tài)系統(tǒng)對于水量的保存具有重要作用，應(yīng)該加強(qiáng)對森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

c)研究區(qū)森林類型以常綠闊葉林、常綠闊葉灌木林、常綠針葉林為主。不同森林類型水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率和能力不同，常綠針葉林水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率最高，其次為常綠闊葉灌木林，最低的為針闊混交林，原因是該森林類型分布面積小、R值低等。單位面積水源涵養(yǎng)能力是評價(jià)森林水源涵養(yǎng)能力高低的表現(xiàn)，9種森林類型中，針闊混交林水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)于常綠針葉林，而落葉闊葉林水源涵養(yǎng)能力最低。

4.2 討論

森林作為黔西南州最為豐富的生物資源之一,具有良好的水源涵養(yǎng)能力，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們不合理的開發(fā)利用使得黔西南州植被覆蓋率大大降低，石漠化、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題頻發(fā)，而森林對于黔西南州保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候具有重要作用，有效評估森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能能夠?qū)η髂现萁㈤L效生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供理論前提和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。因此，應(yīng)加強(qiáng)對森林資源的培育保護(hù)，優(yōu)化土地利用空間結(jié)構(gòu)以及制定合理的開發(fā)政策，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文采用降水貯存量法對森林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行估算，算法簡單，數(shù)據(jù)容易獲取，但該方法受降水量影響較大，結(jié)果反映理論涵養(yǎng)量，對于實(shí)際情況今后可結(jié)合不同方法加以計(jì)算。此外，通過目視解譯得到的植被類型受多方面因素影響，導(dǎo)致植被類別存在一定偏差，且過程中沒有考慮到該研究區(qū)的空間演化情況，還有待于進(jìn)一步的研究分析。

最后，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能可能會(huì)因喀斯特地貌的特殊構(gòu)成受到一定影響，今后，可結(jié)合多種算法模型，對不同生態(tài)類型水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行演算以及對巖性和生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的相關(guān)性進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、水土保持、資源開發(fā)的利用和保護(hù)工作提供借鑒。