森林質(zhì)量指數(shù)變化對江西省遂川縣多年降雨徑流的影響1)

周勇 徐童心 楊皓 王柏昌 常猛 莊家堯

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院) (江蘇中煤長江生態(tài)環(huán)境科技有限公司) (南京林業(yè)大學(xué))

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，為人類社會提供了各種物質(zhì)和資源[1]。而森林生態(tài)系統(tǒng)中水文性能是森林一項(xiàng)重要的服務(wù)功能，從水文調(diào)節(jié)過程來講，主要分為5大水文效應(yīng)：林冠截留、樹干流、枯落物、土壤和林地蒸騰蒸發(fā)[2]。森林和水的相互作用關(guān)系一直是林學(xué)、生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，在全球氣候變化和人為劇烈活動的大環(huán)境背景下，河川徑流在時(shí)間和空間上的變化，能夠引起水資源的重新分配，并改變生態(tài)系統(tǒng)的演化過程[3]。森林植被連接著土壤層和大氣層，具有截留降水、減少雨滴擊濺、增加土壤入滲等生態(tài)功能[4]。還能削弱降雨的沖擊力與侵蝕力，很大程度地減小了地表徑流量及徑流速度，減弱了雨水對地表的直接沖擊和侵蝕，使林地表層土壤不會輕易流失[5]。

以往國內(nèi)外學(xué)者多為對森林植和對降雨徑流的影響作用大小的問題研究[6-10]，而森林質(zhì)量變化對徑流變化的研究較少，尤其是中國南方紅壤丘陵區(qū)。一些森林植被對產(chǎn)流的影響研究中沒有考慮森林質(zhì)量的差異，特別是地表覆蓋的差異[11]。因此，為了分析不同時(shí)期森林質(zhì)量水平和趨勢變化規(guī)律，探討徑流趨勢變化及對植被變化的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步分析森林質(zhì)量的變化對徑流產(chǎn)生的影響，本文以遂川縣域1989—2018年的天然降雨、徑流序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用小波分析等方法對石城降雨徑流進(jìn)行研究，結(jié)合遂川縣域1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季6期遙感影像計(jì)算出森林質(zhì)量指數(shù)，建立遂川縣域的降雨-徑流-森林三維空間模型。可為定量監(jiān)測和科學(xué)評價(jià)南方紅壤丘陵區(qū)水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況提供依據(jù)，指導(dǎo)南方紅壤丘陵區(qū)的水土流失綜合治理和水文水資源研究，進(jìn)一步增強(qiáng)森林涵養(yǎng)水源功能價(jià)值評估科學(xué)性，為縣域解決低效林改造問題提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

遂川縣位于江西省吉安市西南部(25°58′32″～26°42′55″N，113°56′55″～114°45′45″E)(圖1)?？偯娣e3 144.17 km2?？傮w地形為山多田少，整體地勢像一個(gè)向東北開口的簸箕，自西南向東北依次分布有中山、低山、丘陵和河谷平原?？h境水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布，遂川江、蜀水是域內(nèi)2大河流，屬贛江一級支流[12]?？h境屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫在11.5 ℃，年平均降水量1 421.2 mm，年平均無霜期284 d。遂川縣屬于南方紅壤丘陵水力侵蝕區(qū)，因?yàn)闅v史原因和自然災(zāi)害，早期的森林資源遭到大面積的消失，造成嚴(yán)重的水土流失，嚴(yán)重的水土流失易造成自然災(zāi)害，如山體滑坡、洪澇等[13]。面對這一嚴(yán)峻的形勢，贛州市委市政府做出戰(zhàn)略決策，從1984年開始在行政區(qū)內(nèi)播種和營造大量的馬尾松(Pinusmassoniana)林。但由于當(dāng)時(shí)各個(gè)下轄縣經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，沒有財(cái)力對營造的馬尾松林進(jìn)行撫育管理[14]，再加上立地條件差等其他客觀原因，導(dǎo)致行政區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大量以馬尾松人工林為主體結(jié)構(gòu)的低效林。

圖1 遂川縣域地理位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1989—2018年的水文數(shù)據(jù)包括徑流實(shí)測數(shù)據(jù)、降雨實(shí)測數(shù)據(jù)等均來自江西省南昌市水文局。本研究中的遙感影像數(shù)據(jù)以Landsat4-5和Landsat8衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源。結(jié)合水文數(shù)據(jù)年份區(qū)間，在中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)下載年份為1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季無云覆蓋的TM影像，其空間分辨率為30m。森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)來源于江西省石城縣林業(yè)局。

2.1 水文數(shù)據(jù)分析

本文采用降雨徑流的豐枯等級變化，該等級變化以距平百分率(P)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為豐、平、枯年，距平百分率P=(某年降雨徑流量-30 a平均降雨徑流量)/30 a平均降雨徑流量，具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)-0.10.1為豐水年；當(dāng)P≤-0.1時(shí)為枯水年[15]。并對遂川縣域降雨徑流數(shù)據(jù)采用線性回歸分析法進(jìn)行線性趨勢分析。

2.2 森林質(zhì)量指數(shù)的判定

通過植被覆蓋度、林冠郁閉度和地表枯落物覆蓋度對森林質(zhì)量等級因子值進(jìn)行判定，進(jìn)而通過等級面積相應(yīng)比例得出森林質(zhì)量指數(shù)。植被覆蓋度通過遙感影像圖提取研究區(qū)域的土地覆蓋分類圖[16-20]，并利用軟件envi5.2計(jì)算；林冠郁閉度和地表枯落物覆蓋度通過森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行判定和劃分。森林質(zhì)量指數(shù)判定如公式(1)所示：

(1)

式中:Si為等級面積，S為研究區(qū)總面積，Qi為森林質(zhì)量等級因子值，β為森林質(zhì)量指數(shù)值。

表1 森林質(zhì)量等級因子值確定范圍

本文對遂川縣域1989、1995、2001、2004、2010和2017年6期遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算，并根據(jù)森林質(zhì)量等級因子值確定范圍表提取得到遂川縣域的森林質(zhì)量等級分布圖，利用軟件ArcGIS快速統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)森林質(zhì)量等級面積分布，計(jì)算出相應(yīng)的森林質(zhì)量指數(shù)，再結(jié)合水文數(shù)據(jù)實(shí)際情況，把1989—2018年每5 a作為一個(gè)觀測階段對各流域徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，綜合統(tǒng)計(jì)遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)、降雨量、徑流模數(shù)、徑流量和徑流系數(shù)等階段變化。并通過線性回歸分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢變化分析。

2.3 小波分析

(2)

2.4 森林?jǐn)r蓄降雨模型建立

森林植被的存在可以攔截部分降雨，其中林冠層和地表枯落物層起到主要的攔截作用。當(dāng)降雨強(qiáng)度一致時(shí)，有植被覆蓋的區(qū)域和無植被覆蓋的區(qū)域會對徑流產(chǎn)生不同的影響，有時(shí)差別很大，本節(jié)基于這一理論出發(fā)，嘗試建立模型定量描述降雨、徑流和森林植被之間的響應(yīng)關(guān)系，探索三者之間的變化規(guī)律，完善森林水文生態(tài)系統(tǒng)理論知識。根據(jù)水量平衡理論，森林植被攔蓄降雨越多，研究區(qū)域產(chǎn)生的徑流越少，森林?jǐn)r蓄降雨能力大小與攔蓄容量有關(guān)，本文森林?jǐn)r蓄降雨模型采用劉昌明院士[28]的森林?jǐn)r蓄降雨極限容量模型：

(3)

(3)式中，Q為徑流深(mm)；P為降雨量(mm)；(1/K)=MIT為森林最大可能攔蓄降雨；劉道平[29]等在MIT=ba+c的假設(shè)基礎(chǔ)上，提出如下模型改進(jìn)：

(4)

森林植被對降水徑流的影響較為復(fù)雜，本文結(jié)合實(shí)際情況，提高模型的精確度，將森林覆蓋率替換為森林質(zhì)量指數(shù)(β)，更為準(zhǔn)確地預(yù)測徑流。

森林植被對降水徑流的影響較為復(fù)雜，在此之前，森林覆蓋對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響研究中沒有考慮森林質(zhì)量的差異，特別是地表覆蓋的差異，而不同地表覆蓋的森林水源涵養(yǎng)及土壤保持功能差異巨大，同時(shí)考慮，劉道平[29]研究選址在浙江省安吉縣，該縣域森林多年變化相對較小，而遂川縣由于戰(zhàn)爭等歷史原因，森林覆蓋率及森林質(zhì)量變化較大，僅考慮森林覆蓋率研究誤差較大，為提高模型的精確度，本次研究采用森林質(zhì)量指數(shù)(β)代替森林覆蓋率進(jìn)行研究，更為準(zhǔn)確地預(yù)測徑流：

(5)

式中：Q為徑流深(mm)；P為降雨量(mm)；β為森林質(zhì)量指數(shù)(%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨徑流年際變化趨勢

對遂川縣域1989—2018年降雨觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)，遂川縣域多年平均年降水量為1 815.0 mm，其中豐水期多年平均降水量為1 281.3 mm，枯水期多年平均降水量為533.6 mm。最大年降水量(2 556.3 mm)為最小年降水量(1 248.8 mm)的2.0倍。遂川縣域豐水年、平水年、枯水年對應(yīng)的年降水量分別為2 159.0、1 824.4、1 496.3 mm。

圖2 遂川縣域降雨量年際分布特征

徑流年際變化分析。遂川縣域1989—2018年徑流數(shù)據(jù)如圖3所示，遂川縣域多年平均徑流量為3.96億m3，年徑流量總體呈緩慢下降趨勢，最小年徑流量為2.75億m3，遂川縣域豐水年、平水年、枯水年對應(yīng)的年均徑流量分別為4.51、4.09、3.21億m3。豐水年年均徑流系數(shù)最高為0.77，之后是枯水年和平水年，年均徑流系數(shù)分別為0.74、0.72，遂川縣域豐水年降水量、徑流量均大于其他特征年份，且產(chǎn)流能力較平水年、枯水年更高。

圖3 遂川縣域年徑流量分布特征

降雨徑流年際響應(yīng)。將遂川縣域多年降雨量與徑流深隨時(shí)間的變化繪制成圖4。表明研究時(shí)段內(nèi)遂川縣域年降水量和年徑流深均呈正相關(guān)關(guān)系，即徑流深隨降雨量的增加而增加，相關(guān)系數(shù)為R2=0.603 5。

圖4 遂川縣域降雨量和徑流深變化分析

3.2 森林質(zhì)量指數(shù)年代變化特征

圖5為各年份森林質(zhì)量指數(shù)計(jì)算結(jié)果，利用軟件ArcGIS快速統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)森林質(zhì)量等級面積分布[30]，變化情況如表2所示，遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)隨年份的增加整體呈上升-下降-上升趨勢。1970至2000年，森林質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。2000至2010年，有所下降。2010年至今，森林質(zhì)量指數(shù)呈顯著上升趨勢。遂川縣域森林質(zhì)量等級在0.50以上的面積比例整體均呈上升趨勢。遂川縣域2017年較1989年森林質(zhì)量指數(shù)在0.50以上的面積比例增加了24.79%，表明高質(zhì)量林分占比越來越高。

表2 遂川縣域森林質(zhì)量等級面積分布

3.3 森林質(zhì)量指數(shù)與徑流關(guān)系分析

表3為遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)、降雨量、徑流模數(shù)、徑流量和徑流系數(shù)等的階段變化，圖6表明遂川縣域豐水期徑流系數(shù)同森林質(zhì)量指數(shù)呈相反的線性變化趨勢。

圖6 遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)與豐水期徑流系數(shù)年代關(guān)系

表3 遂川縣域徑流年代變化特征

3.4 降雨-徑流-森林質(zhì)量指數(shù)模型擬合

圖7為研究區(qū)石城縣域小波變換消噪后的降雨-徑流數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)過降雨徑流降噪數(shù)據(jù)以及森林質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)，在軟件Matlab上使用參數(shù)率定方法，模擬出最優(yōu)結(jié)果值。經(jīng)過篩選最優(yōu)結(jié)果為b=1 361，c=-247.6，R2=0.761 1。因此得到降雨-徑流-森林模型表達(dá)式為：

圖7 遂川縣域小波變換消噪后的降雨-徑流

式中：P為降雨量(mm)；β為森林質(zhì)量指數(shù)(%)；Q為徑流深(mm)。

圖8為遂川縣域模型三維空間圖，分析模型可知徑流深與降水量呈正相關(guān)，與森林質(zhì)量指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)降雨量=2 000 mm，森林質(zhì)量指數(shù)=0.5時(shí)，此時(shí)徑流深為1 571 mm；當(dāng)降雨量=2 000 mm，森林質(zhì)量指數(shù)=1.0時(shí)，此時(shí)徑流深為1 071 mm。森林質(zhì)量指數(shù)從0.5增加到1.0時(shí)，徑流深減少了500 mm。

圖8 遂川縣域三維空間模型

4 結(jié)論與討論

遂川縣域1989—2018年多年平均降雨量1 815.0 mm，豐水期多年平均降雨1 281.3 mm，枯水期多年平均降雨量533.6 mm；多年平均徑流量為3.96億m3，降雨和徑流隨著年際變化表現(xiàn)出緩慢下降趨勢，下降趨勢不明顯，這可能由于全球變暖的大環(huán)境所致，這與王藝璇等[30]研究結(jié)果一致。

遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)隨著解析年份的增加整體呈上升-下降-上升趨勢；遂川縣在20世紀(jì)60～70年代受全國政治形勢的影響，大量砍伐天然林，致使全縣森林資源受到毀滅性破壞，森林質(zhì)量指數(shù)較低；在80年代“消滅荒山”中，大面積采用飛播造林和人工植苗培育了大量的馬尾松和杉木，遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢；2000至2010年，遂川縣由于撫育管理措施不當(dāng)[14]，出現(xiàn)了大面積的針葉純林和低效低產(chǎn)林，要對其進(jìn)行改造，需要大量的投入，也是一個(gè)漫長的過程，森林質(zhì)量指數(shù)在此階段有所下降；從2010年至今，森林培育管理技術(shù)的成熟，生產(chǎn)力的提高，特別是2000年以來，城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建材替代品的出現(xiàn)，燃?xì)獾钠占埃謽I(yè)以往承擔(dān)的材料，燃料功能需求急劇下降，林下植被和枯枝落葉層恢復(fù)顯著，森林質(zhì)量要素中的地表覆蓋率顯著上升，遂川縣域森林質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)顯著上升趨勢。

遂川縣域徑流系數(shù)同森林質(zhì)量指數(shù)呈相反的線性變化，表明森林質(zhì)量提升具有顯著滯洪作用；當(dāng)流域被森林覆蓋以后，由于林冠、樹干、枯落物層對降水的截留作用以及森林土壤的涵養(yǎng)水源作用，可使流域降水得到充分的截留和吸收，地表徑流減少，快速流變?yōu)槁倭?，延遲了流域洪水匯流時(shí)間，也削減了洪峰流量。森林質(zhì)量的提升能加強(qiáng)森林削減洪峰的作用，從而提高流域防洪能力。

通過參數(shù)率定，遂川縣域模型表達(dá)式分別為Q=P-(1 361β-247.6)×(1-exp(-P/(1 361×β-247.6)))，模型精度為：R2=0.7611，其中徑流深與降水量呈正相關(guān)，與森林質(zhì)量指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。隨著森林質(zhì)量指數(shù)的提高，徑流深逐漸降低，表明石城縣域森林質(zhì)量的提升會加強(qiáng)森林涵養(yǎng)水源能力和森林滯洪作用。這與劉道平[29]模型擬合結(jié)果相同，可定量監(jiān)測和科學(xué)評價(jià)南方紅壤丘陵區(qū)水土流失與生態(tài)環(huán)境狀況，從而更好地對縣域水資源變化的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)測。