烏江上游地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究

烏江上游地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究

1生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)技術(shù)研究森林是最具面積的自然生態(tài)系統(tǒng)，分布最廣泛，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，類型最豐富。這是人類生存和發(fā)展的重要環(huán)境資源之一。在森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)研究方面,國內(nèi)外側(cè)重方向有所不同。國內(nèi)學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的研究相當(dāng)深入,相關(guān)文獻(xiàn)十分豐富,不同學(xué)者根據(jù)各自的理解使用了不同的計算方法。例如,溫遠(yuǎn)光和劉世榮烏江屬于長江一級干流,全長1037km,流域面積達(dá)8.79×10已往研究在討論森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能空間差異時,多僅對不同立地條件下(海拔、坡度、坡向等)的森林水源涵養(yǎng)量進(jìn)行簡單計算和羅列2研究領(lǐng)域的總結(jié)研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)地區(qū)的東部至中部(104°15′~106°43′E,26°21′~27°35′N),面積達(dá)到1.779×103學(xué)習(xí)方法3.1數(shù)據(jù)來源及說明本文所用的森林植被數(shù)據(jù)來源于貴州省畢節(jié)地區(qū)2010年森林二類調(diào)查小班矢量數(shù)據(jù),通過由全國二級水資源區(qū)圖提取的烏江流域邊界對其進(jìn)行裁切得到。該小班數(shù)據(jù)包括樣地坐標(biāo)、面積、林齡、坡度、坡位、平均胸徑、郁閉度、優(yōu)勢樹種、土層厚度和土地退化類型等林地信息。由于研究區(qū)森林植被類型繁多,優(yōu)勢樹種多達(dá)60種以上,需要對其進(jìn)行分類處理。本文按照《中國植被》分類系統(tǒng),同時結(jié)合《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》,根據(jù)各優(yōu)勢樹種的數(shù)量和分布面積,考慮各樹種的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性,將相似的植物群系合并,最終歸并為9大類森林植被類型林地海拔數(shù)據(jù)使用了畢節(jié)地區(qū)ASTERGDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù),來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(),空間分辨率為30m。該數(shù)據(jù)經(jīng)過投影變換和掩膜提取,以滿足研究需要。3.2評估方法3.2.1森林水源涵養(yǎng)能力綜合評價法根據(jù)該區(qū)的實際情況和特殊地理位置以及現(xiàn)有資料數(shù)據(jù),本文采用綜合蓄水能力法對烏江流域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行估算。綜合蓄水能力法綜合考慮了林冠層截留量(CanopyInterception)、枯落物持水量(LitterContainment)和土壤層貯水量(SoilStorage)3個層次綜合蓄水能力法的計算公式如式(1)所示。式中:Q為森林涵養(yǎng)水量/m算公式如式(2)所示。式中:R表示單次最大降水量/mm;α(2)枯枝落葉層持水量(LC)?？葜β淙~層是對降水?dāng)r蓄的第二作用層,是評價森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能的重要因素,其大小取決于其結(jié)構(gòu)、分解狀況、枯枝落葉積累量以及枯落物的持水能力。其計算公式如式(3)所示。(3)土壤蓄水量(SS)。林地土壤的持水性能是評價森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力最主要的指標(biāo)之一,土壤入滲速度的快慢、土壤的孔隙狀況以及土層厚度是決定森林土壤水源涵養(yǎng)能力的重要因素。其計算公式如式(4)所示。式中:γ3.2.2統(tǒng)計分析方法為了研究森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力與海拔和坡度這2個立地條件之間是否存在相關(guān)關(guān)系以及相關(guān)關(guān)系的密切程度,運(yùn)用線性回歸法分別對森林水源涵養(yǎng)能力與海拔、坡度進(jìn)行線性擬合,建立線性方程,并進(jìn)行相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計和顯著性檢驗,通過相關(guān)系數(shù)r和顯著性水平P值進(jìn)行判斷,具體計算方法參見文獻(xiàn)4結(jié)果與分析4.1森林生態(tài)系統(tǒng)水源保護(hù)能力的一般特征分析2010年,畢節(jié)地區(qū)烏江上游森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)總量為563.05×10(1)逐步遞增趨勢從水源涵養(yǎng)量上看(圖3(a)),研究區(qū)表現(xiàn)為由西南和東北向中間逐漸遞減趨勢,該分布特征與流域海拔高度變化基本一致。其中,研究區(qū)西北部六沖河上游以北和南部六沖河中下游以南和三岔河中上游以北地區(qū),水源涵養(yǎng)最為豐富,絕大部分水源涵養(yǎng)量達(dá)到20000m(2)森林水源涵養(yǎng)能力分析從水源涵養(yǎng)量上看(表3、圖4),研究區(qū)不同森林類型的水源涵養(yǎng)量大小依次為:灌叢(38.98%)>溫性針葉林(21.05%)>暖性針葉林(18.13%)>常綠落葉闊葉混交林(10.73%)>落葉闊葉林(8.61%)>暖性針闊混交林(1.50%)>常綠闊葉林(0.51%)>經(jīng)濟(jì)林(0.46%)>暖性竹林(0.03%)。其中灌叢的水源涵養(yǎng)量最大,達(dá)219.47×10從單位面積水源涵養(yǎng)量上看(表3、圖4),從大到小依次為:常綠落葉闊葉混交林>暖性竹林>暖性針闊混交林>溫性針葉林>經(jīng)濟(jì)林>暖性針葉林>落葉闊葉林>灌叢>常綠闊葉林,針葉林水源涵養(yǎng)能力總體高于闊葉林。不同森林類型的單位面積水源涵養(yǎng)量平均達(dá)到820.98t/hm4.2山地植被類型的增加烏江上游地區(qū)山地海拔高,相對高差大,地勢的升高會導(dǎo)致熱量與水分的重新分配,使山麓到山頂形成不同的氣候、土壤環(huán)境,因而不同高度的山地發(fā)育不同類型的植被4.2.1單位面積水源涵養(yǎng)量與海為研究烏江流域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力隨海拔變化的分異特征,將海拔按100m間隔分成22個高程帶(小于800m、800~2800m間分20個帶以及大于2800m),分別統(tǒng)計各森林類型在不同高程帶的面積分布比例和不同高程帶林地的單位面積水源涵養(yǎng)量,并對其進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果如圖5所示。就各森林類型面積分布比例隨海拔變化的分異特征而言(圖5(a)),隨著海拔升高,森林分布面積比基本呈先升后降的趨勢,這與人類居住區(qū)的森林山地垂直帶性分布相一致;大部分森林植被分布在中低海拔地區(qū),不同林型之間的分布差異明顯:針葉林多分布在1200~2000m的中高海拔地區(qū),闊葉林多分布于1100~1600m的中低海拔地區(qū),竹林在900~1000m處分布面積最大,經(jīng)濟(jì)林則主要集中在1400~1800m海拔處,而灌叢在海拔1300~2000m高程帶內(nèi)分布多且均勻。隨著海拔的升高,單位面積水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)出極顯著的下降趨勢(P<0.01)(圖5(b)),海拔平均上升1000m,單位面積水源涵養(yǎng)量相應(yīng)減少90.56t/hm單位水源涵養(yǎng)量在海拔1000m以下處出現(xiàn)上升、在1000~1300m處出現(xiàn)陡降的原因主要在于海拔900~1000m處集中分布有大面積水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的暖性竹林,上升至1000m以上后暖性竹林的分布比例迅速下降,形成波峰;雖然常綠闊葉林在海拔1200~1300m有大面積分布,但由于其單位面積水源涵養(yǎng)量低于平均值,因而對林地總體水源涵養(yǎng)能力的響應(yīng)很小。1300~2100m海拔地區(qū)是針葉林和經(jīng)濟(jì)林的集中分布區(qū),單位面積水源涵養(yǎng)量均較高。該高程帶大部分林型分布比例雖呈緩降趨勢,但由于總體分布比例高,且其中暖性針闊混交林(單位水源涵養(yǎng)量最高)面積比趨于上升,因此林地水源涵養(yǎng)能力隨海拔高度的增加而緩慢上升。海拔升至2100m后,林地分布比例開始出現(xiàn)明顯下降,至2800m以上僅剩極少量溫性針葉林,故水源涵養(yǎng)能力也隨之急劇下降?？傮w而言,森林水源涵養(yǎng)能力隨海拔升高而出現(xiàn)下降,這與山地垂直帶性密切相關(guān)。4.2.2森林水源涵養(yǎng)能力與坡度相關(guān)關(guān)系探討貴州森林資源規(guī)劃調(diào)查將坡度分為平坡(0~5°)、緩坡(6~15°)、斜坡(16~25°)、陡坡(26~35°)、急坡(36~45°)和險坡(≥46°)6個組別。為研究烏江流域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力隨坡度變化的分異特征,同時避免坡向變量的干擾,選取光照較為充足的南坡的林地數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。取各坡度組的中間值來表示該坡度組的平均坡度,分別統(tǒng)計研究區(qū)整體和不同森林類型在不同坡度下的單位面積水源涵養(yǎng)量,并與其對應(yīng)坡度進(jìn)行相關(guān)分析。由表4的回歸方程和相關(guān)系數(shù)可知,隨著坡度的增加,研究區(qū)森林整體的單位面積水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)出顯著的下降趨勢(P<0.01)(圖6(a)),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.910,坡度平均每增加1°,單位面積水源涵養(yǎng)量相應(yīng)減少2.44t/hm4.3水源涵養(yǎng)能力與森林水源面積的關(guān)系根據(jù)貴州省畢節(jié)地區(qū)烏江流域2010年森林二類調(diào)查小班數(shù)據(jù),研究區(qū)的土地退化類型可劃分為:非退化土地(546.60×10分別對位于不同退化類型土地內(nèi)的各類森林水源涵養(yǎng)量和林地面積進(jìn)行統(tǒng)計,二者相除計算得到單位面積水源涵養(yǎng)量,由強(qiáng)到弱依次為(圖7):非退化土地(745.35t/hm以非退化土地的水源涵養(yǎng)能力為基準(zhǔn),研究區(qū)石漠化土地的水源涵養(yǎng)能力的下降比例較小,表明該地區(qū)的石漠化程度相對不嚴(yán)重,應(yīng)積極采取措施進(jìn)行修復(fù),避免石漠化程度加劇;同時,應(yīng)重視沙化土地和荒漠化土地的整治,防止其進(jìn)一步的擴(kuò)散。減少退化土地面積,提高森林覆蓋率,有利于提高當(dāng)?shù)氐乃春B(yǎng)能力,改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境。5討論和結(jié)論5.1相關(guān)研究文獻(xiàn)綜述森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力是林冠層、枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)能力的總和。研究表明,土壤層的水源涵養(yǎng)能力最高,林冠層次之,枯落物層最低,這與石培禮等森林水源涵養(yǎng)能力存在空間差異,主要與自然地理環(huán)境的地域分異和人類活動有關(guān)。由于存在地帶性和山地垂直帶性分異,造成不同地區(qū)、不同高度帶水熱組合特征各異,因而形成不同的植被類型、林分結(jié)構(gòu)和土壤類型等本文對海拔和坡度等立地條件對森林水源涵養(yǎng)功能的影響進(jìn)行定量分析,研究其相關(guān)關(guān)系及相關(guān)性密切程度,這對了解森林水源涵養(yǎng)功能空間分布差異,監(jiān)測評估地區(qū)森林覆蓋率變化和健康狀況,并對區(qū)域水資源的合理開發(fā)和利用具有重要意義。此外,由于烏江上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,土地退化嚴(yán)重,評估烏江上游土地退化造成的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能下降的程度,能夠幫助政策制訂者進(jìn)一步認(rèn)識土地退化對當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)系統(tǒng)、水資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的危害,為制訂實施更有針對性、更高效的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和建設(shè)政策提供科學(xué)依據(jù)。本文根據(jù)《中國植被》分類系統(tǒng)將研究區(qū)植被歸并為9個植被亞型(群系組),并采用通過平均處理后的土壤厚度(A+B)作為各森林類型的土壤厚度以計算土壤層蓄水量,因此難免存在歸并粗放的問題。通過相關(guān)文獻(xiàn)收集研究區(qū)內(nèi)植被類型的林冠層截留率、枯落物層單位最大持水量和土壤非毛細(xì)孔隙度等蓄水參數(shù),可能出現(xiàn)部分參數(shù)與當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況不符。此外,作為本文的水源涵養(yǎng)量估算方法,綜合蓄水能力法雖然較為全面,但因為忽略了森林蒸發(fā)散消耗和在較大降雨事件中產(chǎn)生的快速地表徑流等因素的影響5.2單位水源涵養(yǎng)量及生物多樣性分析(1)2010年,畢節(jié)地區(qū)烏江上游森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)總量為563.05×10(2)隨著林地海拔的升高,森林單位面積水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)出極顯著的下降趨勢(P<0.01),平均海拔上升1000m,單位水源涵養(yǎng)量相應(yīng)減少90.56t/hm(3)隨著坡度的增加,研究區(qū)森林整體的單位面積水源涵養(yǎng)量表