南北盘江森林生态系统水源涵养功能评价，本文主要内容关键词为：涵养论文,水源论文,生态系统论文,森林论文,评价论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：S715.7 文献标识码：A 文章编号：1000-0690(2016)04-0603-09 doi：10.13249/j.cnki.sgs.2016.04.015 森林生态系统水源涵养功能是其生态功能的重要组成部分[1]，森林通过林冠、枯落物和土壤对降雨的截留、持存和蓄积作用影响流域水文过程、促进降雨再分配、缓和地表径流、增加土壤径流和地下径流[2]，因此其涵养水源功能实质是植被层、枯枝落叶层和土壤层对降雨进行再分配的复杂过程[3]，主要功能表现在增加可利用水资源、调节径流泥沙、净化水质等方面。自20世纪中叶开始，大量学者对森林水源涵养功能的水文过程和形成机制开展了研究[4-6]，评价了不同区域、不同尺度或不同类型森林生态系统的水源涵养功能[1，6-11]。由于中国地形地貌特征多样，气候条件差异明显，森林类型多种多样，使得中国森林水源涵养功能具有极大的区域分异性[1]，呈现从北向南、从西向东逐渐增大的趋势[6]。 由于不同学者对于水源涵养功能的内涵理解不同，采用的核算方法也多种多样，主要有林冠截留剩余量法[12]、土壤蓄水能力法[13]、综合蓄水能力法[3]、降水量贮存法[14]、水量平衡法[15]、径流系数法[16]等。这些方法都有各自的优势与不足，如林冠截留剩余量法简单、易操作，但忽略林地蒸散发、地表径流的影响；土壤蓄水能力法简单、易操作，但考虑因素少，结果大于实际蓄水量；降水贮存量法原理简单，但需要大量实测数据；水量平衡法较准确，但区域蒸散发量难以准确测定；径流系数法虽参数少，但仅适用于典型小流域，误差大。综合蓄水能力法虽仅考虑拦截蓄水作用，但其考虑了林冠层、枯枝落叶层和土壤层拦蓄降水的综合作用[3]，比较全面，有助于比较分析不同作用层拦蓄降水功能的大小，同时，这种方法计算可反映理论上的最大蓄水量。 西南喀斯特区是中国非常重要的脆弱生态功能区[17]，20世纪以来，该区域森林覆盖率急剧下降、水土流失及石漠化加剧、土壤质量退化且持水性能下降、生态功能严重退化[18，19]。水是喀斯特地区最活跃、最重要的因子之一，同时也是植被恢复的主要限制因素之一[20]，因此研究喀斯特区不同森林生态系统水源涵养功能及其时空分布格局具有十分重要的生态意义。同时，南北盘江流域森林生态系统是珠江上游生态屏障的重要组成部分，是珠江三角洲生产、生活、生态用水和珠江下游“压咸补淡”的重要水源地。然而，因其特殊的喀斯特地貌类型，该流域同样面临水资源缺乏的问题，工程性缺水严重，这使得该流域森林生态系统的水源涵养功能显得尤为重要。因此科学评定南北盘江流域内森林生态系统水源涵养能力，对其保护与管理具有科学指导意义。 选取典型喀斯特区贵州省南北盘江流域森林生态系统为研究对象，以森林资源二类调查数据为基础，根据综合蓄水能力法分析南北盘江流域森林生态系统的水源涵养功能及其时空分布格局，可反映研究区内部水源涵养功能的差异及植被恢复对该地区水源涵养功能的影响，为森林的合理经营与管理提供科学参考，以最大限度地发挥森林生态系统水源涵养等功能，以促进喀斯特地区的水土保持，防止其石漠化加剧。 1 数据与方法 1.1 研究区概况 本文选择贵州省黔西南州及安顺境内的南、北盘江流域作为研究区，总面积为1.99×
。该区地处云贵高原东南边缘山地向广西丘陵过渡的斜坡地带，地势上总体西北高、东南低[21]，属于典型的石灰岩岩溶山地类型。在气候上，属亚热带季风湿润气候，年均气温在12.65～21.25℃之间，年降水量为930.38～1 281.12 mm。 根据第三次森林资源二类调查数据，研究区2010年森林覆盖率为48.89%，面积为9 738.32
(图1)，其中灌木林面积最大，约3 084.72
，阔叶林2 974.77
，针叶林2 097.80
，经济林1 410.96
，混交林160.09
，竹林27.98
。优势树种以杉木(Cunninghamia lanceolata)为主，其次为油桐(Vernicia fordii)等。森林起源以天然林为主，占总面积57.78%，其中纯天然林占比最高。从林龄来看，以幼、中龄林为主。森林土壤以黄壤为主，其次为石灰土、黄棕壤、黄红壤等。
图1 南北盘江流域森林类型空间分布 1.2 数据收集与处理 收集了贵州省黔西南州及安顺市南北盘江流域第三次森林资源二类调查数据，包括样地海拔、坡位、优势树种、起源、林龄、平均胸径、郁闭度、单位蓄积、土层厚度等信息。同时，在查阅大量文献资料的基础上，收集了研究区及附近地区不同类型、不同林龄森林的林冠层截留率、枯枝落叶层最大持水量和土壤非毛管孔隙度等参数(表1)。研究区内有70余种优势树种(组)，依据其面积占比及不同树种属性，将研究区内森林生态系统归纳为9类(表1)。
1.3 研究方法 利用综合蓄水能力法，对研究区内森林生态系统对降水的林冠层截留量(C)、枯落物持水量(L)和土壤层蓄水量(S)进行估算及分析，来评估区域尺度不同类型森林生态系统的水源涵养能力及其时空分布格局。按照综合蓄水能力法，森林生态系统的总水源涵养量(WR)为： WR=C+L+S (1) 1.3.1 林冠层截留降水量(C)
式中，α表示林冠截留率(%)，R表示单次最大降水量(m)，A表示面积(
)，i表示植被类型。文章中单次最大降水量采用黔西南州气象局2008年发布的天气气候年度报告中的监测数据。 1.3.2 枯枝落叶层持水量(L)
式中，β表示枯枝落叶层最大持水量(t/
)，A表示面积(
)，i表示植被类型。 1.3.3 土壤层蓄水量(S)
式中，γ表示土壤非毛管孔隙度(%)，D表示土层厚度(m)，A表示面积(
)，i表示植被类型。本研究所用土层厚度数据来源于第三次森林资源二类调查数据。 2 结果与分析 2.1 不同类型森林生态系统水源涵养能力估算 南北盘江流域森林生态系统总涵养水源能力为6.13×
，单位面积的水源涵养能力为629.85 t/
，其中林冠层截留量为1.52×
，占总量的24.71%；枯枝落叶层持水量为0.10×
，占总量的1.64%；土壤蓄水量为4.52×
，占总量的73.65%，是森林涵养水源的主体。 研究区森林以灌木林和其他阔叶林为主，竹林面积最小。其他阔叶林水源涵养贡献率最大，达到29.97%，其次是灌木林和杉木林，分别为22.45%和17.35%，竹林因面积最小，水源涵养贡献率最低，仅0.17%(图2)。就单位面积水源涵养能力来看，混交林最强，达到851.78 t/
，其次是阔叶林，达833.97 t/
，经济林仅略高于灌木林，达473.61 t/
，竹林与灌木林的水源涵养能力最弱，主要是因为研究区内灌木林土层厚度较薄，平均仅29.09 cm，低于研究区平均土层厚度31.25%，而竹林则是由于其土壤非毛管孔隙度较低(见表1)。 2.2 不同林龄森林生态系统水源涵养功能的差异 根据森林资源二类调查数据，南北盘江流域森林以幼龄林及中龄林为主。幼龄林因其面积上的优势，水源涵养贡献率最高，其次是中龄林，面积贡献率最小的过熟林其水源涵养贡献率最小。就单位面积水源涵养能力来说，研究区森林生态系统过熟林水源涵养能力最大，其次是近熟林，成熟林因单位面积水源涵养能力较低的经济林所占比例较大(达82.38%)，水源涵养能力仅略高于中龄林，幼龄林水源涵养能力最低(表2)。
2.3 南北盘江流域森林水源涵养功能的空间差异 由图3可以看出，研究区东南部森林分布最为密集，单位面积水源涵养能力最强；中部森林分布最为稀疏，且主要分布着水源涵养能力较差的灌木林，水源涵养能力最差；西部森林同样较为稀疏，水源涵养能力居中，但在西南角因密集分布了多种针叶林，其水源涵养能力较高。 为了探讨森林生态系统水源涵养功能的地形差异，本研究分析了地貌、坡位等立地因子对研究区水源涵养功能空间分布的影响。 研究区中山(海拔1 001～3 499 m)森林面积占比达79.75%，低山(海拔100～1 000 m)森林面积仅20.25%。水源涵养功能主要来自中山森林，贡献率达到75.46%，其单位面积水源涵养能力为596.17 t/
；低山区森林水源涵养贡献率达到24.54%，单位面积水源涵养能力为763.46 t/
，主要原因是低山区的土层厚度平均比中山区厚22.33 cm。
图2 不同类型森林生态系统面积贡献率及水源涵养贡献率
图3 森林生态系统水源涵养功能的空间分布 研究区以平地森林和中坡森林为主，两者面积占比达61.73%，面积最小的山谷森林，仅0.76%。平地森林的水源涵养贡献率最高，为31.89%，其次为中坡位森林和上坡位森林，分别为28.85%和20.30%，山谷森林水源涵养贡献率最低，仅0.90%。就单位面积森林水源涵养能力来看，山谷森林(745.28 t/
)＞下坡位森林(669.66 t/
)＞中坡位森林(636.28t/
)＞上坡位森林(628.81t/
)＞平地森林(605.83 t/
)＞山脊森林(598.46t/
)(图4)。由此可见，水源涵养能力随着坡位的上升大致呈现逐渐下降的趋势，主要因为土层厚度随着坡位的上升逐渐降低，同时水源涵养能力较强的树种面积比例随着坡位的升高逐渐降低。
图4 不同坡位森林水源涵养能力 2.4 南北盘江流域森林水源涵养功能的时间变化 本研究按照《贵州省森林资源规划设计调查技术操作细则》中规定的不同林种的龄级及龄组划分标准，基于森林资源二类调查数据中的龄组信息，每隔5a向前推定不同林种不同时期的龄组，结合表1中的参数，在不考虑土层厚度变化的前提下，利用综合蓄水能力法计算了研究区近35 a内的森林覆盖率、水源涵养能力的变化。 1975年，研究区森林覆盖率为15.63%，后经山、水、林、田、路综合治理，封山育林、飞播造林、直播造林等综合措施，1985年森林覆盖率提升到18.77%，1990年上升至23.73%，1995年达到31.05%，自1996年珠江防护林等工程的实施，使得研究区2000年森林覆盖率达到36.43%，“十五”期间，又增加实施了退耕还林、天然林保护等生态工程，使得森林覆盖率迅速上升到45.47%，“十一五”期间，生态工程继续实施，至2010年森林覆盖率上升到48.89%。森林水源涵养能力随时间的大致变化趋势如图5所示，可以看出，研究区近35 a来，森林生态系统水源涵养总能力在持续提升，每年以约1 447.89×
的速度提升，尤其2000-2005年，提升最为明显，单位面积水源涵养量也在持续上升，平均每年以约5.33 t/
的速度稳步提高。
图5 森林生态系统水源涵养能力随时间变化趋势 3 讨论与结论 3.1 讨论 本研究选择综合蓄水能力法对贵州黔西南州及安顺市南北盘江流域森林生态系统的水源涵养功能进行评估，综合考虑了林冠层截留、枯落物持水和土壤蓄水3部分，有助于比较分析不同作用层拦蓄降水功能的大小。由于该区特殊的喀斯特地貌类型，岩石裸露率高，土壤浅薄、土被不连续，平均土层较薄[35，43]，所得土壤蓄水量占水源涵养总量比例相较于其他区域研究成果偏低[35，49，50]。同时由于喀斯特地区土壤瘠薄、蓄水能力差，生物量较低，导致凋落量比非喀斯特地区的植被低[43]，研究区枯枝落叶层持水量仅占总量的1.64%，拦蓄能力较差，然而枯落物层除可降低水流动能、阻延地表径流、抑制地表蒸发、改善土壤性质、防止土壤冲蚀、减少水土流失，起到保持水土和涵养水源的作用[51]外，枯落物层的存在还能有效地抑制土壤水分蒸发，进而提高土壤层的涵养水源能力[52]，因此绝不能忽视它的水文作用。同时，本文分析了不同林龄森林生态系统水源涵养功能，得出过熟林水源涵养能力最高的结论，与以往的“成熟林水源涵养能力最强”结论不一致，因过熟林会出现自然老化现象，林冠层稀疏，凋落物的蓄积量、含水率都显著下降，土壤物理性状退化，从而水源涵养功能下降[53，54]，然而因研究区成熟林中经济林所占比例高达82.38%，而经济林水源涵养能力较低，因此成熟林平均水源涵养能力较低。 因综合蓄水能力法所需大量的实测数据，目前只能通过已发表文献搜集研究区内及周边地区实测数据，所以评价结果准确性不够。同时，在本次估算中，采用单次最大降水的最大截留量，没有考虑不同林地小班上单次最大降水量差异，同时也忽略了森林蒸发散消耗的影响。因此所得结论仅反映理论上研究区内森林生态系统最大的蓄水能力，并不代表实际状态下森林的蓄水量[3]。 3.2 结论 本文以森林资源二类调查数据和文献收集数据为基础，利用综合蓄水能力法估算了南北盘江流域森林生态系统的最大水源涵养能力，并比较分析了不同类型和不同林龄森林生态系统涵养水源功能的差异及其时空分布。结果表明，①研究区内2010年森林生态系统总面积达到9 738.32
，总涵养水源能力可达6.13×
，单位面积水源涵养能力为629.85 t/
，其中，林冠层截留量、枯枝落叶层持水量和土壤蓄水量分别占总量的24.71%、1.64%和73.65%；②不同类型森林来看，其他阔叶林和灌木林水源涵养贡献率最大，分别为29.97%及22.45%，就单位面积水源涵养量来看，混交林＞其他阔叶林＞杉木＞柏木＞栎类＞其他针叶林＞经济林＞灌木林＞竹林；③不同林龄比较，幼龄林的水源涵养贡献率最高，可达45.95%，但其单位面积水源涵养能力最差，过熟林的单位面积水源涵养能力最高；④从空间分布上来看，研究区内森林水源涵养能力呈现东高西低的趋势，水源涵养功能主要来自中山森林，贡献率达到75.46%，其单位面积水源涵养能力略低于低山森林的763.46t/
；⑤就坡位来看，平地和中坡森林水源涵养贡献率最大，但是山谷森林单位面积水源涵养能力最高，山脊森林单位面积涵养水源能力最低；⑥近35 a来，随着生态工程的实施，森林生态系统水源涵养总能力每年以1 447.89×
/a的速度在持续提升，单位面积水源涵养量每年以5.33 t/
的速度稳步提高。 ①贵州省林业调查规划院.贵州省森林资源规划设计调查技术操作细则，2004。
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