乌江上游地区森林生态系统水源涵养能力研究

乌江上游地区森林生态系统水源涵养能力研究

1生态系统水源涵养技术研究森林是最具面积的自然生态系统，分布最广泛，结构最复杂，类型最丰富。这是人类生存和发展的重要环境资源之一。在森林生态系统水源涵养服务研究方面,国内外侧重方向有所不同。国内学者对森林生态系统水源涵养的研究相当深入,相关文献十分丰富,不同学者根据各自的理解使用了不同的计算方法。例如,温远光和刘世荣乌江属于长江一级干流,全长1037km,流域面积达8.79×10已往研究在讨论森林生态系统水源涵养功能空间差异时,多仅对不同立地条件下(海拔、坡度、坡向等)的森林水源涵养量进行简单计算和罗列2研究领域的总结研究区位于贵州省毕节地区的东部至中部(104°15′~106°43′E,26°21′~27°35′N),面积达到1.779×103学习方法3.1数据来源及说明本文所用的森林植被数据来源于贵州省毕节地区2010年森林二类调查小班矢量数据,通过由全国二级水资源区图提取的乌江流域边界对其进行裁切得到。该小班数据包括样地坐标、面积、林龄、坡度、坡位、平均胸径、郁闭度、优势树种、土层厚度和土地退化类型等林地信息。由于研究区森林植被类型繁多,优势树种多达60种以上,需要对其进行分类处理。本文按照《中国植被》分类系统,同时结合《国家森林资源连续清查技术规定》,根据各优势树种的数量和分布面积,考虑各树种的生物学和生态学特性,将相似的植物群系合并,最终归并为9大类森林植被类型林地海拔数据使用了毕节地区ASTERGDEMV2数字高程数据,来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(),空间分辨率为30m。该数据经过投影变换和掩膜提取,以满足研究需要。3.2评估方法3.2.1森林水源涵养能力综合评价法根据该区的实际情况和特殊地理位置以及现有资料数据,本文采用综合蓄水能力法对乌江流域森林生态系统的水源涵养功能进行估算。综合蓄水能力法综合考虑了林冠层截留量(CanopyInterception)、枯落物持水量(LitterContainment)和土壤层贮水量(SoilStorage)3个层次综合蓄水能力法的计算公式如式(1)所示。式中:Q为森林涵养水量/m算公式如式(2)所示。式中:R表示单次最大降水量/mm;α(2)枯枝落叶层持水量(LC)。枯枝落叶层是对降水拦蓄的第二作用层,是评价森林生态系统涵养水源功能的重要因素,其大小取决于其结构、分解状况、枯枝落叶积累量以及枯落物的持水能力。其计算公式如式(3)所示。(3)土壤蓄水量(SS)。林地土壤的持水性能是评价森林生态系统涵养水源能力最主要的指标之一,土壤入渗速度的快慢、土壤的孔隙状况以及土层厚度是决定森林土壤水源涵养能力的重要因素。其计算公式如式(4)所示。式中:γ3.2.2统计分析方法为了研究森林生态系统水源涵养能力与海拔和坡度这2个立地条件之间是否存在相关关系以及相关关系的密切程度,运用线性回归法分别对森林水源涵养能力与海拔、坡度进行线性拟合,建立线性方程,并进行相关关系统计和显著性检验,通过相关系数r和显著性水平P值进行判断,具体计算方法参见文献4结果与分析4.1森林生态系统水源保护能力的一般特征分析2010年,毕节地区乌江上游森林生态系统的水源涵养总量为563.05×10(1)逐步递增趋势从水源涵养量上看(图3(a)),研究区表现为由西南和东北向中间逐渐递减趋势,该分布特征与流域海拔高度变化基本一致。其中,研究区西北部六冲河上游以北和南部六冲河中下游以南和三岔河中上游以北地区,水源涵养最为丰富,绝大部分水源涵养量达到20000m(2)森林水源涵养能力分析从水源涵养量上看(表3、图4),研究区不同森林类型的水源涵养量大小依次为:灌丛(38.98%)>温性针叶林(21.05%)>暖性针叶林(18.13%)>常绿落叶阔叶混交林(10.73%)>落叶阔叶林(8.61%)>暖性针阔混交林(1.50%)>常绿阔叶林(0.51%)>经济林(0.46%)>暖性竹林(0.03%)。其中灌丛的水源涵养量最大,达219.47×10从单位面积水源涵养量上看(表3、图4),从大到小依次为:常绿落叶阔叶混交林>暖性竹林>暖性针阔混交林>温性针叶林>经济林>暖性针叶林>落叶阔叶林>灌丛>常绿阔叶林,针叶林水源涵养能力总体高于阔叶林。不同森林类型的单位面积水源涵养量平均达到820.98t/hm4.2山地植被类型的增加乌江上游地区山地海拔高,相对高差大,地势的升高会导致热量与水分的重新分配,使山麓到山顶形成不同的气候、土壤环境,因而不同高度的山地发育不同类型的植被4.2.1单位面积水源涵养量与海为研究乌江流域森林生态系统水源涵养能力随海拔变化的分异特征,将海拔按100m间隔分成22个高程带(小于800m、800~2800m间分20个带以及大于2800m),分别统计各森林类型在不同高程带的面积分布比例和不同高程带林地的单位面积水源涵养量,并对其进行相关分析,结果如图5所示。就各森林类型面积分布比例随海拔变化的分异特征而言(图5(a)),随着海拔升高,森林分布面积比基本呈先升后降的趋势,这与人类居住区的森林山地垂直带性分布相一致;大部分森林植被分布在中低海拔地区,不同林型之间的分布差异明显:针叶林多分布在1200~2000m的中高海拔地区,阔叶林多分布于1100~1600m的中低海拔地区,竹林在900~1000m处分布面积最大,经济林则主要集中在1400~1800m海拔处,而灌丛在海拔1300~2000m高程带内分布多且均匀。随着海拔的升高,单位面积水源涵养量表现出极显著的下降趋势(P<0.01)(图5(b)),海拔平均上升1000m,单位面积水源涵养量相应减少90.56t/hm单位水源涵养量在海拔1000m以下处出现上升、在1000~1300m处出现陡降的原因主要在于海拔900~1000m处集中分布有大面积水源涵养能力较强的暖性竹林,上升至1000m以上后暖性竹林的分布比例迅速下降,形成波峰;虽然常绿阔叶林在海拔1200~1300m有大面积分布,但由于其单位面积水源涵养量低于平均值,因而对林地总体水源涵养能力的响应很小。1300~2100m海拔地区是针叶林和经济林的集中分布区,单位面积水源涵养量均较高。该高程带大部分林型分布比例虽呈缓降趋势,但由于总体分布比例高,且其中暖性针阔混交林(单位水源涵养量最高)面积比趋于上升,因此林地水源涵养能力随海拔高度的增加而缓慢上升。海拔升至2100m后,林地分布比例开始出现明显下降,至2800m以上仅剩极少量温性针叶林,故水源涵养能力也随之急剧下降。总体而言,森林水源涵养能力随海拔升高而出现下降,这与山地垂直带性密切相关。4.2.2森林水源涵养能力与坡度相关关系探讨贵州森林资源规划调查将坡度分为平坡(0~5°)、缓坡(6~15°)、斜坡(16~25°)、陡坡(26~35°)、急坡(36~45°)和险坡(≥46°)6个组别。为研究乌江流域森林生态系统水源涵养能力随坡度变化的分异特征,同时避免坡向变量的干扰,选取光照较为充足的南坡的林地数据进行分析。取各坡度组的中间值来表示该坡度组的平均坡度,分别统计研究区整体和不同森林类型在不同坡度下的单位面积水源涵养量,并与其对应坡度进行相关分析。由表4的回归方程和相关系数可知,随着坡度的增加,研究区森林整体的单位面积水源涵养量表现出显著的下降趋势(P<0.01)(图6(a)),相关系数达0.910,坡度平均每增加1°,单位面积水源涵养量相应减少2.44t/hm4.3水源涵养能力与森林水源面积的关系根据贵州省毕节地区乌江流域2010年森林二类调查小班数据,研究区的土地退化类型可划分为:非退化土地(546.60×10分别对位于不同退化类型土地内的各类森林水源涵养量和林地面积进行统计,二者相除计算得到单位面积水源涵养量,由强到弱依次为(图7):非退化土地(745.35t/hm以非退化土地的水源涵养能力为基准,研究区石漠化土地的水源涵养能力的下降比例较小,表明该地区的石漠化程度相对不严重,应积极采取措施进行修复,避免石漠化程度加剧;同时,应重视沙化土地和荒漠化土地的整治,防止其进一步的扩散。减少退化土地面积,提高森林覆盖率,有利于提高当地的水源涵养能力,改善地区生态环境。5讨论和结论5.1相关研究文献综述森林生态系统的水源涵养能力是林冠层、枯落物层和土壤层水源涵养能力的总和。研究表明,土壤层的水源涵养能力最高,林冠层次之,枯落物层最低,这与石培礼等森林水源涵养能力存在空间差异,主要与自然地理环境的地域分异和人类活动有关。由于存在地带性和山地垂直带性分异,造成不同地区、不同高度带水热组合特征各异,因而形成不同的植被类型、林分结构和土壤类型等本文对海拔和坡度等立地条件对森林水源涵养功能的影响进行定量分析,研究其相关关系及相关性密切程度,这对了解森林水源涵养功能空间分布差异,监测评估地区森林覆盖率变化和健康状况,并对区域水资源的合理开发和利用具有重要意义。此外,由于乌江上游地区生态环境脆弱,土地退化严重,评估乌江上游土地退化造成的森林生态系统水源涵养功能下降的程度,能够帮助政策制订者进一步认识土地退化对当地森林生态系统、水资源可持续利用和生态环境的危害,为制订实施更有针对性、更高效的生态环境恢复和建设政策提供科学依据。本文根据《中国植被》分类系统将研究区植被归并为9个植被亚型(群系组),并采用通过平均处理后的土壤厚度(A+B)作为各森林类型的土壤厚度以计算土壤层蓄水量,因此难免存在归并粗放的问题。通过相关文献收集研究区内植被类型的林冠层截留率、枯落物层单位最大持水量和土壤非毛细孔隙度等蓄水参数,可能出现部分参数与当地的实际情况不符。此外,作为本文的水源涵养量估算方法,综合蓄水能力法虽然较为全面,但因为忽略了森林蒸发散消耗和在较大降雨事件中产生的快速地表径流等因素的影响5.2单位水源涵养量及生物多样性分析(1)2010年,毕节地区乌江上游森林生态系统的水源涵养总量为563.05×10(2)随着林地海拔的升高,森林单位面积水源涵养量表现出极显著的下降趋势(P<0.01),平均海拔上升1000m,单位水源涵养量相应减少90.56t/hm(3)随着坡度的增加,研究区森林整体的单位面积水源涵养量表