閩江流域生態(tài)公益林林型對水源涵養(yǎng)的影響

賴日文，劉 健,2，汪 琴，葉 偉

(1 福建農(nóng)林大學(xué) a 林學(xué)院，b 3S技術(shù)應(yīng)用研究所，福建 福州 350002；2 三明學(xué)院，福建 三明365000)

林型即森林類型，為森林群落的分類單位，是按照群落的內(nèi)部特性、外部特征及其動態(tài)規(guī)律所劃分的同質(zhì)森林地段。劃分林型的目的是為森林調(diào)查、造林、經(jīng)營和規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，從而對不同的類型采取與之相適應(yīng)的營林措施[1]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、水土保持、防風(fēng)固沙、改良土壤、減少污染、美化環(huán)境、抵御自然災(zāi)害、保持生物多樣性、維系生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2]，其具有的水土保持和涵養(yǎng)水源功能，對于改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用[3-4]。森林涵養(yǎng)水源，通常是指森林生態(tài)系統(tǒng)對降水的攔截和滯蓄，其功能主要表現(xiàn)在蓄水、調(diào)節(jié)徑流、森林削洪抗旱和凈化水質(zhì)等幾個方面[5]。目前，關(guān)于林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源功能的研究，多集中在對定位觀測結(jié)果的對比分析上，研究的具體方法主要是對森林涵養(yǎng)水源各組成要素進(jìn)行定位觀測；數(shù)學(xué)方法則主要運用統(tǒng)計學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、層次分析法等，將灰色關(guān)聯(lián)分析法[6]應(yīng)用到林型結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系研究[7-8]的并不多見。

本研究以閩江流域為研究對象，借助遙感(Remote sensing,RS)和地理信息系統(tǒng)(Geographic information system,GIS)技術(shù)，在遙感影像圖處理、森林資源信息提取的基礎(chǔ)上，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過研究流域內(nèi)降雨量和徑流量2個森林水量平衡的“入口”與“出口”，分析不同林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源功能之間的相關(guān)關(guān)系，以期在減少定位觀測工作量的基礎(chǔ)上，為合理調(diào)整閩江流域內(nèi)生態(tài)公益林林型結(jié)構(gòu)布局，充分發(fā)揮公益林的水源涵養(yǎng)功能提供參考。

1 研究區(qū)概況

閩江流域位于我國東南部，發(fā)源于武夷山脈，在南平以上有建溪、富屯溪和沙溪三大支流，在南平以下有納尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流，最后流經(jīng)福州、長樂出海。閩江是福建省最大的河流，河長577 km，河道平均坡降為0.5‰，總流域面積為 6 099 200 hm2，約占福建省總面積的1/2，被福建人民稱作“母親河”。根據(jù)全流域近500個雨量站的實測資料計算，全流域多年平均年降水總量1 043億m3，折算平均年降水深1 710 mm。隨著流域地勢高程從西北向東南方向遞延，年降雨量也隨之遞減，閩江下游地區(qū)則為低雨區(qū)。全流域降水在年內(nèi)分配比較集中，汛期(4-9月)降雨量占年降雨量的70%～80%。全流域河川年徑流量586億m3，其中由地下水補(bǔ)給的徑流量為162億m3，分別占全流域降水總量的56.1%和15.5%。閩江流域徑流深(即每公頃徑流量)在武夷山主峰附近的多年平均值達(dá)2 000 mm，為全流域最大值，在武夷山脈形成了閩北徑流豐水帶，隨著山地高程遞減，徑流深也隨之降低，至沿海地區(qū)只有600 mm左右[9]。

2 資料的收集與處理

2.1 資料來源

本研究主要采用的衛(wèi)星遙感影像有：2012-03-05環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座A、B星(HJ-1A/B)CCD影像數(shù)據(jù)6景，軌道號分別為451-84、452-84、452-88、448-84、450-84和449-88。此外，還收集了《福建省農(nóng)業(yè)地圖集》、福建省氣象臺站近30年降雨量數(shù)據(jù)、閩江流域1∶250 000行政邊界矢量(Shapefile,SHP)、福建省1∶250 000行政邊界矢量和福建省第7次(2008年)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)庫續(xù)檔材料。

本研究采用的主要軟件有ERDAS 9.2遙感影像處理軟件、ArcGIS 10.0地理信息系統(tǒng)軟件和DPS v7.05統(tǒng)計軟件等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 徑流量和降雨量柵格數(shù)據(jù)庫的建立 利用《福建省農(nóng)業(yè)地圖集》收錄的福建地表水資源多年徑流深圖，運用ArcGIS 10.0軟件，在福建省1∶250 000行政邊界矢量圖層上，將徑流深線用點進(jìn)行繪制，并將各點賦予相應(yīng)的徑流深值；福建省多年平均降雨量的點圖由福建省近30年各臺站平均降雨量獲得。

在ArcGIS 10.0軟件中，采用反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted,IDW)插值法分別對徑流深和降雨量的點圖進(jìn)行內(nèi)插處理，獲取福建省多年平均徑流深圖和年降雨量圖，以30 m×30 m(與遙感影像空間分辨率一致)柵格數(shù)據(jù)格式輸出。再將閩江流域范圍SHP圖層借助遙感圖像處理軟件轉(zhuǎn)換成感興趣區(qū)(Area of Interesting,AOI)，裁剪得到閩江流域多年平均徑流深分布圖(圖1)和多年平均降雨量分布圖(圖2)。

圖1 閩江流域多年平均徑流深的分布

將閩江流域內(nèi)各縣市行政范圍SHP圖層轉(zhuǎn)換成AOI，裁剪圖1和圖2統(tǒng)計得到流域內(nèi)各縣市的徑流深和降雨量值。由于所得到的各縣市平均徑流深和降雨量柵格的灰度值分布不均勻，可以通過加權(quán)平均計算獲得各縣市的平均徑流深和降雨量值。

(1)

式中：P為區(qū)域徑流深或降雨量平均值，pi為第i個柵格徑流深或降雨量值(mm)，ai為第i個徑流深或降雨量值所代表的面積(hm2)，A代表流域內(nèi)各縣市的面積。統(tǒng)計所得閩江流域各縣市多年平均徑流量和年降雨量的值見表1。

表1 閩江流域各縣市多年平均徑流量和年降雨量的統(tǒng)計結(jié)果

2.2.2 遙感影像處理及林型信息 對收集的HJ-1A/B CCD遙感影像經(jīng)過輻射標(biāo)定、大氣校正、幾何校正、直方圖匹配、灰度調(diào)節(jié)、鑲嵌及云去除等處理，將閩江流域SHP電子圖層轉(zhuǎn)換為AOI格式，實現(xiàn)閩江流域范圍HJ-1影像CCD數(shù)據(jù)4個波段的影像剪裁。在此基礎(chǔ)上，采用監(jiān)督分類、分層分類結(jié)合專家知識分類方法[10-12]，實現(xiàn)對閩江流域森林資源信息的提取，利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)庫續(xù)檔資料對其進(jìn)行精度驗證，總體精度為81.8%。然后通過已有的閩江流域生態(tài)公益林掩膜圖，裁剪出閩江流域生態(tài)公益林的森林資源分布圖(圖3)。用閩江流域內(nèi)30個縣市的AOI，可以裁剪出各個縣市的森林資源專題圖，并從圖中提取各縣市的林型和各林型面積，結(jié)果見表2。

圖3 閩江流域生態(tài)公益林資源的分布

林型通常按有林地的林種劃分，但考慮到遙感影像解譯的可操作性，以及用材林、薪炭林、防護(hù)林和特種用途林等林分是由杉木、馬尾松、闊葉樹等樹種組成，形成了杉木林、馬尾松林、闊葉林和針闊混交林，同時在閩江流域內(nèi)分布有福建省的廣布植物毛竹林，并且還具有相當(dāng)面積的經(jīng)濟(jì)林，因此本研究將林型劃分為杉木林、馬尾松林、闊葉林、針闊混交林、竹林和經(jīng)濟(jì)林6種。

2.2.3 林型與降雨量和徑流量的灰色關(guān)聯(lián)分析 本研究嘗試?yán)没疑P(guān)聯(lián)分析法研究林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源的關(guān)系，主要有以下步驟：

1)確定母序列。通過研究流域降雨量和流域出流徑流量兩個森林水量平衡的“入口”與“出口”，分析不同林型結(jié)構(gòu)與森林水源涵養(yǎng)功能之間的相關(guān)關(guān)系。所以確定母序列為2個因素，即年徑流量Y1與年降雨量Y2，記為{Yi}={Y1,Y2}，具體見表2。

2)確定子序列。閩江流域林型劃分為闊葉林X1、杉木林X2、馬尾松林X3、針闊混交林X4、竹林X5、經(jīng)濟(jì)林X6等6種，所以確定子序列為6個因素，記為{Xi}={X1,X2,X3,X4,X5,X6}，具體見表2。

3)無量綱化處理。由于降雨量、徑流量和林型面積等數(shù)據(jù)的單位不一致，因此需對所有因子進(jìn)行無量綱化處理。本研究采用初值化變換，其計算公式為：

(2)

式中：Xij′(i=1,2,…,n;j′=1,2,…,m)為初值化的指標(biāo)值，Xij(i=1,2,…，n；j=1，2，…,m)為原始指標(biāo)值，Xi1為每行的第1個值。變換結(jié)果見表2。

表2 閩江流域各縣市不同林型的面積及年徑流量、年降雨量和林型面積的初值化變換結(jié)果

續(xù)表2 Continued table 2

4) 求關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)矩陣。

關(guān)聯(lián)系數(shù)L0i(K)的計算公式為：

(3)

式中：Δmax和Δmin分別表示所有比較序列各個時刻絕對差中的最大值與最小值，因為比較序列相交，故取Δmin=0；ρ為分辨系數(shù)，取0.3；|X0(K)-Xi(K)|表示K時刻2個比較序列的絕對差。

關(guān)聯(lián)度的計算公式為：

(4)

式中：r0i為子序列i與母序列0的關(guān)聯(lián)度；N為比較序列的長度，即數(shù)據(jù)個數(shù)。

關(guān)聯(lián)矩陣的計算結(jié)果見表3。

3 結(jié)果與分析

3.1 林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源的關(guān)系

3.1.1 閩江流域林型結(jié)構(gòu)與降雨量和徑流量的關(guān)系 從表3可以看出，闊葉林(X1)、杉木林(X2)、針闊混交林(X4)3個因子與年徑流量(Y1)的關(guān)聯(lián)度較大，表明這3個因子對年徑流量(Y1)的影響作用相對較強(qiáng)，而馬尾松林(X3)、竹林(X5)、經(jīng)濟(jì)林(X6)3個因子對年徑流量的影響作用較弱。杉木林(X2)、馬尾松林(X3)、針闊混交林(X4)、竹林(X5)、經(jīng)濟(jì)林(X6)5個因子與年降雨量(Y2)的關(guān)聯(lián)度都較大，表明閩江流域的不同林型對年降雨量的分配均發(fā)揮了重要作用，其中馬尾松林(X3)、竹林(X5)、經(jīng)濟(jì)林(X6)3個因子與年降雨量的關(guān)聯(lián)度均在0.78以上。說明不同林型結(jié)構(gòu)對年徑流量的影響作用有明顯差異，但對年降雨量均有較強(qiáng)的影響。其中闊葉林(X1)、針闊混交林(X4)、杉木林(X2)3種林型與年徑流量的關(guān)聯(lián)度較大，而與年降雨量間的關(guān)聯(lián)度較小，表明研究區(qū)域內(nèi)的闊葉林、針闊混交林、杉木林3種林型對森林涵養(yǎng)水源的影響作用強(qiáng)于馬尾松林、經(jīng)濟(jì)林和竹林。

表3 閩江流域年徑流量和年降雨量與林型的關(guān)聯(lián)矩陣

3.1.2 閩江流域各縣市林型結(jié)構(gòu)與徑流量的關(guān)系 由于不同林型對年降雨量的分配都具有重要的作用，而不同林型對年徑流量的影響作用具有較明顯的差異，故單獨將林型與年徑流量進(jìn)行比較分析。對于森林水源涵養(yǎng)來說，一般是每公頃徑流量(即徑流深)越小，其所對應(yīng)的林型比例越有利于水源涵養(yǎng)。以閩江流域各縣市徑流深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用DPS v7.05統(tǒng)計軟件的聚類功能，按徑流深對各縣市進(jìn)行動態(tài)聚類，結(jié)果分成4類，具體見表4。

表4 閩江流域各縣市生態(tài)公益林涵養(yǎng)水源能力的聚類結(jié)果

3.2 閩江流域各縣市林型結(jié)構(gòu)及其經(jīng)營策略

通過對表2中不同林型面積分析，可知閩江流域生態(tài)公益林中闊葉林、針闊混交林、杉木林3種林型面積與馬尾松林、竹林和經(jīng)濟(jì)林3種林型面積的比值約為6∶4，總體來說閩江流域生態(tài)公益林涵養(yǎng)水源能力較好。

由表4可知，長樂市、大田縣、閩清縣、三明市、沙縣、延平區(qū)、尤溪縣生態(tài)公益林涵養(yǎng)水源能力較強(qiáng)，這些縣市主要位于閩江流域的中部，林型結(jié)構(gòu)中闊葉林、杉木林和針闊混交林占有林地面積的比例分別約為20%，18%和26%，馬尾松林、竹林和經(jīng)濟(jì)林面積共計約占有林地面積的36%。在這類區(qū)域中，長樂市、沙縣的闊葉林初值化值低于平均水平，尤其是長樂市需要對闊葉林加強(qiáng)營造和保護(hù)；閩清的闊葉林、杉木林、針闊混交林的初值化值都較高，其涵養(yǎng)水源能力最強(qiáng)，需要繼續(xù)合理經(jīng)營管理。

由表4可見，福州市、將樂縣、建甌市、明溪縣、閩侯縣、清流縣、順昌縣、松溪縣、永安市、永泰縣、德化縣、古田縣、建寧縣、建陽市、連城縣、寧化縣、浦城縣、邵武市、泰寧縣、仙游縣和政和縣生態(tài)公益林的涵養(yǎng)水源能力屬于2、3類，這些縣市基本位于閩江流域的東、西和南部，闊葉林、杉木林和針闊混交林占有林地面積的比例分別約為16%，19%和20%，馬尾松林、竹林和經(jīng)濟(jì)林面積共計約占有林地面積的45%。2類區(qū)域?qū)儆诟＝ㄊ∩寄局行漠a(chǎn)區(qū)，公益林中杉木林的比例較高，可對將樂縣、明溪縣、清流縣、順昌縣、永安市的杉木林進(jìn)行一定程度的擇伐，而福州市、閩侯縣、順昌縣、松溪縣的闊葉林需加強(qiáng)營造和保護(hù)，還需加強(qiáng)對福州市、閩侯縣、松溪縣、永泰縣針闊混交林的營造和保護(hù)。3類區(qū)域?qū)儆陂}江流域的高海拔區(qū)，公益林中杉木林占有更高比例，大部分縣市需要對闊葉林及針闊混交林加強(qiáng)營造和有效保護(hù)，對建陽市、寧化縣、浦城縣、政和縣的杉木林可以進(jìn)行適度的擇伐作業(yè)。

光澤縣和武夷山市屬于4類區(qū)域，這2個縣市生態(tài)公益林涵養(yǎng)水源的能力最弱，闊葉林占有林地面積的比例平均為26%，杉木林占17%，針闊混交林占19%，馬尾松林、竹林和經(jīng)濟(jì)林面積總和約占38%。光澤縣和武夷山市位于閩江流域最北部，屬高海拔地區(qū)，雖然闊葉林所占比例較高，但多數(shù)為高山矮灌類型，加上區(qū)域氣溫較低，林木生長季節(jié)較短，生長量相對較低，持水能力較弱，因此在這個區(qū)域需要加強(qiáng)對闊葉林及針闊混交林的營造和保護(hù)。

3.3 閩江流域各林型的涵養(yǎng)水源能力

闊葉林水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)[13]，這是因為闊葉林林分枝葉稠密、葉面相對粗糙，葉片斜向上、葉質(zhì)堅挺，能截持較多的水分，且葉片含水量低，吸持水分的空間較大，因而林分的持水率很高。另外，闊葉林下有一層較厚的枯枝落葉層，具有保護(hù)土壤免受雨滴沖擊和增加土壤腐殖質(zhì)及有機(jī)質(zhì)的作用，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，減緩地表徑流速度，從而增加土壤層蓄水、滯洪能力。

針闊混交林也具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能。這是由于針闊混交林具有多層復(fù)合林冠結(jié)構(gòu)，并且林下植被種類多樣，植被層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增強(qiáng)了森林對降雨的調(diào)節(jié)功能；另外，由于不易分解的針葉落葉的存在，使成分復(fù)雜的枯枝落葉層既能有效地緩沖和蓄存降雨，又可以保持土壤水分、濕度及溫度，促進(jìn)微生物分解活動，使土壤結(jié)構(gòu)得到改善[14]，增強(qiáng)了土壤的蓄水能力。

由于閩江流域是福建省的杉木中心產(chǎn)區(qū)，且杉木中幼林所占比例較大，林分葉片較小，單個林木的葉片數(shù)量多、表面積大，可吸附更多的水滴；另外，杉木枝條和側(cè)枝呈斜向上著生方式，葉螺旋狀(有時二列狀)排列于小枝上，可以有效地截留雨水和霧滴，因而杉木林分林冠層的持水率較高[15]。馬尾松林的涵養(yǎng)水源能力較杉木林弱，一方面是由于馬尾松葉為針型且枝干形態(tài)不利于持水；另一方面則是由于馬尾松林多分布在坡面的中上部，同時針葉不易腐爛造成持水能力下降。

經(jīng)濟(jì)林的水源涵養(yǎng)功能最差，這主要是因為經(jīng)濟(jì)林種植得比較稀疏、空隙較大，林冠間的截留率低、灌草持水量少的緣故。閩江流域內(nèi)毛竹林較多，且經(jīng)營較為集約，林下雜草、灌木較少，加上毛竹冠幅較小且枝干持水能力較弱，因此涵養(yǎng)水源能力較差。

4 結(jié)論與討論

本研究通過繪制徑流深線和氣象臺站的降雨量點分布，經(jīng)內(nèi)插得到徑流深和降雨量分布圖，有效獲取了閩江流域多年平均徑流深圖和降雨量柵格圖。在對HJ-1A/B遙感影像處理的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)督分類、分層分類，結(jié)合專家知識分類方法，實現(xiàn)了閩江流域森林資源信息的提取，并通過閩江流域30個縣市的邊界SHP得到各縣市的生態(tài)公益林森林資源數(shù)據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明：馬尾松林、竹林、經(jīng)濟(jì)林對水分的調(diào)節(jié)能力較差，其中經(jīng)濟(jì)林對水分的調(diào)節(jié)能力最差，闊葉林、杉木林、針闊混交林對水分的調(diào)節(jié)能力較好。

閩江流域內(nèi)生態(tài)公益林中闊葉林、杉木林和針闊混交林面積分別約占有林地面積的20%，18%和26%時，徑流深較小，涵養(yǎng)水源能力較強(qiáng)；在流域內(nèi)30個縣市中，長樂市、大田縣、閩清、三明、沙縣、延平區(qū)和尤溪縣生態(tài)公益林水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，且閩清的闊葉林、杉木林、針闊混交林占有林地面積的比例均較佳，因此該區(qū)域生態(tài)公益林的涵養(yǎng)水源能力最好。

森林覆蓋率的提高能在一定程度上削洪補(bǔ)枯、穩(wěn)定河川徑流[16]。針對閩江流域來說，森林經(jīng)營要遵循適地適樹的原則，把握好各種林型占林地總面積的比例，保護(hù)林下凋落物，因地制宜，保護(hù)森林資源，禁止濫砍濫伐，具體措施有待于進(jìn)一步的完善。

需要指出的是，本研究主要是借助RS和GIS技術(shù)，探討林型及其比例與森林涵養(yǎng)水源的關(guān)系，所得結(jié)果可以為合理調(diào)整流域內(nèi)生態(tài)公益林林型結(jié)構(gòu)布局、充分發(fā)揮生態(tài)公益林水源涵養(yǎng)功能提供參考。但由于森林水源涵養(yǎng)涉及許多因素，如森林植被所處的溫度、地形等環(huán)境因子，因此，相關(guān)研究仍有待于進(jìn)一步完善。另外，遙感影像空間分辨率的高低對森林資源信息的提取精度有一定影響，因此也會對分類結(jié)果產(chǎn)生影響。

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