四川省石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究

吳 丹，邵全琴 ，王浩然 ，楊存建

（1. 環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2. 中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 北京城垣數(shù)字科技有限責(zé)任公司，北京 100101；4. 四川師范大學(xué)，四川 成都 610068）

四川省石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究

吳 丹1，2，邵全琴2，王浩然3，楊存建4

（1. 環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2. 中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 北京城垣數(shù)字科技有限責(zé)任公司，北京 100101；4. 四川師范大學(xué)，四川 成都 610068）

基于四川省石棉縣第七次森林資源二類調(diào)查成果，通過(guò)綜合蓄水能力法估算了石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量，分析了植被類型和立地條件差異下森林水源涵養(yǎng)服務(wù)的特性。結(jié)果表明：石棉縣森林面積合計(jì)13.27萬(wàn)hm2，水源涵養(yǎng)總量為1.06億m3，林冠層、枯枝落葉層和土壤層涵養(yǎng)水源的貢獻(xiàn)率分別為29.03%、6.72%和64.25%；冷杉水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率最大（42.20%），云杉次之（14.83%），竹林最小（0.15%）；單位面積水源涵養(yǎng)量大小為云杉＞冷杉＞經(jīng)濟(jì)林，竹林單位面積水源涵養(yǎng)量最低（323.79 m3/hm2）?？傮w上，森林單位面積水源涵養(yǎng)量隨海拔高度的增加而增大，隨坡度的增加而降低；全縣水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)出四周高、中間低的特點(diǎn)。根據(jù)立地條件差異合理經(jīng)營(yíng)管理林區(qū)，可以發(fā)揮其更大的水源涵養(yǎng)功能。

水源涵養(yǎng)；森林清查；綜合蓄水能力法；石棉縣

水源涵養(yǎng)作為一項(xiàng)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的迅速發(fā)展，開始受到格外關(guān)注[1-5]。廣義的水源涵養(yǎng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)水文過(guò)程及其水文效應(yīng)的綜合表現(xiàn)[6]，是植被、水與土壤相互作用后所產(chǎn)生的綜合功能的體現(xiàn)[7-9]。

生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)的發(fā)揮與氣候、土壤、植被、地質(zhì)地貌等因素密切相關(guān)，是一個(gè)極其復(fù)雜的綜合調(diào)節(jié)過(guò)程，科學(xué)的水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)估具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)估雖然已有基本的理論和方法，但由于不同學(xué)者對(duì)于水源涵養(yǎng)服務(wù)的內(nèi)涵理解不同，采用的核算方法多種多樣。較常用的方法有兩種：一是根據(jù)植被不同作用層對(duì)降水的蓄積能力來(lái)估算[10-12]；二是基于降水、蒸散、地表徑流估算調(diào)節(jié)水量作為涵養(yǎng)水源量[13-15]。綜合蓄水能力法考慮了植被層、枯落物層和土壤層攔蓄降水的綜合作用；水量平衡法以水量的輸入與輸出為著眼點(diǎn)，將區(qū)域降水量與蒸散量的差視為涵養(yǎng)水源量。

本研究以四川省石棉縣第七次森林資源二類清查小班數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在廣泛收集文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用綜合蓄水能力法估算各個(gè)小班林冠層、枯枝落葉層和土壤層的水源涵養(yǎng)量，分析不同植被類型和立地條件差異下森林涵養(yǎng)水源功能的特征，旨在提升對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)形成機(jī)理與調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為林區(qū)的合理經(jīng)營(yíng)及管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石 棉 縣（28°51′～ 29°31′N，101°56′～102°34′E）位于四川省西南部，雅安市最南端，面積2 678 km2（見圖1）。地處四川東部盆地向西部高原的過(guò)度地帶，地貌特征主要以山地為主，地勢(shì)為西南高、東北低，最低海拔756 m，最高海拔5 675 m，地形較為陡峭，坡度大于35°地區(qū)占全縣面積的54.06%。境內(nèi)屬于中緯度亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)和干旱干熱河谷相間區(qū)，受地形的影響，氣候垂直分布較為明顯。多年平均氣溫為16.9℃，降水量為801.3 mm。大渡河是岷江的第一大支流，亦是長(zhǎng)江的第二支流，流經(jīng)石棉縣，于四川省樂山縣匯入岷江，境內(nèi)流程達(dá)79 km，是岷江的重要水源來(lái)源之一。

圖1 四川省石棉縣位置Fig. 1 Location of Shimian county, Sichuan province

1.2 研究方法

本研究采用綜合蓄水能力法估算石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量(W)，主要包括林冠截留降水量(C)、枯枝落葉層持水量(L)和土壤蓄水量(S)3部分：

（1）林冠截留降水量(C)

式中：α表示林冠截留率（%）；R表示降水量；A表示面積；i表示植被類型。

（2）枯枝落葉層持水量(L)

枯枝落葉層不單能夠截持降水，還可以增進(jìn)地表粗糙度，延緩地表徑流，使降水通過(guò)地被物緩慢滲透到土壤中，變地表徑流為地下徑流。枯枝落葉的存在還能夠有效抑制土壤水分蒸發(fā)，進(jìn)而提高土壤層的涵養(yǎng)水源能力[17-18]?？葜β淙~層持水量計(jì)算公式為：

式中：β表示枯枝落葉層最大持水量（t/hm2）；A表示面積；i表示植被類型。

（3）土壤蓄水量(S)

土壤層是森林涵養(yǎng)水源的第三作用層，非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道，對(duì)土壤的通透性和滲透性具有重要影響，既可補(bǔ)充地下水，又可以壤中流的形式注入到河網(wǎng)。土壤蓄水能力主要體現(xiàn)在非毛管孔隙的持水能力上[19-20]。土壤蓄水量計(jì)算公式為：

式中：γ表示土壤非毛管孔隙度（%）；D表示土層厚度；A表示面積；i表示植被類型。

1.3 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本研究以四川省石棉縣第七次森林資源二類清查成果為基礎(chǔ)，其調(diào)查信息包括地貌特征（海拔、坡度）、林木特征（喬木樹種、起源、林齡、郁閉度、蓄積量）和土壤特征（類型、質(zhì)地、土層厚度）。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，收集了四川東部盆地向西部高原過(guò)渡地帶不同森林類型的林冠層截留率、枯枝落葉層最大持水量、土壤非毛管孔隙度等參數(shù)（見表1）。

“意志是學(xué)習(xí)中不可缺少的非智力因素……若讓學(xué)生主動(dòng)地閱讀，就離不開意志力的培養(yǎng)”[9](P137)，對(duì)少兒來(lái)講意志力的培養(yǎng)和鍛煉尤其關(guān)鍵。閱讀教材時(shí)其內(nèi)容本身的思想性和教育性就會(huì)促進(jìn)學(xué)生情感意志和智商水平的發(fā)展[9](P175)。閱讀過(guò)程分語(yǔ)言文字到思想內(nèi)容，以及反向的兩個(gè)過(guò)程。同時(shí)思想教育也有其自身規(guī)律。在閱讀教學(xué)中進(jìn)行思想教育就須兼顧思想教育和閱讀兩個(gè)過(guò)程，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)[9](P183-184)。

表1 不同森林類型水源涵養(yǎng)量估算的相關(guān)參數(shù)?Table 1 Parameters for calculating water conservation function of different forest types

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型水源涵養(yǎng)功能的差異

研究區(qū)植被類型眾多，主要類型包括冷杉、云杉、鐵杉、櫟類、松類、其他針葉林、其他闊葉林、竹林及經(jīng)濟(jì)林等（見圖2）。石棉縣森林面積共計(jì)132 721 hm2，其中冷杉面積為46 630 hm2（35.13%），云杉面積為16 299 hm2（12.28%），鐵杉面積為9 999 hm2（7.53%），櫟類面積為25 522 hm2（19.23%），松類面積為10 660 hm2（8.03%），其他針葉林面積為1 409 hm2（1.06%），其他闊葉林面積為19 242 hm2（14.50%），竹林面積為492 hm2（0.37%），經(jīng)濟(jì)林面積為2 468 hm2（1.86%）。

圖2 石棉縣的森林類型Fig.2 Forest types of Shimian county

石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量為1.06億m3，其中林冠層截留量為3 068.23萬(wàn)m3，枯枝落葉層持水量為709.91萬(wàn)m3，土壤層蓄水量為6 788.89萬(wàn)m3。不同森林類型水源涵養(yǎng)量的大小依次為：冷杉（4 458.77萬(wàn)m3）＞云杉（1 567.21萬(wàn)m3）＞櫟類（1 504.46萬(wàn)m3）＞其他闊葉林（1 328.16萬(wàn)m3）＞鐵杉（827.96萬(wàn)m3）＞松類（581.99萬(wàn)m3）＞經(jīng)濟(jì)林（205.55萬(wàn)m3）＞其他針葉林（77.02萬(wàn)m3）＞竹林（15.91萬(wàn)m3）（見圖3）。單位面積水源涵養(yǎng)量的大小依次為云杉（961.55 m3/hm2）＞冷杉（956.20 m3/hm2）＞經(jīng)濟(jì)林（832.84 m3/hm2）。冷杉水源涵養(yǎng)量最大，占全縣森林水源涵養(yǎng)總量的42.20%，且其單位面積水源涵養(yǎng)量較高；竹林單位面積水源涵養(yǎng)量最低（323.79 m3/hm2）。

2.2 不同海拔高度森林水源涵養(yǎng)功能的差異

圖3 不同森林類型水源涵養(yǎng)特征Fig.3 Characteristics of water conservation for different forest types

石棉縣海拔高度呈現(xiàn)由中心向四周逐漸遞增的趨勢(shì)，西南較高，東北較低。將海拔分為＜1 500、1 500～2 000、2 000～2 500、2 500～3 000、3 000～3 500、＞3 500 m 6個(gè)等級(jí)，其對(duì)應(yīng)的林地面積占比分別為7.79%、12.97%、23.94%、32.70%、17.43%和5.18%，水源涵養(yǎng)總量分別為633.11、1 077.29、2 256.02、3 775.96、2 195.50 和632.16萬(wàn)m3，單位面積水源涵養(yǎng)量分別為612.35、625.97、710.16、870.08、949.12 和 919.63 m3/hm2。

隨著海拔高度的增加，石棉縣森林單位面積水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)（見圖4），這是由于不同海拔高度下生長(zhǎng)的植被類型有所不同，海拔3 000 m以上，主要優(yōu)勢(shì)樹種為云杉和冷杉，其水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)；松類、櫟類、竹林等分布在海拔較低的區(qū)域，故其單位面積水源涵養(yǎng)量較低。石棉縣森林水源涵養(yǎng)總量主要來(lái)自位于海拔2 000 m以上的區(qū)域，其水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率達(dá)83.82%。

圖4 不同海拔森林水源涵養(yǎng)特征Fig.4 Characteristics of water conservation at different elevations

各森林類型在不同海拔高度下的單位面積水源涵養(yǎng)量有所差異。冷杉、云杉、鐵杉及其他針葉林單位面積水源涵養(yǎng)量隨海拔高度的增加而增大，低海拔區(qū)櫟類、其他闊葉林的單位面積水源涵養(yǎng)量高于高海拔區(qū)，位于1 500～3 000 m海拔區(qū)域的經(jīng)濟(jì)林單位面積水源涵養(yǎng)量較高（見表2）。

表2 不同海拔下各森林類型單位面積水源涵養(yǎng)量Table 2 Water conservation capacity of vegetation types at different elevations (m3/hm2)

2.3 不同坡度森林水源涵養(yǎng)功能的差異

按照國(guó)家森林資源連續(xù)清查主要技術(shù)規(guī)定，將坡度劃分為平坡（＜5°）、緩坡（5°～15°）、斜坡（15°～ 25°）、陡坡（25°～ 35°）、急坡（35°～45°）、險(xiǎn)坡（＞45°）6個(gè)級(jí)別，其對(duì)應(yīng)的林地面積占比分別為0.20%、1.91%、8.58%、34.25%、32.05%和23.01%，水源涵養(yǎng)總量分別為 23.98、227.09、1 102.97、3 735.80、3 301.74和2 175.43萬(wàn)m3，單位面積水源涵養(yǎng)量分別為 914.02、898.04、968.33、821.77、776.19 和712.30 m3/hm2。

石棉縣森林主要分布在坡度大于25°的區(qū)域，其面積占比為89.31%，水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率達(dá)87.19%，但單位面積水源涵養(yǎng)量相比其他坡度較低（見圖5）。各森林類型在不同坡度下單位面積水源涵養(yǎng)量有所不同，總體上，隨著坡度的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，冷杉、云杉、經(jīng)濟(jì)林在緩坡、斜坡上的單位面積水源涵養(yǎng)量遠(yuǎn)大于急坡和險(xiǎn)坡（見表3）。

圖5 不同坡度森林水源涵養(yǎng)特征Fig.5 Characteristics of water conservation at different slopes

表3 各森林類型不同坡度下單位面積水源涵養(yǎng)量Table 3 Water conservation capacity of vegetation types at different slopes (m3/hm2)

2.4 森林水源涵養(yǎng)功能的空間分布特征

石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)出四周高、中間低的特點(diǎn)（見圖6），這與其海拔分布趨勢(shì)表現(xiàn)一致。水源涵養(yǎng)能力＞1 000 m3/hm2的森林面積占比為18.55%，主要分布樹種為冷杉、云杉和鐵杉；水源涵養(yǎng)能力＜500 m3/hm2的森林面積占比為8.88%，主要分布樹種為櫟類、松類和竹林。

3 結(jié) 論

圖6 石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力空間分布Fig.6 Spatial distribution of water conservation capacity of forest ecosystems in Shimian county

基于石棉縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料收集參數(shù)信息，本研究運(yùn)用綜合蓄水能力法對(duì)石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了估算，并從森林類型、海拔高度、坡度三方面比較分析了森林涵養(yǎng)水源功能的差異。

（1）四川省石棉縣森林面積為13.27萬(wàn)hm2，水源涵養(yǎng)總量為1.06億m3，其中林冠層截留量為3 068.23萬(wàn)m3，占水源涵養(yǎng)總量的29.03%；枯枝落葉層持水量為709.91萬(wàn)m3，占總量的6.72%；土壤層蓄水量為6 788.89萬(wàn)m3，占總量的64.25%。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中水分貯蓄的最主要場(chǎng)所。

（2）冷杉水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率最大（42.20%），云杉次之（14.83%），竹林最?。?.15%）。單位面積水源涵養(yǎng)量大小排序?yàn)樵粕迹纠渖迹窘?jīng)濟(jì)林，竹林單位面積水源涵養(yǎng)量最低（323.79 m3/hm2）。

（3）森林水源涵養(yǎng)總量主要來(lái)自位于海拔2 000 m以上的區(qū)域，其水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率達(dá)83.82%。冷杉、云杉、鐵杉及其他針葉林單位面積水源涵養(yǎng)量隨海拔高度的增加而增大。

（4）分布在坡度大于25°區(qū)域的森林水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率達(dá)87.19%，但單位面積水源涵養(yǎng)量相比其他坡度較低。總體上，單位面積水源涵養(yǎng)量隨坡度的增加表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

4 討 論

石棉縣是長(zhǎng)江中上游退耕還林和天保工程的重點(diǎn)地區(qū)，開展生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究，有助于提升對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力形成機(jī)理與調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮和提升自然生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)空間，也可以為合理經(jīng)營(yíng)管理水源林區(qū)提供一定科學(xué)依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)的實(shí)質(zhì)是植被層、枯枝落葉層和土壤層對(duì)降雨進(jìn)行再分配的復(fù)雜過(guò)程。植被類型的林冠結(jié)構(gòu)、林下枯落物組成及現(xiàn)存量、土壤物理性質(zhì)的不同導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力有所差異。石棉縣水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的樹種主要是云杉和冷杉，其林冠層較為茂盛，截留能力較強(qiáng)，且所處區(qū)域的土層較厚。竹林單位面積水源涵養(yǎng)量最低，主要是因?yàn)槠渌幍赜蛲翆雍穸燃巴寥婪敲芸紫抖容^低。

同一植被類型在不同立地條件下水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)不同，如在海拔＜2 000 m較為平緩的區(qū)域，經(jīng)濟(jì)林水源涵養(yǎng)能力較高；而在海拔較高、坡度較緩的區(qū)域，云杉、冷杉具有較高的水源涵養(yǎng)能力；坡度大于25°的地區(qū)，森林植被單位面積水源涵養(yǎng)量通常較低。因地制宜，合理調(diào)整森林資源結(jié)構(gòu)、提高森林資源質(zhì)量、促進(jìn)森林生長(zhǎng)發(fā)育，有利于更大程度地發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的功能。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是水源涵養(yǎng)研究的基礎(chǔ)，可以用來(lái)揭示水源涵養(yǎng)服務(wù)的形成過(guò)程與變化機(jī)理。受研究方法與資料的局限性，本研究主要通過(guò)文獻(xiàn)資料搜集所需參數(shù)數(shù)據(jù)開展分析，不能很好地反映研究區(qū)實(shí)際狀況。后續(xù)研究將側(cè)重于整合相關(guān)歷史調(diào)查數(shù)據(jù)及實(shí)地開展連續(xù)定位觀測(cè)，從而分析石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及未來(lái)情景模擬。

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Research on water conservation capacity of forest ecosystems in Shimian county, Sichuan province

WU Dan1,2, SHAO Quanqin2, WANG Haoran3, YANG Cunjian4
(1. Nanjing Institute of Environmental Sciences, MEP, Nanjing 210042, Jiangsu, China; 2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 3. Beijing City Interface Technology Co. ltd, Beijing 100101, China; 4. Sichuan Normal University, Chengdu 610068, Sichuan, China)

Water conservation service of forest ecosystems is actually the complex process of rainfall redistribution among canopy layer,litter layer and soil layer. Based on the seventh inventory results of forest resources in Shimian county, Sichuan province, this paper estimated the water conservation amount and its spatial distribution of forest ecosystems, using the method of comprehensive water storage capacity. Also, we analyzed the water conservation characteristics under different vegetation types and site conditions. The results showed that the forest area of Shimian county was 13.27×104hm2. And the total amount of water conservation was 106 million cubic meters. The contribution rate of water conservation among canopy layer, litter layer and soil layer was 29.03%, 6.72% and 64.25%,respectively. The water conservation amount of Fir forest was the highest (42.20%), Spruce forest came second (14.83%), and Bamboo forest was the lowest (0.15%). The water conservation capacity of different vegetation types in descending order was Spruce forest ＞Fir forest ＞ Economic forest. In general, the water conservation capacity of forest ecosystems was increased with increasing altitude,while decreased with increasing slope. The distribution of water conservation capacity in Shimian county was decreased from all around to the center. As a result, reasonable management of forest region according to its site conditions differences could play greater water conservation function.

water conservation; forest inventory; comprehensive water storage capacity method; Shimian county

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.05.014 http: //qks.csuft.edu.cn

2015-12-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAC03B00）；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201409055）

吳 丹，博士研究生

邵全琴，研究員；E-mail：shaoqq@lreis.ac.cn

吳 丹，邵全琴，王浩然，等.四川省石棉縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(5):80-86.

S718.5

A

1673-923X(2017)05-0080-07

[本文編校：謝榮秀]