廣東省2004—2016年植被冠層降雨截留模擬及時(shí)空變化特征

孫彩紅,蘇泳嫻,韓留生,吳建平,劉禮楊,陳修治,鄧玉嬌,楊沅志,姜 杰,林 暉

1 廣東省遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用開放實(shí)驗(yàn)室, 廣州地理研究所, 廣州 510070 2 山東理工大學(xué), 淄博 255049 3 中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣州 510650 4 廣東省生態(tài)氣象中心, 廣州 510640 5 廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 廣州 510520 6 廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院, 佛山 528216

植被冠層降雨截留是降雨過程中被植被冠層所截留下來無法落到地面的降雨量,是降雨再分配的首個(gè)環(huán)節(jié),在不同程度上影響著到達(dá)地面的降雨量空間分布,從而影響土壤入滲、產(chǎn)流等水循環(huán)過程[1-2]。了解地區(qū)的植被冠層降雨截留能力對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域植被的水源涵養(yǎng)能力以及土壤侵蝕緩解能力起著重要的作用。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)植被冠層降雨截留做了大量研究。早期的研究大多基于野外定點(diǎn)實(shí)測(cè)或者室內(nèi)浸泡,統(tǒng)計(jì)分析不同降雨強(qiáng)度下不同樹種之間、不同林分之間或者不同區(qū)域之間植被冠層截留降雨能力差異[3- 7],并建立簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,但是這種定點(diǎn)觀測(cè)無法產(chǎn)生普適性的研究結(jié)果,對(duì)于植被冠層結(jié)構(gòu)和氣候特征相似的林冠層系統(tǒng)才適用,不能外延試驗(yàn),不易推廣[8- 9]。隨著大量研究的開展,人們發(fā)現(xiàn)植被冠層降雨截留過程受到諸多因素的影響,主要包括降雨量、降雨特性、冠層特征、雨前冠層濕潤(rùn)程度、氣象條件等[10- 11],隨后一些帶機(jī)理性的概念模型和物理模型逐漸涌現(xiàn),如Horton模型[8]、Rutter模型[12]、Liu模型[13]、Gash解析模型[14- 15]、Aston模型[16]、A.P.J.DE ROO模型[17]等,但由于模型參數(shù)較多,給大尺度的植被冠層降雨截留能力估算帶來了極大的困難。Aston[16]和A.P.J.DE ROO[17]等學(xué)者提出在大尺度層面,除了氣象因素外,植被葉面積指數(shù)是確定植被冠層降雨截留的關(guān)鍵因素。近年來遙感技術(shù)的成熟,利用紅光和近紅外兩個(gè)波段的反射率組成的光譜植被指數(shù)來估算葉面積指數(shù)被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可,使得結(jié)合遙感等空間信息數(shù)據(jù)與植被冠層降雨截留模型估算大尺度植被冠層降雨截留能力成為新的研究熱點(diǎn)[17]。

廣東省地處亞熱帶,多暴雨、多山地、多紅壤的自然環(huán)境條件,造成廣東省的水土流失十分的嚴(yán)重[18]。近30年,廣東省森林?jǐn)?shù)量和質(zhì)量都發(fā)生了較大的變化,廣東省特別是珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展,城市擴(kuò)張建設(shè)征用了大量的林業(yè)用地,大量的天然林被毀,林業(yè)面積曾一度大面積減少,20世紀(jì)90年代以來,全省實(shí)施林業(yè)保護(hù)政策和滅荒造林工程,林地面積逐步回升,但依然呈現(xiàn)天然林不斷減少,人工林不斷增多的局面[19]。在森林結(jié)構(gòu)和質(zhì)量變化的背景下,定量模擬和分析廣東省植被冠層降雨截留及其時(shí)空變化特征,有助于全面了解廣東省生態(tài)水文耦合機(jī)理,揭示生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文過程的調(diào)節(jié)作用,認(rèn)清森林對(duì)水土流失的緩解作用,并指導(dǎo)林業(yè)政策提供理論依據(jù)。

本文采用A.P.J.DE ROO等[17]構(gòu)建的植被冠層降雨截留模型,結(jié)合地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)和MOIDS葉面積指數(shù)(LAI)遙感數(shù)據(jù),定量模擬和分析了2004—2016年的廣東省流域尺度植被冠層降雨截留能力的時(shí)空分布特征。與前人的研究以山(祁連山[3- 4]、六盤山[5- 6]等)、森林群落(貴州典型森林群落[20])、植被類型(青海云山林[3- 4]、高山櫟林[21]、杉木人工林[22]、毛竹林[23]、次生毛竹林[24]等)、自然保護(hù)區(qū)(托木爾峰自然保護(hù)區(qū)[25]、井岡山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)[26]等)為研究對(duì)象不同,本研究以流域尺度作為研究單元。流域是由社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然和環(huán)境相互作用共同耦合而成的單個(gè)獨(dú)立的完整生態(tài)系統(tǒng),以流域作為研究尺度,其研究結(jié)果更具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 區(qū)域概況

廣東省是我國(guó)的南大門,與香港、澳門、廣西、云南、江西及福建接壤,地跨中亞熱帶、南亞熱帶和北熱帶,氣候溫暖、熱量豐富,降雨總量多、強(qiáng)度大、季節(jié)性強(qiáng)[7]。地貌多樣,以山脈為主,山脈之間有大小谷地和盆地分布,此外還有以珠江三角洲為代表的沖積平原。河流眾多,集雨面積3000 km2以上河流有珠江、韓江、鑒江、漠陽江、東江、西江、北江等,形成了7大流域(圖1)。植被類型多樣,自然森林植被由北向南分布有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶季雨林和熱帶季雨林。廣東省最重要的地帶性土壤是紅壤、赤紅壤、磚紅壤,面積分別占全省土壤面積的37.96%、24.8%、5.15%。廣東省本底土壤肥力較差,加之因人為因素,自然植被破壞較多,水土流失也較嚴(yán)重[18]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

(1)降雨數(shù)據(jù)

來自廣東省87個(gè)基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)的2004年1月—2016年12月日降雨量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度0.1 mm。利用ArcGIS反距離加權(quán)插值法,將站點(diǎn)測(cè)得的日降雨量數(shù)據(jù)插值生成500 m×500 m分辨率的日降雨量柵格數(shù)據(jù),再將每天的降雨量數(shù)據(jù)累加得到月累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)和年累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)。

(2)葉面積指數(shù)(LAI)遙感數(shù)據(jù)

葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)是指單位地表面積上方植物葉面積之和[27]。由于早期的遙感數(shù)據(jù)分辨率較低,且不同數(shù)據(jù)源產(chǎn)品的不確定性使其可比性難以保證,文中采用來自地理空間數(shù)據(jù)云MODIS陸地標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品—MOD13A1(16天合成的分辨率為500 m的植被指數(shù)產(chǎn)品)。MODIS儀器與NOAA衛(wèi)星和陸地其他衛(wèi)星相比：1)空間分辨率大幅提高。由NOAA的千米提高到了MODIS的百米級(jí)。2)時(shí)間分辨率更具優(yōu)勢(shì)。MODIS衛(wèi)星一天可過境4次(NOAA衛(wèi)星一天過境2次),對(duì)各種突發(fā)性、快速變化的自然災(zāi)害有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。3)光譜分辨率大大提高。MODIS衛(wèi)星有36個(gè)波段(NOAA衛(wèi)星有5波段),這種多通道觀測(cè)增強(qiáng)了對(duì)地球復(fù)雜系統(tǒng)的觀測(cè)能力和對(duì)地表類型的識(shí)別能力。本文利用ENVI軟件對(duì)原始MODIS-LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接并裁剪,提取了廣東省范圍內(nèi)的LAI數(shù)據(jù),然后用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加和平均,獲取廣東省2004—2016年每月和每年的LAI柵格數(shù)據(jù)(分辨率為500 m)。為保證分析的準(zhǔn)確性,本文僅選擇高質(zhì)量的MODIS-LAI數(shù)據(jù)(標(biāo)記為0,1,2)進(jìn)行分析。

(3)小流域劃分

基于廣東省30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM(Digital Elevation Model),利用ArcGIS的水分分析工具,將二、三級(jí)支流以下以分水嶺或下游河道出口斷面為界,集水面積在50 km2以下的相對(duì)獨(dú)立和封閉的自然匯水區(qū)域劃分為小流域(圖1),共劃分為7大流域(北江流域、東江流域、韓江流域、西江流域、珠江流域、漠陽江流域、鑒江流域),1367個(gè)小流域。

2.2 方法

(1)基于次降雨量數(shù)據(jù)的植被冠層降雨截留量計(jì)算

采用A.P.J.DE ROO等[17]構(gòu)建的植被冠層降雨截留模型,基于葉面積指數(shù)和降雨量計(jì)算植被冠層降雨截留量。具體計(jì)算公式如下：

(1)

η=0.040×LAI

(2)

Smax=0.935+0.498×LAI-0.00575×LAI2

(3)

式中,Sv為每次降雨的植被冠層降雨截留量(mm),Pcum為每次降雨的降雨量(mm),Smax為最大植被冠層降雨截留能力(即截留容量,mm),η為校正系數(shù),LAI為葉面積指數(shù)。該公式的理論假設(shè)是當(dāng)Pcum=0時(shí),Sv=0,當(dāng)Pcum→時(shí),Sv=最大截留量(Smax)。

(2)基于次降雨量數(shù)據(jù)的植被冠層降雨截留率計(jì)算

植被冠層降雨截留率是每次植被冠層降雨截留量占每次降雨量的百分比,見公式(4)：

(4)

式中,a為植被冠層降雨截留率(%),其他同上。

(3)月均/年均植被冠層降雨截留量/率計(jì)算

將一個(gè)月內(nèi)基于次降雨量數(shù)據(jù)的植被冠層降雨截留量/率計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行加和平均,得出月均植被冠層降雨截留量/率,同理,將一年內(nèi)基于次降雨量數(shù)據(jù)的植被冠層降雨截留量/率計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行加和平均,得出年均植被冠層降雨截留量/率。

(4)利用傾向值法(SLOPE)分析廣東省植被冠層降雨截留率的變化趨勢(shì)

為明確各流域的時(shí)間變化特征,本文利用一元線性回歸模型計(jì)算2004—2016年13年間的變化斜率,即傾向值(SLOPE),來分析每個(gè)流域植被冠層降雨截留率的線性傾向[28],計(jì)算公式為：

(5)

式中,n是總年份數(shù),等于13；xi是第i年(2004年為第一年)；Ai代表第i年對(duì)應(yīng)的植被冠層降雨截留率。

(5)植被冠層降雨截留量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

為直觀反映廣東省植被冠層降雨截留能力的空間分布特征,根據(jù)2004年的累計(jì)植被冠層降雨截留量,以60 mm和90 mm分別作為閾值,將廣東省植被冠層的降雨截留能力劃分為高截留區(qū)、中截留區(qū)和低截留區(qū)3個(gè)等級(jí),如表1所示。

表1 植被冠層降雨截留量等級(jí)劃分表

sv為累計(jì)植被冠層降雨截留量

3 結(jié)果與分析

3.1 廣東省累計(jì)降雨量時(shí)空變化特征

圖2 2004—2016年廣東省年平均降雨量空間分布圖Fig.2 Spatial patterns of annual mean rainfall in Guangdong Province from 2004 to 2016

廣東省降雨主要呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的空間格局特征,這種格局在多雨年份尤為突出(圖2)。對(duì)廣東省年平均降雨量柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析發(fā)現(xiàn)2004年、2008年、2012年、2016區(qū)域年降雨量平均值分別為1334.18、1531.58、1875.43、2327.89 mm,可見近年來受全球氣候變暖的影響[29],廣東省降雨整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中,增加最為明顯的區(qū)域是沿海地區(qū)和粵東地區(qū),這主要受夏秋季副熱帶氣旋等極端氣候的增加[29]所致(圖2)。從7大流域來看(圖3),每個(gè)流域的降雨量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),與廣東省整體趨勢(shì)相同。西江流域和珠江流域每年的增長(zhǎng)速度尤為突出,增長(zhǎng)范圍介于0—1000 mm；北江流域、東江流域和韓江流域在2004—2008年降雨量略有增長(zhǎng),增長(zhǎng)范圍介于0—90 mm,2008—2016年降雨量增長(zhǎng)較為快速,增長(zhǎng)范圍介于0—1200 mm；漠陽江流域和鑒江流域2004—2008年降雨量增長(zhǎng)較為快速,增長(zhǎng)范圍介于0—730 mm,2008—2012年降雨量增長(zhǎng)緩慢,增長(zhǎng)范圍介于0—240 mm,2012—2016年降雨量略有減少,減少范圍介于0—160 mm。此外,年平均降雨量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯地帶性,沿海的降雨量明顯大于內(nèi)陸。降雨量相對(duì)較少的區(qū)域多處于四周高,中間低的盆地地貌(例如北江流域),四周的高地是造成其降雨量相對(duì)較少的原因。降雨相對(duì)較多的區(qū)域一般處于地形較為平坦的沿?；蛱幱趦蛇吀呗栔虚g低洼的谷地(如漠陽江流域)。

圖3 2004—2016年七大流域年平均降雨量空間分布圖Fig.3 Spatial variations of annual mean rainfall in seven major basins from 2004 to 2016

3.2 廣東省葉面積指數(shù)時(shí)空變化特征

圖4 2004—2016年廣東省月平均LAI變化 Fig.4 Monthly variations of LAI in Guangdong Province from 2004 to 2016

將年均葉面積指數(shù)值劃分為19個(gè)等級(jí)(即小于0.2,0.2—0.4,0.4—0.6,0.6—0.8,0.8—1.0,1.0—1.2,1.2—1.4,1.4—1.6,1.6—1.8,1.8—2.0,2.0—2.2,2.2—2.4,2.4—2.6,2.6—2.8,2.8—3.0,3.0—3.2,3.2—3.4,3.4—3.6和大于3.6),從空間分布格局來看(圖5),廣東省地表植被存在較大的空間異質(zhì)性。珠三角地區(qū)、潮汕平原、雷州半島以及山脈間大小谷地、盆地植被指數(shù)均較低(0.0—0.2),究其原因是：(1)珠三角地區(qū)是廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口較密集、開發(fā)強(qiáng)度較大的主要地區(qū),而潮汕平原由于常年遭受臺(tái)風(fēng)的侵襲以及來自海洋的海風(fēng)、海霧等因素[28]影響植被的生長(zhǎng),珠江三角地區(qū)和潮汕平原植被覆蓋度最低,葉面積指數(shù)小于1.2；(2)雷州半島位于廣東省最南端且地處熱帶,地勢(shì)呈龜背形向三面傾斜,河流短淺且徑流速度快,夏季風(fēng)降雨困難,導(dǎo)致雷州半島易發(fā)生干旱,又因其地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),是臺(tái)風(fēng)的主要路徑,每年5—10月受臺(tái)風(fēng)影響[30]易發(fā)生洪澇災(zāi)害之苦,故植被生長(zhǎng)環(huán)境較差。斜貫粵西、粵中和粵東北的羅平山脈、粵東的蓮花山脈、粵北的一些弧形山脈、粵東少量西北至東南走向的山脈、粵東和粵西西南至東北走向的山脈年均葉面積指數(shù)均在2以上,這是由于這些地區(qū)植被立地及生長(zhǎng)條件較好[31],森林覆蓋面積較大,森林質(zhì)量較高[32]。可見地形地貌等生態(tài)本底以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度是目前影響廣東省植被空間分布格局的重要因素。從歷年的變化情況來看(圖5),廣東省2004、2008、2012和2016年年均葉面積指數(shù)分別為1.50、1.57、1.59、1.80,可見近年來廣東省整體植被覆蓋率在增加。按照7大流域進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(圖6),北江流域、西江流域和漠陽江流域年均葉面積指數(shù)增加量最大,從2004年的1.51持續(xù)增長(zhǎng)到2016年的2.14；珠江流域和東江流域年均葉面積指數(shù)略有增加,珠江流域從2004年的0.98持續(xù)增長(zhǎng)到2016年的1.27,東江流域從2004年的1.71持續(xù)增長(zhǎng)到2016年的1.91；而韓江流域年均葉面積指數(shù)增長(zhǎng)不明顯,在2012年后甚至出現(xiàn)略微減少的趨勢(shì)。從月均變化情況來看(圖4),3—10月(春季、夏季和初秋)是植被的生長(zhǎng)期,LAI指數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)；11—2月(深秋和冬季)是植被的休眠期,11月開始LAI指數(shù)持續(xù)減小,2月份到達(dá)低谷。

圖5 2004—2016年廣東省年均LAI空間分布圖Fig.5 Spatial patterns of annual mean LAI in Guangdong Province from 2004 to 2016

圖6 2004—2016年七大流域年均LAI空間分布圖Fig.6 Spatial variations of annual mean LAI in seven major basins from 2004 to 2016

3.3 廣東省植被冠層降雨截留能力時(shí)空變化特征

3.3.1廣東省植被冠層降雨截留量年際變化

基于2004年累計(jì)植被冠層降雨截留量,依據(jù)截留等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),將廣東省累計(jì)植被冠層降雨截留量空間分布分為3個(gè)不同區(qū)域(圖7)。

Ⅰ高截留區(qū)：集中分布在山地植被茂盛的地區(qū),即西山河流域、白云水流域、鳳江水流域、波羅坑流域、新豐江流域、西林河流域、忠信水流域、柏埔河流域、清溪河流域、西支江流域。由表2可以看出,2004—2016年的高截留區(qū)年平均植被冠層降雨截留量都在90 mm以上,總體呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

Ⅱ中截留區(qū)：集中分布在粵東、粵北、粵西的東北等山地和山脈間大小谷地地區(qū),即織篢河流域、潭水河流域、曹江河流域、黃華江流域、漠陽江流域、錦江流域、鎮(zhèn)海水流域、新興江流域、南江流域、綏江流域、小北江流域、浜江流域、北江流域、湞江流域、翁江流域、流溪河流域、增江流域、東江流域上游、琴江流域、梅江流域、韓江流域、榕江流域、黃崗河流域。

Ⅲ低截留區(qū)：集中分布在珠江三角洲平原、雷州半島、潮汕平原、粵西西南地區(qū),即南渡河流域、西溪河流域、九洲江流域、凌江流域、鑒江流域、梅江流域、沙瑯江流域、三夾海流域、潭江流域、西江流域、滄江河流域、珠江流域、東江流域下游、螺河流域、龍江流域、練江流域、岐嶺河流域、寧江流域、程河流域、三利溪流域、湞江流域、武江流域等。

由表2可以看出,2004—2016年的3個(gè)級(jí)別截留區(qū)的年平均植被冠層降雨截留量均在逐年增長(zhǎng)。至2016年,中截留區(qū)的年平均植被冠層降雨截留量已超過90 mm的閾值,達(dá)到131.83 mm,同時(shí)低截留區(qū)的年平均植被冠層降雨截留量也超過60 mm的閾值,達(dá)到70.26 mm?？梢?近年來隨著年降雨的增長(zhǎng)和植被覆蓋率的提升,高級(jí)別的截留區(qū)(高截留區(qū)和中截留區(qū))數(shù)量也在增加。

表2 2004—2016年不同等級(jí)區(qū)域平均植被冠層降雨截留量的年際變化/mm

圖7 植被冠層降雨截留量等級(jí)劃分圖 Fig.7 Spatial pattern of subregion with different atmospheric rainfall interception

3.3.2廣東省植被冠層降雨截留率年際變化

2004—2016年月植被冠層降雨截留率(圖8)均呈現(xiàn)以下規(guī)律：3月份的植被冠層降雨截留率最低,4月份開始回升,10月份達(dá)到植被冠層降雨截留率的最高值,11月開始減少直到次年3月。但是值得注意的是,隨著年份的推進(jìn),月份之間的波動(dòng)不斷減緩,從2004年的月均植被冠層降雨截留率差異(最大值與最小值之間的差別)6.26%減少到2016年的4.41%。2004—2016年廣東省植被冠層降雨截留率空間分布圖(圖9)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,廣東省2004、2008、2012年植被冠層降雨截留率持續(xù)下降,2016年植被冠層降雨截留率略有上升,年平均值分別為4.80%、4.53%、4.05%、4.13%。結(jié)合公式(1)—(4)以及降雨和LAI的年變化趨勢(shì),我們認(rèn)為導(dǎo)致這種時(shí)間變化趨勢(shì)原因可能有以下兩個(gè)方面：雖然近年來降雨量和LAI均在增加,但是(1)降雨量的增加一方面會(huì)一定程度增加植被冠層對(duì)降雨的截留量(公式1),而植被葉片對(duì)水分的吸收有一個(gè)飽和值,一般來說,前期隨著降雨量的增加植被冠層對(duì)降雨的截留量也在逐漸增加,但當(dāng)降雨量增加到一定程度時(shí),植被冠層對(duì)降雨的截留量將逐漸達(dá)到飽和,植被冠層降雨截留量趨于平穩(wěn)；(2)另一個(gè)方面,降雨量的增加對(duì)植被冠層降雨截留率起抑制作用(公式4),當(dāng)這種抑制作用大于植被冠層LAI增加給植被冠層降雨截留率所帶來的驅(qū)動(dòng)作用(公式4)時(shí),植被冠層降雨截留率將呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖8 2004—2016年廣東省月均植被冠層降雨截留率變化趨勢(shì)Fig.8 Variation of monthly mean rainfall interception rate of canopy (RIRC) in Guangdong Province from 2004 to 2016

圖9 2004—2016年廣東省年均植被冠層降雨截留率空間分布圖Fig.9 Spatial patterns of annual mean RIRC in Guangdong Province from 2004 to 2016

圖10 2004—2016年廣東省植被冠層降雨截留率時(shí)間變異slope指數(shù)分布圖Fig.10 Spatial patterns of slope index about RIRC in Guangdong Province from 2004 to 2016

從空間分布來看(圖9),2004年廣東省的植被冠層降雨截留率總體呈現(xiàn)山區(qū)東西兩翼高,山區(qū)中部以及沿海地區(qū)低的顯著空間差異格局,此時(shí)植被冠層降雨截留率大于5%的流域有149個(gè),占全省國(guó)土面積40.75%,而小于5%的流域有1227個(gè),占全省國(guó)土面積的59.25%,最大植被冠層降雨截留率和最小植被冠層降雨截留率分別為11.67%、0.33%。但是隨著時(shí)間的推移,這種空間的差異越來越小,到2012年,植被冠層降雨截留率大于5%的流域僅有79個(gè),占全省國(guó)土面積的10.49%,最大植被冠層降雨截留率和最小植被冠層降雨截留率分別為10.41%、0.34%。2004—2012年,年均植被冠層降雨截留率減少較為明顯的流域有南江流域、武江流域和琴江流域、西江流域與北江流域交界處和東江流域。但到2016年這種空間變化趨勢(shì)得到減緩,粵北地區(qū)和粵西地區(qū)植被冠層降雨截留率略有的上升,增加范圍介于0—1.22%,但粵東地區(qū)依然呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),尤其是韓江流域植被冠層降雨截留率下降最為明顯,減少范圍介于0—1.12%。導(dǎo)致年際空間差異性逐漸減少的原因主要是：從4.1和4.2的分析發(fā)現(xiàn),隨著年均LAI的增加和年降雨量的增加,年均LAI的空間異質(zhì)性在增大(圖5),而年均降雨量的空間異質(zhì)性在減小(圖2)。在LAI降雨截留量飽和閾值(公式1)和降雨量對(duì)植被冠層降雨截留率的抑制效應(yīng)(公式4)的共同作用下,年均降雨的空間同質(zhì)性對(duì)植被冠層降雨截留率空間格局的影響被進(jìn)一步放大,而年均LAI的空間異質(zhì)性對(duì)植被冠層降雨截留率空間格局的影響被進(jìn)一步縮小,最后導(dǎo)致植被冠層降雨截留率的空間差異性在逐步減少的時(shí)間變化趨勢(shì)特征。從2004—2016年slope變化圖(圖10)來看,植被冠層降雨截留率增長(zhǎng)空間僅分布在湛江南部以及陽江、茂名。

從7大流域來看(圖11),北江流域和西江流域2004—2012年植被冠層降雨截留率緩慢下降,減少范圍介于0—1.33%,2012—2016年植被冠層降雨截留率有所上升,增加范圍介于0—0.74%；東江流域和韓江流域2004—2016年植被冠層降雨截留率持續(xù)下降,減少范圍介于0—1.41%；鑒江流域2004—2016年植被冠層降雨截留率基本保持不變；漠陽江的植被冠層降雨截留率波動(dòng)最大,呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。

圖11 2004—2016年七大流域年均植被冠層降雨截留率空間分布圖Fig.11 Spatial variations of annual mean RIRC in seven major basins from 2004 to 2016

3.4 氣候與土地利用變化對(duì)典型流域植被冠層降雨截留率時(shí)空變化特征的影響

為分割背景氣候以及土地利用變化對(duì)流域植被冠層降雨截留率的影響,而森林生態(tài)系統(tǒng)是影響植被冠層降雨截留率的主要土地利用類型[33],因此本文首先在中亞熱帶、南亞熱帶南區(qū)、南亞熱帶北區(qū)和北熱帶(圖12)分別選取森林覆蓋率相近(約70%)的兩個(gè)流域(表3),分析所選流域內(nèi)植被冠層降雨截留能力的特征(圖13)。研究發(fā)現(xiàn),在同等森林覆蓋率的情況下,中亞熱帶的植被冠層降雨截留率為2.48%—5.08%,南亞熱北區(qū)的植被冠層降雨截留率為4.03%—5.13%,南亞熱南區(qū)的植被冠層降雨截留率為3.35%—4.15%,北熱帶的植被冠層降雨截留率為2.34%—3.10%?？梢姎夂騾^(qū)域?qū)α饔蛑脖还趯咏涤杲亓裟芰τ绊懽饔貌淮嬖陲@著的差異。

表3 四個(gè)氣候帶內(nèi)流域?qū)Φ牧值孛娣e及覆蓋率

圖12 廣東省四個(gè)氣候帶及典型流域空間圖Fig.12 Basin-pairs of four climate zone in Guangdong Province

圖13 四個(gè)氣候帶代表性流域的植被冠層降雨截留率年變化趨勢(shì) Fig.13 Annual variation of RIRC in basin-pairs at four climatic zones

為剔除氣候帶的影響,分析地表覆蓋變化對(duì)植被冠層降雨截留能力的影響,本文進(jìn)一步提取各個(gè)氣候帶內(nèi)所有完整流域的森林生態(tài)系統(tǒng),分析每個(gè)流域內(nèi)森林覆蓋面積比例與植被冠層降雨截留能力之間的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)除中亞熱帶外,其他氣候帶的森林覆蓋率與年均植被冠層降雨截留率之間均存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P<0.001)(圖14)。其中,亞熱帶南區(qū)和北區(qū)的相關(guān)性較好,相關(guān)性分別達(dá)到0.81和0.65,而中亞熱帶和北熱帶的相關(guān)性較差,相關(guān)性分別僅為0.23和0.19?？梢?森林覆蓋對(duì)植被冠層降雨截留能力有著一定的影響,但這種影響在部分區(qū)域不太明顯。本文進(jìn)一步通過分析發(fā)現(xiàn)森林內(nèi)部的異質(zhì)性(針葉林、闊葉林等林相的比例)比例發(fā)現(xiàn)(圖15),相關(guān)性較高的亞熱帶南區(qū)和亞熱帶北區(qū)均擁有較高的闊葉林比例,而相關(guān)性較差的中亞熱帶和北熱帶則擁有較高的針葉林或針闊混交林比例,可見闊葉林比例可能對(duì)流域植被冠層降雨截留能力起著關(guān)鍵的作用,但是這一結(jié)論尚需要未來更多的數(shù)據(jù)分析來支撐。

圖14 四個(gè)氣候帶林地覆蓋率與植被冠層降雨截留率的相關(guān)性Fig.14 The relationship between forest percentage and RICR in four climate zones

圖15 四個(gè)氣候帶3種典型森林類型占森林面積的比例Fig.15 The percentages of three forest types in four climate zones

4 討論和結(jié)論

植被的水源涵養(yǎng)功能是植被生態(tài)系統(tǒng)中的重要生態(tài)功能之一,植被冠層作為植被生態(tài)系統(tǒng)中的接觸到大氣降雨的界面,可以通過對(duì)降雨的截留作用,改變降雨的分配過程,緩和地表徑流[34]。過去的研究大多基于實(shí)地觀測(cè)定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)[35],并重點(diǎn)關(guān)注森林生態(tài)系統(tǒng)的植被冠層降雨截留能力[36]。然而一個(gè)區(qū)域內(nèi)的其他生態(tài)系統(tǒng)類型的植被冠層也能對(duì)降雨起到很好的截留作用,例如草地生態(tài)系統(tǒng)類型[37]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)類型[38]。本研究利用MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)植被冠層信息獲取的時(shí)空優(yōu)勢(shì),結(jié)合植被冠層降雨截留模型,系統(tǒng)全面地重現(xiàn)了廣東省歷史時(shí)期的植被冠層降雨截留能力,本研究得出了以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)本文基于MODIS LAI遙感數(shù)據(jù)估算的廣東省小流域尺度的年均植被冠層降雨截留率變動(dòng)范圍是0.33%—11.67%,與尹伊和陳海山[2]用CLM4.0模擬全球尺度下的年平均植被冠層降雨截留率中廣東地區(qū)結(jié)果基本一致,可見本文基于模型的模擬結(jié)果精度可靠。但低于森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果[4- 5,7,21- 26],這是由于森林生態(tài)系統(tǒng)一般具有較高的植被冠層降雨截留能力,而本研究估算的是流域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)類型的平均植被冠層降雨截留率。這種估算方法能更為準(zhǔn)確全面得評(píng)估流域的真實(shí)植被冠層降雨截留能力。但是值得注意本文所采用的模型僅考慮了LAI和降雨這兩個(gè)因素,實(shí)際上,植被冠層降雨截留能力還會(huì)受到其他因素的影響,如地勢(shì)、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等[2],因此未來模型有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

(2)植被葉面積指數(shù)是決定廣東省植被冠層降雨截留能力空間格局的主導(dǎo)因素。由植被冠層降雨截留量和植被冠層降雨截留率計(jì)算公式可知,降雨量和植被葉面積指數(shù)是影響區(qū)域植被冠層降雨截留時(shí)空特征的因素,兩者的時(shí)空特征與變化共同決定著研究區(qū)內(nèi)地表植被冠層降雨截留及其變化時(shí)空特征。通過本文的研究發(fā)現(xiàn),廣東省植被冠層降雨截留能力呈現(xiàn)山區(qū)東西兩翼高,山區(qū)中部以及沿海地區(qū)低的顯著空間差異格局,這種空間格局與植被覆蓋LAI主要呈現(xiàn)由珠三角向外圍遞增的圈層空間格局特征密切相關(guān),而與由南向北逐漸遞減的降雨空間格局特征相關(guān)性不大。這是因?yàn)?廣東省雨水充沛,且以強(qiáng)度降雨較大為主[29],葉片容易達(dá)到其最大飽和截留量[39],從而導(dǎo)致植被冠層降雨截留能力主要取決于葉片面積的多少,而不受降雨量多少的約束。

(3)降雨是影響廣東省整體植被冠層降雨截留能力時(shí)間變化趨勢(shì)特征的重要因素。2004—2012年廣東省內(nèi)植被冠層降雨截留率年平均值持續(xù)下降,2016年植被冠層降雨截留率略有上升,并且隨著時(shí)間的推移,流域之間的植被冠層降雨截留率差異越來越小。這是由于隨著年均LAI的增加和年降雨量的增加,年均LAI的空間異質(zhì)性在增大(圖5),而年均降雨量的空間異質(zhì)性在減小(圖2)。在LAI植被冠層降雨截留量飽和閾值[31](公式1)和降雨量對(duì)植被冠層降雨截留率的抑制效應(yīng)(公式4)的共同作用下,年均降雨的空間同質(zhì)性對(duì)植被冠層降雨截留率空間格局的影響被進(jìn)一步放大,而年均LAI的空間異質(zhì)性對(duì)植被冠層降雨截留率空間格局的影響被進(jìn)一步縮小,最后導(dǎo)致植被冠層降雨截留率的空間差異性以及植被冠層降雨截留率在逐步減小的時(shí)間變化特征。

(4)闊葉林是廣東省植被冠層降雨截留的主要貢獻(xiàn)者。通過分析四年4個(gè)氣候帶同等森林覆蓋率的情況下的植被冠層降雨截留率發(fā)現(xiàn),植被冠層降雨截留能力在4個(gè)氣候帶中無顯著的差異。而流域內(nèi)森林覆蓋面積比例則與植被冠層降雨截留能力存在著顯著的相關(guān)關(guān)系,可見流域的植被冠層降雨截留能力受地表覆蓋的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景氣候的影響,而流域內(nèi)闊葉林占森林面積的比例對(duì)廣東省植被冠層降雨截留率起著最為關(guān)鍵的作用,但是這一結(jié)論尚需要未來更多的數(shù)據(jù)分析來支撐。

基于以上結(jié)論,在降雨量不斷增加的氣候背景下,為進(jìn)一步提高植被冠層降雨截留能力,政府應(yīng)該把重點(diǎn)放在提高地表覆蓋的LAI上,也就是進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和建設(shè)。然而,廣東省各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,自然生態(tài)本底特征差異較大,這就需要相關(guān)部門因地制宜地制定可行的政策方案,例如對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的珠三角地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地的需求量較大,應(yīng)鼓勵(lì)以公園+綠道+街角綠地為主體的綠地系統(tǒng)構(gòu)建模式；對(duì)于林地面積較高的粵北山區(qū),則應(yīng)加強(qiáng)森林的保育,促進(jìn)森林的自然演替,從而提供森林的質(zhì)量,形成較高LAI覆蓋地表比例；而對(duì)于湛江等沿海水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū),應(yīng)鼓勵(lì)以紅樹林+闊葉林+高密度草地為主體的生態(tài)系統(tǒng)覆蓋模式。