喀斯特山區森林生態系統水源涵養功能研究

李文芳，余春婭，王霄念，劉弋菱

(貴州師范大學喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001 )

森林生態系統是指在一定地域環境內生存的生物群落與環境之間進行能量轉換和信息傳遞的統一體[1]。森林作為陸地生態系統的重要構成部分，具有保持水土、調節氣候、涵養水源、改善水質等多種功能[2]，隨著全球水資源需求量的不斷增加以及水資源環境的日益惡化，水資源緊缺這一全球性問題已成為世人所關注的共同性話題[3]，而森林生態系統有著對降水能進行重新分配的重要功能,因此森林生態系統的水源涵養功能也開始受到人們的廣泛關注[4]。在現有研究中，眾多學者從不同區域、不同尺度出發，對不同類型森林水源涵養功能的水文過程和形成機制展開了深入研究[5]。如吳丹等[6]運用綜合蓄水能力法估算了四川省石棉縣水源涵養能力及分析了在植被類型和立地差異下森林水源涵養服務的特性；丁訪軍等[4]運用水平衡法和土壤蓄水功能評估了江西大崗山森林生態系統水源涵養功能及其時空分布格局；劉璐璐等[7]運用綜合蓄水能力法對南北盤江進行了水源涵養功能評價。

由于研究者們的研究視角、思想不同，采用的技術手段各異，以及對森林涵養水源的過程和機理的理解不同，不同計量方法之間也存在著各自的特點、優勢和局限性[8]。如綜合蓄水能力法從各個方面考慮了林冠層截留量、枯落物持水量和土壤層貯水量，雖然比較全面，但需要許多實測數據，計算起來相對比較復雜[9]。土壤蓄水法僅考慮了土壤層的最大持水能力，計算結果不全面也欠缺精準性[10]。從研究區的區域尺度、計算方法、數據獲取的難易程度等影響因素考慮[11]，相對而言，降水貯存量法是利用森林的儲水效應來估量水源涵養功能，所需數據量少，簡單易行[12]，結果能夠較為客觀地反映本文研究區森林生態系統類型的水源涵養能力。

黔西南州具有典型的喀斯特生境，而喀斯特地貌裂隙發育普遍、地質結構薄弱，地表水常因低洼處漏斗和落水洞補給成為地下水，地表缺水成為喀斯特地貌的一個顯著特征。森林生態系統涵養功能能夠有效地調節水循環、改善水質、攔截蓄水，因此，研究喀斯特森林生態系統的水源涵養功能對于喀斯特山區涵養水源極為重要。黔西南州作為西部大開發中生態環境的重點治理區域[13]，區內水土流失和石漠化較為嚴重,植被覆蓋度遭受人為、自然破壞的程度高。近幾年來，不少學者以黔西南州土壤質量[14]、植被恢復[15]、石漠化治理[16]、石漠化空間分布[17]等作為研究熱點，但對于該區域森林生態系統水源涵養能力研究鮮見報道。水是植被恢復主要限制因素之一[18]，研究該地區的森林水源涵養功能具有一定理論與現實意義。文章基于黔西南州2009—2010年特大干旱年背景下[19]，采用降水貯存量法，使用降水量數據、土地利用類型數據，綜合考慮研究區自然地理環境、森林類型及其空間分布差異，分析黔西南州森林水源涵養功能，以期通過本研究能夠為喀斯特地區森林水源涵養量的計算提供方法指導和理論基礎。

1 研究區概況

位于貴州省西南部的黔西南布依族苗族自治州，素有“西南屏障”和“滇黔鎖鑰”之稱，地理位置為東經104°35′～106°32′，北緯24°38′～26°11′。首府為興義市，全州轄興義市和普安縣、晴隆縣、興仁縣、貞豐縣、安龍縣、冊亨縣、望謨縣共8個縣市。土地面積為16 804 km2，人口共計348萬，有布依族、苗族、漢族、瑤族、仡佬族等35個民族。全州氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均氣溫在13.8℃～19.4℃，年平均降水量為1 352.8 mm，熱量充足，雨量充沛，雨熱同期，終年溫暖濕潤。黔西南州屬于珠江水系的南北盤江流域，是典型的低緯度高海拔山區。州境內地形、地貌較為復雜，整體地勢呈現西高東低、北高南低走向，巖性以灰巖為主，喀斯特地貌面積占全州區面積的一半以上。州內的典型喀斯特景觀——萬峰林是中國西南三大喀斯特地貌之一。黔西南州大部分地區森林覆蓋率較小，存在石漠化、土壤侵蝕嚴重、植被破壞等情況，由此衍生出了多種生態環境問題。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

文章以研究黔西南州森林生態系統水源涵養功能為出發點，以降水數據、植被類型數據為數據基礎，分析黔西南8個縣、市各森林類型的水源涵養能力及空間差異。降水數據是來源于貴州省各個氣象臺站的氣象數據，2010年植被類型數據是通過高分辨率影像目視解譯得到(圖1)。

2.2 研究方法

利用降水貯存量法對研究區不同森林生態系統水源涵養能力進行公式計算，即利用森林生態系統的儲水效應來估量其涵養水源的功能[20]，公式如下:

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中Q——與裸地對比，森林等生態系統涵養水分的增長量，mm·hm2/a；A——森林生態系統面積，hm2；J——研究區多年平均產流降雨量(P>20 mm),mm；J0——研究區多年平均降雨總量,mm；K——研究區產流降雨量占降水總量的比例，取南方區數值0.6[21]；R——與裸地比較生態系統減少徑流的效益系數；R0——產流降雨條件下裸地的降雨徑流率；Rg——產流降雨條件下的森林生態系統降雨徑流率。

中國主要生態系統類型的R值[22]，見表1。

圖1 研究區植被類型

表1 不同生態系統R值

3 數據處理與結果分析

3.1 數據處理

3.1.1生態系統類型及面積

本文以黔西南州為研究區域，根據中國生態系統類型分類體系，結合黔西南州的自然地理環境等特點，將黔西南州森林生態系統類型分為9類，包括：常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、灌木園地、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉灌木林、稀疏灌木林、喬木園地。森林生態系統面積見表2，其中，基于ArcGIS柵格計算器可得到各生態系統面積。

表2 黔西南州不同森林生態系統類型面積統計

3.1.2年均降水量

根據貴州省黔西南州及周邊各氣象站點2005—2010年降水量數據統計得到各站點的多年平均降水量，利用ArcGIS中的克里金插值法，得出黔西南州多年平均降水量分布(圖2)。

圖2 黔西南州多年平均降水量分布

3.1.3水源涵養量

空間模型構建運算：根據降水貯存量法公式，可看出生態系統面積、R值、多年平均降水量值是影響研究區水源涵養量的主要因素，利用ArcGIS中的空間統計和柵格計算器，對公式中所需因子進行空間計算，得出黔西南州2010年水源涵養量分布(圖3)。

圖3 黔西南州水源涵養量分布

3.2 結果分析

3.2.1森林水源涵養功能空間分布

通過對研究區森林生態系統面積、R值、多年平均降水值的計算和統計，分析得出2010年黔西南州森林生態系統水源涵養總量為1.89×1010m3，單位面積水源涵養總量為1.98×105m3。

從整體來看(圖3)，黔西南州水源涵養量分布為中間高，四周低；南部高，北部低；西部高、東部低。從各個區域來看(表3)，8個縣、市水源涵養量比例排序為：興義(19.42%)>望謨(18.20%)>冊亨(15.08%)>安龍(14.97%)>興仁(10.37%)>普安(9.42%)>晴隆(7.09%)>貞豐(5.45%)。統計得出，興義市、望謨縣、冊亨縣、安龍縣森林生態系統水源涵養量占總量的一半以上，而4個縣、市森林類型面積共占68%，可見水源涵養量與森林類型面積有著密切聯系。其中，興義市、冊亨縣有大面積落葉闊葉林，安龍分布有大面積常綠針葉林，望謨有大面積常綠闊葉林，因此，水源涵養功能較高，而貞豐縣、晴隆縣森林類型面積小，水源涵養功能較低。

表3 黔西南州各縣、市森林生態系統水源涵養量

3.2.2不同森林類型水源涵養量

由圖4分析得出，面積與水源涵養量成正相關關系，相對而言，森林面積越大，水源涵養量越多，水源涵養貢獻率越大。黔西南州森林類型主要以落葉闊葉林、常綠針葉林、常綠闊葉灌木林為主，面積占比分別為23.40%、23.79%、27.01%。3種森林類型面積占總面積的74.2%，水源涵養量占森林涵養水源總量的77.41%。其中，常綠針葉林水源涵養量(表4)為54.04×108m3，約占總量的28.60%；其次為常綠闊葉灌木林，為52.83×108m3，水源涵養貢獻率(表4)為27.97%；落葉闊葉林低于常綠闊葉灌木林，水源涵養量占水源涵養總量的20.84%，水源涵養量為39.38×108m3；針闊混交林涵養水源量最少，水源涵養總量為1.65×108m3，貢獻率僅為0.87%。森林水源涵養量可排序為：常綠針葉林>常綠闊葉灌木林>落葉闊葉林>落葉闊葉灌木林>常綠闊葉林>稀疏灌木林>喬木園地>灌木園地>針闊混交林。

圖4 黔西南州不同森林類型面積占比及水源涵養貢獻率

表4 黔西南州不同森林生態系統類型面積占比、水源涵養貢獻率、涵養量

單位面積水源涵養量是評價森林水源涵養能力高低的表現。因此，就不同森林生態系統單位面積水源涵養量來說，如表4，黔西南州針闊混交林涵養水源能力最強，單位面積水源涵養量為3.09×104m3；其次為常綠闊葉林，單位面積水源涵養量為2.90×104m3；常綠針葉林略低于常綠闊葉林，單位面積水源涵養量為2.88×104m3；灌木園地單位面積水源涵養量最低，為1.04×104m3。水源涵養功能排序為：針闊混交林>常綠闊葉林>常綠針葉林>常綠闊葉灌木林>落葉闊葉灌木林>落葉闊葉林>稀疏灌木林>喬木園地>灌木園地。

4 結論與討論

4.1 結論

文章以ArcGIS軟件為平臺，基于黔西南州降水數據、2010年植被類型數據，利用降水貯存量法公式，計算和分析研究區不同森林生態系統類型的水源涵養量及其空間分布情況，得出以下結論。

a)整體來看，黔西南州森林生態系統水源涵養總量為1.89×1010m3，單位面積水源涵養總量為1.98×105m3。具體分布情況為中間高、四周低；南部高、北部低；東部高、南部低。黔西南州森林涵養水源量的空間差異與森林類型分布、森林類型面積等因素有關，水源涵養量高的地區，森林類型多為常綠針葉林、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉林，且森林覆蓋率較高。

b)局部來看，興義市是森林生態系統水源涵養量的高值區，被譽為“中國綠色生態城市”的興義具有獨特的低緯度中海拔、豐富的景觀資源優勢，分布有大面積森林類型，涵養水源量最多。望謨縣、冊亨縣次之，貞豐縣最少。從各個行政區的森林生態系統水源涵養量來看，森林生態系統對于水量的保存具有重要作用，應該加強對森林生態系統的保護。

c)研究區森林類型以常綠闊葉林、常綠闊葉灌木林、常綠針葉林為主。不同森林類型水源涵養貢獻率和能力不同，常綠針葉林水源涵養貢獻率最高，其次為常綠闊葉灌木林，最低的為針闊混交林，原因是該森林類型分布面積小、R值低等。單位面積水源涵養能力是評價森林水源涵養能力高低的表現，9種森林類型中，針闊混交林水源涵養能力強于常綠針葉林，而落葉闊葉林水源涵養能力最低。

4.2 討論

森林作為黔西南州最為豐富的生物資源之一,具有良好的水源涵養能力，隨著經濟社會的發展，人們不合理的開發利用使得黔西南州植被覆蓋率大大降低，石漠化、生態系統退化等問題頻發，而森林對于黔西南州保持水土、涵養水源、調節氣候具有重要作用，有效評估森林生態系統水源涵養功能能夠對黔西南州建立長效生態補償機制提供理論前提和現實基礎。因此，應加強對森林資源的培育保護，優化土地利用空間結構以及制定合理的開發政策，堅持走可持續發展道路，促進經濟與生態的協調發展。

本文采用降水貯存量法對森林水源涵養功能進行估算，算法簡單，數據容易獲取，但該方法受降水量影響較大，結果反映理論涵養量，對于實際情況今后可結合不同方法加以計算。此外，通過目視解譯得到的植被類型受多方面因素影響，導致植被類別存在一定偏差，且過程中沒有考慮到該研究區的空間演化情況，還有待于進一步的研究分析。

最后，生態系統水源涵養功能可能會因喀斯特地貌的特殊構成受到一定影響，今后，可結合多種算法模型，對不同生態類型水源涵養功能進行演算以及對巖性和生態系統水源涵養功能的相關性進行分析，以期為當地生態環境、水土保持、資源開發的利用和保護工作提供借鑒。