四川省石棉县森林生态系统水源涵养能力研究

吴 丹，邵全琴 ，王浩然 ，杨存建

（1. 环境保护部 南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2. 中国科学院 地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101；3. 北京城垣数字科技有限责任公司，北京 100101；4. 四川师范大学，四川 成都 610068）

四川省石棉县森林生态系统水源涵养能力研究

吴 丹1，2，邵全琴2，王浩然3，杨存建4

（1. 环境保护部 南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2. 中国科学院 地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101；3. 北京城垣数字科技有限责任公司，北京 100101；4. 四川师范大学，四川 成都 610068）

基于四川省石棉县第七次森林资源二类调查成果，通过综合蓄水能力法估算了石棉县森林生态系统的水源涵养量，分析了植被类型和立地条件差异下森林水源涵养服务的特性。结果表明：石棉县森林面积合计13.27万hm2，水源涵养总量为1.06亿m3，林冠层、枯枝落叶层和土壤层涵养水源的贡献率分别为29.03%、6.72%和64.25%；冷杉水源涵养贡献率最大（42.20%），云杉次之（14.83%），竹林最小（0.15%）；单位面积水源涵养量大小为云杉＞冷杉＞经济林，竹林单位面积水源涵养量最低（323.79 m3/hm2）。总体上，森林单位面积水源涵养量随海拔高度的增加而增大，随坡度的增加而降低；全县水源涵养能力呈现出四周高、中间低的特点。根据立地条件差异合理经营管理林区，可以发挥其更大的水源涵养功能。

水源涵养；森林清查；综合蓄水能力法；石棉县

水源涵养作为一项重要的生态系统服务，随着生态系统服务研究的迅速发展，开始受到格外关注[1-5]。广义的水源涵养服务是指生态系统内多个水文过程及其水文效应的综合表现[6]，是植被、水与土壤相互作用后所产生的综合功能的体现[7-9]。

生态系统涵养水源服务的发挥与气候、土壤、植被、地质地貌等因素密切相关，是一个极其复杂的综合调节过程，科学的水源涵养服务评估具有重要的经济和社会价值。水源涵养服务评估虽然已有基本的理论和方法，但由于不同学者对于水源涵养服务的内涵理解不同，采用的核算方法多种多样。较常用的方法有两种：一是根据植被不同作用层对降水的蓄积能力来估算[10-12]；二是基于降水、蒸散、地表径流估算调节水量作为涵养水源量[13-15]。综合蓄水能力法考虑了植被层、枯落物层和土壤层拦蓄降水的综合作用；水量平衡法以水量的输入与输出为着眼点，将区域降水量与蒸散量的差视为涵养水源量。

本研究以四川省石棉县第七次森林资源二类清查小班数据为基础，在广泛收集文献资料的基础上，运用综合蓄水能力法估算各个小班林冠层、枯枝落叶层和土壤层的水源涵养量，分析不同植被类型和立地条件差异下森林涵养水源功能的特征，旨在提升对生态系统水源涵养服务形成机理与调控机制的认识，为林区的合理经营及管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

石 棉 县（28°51′～ 29°31′N，101°56′～102°34′E）位于四川省西南部，雅安市最南端，面积2 678 km2（见图1）。地处四川东部盆地向西部高原的过度地带，地貌特征主要以山地为主，地势为西南高、东北低，最低海拔756 m，最高海拔5 675 m，地形较为陡峭，坡度大于35°地区占全县面积的54.06%。境内属于中纬度亚热带湿润季风气候区和干旱干热河谷相间区，受地形的影响，气候垂直分布较为明显。多年平均气温为16.9℃，降水量为801.3 mm。大渡河是岷江的第一大支流，亦是长江的第二支流，流经石棉县，于四川省乐山县汇入岷江，境内流程达79 km，是岷江的重要水源来源之一。

图1 四川省石棉县位置Fig. 1 Location of Shimian county, Sichuan province

1.2 研究方法

本研究采用综合蓄水能力法估算石棉县森林生态系统的水源涵养量(W)，主要包括林冠截留降水量(C)、枯枝落叶层持水量(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表示面积；i表示植被类型。

（2）枯枝落叶层持水量(L)

枯枝落叶层不单能够截持降水，还可以增进地表粗糙度，延缓地表径流，使降水通过地被物缓慢渗透到土壤中，变地表径流为地下径流。枯枝落叶的存在还能够有效抑制土壤水分蒸发，进而提高土壤层的涵养水源能力[17-18]。枯枝落叶层持水量计算公式为：

式中：β表示枯枝落叶层最大持水量（t/hm2）；A表示面积；i表示植被类型。

（3）土壤蓄水量(S)

土壤层是森林涵养水源的第三作用层，非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，对土壤的通透性和渗透性具有重要影响，既可补充地下水，又可以壤中流的形式注入到河网。土壤蓄水能力主要体现在非毛管孔隙的持水能力上[19-20]。土壤蓄水量计算公式为：

式中：γ表示土壤非毛管孔隙度（%）；D表示土层厚度；A表示面积；i表示植被类型。

1.3 数据基础

本研究以四川省石棉县第七次森林资源二类清查成果为基础，其调查信息包括地貌特征（海拔、坡度）、林木特征（乔木树种、起源、林龄、郁闭度、蓄积量）和土壤特征（类型、质地、土层厚度）。通过查阅文献资料，收集了四川东部盆地向西部高原过渡地带不同森林类型的林冠层截留率、枯枝落叶层最大持水量、土壤非毛管孔隙度等参数（见表1）。

“意志是学习中不可缺少的非智力因素……若让学生主动地阅读，就离不开意志力的培养”[9](P137)，对少儿来讲意志力的培养和锻炼尤其关键。阅读教材时其内容本身的思想性和教育性就会促进学生情感意志和智商水平的发展[9](P175)。阅读过程分语言文字到思想内容，以及反向的两个过程。同时思想教育也有其自身规律。在阅读教学中进行思想教育就须兼顾思想教育和阅读两个过程，将两者有机地结合起来[9](P183-184)。

表1 不同森林类型水源涵养量估算的相关参数†Table 1 Parameters for calculating water conservation function of different forest types

2 结果与分析

2.1 不同森林类型水源涵养功能的差异

研究区植被类型众多，主要类型包括冷杉、云杉、铁杉、栎类、松类、其他针叶林、其他阔叶林、竹林及经济林等（见图2）。石棉县森林面积共计132 721 hm2，其中冷杉面积为46 630 hm2（35.13%），云杉面积为16 299 hm2（12.28%），铁杉面积为9 999 hm2（7.53%），栎类面积为25 522 hm2（19.23%），松类面积为10 660 hm2（8.03%），其他针叶林面积为1 409 hm2（1.06%），其他阔叶林面积为19 242 hm2（14.50%），竹林面积为492 hm2（0.37%），经济林面积为2 468 hm2（1.86%）。

图2 石棉县的森林类型Fig.2 Forest types of Shimian county

石棉县森林生态系统水源涵养总量为1.06亿m3，其中林冠层截留量为3 068.23万m3，枯枝落叶层持水量为709.91万m3，土壤层蓄水量为6 788.89万m3。不同森林类型水源涵养量的大小依次为：冷杉（4 458.77万m3）＞云杉（1 567.21万m3）＞栎类（1 504.46万m3）＞其他阔叶林（1 328.16万m3）＞铁杉（827.96万m3）＞松类（581.99万m3）＞经济林（205.55万m3）＞其他针叶林（77.02万m3）＞竹林（15.91万m3）（见图3）。单位面积水源涵养量的大小依次为云杉（961.55 m3/hm2）＞冷杉（956.20 m3/hm2）＞经济林（832.84 m3/hm2）。冷杉水源涵养量最大，占全县森林水源涵养总量的42.20%，且其单位面积水源涵养量较高；竹林单位面积水源涵养量最低（323.79 m3/hm2）。

2.2 不同海拔高度森林水源涵养功能的差异

图3 不同森林类型水源涵养特征Fig.3 Characteristics of water conservation for different forest types

石棉县海拔高度呈现由中心向四周逐渐递增的趋势，西南较高，东北较低。将海拔分为＜1 500、1 500～2 000、2 000～2 500、2 500～3 000、3 000～3 500、＞3 500 m 6个等级，其对应的林地面积占比分别为7.79%、12.97%、23.94%、32.70%、17.43%和5.18%，水源涵养总量分别为633.11、1 077.29、2 256.02、3 775.96、2 195.50 和632.16万m3，单位面积水源涵养量分别为612.35、625.97、710.16、870.08、949.12 和 919.63 m3/hm2。

随着海拔高度的增加，石棉县森林单位面积水源涵养量表现出逐渐增大的趋势（见图4），这是由于不同海拔高度下生长的植被类型有所不同，海拔3 000 m以上，主要优势树种为云杉和冷杉，其水源涵养能力较强；松类、栎类、竹林等分布在海拔较低的区域，故其单位面积水源涵养量较低。石棉县森林水源涵养总量主要来自位于海拔2 000 m以上的区域，其水源涵养贡献率达83.82%。

图4 不同海拔森林水源涵养特征Fig.4 Characteristics of water conservation at different elevations

各森林类型在不同海拔高度下的单位面积水源涵养量有所差异。冷杉、云杉、铁杉及其他针叶林单位面积水源涵养量随海拔高度的增加而增大，低海拔区栎类、其他阔叶林的单位面积水源涵养量高于高海拔区，位于1 500～3 000 m海拔区域的经济林单位面积水源涵养量较高（见表2）。

表2 不同海拔下各森林类型单位面积水源涵养量Table 2 Water conservation capacity of vegetation types at different elevations (m3/hm2)

2.3 不同坡度森林水源涵养功能的差异

按照国家森林资源连续清查主要技术规定，将坡度划分为平坡（＜5°）、缓坡（5°～15°）、斜坡（15°～ 25°）、陡坡（25°～ 35°）、急坡（35°～45°）、险坡（＞45°）6个级别，其对应的林地面积占比分别为0.20%、1.91%、8.58%、34.25%、32.05%和23.01%，水源涵养总量分别为 23.98、227.09、1 102.97、3 735.80、3 301.74和2 175.43万m3，单位面积水源涵养量分别为 914.02、898.04、968.33、821.77、776.19 和712.30 m3/hm2。

石棉县森林主要分布在坡度大于25°的区域，其面积占比为89.31%，水源涵养量贡献率达87.19%，但单位面积水源涵养量相比其他坡度较低（见图5）。各森林类型在不同坡度下单位面积水源涵养量有所不同，总体上，随着坡度的增加呈现出减少的趋势，冷杉、云杉、经济林在缓坡、斜坡上的单位面积水源涵养量远大于急坡和险坡（见表3）。

图5 不同坡度森林水源涵养特征Fig.5 Characteristics of water conservation at different slopes

表3 各森林类型不同坡度下单位面积水源涵养量Table 3 Water conservation capacity of vegetation types at different slopes (m3/hm2)

2.4 森林水源涵养功能的空间分布特征

石棉县森林生态系统水源涵养能力呈现出四周高、中间低的特点（见图6），这与其海拔分布趋势表现一致。水源涵养能力＞1 000 m3/hm2的森林面积占比为18.55%，主要分布树种为冷杉、云杉和铁杉；水源涵养能力＜500 m3/hm2的森林面积占比为8.88%，主要分布树种为栎类、松类和竹林。

3 结 论

图6 石棉县森林生态系统水源涵养能力空间分布Fig.6 Spatial distribution of water conservation capacity of forest ecosystems in Shimian county

基于石棉县森林资源二类调查数据，通过查阅文献资料收集参数信息，本研究运用综合蓄水能力法对石棉县森林生态系统的水源涵养量进行了估算，并从森林类型、海拔高度、坡度三方面比较分析了森林涵养水源功能的差异。

（1）四川省石棉县森林面积为13.27万hm2，水源涵养总量为1.06亿m3，其中林冠层截留量为3 068.23万m3，占水源涵养总量的29.03%；枯枝落叶层持水量为709.91万m3，占总量的6.72%；土壤层蓄水量为6 788.89万m3，占总量的64.25%。土壤是生态系统中水分贮蓄的最主要场所。

（2）冷杉水源涵养贡献率最大（42.20%），云杉次之（14.83%），竹林最小（0.15%）。单位面积水源涵养量大小排序为云杉＞冷杉＞经济林，竹林单位面积水源涵养量最低（323.79 m3/hm2）。

（3）森林水源涵养总量主要来自位于海拔2 000 m以上的区域，其水源涵养贡献率达83.82%。冷杉、云杉、铁杉及其他针叶林单位面积水源涵养量随海拔高度的增加而增大。

（4）分布在坡度大于25°区域的森林水源涵养量贡献率达87.19%，但单位面积水源涵养量相比其他坡度较低。总体上，单位面积水源涵养量随坡度的增加表现出减少的趋势。

4 讨 论

石棉县是长江中上游退耕还林和天保工程的重点地区，开展生态系统水源涵养功能研究，有助于提升对生态系统水源涵养能力形成机理与调控机制的认识，充分发挥和提升自然生态系统的水源涵养空间，也可以为合理经营管理水源林区提供一定科学依据。

生态系统涵养水源服务的实质是植被层、枯枝落叶层和土壤层对降雨进行再分配的复杂过程。植被类型的林冠结构、林下枯落物组成及现存量、土壤物理性质的不同导致水源涵养能力有所差异。石棉县水源涵养能力较强的树种主要是云杉和冷杉，其林冠层较为茂盛，截留能力较强，且所处区域的土层较厚。竹林单位面积水源涵养量最低，主要是因为其所处地域土层厚度及土壤非毛管孔隙度较低。

同一植被类型在不同立地条件下水源涵养能力表现不同，如在海拔＜2 000 m较为平缓的区域，经济林水源涵养能力较高；而在海拔较高、坡度较缓的区域，云杉、冷杉具有较高的水源涵养能力；坡度大于25°的地区，森林植被单位面积水源涵养量通常较低。因地制宜，合理调整森林资源结构、提高森林资源质量、促进森林生长发育，有利于更大程度地发挥森林生态系统涵养水源的功能。

实验观测是水源涵养研究的基础，可以用来揭示水源涵养服务的形成过程与变化机理。受研究方法与资料的局限性，本研究主要通过文献资料搜集所需参数数据开展分析，不能很好地反映研究区实际状况。后续研究将侧重于整合相关历史调查数据及实地开展连续定位观测，从而分析石棉县森林生态系统水源涵养能力的时空动态变化及未来情景模拟。

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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

国家科技支撑计划项目（2013BAC03B00）；环保公益性行业科研专项（201409055）

吴 丹，博士研究生

邵全琴，研究员；E-mail：shaoqq@lreis.ac.cn

吴 丹，邵全琴，王浩然，等.四川省石棉县森林生态系统水源涵养能力研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(5):80-86.

S718.5

A

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

[本文编校：谢荣秀]