喀斯特山区森林生态系统水源涵养功能研究

李文芳，余春娅，王霄念，刘弋菱

(贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001 )

森林生态系统是指在一定地域环境内生存的生物群落与环境之间进行能量转换和信息传递的统一体[1]。森林作为陆地生态系统的重要构成部分，具有保持水土、调节气候、涵养水源、改善水质等多种功能[2]，随着全球水资源需求量的不断增加以及水资源环境的日益恶化，水资源紧缺这一全球性问题已成为世人所关注的共同性话题[3]，而森林生态系统有着对降水能进行重新分配的重要功能,因此森林生态系统的水源涵养功能也开始受到人们的广泛关注[4]。在现有研究中，众多学者从不同区域、不同尺度出发，对不同类型森林水源涵养功能的水文过程和形成机制展开了深入研究[5]。如吴丹等[6]运用综合蓄水能力法估算了四川省石棉县水源涵养能力及分析了在植被类型和立地差异下森林水源涵养服务的特性；丁访军等[4]运用水平衡法和土壤蓄水功能评估了江西大岗山森林生态系统水源涵养功能及其时空分布格局；刘璐璐等[7]运用综合蓄水能力法对南北盘江进行了水源涵养功能评价。

由于研究者们的研究视角、思想不同，采用的技术手段各异，以及对森林涵养水源的过程和机理的理解不同，不同计量方法之间也存在着各自的特点、优势和局限性[8]。如综合蓄水能力法从各个方面考虑了林冠层截留量、枯落物持水量和土壤层贮水量，虽然比较全面，但需要许多实测数据，计算起来相对比较复杂[9]。土壤蓄水法仅考虑了土壤层的最大持水能力，计算结果不全面也欠缺精准性[10]。从研究区的区域尺度、计算方法、数据获取的难易程度等影响因素考虑[11]，相对而言，降水贮存量法是利用森林的储水效应来估量水源涵养功能，所需数据量少，简单易行[12]，结果能够较为客观地反映本文研究区森林生态系统类型的水源涵养能力。

黔西南州具有典型的喀斯特生境，而喀斯特地貌裂隙发育普遍、地质结构薄弱，地表水常因低洼处漏斗和落水洞补给成为地下水，地表缺水成为喀斯特地貌的一个显著特征。森林生态系统涵养功能能够有效地调节水循环、改善水质、拦截蓄水，因此，研究喀斯特森林生态系统的水源涵养功能对于喀斯特山区涵养水源极为重要。黔西南州作为西部大开发中生态环境的重点治理区域[13]，区内水土流失和石漠化较为严重,植被覆盖度遭受人为、自然破坏的程度高。近几年来，不少学者以黔西南州土壤质量[14]、植被恢复[15]、石漠化治理[16]、石漠化空间分布[17]等作为研究热点，但对于该区域森林生态系统水源涵养能力研究鲜见报道。水是植被恢复主要限制因素之一[18]，研究该地区的森林水源涵养功能具有一定理论与现实意义。文章基于黔西南州2009—2010年特大干旱年背景下[19]，采用降水贮存量法，使用降水量数据、土地利用类型数据，综合考虑研究区自然地理环境、森林类型及其空间分布差异，分析黔西南州森林水源涵养功能，以期通过本研究能够为喀斯特地区森林水源涵养量的计算提供方法指导和理论基础。

1 研究区概况

位于贵州省西南部的黔西南布依族苗族自治州，素有“西南屏障”和“滇黔锁钥”之称，地理位置为东经104°35′～106°32′，北纬24°38′～26°11′。首府为兴义市，全州辖兴义市和普安县、晴隆县、兴仁县、贞丰县、安龙县、册亨县、望谟县共8个县市。土地面积为16 804 km2，人口共计348万，有布依族、苗族、汉族、瑶族、仡佬族等35个民族。全州气候属亚热带季风湿润气候，多年平均气温在13.8℃～19.4℃，年平均降水量为1 352.8 mm，热量充足，雨量充沛，雨热同期，终年温暖湿润。黔西南州属于珠江水系的南北盘江流域，是典型的低纬度高海拔山区。州境内地形、地貌较为复杂，整体地势呈现西高东低、北高南低走向，岩性以灰岩为主，喀斯特地貌面积占全州区面积的一半以上。州内的典型喀斯特景观——万峰林是中国西南三大喀斯特地貌之一。黔西南州大部分地区森林覆盖率较小，存在石漠化、土壤侵蚀严重、植被破坏等情况，由此衍生出了多种生态环境问题。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

文章以研究黔西南州森林生态系统水源涵养功能为出发点，以降水数据、植被类型数据为数据基础，分析黔西南8个县、市各森林类型的水源涵养能力及空间差异。降水数据是来源于贵州省各个气象台站的气象数据，2010年植被类型数据是通过高分辨率影像目视解译得到(图1)。

2.2 研究方法

利用降水贮存量法对研究区不同森林生态系统水源涵养能力进行公式计算，即利用森林生态系统的储水效应来估量其涵养水源的功能[20]，公式如下:

Q=A×J×R

(1)

J=J0×K

(2)

R=R0-Rg

(3)

式中Q——与裸地对比，森林等生态系统涵养水分的增长量，mm·hm2/a；A——森林生态系统面积，hm2；J——研究区多年平均产流降雨量(P>20 mm),mm；J0——研究区多年平均降雨总量,mm；K——研究区产流降雨量占降水总量的比例，取南方区数值0.6[21]；R——与裸地比较生态系统减少径流的效益系数；R0——产流降雨条件下裸地的降雨径流率；Rg——产流降雨条件下的森林生态系统降雨径流率。

中国主要生态系统类型的R值[22]，见表1。

图1 研究区植被类型

表1 不同生态系统R值

3 数据处理与结果分析

3.1 数据处理

3.1.1生态系统类型及面积

本文以黔西南州为研究区域，根据中国生态系统类型分类体系，结合黔西南州的自然地理环境等特点，将黔西南州森林生态系统类型分为9类，包括：常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林、灌木园地、常绿阔叶灌木林、落叶阔叶灌木林、稀疏灌木林、乔木园地。森林生态系统面积见表2，其中，基于ArcGIS栅格计算器可得到各生态系统面积。

表2 黔西南州不同森林生态系统类型面积统计

3.1.2年均降水量

根据贵州省黔西南州及周边各气象站点2005—2010年降水量数据统计得到各站点的多年平均降水量，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(图2)。

图2 黔西南州多年平均降水量分布

3.1.3水源涵养量

空间模型构建运算：根据降水贮存量法公式，可看出生态系统面积、R值、多年平均降水量值是影响研究区水源涵养量的主要因素，利用ArcGIS中的空间统计和栅格计算器，对公式中所需因子进行空间计算，得出黔西南州2010年水源涵养量分布(图3)。

图3 黔西南州水源涵养量分布

3.2 结果分析

3.2.1森林水源涵养功能空间分布

通过对研究区森林生态系统面积、R值、多年平均降水值的计算和统计，分析得出2010年黔西南州森林生态系统水源涵养总量为1.89×1010m3，单位面积水源涵养总量为1.98×105m3。

从整体来看(图3)，黔西南州水源涵养量分布为中间高，四周低；南部高，北部低；西部高、东部低。从各个区域来看(表3)，8个县、市水源涵养量比例排序为：兴义(19.42%)>望谟(18.20%)>册亨(15.08%)>安龙(14.97%)>兴仁(10.37%)>普安(9.42%)>晴隆(7.09%)>贞丰(5.45%)。统计得出，兴义市、望谟县、册亨县、安龙县森林生态系统水源涵养量占总量的一半以上，而4个县、市森林类型面积共占68%，可见水源涵养量与森林类型面积有着密切联系。其中，兴义市、册亨县有大面积落叶阔叶林，安龙分布有大面积常绿针叶林，望谟有大面积常绿阔叶林，因此，水源涵养功能较高，而贞丰县、晴隆县森林类型面积小，水源涵养功能较低。

表3 黔西南州各县、市森林生态系统水源涵养量

3.2.2不同森林类型水源涵养量

由图4分析得出，面积与水源涵养量成正相关关系，相对而言，森林面积越大，水源涵养量越多，水源涵养贡献率越大。黔西南州森林类型主要以落叶阔叶林、常绿针叶林、常绿阔叶灌木林为主，面积占比分别为23.40%、23.79%、27.01%。3种森林类型面积占总面积的74.2%，水源涵养量占森林涵养水源总量的77.41%。其中，常绿针叶林水源涵养量(表4)为54.04×108m3，约占总量的28.60%；其次为常绿阔叶灌木林，为52.83×108m3，水源涵养贡献率(表4)为27.97%；落叶阔叶林低于常绿阔叶灌木林，水源涵养量占水源涵养总量的20.84%，水源涵养量为39.38×108m3；针阔混交林涵养水源量最少，水源涵养总量为1.65×108m3，贡献率仅为0.87%。森林水源涵养量可排序为：常绿针叶林>常绿阔叶灌木林>落叶阔叶林>落叶阔叶灌木林>常绿阔叶林>稀疏灌木林>乔木园地>灌木园地>针阔混交林。

图4 黔西南州不同森林类型面积占比及水源涵养贡献率

表4 黔西南州不同森林生态系统类型面积占比、水源涵养贡献率、涵养量

单位面积水源涵养量是评价森林水源涵养能力高低的表现。因此，就不同森林生态系统单位面积水源涵养量来说，如表4，黔西南州针阔混交林涵养水源能力最强，单位面积水源涵养量为3.09×104m3；其次为常绿阔叶林，单位面积水源涵养量为2.90×104m3；常绿针叶林略低于常绿阔叶林，单位面积水源涵养量为2.88×104m3；灌木园地单位面积水源涵养量最低，为1.04×104m3。水源涵养功能排序为：针阔混交林>常绿阔叶林>常绿针叶林>常绿阔叶灌木林>落叶阔叶灌木林>落叶阔叶林>稀疏灌木林>乔木园地>灌木园地。

4 结论与讨论

4.1 结论

文章以ArcGIS软件为平台，基于黔西南州降水数据、2010年植被类型数据，利用降水贮存量法公式，计算和分析研究区不同森林生态系统类型的水源涵养量及其空间分布情况，得出以下结论。

a)整体来看，黔西南州森林生态系统水源涵养总量为1.89×1010m3，单位面积水源涵养总量为1.98×105m3。具体分布情况为中间高、四周低；南部高、北部低；东部高、南部低。黔西南州森林涵养水源量的空间差异与森林类型分布、森林类型面积等因素有关，水源涵养量高的地区，森林类型多为常绿针叶林、常绿阔叶灌木林、落叶阔叶林，且森林覆盖率较高。

b)局部来看，兴义市是森林生态系统水源涵养量的高值区，被誉为“中国绿色生态城市”的兴义具有独特的低纬度中海拔、丰富的景观资源优势，分布有大面积森林类型，涵养水源量最多。望谟县、册亨县次之，贞丰县最少。从各个行政区的森林生态系统水源涵养量来看，森林生态系统对于水量的保存具有重要作用，应该加强对森林生态系统的保护。

c)研究区森林类型以常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、常绿针叶林为主。不同森林类型水源涵养贡献率和能力不同，常绿针叶林水源涵养贡献率最高，其次为常绿阔叶灌木林，最低的为针阔混交林，原因是该森林类型分布面积小、R值低等。单位面积水源涵养能力是评价森林水源涵养能力高低的表现，9种森林类型中，针阔混交林水源涵养能力强于常绿针叶林，而落叶阔叶林水源涵养能力最低。

4.2 讨论

森林作为黔西南州最为丰富的生物资源之一,具有良好的水源涵养能力，随着经济社会的发展，人们不合理的开发利用使得黔西南州植被覆盖率大大降低，石漠化、生态系统退化等问题频发，而森林对于黔西南州保持水土、涵养水源、调节气候具有重要作用，有效评估森林生态系统水源涵养功能能够对黔西南州建立长效生态补偿机制提供理论前提和现实基础。因此，应加强对森林资源的培育保护，优化土地利用空间结构以及制定合理的开发政策，坚持走可持续发展道路，促进经济与生态的协调发展。

本文采用降水贮存量法对森林水源涵养功能进行估算，算法简单，数据容易获取，但该方法受降水量影响较大，结果反映理论涵养量，对于实际情况今后可结合不同方法加以计算。此外，通过目视解译得到的植被类型受多方面因素影响，导致植被类别存在一定偏差，且过程中没有考虑到该研究区的空间演化情况，还有待于进一步的研究分析。

最后，生态系统水源涵养功能可能会因喀斯特地貌的特殊构成受到一定影响，今后，可结合多种算法模型，对不同生态类型水源涵养功能进行演算以及对岩性和生态系统水源涵养功能的相关性进行分析，以期为当地生态环境、水土保持、资源开发的利用和保护工作提供借鉴。