森林质量指数变化对江西省遂川县多年降雨径流的影响1)
2021-12-03周勇徐童心杨皓王柏昌常猛庄家尧
周勇 徐童心 杨皓 王柏昌 常猛 庄家尧
(南京林业大学，南京，210037) (国家林业和草原局华东调查规划设计院) (江苏中煤长江生态环境科技有限公司) (南京林业大学)
森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分之一，为人类社会提供了各种物质和资源[1]。而森林生态系统中水文性能是森林一项重要的服务功能，从水文调节过程来讲，主要分为5大水文效应：林冠截留、树干流、枯落物、土壤和林地蒸腾蒸发[2]。森林和水的相互作用关系一直是林学、生态学关注的热点问题，在全球气候变化和人为剧烈活动的大环境背景下，河川径流在时间和空间上的变化，能够引起水资源的重新分配，并改变生态系统的演化过程[3]。森林植被连接着土壤层和大气层，具有截留降水、减少雨滴击溅、增加土壤入渗等生态功能[4]。还能削弱降雨的冲击力与侵蚀力，很大程度地减小了地表径流量及径流速度，减弱了雨水对地表的直接冲击和侵蚀，使林地表层土壤不会轻易流失[5]。
以往国内外学者多为对森林植和对降雨径流的影响作用大小的问题研究[6-10]，而森林质量变化对径流变化的研究较少，尤其是中国南方红壤丘陵区。一些森林植被对产流的影响研究中没有考虑森林质量的差异，特别是地表覆盖的差异[11]。因此，为了分析不同时期森林质量水平和趋势变化规律，探讨径流趋势变化及对植被变化的响应关系，进一步分析森林质量的变化对径流产生的影响，本文以遂川县域1989—2018年的天然降雨、径流序列数据为基础，运用小波分析等方法对石城降雨径流进行研究，结合遂川县域1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季6期遥感影像计算出森林质量指数，建立遂川县域的降雨-径流-森林三维空间模型。可为定量监测和科学评价南方红壤丘陵区水土流失与生态环境状况提供依据，指导南方红壤丘陵区的水土流失综合治理和水文水资源研究，进一步增强森林涵养水源功能价值评估科学性，为县域解决低效林改造问题提供理论指导。
1 研究区概况
遂川县位于江西省吉安市西南部(25°58′32″～26°42′55″N，113°56′55″～114°45′45″E)(图1)。总面积3 144.17 km2。总体地形为山多田少，整体地势像一个向东北开口的簸箕，自西南向东北依次分布有中山、低山、丘陵和河谷平原。县境水系发达，河网密布，遂川江、蜀水是域内2大河流，属赣江一级支流[12]。县境属中亚热带湿润季风气候区。年平均气温在11.5 ℃，年平均降水量1 421.2 mm，年平均无霜期284 d。遂川县属于南方红壤丘陵水力侵蚀区，因为历史原因和自然灾害，早期的森林资源遭到大面积的消失，造成严重的水土流失，严重的水土流失易造成自然灾害，如山体滑坡、洪涝等[13]。面对这一严峻的形势，赣州市委市政府做出战略决策，从1984年开始在行政区内播种和营造大量的马尾松(Pinusmassoniana)林。但由于当时各个下辖县经济基础薄弱，没有财力对营造的马尾松林进行抚育管理[14]，再加上立地条件差等其他客观原因，导致行政区内出现大量以马尾松人工林为主体结构的低效林。
图1 遂川县域地理位置示意图
2 数据来源与研究方法
1989—2018年的水文数据包括径流实测数据、降雨实测数据等均来自江西省南昌市水文局。本研究中的遥感影像数据以Landsat4-5和Landsat8卫星影像为数据源。结合水文数据年份区间，在中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)下载年份为1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季无云覆盖的TM影像，其空间分辨率为30m。森林资源二类调查数据来源于江西省石城县林业局。
2.1 水文数据分析
本文采用降雨径流的丰枯等级变化，该等级变化以距平百分率(P)作为划分标准，分为丰、平、枯年，距平百分率P=(某年降雨径流量-30 a平均降雨径流量)/30 a平均降雨径流量，具体的划分标准：当-0.1
2.2 森林质量指数的判定
通过植被覆盖度、林冠郁闭度和地表枯落物覆盖度对森林质量等级因子值进行判定，进而通过等级面积相应比例得出森林质量指数。植被覆盖度通过遥感影像图提取研究区域的土地覆盖分类图[16-20]，并利用软件envi5.2计算；林冠郁闭度和地表枯落物覆盖度通过森林资源二类调查数据和实地调查数据进行判定和划分。森林质量指数判定如公式(1)所示：
(1)
式中:Si为等级面积，S为研究区总面积，Qi为森林质量等级因子值，β为森林质量指数值。
表1 森林质量等级因子值确定范围
本文对遂川县域1989、1995、2001、2004、2010和2017年6期遥感影像进行植被覆盖度计算，并根据森林质量等级因子值确定范围表提取得到遂川县域的森林质量等级分布图，利用软件ArcGIS快速统计功能统计森林质量等级面积分布，计算出相应的森林质量指数，再结合水文数据实际情况，把1989—2018年每5 a作为一个观测阶段对各流域径流数据进行统计，综合统计遂川县域森林质量指数、降雨量、径流模数、径流量和径流系数等阶段变化。并通过线性回归分析法对数据进行趋势变化分析。
2.3 小波分析
(2)
2.4 森林拦蓄降雨模型建立
森林植被的存在可以拦截部分降雨，其中林冠层和地表枯落物层起到主要的拦截作用。当降雨强度一致时，有植被覆盖的区域和无植被覆盖的区域会对径流产生不同的影响，有时差别很大，本节基于这一理论出发，尝试建立模型定量描述降雨、径流和森林植被之间的响应关系，探索三者之间的变化规律，完善森林水文生态系统理论知识。根据水量平衡理论，森林植被拦蓄降雨越多，研究区域产生的径流越少，森林拦蓄降雨能力大小与拦蓄容量有关，本文森林拦蓄降雨模型采用刘昌明院士[28]的森林拦蓄降雨极限容量模型：
(3)
(3)式中，Q为径流深(mm)；P为降雨量(mm)；(1/K)=MIT为森林最大可能拦蓄降雨；刘道平[29]等在MIT=ba+c的假设基础上，提出如下模型改进：
(4)
森林植被对降水径流的影响较为复杂，本文结合实际情况，提高模型的精确度，将森林覆盖率替换为森林质量指数(β)，更为准确地预测径流。
森林植被对降水径流的影响较为复杂，在此之前，森林覆盖对流域产流产沙的影响研究中没有考虑森林质量的差异，特别是地表覆盖的差异，而不同地表覆盖的森林水源涵养及土壤保持功能差异巨大，同时考虑，刘道平[29]研究选址在浙江省安吉县，该县域森林多年变化相对较小，而遂川县由于战争等历史原因，森林覆盖率及森林质量变化较大，仅考虑森林覆盖率研究误差较大，为提高模型的精确度，本次研究采用森林质量指数(β)代替森林覆盖率进行研究，更为准确地预测径流：
(5)
式中：Q为径流深(mm)；P为降雨量(mm)；β为森林质量指数(%)。
3 结果与分析
3.1 降雨径流年际变化趋势
对遂川县域1989—2018年降雨观测资料进行统计(图2)，遂川县域多年平均年降水量为1 815.0 mm，其中丰水期多年平均降水量为1 281.3 mm，枯水期多年平均降水量为533.6 mm。最大年降水量(2 556.3 mm)为最小年降水量(1 248.8 mm)的2.0倍。遂川县域丰水年、平水年、枯水年对应的年降水量分别为2 159.0、1 824.4、1 496.3 mm。
图2 遂川县域降雨量年际分布特征
径流年际变化分析。遂川县域1989—2018年径流数据如图3所示，遂川县域多年平均径流量为3.96亿m3，年径流量总体呈缓慢下降趋势，最小年径流量为2.75亿m3，遂川县域丰水年、平水年、枯水年对应的年均径流量分别为4.51、4.09、3.21亿m3。丰水年年均径流系数最高为0.77，之后是枯水年和平水年，年均径流系数分别为0.74、0.72，遂川县域丰水年降水量、径流量均大于其他特征年份，且产流能力较平水年、枯水年更高。
图3 遂川县域年径流量分布特征
降雨径流年际响应。将遂川县域多年降雨量与径流深随时间的变化绘制成图4。表明研究时段内遂川县域年降水量和年径流深均呈正相关关系，即径流深随降雨量的增加而增加，相关系数为R2=0.603 5。
图4 遂川县域降雨量和径流深变化分析
3.2 森林质量指数年代变化特征
图5为各年份森林质量指数计算结果，利用软件ArcGIS快速统计功能统计森林质量等级面积分布[30]，变化情况如表2所示，遂川县域森林质量指数随年份的增加整体呈上升-下降-上升趋势。1970至2000年，森林质量指数呈现上升趋势。2000至2010年，有所下降。2010年至今，森林质量指数呈显著上升趋势。遂川县域森林质量等级在0.50以上的面积比例整体均呈上升趋势。遂川县域2017年较1989年森林质量指数在0.50以上的面积比例增加了24.79%，表明高质量林分占比越来越高。
表2 遂川县域森林质量等级面积分布
3.3 森林质量指数与径流关系分析
表3为遂川县域森林质量指数、降雨量、径流模数、径流量和径流系数等的阶段变化，图6表明遂川县域丰水期径流系数同森林质量指数呈相反的线性变化趋势。
图6 遂川县域森林质量指数与丰水期径流系数年代关系
表3 遂川县域径流年代变化特征
3.4 降雨-径流-森林质量指数模型拟合
图7为研究区石城县域小波变换消噪后的降雨-径流数据，结合经过降雨径流降噪数据以及森林质量指数数据，在软件Matlab上使用参数率定方法，模拟出最优结果值。经过筛选最优结果为b=1 361，c=-247.6，R2=0.761 1。因此得到降雨-径流-森林模型表达式为：
图7 遂川县域小波变换消噪后的降雨-径流
式中：P为降雨量(mm)；β为森林质量指数(%)；Q为径流深(mm)。
图8为遂川县域模型三维空间图，分析模型可知径流深与降水量呈正相关，与森林质量指数呈负相关。当降雨量=2 000 mm，森林质量指数=0.5时，此时径流深为1 571 mm；当降雨量=2 000 mm，森林质量指数=1.0时，此时径流深为1 071 mm。森林质量指数从0.5增加到1.0时，径流深减少了500 mm。
图8 遂川县域三维空间模型
4 结论与讨论
遂川县域1989—2018年多年平均降雨量1 815.0 mm，丰水期多年平均降雨1 281.3 mm，枯水期多年平均降雨量533.6 mm；多年平均径流量为3.96亿m3，降雨和径流随着年际变化表现出缓慢下降趋势，下降趋势不明显，这可能由于全球变暖的大环境所致，这与王艺璇等[30]研究结果一致。
遂川县域森林质量指数随着解析年份的增加整体呈上升-下降-上升趋势；遂川县在20世纪60～70年代受全国政治形势的影响，大量砍伐天然林，致使全县森林资源受到毁灭性破坏，森林质量指数较低；在80年代“消灭荒山”中，大面积采用飞播造林和人工植苗培育了大量的马尾松和杉木，遂川县域森林质量指数呈现上升趋势；2000至2010年，遂川县由于抚育管理措施不当[14]，出现了大面积的针叶纯林和低效低产林，要对其进行改造，需要大量的投入，也是一个漫长的过程，森林质量指数在此阶段有所下降；从2010年至今，森林培育管理技术的成熟，生产力的提高，特别是2000年以来，城镇化的发展，建材替代品的出现，燃气的普及，林业以往承担的材料，燃料功能需求急剧下降，林下植被和枯枝落叶层恢复显著，森林质量要素中的地表覆盖率显著上升，遂川县域森林质量指数呈现显著上升趋势。
遂川县域径流系数同森林质量指数呈相反的线性变化，表明森林质量提升具有显著滞洪作用；当流域被森林覆盖以后，由于林冠、树干、枯落物层对降水的截留作用以及森林土壤的涵养水源作用，可使流域降水得到充分的截留和吸收，地表径流减少，快速流变为慢速流，延迟了流域洪水汇流时间，也削减了洪峰流量。森林质量的提升能加强森林削减洪峰的作用，从而提高流域防洪能力。
通过参数率定，遂川县域模型表达式分别为Q=P-(1 361β-247.6)×(1-exp(-P/(1 361×β-247.6)))，模型精度为：R2=0.7611，其中径流深与降水量呈正相关，与森林质量指数呈负相关。随着森林质量指数的提高，径流深逐渐降低，表明石城县域森林质量的提升会加强森林涵养水源能力和森林滞洪作用。这与刘道平[29]模型拟合结果相同，可定量监测和科学评价南方红壤丘陵区水土流失与生态环境状况，从而更好地对县域水资源变化的动态监测和预测。
