李 莉, 蘇維詞,2, 葛銀杰

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院 重慶 400047; 2.貴州省山地資源研究所， 貴陽 550001; 3.浙江省地理信息中心， 杭州 310000)

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重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究

李 莉1, 蘇維詞1,2, 葛銀杰3

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院 重慶 400047; 2.貴州省山地資源研究所， 貴陽 550001; 3.浙江省地理信息中心， 杭州 310000)

以重慶市為研究區(qū)域，根據(jù)該區(qū)自然地理環(huán)境條件的差別，利用2001—2010年重慶市MODIS植被類型數(shù)據(jù)，劃分為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林、草地、濕地和5個森林生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)域，利用年降水量，林冠截留率數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)，計量和評述了該地區(qū)2001—2010年間森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力及其變化。結(jié)果表明：總體格局空間上，東部巫溪、城口、酉陽等地區(qū)由于植被狀況良好，其森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)；中西部渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、大足縣等地區(qū)由于植被狀況較差，是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的薄弱環(huán)節(jié)；東部森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)，西部弱，巫溪縣最強(qiáng)，渝中區(qū)最弱；其中渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，都市功能核心區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力最弱；三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，平均為61億m3；2001—2010年，重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量呈逐漸上升的趨勢，但受降水影響，各年差異明顯，多年平均水源涵養(yǎng)量為103億m3，2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最高為129億m3，2006年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最低為73億m3。

森林生態(tài)系統(tǒng); 水源涵養(yǎng)能力; 空間格局變化; 重慶市

森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是指涵養(yǎng)土壤水分和補(bǔ)充地下水、森林?jǐn)r蓄降水、調(diào)節(jié)河川流量功能。森林水源涵養(yǎng)功能是森林、降水、土壤等共同作用的結(jié)果[1]。近年來，森林資源不斷減少，森林生態(tài)系統(tǒng)的多功能性的作用越來越重要[2]。自20世紀(jì)50年代,森林水文學(xué)主要向兩個方向發(fā)展,其中一部分學(xué)者致力于森林水文機(jī)制和水文特征的研究,探討森林中水分運動規(guī)律,包括降水截持、地被物截持、土壤滲透等。另一部分學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)水平研究水文系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和水質(zhì)變化等,從宏觀上闡明森林生態(tài)系統(tǒng)的基本功能與水文特征的相互關(guān)系。其中Guo等對我國湖北興山縣生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行了研究報道[3]，Hamid等利用評估方法對伊朗北部森林系統(tǒng)價值進(jìn)行了研究探討[4]。我國關(guān)于森林水文方面的研究起步較晚，但發(fā)展很快，近幾年，我國學(xué)者也對森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了研究評估[5-7]，研究證明，森林生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)功能，包括涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流等功能，同時，森林復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，能對降水層層攔截，并將地表徑流更多的轉(zhuǎn)化成地下徑流[8]。

重慶市是我國典型的山水城市，地處全國二、三級地形階梯的自然過渡地帶，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，三峽庫區(qū)是我國重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和長江上游重要的生態(tài)屏障，近年來隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)一體化的推進(jìn)，重慶市的森林生態(tài)系統(tǒng)及水源涵養(yǎng)功能均發(fā)生的較顯著的變化，并直接影響三峽庫區(qū)水質(zhì)和生態(tài)安全，作為國家重點生態(tài)功能區(qū)，目前還缺乏系統(tǒng)研究，主要存在森林資源現(xiàn)狀無統(tǒng)一結(jié)果、森林植被水源涵養(yǎng)功能主要集中少數(shù)植被類型上，因此尚無宏觀尺度上的統(tǒng)一評價及其空間格局分析。開展重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能評價研究,特別是水源涵養(yǎng)功能研究,為森林生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù),對指導(dǎo)三峽庫區(qū)土地利用和植被建設(shè)具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

重慶市屬中亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量為1 000 mm，雨量充沛，年降水分配不均，年平均氣溫在18℃左右，無霜期達(dá)300 d以上。在地貌上，以山地丘陵為主，地形起伏大(海拔高度最高為2 796.8 m，最低為73.1 m)，地表切割破碎，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，水土流失嚴(yán)重，流失面積高達(dá)4.35萬km2，占幅員面積的52.8%。但由于重慶是三峽庫區(qū)的中心所在，是長江流域重要的生態(tài)保護(hù)屏障和全國水資源戰(zhàn)略儲備寶庫，生態(tài)地位重要，但目前重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、空間分布格局及其生態(tài)功能與國家生態(tài)文明建設(shè)和三峽庫區(qū)生態(tài)安全的需求尚存較大差距。

1.2 森林資源現(xiàn)狀

重慶擁有十分豐富的森林資源，區(qū)域內(nèi)植被豐富，植被特征主要有暖性針葉林、常綠闊葉林、竹林和常綠闊葉灌叢等，其中亞熱帶常綠闊葉林的表現(xiàn)特征最為明顯。截至到2010年，其中林業(yè)用地面積是368.5萬hm2，占土地面積的比率為44.39%，森林面積223.7萬hm2，占林業(yè)用地面積的比率是61.5%，疏林地的面積是5.3萬hm2，占林業(yè)用地的比率是1.45%，無立木林地面積是9萬hm2，占林業(yè)用地的比率是2.46%，灌木林地面積是86萬hm2，占林業(yè)用地的比率23.51%，苗圃地面積是0.16萬hm2，占林業(yè)用地的比率是0.03%，宜林荒地面積是41.6萬hm2，占林業(yè)用地的比率是11.4%。森林綠化率30.48%，森林覆蓋率27.15%，活立木蓄積量為7 446萬m3。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

森林水源涵養(yǎng)功能研究主要利用重慶市2001—2010年氣象觀測降水?dāng)?shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)，研究采用的遙感數(shù)據(jù)選擇EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS植被數(shù)據(jù)，時間范圍是2001年1月到2010年12月。MODIS即中分辨率成像光譜儀器(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)為美國宇航局研發(fā)制造的大型空間遙感儀器，用以了解全球氣候的變化情況以及人類活動對氣候的影響，最大空間分辨率可達(dá)250 m。MODIS的多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學(xué)、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息?？捎糜趯﹃懕?、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋進(jìn)行長期全球觀測。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)集，將重慶市2001—2010年土地覆被數(shù)據(jù)通過重分類分成7類，并進(jìn)行空間重采樣將分辨率改為500 m×500 m，根據(jù)重慶市2001—2010年每月各氣象站點降水量，統(tǒng)計出各站點年降水量，通過反距離加權(quán)插值法得到每年降水的柵格數(shù)據(jù)(柵格大小為500 m×500 m)；通過柵格計算器，計算出每個柵格的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量，再通過分區(qū)統(tǒng)計即可得到重慶市總森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量。

2.3 森林生態(tài)系統(tǒng)年水源涵養(yǎng)量的估算方法

森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量主要有兩部分組成，一部分是森林林冠層截留儲量，另一部分是森林的土壤對水分的攔截、滲透與儲藏雨水的數(shù)量總和。本文采用森林林冠層對降水的截留量來衡量森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力。

森林林冠層對降水的截留量主要包含：附加截留量、樹干截留量、林冠滴下雨量、冠下雨量、樹干容水量、林冠截留儲量。附加截留量是指由于表面張力和重力的均衡作用而被吸附或積蓄在枝、葉的分權(quán)處的雨滴，這部分保留下來的雨水有一部分直接蒸發(fā)返回大氣中。樹干截留量是指順著枝條、樹干流到地面的雨滴。林冠滴下雨量是指隨著保留雨量的增加導(dǎo)致表面張力和重力失去平衡,自然地或由于風(fēng)吹動而從林冠滴下的雨滴。冠下雨量是指降落到森林中未接觸到樹體,直接穿過林冠間隙落到林地上的雨滴。樹干容水量是指樹體吸收比例很小的一部分雨量。林冠截留儲量是指一次連續(xù)降雨終止時,被林冠攔截儲留在枝葉上的那部分雨量，即林冠截留量是林冠截留儲量、附加截留量與樹干容水量三者之和。至于對降雪的截留，其方式大致和降雨截留相同，因此森林生態(tài)系統(tǒng)對水源的涵養(yǎng)表現(xiàn)為林冠截留量[9]。林冠層對降雨的截留量占降雨的比重為林冠截留率。

水源涵養(yǎng)量即林冠層截留量可通過降雨量和林冠層對降雨的截留率關(guān)系式來計算。計算單位像元水源涵養(yǎng)量公式如下：

Wi=∑S×Pi×Li×0.001

(1)

式中:Wi——研究區(qū)域的森林水源年涵養(yǎng)量(m3)；S——像元面積2.5 m×105 m；Pi——研究區(qū)域的年降雨量(mm)；Ii——第I類森林的林冠截留率。

3 結(jié)果與分析

重慶市不同時期各類森林面積如表1所示,依據(jù)公式(1)和各年降水柵格數(shù)據(jù)以及各森林類型對降雨的截留率(表2),經(jīng)計算得到重慶市10 a來森林生態(tài)系統(tǒng)水源年涵養(yǎng)量柵格數(shù)據(jù)，通過分區(qū)統(tǒng)計，得到重慶市、五大生態(tài)功能區(qū)以及三峽庫區(qū)10 a來水源涵養(yǎng)量，如表3所示。

表1 重慶市不同時期各類森林面積 103 km2

表2 各森林類型林冠對降雨量的截留率[9-10]

表3 重慶市不同時期各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量 109 m3

由表3可知，2001年重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為87億m3，2006年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最低為73億m3；產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因受降水量的影響，2006年氣候異常，全國平均氣溫9.9℃，較常年偏高1.1℃，是自1951年有氣象記錄以來最暖的一年，全國平均年降水量較常年略偏少，重慶遭受特大高溫伏旱，重慶平均氣溫達(dá)到同期歷史最高值，持續(xù)時間長，暑熱強(qiáng)度高，與此同時，重慶各地雨水非常少,大部分地區(qū)雨量不及常年的三分之一。江津、大足、璧山、萬盛、合川、銅梁、南川、綦江、巴南9個區(qū)縣降雨稀少突破有正式氣象觀測以來的歷史紀(jì)錄[11]；渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，多年平均水源涵養(yǎng)量為50.23億m3，渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)水源涵養(yǎng)能力排列第二為35.35億m3；三峽庫區(qū)地形復(fù)雜、物種豐富、群落多樣，在重慶范圍內(nèi)覆蓋21個區(qū)縣，地跨東西部。三峽庫區(qū)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，多年平均森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為60.86億m3；同樣的，由于受降水的影響，2006年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量最低為44.38億m3；2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能量最高為69.50億m3；森林生態(tài)系統(tǒng)2001—2006年呈惡化的趨勢，森林面積減小，2006—2010年森林生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)，但由于水源涵養(yǎng)能力受降水影響較大，導(dǎo)致各年水源涵養(yǎng)能力變化大，變化趨勢大體與降水一致。同時，三峽庫區(qū)水源涵養(yǎng)能力分布不均，呈現(xiàn)下游強(qiáng)，上游弱的局面，下游的巫溪縣、云陽縣、奉節(jié)縣高于上游的江津區(qū)、大渡口區(qū)。

圖1分別為重慶市2001年，2006年，2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量，由圖可知：2006年較2001年，森林受到嚴(yán)重的破壞，總面積減小23.3%，其中，水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的濕地面積減小18.5%，闊葉林面積減小31.7%，針葉林面積減小74.8%，灌木林減小89.4%。2010年，水源涵養(yǎng)能力略有增強(qiáng)，主要是森林生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)，森林面積比2006年增大35.7%，涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的濕地面積比2006年增大50%，針闊混交林面積較2006年增大94%，降水比2006年也有所增大。所以，2010年生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力略有增強(qiáng)，總體來說，2010年森林面積最大，且水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)的面積增加，濕地和針闊混交林面積最大，雖然降水量不是最高，但是2010年水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。同時，東北部城口縣、巫溪縣、巫山縣、東南部的秀山縣、酉陽縣、彭水縣、涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，其中，巫溪縣最強(qiáng)，中西部渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、大足縣、潼南縣相對較弱，其中，渝中區(qū)最弱，主要是由于東部生態(tài)區(qū)植被覆蓋率高、森林面積大，而西部是主城區(qū)以及城從五大功能區(qū)來看，各區(qū)水源涵養(yǎng)變化趨勢與總水源涵養(yǎng)變化趨勢大體一致，由于2006年受特大干旱的影響，各區(qū)2006年涵養(yǎng)量最低，在圖中出現(xiàn)明顯的波谷，由于從2006—2010年，對森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)日益重視，森林面積增大，2006—2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力呈逐漸增強(qiáng)的趨勢，在2009年有一個轉(zhuǎn)折，主要是受到森林面積的影響，城市發(fā)展新區(qū)排列第三為15.41億m3；都市功能拓展區(qū)和都市功能核心區(qū)為主城九區(qū)，水源涵養(yǎng)能力較低，拓展區(qū)為2.29億m3；核心區(qū)最低為0.43億m3。

圖1 重慶市不同年份森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量

森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其蒸發(fā)、蒸騰過程極難直接測定[12]，并受樹種、林齡、海拔、降水量等生物和非生物因子共同作用[13]。由于資料和費用的限制，本文在分析重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力時，只考慮了影響較大的降雨量與不同樹種，即不同植被類型的截留率。但對于區(qū)域性的森林生態(tài)系統(tǒng)來說，并不妨礙其水源涵養(yǎng)功能的客觀性性評價。

4 結(jié) 論

重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量10 a呈逐漸上升的趨勢，但受降水影響，各年差異明顯，其中，由于2006年由于特大干旱，達(dá)到最低值。空間上，東部巫溪、城口、酉陽等地區(qū)由于植被狀況良好，其森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)；中西部渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、大足縣等地區(qū)由于植被狀況較差，是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的薄弱環(huán)節(jié)。

五大功能區(qū)中，南北兩翼由于植被植被狀況良好，森林面積廣大，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)，其中，北部最強(qiáng)，南部第二；中西部城區(qū)植被狀況相對較弱，城市發(fā)展區(qū)排列第三、其次是都市功能拓展區(qū)，最弱的是都市功能核心區(qū)，三峽庫區(qū)區(qū)位十分重要，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)。上下游分布不均，上游較弱，下游較強(qiáng)；整體呈遞增趨勢，但是受降水影響較大，出現(xiàn)2006年的最低值。

綜上，對于東部水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的地區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)；對于中西部水源涵養(yǎng)能力較弱的地區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，禁止濫砍濫伐，加大植樹造林力度。同時，若不考慮降水，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力10 a來呈遞增的趨勢，但由于受降水的影響較大，且降水年際變化大，導(dǎo)致不同年份水源涵養(yǎng)能力差異明顯；因此，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量是受降雨量和森林面積的雙重影響。

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Analysis on Water Conservation Capacity of Forest Ecosystem in Chongqing

LI Li1, SU Weici1,2, GE Yinjie3

(1.CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China; 2.GuizhouInstituteofMountainResources,Guiyang550001,China; 3.GeographicInformationCenterofZhejiang,Hangzhou310000,China)

In this paper, Chongqing was selected as research area. According to the difference of natural environment and the main MODIS vegetation type data of Chongqing from 2001 to 2010, forests in Chongqing were divided into coniferous forest, broadleaf forest, mixed conifer-broadleaf forest, shrubbery, meadow, wetland and five corresponding types of forest ecosystems. And then based on relevant indicators such as annual rainfall and crown cover rate of forest data, the water conservation capacity for different types of forest ecosystems and its development trends in the past ten years were calculated and assessed. The water conservation capacity of forest ecosystems is strong in east and weak in west, is the strongest in Wuxi County, and is the weakest in Yuzhong. Besides, the water conservation capacity of forest ecosystems is the strongest in the ecological conservation area in the northeast of Chongqing and is the weakest in the core area of city functions. The water conservation capacity of forest ecosystems in Three Gorges Reservoir is very strong, reaching up to 61 hundred million cubic meters in average. Overall, the Chongqing Municipal water conservation forest ecosystem in the decade showed a gradual upward trend, but was influenced by precipitation, significantly different each year, The annual average amount of water conserved through forest ecosystems within this region is about 103 hundred million cubic meters. The amount of water conservation for different types of forest ecosystems was the highest(129 hundred million cubic meters) in 2010 and the lowest(73 hundred million cubic meters) in 2006.

forest ecosystem; water conservation; spatial pattern change; Chongqing City

2014-10-20

2014-10-30

國家自然科學(xué)基金(41261038，41201546);國家十二五科技支撐計劃(2014BAB03B001);貴州省重大科技專項(黔科合重大專項字[2012]6015號);貴州省科技人才創(chuàng)新團(tuán)隊計劃(黔科合人才團(tuán)隊[2014]4014)

李莉(1991—),女,甘肅蘭州人,碩士研究生,主要從事人文地理區(qū)域規(guī)劃。E-mail:792635211@qq.com

蘇維詞(1965—),男(苗族),湖南綏寧人,教授，研究員,主要從事城市地理生態(tài)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail:suweici@sina.com

S715

1005-3409(2015)02-0096-05