天山中部云杉天然林水源涵養(yǎng)功能定量評估
——以烏魯木齊河流域?yàn)槔?/h1>
2017-07-20 13:11:03丁程鋒張繪芳李偉濤高亞琪
生態(tài)學(xué)報(bào) 2017年11期
丁程鋒,張繪芳,李 霞,李偉濤，高亞琪,*
1 新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052 3 滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院, 滁州 239000
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天山中部云杉天然林水源涵養(yǎng)功能定量評估
——以烏魯木齊河流域?yàn)槔?/p>
丁程鋒1,2,張繪芳1,李 霞2,李偉濤3，高亞琪1,*
1 新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052 3 滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院, 滁州 239000
為定量分析天山中部流域尺度云杉天然林水源涵養(yǎng)功能,以烏魯木齊河流域?yàn)檠芯繀^(qū),使用InVEST模型,研究云杉林及其它主要地類水源涵養(yǎng)量的大小,并對云杉林在不同分布面積、不同地形因子條件下的水源涵養(yǎng)量變化進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：①InVEST模型可較好的確定研究區(qū)流域尺度水源涵養(yǎng)量?；贗nVEST模型的模擬,烏魯木齊河流域云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量(2.41×107m3)的20.46%,林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度為54.25 mm；②云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量的大小在海拔、坡度、坡向上的變化與云杉林空間分布格局一致,每公頃水源涵養(yǎng)量隨海拔升高先增大后降低、隨坡度增大而降低；陰坡水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)；③研究區(qū)各地類中以林地水源涵養(yǎng)量最大(水源涵養(yǎng)量544.78 m3/hm2),隨著云杉林覆蓋率的不斷增加,水源涵養(yǎng)總量、平均水源涵養(yǎng)深度及單位面積涵養(yǎng)量均呈增加趨勢；④研究區(qū)水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積密切相關(guān),云杉林面積每增加1%,研究區(qū)與云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別增加0.437×106m3、0.522×106m3；加強(qiáng)對研究區(qū)云杉林的保護(hù)與撫育管理,才能使森林發(fā)揮持續(xù)穩(wěn)定的水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)功能。
水源涵養(yǎng)功能；InVEST模型；云杉林；天山中部；烏魯木齊河流域
水源涵養(yǎng)是森林的重要生態(tài)功能,以往對森林水源涵養(yǎng)功能的研究大多基于林分尺度或坡面尺度[1],量化流域尺度森林水源涵養(yǎng)功能,是水資源管理的需求也是多年來森林水源涵養(yǎng)功能研究的瓶頸。為正確認(rèn)識森林的水源涵養(yǎng)功能,眾多學(xué)者通過固定樣地調(diào)查、長期野外監(jiān)測方式,采用水量平衡法[2]、蓄水能力法[3]、綜合評價(jià)法[4]、林冠截留法[5]等對林分尺度、坡面尺度下的云杉林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行研究,但對流域尺度云杉林水源涵養(yǎng)功能的定量評估卻鮮見報(bào)道。位于烏魯木齊河流域中山帶的云杉天然林,擔(dān)負(fù)著涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄山區(qū)降水、保護(hù)冰川安全和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡的重大生態(tài)責(zé)任[6]。定量分析天山中部流域尺度云杉林變化條件下的水源涵養(yǎng)功能,對推進(jìn)干旱區(qū)森林生態(tài)功能的定量評估及水資源的科學(xué)管理都具有重要意義。
隨著GIS技術(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型的發(fā)展,流域尺度水源涵養(yǎng)功能定量評估已成為可能[7]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型中應(yīng)用最成熟的模型之一,該模型不僅可將評價(jià)結(jié)果以地圖的形式直觀表達(dá)出來,并可以進(jìn)行多尺度、多情景的分析[8]。目前已被廣泛應(yīng)用于不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[9-11]、水質(zhì)凈化[12]、土壤侵蝕與保持[13]、生境質(zhì)量評價(jià)[14]等方面的研究。
自2010年起,InVEST模型逐漸被應(yīng)用于森林水源涵養(yǎng)評價(jià),傅斌等[15]利用InVEST模型中的水源涵養(yǎng)模型對四川都江堰市水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了分析,并采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)水源涵養(yǎng)的重要性進(jìn)行了評價(jià)；余新曉等[16]以北京山區(qū)為研究區(qū),在森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對森林景觀類型進(jìn)行了劃分,并利用InVEST模型對不同森林景觀類型的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了評價(jià)；王紀(jì)偉等[17]以漢江上游為研究區(qū),利用InVEST模型對該區(qū)域各森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了計(jì)算,并分析了該區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的空間變化趨勢；白楊等[7]以白洋淀流域?yàn)檠芯繀^(qū),通過建立森林變化情景,利用InVEST模型對不同情景下的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了評價(jià)；李明陽等[18]基于實(shí)測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),利用InVEST模型,對武夷山國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林土壤涵養(yǎng)水源的能力進(jìn)行了分析。上述研究為使用InVEST模型進(jìn)行新疆天山中部云杉天然林森林水源涵養(yǎng)功能定量評估提供了思路。本文在確定研究區(qū)云杉林分布范圍變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,基于流域多年平均降水與蒸散發(fā)數(shù)據(jù),利用InVEST模型,綜合考慮氣候、土壤、地形等因素,定量評估流域尺度云杉林的水源涵養(yǎng)功能,為水資源有效利用及更大尺度水源涵養(yǎng)功能預(yù)測與評估提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于天山中部86°45′—87°56′ E,43°00′—44°07′ N間的烏魯木齊河流域(圖1)。山區(qū)(西白楊溝口以上)流域集水面積1070 km2,其中冰川面積約38 km2,流域山體高大,地形陡峻,平均海拔3006 m,平均坡度48.5°,年徑流量2.37億m3。流域南起烏魯木齊河上游天山山脈的依連哈比尕山分水嶺,北至古爾班通古特沙漠南緣的東道海子,西接頭屯河流域,東到烏拉泊和柴窩堡洼地之間的分水嶺,由南至北各支流泉溝匯入東道海子[19]。流域?qū)俚湫痛箨懶詺夂?多年平均氣溫2.1 ℃,多年平均降水449.2 mm,降水年內(nèi)分配不均,主要集中在夏季,5—9月占全年降水量比重最大,約為70%。植被分布以中山帶雪嶺云杉(PiceaschrenkianaFisch. et Mey.)為主,研究區(qū)內(nèi)云杉林面積約90.85 km2(圖2)。流域內(nèi)土壤垂直地帶變化明顯,依次為高山草甸土、灰褐色森林土、黑鈣土、山地栗鈣土。
圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The location of the study area
圖2 云杉林空間分布圖Fig.2 The spatial distribution map of spruce forest
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源與處理
本研究所需主要數(shù)據(jù)有：多年平均降水量、多年潛在蒸散發(fā)、土壤深度、土壤可利用有效水、土壤飽和導(dǎo)水率、土地利用類型圖、流域及子流域邊界等,研究所需其數(shù)據(jù)來源及處理方法見表1。
表1 數(shù)據(jù)來源及處理方法
2.2 方法
2.2.1 產(chǎn)水量模擬
InVEST模型的產(chǎn)水量模塊是基于水量平衡法開發(fā)而來,將每個(gè)柵格上的降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后的水量,以柵格為單元定量評價(jià)不同地塊的產(chǎn)水能力[16]。計(jì)算公式如下：
(1)
式中,Yxj為森林類型j中單元格x上的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj為森林類型j中單元格x上的年實(shí)際蒸散量(mm)；Px為單元格x上的年降水量(mm)。
(2)
式中,Rxj為土地利用類型j上柵格單元x的干燥指數(shù),無量綱,表示潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值。
(3)
式中,k為作物系數(shù),即蒸散系數(shù),是作物蒸散量與潛在蒸散量的比值；ET0為潛在蒸散發(fā)量。
ωx為修正植被年可利用水量與降水量的比值,無量綱：
(4)
式中,Z為zhang系數(shù),是表征多年平均降水特征用的一個(gè)常數(shù),是模型的關(guān)鍵參數(shù),默認(rèn)值是9.433；AWCx為可利用水。
2.2.2 水源涵養(yǎng)計(jì)算
用InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊計(jì)算年產(chǎn)水量之后,根據(jù)DEM計(jì)算地形指數(shù)D,考慮不同土壤的滲透性、不同土地利用類型地表徑流流速系數(shù)的影響,最后計(jì)算水源涵養(yǎng)量[16],計(jì)算公式如下：
WR= min (1, 249/V) × min (1, 0.9×D/3) × min (1,Ksoil/300) ×Y
(5)
式中,WR為多年平均水源涵養(yǎng)量(mm)；D為地形指數(shù),無量綱；Ksoil為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；V為流速系數(shù),由相關(guān)文獻(xiàn)獲得[15]；Y為產(chǎn)水量。
(6)
式中,Watershed pixel count為集水區(qū)柵格數(shù)量,無量綱；Soil depth為土壤深度(mm)；Percent slope為百分比坡度。
2.2.3 地形因子區(qū)間劃分
為定量評估云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)與地形因子關(guān)系,對海拔、坡向和坡度進(jìn)行區(qū)間劃分,并利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)各區(qū)間范圍的水源涵養(yǎng)量。其中,海拔劃分以1600 m為起始基準(zhǔn),每增加200 m為1級,共劃分為7級：1600—1800、1800—2000、2000—2200、2200—2400、2400—2600、2600—2800、2800—3000 m；坡向以正北方向?yàn)?°,按45°角,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)劃分6個(gè)方向：陰坡(0°—45°,315°—360°)、東北坡(45°—90°)、東南坡(90°—135°)、陽坡(135°—225°)、西南坡(225°—270°)、西北坡(270°—315°)；坡度劃分為6個(gè)等級：平坡(<5°)、緩坡(5°—15°)、斜坡(15°—25°)、陡坡(25°—35°)、急坡(35°—45°)、險(xiǎn)坡(>45°)。
2.2.4 情景模擬
研究區(qū)云杉林以中齡林為主,幼齡林分布較少[26],在高海拔地帶,由于氣候條件等多方面的原因,云杉林分布稀疏,生長不良；在低海拔地帶,因降水較少,氣溫較高,云杉林生長也不好,唯中海拔地帶降水充沛,氣候溫和,適宜云杉林生長[27]。為研究云杉林分布變化對水源涵養(yǎng)的影響,根據(jù)張毓?jié)?、劉貴峰等[26,28]研究成果(云杉林主要分布在海拔1800—2700 m、坡度10°—50°的陰坡半陰坡區(qū)域)和天山云杉的生物學(xué)特征[27]設(shè)定云杉林變化的5種情景,分別利用InVEST模型對不同情景下的產(chǎn)水量進(jìn)行模擬,根據(jù)2.2.2的方法計(jì)算各情景下的水源涵養(yǎng)量(各情景模擬過程中,其它數(shù)據(jù)不變,只改變土地利用類型數(shù)據(jù)),最后運(yùn)用線性趨勢分析法分析不同情景間的水源涵養(yǎng)量差異。設(shè)定的云杉分布5種情景如下(圖3為云杉林現(xiàn)狀分布(情景1)、云杉林覆蓋最大(情景3)、無云杉林(情景5)的情景圖)：
情景1 現(xiàn)有云杉林實(shí)際分布,此時(shí),云杉林覆蓋率為8.17%；
情景2 海拔1800—2700 m、坡度10°—50°區(qū)域內(nèi)陰坡全部納為林地,此時(shí),云杉林覆蓋率12.26%；
情景4 現(xiàn)有半陰坡區(qū)域的林地轉(zhuǎn)換為草地,此時(shí),云杉林覆蓋率5.73%；
情景5 現(xiàn)有云杉林全部轉(zhuǎn)換為草地,此時(shí),云杉林覆蓋率0%。
圖3 不同情景土地利用類型圖Fig.3 The land use map of different situations
3 結(jié)果與分析
3.1 研究區(qū)水源涵養(yǎng)量總體分析
3.1.1 水源涵養(yǎng)量空間分布規(guī)律
根據(jù)2.2.1的方法,得到研究區(qū)產(chǎn)水量,在此基礎(chǔ)之上,根據(jù)2.2.2的方法計(jì)算得到研究區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布圖(圖4)。由圖4得出,研究區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)深度在0—118.54 mm之間,水源涵養(yǎng)總量為2.41×107m3。
水源涵養(yǎng)功能總體呈西高東低、北高南低的趨勢,水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要有兩個(gè)：①云杉林分布區(qū),由于森林覆蓋,林下土壤層較厚,有利于土壤孔隙度發(fā)育,且土壤表層枯落物較多,形成良好的土壤結(jié)構(gòu)及通風(fēng)狀況,其土壤下滲、持水能力較強(qiáng)[15,17],有利于對水分的截留；②研究區(qū)中西部區(qū)域,因該區(qū)多年平均降水量較大、且草地廣泛分布所致。
2.3.1 色譜條件 色譜柱：辛烷基鍵合硅膠為填充劑（150×4.6mm，5μm）；流動(dòng)相：0.01mol·L-1磷酸氫二鈉溶液（用磷酸調(diào)節(jié) pH 值至 7.6）-乙腈（75∶25）；檢測波長：302nm；柱溫：30℃；流速：1.0mL·min-1。
水源涵養(yǎng)功能較差的區(qū)域主要有：①研究區(qū)南部高海拔區(qū),該區(qū)為裸巖和永久冰川,幾乎無土壤、植被分布,降水截留能力較差；但該區(qū)域有少量水源涵養(yǎng)功能較高的地方,疊加土地利用類型圖可知,散布水源涵養(yǎng)較高的地方屬于草地分布區(qū)；②流域北部出山口,該區(qū)是人類活動(dòng)集中區(qū),建設(shè)用地和耕地的水源涵養(yǎng)能力較差[15],區(qū)域降水少、蒸發(fā)量大,故水源涵養(yǎng)量較低。
3.1.2 不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量分析
利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)分析工具,統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型每公頃水源涵養(yǎng)量,得到表2。由表2可知,不同土地利用類型水源涵養(yǎng)總量依次為：草地(1394.43×104m3)>裸地(508.08×104m3)>林地(494.72×104m3)>冰雪(35.47×104m3)>水體(1.98×104m3)>其它(0.39×104m3),分別占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的57.26%、20.86%、20.32%、1.46%、0.08%、0.02%,水源涵養(yǎng)總量的大小與各種地類面積有很大關(guān)系[29],但不同土地類型的水源涵養(yǎng)總量的大小與其水源涵養(yǎng)能力的大小并無緊密關(guān)系[30]。
圖4 研究區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖Fig.4 Water conservation in the study area
圖5 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖Fig.5 Water conservation in forest region
不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力大小由每公頃水源涵養(yǎng)量來衡量,由表2知,各土地利用類型每公頃水源涵養(yǎng)量大小順序?yàn)椋毫值?544.78 m3/hm2)>草地(275.29 m3/hm2)>裸地(118.85 m3/hm2)>其它(88.23 m3/hm2)>冰雪(50.68 m3/hm2)>水體(23.41 m3/hm2),林地水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),這主要是由于林地土壤孔隙度較大,且對土壤結(jié)構(gòu)改善作用明顯。
表2 不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量
3.2 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量分析
3.2.1 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量分析
在確定研究區(qū)水源涵養(yǎng)空間分布圖基礎(chǔ)上,以云杉林林區(qū)為邊界,裁剪得到林區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖(圖5)。由圖5看出,云杉林林區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)深度在2.4—118.54 mm之間；研究區(qū)林地覆蓋率8.17%,水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的20.46%,林地平均水源涵養(yǎng)深度54.25 mm,云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的趨勢。
3.2.2 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)與地形因子關(guān)系
在研究區(qū),地形微環(huán)境影響水、土和熱量的分布,由于水熱環(huán)境的不同使森林分布格局、地表狀況及土壤狀況發(fā)生變化[17]。根據(jù)2.2.3的方法統(tǒng)計(jì)不同地形因子不同區(qū)間范圍內(nèi)的水源涵養(yǎng)量,分別得到表3—表5。
表3 不同海拔水源涵養(yǎng)量
表4 不同坡度水源涵養(yǎng)量
表5 不同坡向水源涵養(yǎng)量
由表3可知,不同海拔云杉林水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率分別為：0.05%、5.07%、20.19%、32.58%、31.11%、10.80%、0.21%,以海拔2200—2400 m處貢獻(xiàn)率最大,這與云杉林在不同海拔區(qū)間分布的面積比有很大關(guān)系；就每公頃水源涵養(yǎng)量來說,以海拔2000—2200 m處每公頃水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),達(dá)593.47 m3/hm2,其次是2200—2400 m,為573.21 m3/hm2,海拔1600—1800 m與2800—3000 m處每公頃水源涵養(yǎng)能力較弱,分別為329.66、368.08 m3/hm2,這與不同海拔降水及森林分布有關(guān)。
由表4可知,不同坡度(平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡)條件下,云杉林水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率分別為：0.56%、6.06%、18.95%、35.31%、29.66%、9.46%,這與云杉林在不同坡度分布的面積比有很大關(guān)系；就單位面積水源涵養(yǎng)量來說,平坡(652.12 m3/hm2)>緩坡(637.86 m3/hm2)>斜坡(591.93 m3/hm2)>陡坡(549.62 m3/hm2)>急坡(519.52 m3/hm2)>險(xiǎn)坡(474.61 m3/hm2),在重力作用下,土壤水分沿坡向下運(yùn)動(dòng)并在平緩的地方聚集[31],因此,林區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)能力隨著坡度的增大而逐漸減弱。
由表5知,不同坡向(陰坡、西北、東北、東南、西南、陽坡)條件下,云杉林水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率分別為：63.20%、16.99%、12.29%、1.66%、4.55%、1.30%,這與云杉林在不同坡向分布面積比有很大關(guān)系。越接近陰坡,森林分布狀況越好,降水較陽坡多,且每次降水后,陽坡蒸散發(fā)強(qiáng)烈,經(jīng)一段時(shí)間后,陽坡土壤含水量較陰坡要小[32],因此,陽坡水源涵養(yǎng)總量小于陰坡；就單位面積水源涵養(yǎng)量來說,越接近陰坡,其水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng),陰坡每公頃水源涵養(yǎng)量達(dá)567.90 m3/hm2,陽坡為399.94 m3/hm2,因陰坡有森林分布,土層厚度大,森林可有效增加土壤孔隙度、減小容重[33],陽坡無森林分布,土壤較薄、土層緊實(shí),蓄積水分的能力較陰坡弱,因此,單位面積水源涵養(yǎng)量較陰坡低。
3.3 不同云杉林面積設(shè)定情景下水源涵養(yǎng)特征分析
3.3.1 研究區(qū)水源涵養(yǎng)變化
根據(jù)2.2.4設(shè)定的不同情景,分別統(tǒng)計(jì)各情景下水源涵養(yǎng)總量及平均水源涵養(yǎng)深度,得到表6。
表6 不同情景的水源涵養(yǎng)量
由表6知,不同情景水源涵養(yǎng)量順序?yàn)椋呵榫?>情景2>情景1>情景4>情景5,隨著云杉林覆蓋率的增大(0—197.06 km2),研究區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度由17.95 mm增加到27.10 mm,水源涵養(yǎng)總量由1.98×107m3增加到2.99×107m3。隨著研究區(qū)云杉林覆蓋率增大,其水源涵養(yǎng)功能增大。
以情景1云杉林現(xiàn)實(shí)覆蓋率及水源涵養(yǎng)量為基準(zhǔn),采用線性趨勢分析法,分析不同情景與情景1的研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化差異,得到圖6及如下方程：
ΔWR= 0.0437ΔF- 0.0505R2= 0.9951P<0.01
式中,ΔF為云杉林面積變化率；ΔWR為研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化。計(jì)算表明云杉林面積變化,對研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化影響極顯著,云杉林覆蓋率每增加1%,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量增加0.437×106m3。
圖6 云杉林變化率與研究區(qū)水源涵養(yǎng)關(guān)系圖 Fig.6 Relationship between the change rate of spruce forest and water conservation in the study area
圖7 云杉林變化率與林區(qū)水源涵養(yǎng)關(guān)系圖 Fig.7 Relationship between the change rate of spruce forest and water conservation in forest area
3.3.2 云杉林面積變化及其水源涵養(yǎng)量的響應(yīng)特征
運(yùn)用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)分析功能,統(tǒng)計(jì)不同情景下林區(qū)水源涵養(yǎng)量,見表7。由表7知,不同情景林區(qū)水源涵養(yǎng)功能大小順序?yàn)椋呵榫?>情景2>情景1>情景4>情景5；在未來林地面積增加的兩種情景下(情景2、情景3),林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度從54.25 mm分別上升到59.74、62.63 mm,林區(qū)水源涵養(yǎng)總量從4.93×106m3分別上升到8.13×106、12.28×106m3,其單位面積涵養(yǎng)量從542.65 m3/hm2分別上升到596.74、623.16 m3/hm2；當(dāng)未來林地面積減少(情景4)直至消失(情景5)時(shí),林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度從54.25 mm下降到53.59 mm,水源涵養(yǎng)總量減少了1.52×106m3。
表7 不同情景的林區(qū)水源涵養(yǎng)量
-表示林地消失,不計(jì)算水源涵養(yǎng)量
以情景1云杉林現(xiàn)實(shí)覆蓋率及水源涵養(yǎng)量為基準(zhǔn),采用線性趨勢分析法,分析不同情景與情景1的林區(qū)水源涵養(yǎng)量變化差異,得到圖7及如下方程：
ΔWRf= 0.5215ΔF- 0.2852R2= 0.9995P<0.05
式中,ΔF為云杉林面積變化率；ΔWRf林區(qū)水源涵養(yǎng)量變化。計(jì)算表明云杉林面積變化,對林區(qū)水源涵養(yǎng)量有顯著的影響,云杉林覆蓋率每增加1%,林區(qū)水源涵養(yǎng)量增加0.522×106m3。
綜上所述,隨著云杉林面積的不斷增加,林區(qū)水源涵養(yǎng)功能不斷增強(qiáng),平均水源涵養(yǎng)深度、水源涵養(yǎng)總量及單位面積涵養(yǎng)量均呈現(xiàn)增加趨勢,云杉林具有顯著的水源涵養(yǎng)能力。
4 討論
(1)有關(guān)學(xué)者研究表明：常綠針葉林最大水源涵養(yǎng)深度為321.94 mm,平均水源涵養(yǎng)深度為83.29 mm[17],這與本文研究結(jié)果有一定差異,可能與森林類型、局地氣候、局地土壤條件等因子不同有關(guān)。本文運(yùn)用InVEST模型對流域尺度云杉天然林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了定量評估,云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的趨勢,這是否與云杉林的生長分布及其微環(huán)境有關(guān)？還有待進(jìn)一步研究。此外,由于森林水源涵養(yǎng)功能的復(fù)雜性,未來還需對以下問題進(jìn)行研究：①如何充分利用現(xiàn)有林分尺度、坡面尺度的觀測研究成果,實(shí)現(xiàn)森林水源涵養(yǎng)功能的尺度推移？②在使用InVEST模型過程中,如何解決同一土壤類型的物理屬性(土壤飽和導(dǎo)水率、可利用有效水)在空間分布上存在的差異？怎樣設(shè)計(jì)更大密度的野外觀測及調(diào)查方案,才能有效模擬和彌補(bǔ)這一不足？
(2)縱觀各學(xué)者研究成果,對不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力觀點(diǎn)基本一致,森林、草地等植被覆蓋率較高的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng),裸地、建設(shè)用地等硬質(zhì)地面及植被稀疏區(qū)水源涵養(yǎng)能力較低[15,30],但流域水體水源涵養(yǎng)量最低,這與本研究結(jié)果一致。其原因是河道兩側(cè)的河床土壤粒徑較大,河道水分消耗于垂直方向的滲透與水平方向的側(cè)向流,水分易流失,且在冬季河道兩側(cè)水分向河道匯集,而在夏季則是河流水分向河道兩側(cè)流失,河流作為水分傳輸?shù)妮d體,對水分的截留能力相對較弱。
(3)吳丹等[3]、劉璐璐等[29]、孫清琳等[34]分別對江西省、四川省、浙江省的森林水源涵養(yǎng)與地形因子的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果均表明水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積分布有密切關(guān)系,每公頃水源涵養(yǎng)量隨坡度增大而降低；這與本文研究結(jié)果一致。但對每公頃水源涵養(yǎng)量與海拔的關(guān)系卻不盡相同,這可能是不同區(qū)域、不同海拔森林分布的狀況不同所致。
5 結(jié)論
(1)InVEST模型可較好的確定烏魯木齊河流域的水源涵養(yǎng)量。InVEST模型模擬表明,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量2.41×107m3,其中,占研究區(qū)總面積8.17%的云杉林區(qū),水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,達(dá)研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的20.46%,林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度為54.25 mm。
(2)云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積分布密切相關(guān),其水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率在海拔、坡度、坡向上的分布與云杉林空間分布格局一致；云杉林每公頃水源涵養(yǎng)量隨海拔升高先增大后降低、隨坡度增大而降低,越接近陰坡,水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)。
(3)研究區(qū)各地類中以林地水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)(每公頃水源涵養(yǎng)量為544.78 m3/hm2),隨著云杉林覆蓋率的不斷增加,水源涵養(yǎng)功能不斷增強(qiáng),平均水源涵養(yǎng)深度、水源涵養(yǎng)總量及單位面積涵養(yǎng)量均呈增加趨勢。
(4)隨著森林面積增加,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量增加。云杉林面積每增加1%,研究區(qū)與云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別增加0.437×106m3、0.522×106m3。因此,對研究區(qū)進(jìn)行有計(jì)劃的撫育造林,逐步擴(kuò)大森林面積,可有效增加森林水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)功能。
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Quantitative assessment of water conservation function of the natural spruce forest in the central Tianshan Mountains: a case study of the Urumqi River Basin
DING Chengfeng1,2, ZHANG Huifang1, LI Xia2, LI Weitao3, GAO Yaqi1,*
1InstituteofModernForestry,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi830000,China2CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China3SchoolofGeographyInformationandTourism,ChuzhouUniversity,Chuzhou239000,China
To quantitatively investigate the water conservation function of the natural spruce forest at the watershed scale in the central Tianshan Mountains, the Urumqi River Basin was chosen as a study area. The InVEST model was used to investigate the capacity for water conservation of the spruce forest and other land use types, as well as quantitatively analyze water conservation changes of the spruce forest under the conditions of different distribution areas and terrain factors. The results showed that: (1) The InVEST model could adequately assess water conservation at the watershed scale. The InVEST model simulation showed that the total water conservation of the spruce forest in the Urumqi River Basin was 4.93 × 106m3, which accounted for 20.46% of the total water conservation in the study area (2.41 × 107m3). In addition, the average water conservation depth of forest area was 54.25 mm. (2) The contribution rate of water conservation in the slope, aspect, and elevation was consistent with the spatial distribution pattern of the spruce forest. At first, per hectare water conservation increased with altitude and then decreased, and it decreased with an increase in slope. The water conservation ability in the shade slope was greatest. (3) The spruce forest showed the greatest capacity, which reached 544.78 m3/hm2. The total, average depth and unit area of water conservation exhibited an increasing trend with increasing spruce forest coverage. (4) The contribution rate of water conservation in the spruce forest was closely related to forest area. Total water conservation in study area and spruce area increased to 0.437 × 106m3and 0.522 × 106m3with a 1% increase of spruce forest area, respectively. Therefore, the forest plays a vital role in maintaining sustainable and stable water conservation and ecological service functions, which necessitate effective measures to strengthen the protection and management of spruce forests.
water conservation function; InVEST model; the spruce forest; the Central Tianshan Mountains; Urumqi River Basin
新疆公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(XMBM000001953);安徽省滁州學(xué)院培育項(xiàng)目(2014PY02)
2016- 04- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22
10.5846/stxb201604130673
*通訊作者Corresponding author.E-mail: gyq611003@163.com
丁程鋒，張繪芳，李霞，李偉濤，高亞琪.天山中部云杉天然林水源涵養(yǎng)功能定量評估——以烏魯木齊河流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3733- 3743.
Ding C F, Zhang H F, Li X, Li W T, Gao Y Q.Quantitative assessment of water conservation function of the natural spruce forest in the central Tianshan Mountains: a case study of the Urumqi River Basin.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3733- 3743.
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丁程鋒,張繪芳,李 霞,李偉濤，高亞琪,*
1 新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052 3 滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院, 滁州 239000
?
天山中部云杉天然林水源涵養(yǎng)功能定量評估
——以烏魯木齊河流域?yàn)槔?/p>
丁程鋒1,2,張繪芳1,李 霞2,李偉濤3，高亞琪1,*
1 新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052 3 滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院, 滁州 239000
為定量分析天山中部流域尺度云杉天然林水源涵養(yǎng)功能,以烏魯木齊河流域?yàn)檠芯繀^(qū),使用InVEST模型,研究云杉林及其它主要地類水源涵養(yǎng)量的大小,并對云杉林在不同分布面積、不同地形因子條件下的水源涵養(yǎng)量變化進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：①InVEST模型可較好的確定研究區(qū)流域尺度水源涵養(yǎng)量?；贗nVEST模型的模擬,烏魯木齊河流域云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量(2.41×107m3)的20.46%,林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度為54.25 mm；②云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量的大小在海拔、坡度、坡向上的變化與云杉林空間分布格局一致,每公頃水源涵養(yǎng)量隨海拔升高先增大后降低、隨坡度增大而降低；陰坡水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)；③研究區(qū)各地類中以林地水源涵養(yǎng)量最大(水源涵養(yǎng)量544.78 m3/hm2),隨著云杉林覆蓋率的不斷增加,水源涵養(yǎng)總量、平均水源涵養(yǎng)深度及單位面積涵養(yǎng)量均呈增加趨勢；④研究區(qū)水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積密切相關(guān),云杉林面積每增加1%,研究區(qū)與云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別增加0.437×106m3、0.522×106m3；加強(qiáng)對研究區(qū)云杉林的保護(hù)與撫育管理,才能使森林發(fā)揮持續(xù)穩(wěn)定的水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)功能。
水源涵養(yǎng)功能；InVEST模型；云杉林；天山中部；烏魯木齊河流域
水源涵養(yǎng)是森林的重要生態(tài)功能,以往對森林水源涵養(yǎng)功能的研究大多基于林分尺度或坡面尺度[1],量化流域尺度森林水源涵養(yǎng)功能,是水資源管理的需求也是多年來森林水源涵養(yǎng)功能研究的瓶頸。為正確認(rèn)識森林的水源涵養(yǎng)功能,眾多學(xué)者通過固定樣地調(diào)查、長期野外監(jiān)測方式,采用水量平衡法[2]、蓄水能力法[3]、綜合評價(jià)法[4]、林冠截留法[5]等對林分尺度、坡面尺度下的云杉林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行研究,但對流域尺度云杉林水源涵養(yǎng)功能的定量評估卻鮮見報(bào)道。位于烏魯木齊河流域中山帶的云杉天然林,擔(dān)負(fù)著涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄山區(qū)降水、保護(hù)冰川安全和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡的重大生態(tài)責(zé)任[6]。定量分析天山中部流域尺度云杉林變化條件下的水源涵養(yǎng)功能,對推進(jìn)干旱區(qū)森林生態(tài)功能的定量評估及水資源的科學(xué)管理都具有重要意義。
隨著GIS技術(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型的發(fā)展,流域尺度水源涵養(yǎng)功能定量評估已成為可能[7]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型中應(yīng)用最成熟的模型之一,該模型不僅可將評價(jià)結(jié)果以地圖的形式直觀表達(dá)出來,并可以進(jìn)行多尺度、多情景的分析[8]。目前已被廣泛應(yīng)用于不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[9-11]、水質(zhì)凈化[12]、土壤侵蝕與保持[13]、生境質(zhì)量評價(jià)[14]等方面的研究。
自2010年起,InVEST模型逐漸被應(yīng)用于森林水源涵養(yǎng)評價(jià),傅斌等[15]利用InVEST模型中的水源涵養(yǎng)模型對四川都江堰市水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了分析,并采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)水源涵養(yǎng)的重要性進(jìn)行了評價(jià)；余新曉等[16]以北京山區(qū)為研究區(qū),在森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對森林景觀類型進(jìn)行了劃分,并利用InVEST模型對不同森林景觀類型的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了評價(jià)；王紀(jì)偉等[17]以漢江上游為研究區(qū),利用InVEST模型對該區(qū)域各森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了計(jì)算,并分析了該區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的空間變化趨勢；白楊等[7]以白洋淀流域?yàn)檠芯繀^(qū),通過建立森林變化情景,利用InVEST模型對不同情景下的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了評價(jià)；李明陽等[18]基于實(shí)測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),利用InVEST模型,對武夷山國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)森林土壤涵養(yǎng)水源的能力進(jìn)行了分析。上述研究為使用InVEST模型進(jìn)行新疆天山中部云杉天然林森林水源涵養(yǎng)功能定量評估提供了思路。本文在確定研究區(qū)云杉林分布范圍變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,基于流域多年平均降水與蒸散發(fā)數(shù)據(jù),利用InVEST模型,綜合考慮氣候、土壤、地形等因素,定量評估流域尺度云杉林的水源涵養(yǎng)功能,為水資源有效利用及更大尺度水源涵養(yǎng)功能預(yù)測與評估提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于天山中部86°45′—87°56′ E,43°00′—44°07′ N間的烏魯木齊河流域(圖1)。山區(qū)(西白楊溝口以上)流域集水面積1070 km2,其中冰川面積約38 km2,流域山體高大,地形陡峻,平均海拔3006 m,平均坡度48.5°,年徑流量2.37億m3。流域南起烏魯木齊河上游天山山脈的依連哈比尕山分水嶺,北至古爾班通古特沙漠南緣的東道海子,西接頭屯河流域,東到烏拉泊和柴窩堡洼地之間的分水嶺,由南至北各支流泉溝匯入東道海子[19]。流域?qū)俚湫痛箨懶詺夂?多年平均氣溫2.1 ℃,多年平均降水449.2 mm,降水年內(nèi)分配不均,主要集中在夏季,5—9月占全年降水量比重最大,約為70%。植被分布以中山帶雪嶺云杉(PiceaschrenkianaFisch. et Mey.)為主,研究區(qū)內(nèi)云杉林面積約90.85 km2(圖2)。流域內(nèi)土壤垂直地帶變化明顯,依次為高山草甸土、灰褐色森林土、黑鈣土、山地栗鈣土。
圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The location of the study area
圖2 云杉林空間分布圖Fig.2 The spatial distribution map of spruce forest
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源與處理
本研究所需主要數(shù)據(jù)有：多年平均降水量、多年潛在蒸散發(fā)、土壤深度、土壤可利用有效水、土壤飽和導(dǎo)水率、土地利用類型圖、流域及子流域邊界等,研究所需其數(shù)據(jù)來源及處理方法見表1。
表1 數(shù)據(jù)來源及處理方法
2.2 方法
2.2.1 產(chǎn)水量模擬
InVEST模型的產(chǎn)水量模塊是基于水量平衡法開發(fā)而來,將每個(gè)柵格上的降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后的水量,以柵格為單元定量評價(jià)不同地塊的產(chǎn)水能力[16]。計(jì)算公式如下：
(1)
式中,Yxj為森林類型j中單元格x上的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj為森林類型j中單元格x上的年實(shí)際蒸散量(mm)；Px為單元格x上的年降水量(mm)。
(2)
式中,Rxj為土地利用類型j上柵格單元x的干燥指數(shù),無量綱,表示潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值。
(3)
式中,k為作物系數(shù),即蒸散系數(shù),是作物蒸散量與潛在蒸散量的比值；ET0為潛在蒸散發(fā)量。
ωx為修正植被年可利用水量與降水量的比值,無量綱：
(4)
式中,Z為zhang系數(shù),是表征多年平均降水特征用的一個(gè)常數(shù),是模型的關(guān)鍵參數(shù),默認(rèn)值是9.433；AWCx為可利用水。
2.2.2 水源涵養(yǎng)計(jì)算
用InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊計(jì)算年產(chǎn)水量之后,根據(jù)DEM計(jì)算地形指數(shù)D,考慮不同土壤的滲透性、不同土地利用類型地表徑流流速系數(shù)的影響,最后計(jì)算水源涵養(yǎng)量[16],計(jì)算公式如下：
WR= min (1, 249/V) × min (1, 0.9×D/3) × min (1,Ksoil/300) ×Y
(5)
式中,WR為多年平均水源涵養(yǎng)量(mm)；D為地形指數(shù),無量綱；Ksoil為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；V為流速系數(shù),由相關(guān)文獻(xiàn)獲得[15]；Y為產(chǎn)水量。
(6)
式中,Watershed pixel count為集水區(qū)柵格數(shù)量,無量綱；Soil depth為土壤深度(mm)；Percent slope為百分比坡度。
2.2.3 地形因子區(qū)間劃分
為定量評估云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)與地形因子關(guān)系,對海拔、坡向和坡度進(jìn)行區(qū)間劃分,并利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)各區(qū)間范圍的水源涵養(yǎng)量。其中,海拔劃分以1600 m為起始基準(zhǔn),每增加200 m為1級,共劃分為7級：1600—1800、1800—2000、2000—2200、2200—2400、2400—2600、2600—2800、2800—3000 m；坡向以正北方向?yàn)?°,按45°角,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)劃分6個(gè)方向：陰坡(0°—45°,315°—360°)、東北坡(45°—90°)、東南坡(90°—135°)、陽坡(135°—225°)、西南坡(225°—270°)、西北坡(270°—315°)；坡度劃分為6個(gè)等級：平坡(<5°)、緩坡(5°—15°)、斜坡(15°—25°)、陡坡(25°—35°)、急坡(35°—45°)、險(xiǎn)坡(>45°)。
2.2.4 情景模擬
研究區(qū)云杉林以中齡林為主,幼齡林分布較少[26],在高海拔地帶,由于氣候條件等多方面的原因,云杉林分布稀疏,生長不良；在低海拔地帶,因降水較少,氣溫較高,云杉林生長也不好,唯中海拔地帶降水充沛,氣候溫和,適宜云杉林生長[27]。為研究云杉林分布變化對水源涵養(yǎng)的影響,根據(jù)張毓?jié)?、劉貴峰等[26,28]研究成果(云杉林主要分布在海拔1800—2700 m、坡度10°—50°的陰坡半陰坡區(qū)域)和天山云杉的生物學(xué)特征[27]設(shè)定云杉林變化的5種情景,分別利用InVEST模型對不同情景下的產(chǎn)水量進(jìn)行模擬,根據(jù)2.2.2的方法計(jì)算各情景下的水源涵養(yǎng)量(各情景模擬過程中,其它數(shù)據(jù)不變,只改變土地利用類型數(shù)據(jù)),最后運(yùn)用線性趨勢分析法分析不同情景間的水源涵養(yǎng)量差異。設(shè)定的云杉分布5種情景如下(圖3為云杉林現(xiàn)狀分布(情景1)、云杉林覆蓋最大(情景3)、無云杉林(情景5)的情景圖)：
情景1 現(xiàn)有云杉林實(shí)際分布,此時(shí),云杉林覆蓋率為8.17%；
情景2 海拔1800—2700 m、坡度10°—50°區(qū)域內(nèi)陰坡全部納為林地,此時(shí),云杉林覆蓋率12.26%；
情景4 現(xiàn)有半陰坡區(qū)域的林地轉(zhuǎn)換為草地,此時(shí),云杉林覆蓋率5.73%；
情景5 現(xiàn)有云杉林全部轉(zhuǎn)換為草地,此時(shí),云杉林覆蓋率0%。
圖3 不同情景土地利用類型圖Fig.3 The land use map of different situations
3 結(jié)果與分析
3.1 研究區(qū)水源涵養(yǎng)量總體分析
3.1.1 水源涵養(yǎng)量空間分布規(guī)律
根據(jù)2.2.1的方法,得到研究區(qū)產(chǎn)水量,在此基礎(chǔ)之上,根據(jù)2.2.2的方法計(jì)算得到研究區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布圖(圖4)。由圖4得出,研究區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)深度在0—118.54 mm之間,水源涵養(yǎng)總量為2.41×107m3。
水源涵養(yǎng)功能總體呈西高東低、北高南低的趨勢,水源涵養(yǎng)量較高的區(qū)域主要有兩個(gè)：①云杉林分布區(qū),由于森林覆蓋,林下土壤層較厚,有利于土壤孔隙度發(fā)育,且土壤表層枯落物較多,形成良好的土壤結(jié)構(gòu)及通風(fēng)狀況,其土壤下滲、持水能力較強(qiáng)[15,17],有利于對水分的截留；②研究區(qū)中西部區(qū)域,因該區(qū)多年平均降水量較大、且草地廣泛分布所致。
2.3.1 色譜條件 色譜柱：辛烷基鍵合硅膠為填充劑（150×4.6mm，5μm）；流動(dòng)相：0.01mol·L-1磷酸氫二鈉溶液（用磷酸調(diào)節(jié) pH 值至 7.6）-乙腈（75∶25）；檢測波長：302nm；柱溫：30℃；流速：1.0mL·min-1。
水源涵養(yǎng)功能較差的區(qū)域主要有：①研究區(qū)南部高海拔區(qū),該區(qū)為裸巖和永久冰川,幾乎無土壤、植被分布,降水截留能力較差；但該區(qū)域有少量水源涵養(yǎng)功能較高的地方,疊加土地利用類型圖可知,散布水源涵養(yǎng)較高的地方屬于草地分布區(qū)；②流域北部出山口,該區(qū)是人類活動(dòng)集中區(qū),建設(shè)用地和耕地的水源涵養(yǎng)能力較差[15],區(qū)域降水少、蒸發(fā)量大,故水源涵養(yǎng)量較低。
3.1.2 不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量分析
利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)分析工具,統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型每公頃水源涵養(yǎng)量,得到表2。由表2可知,不同土地利用類型水源涵養(yǎng)總量依次為：草地(1394.43×104m3)>裸地(508.08×104m3)>林地(494.72×104m3)>冰雪(35.47×104m3)>水體(1.98×104m3)>其它(0.39×104m3),分別占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的57.26%、20.86%、20.32%、1.46%、0.08%、0.02%,水源涵養(yǎng)總量的大小與各種地類面積有很大關(guān)系[29],但不同土地類型的水源涵養(yǎng)總量的大小與其水源涵養(yǎng)能力的大小并無緊密關(guān)系[30]。
圖4 研究區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖Fig.4 Water conservation in the study area
圖5 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖Fig.5 Water conservation in forest region
不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力大小由每公頃水源涵養(yǎng)量來衡量,由表2知,各土地利用類型每公頃水源涵養(yǎng)量大小順序?yàn)椋毫值?544.78 m3/hm2)>草地(275.29 m3/hm2)>裸地(118.85 m3/hm2)>其它(88.23 m3/hm2)>冰雪(50.68 m3/hm2)>水體(23.41 m3/hm2),林地水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),這主要是由于林地土壤孔隙度較大,且對土壤結(jié)構(gòu)改善作用明顯。
表2 不同土地利用類型水源涵養(yǎng)量
3.2 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量分析
3.2.1 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量分析
在確定研究區(qū)水源涵養(yǎng)空間分布圖基礎(chǔ)上,以云杉林林區(qū)為邊界,裁剪得到林區(qū)水源涵養(yǎng)分布圖(圖5)。由圖5看出,云杉林林區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)深度在2.4—118.54 mm之間；研究區(qū)林地覆蓋率8.17%,水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,占研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的20.46%,林地平均水源涵養(yǎng)深度54.25 mm,云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的趨勢。
3.2.2 云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)與地形因子關(guān)系
在研究區(qū),地形微環(huán)境影響水、土和熱量的分布,由于水熱環(huán)境的不同使森林分布格局、地表狀況及土壤狀況發(fā)生變化[17]。根據(jù)2.2.3的方法統(tǒng)計(jì)不同地形因子不同區(qū)間范圍內(nèi)的水源涵養(yǎng)量,分別得到表3—表5。
表3 不同海拔水源涵養(yǎng)量
表4 不同坡度水源涵養(yǎng)量
表5 不同坡向水源涵養(yǎng)量
由表3可知,不同海拔云杉林水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率分別為：0.05%、5.07%、20.19%、32.58%、31.11%、10.80%、0.21%,以海拔2200—2400 m處貢獻(xiàn)率最大,這與云杉林在不同海拔區(qū)間分布的面積比有很大關(guān)系；就每公頃水源涵養(yǎng)量來說,以海拔2000—2200 m處每公頃水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng),達(dá)593.47 m3/hm2,其次是2200—2400 m,為573.21 m3/hm2,海拔1600—1800 m與2800—3000 m處每公頃水源涵養(yǎng)能力較弱,分別為329.66、368.08 m3/hm2,這與不同海拔降水及森林分布有關(guān)。
由表4可知,不同坡度(平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡)條件下,云杉林水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率分別為：0.56%、6.06%、18.95%、35.31%、29.66%、9.46%,這與云杉林在不同坡度分布的面積比有很大關(guān)系；就單位面積水源涵養(yǎng)量來說,平坡(652.12 m3/hm2)>緩坡(637.86 m3/hm2)>斜坡(591.93 m3/hm2)>陡坡(549.62 m3/hm2)>急坡(519.52 m3/hm2)>險(xiǎn)坡(474.61 m3/hm2),在重力作用下,土壤水分沿坡向下運(yùn)動(dòng)并在平緩的地方聚集[31],因此,林區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)能力隨著坡度的增大而逐漸減弱。
由表5知,不同坡向(陰坡、西北、東北、東南、西南、陽坡)條件下,云杉林水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率分別為：63.20%、16.99%、12.29%、1.66%、4.55%、1.30%,這與云杉林在不同坡向分布面積比有很大關(guān)系。越接近陰坡,森林分布狀況越好,降水較陽坡多,且每次降水后,陽坡蒸散發(fā)強(qiáng)烈,經(jīng)一段時(shí)間后,陽坡土壤含水量較陰坡要小[32],因此,陽坡水源涵養(yǎng)總量小于陰坡；就單位面積水源涵養(yǎng)量來說,越接近陰坡,其水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng),陰坡每公頃水源涵養(yǎng)量達(dá)567.90 m3/hm2,陽坡為399.94 m3/hm2,因陰坡有森林分布,土層厚度大,森林可有效增加土壤孔隙度、減小容重[33],陽坡無森林分布,土壤較薄、土層緊實(shí),蓄積水分的能力較陰坡弱,因此,單位面積水源涵養(yǎng)量較陰坡低。
3.3 不同云杉林面積設(shè)定情景下水源涵養(yǎng)特征分析
3.3.1 研究區(qū)水源涵養(yǎng)變化
根據(jù)2.2.4設(shè)定的不同情景,分別統(tǒng)計(jì)各情景下水源涵養(yǎng)總量及平均水源涵養(yǎng)深度,得到表6。
表6 不同情景的水源涵養(yǎng)量
由表6知,不同情景水源涵養(yǎng)量順序?yàn)椋呵榫?>情景2>情景1>情景4>情景5,隨著云杉林覆蓋率的增大(0—197.06 km2),研究區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度由17.95 mm增加到27.10 mm,水源涵養(yǎng)總量由1.98×107m3增加到2.99×107m3。隨著研究區(qū)云杉林覆蓋率增大,其水源涵養(yǎng)功能增大。
以情景1云杉林現(xiàn)實(shí)覆蓋率及水源涵養(yǎng)量為基準(zhǔn),采用線性趨勢分析法,分析不同情景與情景1的研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化差異,得到圖6及如下方程：
ΔWR= 0.0437ΔF- 0.0505R2= 0.9951P<0.01
式中,ΔF為云杉林面積變化率；ΔWR為研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化。計(jì)算表明云杉林面積變化,對研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量變化影響極顯著,云杉林覆蓋率每增加1%,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量增加0.437×106m3。
圖6 云杉林變化率與研究區(qū)水源涵養(yǎng)關(guān)系圖 Fig.6 Relationship between the change rate of spruce forest and water conservation in the study area
圖7 云杉林變化率與林區(qū)水源涵養(yǎng)關(guān)系圖 Fig.7 Relationship between the change rate of spruce forest and water conservation in forest area
3.3.2 云杉林面積變化及其水源涵養(yǎng)量的響應(yīng)特征
運(yùn)用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)分析功能,統(tǒng)計(jì)不同情景下林區(qū)水源涵養(yǎng)量,見表7。由表7知,不同情景林區(qū)水源涵養(yǎng)功能大小順序?yàn)椋呵榫?>情景2>情景1>情景4>情景5；在未來林地面積增加的兩種情景下(情景2、情景3),林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度從54.25 mm分別上升到59.74、62.63 mm,林區(qū)水源涵養(yǎng)總量從4.93×106m3分別上升到8.13×106、12.28×106m3,其單位面積涵養(yǎng)量從542.65 m3/hm2分別上升到596.74、623.16 m3/hm2；當(dāng)未來林地面積減少(情景4)直至消失(情景5)時(shí),林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度從54.25 mm下降到53.59 mm,水源涵養(yǎng)總量減少了1.52×106m3。
表7 不同情景的林區(qū)水源涵養(yǎng)量
-表示林地消失,不計(jì)算水源涵養(yǎng)量
以情景1云杉林現(xiàn)實(shí)覆蓋率及水源涵養(yǎng)量為基準(zhǔn),采用線性趨勢分析法,分析不同情景與情景1的林區(qū)水源涵養(yǎng)量變化差異,得到圖7及如下方程：
ΔWRf= 0.5215ΔF- 0.2852R2= 0.9995P<0.05
式中,ΔF為云杉林面積變化率；ΔWRf林區(qū)水源涵養(yǎng)量變化。計(jì)算表明云杉林面積變化,對林區(qū)水源涵養(yǎng)量有顯著的影響,云杉林覆蓋率每增加1%,林區(qū)水源涵養(yǎng)量增加0.522×106m3。
綜上所述,隨著云杉林面積的不斷增加,林區(qū)水源涵養(yǎng)功能不斷增強(qiáng),平均水源涵養(yǎng)深度、水源涵養(yǎng)總量及單位面積涵養(yǎng)量均呈現(xiàn)增加趨勢,云杉林具有顯著的水源涵養(yǎng)能力。
4 討論
(1)有關(guān)學(xué)者研究表明：常綠針葉林最大水源涵養(yǎng)深度為321.94 mm,平均水源涵養(yǎng)深度為83.29 mm[17],這與本文研究結(jié)果有一定差異,可能與森林類型、局地氣候、局地土壤條件等因子不同有關(guān)。本文運(yùn)用InVEST模型對流域尺度云杉天然林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了定量評估,云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出北高南低、西高東低的趨勢,這是否與云杉林的生長分布及其微環(huán)境有關(guān)？還有待進(jìn)一步研究。此外,由于森林水源涵養(yǎng)功能的復(fù)雜性,未來還需對以下問題進(jìn)行研究：①如何充分利用現(xiàn)有林分尺度、坡面尺度的觀測研究成果,實(shí)現(xiàn)森林水源涵養(yǎng)功能的尺度推移？②在使用InVEST模型過程中,如何解決同一土壤類型的物理屬性(土壤飽和導(dǎo)水率、可利用有效水)在空間分布上存在的差異？怎樣設(shè)計(jì)更大密度的野外觀測及調(diào)查方案,才能有效模擬和彌補(bǔ)這一不足？
(2)縱觀各學(xué)者研究成果,對不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力觀點(diǎn)基本一致,森林、草地等植被覆蓋率較高的區(qū)域水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng),裸地、建設(shè)用地等硬質(zhì)地面及植被稀疏區(qū)水源涵養(yǎng)能力較低[15,30],但流域水體水源涵養(yǎng)量最低,這與本研究結(jié)果一致。其原因是河道兩側(cè)的河床土壤粒徑較大,河道水分消耗于垂直方向的滲透與水平方向的側(cè)向流,水分易流失,且在冬季河道兩側(cè)水分向河道匯集,而在夏季則是河流水分向河道兩側(cè)流失,河流作為水分傳輸?shù)妮d體,對水分的截留能力相對較弱。
(3)吳丹等[3]、劉璐璐等[29]、孫清琳等[34]分別對江西省、四川省、浙江省的森林水源涵養(yǎng)與地形因子的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果均表明水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積分布有密切關(guān)系,每公頃水源涵養(yǎng)量隨坡度增大而降低；這與本文研究結(jié)果一致。但對每公頃水源涵養(yǎng)量與海拔的關(guān)系卻不盡相同,這可能是不同區(qū)域、不同海拔森林分布的狀況不同所致。
5 結(jié)論
(1)InVEST模型可較好的確定烏魯木齊河流域的水源涵養(yǎng)量。InVEST模型模擬表明,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量2.41×107m3,其中,占研究區(qū)總面積8.17%的云杉林區(qū),水源涵養(yǎng)總量為4.93×106m3,達(dá)研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量的20.46%,林區(qū)平均水源涵養(yǎng)深度為54.25 mm。
(2)云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)率與森林面積分布密切相關(guān),其水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)率在海拔、坡度、坡向上的分布與云杉林空間分布格局一致；云杉林每公頃水源涵養(yǎng)量隨海拔升高先增大后降低、隨坡度增大而降低,越接近陰坡,水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)。
(3)研究區(qū)各地類中以林地水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)(每公頃水源涵養(yǎng)量為544.78 m3/hm2),隨著云杉林覆蓋率的不斷增加,水源涵養(yǎng)功能不斷增強(qiáng),平均水源涵養(yǎng)深度、水源涵養(yǎng)總量及單位面積涵養(yǎng)量均呈增加趨勢。
(4)隨著森林面積增加,研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量增加。云杉林面積每增加1%,研究區(qū)與云杉林區(qū)水源涵養(yǎng)總量分別增加0.437×106m3、0.522×106m3。因此,對研究區(qū)進(jìn)行有計(jì)劃的撫育造林,逐步擴(kuò)大森林面積,可有效增加森林水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)功能。
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Quantitative assessment of water conservation function of the natural spruce forest in the central Tianshan Mountains: a case study of the Urumqi River Basin
DING Chengfeng1,2, ZHANG Huifang1, LI Xia2, LI Weitao3, GAO Yaqi1,*
1InstituteofModernForestry,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi830000,China2CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China3SchoolofGeographyInformationandTourism,ChuzhouUniversity,Chuzhou239000,China
To quantitatively investigate the water conservation function of the natural spruce forest at the watershed scale in the central Tianshan Mountains, the Urumqi River Basin was chosen as a study area. The InVEST model was used to investigate the capacity for water conservation of the spruce forest and other land use types, as well as quantitatively analyze water conservation changes of the spruce forest under the conditions of different distribution areas and terrain factors. The results showed that: (1) The InVEST model could adequately assess water conservation at the watershed scale. The InVEST model simulation showed that the total water conservation of the spruce forest in the Urumqi River Basin was 4.93 × 106m3, which accounted for 20.46% of the total water conservation in the study area (2.41 × 107m3). In addition, the average water conservation depth of forest area was 54.25 mm. (2) The contribution rate of water conservation in the slope, aspect, and elevation was consistent with the spatial distribution pattern of the spruce forest. At first, per hectare water conservation increased with altitude and then decreased, and it decreased with an increase in slope. The water conservation ability in the shade slope was greatest. (3) The spruce forest showed the greatest capacity, which reached 544.78 m3/hm2. The total, average depth and unit area of water conservation exhibited an increasing trend with increasing spruce forest coverage. (4) The contribution rate of water conservation in the spruce forest was closely related to forest area. Total water conservation in study area and spruce area increased to 0.437 × 106m3and 0.522 × 106m3with a 1% increase of spruce forest area, respectively. Therefore, the forest plays a vital role in maintaining sustainable and stable water conservation and ecological service functions, which necessitate effective measures to strengthen the protection and management of spruce forests.
water conservation function; InVEST model; the spruce forest; the Central Tianshan Mountains; Urumqi River Basin
新疆公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(XMBM000001953);安徽省滁州學(xué)院培育項(xiàng)目(2014PY02)
2016- 04- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22
10.5846/stxb201604130673
*通訊作者Corresponding author.E-mail: gyq611003@163.com
丁程鋒，張繪芳，李霞，李偉濤，高亞琪.天山中部云杉天然林水源涵養(yǎng)功能定量評估——以烏魯木齊河流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3733- 3743.
Ding C F, Zhang H F, Li X, Li W T, Gao Y Q.Quantitative assessment of water conservation function of the natural spruce forest in the central Tianshan Mountains: a case study of the Urumqi River Basin.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3733- 3743.
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