闽江流域生态公益林林型对水源涵养的影响

赖日文，刘 健,2，汪 琴，叶 伟

(1 福建农林大学 a 林学院，b 3S技术应用研究所，福建 福州 350002；2 三明学院，福建 三明365000)

林型即森林类型，为森林群落的分类单位，是按照群落的内部特性、外部特征及其动态规律所划分的同质森林地段。划分林型的目的是为森林调查、造林、经营和规划设计提供科学依据，从而对不同的类型采取与之相适应的营林措施[1]。森林作为陆地生态系统的主体，在调节气候、涵养水源、水土保持、防风固沙、改良土壤、减少污染、美化环境、抵御自然灾害、保持生物多样性、维系生态平衡等方面发挥着不可替代的作用[2]，其具有的水土保持和涵养水源功能，对于改善生态环境具有积极作用[3-4]。森林涵养水源，通常是指森林生态系统对降水的拦截和滞蓄，其功能主要表现在蓄水、调节径流、森林削洪抗旱和净化水质等几个方面[5]。目前，关于林型结构与森林涵养水源功能的研究，多集中在对定位观测结果的对比分析上，研究的具体方法主要是对森林涵养水源各组成要素进行定位观测；数学方法则主要运用统计学、模糊数学、层次分析法等，将灰色关联分析法[6]应用到林型结构与水源涵养功能关系研究[7-8]的并不多见。

本研究以闽江流域为研究对象，借助遥感(Remote sensing,RS)和地理信息系统(Geographic information system,GIS)技术，在遥感影像图处理、森林资源信息提取的基础上，利用灰色关联分析法，通过研究流域内降雨量和径流量2个森林水量平衡的“入口”与“出口”，分析不同林型结构与森林涵养水源功能之间的相关关系，以期在减少定位观测工作量的基础上，为合理调整闽江流域内生态公益林林型结构布局，充分发挥公益林的水源涵养功能提供参考。

1 研究区概况

闽江流域位于我国东南部，发源于武夷山脉，在南平以上有建溪、富屯溪和沙溪三大支流，在南平以下有纳尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流，最后流经福州、长乐出海。闽江是福建省最大的河流，河长577 km，河道平均坡降为0.5‰，总流域面积为 6 099 200 hm2，约占福建省总面积的1/2，被福建人民称作“母亲河”。根据全流域近500个雨量站的实测资料计算，全流域多年平均年降水总量1 043亿m3，折算平均年降水深1 710 mm。随着流域地势高程从西北向东南方向递延，年降雨量也随之递减，闽江下游地区则为低雨区。全流域降水在年内分配比较集中，汛期(4-9月)降雨量占年降雨量的70%～80%。全流域河川年径流量586亿m3，其中由地下水补给的径流量为162亿m3，分别占全流域降水总量的56.1%和15.5%。闽江流域径流深(即每公顷径流量)在武夷山主峰附近的多年平均值达2 000 mm，为全流域最大值，在武夷山脉形成了闽北径流丰水带，随着山地高程递减，径流深也随之降低，至沿海地区只有600 mm左右[9]。

2 资料的收集与处理

2.1 资料来源

本研究主要采用的卫星遥感影像有：2012-03-05环境与灾害监测预报小卫星星座A、B星(HJ-1A/B)CCD影像数据6景，轨道号分别为451-84、452-84、452-88、448-84、450-84和449-88。此外，还收集了《福建省农业地图集》、福建省气象台站近30年降雨量数据、闽江流域1∶250 000行政边界矢量(Shapefile,SHP)、福建省1∶250 000行政边界矢量和福建省第7次(2008年)森林资源连续清查数据库续档材料。

本研究采用的主要软件有ERDAS 9.2遥感影像处理软件、ArcGIS 10.0地理信息系统软件和DPS v7.05统计软件等。

2.2 数据处理

2.2.1 径流量和降雨量栅格数据库的建立 利用《福建省农业地图集》收录的福建地表水资源多年径流深图，运用ArcGIS 10.0软件，在福建省1∶250 000行政边界矢量图层上，将径流深线用点进行绘制，并将各点赋予相应的径流深值；福建省多年平均降雨量的点图由福建省近30年各台站平均降雨量获得。

在ArcGIS 10.0软件中，采用反距离加权(Inverse Distance Weighted,IDW)插值法分别对径流深和降雨量的点图进行内插处理，获取福建省多年平均径流深图和年降雨量图，以30 m×30 m(与遥感影像空间分辨率一致)栅格数据格式输出。再将闽江流域范围SHP图层借助遥感图像处理软件转换成感兴趣区(Area of Interesting,AOI)，裁剪得到闽江流域多年平均径流深分布图(图1)和多年平均降雨量分布图(图2)。

图1 闽江流域多年平均径流深的分布

将闽江流域内各县市行政范围SHP图层转换成AOI，裁剪图1和图2统计得到流域内各县市的径流深和降雨量值。由于所得到的各县市平均径流深和降雨量栅格的灰度值分布不均匀，可以通过加权平均计算获得各县市的平均径流深和降雨量值。

(1)

式中：P为区域径流深或降雨量平均值，pi为第i个栅格径流深或降雨量值(mm)，ai为第i个径流深或降雨量值所代表的面积(hm2)，A代表流域内各县市的面积。统计所得闽江流域各县市多年平均径流量和年降雨量的值见表1。

表1 闽江流域各县市多年平均径流量和年降雨量的统计结果

2.2.2 遥感影像处理及林型信息 对收集的HJ-1A/B CCD遥感影像经过辐射标定、大气校正、几何校正、直方图匹配、灰度调节、镶嵌及云去除等处理，将闽江流域SHP电子图层转换为AOI格式，实现闽江流域范围HJ-1影像CCD数据4个波段的影像剪裁。在此基础上，采用监督分类、分层分类结合专家知识分类方法[10-12]，实现对闽江流域森林资源信息的提取，利用森林资源连续清查数据库续档资料对其进行精度验证，总体精度为81.8%。然后通过已有的闽江流域生态公益林掩膜图，裁剪出闽江流域生态公益林的森林资源分布图(图3)。用闽江流域内30个县市的AOI，可以裁剪出各个县市的森林资源专题图，并从图中提取各县市的林型和各林型面积，结果见表2。

图3 闽江流域生态公益林资源的分布

林型通常按有林地的林种划分，但考虑到遥感影像解译的可操作性，以及用材林、薪炭林、防护林和特种用途林等林分是由杉木、马尾松、阔叶树等树种组成，形成了杉木林、马尾松林、阔叶林和针阔混交林，同时在闽江流域内分布有福建省的广布植物毛竹林，并且还具有相当面积的经济林，因此本研究将林型划分为杉木林、马尾松林、阔叶林、针阔混交林、竹林和经济林6种。

2.2.3 林型与降雨量和径流量的灰色关联分析 本研究尝试利用灰色关联分析法研究林型结构与森林涵养水源的关系，主要有以下步骤：

1)确定母序列。通过研究流域降雨量和流域出流径流量两个森林水量平衡的“入口”与“出口”，分析不同林型结构与森林水源涵养功能之间的相关关系。所以确定母序列为2个因素，即年径流量Y1与年降雨量Y2，记为{Yi}={Y1,Y2}，具体见表2。

2)确定子序列。闽江流域林型划分为阔叶林X1、杉木林X2、马尾松林X3、针阔混交林X4、竹林X5、经济林X6等6种，所以确定子序列为6个因素，记为{Xi}={X1,X2,X3,X4,X5,X6}，具体见表2。

3)无量纲化处理。由于降雨量、径流量和林型面积等数据的单位不一致，因此需对所有因子进行无量纲化处理。本研究采用初值化变换，其计算公式为：

(2)

式中：Xij′(i=1,2,…,n;j′=1,2,…,m)为初值化的指标值，Xij(i=1,2,…，n；j=1，2，…,m)为原始指标值，Xi1为每行的第1个值。变换结果见表2。

表2 闽江流域各县市不同林型的面积及年径流量、年降雨量和林型面积的初值化变换结果

续表2 Continued table 2

4) 求关联系数及关联矩阵。

关联系数L0i(K)的计算公式为：

(3)

式中：Δmax和Δmin分别表示所有比较序列各个时刻绝对差中的最大值与最小值，因为比较序列相交，故取Δmin=0；ρ为分辨系数，取0.3；|X0(K)-Xi(K)|表示K时刻2个比较序列的绝对差。

关联度的计算公式为：

(4)

式中：r0i为子序列i与母序列0的关联度；N为比较序列的长度，即数据个数。

关联矩阵的计算结果见表3。

3 结果与分析

3.1 林型结构与森林涵养水源的关系

3.1.1 闽江流域林型结构与降雨量和径流量的关系 从表3可以看出，阔叶林(X1)、杉木林(X2)、针阔混交林(X4)3个因子与年径流量(Y1)的关联度较大，表明这3个因子对年径流量(Y1)的影响作用相对较强，而马尾松林(X3)、竹林(X5)、经济林(X6)3个因子对年径流量的影响作用较弱。杉木林(X2)、马尾松林(X3)、针阔混交林(X4)、竹林(X5)、经济林(X6)5个因子与年降雨量(Y2)的关联度都较大，表明闽江流域的不同林型对年降雨量的分配均发挥了重要作用，其中马尾松林(X3)、竹林(X5)、经济林(X6)3个因子与年降雨量的关联度均在0.78以上。说明不同林型结构对年径流量的影响作用有明显差异，但对年降雨量均有较强的影响。其中阔叶林(X1)、针阔混交林(X4)、杉木林(X2)3种林型与年径流量的关联度较大，而与年降雨量间的关联度较小，表明研究区域内的阔叶林、针阔混交林、杉木林3种林型对森林涵养水源的影响作用强于马尾松林、经济林和竹林。

表3 闽江流域年径流量和年降雨量与林型的关联矩阵

3.1.2 闽江流域各县市林型结构与径流量的关系 由于不同林型对年降雨量的分配都具有重要的作用，而不同林型对年径流量的影响作用具有较明显的差异，故单独将林型与年径流量进行比较分析。对于森林水源涵养来说，一般是每公顷径流量(即径流深)越小，其所对应的林型比例越有利于水源涵养。以闽江流域各县市径流深数据为基础，运用DPS v7.05统计软件的聚类功能，按径流深对各县市进行动态聚类，结果分成4类，具体见表4。

表4 闽江流域各县市生态公益林涵养水源能力的聚类结果

3.2 闽江流域各县市林型结构及其经营策略

通过对表2中不同林型面积分析，可知闽江流域生态公益林中阔叶林、针阔混交林、杉木林3种林型面积与马尾松林、竹林和经济林3种林型面积的比值约为6∶4，总体来说闽江流域生态公益林涵养水源能力较好。

由表4可知，长乐市、大田县、闽清县、三明市、沙县、延平区、尤溪县生态公益林涵养水源能力较强，这些县市主要位于闽江流域的中部，林型结构中阔叶林、杉木林和针阔混交林占有林地面积的比例分别约为20%，18%和26%，马尾松林、竹林和经济林面积共计约占有林地面积的36%。在这类区域中，长乐市、沙县的阔叶林初值化值低于平均水平，尤其是长乐市需要对阔叶林加强营造和保护；闽清的阔叶林、杉木林、针阔混交林的初值化值都较高，其涵养水源能力最强，需要继续合理经营管理。

由表4可见，福州市、将乐县、建瓯市、明溪县、闽侯县、清流县、顺昌县、松溪县、永安市、永泰县、德化县、古田县、建宁县、建阳市、连城县、宁化县、浦城县、邵武市、泰宁县、仙游县和政和县生态公益林的涵养水源能力属于2、3类，这些县市基本位于闽江流域的东、西和南部，阔叶林、杉木林和针阔混交林占有林地面积的比例分别约为16%，19%和20%，马尾松林、竹林和经济林面积共计约占有林地面积的45%。2类区域属于福建省杉木中心产区，公益林中杉木林的比例较高，可对将乐县、明溪县、清流县、顺昌县、永安市的杉木林进行一定程度的择伐，而福州市、闽侯县、顺昌县、松溪县的阔叶林需加强营造和保护，还需加强对福州市、闽侯县、松溪县、永泰县针阔混交林的营造和保护。3类区域属于闽江流域的高海拔区，公益林中杉木林占有更高比例，大部分县市需要对阔叶林及针阔混交林加强营造和有效保护，对建阳市、宁化县、浦城县、政和县的杉木林可以进行适度的择伐作业。

光泽县和武夷山市属于4类区域，这2个县市生态公益林涵养水源的能力最弱，阔叶林占有林地面积的比例平均为26%，杉木林占17%，针阔混交林占19%，马尾松林、竹林和经济林面积总和约占38%。光泽县和武夷山市位于闽江流域最北部，属高海拔地区，虽然阔叶林所占比例较高，但多数为高山矮灌类型，加上区域气温较低，林木生长季节较短，生长量相对较低，持水能力较弱，因此在这个区域需要加强对阔叶林及针阔混交林的营造和保护。

3.3 闽江流域各林型的涵养水源能力

阔叶林水源涵养功能较强[13]，这是因为阔叶林林分枝叶稠密、叶面相对粗糙，叶片斜向上、叶质坚挺，能截持较多的水分，且叶片含水量低，吸持水分的空间较大，因而林分的持水率很高。另外，阔叶林下有一层较厚的枯枝落叶层，具有保护土壤免受雨滴冲击和增加土壤腐殖质及有机质的作用，还可以改善土壤结构，减缓地表径流速度，从而增加土壤层蓄水、滞洪能力。

针阔混交林也具有较强的水源涵养功能。这是由于针阔混交林具有多层复合林冠结构，并且林下植被种类多样，植被层次结构复杂，增强了森林对降雨的调节功能；另外，由于不易分解的针叶落叶的存在，使成分复杂的枯枝落叶层既能有效地缓冲和蓄存降雨，又可以保持土壤水分、湿度及温度，促进微生物分解活动，使土壤结构得到改善[14]，增强了土壤的蓄水能力。

由于闽江流域是福建省的杉木中心产区，且杉木中幼林所占比例较大，林分叶片较小，单个林木的叶片数量多、表面积大，可吸附更多的水滴；另外，杉木枝条和侧枝呈斜向上着生方式，叶螺旋状(有时二列状)排列于小枝上，可以有效地截留雨水和雾滴，因而杉木林分林冠层的持水率较高[15]。马尾松林的涵养水源能力较杉木林弱，一方面是由于马尾松叶为针型且枝干形态不利于持水；另一方面则是由于马尾松林多分布在坡面的中上部，同时针叶不易腐烂造成持水能力下降。

经济林的水源涵养功能最差，这主要是因为经济林种植得比较稀疏、空隙较大，林冠间的截留率低、灌草持水量少的缘故。闽江流域内毛竹林较多，且经营较为集约，林下杂草、灌木较少，加上毛竹冠幅较小且枝干持水能力较弱，因此涵养水源能力较差。

4 结论与讨论

本研究通过绘制径流深线和气象台站的降雨量点分布，经内插得到径流深和降雨量分布图，有效获取了闽江流域多年平均径流深图和降雨量栅格图。在对HJ-1A/B遥感影像处理的基础上，通过监督分类、分层分类，结合专家知识分类方法，实现了闽江流域森林资源信息的提取，并通过闽江流域30个县市的边界SHP得到各县市的生态公益林森林资源数据。灰色关联分析结果表明：马尾松林、竹林、经济林对水分的调节能力较差，其中经济林对水分的调节能力最差，阔叶林、杉木林、针阔混交林对水分的调节能力较好。

闽江流域内生态公益林中阔叶林、杉木林和针阔混交林面积分别约占有林地面积的20%，18%和26%时，径流深较小，涵养水源能力较强；在流域内30个县市中，长乐市、大田县、闽清、三明、沙县、延平区和尤溪县生态公益林水源涵养能力较强，且闽清的阔叶林、杉木林、针阔混交林占有林地面积的比例均较佳，因此该区域生态公益林的涵养水源能力最好。

森林覆盖率的提高能在一定程度上削洪补枯、稳定河川径流[16]。针对闽江流域来说，森林经营要遵循适地适树的原则，把握好各种林型占林地总面积的比例，保护林下凋落物，因地制宜，保护森林资源，禁止滥砍滥伐，具体措施有待于进一步的完善。

需要指出的是，本研究主要是借助RS和GIS技术，探讨林型及其比例与森林涵养水源的关系，所得结果可以为合理调整流域内生态公益林林型结构布局、充分发挥生态公益林水源涵养功能提供参考。但由于森林水源涵养涉及许多因素，如森林植被所处的温度、地形等环境因子，因此，相关研究仍有待于进一步完善。另外，遥感影像空间分辨率的高低对森林资源信息的提取精度有一定影响，因此也会对分类结果产生影响。

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