中国森林生态系统地表径流调节特征

龚诗涵,肖 洋,方 瑜,郑 华,肖 燚,欧阳志云, *

1 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院研究生院, 北京 100039

中国森林生态系统地表径流调节特征

龚诗涵1, 2,肖 洋1, 2,方 瑜1,郑 华1,肖 燚1,欧阳志云1, *

1 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院研究生院, 北京 100039

径流调节是森林生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等生物物理过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。在区域尺度上评估森林生态系统地表径流特征,对于科学认识和合理保护森林生态系统水源涵养功能具有重要意义。以森林生态系统定位监测数据为基础,探讨地表径流与降水,径流系数与植被的关系,建立径流系数与植被的回归方程,分析全国森林生态系统地表径流调节特征。结果表明：(1)各森林类型地表径流与降水相关性显著,其对地表径流的影响为37%—76%。此外,径流系数与植被也显著相关,其对径流系数的解释能力为27%—47%。(2) 基于植被覆盖数据,通过植被与径流系数回归方程估算全国森林生态系统的地表径流调节特征。全国各森林生态系统径流调节能力存在差异,强弱顺序为：落叶针叶林>落叶阔叶林>针阔混交林>常绿针叶林>常绿阔叶林。

地表径流调节；森林生态系统；降水；植被；径流系数

森林生态系统作为地球上最重要的陆地生态系统,不仅为人类输出木材、药材及其他工业用品,而且还具有水源涵养、土壤保持、生物多样性保护、气候调节等功能[1- 2]。由于人口的增长、需求的增加、城镇化进程加快、资源开发力度的增大,导致了森林生态系统的退化,服务功能的降低,进而威胁着人类赖以生存的环境[3- 4]。

径流调节主要指养护水资源的举措达到降低水土流失、控制土壤沙化的目的,对于缓解洪涝灾害,减少土壤与营养物质流失,提高系统生产力有着重要影响[5]。森林生态系统径流调节效应是十分明显,大多数径流是以壤中流、地下流的形式流出。地表径流调节受多种因素影响,包括气候条件(降水量、降水强度)、植被特征(类型、结构、林龄、覆盖率),土壤条件(土壤厚度、孔隙率),地质、地形特征以及人类活动影响等[6]。

目前,我国水资源和水环境问题十分严峻,水资源短缺,水质恶化,洪灾、旱灾频繁,已给人们生产生活造成了巨大的负面影响。此外,经济与人口的增长、城市化进程的加快以及全球气候变暖,将进一步加剧水资源和水环境问题。由于环境问题的加剧,径流调节在生态系统服务中的重要性得到了广泛的重视。尽管国内外学者针对森林生态系统的径流调节功能进行了大量的研究,但由于研究区局限和特定,并未能反映全国尺度的森林生态系统径流调节特征[7]。本研究通过整合相关文献资料数据,建立径流系数与植被回归方程,研究全国尺度的森林径流调节特征,在探讨森林降低水土流失,保护水土资源,以及森林植被恢复和生态重建方面具有重要的科学意义和应用价值。

1 研究数据与方法

1.1 数据收集与筛选

本研究所用数据主要来自于相关文献资料,包括从国内公开发表的文献和出版的专著(关于径流小区的地表径流、降水、植被数据)。为了充分、有效地利用所收集的数据,更好地反映各森林生态系统类型地表径流与降水和植被的关系,本研究根据样本数据获得的方法的统一性对文献资料进行筛选,从多篇文献资料中筛选满足条件的样本数据。这些数据较大程度地覆盖了我国森林生态系统的分布区域,代表了我国的各种森林生态系统类型。植被覆盖度数据是基于像元二分模型[8]通过Modis影像反演得到。像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型,它假设一个像元的地表由有植被覆盖部分与无植被覆盖部分地表组成,而遥感传感器观测到的光谱信息也由这2个组分因子线性加权合成,各因子的权重是各自的面积在像元中所占的比率,其中植被覆盖度可以看作是植被的权重。全国2000—2010植被覆盖数据(VC)来源于中国科学院遥感与数字地球研究所。生态系统类型图主要基于Landsat 数据采用的面向对象的分类技术,引入非影像光谱信息强化目标的识别能力；生态系统类型数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所。降水与温度数据,基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论,来源于中国国家计量信息中心/中国气象局(NMIC/CMA)。

1.2 研究方法

中国幅员辽阔,自然条件复杂。多样化的气候、地形特征,维持着不同生态系统类型。就森林生态系统而言,其分布明显反映了地带性的特征,从北到南,大致分布为寒温带和温带山地针叶林、温带针阔混交林、温带落叶阔叶林、亚热带针阔混交林、亚热带常绿阔叶林、热带雨林和季雨林。目前,我国森林生态系统有多种分类方法,基于本文的研究目的和空间数据的可得性,本文依据《中华人民共和国植被图(1∶100万)》植被分类方法[9](表1),结合全国生态系统类型图[10-11]整理得到。

表1 中国森林生态系统分类

利用筛选后的试验数据,运用SPSS 软件,进行相关分析。基于拟合结果(回归系数R2)选择合适拟合方程,建立各森林类型地表径流和降水、植被的函数关系,揭示其径流调节特征。所建立的降水与径流关系应同时满足统计学、生态学的意义 (统计学意义为所建立的趋势线能较好地代表所有数据,关系达到显著性；生态学意义则是在降水范围内,径流量均应小于降水量)。

径流调节能力WC表示森林生态系统对雨水的调节能力,计算公式如下：

WC=100-RC=100-R/P×100

式中,RC为径流系数(%),等于地表径流量R与降雨量P的比值乘以100。

2 结果与分析

由于收集试验数据的不完整性,影响因子的复杂性,全面了解各因子对径流调节的影响仍有很大的难度。目前,关于各因子对径流的影响也尚未得到一致的规律性的结论[7]。所以,在分析地表径流与影响因子关系时,应关注主要的影响因素。研究表明,降水和植被会显著影响地表径流,其对径流动态的贡献率分别为69.8%和17.3%[12]。综合考虑,本文基于数据可获取性和影响因素重要性,选取森林类型、降水量和植被覆盖作为区域尺度上分析地表径流的关键因子。

2.1 地表径流与降水的关系

森林作为陆地主要生态系统类型,通过林冠、林下植被和凋落物对降水截留,以及蒸散作用和森林土壤的贮存特征,使森林地表径流减少,起到水文调节作用[13]。本文基于所收集的数据[14- 60],统计分析不同森林类型地表径流与降水的关系。由图1可见,各森林类型地表径流与降水呈现极显著的正相关性,其中相关最高的为常绿针叶林,决定系数R2达到了0.764(表2)。回归函数多为幂函数和线性函数,说明随着降水量的增多,森林地表的径流量也随之加大。降雨明显作用于各森林类型的地表径流,其影响的解释力为37%—76%。剩余的24%—63%为其他因子对地表径流的影响,例如土壤厚度、孔隙度、坡度等等。

图1 地表径流与降雨关系 (R为地表径流量,P为降雨量)Fig.1 The relationship between surface runoff and precipitationR为地表径流量,P为降雨量 (R is surface runoff and P is precipitation)

生态系统类型样本数决定系数回归函数EcosystemtypeNumberofdataR2Regressionfunction落叶针叶林Deciduousconiferousforest290.524R=0.0373×P+0.593常绿针叶林Evergreenconiferousforest1380.764R=0.0048×P1.197落叶阔叶林Deciduousbroadleafforest600.377R=0.0053×P+0.256常绿阔叶林Evergreenbroadleafforest3250.385R=0.0202×P0.916针阔混交林Mixedbroadleaf-coniferfor-est1450.543R=0.0106×P1.063

2.2 径流系数与植被的关系

在样本分析结果中,除了发现降水量与地表径流显著相关外,还发现植被覆盖与径流系数存在显著的负相关特征。由图2可知,各森林类型植被覆盖与径流系数呈现极显著的负相关性,其中相关最高的为落叶阔叶林,决定系数R2达到了0.56(表2)。回归函数多为幂函数,说明随着植被覆盖度的增加,森林的径流系数随之降低。植被覆盖在一定程度上确定着各森林类型的径流系数,其作用的解释力为32%—56%。

2.3 径流调节能力

虽然我国降雨时间分布差异明显,但降雨主要分配在夏季(雨热同期),同时该时段也是植被的主要生长时期,所以本文选取4—10月的植被覆盖度平均值来代表年植被覆盖度。基于植被覆盖与径流系数的回归函数模拟了全国森林径流调节能力。

图2 径流系数与植被覆盖关系Fig.2 The relationship between runoff coefficient and vegetation cover

生态系统类型样本数决定系数回归函数EcosystemtypeNumberofdataR2Regressionfunction落叶针叶林Deciduousconiferousforest210.558RC=136717×VC-2.684常绿针叶林Evergreenconiferousforest310.516RC=9074.5×VC-1.9落叶阔叶林Deciduousbroadleafforest150.416RC=2×107×VC-3.697常绿阔叶林Evergreenbroadleafforest1300.533RC=1×1012×VC-6.114针阔混交林Mixedbroadleaf-coniferfor-est480.324RC=37277×VC-2.244

图3 各类型森林生态系统径流调节能力对比 Fig.3 Comparative analysis of surface runoff characteristics of different forests

统计分析各森林类型的径流系数和径流调节能力,用均值表示各类型的状况,对比分析各类型径流调节特征。由图3可知,我国森林类型径流系数的范围为0.83%—4.58%,径流调节能力在95.42%—99.17%之间。就径流调节能力而言,落叶针叶林流调节能力最高,为0.83%；其次为落叶阔叶林,针阔混交林。

3 总结

本文以森林生态系统定位监测数据为基础,统计分析地表径流与降雨和植被的相关关系,得出以下主要结论：

(1) 各森林生态系统地表径流与降雨呈显著正相关,随着降水量的加大,森林径流量主要呈线性和幂函数式的增加,降水对地表径流的解释能力达到37%—76%。

(2) 径流系数与植被覆盖存在显著的负相关特征,随着植被覆盖度的增加,森林径流系数主要呈幂函数式的降低,植被覆盖对径流系数的解释能力为32%—56%。

(3) 通过对比分析各森林类型径流调节特征,揭示出我国森林径流调节能力：落叶叶针叶林>落叶阔叶林>针阔混交林>常绿针叶林>常绿阔叶林。

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Forest ecosystem surface run-off regulation characteristics in China

GONG Shihan1, 2, XIAO Yang1, 2, FANG Yu1, ZHENG Hua1, XIAO Yi1, OUYANG Zhiyun1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Run-off regulation is an important forest ecosystem service. It is involved in natural processes, such as regional climate circulation, the hydrological cycle, vegetation growth, soil conditions, and other natural processes. It is also an important indicator of regional ecosystem status change. Water resources in China are limited, and precipitation is uneven over time and space. Many researchers have attributed the water conservation loss in China to long-term human interference and widespread conversions of land use and land cover. Previous studies have found that climate conditions, such as drought, severe storms, and temperatureuctuations, are the primary cause of water conservation change. Therefore, the current forest run-off regulation characteristics and their relationships with precipitation, surface run-off, and vegetation need to be investigated if water conservation levels are to improve. To date, many reviews of paired catchment studies have only observed the changes in run-off characteristics over a couple of years. A few studies have used paired catchment results to predict the hydrological responses to permanent vegetation change. A comparison of the long term annual results from regrowth, deforestation, and afforestation experiments have shown that it takes more than 5 years for a catchment to reach a new equilibrium after permanent changes in vegetation have taken place. However, deforestation experiments reach a new equilibrium earlier than afforestation experiments. Paired catchment studies have successfully revealed relationships between the percentage vegetation change and associated hydrological characteristics in relatively small catchments. The relationship between run-off and precipitation becomes significant when seasonal storms and/or rain precipitation are included in the analysis. Previous plot scale studies have also shown that vegetation reduced runoff compared to farmland and grassland ecosystems. At the catchment scale, paired catchment studies have also shown that afforestation further reduces run-off, but the hydrological responses associated with rainfall-runoff processes are very complicated. This investigation used a literature review, statistical regression, and geographic information system analyses to study the run-off characteristics of different forest ecosystems and has developed a run-off regulation regression model for ecosystems at the regional scale. We quantied the run-off regulation characteristics of forest ecosystems in China, and compared the regulation characteristics of different types of ecosystems. Our main conclusions are (1) There is a significant correlation between precipitation and surface run-off in different forest ecosystems, and there is a correlation between vegetation cover and the run-off coefficient. The proposed run-off regulation functions were based on the regression analysis of a large amount of measured data obtained from the literature. (2) The run-off regulation characteristics for forest ecosystems were calculated over 11 years (2000—2010) using vegetation data for China and a statistical regression function. The forest ecosystems had different run-off regulation functions. The run-off regulation capability decreased in the following way: deciduous coniferous forest > mixed deciduous broadleaf forest > mixed broadleaf-conifer forest > evergreen coniferous forest > evergreen broadleaf forest.

surface runoff regulation; forest ecosystem; precipitation; vegetation; runoff coefficient

全国生态环境长期跟踪遥感调查(KFJ-EW-ZY-004)

2016- 01- 12;

2016- 10- 12

10.5846/stxb201601120081

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

龚诗涵,肖洋,方瑜,郑华,肖燚,欧阳志云.中国森林生态系统地表径流调节特征.生态学报,2016,36(22):7472- 7478.

Gong S H, Xiao Y, Fang Y, Zheng H, Xiao Y, Ouyang Z Y.Forest ecosystem surface run-off regulation characteristics in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7472- 7478.