森林質量指數變化對江西省遂川縣多年降雨徑流的影響1)

周勇 徐童心 楊皓 王柏昌 常猛 莊家堯

(南京林業大學，南京，210037) (國家林業和草原局華東調查規劃設計院) (江蘇中煤長江生態環境科技有限公司) (南京林業大學)

森林生態系統是陸地生態系統的重要組成部分之一，為人類社會提供了各種物質和資源[1]。而森林生態系統中水文性能是森林一項重要的服務功能，從水文調節過程來講，主要分為5大水文效應：林冠截留、樹干流、枯落物、土壤和林地蒸騰蒸發[2]。森林和水的相互作用關系一直是林學、生態學關注的熱點問題，在全球氣候變化和人為劇烈活動的大環境背景下，河川徑流在時間和空間上的變化，能夠引起水資源的重新分配，并改變生態系統的演化過程[3]。森林植被連接著土壤層和大氣層，具有截留降水、減少雨滴擊濺、增加土壤入滲等生態功能[4]。還能削弱降雨的沖擊力與侵蝕力，很大程度地減小了地表徑流量及徑流速度，減弱了雨水對地表的直接沖擊和侵蝕，使林地表層土壤不會輕易流失[5]。

以往國內外學者多為對森林植和對降雨徑流的影響作用大小的問題研究[6-10]，而森林質量變化對徑流變化的研究較少，尤其是中國南方紅壤丘陵區。一些森林植被對產流的影響研究中沒有考慮森林質量的差異，特別是地表覆蓋的差異[11]。因此，為了分析不同時期森林質量水平和趨勢變化規律，探討徑流趨勢變化及對植被變化的響應關系，進一步分析森林質量的變化對徑流產生的影響，本文以遂川縣域1989—2018年的天然降雨、徑流序列數據為基礎，運用小波分析等方法對石城降雨徑流進行研究，結合遂川縣域1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季6期遙感影像計算出森林質量指數，建立遂川縣域的降雨-徑流-森林三維空間模型。可為定量監測和科學評價南方紅壤丘陵區水土流失與生態環境狀況提供依據，指導南方紅壤丘陵區的水土流失綜合治理和水文水資源研究，進一步增強森林涵養水源功能價值評估科學性，為縣域解決低效林改造問題提供理論指導。

1 研究區概況

遂川縣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)(圖1)。總面積3 144.17 km2。總體地形為山多田少，整體地勢像一個向東北開口的簸箕，自西南向東北依次分布有中山、低山、丘陵和河谷平原。縣境水系發達，河網密布，遂川江、蜀水是域內2大河流，屬贛江一級支流[12]。縣境屬中亞熱帶濕潤季風氣候區。年平均氣溫在11.5 ℃，年平均降水量1 421.2 mm，年平均無霜期284 d。遂川縣屬于南方紅壤丘陵水力侵蝕區，因為歷史原因和自然災害，早期的森林資源遭到大面積的消失，造成嚴重的水土流失，嚴重的水土流失易造成自然災害，如山體滑坡、洪澇等[13]。面對這一嚴峻的形勢，贛州市委市政府做出戰略決策，從1984年開始在行政區內播種和營造大量的馬尾松(Pinusmassoniana)林。但由于當時各個下轄縣經濟基礎薄弱，沒有財力對營造的馬尾松林進行撫育管理[14]，再加上立地條件差等其他客觀原因，導致行政區內出現大量以馬尾松人工林為主體結構的低效林。

圖1 遂川縣域地理位置示意圖

2 數據來源與研究方法

1989—2018年的水文數據包括徑流實測數據、降雨實測數據等均來自江西省南昌市水文局。本研究中的遙感影像數據以Landsat4-5和Landsat8衛星影像為數據源。結合水文數據年份區間，在中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)下載年份為1989、1995、2001、2004、2010和2017年冬季無云覆蓋的TM影像，其空間分辨率為30m。森林資源二類調查數據來源于江西省石城縣林業局。

2.1 水文數據分析

本文采用降雨徑流的豐枯等級變化，該等級變化以距平百分率(P)作為劃分標準，分為豐、平、枯年，距平百分率P=(某年降雨徑流量-30 a平均降雨徑流量)/30 a平均降雨徑流量，具體的劃分標準：當-0.10.1為豐水年；當P≤-0.1時為枯水年[15]。并對遂川縣域降雨徑流數據采用線性回歸分析法進行線性趨勢分析。

2.2 森林質量指數的判定

通過植被覆蓋度、林冠郁閉度和地表枯落物覆蓋度對森林質量等級因子值進行判定，進而通過等級面積相應比例得出森林質量指數。植被覆蓋度通過遙感影像圖提取研究區域的土地覆蓋分類圖[16-20]，并利用軟件envi5.2計算；林冠郁閉度和地表枯落物覆蓋度通過森林資源二類調查數據和實地調查數據進行判定和劃分。森林質量指數判定如公式(1)所示：

(1)

式中:Si為等級面積，S為研究區總面積，Qi為森林質量等級因子值，β為森林質量指數值。

表1 森林質量等級因子值確定范圍

本文對遂川縣域1989、1995、2001、2004、2010和2017年6期遙感影像進行植被覆蓋度計算，并根據森林質量等級因子值確定范圍表提取得到遂川縣域的森林質量等級分布圖，利用軟件ArcGIS快速統計功能統計森林質量等級面積分布，計算出相應的森林質量指數，再結合水文數據實際情況，把1989—2018年每5 a作為一個觀測階段對各流域徑流數據進行統計，綜合統計遂川縣域森林質量指數、降雨量、徑流模數、徑流量和徑流系數等階段變化。并通過線性回歸分析法對數據進行趨勢變化分析。

2.3 小波分析

(2)

2.4 森林攔蓄降雨模型建立

森林植被的存在可以攔截部分降雨，其中林冠層和地表枯落物層起到主要的攔截作用。當降雨強度一致時，有植被覆蓋的區域和無植被覆蓋的區域會對徑流產生不同的影響，有時差別很大，本節基于這一理論出發，嘗試建立模型定量描述降雨、徑流和森林植被之間的響應關系，探索三者之間的變化規律，完善森林水文生態系統理論知識。根據水量平衡理論，森林植被攔蓄降雨越多，研究區域產生的徑流越少，森林攔蓄降雨能力大小與攔蓄容量有關，本文森林攔蓄降雨模型采用劉昌明院士[28]的森林攔蓄降雨極限容量模型：

(3)

(3)式中，Q為徑流深(mm)；P為降雨量(mm)；(1/K)=MIT為森林最大可能攔蓄降雨；劉道平[29]等在MIT=ba+c的假設基礎上，提出如下模型改進：

(4)

森林植被對降水徑流的影響較為復雜，本文結合實際情況，提高模型的精確度，將森林覆蓋率替換為森林質量指數(β)，更為準確地預測徑流。

森林植被對降水徑流的影響較為復雜，在此之前，森林覆蓋對流域產流產沙的影響研究中沒有考慮森林質量的差異，特別是地表覆蓋的差異，而不同地表覆蓋的森林水源涵養及土壤保持功能差異巨大，同時考慮，劉道平[29]研究選址在浙江省安吉縣，該縣域森林多年變化相對較小，而遂川縣由于戰爭等歷史原因，森林覆蓋率及森林質量變化較大，僅考慮森林覆蓋率研究誤差較大，為提高模型的精確度，本次研究采用森林質量指數(β)代替森林覆蓋率進行研究，更為準確地預測徑流：

(5)

式中：Q為徑流深(mm)；P為降雨量(mm)；β為森林質量指數(%)。

3 結果與分析

3.1 降雨徑流年際變化趨勢

對遂川縣域1989—2018年降雨觀測資料進行統計(圖2)，遂川縣域多年平均年降水量為1 815.0 mm，其中豐水期多年平均降水量為1 281.3 mm，枯水期多年平均降水量為533.6 mm。最大年降水量(2 556.3 mm)為最小年降水量(1 248.8 mm)的2.0倍。遂川縣域豐水年、平水年、枯水年對應的年降水量分別為2 159.0、1 824.4、1 496.3 mm。

圖2 遂川縣域降雨量年際分布特征

徑流年際變化分析。遂川縣域1989—2018年徑流數據如圖3所示，遂川縣域多年平均徑流量為3.96億m3，年徑流量總體呈緩慢下降趨勢，最小年徑流量為2.75億m3，遂川縣域豐水年、平水年、枯水年對應的年均徑流量分別為4.51、4.09、3.21億m3。豐水年年均徑流系數最高為0.77，之后是枯水年和平水年，年均徑流系數分別為0.74、0.72，遂川縣域豐水年降水量、徑流量均大于其他特征年份，且產流能力較平水年、枯水年更高。

圖3 遂川縣域年徑流量分布特征

降雨徑流年際響應。將遂川縣域多年降雨量與徑流深隨時間的變化繪制成圖4。表明研究時段內遂川縣域年降水量和年徑流深均呈正相關關系，即徑流深隨降雨量的增加而增加，相關系數為R2=0.603 5。

圖4 遂川縣域降雨量和徑流深變化分析

3.2 森林質量指數年代變化特征

圖5為各年份森林質量指數計算結果，利用軟件ArcGIS快速統計功能統計森林質量等級面積分布[30]，變化情況如表2所示，遂川縣域森林質量指數隨年份的增加整體呈上升-下降-上升趨勢。1970至2000年，森林質量指數呈現上升趨勢。2000至2010年，有所下降。2010年至今，森林質量指數呈顯著上升趨勢。遂川縣域森林質量等級在0.50以上的面積比例整體均呈上升趨勢。遂川縣域2017年較1989年森林質量指數在0.50以上的面積比例增加了24.79%，表明高質量林分占比越來越高。

表2 遂川縣域森林質量等級面積分布

3.3 森林質量指數與徑流關系分析

表3為遂川縣域森林質量指數、降雨量、徑流模數、徑流量和徑流系數等的階段變化，圖6表明遂川縣域豐水期徑流系數同森林質量指數呈相反的線性變化趨勢。

圖6 遂川縣域森林質量指數與豐水期徑流系數年代關系

表3 遂川縣域徑流年代變化特征

3.4 降雨-徑流-森林質量指數模型擬合

圖7為研究區石城縣域小波變換消噪后的降雨-徑流數據，結合經過降雨徑流降噪數據以及森林質量指數數據，在軟件Matlab上使用參數率定方法，模擬出最優結果值。經過篩選最優結果為b=1 361，c=-247.6，R2=0.761 1。因此得到降雨-徑流-森林模型表達式為：

圖7 遂川縣域小波變換消噪后的降雨-徑流

式中：P為降雨量(mm)；β為森林質量指數(%)；Q為徑流深(mm)。

圖8為遂川縣域模型三維空間圖，分析模型可知徑流深與降水量呈正相關，與森林質量指數呈負相關。當降雨量=2 000 mm，森林質量指數=0.5時，此時徑流深為1 571 mm；當降雨量=2 000 mm，森林質量指數=1.0時，此時徑流深為1 071 mm。森林質量指數從0.5增加到1.0時，徑流深減少了500 mm。

圖8 遂川縣域三維空間模型

4 結論與討論

遂川縣域1989—2018年多年平均降雨量1 815.0 mm，豐水期多年平均降雨1 281.3 mm，枯水期多年平均降雨量533.6 mm；多年平均徑流量為3.96億m3，降雨和徑流隨著年際變化表現出緩慢下降趨勢，下降趨勢不明顯，這可能由于全球變暖的大環境所致，這與王藝璇等[30]研究結果一致。

遂川縣域森林質量指數隨著解析年份的增加整體呈上升-下降-上升趨勢；遂川縣在20世紀60～70年代受全國政治形勢的影響，大量砍伐天然林，致使全縣森林資源受到毀滅性破壞，森林質量指數較低；在80年代“消滅荒山”中，大面積采用飛播造林和人工植苗培育了大量的馬尾松和杉木，遂川縣域森林質量指數呈現上升趨勢；2000至2010年，遂川縣由于撫育管理措施不當[14]，出現了大面積的針葉純林和低效低產林，要對其進行改造，需要大量的投入，也是一個漫長的過程，森林質量指數在此階段有所下降；從2010年至今，森林培育管理技術的成熟，生產力的提高，特別是2000年以來，城鎮化的發展，建材替代品的出現，燃氣的普及，林業以往承擔的材料，燃料功能需求急劇下降，林下植被和枯枝落葉層恢復顯著，森林質量要素中的地表覆蓋率顯著上升，遂川縣域森林質量指數呈現顯著上升趨勢。

遂川縣域徑流系數同森林質量指數呈相反的線性變化，表明森林質量提升具有顯著滯洪作用；當流域被森林覆蓋以后，由于林冠、樹干、枯落物層對降水的截留作用以及森林土壤的涵養水源作用，可使流域降水得到充分的截留和吸收，地表徑流減少，快速流變為慢速流，延遲了流域洪水匯流時間，也削減了洪峰流量。森林質量的提升能加強森林削減洪峰的作用，從而提高流域防洪能力。

通過參數率定，遂川縣域模型表達式分別為Q=P-(1 361β-247.6)×(1-exp(-P/(1 361×β-247.6)))，模型精度為：R2=0.7611，其中徑流深與降水量呈正相關，與森林質量指數呈負相關。隨著森林質量指數的提高，徑流深逐漸降低，表明石城縣域森林質量的提升會加強森林涵養水源能力和森林滯洪作用。這與劉道平[29]模型擬合結果相同，可定量監測和科學評價南方紅壤丘陵區水土流失與生態環境狀況，從而更好地對縣域水資源變化的動態監測和預測。