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在全球水资源需求不断增加和水环境急剧恶化的背景下,森林在涵养水源、调节径流、增加区域可利用的水资源、调节河川流量、减少洪涝灾害等方面的意义更加突出。越来越多的人关注到了森林生态系统的水源涵养功能[1]。常用的测量水源涵养功能的方法有土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、林冠截留剩余量法、水量平衡法、降水储存量法、年径流量法、地下径流增长法和多因子回归法[2]等,但均在展现区域水源涵养功能的空间分布上不够直观;近年来,由斯坦福大学和大自然保护协会共同开发的用以直观评价水源涵养功能的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型[3]被广泛地应用于森林生态功能尤其是水源涵养功能研究。中国有不少学者在北京山区[4]、都江堰[1]、白洋淀[5]、三江源地区[6]、黄土高原[7]、赣江流域[8]和汉江上流[9]、商洛市[10]等对当地的产水量或水源涵养的空间格局等进行了分析与评价,参数经本地化处理后的InVEST模型能为区域生态规划发挥较好的指导作用;但对于模型模拟结果的精度验证与分析的研究较少,有待进一步完善。本研究以浙江省杭州市临安区水涛庄水库2015年水文监测数据为基础,通过野外调查和森林资源二类调查数据获得该水库集水区内森林类型、分布、土壤等相关参数,利用综合蓄水法和水量平衡公式计算水源涵养量,并用InVEST模型对水源涵养模块的模拟结果进行精度验证,为今后InVEST模型在浙江省乃至亚热带地区的推广应用提供参考依据。
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根据临安区森林资源二类调查小班清查矢量数据及野外样地调查的研究区地表覆被类型进行分类,研究区地表可分为不透水面、耕地、山核桃林、油茶林、毛竹林、高节竹林、马尾松林、杉木林、金钱松林、麻栎林、短柄枹栎林、青冈栎林、马尾松-白栎-短柄枹栎混交林和水体等14个类型(图 2)。
基于研究区森林主林层优势树种,将研究区的森林分为11个类型,不同类型的面积如表 1所示。其中:毛竹林的面积最大,油茶林次之,金钱松林最小。
序号 森林类型 面积/hm2 占研究区总面积/% 1 马尾松林 264.24 4.59 2 杉木林 200.07 3.48 3 金钱松林 133.02 2.31 4 马尾松-白栎-短柄枹栎混交林 375.12 6.52 5 青冈栎林 298.80 5.19 6 麻栎林 143.28 2.49 7 短柄枹栎林 667.53 11.60 8 毛竹林 1 214.73 21.09 9 高节竹林 759.33 13.19 10 山核桃林 170.46 2.96 11 油茶林 1 136.88 19.74 合计 5 362.83 93.17 Table 1. Forest area in research area
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基于InVEST模型对研究区的水源涵养功能进行评价,并利用Arc GIS平台对研究区水源涵养功能的空间分布情况和水源涵养量进行模拟与汇总。图 3各值为平均水源涵养深度(mm),数值越大表示水源涵养功能越好。根据数据汇总可知研究区水源涵养量为3 193.90×104 m3,其中森林与耕地的水源涵养量分别为3 189.73×104和4.17×104 m3。
由表 2可知:阔叶林、针阔混交林水源涵养能力较强,而针叶林、竹林居中,山核桃林和油茶林水源涵养能力最弱。其中,毛竹林虽然水源涵养能力不强,但由于其覆盖面积较大,因此水源涵养量最高,为832.15×104 m3;短柄枹栎林次之,而水源涵养能力较好的马尾松-白栎-短柄枹栎混交林的水源涵养量不高,为338.65×104 m3。山核桃林的水源涵养量最低,仅为39.76×104 m3。平均单位面积森林水源涵养量为5 548.17 m3·hm-2。
序号 森林类型 水源涵养总量/(×104 m3) 单位面积水源涵养量/(m3·hm-2) 1 马尾松林 160.20 6 062.76 2 杉木林 118.66 5 930.83 3 金钱松林 85.27 6 410.30 4 马尾松-白栎-短柄枹栎混交林 338.65 9 027.91 5 青冈栎林 241.15 8 070.76 6 麻栎林 111.85 7 806.63 7 短柄枹栎林 534.47 8 006.67 8 毛竹林 832.15 6 851.51 9 高节竹林 495.85 6 530.90 10 山核桃林 39.76 2 337.29 11 油茶林 231.37 2 035.80 合计 3 189.73 5 548.17 Table 2. Water conservation of research area in different forest types based on InVEST Model
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测量研究区年降水量为1 996.60 mm,水库年入库水量为5 947.15 mm,基于FAO Penman-Monteith公式计算得到研究区年蒸散量为457.67 mm。相关研究表明:年蒸散量受年平均日照时数与降水量等气象因子的影响较大,平均日照时数越小降水量越大则越不利于蒸发[18-19]。由于研究区2015年年蒸散量监测数据缺失,因而将研究区2015年计算值分别与2010年、2013年周边监测站监测值进行对比[20-21],以分析公式计算的年蒸散量的可行性。结果显示(表 3):研究区2015年蒸散量略低于2010与2013年的监测值,分别为另两年的68.33%与63.46%。分析原因,研究区2015年的年平均日照时数远小于2010与2013年,降水量则远大于2010与2013年监测值;同时研究区为水库库区,空气相对潮湿,不利于蒸散;研究区的森林类型与覆盖度与其他地区也存在一定的差异,导致其对水分的蒸散作用存在差异。因而运用FAO Penman-Monteith公式计算研究区年蒸散量具有一定的可行性。
研究区域 年份 年总日照时数/h 年降水量/mm 年蒸散量/mm 水涛庄水库 2015 1 437.40 1 966.60 457.67 太湖源 2010 1 836.70 1 201.72 669.84 天目山 2013 1 927.10 1 401.70 721.25 Table 3. Feasibility analysis of evapotranspiration calculation in research area
根据水量平衡相关理论可知:研究区2015年的年水源涵养量为2 738.31×104 m3。利用InVEST模型计算得到的年水源涵养量为3 193.90×104 m3。与测量值相比,两者在数值上较为接近;以水库监测数据为基准值,InVEST模型水源涵养模块模拟精度为83.36%。
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森林的水源涵养功能是指森林生态系统通过林冠层、凋落物层和土壤层对降水进行再分配,从而有效涵蓄水分、调节径流的功能。本方法通过对研究区以上3个环节蓄水能力的分析,获得森林的水源涵养功能。监测可知(表 4):凋落物截留量为9.17×104 m3,土壤水源涵养量为2 108.41×104 m3,参考不同地区相关研究[22]得到的林冠截留量为1 307.55×104 m3;计算得到森林总的水源涵养量为3 425.12×104 m3。InVEST模型得到结果较综合蓄水法略低,模拟值为实测值的91.27%,分析原因主要是因为综合蓄水法在样地选择过程中多选取林分较密,林相较好,生长较为旺盛的区域。但各林型水源涵养量数值较为接近,以综合蓄水法结果为基准值,InVEST模型水源涵养模块得出的各林型水源涵养量平均精度为89.86%。
序号 森林类型 林冠截留量/(×104 m3) 凋落物截留量/(×104 m3) 土壤水源涵养量/(×104 m3) 森林水源涵养量/(×104 m3) 模型模拟结果/(×104 m3) 精度/% 1 马尾松林 92.50 0.28 89.95 182.73 160.20 85.94 2 杉木林 68.86 0.17 60.24 129.26 118.66 91.07 3 金钱松林 47.09 0.16 57.27 104.52 85.27 77.42 4 马尾松-白栎-短柄枹栎混交林 152.71 1.65 196.02 350.38 338.65 96.54 5 青冈栎林 114.00 0.72 143.65 258.37 241.15 92.86 6 麻栎林 49.59 0.34 66.73 116.66 111.85 95.70 7 短柄枹栎林 250.74 1.35 306.62 558.71 534.47 95.46 8 毛竹林 308.17 1.71 571.60 881.48 832.15 94.07 9 高节竹林 200.10 0.78 305.63 506.51 495.85 97.85 10 山核桃林 23.80 0.27 20.56 44.63 39.76 87.75 11 油茶林 0.00 1.74 290.13 291.88 231.37 73.85 合计/平均 1 307.55 9.17 2 108.41 3 425.12 3 189.73 89.86 Table 4. Accuracy comparison of forest total water conservation of different forests in research area
基于综合蓄水法与InVEST模型计算的研究区单位面积水源涵养量对比如表 5所示。不同森林类型水源涵养功能不同,综合蓄水法计算可知各类型水源涵养功能由强到弱依次为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林>青冈栎林>短柄枹栎林>麻栎林>金钱松林>毛竹林>马尾松林>高节竹林>杉木林>山核桃林>油茶林;InVEST模型模拟结果则表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林>青冈栎林>短柄枹栎林>麻栎林>毛竹林>高节竹林>金钱松林>马尾松林>杉木林>山核桃林>油茶林,与综合蓄水法结果较为吻合。
序号 森林类型 林冠截留量/(m3·hm-2) 凋落物截留/(m3·hm-2) 土壤涵养/(m3·hm-2) 森林水源涵养功能/(m3·hm-2) 模型模拟结果/(m3·hm-2) 1 马尾松林 3 500.55 10.62 3 404.05 6 915.22 6 062.76 2 杉木林 3 441.55 8.30 3 010.80 6 460.65 5 930.83 3 金钱松林 3 539.88 12.26 4 305.60 7 857.74 6 410.30 4 马尾松-白栎-短柄枹栎混交林 4 070.86 43.97 5 225.60 9 340.43 9 027.91 5 青冈栎林 3 815.20 24.15 4 807.50 8 646.85 8 070.76 6 麻栎林 3 461.22 23.72 4 657.10 8 142.04 7 806.63 7 短柄枹栎林 3 756.21 20.17 4 593.40 8 369.78 8 006.67 8 毛竹林 2 536.91 14.04 4 705.60 7 256.56 6 851.51 9 高节竹林 2 635.24 10.29 4 025.00 6 670.54 6 530.90 10 山核桃林 1 396.29 15.82 1 206.30 2 618.41 2 337.29 11 油茶林 0.00 15.34 2 552.00 2 567.34 2 035.80 Table 5. Accuracy comparison of average forest water conservation of different forests in research area
将55个样点的森林水源涵养实测值对InVEST模型模拟值进行回归分析(图 4)。由图 4可知:模拟值对实测值的回归方程为y=0.868 2x+172.14,R2为0.635 4,模型模拟精度达74.15%。结合以上分析,可知InVEST模型的精度和可信度较高,具有一定的可行性,可用于实地水源涵养功能的模拟计算。