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第1 7眷第4期
1 9 9 7年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA S矾 lCA
8 占 )
VoI_17，No．4
Ju1．， 1997
中国若干森林水文要素地理分布规律的模拟
． 三 基 刘世荣 郭泉水
(中国林业科学琬森林生态环境研究所，北京
温远光
(广西农业大学林学院)
7f
■鬟 利用全目各森林植被地理分布区森林农文要素的宴验观测数据，应用多元统计回归和主分量分析等
数学方法建立丁描述中国森林水文要素与地理要素(经度、纬度、海拔)之间函数关系F(ht，lonK，alt)~Z
维地学模型(D1M)，其中包括：全国年均降水分布规律模拟模型F全国林冠降农截留规律模拟模型·全国
森林桔落物持农能力模担模型|中国熹林综台截留能力指教模型。并且利用地理信息系统的三堆地学模型
(DTM)戚圈功雕，宴嘎全国范围内的森林农文要素地理分布规律的模报。
⋯ ‘ 坚’ 塑 ⋯ ／ ⋯ 息系 __—一 r —一 一 一／ ’』／
THE SIM ULAT10N STUDY F0R GE0GRAPHlCAL
DlSTRlBUTl0N LAW 0F SOM E FOREST—
HYDR0L0GIC FACT0RS 0F CHINA
Wang Bing Liu Shirong Guo Quanshui
(／nst／tute ofFore~Eeotogy andE．~ onmtnt，CAF，脚 ，100091，Chi~ )
W en Yuanguang
(G~ngxi A ~ ture Unlv~rs#y)
Abstract The paper makes use of the experiment data of forest—hydrologic factors about
the geographical distribute area of China forest，and applies m~ltiple statistic regression
and pricipal components to establish three dimension geo graphical models that describe the
function relation of chinese forest—hydrologic factors with geographic factors．These rood —
els including 2 1．The simulation modeI of rainfaI1 distribution law of China；2．The simu—
lation model of forest crown cover interception distribution law of China：3．The simula—
tion model of forest inter interception capacity distribution law of China；4．The simula一
· 国家自然科学基金重大项目 中国森林生态系统结构l功能规律研究 (9390011)、林业部重点项目 江西太岗山熹
林生态定位研究 及中国林业科学院基金坤 国森林农文研究网络圈文支持系统 (9591107)的部分内容。
收请日期：1995—04—14，幡改蔷收到日期：1996—06—1
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4期 王 兵等：中国若干森林水文要素地理分布规律的模拟 345
tion model of forest—hydrologic multiple capacity distribution law of China．Last，the pa—
per applies GIS to simulation the geographical distribution law of forest—hydrologic factors
0fChina．
Key words： forest—hydrologic factors，geographical model，simulation，GIS．
森林水文学研究的主要 目的就是弄清所研究地区森林植被对水分循环的影响以及森林水文循环的整
个过程，即通过测定森林水分收入和支出的各项森林水文要素研究降水在森林中的再分配和森林的水文
效应，进而得出森林植被调节径流、涵养水源的水文功能规律0]。
在我国，各森林植被地理分布区区域森林水文要素功能规律的研究近几年取得了一定进展。王颜辉
等研究了陇东黄土高原区刺槐人工林的水文生态效益，并建立了一个把森林截持量和林冠特征及降雨特
征直接联系起来的概念性模型 I董世仁等在华北地区研究了油松人工林的透流、干流和树冠截留规
律叫j此外，周晓峰等(1991)在东北寒温带、马雪华等(1992)在中亚热带杉木人工林区以及卢倥培等
(1986)在海南岛尖峰岭半落叶季雨林区分别对不同林型的森林水文要素进行丁模拟研究，获得了宝贵的
实验数据。
但是，到 目前为止还缺乏对全国范围内各森林区域水文要素分布规律的总体研究，缺乏覆盖全国的
森林水文要素模拟摸型，因此，本文的主要研究目的就是在地理信息系统的支持下实现全国范围由的森
林水文要素地理分布规律的模拟。
1 中国森林木文要素地理分布规律摸拟摸型的构t
利用地理信息系统针对三维地学模型(DTM模型)的戚图功能，进行中国森林水文要素地理分布规
律的模拟，首先要建立全国森林水文要素与地理要素(纬度、经度、海拔)之间函数关系 F(1at，long，ah)
的三维地学模型(DTM)。其中包括：全国年均降水分布规律模拟模型；中国森林林冠降水截留规律模拟
模型、中国森林枯落物持水能力模拟模型、中国森林综合截留能力指数模型-．]。
本研究筛选了我国不同自然气候带的年均降水量以及不同群落类型林冠降水截留量、森林枯落物持
水量、水文综合截留能力指数等森林水文要素效据，其中林冠降水截留量选取的 本数为147个、森林枯
落物持水量选取的样本数为 170、水文综合调节能力选取的样本数为 155个 叫 。
衰 1 数据样本分布情况
Table 1 OistributtoI1 of如rest—hydrologic data
中国森林分布区 寒温带 温带 暖温带 亚热带 热带 温带草原 温带荒漠 青藏高原 ⋯
Zone of Sorest cold ⋯ T mpe卜w帅 m 一s b 。 n。p。 】T mp n Tem ra Q。ngzaI1g
T0
dLstribution perateⅢ ate gone at㈨ n pica] ∞n steppe zone deseit Plateau
① Sample amount of forest crOWn㈣ r interception，② Sample agoOtnt of foz~st l~tter interception，@ Sampie
8moullt of multiple interception．
在具备了上述数据资料的基础上 ，利用多元统计回归中的最小二乘法原理，建立了全 国年均降水量、林
冠 降水截留量、枯落物持水量等森林水文要素与地理要 素(经度，纬度，海拔)之间的函数关系 F(htt
long，ah)。具体结果见表 3中公式①②@。
由于森林水文综合截留能力表示某一确定林型水文截留功能的总和．那么就需要把多个森林水文截
留要素有机地结合在一起，建立一个台理的森林水文综台截留能力计量指标体系，选取适宜的森林水文
要素来有效地计量森林水文综台截留能力的大小。根据数据资料的有效性和旃究方法的特点，本文从林
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346 生 态 学 报 17卷
冠层、枯技落叶层、林地土壤3十森林水文截留屡面出发，选取林冠降水截留量、枯落物量大持水量、土
壤非毛管空骧蓄水量(洋奉分布见表 1)这 3项水文藏留要事作为计量森林水文综合藏留柏力的指标0】．
有了上述3哽计量指标，通过主分量分析的数学方法求出每十指标对森林水文综舍截留能力的贡献事(权
重)，求其加权代数和．再把由上述 3项指标构成的森林水文综合截留能力三雏空间坐标通过降低维敦的
途径变成二维平面坐标 (主成分 y(2)的累计贡献事≥75％)，坐标平面上每十点到坐标原点(0，0)的距离
D(D=(y(1) +y(2) )。。)即代表该点所对应的森林水文综合截留能力值的大小m]．具体计算步鼻和结
果如下：
一 ⋯ 特征根及特征向量⋯一
主成分 y(1) y(2) y(3)
特征根 1．35舶 0．9593 0．6B20
贡献率( ) 45．2879 31．9781 22．7339
累计贡献牢( ) 45．2879 77．2661 100．000
主成分
= 1
X一2
X= 3
一 ⋯ 因子负荷量⋯⋯
y(1) y(2)
0．7976 — 0．0624
— 0．7010 0．5034
0 4806 0．8278
寰 2 番点主成分坐标硬对应点蠢#木文缀台慧■鼍力(D)
"lrlble 2 1 e lII ●曲r棚B-te-肌 “ ，r‘r甘t一-，山’●吒k m lt1．1e I-t●H叫 -●-(D)
点号 壕台麓留(D) 点号 壕台麓冒(D)
P nt y(1) y(2) M1】lti01e Point y(1) y(2) Multi01e
n,mt~r interception ¨ m interception
1 1．8307 — 1．7451 2．5292 2 — 1．0 0 一O．1622 1．1Oo0
3 —0．8256 一 吼 1115 0．831I 4 — 1．5349 0．7o8l 1．6905
5 —0．7898 一 吼 550o 0．9624 6 —1．4235 1．4433 2．0272
7 -0．4792 1．2853 0．3717 8 一m 3442 - 0．8838 0．9485
9 —0．2532 0．9129 0．9474 10 一m 1752 0．8462 0．8642
11 0．。517 一。．2768 n Z$16 12 n Z378 一n 3站 S n 4642
13 m 2724 —0．4283 0．5076 14 —0．2407 0．4818 吼5385
15 1．9989 -0．9444 2．21o昱 16 0．8782 0．1112 m 52
17 一l_o020 —0．5184 1．129o 18 0．5706 — 1．2634 lJ 3863
19 —0．9173 — 1．4329 1．7014 20 — 1．1710 — 1．1084 1．6124
21 — 0．2709 一 m 3598 0 4504 22 — 2．7946 0．9572 2．05l0
23 1．6429 —1．4658 2．2018 24 0．7088 0．9637 1．1 963
25 1．8598 0．7196 1．9942 26 m 8201 m 2905 0．8700
27 1．2696 —0．3225 1．3099 28 2．1054 —1．2699 2．4587
29 m 2383 一 l_2∞ 6 1．2270 3O 一0．6972 —0．3552 m 7825
31 一m l178 -0．6134 m 62“ 32 —0．2327 —0．7657 m 8o∞
33 0．O282 一n 姐 0．48T4 34 —0．6585 — 0．“ 0．T933
35 — 1．7411 0．6549 1．8602 36 一O．6865 — 0．O166 0．6867
37 —1．1847 1．4519 1．8739 38 -1．0941 0．1439 1．1035
39 — 1．3107 m 5506 1．4217 40 — 1．1048 -1．2176 1．6441
41 — 1 2154 — 1．3858 1 8433 42 一 m " 63 一m 6712 l_1520
43 0．7751 1．6659 1．8374 “ 1．1236 —0．6655 1．3059
45 0．2230 0．7309 0．7642 46 2．2443 1．3576 2．6230
47 1．B775 2．0094 2．750o 48 l_1126 l_1021 1．5660
49 l_667l 0．7265 1．667l 50 - 0．7542 1．9517 2．0924
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4期 王 兵等：中国若干森林水文要素地理分布规律的模拟 347
利用森林水文练告藏留能力(D)与地理要素之间的变量关系建立森林水文综合截留能力三维地学模
型F(1at，long，air，见表 3中公式④)．
衰3 中国森林水文要素地理分布最律模拟模型
Table 3 The simulation models of g卸 phjc dJstrJb~led low of r盯格I—hydrologic 酊，时 China
注：P——年均降水t ；J——林冠降水截留量；M——枯落韧持水能力；T——水文综合截留；Iat——经度；long
— — 蚌度}ah——海拔。
2 中国彝#水文要素地理分布规律的模拟
建立了中国森林水文要素与地理因子(经度，纬度，海拔)之间的DTM模型之后，就可以在 GIS的支
持下，进行中国森林水文要素地理分布规律的计算机模拟工作。
本次模拟，以全国基本气候台站为据点，采用多元样条函数将全国按0．5度的间距划分为经纬网，并
对网格上的海拔高度加 曲面插值，然后在由网格的地理坐标和插值后的海拔高度所构成的三维地理空
间对上述中国森林水文要素模拟模型分别进行数据拟舍，从而得到全国 3911个网格上相应的森林水文要
素模拟值，以此构成多堆森林水文要素空间，并以网格点上的森林水文数据构成空间样本点集。由同一
颜色的网格组成相同级别的森林水文要素及其所在地区，通过对网格的坐标转换t由计算机自动生成彩
色同格的几何图形，即中国森林水文要素地理分布规律模拟田，模拟田用不同的颜色显示各森林水文要素
的地理分布状况和梯度变化趋势。图 1～图 4，就是用 GIS绘制出来的中国森林水文要素地理分布规律模
拟图形Ⅲ叫 。
囤 i 中国森林年平均降水量模拟分布圈
Fig．1 T simulation map of删 n BU
distrlbution of China
由图 1和图 2可以看出，通过计算机
模拟出的中国年均降水量分布规律图和中
国森林椿冠截留能力分布图之『町无论是分
布格局还是梯度变化都存在着非常相似之
处，在中国森林降水量模拟图上最大值出
现在南亚热带常绿 阀叶林和热带季雨 林、
雨林区的东南措海地 区，如台湾 、海南、广
求、广西、福建等省区，基本 七处于北回l目
线以南．地带性檀被为季风常绿 旃叶林及
热带季雨林和落叶季雨林 ，这些地匮的年
降水量均在1400 mm以上，但随着纬度的
增加和经度的西移，降水量逐渐降低．当到
达位于温带荒漠区的新疆西北部时出现 丁
降水量的极小值(声≤200 ram)。同样+在中
国森林林冠截留能力模拟图上最大值也出
现在东南沿海地区，年林冠截留量均在 350
mrn以上，并且随着年降水量的分布格局
和梯度变化，在新疆西北部出现最小值(J
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生 态 学 报 17卷
圉2 中国森林林冠截留能力模拟分布圈
g．2 The simMation map of f0rtst
c㈣ cover]merception of China
田3 中国森林枯落翱持水能力模拟分布圈
Fig 3 The s~ ulatin map of forest litter
~nterception capacity of China
≤50 rnm)，这是由于森林的蕾茸艟力受其
所处自然气候带陴水量的影响较大所致．
同一森林群落年降水量大，劓其截留量也
随之升高，反之亦然．
从圈 3上看，中国森林枯落物持水能
力与圈 l和圈 2在分布格局和梯度变化上
截然不同，它 的最大值和较大值 ( ≥80
ram)出现在水热条件较差的青藏高原高寒
植被区，该区森林作为山地植被垂直带谱
的一个组成部分，主要分布于山地森林带
的范圈内．由于该区气候干旱寒玲，而枯落
物的分解速度直接受水热条件的影响，所
以该区森林牯落物的保存董相对较大．而
枯落物 的保存量又决定着森林枯落物持水
能力的高低( 0．9226)，因此造成青藏高
原高寒植被区森林枯落物持水力最强，而
水热条件俱佳的东南措海地区则是森林枯
落物持水能力最小的区域。
固森林水文的综合截留能力由林冠一次降水
截留、枯落翱最大持水量 及土壤非毛臂孔嚏蓄
水 3十目素决定，且 3十因素在y(1)主成分上的
因子负荷量分别为0．7976、一0 7010和0．4806{
在 r(2)主成分上的圈子负荷量分导叮为 0．0624、
0 5034和 0．8378．所以森林水文综合截留能力
的极大值要发生在 上 3十因素都较好的区域
(圉 4)，如位于南亚热带季风常绿阉叶林区的台
湾的阿里山、玉山；位于热带季雨#、雨林区的
海南岛五指山 尖峰岭 及受地形和印度洋暖蕊
气流作用，水热条件极为优越的云南、贵州、西
藏 3省的接合部(丁≥105 mm)．这些地区都具备
较为充足的降水．因此也就具有相对较大的林冠
一 砍截留量．而较高的{卑拔卫使其枯落物的分l|
速度相对缓慢．枯落橱现存量较大．加之这些地
区的土壤卫都具备发育良好的结构，因此森林水
文的综合截留能力的最大值出现在这些地区是必
然的。而森林水文缘合截留能力的极小值划出现
在 上3十因素都相对较差，属温带荒漠区的新
一西北部 (丁≤30 L邛)．
3 讨论
3．1 摸型奉身有持进一步完善．如中国森林林冠藏留能力模型和中国嘉林枯落物持水能力模型，邦只考虑到了自然造
理因素的影响(纬度、经度、海拔)，即地带性因素的影响．而没有充分考虑到林童、树木形态、郁闭度、般地形条件等
非地带性因素的影响，这表明了模型自身的局限性。所 下一步工作就是掏建中国森林水文要素地理分布规律的地带
性圄素和非地带性目素相结合的 DTM模型．
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4期 王 兵等：中国若干森林水文要紊地理分布规律的模拟 349
翻 4 中国森林东文踪舍龋节能力模拟分布图
Fig．1 The emuladon mxp。f forest—hydrologic
multiple interception capacity of China
3．2 构建模型所用样本数不够丰富．上述
4个模型在全国范围内选用的样奉数最多
为 170个点，最少为 147十点．这就导致在
个别地区模拟值与实测值之问会发生一定
偏差。因此必须继续在全国范国内收集更
多的森林水文数据资料+把个别地区的森
林水文要素空缺数据填补上．
3．3 由于比倒尺过小，所以在全国森#水
文要素地理分布规律模拟图上有林地和无
林地无法加以区分，模拟图上无林地的森
林水文要素分布表示其潜在分布．
参 考 文 献
1 马雷毕．森林水文学 北京：中甸林业出版杜·I993 l～3
2 王觑辉．眦东黄土地区刺槐林水土保持靛蓝的定量研究．北京林业大学学报，1986t 8(i) 35~82
3 董世仁 郭景者 满荣潮．华北油检人工林的遘谎、干赢和树冠藏留．北京林业大学学报，1987t 9(1)：58~83
4 姚华夏 裒作新．森林水文教应的教学模拟．垒回森林术文学术讨论舍文集．北京：测绘出版社，1989
5 姚丽华．森林降术截留的的研究近况．河北林学院学报，1938，3(1)：103 114
8 陈信罐，李锦育 森林对承资漂涵算效益评估之研究．中华林学季刊(台)r 1986，19(4)，iI~26
7 李春阳，周晓峰 东北东部森韩水文教应的研究．森林生态系统定位研究，哈尔滨：东北林业大学出版杜，1991
8 刘向东，对六盘山森林截留降水作用的研究．林业科技通讯．1982，(3)：386~338
9 王冬米．叶镜中．次生栎韩冠屠对降术分配的影响．森林生态系统定位研究-北京：中国林业出版社，1992
10 刘昌明．黄土高原森林水文对年径流影响的韧步分析．地理学报·1987，42(2)，234~236
11 卢俊培 海南岛森韩水文效应的韧步研究．中国{孽南岛太农业建设与生态平衡，北京：科学出版社，1987
12 马雪华 四川米亚罗地区高山狰杉林水文作用的研究 #业科学，1937，玎(3)：356～359
13 王 兵．小流域水土保持生态效益综合评价模型的研究 水土保持学报，1994，0(3)；334~337
14 Sktggs R W end Khaleel R．Infihration，Hydrological Modeling Smal W xtersheds，^ d^ S~iety F^ 一
rural￡ ⋯ ’1982
18 Smith R E The Infiltration Envelope Results from a Theoretical lnfihration Model，J硎埘 Hydr*4ogy，1972，
” I卜 一2l
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