魏紅旭，任志彬，陳 鑫，王 丹

(中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102)

0 引言

水資源緊缺是當前全球所面臨的最為嚴峻的生態(tài)挑戰(zhàn)之一。氣候變化通過刺激增溫改變水分平衡，對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響[1-2]。森林是人類應(yīng)對氣候變化和提高水源涵養(yǎng)儲備的最有效“工具”之一[3-4]。合理的森林經(jīng)營能夠通過促進蒸散發(fā)為區(qū)域降水提供必要的前期水蒸氣環(huán)境條件[3]。雖然活躍的人類活動有助于區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，但對水源涵養(yǎng)區(qū)森林可能具有一定影響。區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展對當?shù)厣值乃磧π盍烤哂胸撁嬗绊慬5]，但也可能與森林水源儲蓄量之間協(xié)同共進[6-7]。具體的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與區(qū)域森林水源涵養(yǎng)力之間關(guān)系的研究仍受地理位置、經(jīng)濟發(fā)展和數(shù)據(jù)來源等因素的限制，缺乏相關(guān)性驅(qū)動力的分析。

當前，有關(guān)中國森林水源涵養(yǎng)力的研究多以區(qū)域性植樹造林的后續(xù)生態(tài)效益問題為主，其結(jié)果呈現(xiàn)明確的地域性差別[8-9]。吉林省長白山區(qū)地處中國東北地區(qū)，是中國北方地區(qū)“山水林田湖草”生態(tài)共同體的典型區(qū)域之一。目前，關(guān)于長白山森林水源涵養(yǎng)力的研究多以氣候變化背景下的生態(tài)驅(qū)動力分析為主[10-11]，但對人類活動的影響研究則相對比較少。區(qū)域經(jīng)濟指標是在森林生態(tài)領(lǐng)域研究人類活動影響的一類重要數(shù)據(jù)來源[12]，但其與長白山森林水源涵養(yǎng)力之間的關(guān)系目前尚不明確。本文以吉林省長白山區(qū)的29個縣市森林區(qū)域為對象，通過數(shù)據(jù)估測和資料檢索相結(jié)合的手段獲取數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)擬合分析，以期探明區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展指標與長白山森林水源涵養(yǎng)力之間的關(guān)系，為長白山森林水資源的高效利用提供理論支撐，并為區(qū)域水資源生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以吉林省東部長白山區(qū)29個縣市區(qū)域的森林為研究對象。根據(jù)分布海拔由低到高，森林類型包括闊葉林、針葉林、云冷杉林和岳樺林等。長白山植物區(qū)系復(fù)雜，是北半球同緯度地區(qū)生物多樣性最為豐富的地區(qū)。研究區(qū)包括：舒蘭、敦化、汪清、永吉、蛟河、吉林市、琿春、農(nóng)安、龍井、安圖、圖們、樺甸、伊通、磐石、延吉、和龍、東遼、東豐、撫松、梅河口、靖宇、遼源、輝南、柳河、渾江、長白、通化市、通化縣、集安。研究區(qū)分布于北緯40°～45°，東經(jīng)124°～131°。該地區(qū)屬于大陸季風性氣候，海拔400～1 300 m，年平均降水量640～820 mm，年積溫1 600～2 400 ℃，截至2014年，總?cè)丝跀?shù)為1 200萬，2014年地區(qū)生產(chǎn)總值為4 100億元，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)貢獻率分別為15%、46%和39%，其中，林業(yè)產(chǎn)值55億元。

1.2 數(shù)據(jù)計算

森林水源涵養(yǎng)力(water conservation ability,WCA)為單位面積(unit area,UA)的植被水分涵養(yǎng)量(vegetative water conservation,VWC)[13]，即：

(1)

其中：UA采用“國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺”中的縣市區(qū)域邊界矢量圖層內(nèi)森林的面積；森林邊界采用500 m中等分辨率的MODIS遙感影像產(chǎn)品確定；VWC的計算采用國內(nèi)外通用的水分平衡模型[9,14]：

VWC=Pr-RO-ET,

(2)

其中：Pr為年平均降水量，mm，本文采用2014年的數(shù)據(jù)；RO為地表徑流因數(shù)；ET為蒸散發(fā)量，根據(jù)國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)科技資源服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件重采樣為250 m分辨率的柵格圖獲得。RO可通過如下公式計算[9]：

RO=PA×α，

(3)

其中：PA為多年平均降水量，mm；α為平均地表徑流因數(shù)，本文α值根據(jù)林分類型的不同取0.88%～3.02%。區(qū)域經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)來自吉林省統(tǒng)計局2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計分析

首先對各類型數(shù)據(jù)進行分布統(tǒng)計分析，利用Pearson相關(guān)分析研究每一經(jīng)濟指標與WCA之間的關(guān)系[15]。以區(qū)域經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)為多重自變量、以WCA為因變量構(gòu)建多元回歸模型，采用log-轉(zhuǎn)化的極大似然估計法構(gòu)建極大似然估計回歸模型[16]。利用SAS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)描述

2014年吉林省東部長白山區(qū)WCA最大值出現(xiàn)在長白縣的森林區(qū)，達到3 116.81 t/hm2，WCA最小值出現(xiàn)在琿春市的森林區(qū)，為1 517.84 t/hm2，WCA平均值為2 319.19 t/hm2。研究區(qū)各經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)范圍如表1所示。

表1 吉林省東部長白山區(qū)經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)范圍

續(xù)表1

2.2 Pearson相關(guān)分析

Pearson相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：糧食作物播種面積和糧食作物總產(chǎn)量均與WCA之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系。除此之外，3個主要大農(nóng)業(yè)作物水稻、玉米和大豆的產(chǎn)量均與WCA之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系，且大牲畜數(shù)量、豬年末存欄數(shù)也分別與WCA之間呈負相關(guān)關(guān)系。與之相反，林業(yè)產(chǎn)值與WCA之間呈正相關(guān)關(guān)系。

表2 吉林省東部長白山區(qū)WCA與區(qū)域經(jīng)濟指標間Pearson相關(guān)關(guān)系

表2表明：吉林省東部長白山區(qū)大農(nóng)業(yè)作物及以其為主的糧食作物的生產(chǎn)和大型牲畜的生產(chǎn)，是影響當?shù)豔CA的主要原因，說明當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)打破了其與林業(yè)之間的平衡。而在諸多地區(qū)經(jīng)濟指標中僅林業(yè)產(chǎn)值一項對WCA有益，說明吉林省東部長白山區(qū)的森林經(jīng)營和林產(chǎn)品的產(chǎn)出呈現(xiàn)良性向好的發(fā)展趨勢。

2.3 極大似然估計回歸分析

采用極大似然估計的多元線性回歸模型部分結(jié)果如表3所示。表3中僅列出具有顯著影響的經(jīng)濟指標組。如表3所示，與Pearson相關(guān)分析的結(jié)果不同，地區(qū)農(nóng)業(yè)人口數(shù)和有效灌溉面積對WCA具有較大程度的積極影響，而大豆產(chǎn)量和單位面積糧食產(chǎn)量雖然也具有積極影響，但是影響程度較小。與之相反，總?cè)丝跀?shù)、糧食作物播種面積、農(nóng)機動力和羊年底數(shù)量對WCA具有負面影響，其中，農(nóng)機動力的負面影響最為劇烈。

極大似然估計回歸分析結(jié)果顯示：吉林省東部長白山區(qū)以從事大豆種植的農(nóng)業(yè)人口數(shù)及單位面積糧食產(chǎn)量和有效灌溉面積的組合對WCA具有積極作用，其中，地區(qū)農(nóng)業(yè)人口數(shù)和有效灌溉面積兩個因素與WCA之間的關(guān)系最為密切。相反，總?cè)丝跀?shù)、農(nóng)機動力和羊年底數(shù)量的因子組合對WCA具有負面影響。這兩方面結(jié)果結(jié)合分析后不難發(fā)現(xiàn)，影響吉林省東部長白山區(qū)森林WCA下降的經(jīng)濟因素并非來自于農(nóng)業(yè)人口，而是非農(nóng)人口。非農(nóng)人口利用大量農(nóng)機動力毀林開荒用于農(nóng)業(yè)發(fā)展和養(yǎng)殖肉禽是影響WCA的主要原因，而從事大豆種植的農(nóng)業(yè)人口僅在已有耕地范圍內(nèi)從事生產(chǎn)行為，因此其對農(nóng)區(qū)以外的森林影響較小。

表3 吉林省東部長白山區(qū)WCA受經(jīng)濟指標組顯著影響的極大似然估計回歸分析

3 討論

本文中Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示：在吉林省東部長白山區(qū)，由水稻、玉米和大豆3大主糧作物耕作為主的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值體系是影響WCA的主要因素，同時，以大牲畜和養(yǎng)豬業(yè)為主的牧畜產(chǎn)業(yè)也對WCA造成顯著負面影響。但是，合理使用地下水灌溉大豆田會和當?shù)豔CA協(xié)調(diào)發(fā)展。這主要是由于吉林省東部長白山區(qū)屬于山地區(qū)域，山地多、海拔高，在該區(qū)域大力發(fā)展主糧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和牧畜產(chǎn)業(yè)需要比平原地區(qū)投入更多的成本。近年來，有印度學(xué)者發(fā)現(xiàn)在印度坡地地區(qū)過度發(fā)展農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)會刺激坡耕地土壤侵蝕，進而造成水土流失，更有甚者將會導(dǎo)致大面積土壤退化[17]，本研究區(qū)的結(jié)果與此相似。水土流失不僅會刺激地表徑流的激發(fā)，甚至會在雨季引發(fā)大規(guī)模的洪澇災(zāi)害，造成森林生態(tài)系統(tǒng)的退化[18]。中德兩國科研人員曾在中國西北地區(qū)開展聯(lián)合研究，研究結(jié)果表明：過度發(fā)展農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，會通過抽取地下水而大量引導(dǎo)地區(qū)水資源由自然森林生態(tài)系統(tǒng)流入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，造成區(qū)域水資源儲量的下降[19]。目前，吉林省東部長白山區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)超過了當?shù)厮Y源的自然承載量，形成不可持續(xù)的發(fā)展趨勢，應(yīng)該予以重視。尤其應(yīng)該嚴格控制毀林開荒的行為，盡最大努力保護森林的水源涵養(yǎng)功能。

長白山區(qū)作為典型的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，其森林資源豐富多樣。自2000年實行天然林全面禁伐以來，農(nóng)田面積擴張得以控制，森林面積逐年增加，森林盈利模式逐漸由20世紀80年代以前形成的大徑級材采伐為主的作業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤窒沦Y源為主的綜合發(fā)展模式[20]。因此，本研究區(qū)的林業(yè)產(chǎn)值得以與WCA同步協(xié)調(diào)發(fā)展。文獻[12]對埃塞俄比亞的研究結(jié)果表明：區(qū)域水資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展利用后，當?shù)亓謽I(yè)產(chǎn)品的價格會因為生態(tài)效益的提升而隨之增加，林業(yè)產(chǎn)值也會逐漸提高。本文研究結(jié)果表明：自天然林保護工程實施以來，長白山區(qū)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)得到了極好的發(fā)展，今后應(yīng)該繼續(xù)加強在林業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)和林下資源經(jīng)營管理方面的工作，以促進當?shù)亟?jīng)濟與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

文獻[9]在中國云南地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)：大面積的植樹造林會刺激蒸發(fā)并影響降雨量，進而破壞地區(qū)水文平衡。但是，在地處溫帶的東北地區(qū)毀林開荒對水源涵養(yǎng)的破壞遠大于植物造林[8]。這是因為東北地區(qū)氣溫較低，森林整體蒸散發(fā)水平較南方低，因此毀林開荒會嚴重增加地表徑流，破壞水分平衡[21]。因此，應(yīng)該控制東北長白山林區(qū)毀林開荒發(fā)展農(nóng)業(yè)和養(yǎng)羊業(yè)的速度，鼓勵在現(xiàn)有耕地上發(fā)展大豆種植，維持地區(qū)水分平衡。

4 結(jié)論與展望

(1)吉林省東部長白山區(qū)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量對當?shù)氐纳炙春B(yǎng)力無明顯影響，而森林產(chǎn)業(yè)的合理發(fā)展對當?shù)厣炙春B(yǎng)力具有促進作用。

(2)非農(nóng)業(yè)人口利用大型農(nóng)機設(shè)備毀林開荒用于主糧作物用地的開墾或飼養(yǎng)家畜，對長白山區(qū)森林水源涵養(yǎng)力影響明顯。

(3)由于資料限制，本研究僅對2014年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行論述，其結(jié)果存在時間尺度局限性。

(4)雖然目前已有研究對中國全境的水源涵養(yǎng)林質(zhì)量進行研究，但是缺乏諸如本研究所針對的長白山區(qū)等區(qū)域性森林水源涵養(yǎng)力的研究，建議今后在中國更多水源地開展地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與水源涵養(yǎng)力方面的研究，為建設(shè)“美麗中國”提供更為詳實全面的數(shù)據(jù)支撐。