蒲 瑩,牟耀杰,邵景安

(1.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714；2.重慶師范大學(xué),重慶 400047)

第九次全國森林資源清查顯示[1],我國森林面積2.2億hm2,森林覆蓋率22.96%。森林在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)多樣化、帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時(shí),展現(xiàn)了極為重要的生態(tài)價(jià)值。然而,作為“山水林田湖草生命共同體”重要組成部分的森林[2],在調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保持水土、保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮重要作用,為人們提供了種類繁多的生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù),對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境與維護(hù)生態(tài)平衡發(fā)揮不可或缺的作用[3-5]。但是,如何量化評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

自Dally[6]提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以來,國內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開展大量探究,主要集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能格局評(píng)價(jià)、驅(qū)動(dòng)機(jī)理、健康管理等諸多方面。其中：驅(qū)動(dòng)機(jī)理主要包括森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能形成機(jī)理[7]與干擾機(jī)理[8-9]；格局評(píng)價(jià)主要包括評(píng)價(jià)體系構(gòu)建[10-11]與評(píng)價(jià)方法[12-14]選?。唤】倒芾碇饕▌?dòng)態(tài)管理[15-17]與補(bǔ)償機(jī)制研究[18-20]。總體看,盡管諸多學(xué)者從不同視角研究了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空格局、驅(qū)動(dòng)機(jī)理、后續(xù)管理等問題,但仍缺乏一定的系統(tǒng)性,研究的連續(xù)性亦不強(qiáng)；森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究亦存在時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換問題,科學(xué)的研究方法選定至關(guān)重要；伴隨空間制圖、情景分析、模型模擬等方法的出現(xiàn),使森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究需要同上述方法有機(jī)結(jié)合。

作為長(zhǎng)江上游重要生態(tài)屏障,三峽庫區(qū)森林生態(tài)服務(wù)功能研究歷來受到國內(nèi)外學(xué)者及各級(jí)政府的高度重視。特別是近年來庫區(qū)退耕還林、長(zhǎng)江防護(hù)林等一系列生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施,庫區(qū)水土流失與面源污染情況得到較大程度的遏制,但如何對(duì)庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行量化,為庫區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)仍是當(dāng)下研究的難點(diǎn)。本文選取地處三峽庫區(qū)腹心、生態(tài)區(qū)位極其重要的石柱縣為樣區(qū),借助InVEST模型定量評(píng)估近20年森林生態(tài)服務(wù)功能特征及其變化,識(shí)別影響其變化的動(dòng)力機(jī)制,以期豐富人們對(duì)三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的理解與認(rèn)識(shí),為合適調(diào)控政策的制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶東南部武陵山區(qū)石柱縣,地理坐標(biāo)29°39′～30°33′N,108°00′～108°29′E。樣區(qū)沿東北—西南平行展現(xiàn)“兩山夾一槽”的主要地貌特征,分沿江一層山脊平壩區(qū)、方斗山中低山區(qū)、方斗-七曜所夾槽谷區(qū)、七曜山北部高山區(qū)、七曜山南部中低山區(qū)5個(gè)地區(qū)。樣區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),匯水面積在50km2以上的河流有23條；土壤以黃壤、黃棕壤、紫色土等為主；植被屬亞熱帶常綠闊葉林,樹種以馬尾松(CasuarinaequisetifoliaForst.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)、柏木(CupressusfunebrisEndl.)等為主,林木覆蓋度62%,有國家級(jí)保護(hù)植物53種(國家Ⅰ級(jí)保護(hù)植物8種)；有陸生野生脊椎動(dòng)物199種,分屬4綱25目61科151屬(國家級(jí)、市級(jí)保護(hù)動(dòng)物41種,中國特產(chǎn)種類18種)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集樣區(qū)DEM、水文、氣象、土壤、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)及2002，2012，2019年3期森林資源二類調(diào)查小班等數(shù)據(jù)(表1)。

2.2 InVEST模型

目前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測(cè)評(píng)的模型較多,如生態(tài)足跡模型[22-23]、CITYgreen模型[24-25]及InVEST模型[26-27]。綜合上述模型優(yōu)缺點(diǎn),本文運(yùn)用InVEST模型對(duì)2002，2012和2019年樣區(qū)森林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估。InVEST模型由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金會(huì)聯(lián)合開發(fā),包括土壤保持、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化等模塊[28]。

表1 數(shù)據(jù)與來源

1) 土壤保持。InVEST 模型中主要利用水土流失方程計(jì)算各土地利用/覆被類型的土壤保持功能。公式如下:

RKLS=R×K×LS

(1)

USLE=R×K×LS×P×C

(2)

SD=RKLS-USLE

(3)

式中:SD為最終土壤保持量；RKLS為基于工程保護(hù)措施下潛在土壤侵蝕量；USLE為土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為工程措施因子。對(duì)土壤侵蝕計(jì)算機(jī)過的合理性采用課題組已取得其他模型模擬出的結(jié)果予以驗(yàn)證[29]。

2) 水源涵養(yǎng)。產(chǎn)水量模型是基于水平衡原理來計(jì)算,即各柵格降水量減去潛在蒸散量得到此柵格實(shí)際產(chǎn)水量。公式如下:

Yx=Px-ETOx

式中:Yx為x柵格年產(chǎn)水量；Px為x柵格年降水量；ETOx為x柵格年潛在蒸散量。年潛蒸散量根據(jù)Hargreaves溫度法計(jì)算。

3) 水質(zhì)凈化。InVEST水質(zhì)凈化模塊原理是利用InVEST產(chǎn)水量模型計(jì)算每一地塊年平均徑流量,確定每一景觀地塊持留污染物數(shù)量。模型通過輸入相關(guān)輸出系數(shù)估算樣區(qū)不同地塊污染物輸出,主要包括總N和總P。公式如下:

ALVx=HSSx-POLx

式中:ALVx為柵格單元調(diào)節(jié)載荷值；HSSx為柵格單元水文敏感性分值；POLx為柵格單元輸出系數(shù)。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度法

由于影響因素與生態(tài)服務(wù)功能間的關(guān)系預(yù)先并不清楚,故采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)影響森林生態(tài)服務(wù)功能的相關(guān)因子量化分析,篩選出影響樣區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的主次要因素,并探究其內(nèi)在關(guān)系和動(dòng)力機(jī)制。以鄧氏關(guān)聯(lián)度為基礎(chǔ),采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)度耦合計(jì)量模型,其關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度矩陣、平均關(guān)聯(lián)度、耦合度的計(jì)算過程參照吳連霞等[30]、周春山等[31]的研究成果。公式如下:

(4)

式中:C(t)為灰色關(guān)聯(lián)度取值范圍[0,1]；m和n分別為2系統(tǒng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；Rij(t)為t時(shí)刻第i個(gè)森

林生態(tài)服務(wù)指標(biāo)與第j個(gè)關(guān)鍵因子指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤保持功能

3.1.1總量變化及不同林地類型的變化

2002，2012和2019年實(shí)際土壤侵蝕總量(泥沙輸出量)分別為44.52,33.19,26.06萬t,呈顯著地減少趨勢(shì),2002—2019年間減少18.46萬t,減幅為41.47%(表2)。其中,有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地的泥沙輸出量分別較2012年減少28%,78%,50%,96%。反過來,樣區(qū)各林地類型的泥沙截留量呈相應(yīng)增長(zhǎng),即在水土保持措施條件下減輕土壤侵蝕的能力有大幅提高。

表2 3期各林地類型土壤侵蝕與土壤保持量

各林地類型土壤保持總量在2002—2019年間呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),2019年較2002年增加4 666.39萬t,增幅達(dá)155%。其中有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地的土壤保持量增幅分別為186%,1 684%,22%,671%。原因是各林地類型面積增加,使得泥沙截留量也隨之增長(zhǎng)。未成林造林地的土壤保持量增幅顯著高于其他森林類型,原因是未成林造林地造林之前,植被覆蓋度極低,土壤保持能力較低,而造林后,植被覆蓋度顯著提升,從而促使未成林造林地的土壤保持量快速提升。

2002年和2012年各林地類型單位面積平均土壤保持量的大小順序?yàn)橛辛值?灌木林地>未成林造林地>疏林地,2019年順序?yàn)橛辛值?灌木林地>其他林地>未成林造林地>疏林地>苗圃地,3期各林地類型單位面積平均土壤保持量總體順序較為一致(圖1)。各林地類型單位面積平均土壤保持量差異性不大,且3期呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。2002年有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地平均土壤保持量分別為2.72,2.22,2.37,2.24t/(hm2·a)；2012年4種林地類型的平均土壤保持量分別為3.92,2.68,3.09,2.74t/(hm2·a)；2019年各林地類型平均土壤保持量分別為5.28,3.09,4.22,3.39,1.56,3.87t/(hm2·a)。

圖1 各林地類型土壤保持總量及平均土壤保持量

森林植被蓋度較高,林冠可有效阻擋降雨對(duì)地面土壤的沖刷和侵蝕,郁閉度高的森林對(duì)降雨侵蝕的抵御能力較強(qiáng)。喬木林較灌木、疏林的根系更深,對(duì)土壤的固定保持作用也更強(qiáng)。同時(shí),森林土壤的枯枝落葉層較厚,對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)有較好改善作用。在山地區(qū)域,海拔升高,坡度大會(huì)使?jié)撛谕寥狼治g隨之增大,這將導(dǎo)致森林的土壤保持量也相應(yīng)增長(zhǎng)。在這些因素的綜合影響下,森林對(duì)水土的保持作用較其他林地類型大,森林的土壤保持量保持在較高水平。

3.1.2空間特征

土壤保持功能較好區(qū)為方斗山中低山區(qū)、七曜山北部高山區(qū)和南部中低山區(qū)(圖2),這與森林植被的分布較為一致。土壤保持功能高低與森林覆蓋度呈正相關(guān),七曜山南部中低山區(qū)土壤保持能力較其他林地類型高。森林生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度高,對(duì)泥沙截留更為有利。兩條山脈所夾槽谷區(qū)及七曜山東部部分地區(qū)土壤保持能力較差。雖然,2002—2019年間土壤保持量增長(zhǎng)顯著,但其空間分布格局基本保持不變,方斗山和七曜山南部中低山區(qū)處于高值區(qū),而沿江山脊平壩區(qū)和方斗-七曜槽谷區(qū)則為低值區(qū)。受人為活動(dòng)擾動(dòng)較大的林地區(qū),土壤保持量依然處于較低的水平,且其增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。

圖2 土壤保持量空間分布

3.2 水源涵養(yǎng)功能

3.2.1總量變化及不同林地類型的變化

2002，2012和2019年3期各林地類型水源涵養(yǎng)總量分別為12.83,17.49,18.12億m3。有林地面積增加使得森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量上升,2002—2019年間水源涵養(yǎng)總量增長(zhǎng)5.29億m3,增幅達(dá)41%。

在各林地類型中,3期平均水源涵養(yǎng)量(表3)的大小順序均為有林地>灌木林地>疏林地>未成林造林地。2002—2019年間平均水源涵養(yǎng)量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),這說明平均水源涵養(yǎng)量的增加同樣與森林植被恢復(fù)有密切關(guān)系。

由表3可看出,有林地水源涵養(yǎng)能力較其他林地類型更好,其次是灌木林地、疏林地、未成林造林地、其他林地、苗圃地。森林的植被覆蓋度高,郁閉度高,林冠密度和林木密度也較之其他林地類型高,

表3 各林地類型平均水源涵養(yǎng)量

這樣就使得降雨過程中雨滴下落所接觸的葉表面更大,對(duì)降水的截留能力更強(qiáng)。并且,森林的林下植被較多,有較厚的枯枝落葉層,降水的流動(dòng)速度也較其他林地類型緩慢,增加地表入滲,更有利于對(duì)水源的截留。

3.2.2空間分布特征

3期水源涵養(yǎng)功能在縣域尺度上空間分異較為顯著。水源涵養(yǎng)功能高值區(qū)均位于七曜山南部中低山區(qū)及方斗山部分中低山區(qū),而低值區(qū)位于西北部沿江山脊平壩區(qū)及西南部方斗-七曜山所夾槽谷區(qū)(圖3)。樣區(qū)水源涵養(yǎng)功能的高低與森林植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系,七曜山南部與方斗山南部山地森林植被連片分布,方斗山-七曜山所夾槽谷區(qū)人為活動(dòng)程度更高,森林與其他地類交錯(cuò)分布,西北部沿江山脊平壩區(qū)海拔低,地勢(shì)較為平緩,森林分布較少,水源涵養(yǎng)能力較弱。

圖3 水源涵養(yǎng)量空間分布圖

2002—2019年間,樣區(qū)水源涵養(yǎng)量的空間分布格局總體一致,七曜山東北部山地水源涵養(yǎng)量呈下降趨勢(shì),原因是該區(qū)域降水量減少,水源供給減少,水源涵養(yǎng)量同步下降。七曜山南部中低山區(qū)及方斗山南段中低山區(qū)為高值區(qū),原因是該區(qū)域基本都位于山地,森林密布且連片,森林郁閉度較高,有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力。

3.3 水質(zhì)凈化功能

3.3.1總量變化及不同林地類型的變化

2002—2019年森林生態(tài)系統(tǒng)N和P輸出量均呈減少趨勢(shì)。2002，2012和2019年N輸出總量分別為11 721.73,10 663.48,6 452.08t,2019年較2002年減少5 269.65t,下降幅度達(dá)45%；P輸出總量分別為75.68,62.95,38.74t,減少36.93t,下降幅度達(dá)49%。森林面積的增長(zhǎng),極大地促進(jìn)了森林對(duì)N,P元素吸收能力,致使N,P輸出總量顯著降低。并且,樣區(qū)實(shí)施的退耕還林工程改變了原先土地利用方式,由耕地變?yōu)榱值?減少N,P元素輸出。石柱縣近年來大力開展造林綠化工程,對(duì)提高森林覆蓋率,提升水質(zhì)凈化能力成效顯著。

由表4可看出,2002年、2012年各林地類型對(duì)N,P的水質(zhì)凈化能力大小順序?yàn)橛辛值?疏林地>灌木林地>未成林造林地,2019年為有林地>疏林地>其他林地>灌木林地>未成林造林地。N,P平均輸出量越高,森林水質(zhì)凈化能力越差。

表4 各林地類型單位面積N,P輸出

2002—2019年間各林地類型的N,P平均輸出量呈減少趨勢(shì),說明樣區(qū)森林對(duì)N,P的凈化能力呈增強(qiáng)趨勢(shì)。森林的林冠對(duì)水質(zhì)情況影響較大,森林郁閉度越高,對(duì)N,P等營養(yǎng)元素的吸收能力越強(qiáng)。并且,森林土壤的結(jié)構(gòu)和厚度較非林地更好,對(duì)N,P元素的吸附吸收作用也更強(qiáng)。

3.3.2空間分布特征

由N,P輸出量空間分布圖(圖4、圖5)可看出,3期N輸出量高值區(qū)位于七曜山中部高山區(qū)和方斗山中南部區(qū),低值區(qū)位于七曜山南部中低山區(qū)和方斗山北部山地區(qū)。2002—2019年間,高值區(qū)N輸出量顯著減少,對(duì)N的水質(zhì)凈化能力明顯改善。但是,N輸出量低值區(qū)因人為耕作活動(dòng)密集,對(duì)森林的擾動(dòng)程度較高,不可避免的對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生了一定程度的影響,導(dǎo)致水質(zhì)凈化能力較差。然而,近年來,退耕還林工程實(shí)施及人們生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高,使得該區(qū)域森林植被得到逐步恢復(fù),水質(zhì)凈化能力明顯增強(qiáng)。3期P輸出量高值區(qū)位于七曜山中部高山區(qū),2002—2019年間P輸出量顯著減少,對(duì)P的凈化能力大大提高。可以說,退耕還林工程的實(shí)施,森林植被的增加,有利于植物對(duì)地表徑流中N,P營養(yǎng)元素的吸收。

3.4 影響因素分析

3.4.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與各因子間關(guān)系

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法分析影響樣區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的指標(biāo)因子及關(guān)聯(lián)度(表5),在森林生態(tài)服務(wù)功能影響因素中,自然因子、林業(yè)政策因子的關(guān)聯(lián)度最高。人口增長(zhǎng)導(dǎo)致糧食、住房、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)出等多方面的需求增長(zhǎng),誘發(fā)耕地、建設(shè)用地的面積擴(kuò)張,導(dǎo)致土地利用方式與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而驅(qū)使林地流失。2002—2019年間石柱縣人口由2002年的50.68萬增長(zhǎng)到2019年的54.86萬,增加了4.18萬人；農(nóng)業(yè)人口由2002年的44.54萬下降到2019年的38.69萬,減少了5.85萬人；非農(nóng)業(yè)人口由2002年的6.14萬增長(zhǎng)到2019年的16.17萬,增加了10.03萬人。非農(nóng)業(yè)人口的快速增長(zhǎng)使得城鎮(zhèn)周邊的林地遭占用,致使森林資源被破壞,影響森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。近年來,由于人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人為活動(dòng)強(qiáng)度和范圍大大增加、增強(qiáng),從而不可避免地影響自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡。同時(shí),貧困地區(qū),農(nóng)民的森林資源保護(hù)意識(shí)淡薄,時(shí)常會(huì)發(fā)生破壞森林資源的現(xiàn)象。

圖4 N輸出量

圖5 P輸出量

表5 森林生態(tài)服務(wù)功能影響因子及關(guān)聯(lián)度

3.4.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與森林資源變化的關(guān)系

林業(yè)重點(diǎn)工程實(shí)施建設(shè)森林面積13.28萬hm2(表6)。其中,天然林保護(hù)工程為實(shí)施最早、建設(shè)面積最大的工程,也是樣區(qū)森林資源面積增加的主要貢獻(xiàn)者,達(dá)11.12萬hm2,占林業(yè)工程建設(shè)總面積的83.73%,方斗山及七曜山山地是天然林保護(hù)工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)。通過實(shí)施林業(yè)重點(diǎn)工程,達(dá)到了保護(hù)森林資源,增加森林資源總量,優(yōu)化森林結(jié)構(gòu),恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)完整性,提高森林生態(tài)服務(wù)功能的目的。

表6 林業(yè)重點(diǎn)工程實(shí)施面積

4 結(jié)論

1) 2002—2019年間,樣區(qū)土壤保持功能持續(xù)增強(qiáng),土壤保持量增加4 666.39萬t,增幅達(dá)155%。各林地類型單位面積平均土壤保持量呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且以有林地增長(zhǎng)最多。空間分布上,土壤保持功能較好區(qū)位于方斗山中低山區(qū)、七曜山北部高山區(qū)及南部中低山區(qū),而兩山脈所夾槽谷區(qū)及七曜山東部部分地區(qū)土壤保持能力較差。

2) 2002—2019年間,樣區(qū)水源涵養(yǎng)功能顯著提高,水源涵養(yǎng)量增加5.29億m3,增幅達(dá)41%。各林地類型單位面積平均水源涵養(yǎng)量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),森林植被覆蓋度增加是驅(qū)動(dòng)水源涵養(yǎng)量增加的主要因素。空間分布上,水源涵養(yǎng)功能高值區(qū)位于七曜山南部中低山區(qū)及方斗山部分中低山區(qū),而西北部沿江山脊平壩區(qū)及西南部方斗-七曜山所夾槽谷區(qū)水源涵養(yǎng)功能較差。

3) 2002—2019年間,樣區(qū)水質(zhì)凈化功能明顯提高,N輸出量減少5 269.65t,降幅達(dá)45%；P輸出量減少36.93t,降幅達(dá)49%,森林面積增加是驅(qū)使N，P輸出量減少的主要因素?？臻g分布上,N和P輸出量高值區(qū)位于七曜山中部高山區(qū)和方斗山中南部部分地區(qū),低值區(qū)位于七曜山南部中低山和方斗山北部山地區(qū)。

4) 影響森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空變化的因子主要有自然因子中的森林面積、林業(yè)政策因子中的林業(yè)重點(diǎn)工程和人口因子等。其中,森林面積是影響土壤保持、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化功能的主要因素,天然林保護(hù)工程等林業(yè)建設(shè)工程對(duì)森林面積增加做出巨大貢獻(xiàn)。人口增加及流動(dòng)、人為活動(dòng)等因素對(duì)服務(wù)功能的變化產(chǎn)生差異性影響。