陇东子午岭林区森林涵养水源生态服务功能价值估算

2013-12-23葛云

陕西林业科技 2013年1期

葛云

（国家林业局西北林业调查规划设计院，西安 710048）

森林是陆地生态系统中面积最大、生产力最高、现存量最大的生态系统，不仅为人类提了供丰富的林产品，还在维持全球环境中发挥着重要作用。涵养水源是森林生态系统服务功能之一，在某些区域格局特征上，其价值占据主导地位［1］，主要表现在三方面：

①增加有效水量，森林巨大的渗透能力和蓄水能力，增加地表有效水量。②净化水质，森林阻挡降雨直接冲刷土壤表面，减少水中泥沙含量，同时，森林的渗透能力起到过滤作用，有效提高水体纯洁度，减少营养元素进入水体，具有净化水质的功能。③调节径流，森林巨大的吸收、渗透降水能力，平衡地表径流丰枯流量，相当一个巨大的“绿色水库”，具有调节径流、防洪抗旱功能。子午岭林区是黄土高原面积最大，植被最好的水源涵养林区和绿色屏障，在维护区域乃至整个国土生态安全方面发挥着重要作用。为了给子午岭林区森林资源管理和建设以及社会经济发展中实施生态补偿提供科学依据的指导。我们对陇东子午岭林区森森涵养水源生态服务功能价值进行了估算。

1 研究区域概况

甘肃省子午岭林区位于庆阳市东部，地处东经107°59′～108°43′与北纬35°18′～36°39′之间，其东、南、北三面与陕西省为邻，西界与甘肃华池县和正宁县接壤，其构图近似一耳轮廓，总面积511 933.3hm2，是整个子午岭庞大绵长山脉的中段，又恰是泾河和洛河两大水系的分水岭。地质构造属华北陆台大地构造单元，经新构造运动隆升成梁，受第四纪黄土堆积，奠定了现在的地质构造。长期受水蚀、切割，呈黄土丘陵山地沟壑地貌特征，地形起伏缓和，梁、峁顶部浑圆平缓，沟坡上斜下陡。主岭海拔1 500～1 600m，南、中、北段高差不大，南部调令关海拔1 756m，为子午岭在甘肃境内制高点；一般地区海拔1 200～1 500m，最低处合水的葫芦河谷底海拔1 100m。子午岭林区可以划分为四个土壤类型：灰褐色森林土、黑垆土、黄绵土和草甸土。其中，灰褐色森林土在林区分布最广。子午岭林区北部属陇中北部北温带半干旱区，林区中、南部属陇中南部北温带半湿润区。年日照时数2 250～2 311h，太阳辐射量123～132kcal／m2；年平均气温7.4～8.5 ℃，极端最高气温36.7 ℃，极端最低气温－22.7 ℃；≥10 ℃的持续日数155～160d，年积温2 670 ℃；≥15℃的持续日数仅100d左右，年积温1 905～2 150 ℃；年无霜期110～150d，年累计积温3 284～3 430 ℃。年平均降水量在500～620 mm 之间，南多北少，年平均相对湿度63%～68%。子午岭林区大小河流共15条，分属于黄河二级支流泾河和洛河两大水系，其中岭西以泾河流域的马莲河为主要河流，岭东以北洛河流域的葫芦河为主。这些河川因发源于林区，水源补给相对稳定，流水常年不断。岭西侧的马莲河，年径流量4.66亿m3，径流深23.4mm；岭东侧的葫芦河，年径流量1.17亿m3，径流深24.7 mm。森林大部分是屡经破坏后而形成的天然次生林，天然森林植被以落叶阔叶林为主，人工林以油松为主的针叶林居多（见表1）。

表1 子午岭森林资源统计

2 研究方法

2.1 森林涵养水源总量估算

2.1.1 分类统计法根据各林分林冠截留量、枯落物持水量和土壤储水量等，分类统计，确定森林年水源涵养量数值的大小。蓄水能力法的数学表达式为：

式中：L 为森林水源涵养量（t·a－1）；Pi为各类林分单位面积持水量（t·a－1·hm－2）；Si为各类林分面积（hm2）。

2.1.2 水量平衡法森林涵养水源总量按森林地带降水量和森林地带蒸散量计算。其数学表达式为：

式中：L 为森林水源涵养量（t·a－1）；P 为森林区域降水总量（t·a－1）；E 为森林区域蒸散量（t·a－1）［2］。

2.1.3 年径流量法如果假设森林与其他类型土地每年的蒸散耗水量都相同，那么，森林区域的水源涵养量可以根据年径流量乘以森林覆盖率得到，或者根据年径流量乘以森林面积来获得。年径流量法数学表达式为：

式中：L 为森林水源涵养量（t·a－1）；R 为森林区域年径流量（t·a－1·hm－2）；S 为森林区域面积（hm2）［2］。

2.2 森林涵养水源的价值估算

采用替代工程法计算即以生态系统遭受破坏后人工新建一个工程来代替原来的生态系统服务功能，所消耗的费用，估算森林生态系统生态服务功能价值数学表达为：

式中：V 为生态服务功能价值；G 为替代工程的造价；Xi为替代工程中i项目的建设费用。

3 研究结果

3.1 子午岭林地涵养水源分类统计法估算量

3.1.1 树冠裁留量

（1）年降水总量：由年均降水量与森林面积相乘之后，所得子午岭林区年降水量为20.27×108t

（2）树冠截留量：有关研究表明，温带山地针叶林降水林冠截留率为23.92%，温带落叶阔叶林为17.85%，灌木林为3.92%，根据林分区域年降水量与林冠截留率相乘计算出子午岭林冠截留总量为3.399×108t·a－1。

（3）枯落物层蓄水量：根据有关资料，林地枯落物层质量（干重）为针叶林2.96t·hm－2、阔叶林6.79t·hm－2、灌木林7.45t·hm－2，枯落物针叶林、阔叶林、灌木林吸水倍数分别为2.2、3.8和3.9，其枯枝落叶层蓄水量为0.085×108t·a－1。

（4）土层蓄水量：森林土壤层蓄水能力的大小取决于土壤孔隙度，尤其是非毛管孔隙度［3］，以土壤非毛细管孔隙作为计量土壤蓄水量的基准较为合适［3］。子午岭森林土壤的厚度为0.6m，森林土壤的非毛管孔隙度11.28%，按照公式：森林土壤的蓄水能力（t·a－1）＝森林土壤非毛管孔隙度×104×0.6（m）×森林面积（hm2），可得出子午岭森林土壤的蓄水量为2.449×108t·a－1。

（5）森林总蓄水量：林冠截留量、枯落物蓄水量、土层蓄水量之和为5.933×108t·a－1。

表2 子午岭森林各层年蓄水量

3.2 子午岭森林水源涵养平衡法估算量

3.2.1 子午岭森林区域的年蒸散量由于我国对森林的蒸散量缺少系统、深人和全面的研究，本研究将综合国外的研究成果和国内已有的研究成果，推算出子午岭森林区域的蒸散量。根据美国学者对各类森林蒸散量的研究和总结，各类森林的平均蒸散量与自由水面的蒸散量相似，占总降水量的65%。根据我国水文的多年观测，我国年降水总量为61 889.0×108m3，年总蒸散量为34 773.8×108m3，占年总降水量56%。由于森林植被的蒸散量比其他土地（如耕地、草地、荒山、荒地）蒸散量大，因此，中国森林区域的年蒸散量占降水量的比例应该大于56%。根据我国学者对森林蒸散量已有的研究，我国森林区域的年蒸散量占年总降水量的30%～80%［2］。

3.2.2 子午岭森林区域的年水源涵养量由于森林区域没有超渗径流，或者超渗流量小到可以忽略不计的程度，因此，子午岭森林区域的年降水量减去以蒸散为主的年消耗量后，余下的即是森林的年水源涵养量［2］。按针叶林的年平均蒸散量占年平均降雨量的72%，阔叶林的为65%估算，应用（2）式计算，则子午岭森林每年的水源涵养量为6.385×108t（见表3）。

表3 子午岭森林的年水源涵养量

3.3 子午岭森林水源涵养径流量估算量

假设森林与其他类型土地每年的蒸散耗水量都相同，那么，森林区域的水源涵养量可以根据年降水量（×108t·a－1）乘以森林覆盖率得到，或者根据年径流量（mm·a－1）乘以森林面积来获得［2］。因此，庆阳市的年总径流量为14.5×108m3，其中子午岭林区的年径流总量为5.83×108m3，再乘以子午岭森林总面积361 900.1hm2，应用（3）式，得出子午岭森林每公顷的年径流量为1 610.9t·a－1·hm－2，相当于161.1 mm 的年降水量（见表4）。

表4 子午岭森林区域的年径流量

3.4 森林涵养水源量价值估算

森林涵养水源量的定价标准目前国内外存有争议，代表性的方法有水库工程的蓄水成本法、供用水的价格确定法、电能生产成本法等。根据1993－1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价（2.17y·m－3）和2005年价格指数（2.816），得到单位库容造价为6.110 7y·m－3［5］，即采用方法水库工程蓄水成本法确定森林涵养水源的服务功能价值估算标准为6.110 7y·m－3。

4 结论与讨论

4.1 森林涵养水源量的估算结果的比较

从估算结果来看，三种方法差异不大，对于较大区域尺度森林系统涵养水源的价值估算，三种方法都可以运用。森林区域的径流量尽管理论上可以表示森林的涵养水源量，但本研究计算森林区域年径流的依据是子午岭林区的年经流量，子午岭林区包括林地、农地和其它地类，其它地类涵养水源能力低于森林涵养水源能力，同时林业用地的其它地类涵养水源能力也低于森林涵养水源能力，这将会使计算结果减小。因此，径流量法计算的森林年水源涵养量应该小于实际的森林区域年水源涵养量。由于各地类蒸散量具有明显的差异性，水量平衡法是一种比较好的估算方法，但是由于国内对森林蒸散量缺乏系统、全面的基础研究，本研究是综合国外的研究成果和国内已有的研究成果，推算出子午岭森林区域的蒸散量，这就使估算结果缺乏有力的支持。在这3 种计算结果中，从理论上讲，分类统计法的计算方法较为繁琐，但是由于森林系统的基础研究成果较多，运用的参数相对真实可信，结果应该能比较准确反映森林的年水源涵养量。现将上述3 种计算结果一道列出（表5），以便与理论分析作比较。