吉林省森林生态系统涵养水源功能时空变化特征

宋庆丰，王 兵，3，牛 香，3

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091;2.国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091;3.北京林业果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 102206)

人类生存必需的资源之一即为水，它几乎参与所有的人类活动.当今社会，水资源安全受到人们的广泛关注，区域水资源匮乏使社会经济发展受到了严重影响［1］.据世界资源研究所研究报道，全球将会有33个国家面临极高水资源压力，这种危局会在2040年出现，我国也位列其中［2］.解决或缓解区域水资源安全，已成为政府和科研人员目前急需解决的迫切问题.大量研究表明，森林生态系统在涵养水源方面具有十分显著的作用［3-5］，其过程发生在土壤层、枯落物层和林冠层，以土壤层和枯落物层为主要活动层，主要是对降雨进行再分配和有效调节［5-6］，发挥削减洪峰、调节水量、净化水质等作用.因此，森林生态系统又被誉为“绿色水库”，这就意味着森林生态系统在缓解区域水资源压力上具有先天优势.

作为我国重要的商品粮生产基地，东北地区近年来区域农业发展迅速，使得本区域面临着巨大的水资源压力［7］.由于森林生态系统具有涵养水源功能，东北林区森林将在维护区域生态安全方面发挥巨大作用［8］.吉林省是东北多条江河的发源地，其水资源安全对于维护本省乃至整个东北地区的用水安全起到了非常重要的作用.但是，吉林省人均水资源量在国际公认水资源紧张的标准之下，为我国北方缺水的省份之一.如何扭转这种局面，除了节约用水和防止水污染外，最重要的是发挥森林生态系统的涵养水源功能，合理调节水量，进而增加可利用水资源量.关于吉林省森林生态系统涵养水源功能的研究不仅较少，而且还缺乏时空动态变化驱动力研究.本文以吉林省3期森林资源调查数据(2006，2011和2013年)、省内和周边地区森林生态站以及辅助观测样地的长期观测数据和权威机构公布的社会公共资源数据为基础，对吉林省森林生态系统涵养水源功能开展时空动态变化研究，旨在为基于水资源安全的吉林省林业建设和林业政策的制定提供理论依据.

1 研究区概况

吉林省位于我国东北地区中部，处在 E 121°38'～131°17'、N 40°52'～46°18'，陆地面积 18.74 万 km2，占全国陆地总面积的1.95%.全省地质地貌差异明显，地势由东南向西北逐渐降低，分为东部山地区、中部丘陵区和中西部平原区.全省四季分明，年均温度介于3～5℃，雨热同期，年降雨量分布不均匀，一般介于550～910 mm，呈现出自东向西逐渐降低的空间分布格局.吉林省处于东北地区多条重要江河的上、中游流域，省内水面面积达26余万hm2，有1 600余条河流的流域面积在20 km2以上，其分别隶属松花江、鸭绿江、图们江、辽河和绥芬河等5大水系.

吉林省森林资源丰富，是全国重点林业省份之一.截止2016年底，全省林业用地面积945.40万hm2，其中，有林地面积819.10万hm2，森林覆盖率44.10%，活立木总蓄积量9.50亿m3.按照吉林省的森林水平分布可分为东部山地森林区、西部平原草原区和中部低山丘陵森林草原过渡区;按照垂直分布可分为高山冻原带、亚高山岳桦林带、山地针叶林带、针阔叶混交林带、落叶阔叶林带.

2 研究方法

2.1 数据来源

1)森林资源数据:来自吉林省2006，2011和2013年森林资源二类调查数据以及2017年吉林省统计年鉴发布的森林资源数据.

2)森林生态数据:主要来自吉林省内的3个森林生态站(吉林松江源森林生态站、吉林长白山森林生态站、吉林长白山西坡森林生态站)、位于同一生态区的森林生态站(黑龙江雪乡森林生态站、黑龙江牡丹江森林生态站、辽宁辽河平原森林生态站、辽宁冰砬山森林生态站)及其他周边森林生态站和辅助观测样地的长期观测数据.

2.2 计算方法

采用中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》(以下简称《规范》)中涵养水源功能的计算指标及方法:

森林生态系统涵养水源物质量

式中:G涵为森林生态系统涵养水源物质量，m3/a;P为实测林外降水量，mm/a;E为实测林分蒸散量，mm/a;C为实测地表快速径流量，mm/a;A为林分面积，hm2.

森林生态系统涵养水源价值量

式中:U涵为森林生态系统涵养水源价值量，元/a;C库为水库库容造价，元/m3;K水为水的净化费用，元/m3.

3 结果与分析

3.1 涵养水源功能时间变化规律

吉林省森林生态系统涵养水源量见图1，各地区单位面积涵养水源量见图2，单位面积蓄积量见图3.

图1 吉林省森林生态系统涵养水源功能时间变化规律Fig.1 Time change rule of forest ecosystem water conservation in Jilin province

由图1可知:2006，2011，2013年吉林省森林生态系统涵养水源总物质量分别为175.06亿m3/a，185.14亿 m3/a和197.28 亿m3/a，逐次增长率分别为5.76%和6.56%.由图2可以看出:2006—2013年间，除白山市和延边州外，其他地区森林生态系统涵养水源能力均呈现出逐步增加的趋势.综合以上分析数据可以得出:吉林省森林生态系统涵养水源总量以及各地区森林生态系统涵养水源能力均不断增强.究其原因主要有以下几个方面:首先是森林面积的变化，与2006年相比，2011年吉林省森林面积增加了9.69万hm2;其次是森林质量变化.吉林省2006，2011和2013年单位面积森林蓄积量分别为106.11，112.02，116.66 m3/hm2，各地区单位面积森林蓄积量也在逐年增加(图 3).单位面积蓄积量的增加意味着生物量的积累速度在不断加快，也就代表了森林生态过程逐步增强，其必然带来森林生态功能的提升［9］.诸多学者研究证明了森林蓄积量与涵养水源功能呈正相关关系，这主要表现在林冠截留、枯落物蓄水、土壤层蓄水和土壤入渗等方面的提升［10-11］;第三，林业生态工程的实施.以“天保工程”为例进行分析，截至2015年，吉林省“天保工程”重点国有林区的森林面积为354.61万hm2，占2013年全省森林面积的42.88%，森林涵养水源量为89.03亿m3/a，占吉林省全省森林涵养水源量的45.13%.由此可以看出，“天保工程”的实施对提升吉林省森林生态系统涵养水源功能起到了非常重要的作用.

图2 吉林省各地区单位面积涵养水源量Fig.2 Water conservation quantity per unit area of Jilin province

图3 吉林省各地区单位面积蓄积量Fig.3 Stock per unit area in Jilin province

但是，综合图2和图3可以看出:白山市和延边州在单位面积森林蓄积量增加的情况下，森林生态系统涵养水源能力却出现了下降.这主要是因为森林生态系统功能的变化除了与森林面积、森林蓄积量有关外，还与森林起源和林龄结构有关.经分析森林资源数据可知，白山市2006年天然林单位面积蓄积量为131.05 m3/hm2，而到 2011 年为 129.60 m3/hm2，降低了 1.45 m3/hm2，也就意味着天然林质量的下降影响了其涵养水源功能的发挥.众所周知，天然林具有较为复杂的物种及结构组成，能够提升林冠降雨截留量和枯落物层的储水量;另外，天然林土壤物理性质也较为优越.由于根长密度较大，有利于改良土壤结构性状，提升土层的非毛管孔隙度，进而增加了土壤的储水量和入渗速率，增强了天然林的涵养水源功能［12］;2011年延边州的森林资源与2006年相比，中龄林面积减少了6.98万hm2，而中龄林和近熟林的单位面积蓄积量也分别减少了2.26 m3/hm2和1.95 m3/hm2.有关研究表明，林龄结构对于森林生态系统功能的影响较为明显［13］，其中以中龄林和近熟林有绝对的优势，这主要是因为这两个阶段林木生长最为旺盛，枯落物凋落量和根系周转速率处于较高水平，能够为森林生态系统涵养水源功能提供较好的物质基础.

3.2 涵养水源功能空间变化规律

吉林省各地区森林生态系统涵养水源量见图4.由图4可知:吉林省各地区森林生态系统涵养水源量呈现出明显的地域分布特征，由大到小排序:2006年为延边州、白山市、吉林市、通化市、长白山、辽源市、长春市、四平市、白城市和松原市;2011年为延边州、吉林市、白山市、通化市、长白山、辽源市、四平市、长春市、白城市和松原市;2013年为延边州、吉林市、白山市、通化市、长白山、长春市、辽源市、四平市、白城市和松原市.分析可见:吉林省各地区森林生态系统涵养水源量总体呈现自东向西逐渐减小的趋势，表现为位于吉林省东部的延边州最大，位于西部的白城市、松原市最小.2006，2011和2013年延边州分别为76.43 亿 m3/a，75.98 亿 m3/a 和 80.66 亿 m3/a，白城市分别为 1.73 亿 m3/a，2.47 亿 m3/a 和 3.31 亿 m3/a，松原市分别为 1.23 亿 m3/a，2.27 亿 m3/a 和 2.23 亿 m3/a.

图4 吉林省各地区森林生态系统涵养水源量分布Fig.4 Water quantity distribution of forest ecosystem conservation in Jilin province

从以上数据可以看出，吉林省森林生态系统涵养水源功能在空间上呈现出东部大于中部和西部的格局.究其原因，主要有以下几个方面:

首先，主要是森林资源数量分布格局的影响.吉林省东部、中部和西部的森林面积所占比例分别为87.86%，6.16%和5.98%，这与吉林省的林业发展政策息息相关，如《中共吉林省委吉林省人民政府关于加快林业发展若干问题的决定》中指出，在东部长白山地区要继续推进天然林保护工程，控制采伐量，使森林得以休养生息.同时还要着力解决退耕还林实施过程中出现的矛盾，加大退耕还林面积和质量;在西部，要积极推进实施防护林建设，提高植被覆盖率和质量，进一步改善生态环境状况.

其次，森林资源质量的影响.吉林东部为长白山林区，分布有大面积的天然林，生物多样性丰富，受人为干扰程度较低，生态系统服务功能较强;中部主要是松辽平原，由于农田长期开垦的原因，天然植被遭到大量破坏，现有的森林大部分以农田防护林的形式存在，且大部分为人工林，生态系统服务功能较弱;西部是科尔沁草原的延伸区域，生态系统处于中湿润森林草原向半干旱草原和沙漠的过渡地带，森林资源极为稀少，且风沙较严重，导致生态环境脆弱，森林生长较慢、质量较差［14］.

最后，气候因素的影响，其中降雨量最为明显.有研究表明，森林生态系统涵养水源功能与降雨量呈正相关［15］，这个规律从涵养水源功能核算公式中也可以明显反映出来.由于各区域所处地理位置不同，降雨量存在明显的差异.吉林省降水量自东向西递减，东部山区降水量多在800 mm以上，中部地区降水量在600 mm左右，西部沙丘覆盖平原区降水量在400 mm左右［16］，降雨量空间分布的差异直接影响了吉林省森林生态系统涵养水源功能的空间分布格局.

4 讨 论

1)吉林省森林生态系统涵养水源功能的时间分布格局明显.2006，2011和2013年吉林省森林生态系统涵养水源量分别为175.06 亿 m3/a，185.14 亿 m3/a和 197.28 亿 m3/a，逐次增长率分别为 5.76%和 6.5 6%.由此可见:随着时间的推移，吉林省森林生态系统涵养水源功能在不断提高，这与苗正红［17］和吴健等［7］的研究结果相同.吉林省是东北三江(松花江、图们江、鸭绿江)、两河(东辽河、绥芬河)的发源地，其森林生态系统涵养水源功能在维护水资源平衡方面起到了非常重要的作用.但是，吉林省人均水资源占有量不高，水资源承载力有限，严重地威胁着吉林省社会经济的可持续发展.吴泽民［18］指出，应该从增加水资源贮备和合理利用水资源两方面出发，来解决吉林省水资源不足的困境.其中，建设水利设施用以拦截径流来增加水资源贮备的方法，得到了吉林省政府的重视并取得了可喜的成绩，但在发挥森林植被的涵养水源功能方面，也应该引起高度关注.

吉林省2006，2011 和 2013 年水资源总量分别为353.63 亿 m3，315.89 亿 m3，575.69 亿 m3，其中地表水资源总量分别为298.44亿m3，262.88亿m3，504.89亿m3，森林涵养水源量分别相当于当年水资源总量的49.50%，58.79%和 34.27%，地表水量的 58.66%，70.64%和 39.07%.松花江的正源——第二松花江，发源于吉林省，其年均径流量为162亿m3/a［19］，2006，2011，2013年吉林省森林生态系统涵养水源量相当于第二松花江年径流量的1.08，1.14和1.22倍.由此可见，吉林省近年来所实施的林业政策起到了积极作用，使本省森林资源质量不断提升，其森林生态系统为维护省内甚至整个东北地区的用水安全起到了非常重要的作用.

2)吉林省森林生态系统涵养水源功能的空间分布格局明显.2006，2011和2013年吉林省各地区森林生态系统涵养水源量总体呈现自东向西逐渐减小的趋势，表现为位于吉林省东部的延边州最大，位于西部的白城市、松原市最小.吉林省各地区间森林生态系统涵养水源功能呈现出自东向西逐渐降低的格局，这与其森林资源分布格局一致，也从郝运［20］关于吉林省、吴健等［7］关于东北地区的研究中得到了印证，也支撑了关于吉林省水资源承载力的研究结果.有研究［21］表明，吉林省水资源承载力自东向西逐渐降低，更大的水资源承载力使得吉林省东部的大面积天然林得以生存.

吉林省东、西降雨量存在较大的差别，东部山区降雨量远远大于西部，年均降雨量差在500 mm以上.地质灾害发生的原因往往是因为时间集中、高强度的降雨所导致的，森林生态系统的涵养水源功能可以起到削减洪峰的作用，降低地质灾害发生的可能性;另一方面，森林生态系统涵养水源功能能够延缓径流产生的时间，起到调节水资源时间分配不均匀的作用.对比森林生态系统调节水量与其降雨量发现，东部山区的森林生态系统能够将6%以上的降水截留，大大降低了地质灾害发生的可能，保障了人们的生命财产安全;中、西部地区的森林生态系统也可以将1.5%以上的降水暂时截留，也就意味着每个地区将有至少1.5亿t的水量用于干旱期的农田灌溉，对于提高农田产量有极大的保障作用.

综上所述，影响吉林省森林生态系统涵养水源功能时空格局的驱动力包括森林资源面积、森林资源质量、森林资源结构(起源和林龄)、气候因素和林业政策(尤其是林业生态工程).本研究结果能够为吉林省生态建设和林业政策的制定提供理论依据，使森林生态系统发挥更大的涵养水源功能.