长白山森林水源涵养力与区域经济的关系

2020-12-27魏红旭任志彬

河南科技大学学报(自然科学版) 2020年1期

魏红旭，任志彬，陈鑫，王丹

(中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春 130102)

0 引言

水资源紧缺是当前全球所面临的最为严峻的生态挑战之一。气候变化通过刺激增温改变水分平衡，对森林生态系统产生深远的影响[1-2]。森林是人类应对气候变化和提高水源涵养储备的最有效“工具”之一[3-4]。合理的森林经营能够通过促进蒸散发为区域降水提供必要的前期水蒸气环境条件[3]。虽然活跃的人类活动有助于区域经济的发展，但对水源涵养区森林可能具有一定影响。区域经济发展对当地森林的水源储蓄量具有负面影响[5]，但也可能与森林水源储蓄量之间协同共进[6-7]。具体的区域经济发展与区域森林水源涵养力之间关系的研究仍受地理位置、经济发展和数据来源等因素的限制，缺乏相关性驱动力的分析。

当前，有关中国森林水源涵养力的研究多以区域性植树造林的后续生态效益问题为主，其结果呈现明确的地域性差别[8-9]。吉林省长白山区地处中国东北地区，是中国北方地区“山水林田湖草”生态共同体的典型区域之一。目前，关于长白山森林水源涵养力的研究多以气候变化背景下的生态驱动力分析为主[10-11]，但对人类活动的影响研究则相对比较少。区域经济指标是在森林生态领域研究人类活动影响的一类重要数据来源[12]，但其与长白山森林水源涵养力之间的关系目前尚不明确。本文以吉林省长白山区的29个县市森林区域为对象，通过数据估测和资料检索相结合的手段获取数据，并进行相关拟合分析，以期探明区域经济发展指标与长白山森林水源涵养力之间的关系，为长白山森林水资源的高效利用提供理论支撑，并为区域水资源生态的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以吉林省东部长白山区29个县市区域的森林为研究对象。根据分布海拔由低到高，森林类型包括阔叶林、针叶林、云冷杉林和岳桦林等。长白山植物区系复杂，是北半球同纬度地区生物多样性最为丰富的地区。研究区包括：舒兰、敦化、汪清、永吉、蛟河、吉林市、珲春、农安、龙井、安图、图们、桦甸、伊通、磐石、延吉、和龙、东辽、东丰、抚松、梅河口、靖宇、辽源、辉南、柳河、浑江、长白、通化市、通化县、集安。研究区分布于北纬40°～45°，东经124°～131°。该地区属于大陆季风性气候，海拔400～1 300 m，年平均降水量640～820 mm，年积温1 600～2 400 ℃，截至2014年，总人口数为1 200万，2014年地区生产总值为4 100亿元，第一产业、第二产业和第三产业贡献率分别为15%、46%和39%，其中，林业产值55亿元。

1.2 数据计算

森林水源涵养力(water conservation ability,WCA)为单位面积(unit area,UA)的植被水分涵养量(vegetative water conservation,VWC)[13]，即：

(1)

其中：UA采用“国家地球系统科学数据共享平台”中的县市区域边界矢量图层内森林的面积；森林边界采用500 m中等分辨率的MODIS遥感影像产品确定；VWC的计算采用国内外通用的水分平衡模型[9,14]：

VWC=Pr-RO-ET,

(2)

其中：Pr为年平均降水量，mm，本文采用2014年的数据；RO为地表径流因数；ET为蒸散发量，根据国家生态系统观测研究网络科技资源服务系统网站提供的产品数据，通过ArcGIS软件重采样为250 m分辨率的栅格图获得。RO可通过如下公式计算[9]：

RO=PA×α，

(3)

其中：PA为多年平均降水量，mm；α为平均地表径流因数，本文α值根据林分类型的不同取0.88%～3.02%。区域经济指标数据来自吉林省统计局2014年统计数据。

1.3 统计分析

首先对各类型数据进行分布统计分析，利用Pearson相关分析研究每一经济指标与WCA之间的关系[15]。以区域经济指标数据为多重自变量、以WCA为因变量构建多元回归模型，采用log-转化的极大似然估计法构建极大似然估计回归模型[16]。利用SAS软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 数据描述

2014年吉林省东部长白山区WCA最大值出现在长白县的森林区，达到3 116.81 t/hm2，WCA最小值出现在珲春市的森林区，为1 517.84 t/hm2，WCA平均值为2 319.19 t/hm2。研究区各经济指标数据范围如表1所示。

表1 吉林省东部长白山区经济指标数据范围

续表1

2.2 Pearson相关分析

Pearson相关分析结果如表2所示。由表2可知：粮食作物播种面积和粮食作物总产量均与WCA之间呈显著负相关关系。除此之外，3个主要大农业作物水稻、玉米和大豆的产量均与WCA之间呈显著负相关关系，且大牲畜数量、猪年末存栏数也分别与WCA之间呈负相关关系。与之相反，林业产值与WCA之间呈正相关关系。

表2 吉林省东部长白山区WCA与区域经济指标间Pearson相关关系

表2表明：吉林省东部长白山区大农业作物及以其为主的粮食作物的生产和大型牲畜的生产，是影响当地WCA的主要原因，说明当地农业的发展已经打破了其与林业之间的平衡。而在诸多地区经济指标中仅林业产值一项对WCA有益，说明吉林省东部长白山区的森林经营和林产品的产出呈现良性向好的发展趋势。

2.3 极大似然估计回归分析

采用极大似然估计的多元线性回归模型部分结果如表3所示。表3中仅列出具有显著影响的经济指标组。如表3所示，与Pearson相关分析的结果不同，地区农业人口数和有效灌溉面积对WCA具有较大程度的积极影响，而大豆产量和单位面积粮食产量虽然也具有积极影响，但是影响程度较小。与之相反，总人口数、粮食作物播种面积、农机动力和羊年底数量对WCA具有负面影响，其中，农机动力的负面影响最为剧烈。

极大似然估计回归分析结果显示：吉林省东部长白山区以从事大豆种植的农业人口数及单位面积粮食产量和有效灌溉面积的组合对WCA具有积极作用，其中，地区农业人口数和有效灌溉面积两个因素与WCA之间的关系最为密切。相反，总人口数、农机动力和羊年底数量的因子组合对WCA具有负面影响。这两方面结果结合分析后不难发现，影响吉林省东部长白山区森林WCA下降的经济因素并非来自于农业人口，而是非农人口。非农人口利用大量农机动力毁林开荒用于农业发展和养殖肉禽是影响WCA的主要原因，而从事大豆种植的农业人口仅在已有耕地范围内从事生产行为，因此其对农区以外的森林影响较小。

表3 吉林省东部长白山区WCA受经济指标组显著影响的极大似然估计回归分析

3 讨论

本文中Pearson相关分析结果显示：在吉林省东部长白山区，由水稻、玉米和大豆3大主粮作物耕作为主的农业产值体系是影响WCA的主要因素，同时，以大牲畜和养猪业为主的牧畜产业也对WCA造成显著负面影响。但是，合理使用地下水灌溉大豆田会和当地WCA协调发展。这主要是由于吉林省东部长白山区属于山地区域，山地多、海拔高，在该区域大力发展主粮农业产业和牧畜产业需要比平原地区投入更多的成本。近年来，有印度学者发现在印度坡地地区过度发展农业和畜牧业会刺激坡耕地土壤侵蚀，进而造成水土流失，更有甚者将会导致大面积土壤退化[17]，本研究区的结果与此相似。水土流失不仅会刺激地表径流的激发，甚至会在雨季引发大规模的洪涝灾害，造成森林生态系统的退化[18]。中德两国科研人员曾在中国西北地区开展联合研究，研究结果表明：过度发展农业和畜牧业，会通过抽取地下水而大量引导地区水资源由自然森林生态系统流入农业生态系统，造成区域水资源储量的下降[19]。目前，吉林省东部长白山区的农业经济发展已经超过了当地水资源的自然承载量，形成不可持续的发展趋势，应该予以重视。尤其应该严格控制毁林开荒的行为，尽最大努力保护森林的水源涵养功能。

长白山区作为典型的温带森林生态系统，其森林资源丰富多样。自2000年实行天然林全面禁伐以来，农田面积扩张得以控制，森林面积逐年增加，森林盈利模式逐渐由20世纪80年代以前形成的大径级材采伐为主的作业模式转变为以林下资源为主的综合发展模式[20]。因此，本研究区的林业产值得以与WCA同步协调发展。文献[12]对埃塞俄比亚的研究结果表明：区域水资源实现可持续发展利用后，当地林业产品的价格会因为生态效益的提升而随之增加，林业产值也会逐渐提高。本文研究结果表明：自天然林保护工程实施以来，长白山区的林业产业得到了极好的发展，今后应该继续加强在林业产值结构和林下资源经营管理方面的工作，以促进当地经济与生态的协调发展。

文献[9]在中国云南地区的研究发现：大面积的植树造林会刺激蒸发并影响降雨量，进而破坏地区水文平衡。但是，在地处温带的东北地区毁林开荒对水源涵养的破坏远大于植物造林[8]。这是因为东北地区气温较低，森林整体蒸散发水平较南方低，因此毁林开荒会严重增加地表径流，破坏水分平衡[21]。因此，应该控制东北长白山林区毁林开荒发展农业和养羊业的速度，鼓励在现有耕地上发展大豆种植，维持地区水分平衡。