基于ArcGIS的烟台市森林生态系统积累营养物质功能评价

孙中元，官 静*，曹蓉芬，王正茂，曲宏辉，曹国玉，杨铭松，卫聪聪，司纯青，苏爱锋

(1.烟台市自然资源和规划局，山东 烟台 264000；2.烟台市卫正房地产估价有限公司，山东 烟台 264000)

森林是陆地上最大的生态系统，对人类的生存、发展和地球环境的维持起着至关重要的作用[1]。森林在其生长过程中不断地从土壤环境中吸收N、P、K等营养元素，固定在植物器官内，用植物体N、P、K等营养元素的积累量可以来评估森林积累营养物质的效益[2-3]。

近年来，林木营养元素研究集中在对目标树种养分循环、养分含量与土壤养分含量的关系、养分积累与生物量生产力的关系方面[4-6]，这极大促进了森林生态系统评估领域中林木积累营养评估研究，从实物量转化成价值量，让人们更加直观认识到森林在积累营养物质方面的价值。在森林生态系统服务功能-林木积累营养价值评估方面，专家学者在指标选取、计算公式、生态监测等方面做了大量研究[7-12]。基于此，原国家林业局于2008年推出了《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)[13]，对一般乔木林林木积累营养功能评估做了规范说明，但对受人为施肥影响较重的经济树种没有说明，近些年的森林生态服务功能评估多集中在较宏观层次上[2-3，7-8]，大多研究缺乏空间分布研究。

以烟台市县级森林资源为对象，研究具体到每一个森林小班，利用森林资源变更数据、一类清查数据和标准地实测数据，评价了烟台市森林生态系统积累营养物质功能，借助ArcGIS分析了该功能在树种间、县区间、地形间的空间分布特征，以期为森林土壤养分管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验区概况 烟台市处胶东半岛，南、北濒临黄海、渤海，土地总面积1.38万km2，海岸线总长909 km，属低山丘陵区，只有部分平原分布于滨海地带及河谷两岸，低山占比36.6%，丘陵占比39.7%，平原占比23.7%，土壤以棕壤为主。烟台属暖温带季风型大陆性气候，受海洋的调节，具有雨水适中、空气湿润、气候温和的特点，市域内森林资源分布丰富，覆盖率常年维持在36%以上(图1)。公益林资源主要分布在烟台“屋脊”海拔较高的山区、丘陵区以及沿海防护林基干林带区域，面积为208 828.34 hm2；用材林主要分布于丘陵区以及平原区(以莱阳市、莱州市等为主)，面积为13 961.71 hm2；经济林广泛分布于烟台市各县，以栖霞市、蓬莱市、福山区、龙口市为代表，面积为293 160.49 hm2。

图1 烟台市林种资源分布Fig.1 Distribution of forest species in Yantai city

全市主要有14个优势树种(组)，主要包括赤松(Pinusdensiflora)、黑松(P.thunbergii)、麻栎(Quercusacutissima)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、杨树(Populustomentosa)、针阔混交林、板栗(Castaneamollissima)、苹果(Maluspumila)、梨树(Pyrusbretschneideri)、樱桃(Cerasuspseudocerasus)、其他经济树种(乔化)、其他乔木树种(榆树Ulmuspumila、花楸树Sorbuspohuashanensis等)、灌木等，各优势树种(组)面积占比由大到小排序苹果(44.48%)>赤松(16.70%)>黑松(9.00%)>刺槐(5.47%)>栎类(4.94%)>樱桃(3.88%)>其他经济树种(乔化)(3.00%)>杨树(2.69%)>针阔混(2.33%)>其他乔木树种(2.18%)>灌木(2.06%)>板栗(1.51%)>梨树(1.47%)>疏林(0.29%)。

1.1.2 样地筛选 以树种、地形、龄组为评价因子确定测算单元，在统计面积比例之后，确定样地筛选类型(表1)。计算各单元下的蓄积加权平均数，操作步骤如下：

1)以某树种i在某地形j情况下某龄组k平均蓄积Vi为赋分值Mi

2)以某树种i在某地形j情况下某龄组k面积为权重Ai

3)蓄积加权平均值X=(M1A1+M2A2+……)/(A1+A2+……)

不同情况下蓄积加权平均值确定见表1，在森林资源小班数据表中，筛选与表1在树种、地形、龄组、蓄积、起源相近的小班，每种情况3～4个重复样地(即3～4个小班)，每个小班连续面积>10亩。待测小班内设置1亩标准地进行每木检尺、林木器官采集，灌木林生物量获取采用样方收获法调查[14]。

表1 烟台市森林生态评估基本测算单元Table 1 Basic forest ecological assessment unit in Yantai city

1.1.3 优势树种采样 一般乔木林、灌木林分干、枝、叶、根分别采集，确定各器官生物量占比，采样过程严格依据林业行业标准选择标准木。同一器官取3～4个重复，及时风干处理所采样品。经济林养分元素积累能力由专家咨询、查阅文献、走访标准果园确定。

1.2 方法

1.2.1 生物量及年净初级生产力计算 本次研究针对于赤松、黑松、栎类、刺槐、杨树、针阔混、其他乔木树种、板栗林，生物量测算及年净生产力(以下简称NPP)测算采用IPCC推荐使用的生物量转换因子，换算因子公式采用生物量转换因子连续函数法为：BEF=a+b/V，即B=BEF·V=aV+b，式中a和b为常数，B为生物量，BEF为生物量换算因子[15-19]，V为林分蓄积。

1.2.2 养分元素含量测定 养分元素含量测定按标准测定，研磨混合取样之后测定，全N用半微量凯氏定氮法，全P用分光光度计测定，全K用原子吸收分光光度计测定[20]。

1.2.3 评估方法 森林生态系统积累营养物质功能评估主要依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)[13]。经济林因受施肥影响大，本文采取土壤天然供给养分能力作为积累养分元素能力[21-26]，以去除人为干扰。测算单元指标确定后，应用ArcGIS软件，对相同的生态单元进行属性融合，再进行空间及数据分析。积累营养物质功能评估公式如下：

1)一般乔木林、灌木林木营养物质年积累量：

G氮=A·N营养·B年
G磷=A·P营养·B年
G钾=A·K营养·B年

(1)

式中：G氮—植被固氮量/(t·a-1)；G磷—植被固磷量/(t·a-1)；G钾—植被固钾量/(t·a-1)；N营养—林木氮元素含量/%；P营养—林木磷元素含量/%；K营养—林木钾元素含量/%；B年—实测林分年净生产力/(t·hm-2·a-1)；A—林分面积/hm2。

2)经济林林木营养物质年积累量：

G养=G标-V·R

(2)

式中：G养—单位面积土壤供应林木养分(N、P、K)数值；G标—标准产量吸收元素量；V—平均施肥量；R—肥料利用率。

3) 林木营养a积累价值：

采取把营养物质折合成磷酸二铵化肥和氯化钾化肥方法计算林木营养积累价值，计算公式为：

(3)

式中：U营养—实测林分N、P、K a增加价值/(元·a-1)；N营养—林木氮元素含量/%；P营养—林木磷元素含量/%；K营养—林木钾元素含量/%；R1—磷酸二铵化肥含氮量/%；R2—磷酸二铵化肥含磷量/%；R3—氯化钾化肥含钾量/%；C1—磷酸二铵化肥价格/(元·t-1)；C2—氯化钾化肥价格/(元·t-1)；B—实测林分年净生产力/(t·hm-2·a-1)；d—贴现率；A—林分面积/hm2。

2 结果与分析

2.1 不同树种积累营养物质功能实物量、价值量分析

烟台市25个生态测算单元积累营养物质功能实物量-价值量统计汇总见表3。

表3 各优势树种-生态单元积累营养物质统计Table 3 Statistical tables of dominant species-ecological units for nutrient accumulation

从林木N、P、K元素含量来看，一般乔木林中杨树、刺槐、其他乔木、灌木、针阔混、疏林、丘陵区栎类的元素含量在1%～1.68%，赤松、黑松、板栗以及低山区栎类的元素含量在0.65%～1%；从单位面积NPP来看，所有测算单元的平均NPP为8.09 t·hm-2·a-1，单位面积NPP排序为，经济树种(樱桃、苹果、梨树、其他经济树种)>杨树>针阔混交林>其他乔木树种>刺槐>栎类>黑松>赤松>灌木、疏林；所有测算单元每公顷积累元素量的平均值为21.48 kg·hm-2·a-1，针阔混交林、杨树、其他乔木树种、板栗、刺槐较高，赤松处于平均偏低水平，经济林树种从土壤中吸收积累元素能力偏弱，不到7 kg·hm-2·a-1。

总量上来看，每年N、P、K元素实物量达到11 190.5，N占比60.65%，P占比6.93%，K占比32.42%，低山、丘陵、平原森林资源积累元素实物量分别占比11.65%、81.30%、7.05%，各树种年积累元素实物量排序为刺槐>赤松>苹果>黑松>杨树>针阔混>栎类>其他乔木树种>灌木>板栗>樱桃>其他经济树种>疏林>梨树；每年积累N、P、K元素价值量达到16 794.83万元，N占比84.87%，P占比3.23%，K占比11.9%，低山区、丘陵区、平原区森林资源积累价值量分别占比11.81%、81.40%、6.79%，各树种年积累元素价值量排序为刺槐>赤松>苹果>黑松>杨树>栎类>针阔混>其他乔木树种>板栗>灌木>樱桃>其他经济树种>梨树>疏林；单位面积积累N、P、K元素价值量为322.2元·hm-2·a-1，杨树、栎类、刺槐、其他乔木树种、灌木林、针阔混、板栗、疏林以及低山丘陵区黑松在平均值之上，低山丘陵区赤松、平原区黑松以及丘陵区经济林树种的每公顷积累N、P、K元素价值量在平均值之下。

2.2 各县市区积累营养实物量、价值量分析

各县市区积累N、P、K元素功能实物量及价值量统计见表4。

表4 各县森林资源积累营养物质统计Table 4 Statistical table on the nutrient accumulation of forest resources in each county

各县市区森林资源积累N、P、K元素总实物量及总价值量呈现一致规律，栖霞市、牟平区、海阳市在积累元素总量上处于前列，开发区、长岛县、芝罘区在积累N、P、K元素总量上处于弱势。从价值量上看，栖霞市最高为0.284亿元·a-1，开发区最低为0.014亿元·a-1，总的贡献占比排序为栖霞市(16.90%)>牟平区(14.78%)>海阳市(12.40%)>招远市(11.36%)>莱州市(9.90%)>蓬莱市(9.04%)>龙口市(7.36%)>莱阳市(5.75%)>福山区(3.98%)>莱山区(2.87%)>昆嵛区(1.96%)>芝罘区(1.63%)>长岛县(1.24%)>开发区(0.83%)。

各县市区单位面积积累N、P、K元素实物量在13.45～41.43 kg·hm-2·a-1之间，价值量在202.21～634.12元·hm-2·a-1之间。莱阳市、昆嵛区、蓬莱市、福山区、栖霞市单位面积实物量及价值量分别低于平均值21.48 kg·hm-2·a-1、322.2元·hm-2·a-1。

2.3 单位面积积累营养物质功能实物量空间分析

《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)积累营养物质功能用年净生产力乘以林木养分含量来衡量，该公式适用于受一般乔木林、灌木林，比如麻栎林、针叶树、针阔混、杨树、刺槐等，却不适应于经济树种。经济树种因重视产量、质量因素，大量施肥造成器官元素含量偏高，实际上相当部分价值是果农投资部分，如果算进去，会造成重复计算，不能体现自然状态下土壤供给作用。以苹果为例，丘陵区土壤有机质含量偏低，维持在10.0～10.5 g·kg-1，土壤天然供给N、P、K能力较弱。咨询本地农业部门生产数据，结合已有研究[21-26]，果树元素吸收量=施肥量×肥料利用率+土壤天然供给量，确定烟台市苹果林土壤供给N、P、K元素的量分别为3.6、0.6、2.0 kg·hm-2，相较其他优势树种偏低。总体分析，单位面积积累养分元素能力大小排序为针阔混交林>杨树林>刺槐>板栗>栎类>灌木>针叶树>经济树种。

本研究以森林资源小班为基本单位，把单位面积(每公顷)所积累的N、P、K元素实物量合并计算制图，实物量空间分布见图2。5.0～7.0 kg·hm-2·a-1的区域覆盖了主要经济树种(苹果、梨树、樱桃、其他经济树种(乔化))分布区，占据了烟台市森林资源面积的52.83%，因土壤天然供给元素能力差，积累营养元素的能力较低；15.0～27.5 kg·hm-2·a-1区域覆盖了低山、丘陵区的赤松，以及低山、丘陵沿海防护林带的黑松，面积占比25.70%；35.0～42.5 kg·hm-2·a-1区域覆盖了丘陵区灌木、疏林树种以及低山、丘陵区的栎类、栎灌，面积占比7.29%；51.0～58.0 kg·hm-2·a-1区域覆盖了沿海防护林、丘陵区、低山区的刺槐林以及生长在丘陵、低山地带的板栗林，面积占比6.98%；60.0～75.0 kg·hm-2·a-1区域覆盖了低山、丘陵区的其他乔木树种(榆树、楸树等)，面积占比1.78%；79.0～96.0 kg·hm-2·a-1区域覆盖了平原、丘陵地带的杨树林、针阔混交林，以及平原上的其他乔木树种，面积占比5.41%。

图2 单位面积森林资源林木积累营养实物量空间分布Fig.2 Spatial distribution of nutrient accumulation quality of forest resources per unit area

由表4可见，对各县森林资源单位面积积累元素实物量进行排序为长岛县>芝罘区>开发区>海阳市>莱州市>招远市>莱山区>牟平区>龙口市>昆嵛区>莱阳市>蓬莱市>福山区>栖霞市。各县积累元素能力与树种组成、比例有直接关系，长岛县、芝罘区、开发区分布有较大比例的针阔混交林、用材树种，同时经济林资源占比极小；栖霞市、福山区、蓬莱市经济林占比过大，经济树种天然积累养分元素能力差。结果显示，长岛县、芝罘区单位面积森林积累元素实物量较大，均>34 kg·hm-2·a-1，栖霞市、福山区均<18.0 kg·hm-2·a-1。

2.4 单位面积积累营养物质功能价值量空间分析

各县森林资源单位面积积累元素价值量空间分布见图3，90.0～110.0元·hm-2的区域占据资源面积的52.83%，覆盖了主要的经济树种，以栖霞市、福山区、蓬莱市为典型；200.0～350.0元·hm-2的区域占比18.52%，覆盖了主要的针叶树种分布区；420.0～520.0元·hm-2的区域占比11.01%，覆盖了山区、丘陵栎灌分布区，同时也包括了部分海防林黑松带；640.0～800.0元·hm-2的区域占比5.93%，覆盖了丘陵区刺槐、板栗、麻栎，以栖霞市、海阳市、莱阳市为典型；850.0～1 100.0元·hm-2的区域占比6.29%，覆盖了丘陵、平原地带的刺槐林，以及低山丘陵区其他乔木树种；850.0～1 100.0元·hm-2的区域占比5.41%，覆盖了平原、丘陵区的杨树林、针阔混交林。

图3 单位面积森林资源积累营养物质价值量空间分布Fig.3 Spatial distribution of accumulated nutrient value of forest resources per unit area

实物量决定价值量，对各个县市区森林资源单位面积积累元素价值量进行研究发现，长岛县、芝罘区森林资源单位面积积累元素价值量在500.0～650.0元·hm-2；招远市、莱州市、海阳市、开发区单位面积价值量在400.0～500.0元·hm-2；昆嵛区、莱阳市、龙口市、牟平区、莱山区单位面积价值量300.0～400.0元·hm-2；栖霞市、福山区、蓬莱市单位面积价值在200.0～300.0元·hm-2。从空间分析来看，不同树种、不同县市区的森林资源林木积累营养物质功能方面有着较大的差异。

3 结论与讨论

烟台市森林生态系统年积累元素总实物量为11 190.5 t，其中年积累N量为6 787.29 t，积累P量为776.04 t，积累K量为3 627.16 t；积累元素的总价值量为16 794.83万元，其中积累N价值14 253.36万元，P价值543.23万元，K价值1 998.24万元。

各树种对比来看，刺槐、赤松、苹果、黑松、杨树在实物量、价值量上处于优势，樱桃、梨树和其他经济树种、疏林在数量上处于劣势。平均单位面积N、P、K实物量合计为21.48 kg·hm-2·a-1，单位面积价值量为322.2元·hm-2·a-1。针阔混、杨树、灌木林、栎类、刺槐、其他乔木树种、板栗、疏林以及低山丘陵区黑松在平均值之上，低山丘陵区赤松、平原区黑松以及丘陵区所有经济林树种在平均值之下。

各个县市区对比来看，总实物量、价值量排序为栖霞市>牟平区>海阳市>招远市>莱州市>蓬莱市>龙口市>莱阳市>福山区>莱山区>昆嵛区>芝罘区>长岛县>开发区。单位面积实物量、价值量排序为长岛县>芝罘区>开发区>海阳市>莱州市>招远市>莱山区>牟平区>龙口市>莱阳市>昆嵛区>蓬莱市>福山区>栖霞市。

就地形分布上来看，低山区、丘陵区、平原区森林资源积累实物量分别占比11.65%、81.30%、7.05%，价值量分别占比11.81%、81.40%、6.79%；低山区、丘陵区、平原区单位面积积累元素实物量量分别为25.68、19.99、51.13 kg·hm-2·a-1，价值量分别为390.75、300.42、739.17元·hm-2·a-1。

如前所述，一般乔木林单位面积的积累元素能力与树种NPP、树种元素含量、立地条件有着较强的关联，土层深厚、土壤养分水分充足、生产力旺盛，决定了较高的积累养分能力[4-6，26]，本研究中针阔混交林、阔叶林在积累养分元素方面强于黑松、赤松等纯林。各县市区、不同地形在总量及单位面积功能分析来看，存在较大差异，这与树种结构、面积比例、NPP、立地条件、人为干扰等等因素有着极大的关联性。栖霞市、蓬莱市等森林资源面积较大，但是经济林资源占比过大，土壤受人为干扰较重，虽然年生产力高、抚育措施精细，但是森林结构单一，生态系统不完整，土壤有机质少，过度依赖外部施肥，土壤团粒结构较差，土壤自身对于林木积累养分元素的贡献较少，能力较差，因此应加强土壤养分管理[24-27]。本研究在经济树种年净生产力及林木积累元素能力评定方面，采用了标准果园实地调查、专家论证，不同于方精云等[16]、王兵等[10]、丛日征等[12]在宏观价值评估时采用平均值的办法，更接近地方实际。

本研究所统计到的乔木林中，87.3%的森林资源分布于丘陵地带，而且其中绝大部分是以苹果、樱桃为代表的经济林，林木积累养分能力相对偏低；只有近3%的森林资源分布于沿海平原地带，以杨树、刺槐、针阔混、灌木林、黑松为主，虽然立地条件好、生产力旺盛，但是面积有限；不到10%的森林资源分布于低山区域，以赤松、栎类、黑松、针阔混、灌木林等为主，区域土壤瘠薄，属粗骨质土，树种常年面对恶劣的适生环境，单位面积、生物量低生产力偏低，也决定了积累营养功能弱化。基于此，笔者认为，借助ArcGIS进行森林资源的积累营养物质功能评估，能够帮助人们理性认识各类森林资源生态效益，明确不同区域、树种、地形的分布差异，能为市县级森林分类经营、土壤管理等提供参考。