三峡库区近20年森林生态服务功能变化及影响因素分析——以石柱县为例

蒲 莹,牟耀杰,邵景安

(1.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714；2.重庆师范大学,重庆 400047)

第九次全国森林资源清查显示[1],我国森林面积2.2亿hm2,森林覆盖率22.96%。森林在促进产业多样化、带动区域经济结构调整的同时,展现了极为重要的生态价值。然而,作为“山水林田湖草生命共同体”重要组成部分的森林[2],在调节气候、固碳释氧、涵养水源、保持水土、保护生物多样性等方面发挥重要作用,为人们提供了种类繁多的生态产品和服务,对改善区域生态环境与维护生态平衡发挥不可或缺的作用[3-5]。但是,如何量化评估森林生态系统的服务功能一直是国内外学者研究的热点与难点。

自Dally[6]提出生态系统服务功能以来,国内外学者开始对森林生态系统服务功能开展大量探究,主要集中于生态系统服务功能格局评价、驱动机理、健康管理等诸多方面。其中：驱动机理主要包括森林生态系统服务功能形成机理[7]与干扰机理[8-9]；格局评价主要包括评价体系构建[10-11]与评价方法[12-14]选取；健康管理主要包括动态管理[15-17]与补偿机制研究[18-20]。总体看,尽管诸多学者从不同视角研究了森林生态系统服务功能的时空格局、驱动机理、后续管理等问题,但仍缺乏一定的系统性,研究的连续性亦不强；森林生态系统服务功能的研究亦存在时空尺度转换问题,科学的研究方法选定至关重要；伴随空间制图、情景分析、模型模拟等方法的出现,使森林生态系统的相关研究需要同上述方法有机结合。

作为长江上游重要生态屏障,三峡库区森林生态服务功能研究历来受到国内外学者及各级政府的高度重视。特别是近年来库区退耕还林、长江防护林等一系列生态建设工程的实施,库区水土流失与面源污染情况得到较大程度的遏制,但如何对库区森林生态系统服务功能进行量化,为库区生态环境保护提供科学依据仍是当下研究的难点。本文选取地处三峡库区腹心、生态区位极其重要的石柱县为样区,借助InVEST模型定量评估近20年森林生态服务功能特征及其变化,识别影响其变化的动力机制,以期丰富人们对三峡库区森林生态系统服务功能的理解与认识,为合适调控政策的制定提供参考。

1 研究区概况

研究区位于重庆东南部武陵山区石柱县,地理坐标29°39′～30°33′N,108°00′～108°29′E。样区沿东北—西南平行展现“两山夹一槽”的主要地貌特征,分沿江一层山脊平坝区、方斗山中低山区、方斗-七曜所夹槽谷区、七曜山北部高山区、七曜山南部中低山区5个地区。样区属中亚热带湿润季风气候区,汇水面积在50km2以上的河流有23条；土壤以黄壤、黄棕壤、紫色土等为主；植被属亚热带常绿阔叶林,树种以马尾松(CasuarinaequisetifoliaForst.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)、柏木(CupressusfunebrisEndl.)等为主,林木覆盖度62%,有国家级保护植物53种(国家Ⅰ级保护植物8种)；有陆生野生脊椎动物199种,分属4纲25目61科151属(国家级、市级保护动物41种,中国特产种类18种)。

2 研究方法

2.1 数据来源

收集样区DEM、水文、气象、土壤、社会经济统计及2002，2012，2019年3期森林资源二类调查小班等数据(表1)。

2.2 InVEST模型

目前,关于生态系统服务测评的模型较多,如生态足迹模型[22-23]、CITYgreen模型[24-25]及InVEST模型[26-27]。综合上述模型优缺点,本文运用InVEST模型对2002，2012和2019年样区森林生态服务功能进行评估。InVEST模型由美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会联合开发,包括土壤保持、水源涵养、水质净化等模块[28]。

表1 数据与来源

1) 土壤保持。InVEST 模型中主要利用水土流失方程计算各土地利用/覆被类型的土壤保持功能。公式如下:

RKLS=R×K×LS

(1)

USLE=R×K×LS×P×C

(2)

SD=RKLS-USLE

(3)

式中:SD为最终土壤保持量；RKLS为基于工程保护措施下潜在土壤侵蚀量；USLE为土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡长坡度因子；C为植被覆盖和管理因子；P为工程措施因子。对土壤侵蚀计算机过的合理性采用课题组已取得其他模型模拟出的结果予以验证[29]。

2) 水源涵养。产水量模型是基于水平衡原理来计算,即各栅格降水量减去潜在蒸散量得到此栅格实际产水量。公式如下:

Yx=Px-ETOx

式中:Yx为x栅格年产水量；Px为x栅格年降水量；ETOx为x栅格年潜在蒸散量。年潜蒸散量根据Hargreaves温度法计算。

3) 水质净化。InVEST水质净化模块原理是利用InVEST产水量模型计算每一地块年平均径流量,确定每一景观地块持留污染物数量。模型通过输入相关输出系数估算样区不同地块污染物输出,主要包括总N和总P。公式如下:

ALVx=HSSx-POLx

式中:ALVx为栅格单元调节载荷值；HSSx为栅格单元水文敏感性分值；POLx为栅格单元输出系数。

2.3 灰色关联度法

由于影响因素与生态服务功能间的关系预先并不清楚,故采用灰色关联分析方法。运用灰色关联度法对影响森林生态服务功能的相关因子量化分析,筛选出影响样区生态服务功能的主次要因素,并探究其内在关系和动力机制。以邓氏关联度为基础,采用灰色关联分析法,构建灰色关联度耦合计量模型,其关联系数、关联度矩阵、平均关联度、耦合度的计算过程参照吴连霞等[30]、周春山等[31]的研究成果。公式如下:

(4)

式中:C(t)为灰色关联度取值范围[0,1]；m和n分别为2系统指标个数；Rij(t)为t时刻第i个森

林生态服务指标与第j个关键因子指标间的关联度系数。

3 结果与分析

3.1 土壤保持功能

3.1.1总量变化及不同林地类型的变化

2002，2012和2019年实际土壤侵蚀总量(泥沙输出量)分别为44.52,33.19,26.06万t,呈显著地减少趋势,2002—2019年间减少18.46万t,减幅为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输出量分别较2012年减少28%,78%,50%,96%。反过来,样区各林地类型的泥沙截留量呈相应增长,即在水土保持措施条件下减轻土壤侵蚀的能力有大幅提高。

表2 3期各林地类型土壤侵蚀与土壤保持量

各林地类型土壤保持总量在2002—2019年间呈明显增长趋势,2019年较2002年增加4 666.39万t,增幅达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别为186%,1 684%,22%,671%。原因是各林地类型面积增加,使得泥沙截留量也随之增长。未成林造林地的土壤保持量增幅显著高于其他森林类型,原因是未成林造林地造林之前,植被覆盖度极低,土壤保持能力较低,而造林后,植被覆盖度显著提升,从而促使未成林造林地的土壤保持量快速提升。

2002年和2012年各林地类型单位面积平均土壤保持量的大小顺序为有林地>灌木林地>未成林造林地>疏林地,2019年顺序为有林地>灌木林地>其他林地>未成林造林地>疏林地>苗圃地,3期各林地类型单位面积平均土壤保持量总体顺序较为一致(图1)。各林地类型单位面积平均土壤保持量差异性不大,且3期呈逐渐增长趋势。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别为2.72,2.22,2.37,2.24t/(hm2·a)；2012年4种林地类型的平均土壤保持量分别为3.92,2.68,3.09,2.74t/(hm2·a)；2019年各林地类型平均土壤保持量分别为5.28,3.09,4.22,3.39,1.56,3.87t/(hm2·a)。

图1 各林地类型土壤保持总量及平均土壤保持量

森林植被盖度较高,林冠可有效阻挡降雨对地面土壤的冲刷和侵蚀,郁闭度高的森林对降雨侵蚀的抵御能力较强。乔木林较灌木、疏林的根系更深,对土壤的固定保持作用也更强。同时,森林土壤的枯枝落叶层较厚,对土壤的结构与理化性质有较好改善作用。在山地区域,海拔升高,坡度大会使潜在土壤侵蚀随之增大,这将导致森林的土壤保持量也相应增长。在这些因素的综合影响下,森林对水土的保持作用较其他林地类型大,森林的土壤保持量保持在较高水平。

3.1.2空间特征

土壤保持功能较好区为方斗山中低山区、七曜山北部高山区和南部中低山区(图2),这与森林植被的分布较为一致。土壤保持功能高低与森林覆盖度呈正相关,七曜山南部中低山区土壤保持能力较其他林地类型高。森林生态系统的植被覆盖度高,对泥沙截留更为有利。两条山脉所夹槽谷区及七曜山东部部分地区土壤保持能力较差。虽然,2002—2019年间土壤保持量增长显著,但其空间分布格局基本保持不变,方斗山和七曜山南部中低山区处于高值区,而沿江山脊平坝区和方斗-七曜槽谷区则为低值区。受人为活动扰动较大的林地区,土壤保持量依然处于较低的水平,且其增长趋势不明显。

图2 土壤保持量空间分布

3.2 水源涵养功能

3.2.1总量变化及不同林地类型的变化

2002，2012和2019年3期各林地类型水源涵养总量分别为12.83,17.49,18.12亿m3。有林地面积增加使得森林生态系统水源涵养总量上升,2002—2019年间水源涵养总量增长5.29亿m3,增幅达41%。

在各林地类型中,3期平均水源涵养量(表3)的大小顺序均为有林地>灌木林地>疏林地>未成林造林地。2002—2019年间平均水源涵养量均呈增长趋势,这说明平均水源涵养量的增加同样与森林植被恢复有密切关系。

由表3可看出,有林地水源涵养能力较其他林地类型更好,其次是灌木林地、疏林地、未成林造林地、其他林地、苗圃地。森林的植被覆盖度高,郁闭度高,林冠密度和林木密度也较之其他林地类型高,

表3 各林地类型平均水源涵养量

这样就使得降雨过程中雨滴下落所接触的叶表面更大,对降水的截留能力更强。并且,森林的林下植被较多,有较厚的枯枝落叶层,降水的流动速度也较其他林地类型缓慢,增加地表入渗,更有利于对水源的截留。

3.2.2空间分布特征

3期水源涵养功能在县域尺度上空间分异较为显著。水源涵养功能高值区均位于七曜山南部中低山区及方斗山部分中低山区,而低值区位于西北部沿江山脊平坝区及西南部方斗-七曜山所夹槽谷区(图3)。样区水源涵养功能的高低与森林植被覆盖度呈正相关关系,七曜山南部与方斗山南部山地森林植被连片分布,方斗山-七曜山所夹槽谷区人为活动程度更高,森林与其他地类交错分布,西北部沿江山脊平坝区海拔低,地势较为平缓,森林分布较少,水源涵养能力较弱。

图3 水源涵养量空间分布图

2002—2019年间,样区水源涵养量的空间分布格局总体一致,七曜山东北部山地水源涵养量呈下降趋势,原因是该区域降水量减少,水源供给减少,水源涵养量同步下降。七曜山南部中低山区及方斗山南段中低山区为高值区,原因是该区域基本都位于山地,森林密布且连片,森林郁闭度较高,有较强的水源涵养能力。

3.3 水质净化功能

3.3.1总量变化及不同林地类型的变化

2002—2019年森林生态系统N和P输出量均呈减少趋势。2002，2012和2019年N输出总量分别为11 721.73,10 663.48,6 452.08t,2019年较2002年减少5 269.65t,下降幅度达45%；P输出总量分别为75.68,62.95,38.74t,减少36.93t,下降幅度达49%。森林面积的增长,极大地促进了森林对N,P元素吸收能力,致使N,P输出总量显著降低。并且,样区实施的退耕还林工程改变了原先土地利用方式,由耕地变为林地,减少N,P元素输出。石柱县近年来大力开展造林绿化工程,对提高森林覆盖率,提升水质净化能力成效显著。

由表4可看出,2002年、2012年各林地类型对N,P的水质净化能力大小顺序为有林地>疏林地>灌木林地>未成林造林地,2019年为有林地>疏林地>其他林地>灌木林地>未成林造林地。N,P平均输出量越高,森林水质净化能力越差。

表4 各林地类型单位面积N,P输出

2002—2019年间各林地类型的N,P平均输出量呈减少趋势,说明样区森林对N,P的净化能力呈增强趋势。森林的林冠对水质情况影响较大,森林郁闭度越高,对N,P等营养元素的吸收能力越强。并且,森林土壤的结构和厚度较非林地更好,对N,P元素的吸附吸收作用也更强。

3.3.2空间分布特征

由N,P输出量空间分布图(图4、图5)可看出,3期N输出量高值区位于七曜山中部高山区和方斗山中南部区,低值区位于七曜山南部中低山区和方斗山北部山地区。2002—2019年间,高值区N输出量显著减少,对N的水质净化能力明显改善。但是,N输出量低值区因人为耕作活动密集,对森林的扰动程度较高,不可避免的对水质产生了一定程度的影响,导致水质净化能力较差。然而,近年来,退耕还林工程实施及人们生态环境保护意识的提高,使得该区域森林植被得到逐步恢复,水质净化能力明显增强。3期P输出量高值区位于七曜山中部高山区,2002—2019年间P输出量显著减少,对P的净化能力大大提高。可以说,退耕还林工程的实施,森林植被的增加,有利于植物对地表径流中N,P营养元素的吸收。

3.4 影响因素分析

3.4.1生态系统服务功能与各因子间关系

运用灰色关联法分析影响样区森林生态系统服务功能的指标因子及关联度(表5),在森林生态服务功能影响因素中,自然因子、林业政策因子的关联度最高。人口增长导致粮食、住房、工农业产出等多方面的需求增长,诱发耕地、建设用地的面积扩张,导致土地利用方式与结构发生变化,进而驱使林地流失。2002—2019年间石柱县人口由2002年的50.68万增长到2019年的54.86万,增加了4.18万人；农业人口由2002年的44.54万下降到2019年的38.69万,减少了5.85万人；非农业人口由2002年的6.14万增长到2019年的16.17万,增加了10.03万人。非农业人口的快速增长使得城镇周边的林地遭占用,致使森林资源被破坏,影响森林生态系统服务功能的发挥。近年来,由于人口的增长和社会经济的快速发展,人为活动强度和范围大大增加、增强,从而不可避免地影响自然生态系统的稳定与平衡。同时,贫困地区,农民的森林资源保护意识淡薄,时常会发生破坏森林资源的现象。

图4 N输出量

图5 P输出量

表5 森林生态服务功能影响因子及关联度

3.4.2生态系统服务功能与森林资源变化的关系

林业重点工程实施建设森林面积13.28万hm2(表6)。其中,天然林保护工程为实施最早、建设面积最大的工程,也是样区森林资源面积增加的主要贡献者,达11.12万hm2,占林业工程建设总面积的83.73%,方斗山及七曜山山地是天然林保护工程的重点实施区。通过实施林业重点工程,达到了保护森林资源,增加森林资源总量,优化森林结构,恢复森林生态系统完整性,提高森林生态服务功能的目的。

表6 林业重点工程实施面积

4 结论

1) 2002—2019年间,样区土壤保持功能持续增强,土壤保持量增加4 666.39万t,增幅达155%。各林地类型单位面积平均土壤保持量呈增长趋势,且以有林地增长最多。空间分布上,土壤保持功能较好区位于方斗山中低山区、七曜山北部高山区及南部中低山区,而两山脉所夹槽谷区及七曜山东部部分地区土壤保持能力较差。

2) 2002—2019年间,样区水源涵养功能显著提高,水源涵养量增加5.29亿m3,增幅达41%。各林地类型单位面积平均水源涵养量呈逐年增长趋势,森林植被覆盖度增加是驱动水源涵养量增加的主要因素。空间分布上,水源涵养功能高值区位于七曜山南部中低山区及方斗山部分中低山区,而西北部沿江山脊平坝区及西南部方斗-七曜山所夹槽谷区水源涵养功能较差。

3) 2002—2019年间,样区水质净化功能明显提高,N输出量减少5 269.65t,降幅达45%；P输出量减少36.93t,降幅达49%,森林面积增加是驱使N，P输出量减少的主要因素。空间分布上,N和P输出量高值区位于七曜山中部高山区和方斗山中南部部分地区,低值区位于七曜山南部中低山和方斗山北部山地区。

4) 影响森林生态系统服务功能时空变化的因子主要有自然因子中的森林面积、林业政策因子中的林业重点工程和人口因子等。其中,森林面积是影响土壤保持、水源涵养、水质净化功能的主要因素,天然林保护工程等林业建设工程对森林面积增加做出巨大贡献。人口增加及流动、人为活动等因素对服务功能的变化产生差异性影响。