清原县森林生态系统服务功能及影响因素分析

陈光华，金 磊，战金伟，陈若楠，孙丽娟，任玉东，杨屹衡

(1.国有清原满族自治县大孤家林场，辽宁 抚顺 113300；2.大连市气象局，辽宁 大连 116001；3.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866；4.国有清原满族自治县城郊林场，辽宁 抚顺 113300)

生态系统是人类生存和发展的前提和基础，不仅为人类生存提供必要的物质和空间，还将人类与自然紧密的联系[1]。随着社会的迅猛发展和人口的急剧增加，生态环境遭到破坏[2]，使得自然灾害频繁发生，对全球经济及社会发展产生巨大阻碍。为实现生态环境的可持续发展，生态系统服务评估已成为目前学科研究的前沿与热点[3-4]。在2005年MA(The Millennium Ecosystem Assessment)根据生态系统构成与结构，将生态系统分为文化、支持、供给、调节四大类，对人与环境之间关系进行重点考虑，现已成为目前最具有影响力的分类体系[5]。

随着对生态系统服务研究的不断深入，对生态系统服务关注度和需求不断增加，开发出一系列生态系统服务模型[6-7]。其中2007年由世界自然基金(WWF)、大自然保护协会(TNC)、美国斯坦福大学共同开发的InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Service sand Tradeoffs Tool)模型，因其在开源性、空间分析以及评估精度等方面具有较强的优势[8-9]，近年来被广泛应用于土地利用规划、环境评估、生态系统服务功能评价等多个领域，并取得较好的应用效果[10-12]。

有研究表明，不同生态系统服务之间也存在一定的权衡。如宝兴县林业生态工程的实施使碳储量增加了，产水量减少；黄土高原的退耕还林改善区域水土流失的同时，也降低了产水量[13]；生态修复工程使得门头沟区碳储量和产水量增加，氮磷输出量和土壤侵蚀量减少[14]。因此针对不同研究区，需制定有针对性的生态系统服务评估方法。

辽东山区以次生林和人工林为主，该区域在涵养水源、保持水土、调节气候和维持生态平衡等方面起着重要作用。为定量评价和客观认识辽东山区森林各生态服务分布及其特征，本文以辽东山区典型区清原县为研究区，应用InVEST 模型，综合考虑气候、地形、土壤、植被和土地利用等因素，对清原林区产水量、土壤保持、碳储量3项服务功能进行估算，并对林区生态服务功能进行综合评估，为该区域生态研究提供基础资料和科学依据。

1 研究区概况

研究区为辽宁省抚顺市清原满族自治县，位于长白山山脉西南边缘地带，地势由东南向西北不断降低，地理坐标为124°20′06″～125°28′58″E，41°47′52″～42°28′25″N，总面积约3 932.96 km2。全区海拔高度98～1 100 m，以1 000 m以下的低山和500 m左右的丘陵为主。属中温带大陆性季风气候，雨热同季，四季分明，年均气温约5.3 ℃，年均降水量700～800 mm，年无霜期为130 d。全区境内林业、矿业及水资源十分丰富，植被以长白植物区系为主，是辽宁省重要的商品林基地，也是浑河、柴河、清河、柳河四大水系的发源地。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究土地利用数据以原清原县林业局调查小班图为基础，结合Landsat影像数据对研究区林地类型进行分类，并通过野外调查对林班图进行精度检验，总体精度大于90%。本研究数字高程模型(DEM)下载自地理空间数据云，空间分辨率为30 m(http://www.gscloud.cn/)。土壤数据来自世界土壤属性数据库(HWSD)中国土壤数据集，由寒区旱区科学数据中心提供(http://www.crensed.ac.cn/portal/)。本研究采用辽宁和吉林共56个气象站2014-2016年日气象数据，数据来自国家气象科学数据中心(https://data.cma.cn/)。由于气象站数量一定的条件下，空间插值方法对插值精度会有影响[15]，本文对多种插值方法进行比较后采用ANUSPLINE的薄盘光滑样条插值法对研究区气象数据进行插值。

2.2 地面调查

为了获得碳储量，我们进行了实地调查，并针对研究相关的土地利用类型对244个样地进行了土壤和枯落物采样。在研究区域的每个位置，分别从3个土壤深度范围(0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm)中取了3个土壤芯，对样品进行自然风干，然后测量并计算土壤有机碳密度。此外，在每个样地中收集了枯落物，并在85 ℃下烘干以测量并计算其碳密度。

2.3 生态服务研究方法

2.3.1 产水量

InVEST模型的产水模块采用水量平衡的估算方法，基于简化的水文循环模型对地表产水量进行计算。其忽略了地下水的影响，由降雨量、植被可利用含水量、蒸散量等众多参数综合计算，以估算区域水资源供给水平，从而衡量区域水资源供给服务[16]。计算公式：

Yx=(1-AETxj/Px)Px

(1)

式中：Yx为栅格x的年均产水量；AETxj为第j类土地覆被型栅格x的年均实际蒸发量；Px为栅格x的年均降雨量。

2.3.2 土壤保持

InVEST模型的土壤保持模块采用USLE方程对生态系统潜在土壤侵蚀以及实际土壤侵蚀进行量化，从而得到研究区土壤保持能力。计算公式：

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

SD=RKLSx-USLEx

(4)

式中：RKLSx为栅格x的潜在土壤侵蚀量；Rx为栅格x的降雨侵蚀力因子；Kx为栅格x的土壤可蚀性因子；LSx为栅格x的地形因子；USLEx为栅格x的实际土壤侵蚀量；Cx为栅格x的植被覆盖因子；Px为栅格x的土壤保持措施因子；SD为栅格x的潜在土壤保持量。

2.3.3 碳储量

InVEST模型以土地利用覆被类型为单位，通过对不同林地类型碳密度的获取，最终获得了不同林地类型的碳储量。计算公式：

C_total=C_above+C_below+C_soil+C_dead

(5)

式中：C_total为总碳储量；C_above为地上碳储量；C_below为地下碳储量；C_soil为土壤碳碳储量；C_dead为枯落物碳储量。

2.4 生态服务功能综合评估

在生态系统综合评估过程中，需合理对各生态服务功能分区。本文以产水量、土壤保持量和碳储量作为指标，进行分级并综合评价，具体见表1。将各服务功能进行叠加分析，即可得到清原县森林生态系统服务综合分区图。

表1 生态服务功能分级标准

生态系统服务功能综合值计算公式：

式中：A为生态服务功能综合值；mi为第i项权重(本文采用专家打分法对各服务功能权重进行赋值)；Ai为第i类生态服务功能值。由于各服务功能单位不同，故需各项指标归一化。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务评估结果与重要性分区

根据InVEST模型对研究区林地各生态服务功能空间分布进行模拟，得出2015年清原林区各生态服务功能空间分布情况(图1)。

图1 研究区林地生态服务功能空间分布

通过分析可知，清原林区年均总产水量8.56×108m3，平均产水量为267.28 mm，最高产水量为554.88 mm；林区总碳储量为6.417×107t，平均碳密度为198.74 t·hm-2，最大碳密度为268.42 t·hm-2；林区总土壤保持量为4.31×108t，平均土壤保持量1 332.23 t·hm-2。空间上，清原县林区产水量大致呈现西南高东低的分布，其中高值区主要集中在研究区南部，低值区主要分布在研究区东部；土壤保持以研究区东北部相对较低；碳密度以南山城镇东南部和大苏河乡南部相对较高。造成这一差异的原因主要与下垫面林地类型、覆盖度和地势等因素有关。

3.2 生态系统服务影响因素

3.2.1 不同林型生态服务功能变化特征

从图2可知，不同林地生态服务强度差异较大。总体来说，其它阔叶林(杂木林)损耗水分相对较低，产水量较高，针叶林损耗水分相对较高，产水量较少，各森林类型平均产水量差异不大，主要集中在250～320 mm。蒙古栎林和落叶松林总产水量较多，二者共占全区林地总产水量的68.4%；蒙古栎和落叶松土壤保持总量最高，二者约占土壤保持总量的72.6%以上，单位面积土壤保持，水曲柳和蒙古栎土壤保持能力较高，针叶林土壤保持能力较低，灌木林土壤保持能力最弱；林地的平均碳密度为核桃楸和水曲柳较高，灌木林最低，即阔叶林的碳密度多大于针叶林碳密度，次生天然林碳密度大于人工林碳密度。全区林地碳储量以蒙古栎碳储量最高，约为2.676×107t,占全区林地碳储量的41.7%，其次为落叶松约2.00×107t，约占全区林地碳储量的31.3%。

图2 各林地生态服务功能强度

3.2.2 生态服务功能随覆盖度的变化特征

通过对不同覆盖度下生态服务功能进行分析可知，各生态服务功能受覆盖度影响较大，且变化较为明显。随着覆盖度的增加，林地产水量与土壤保持量和碳密度总体呈相反趋势(图3)。

图3 不同覆盖度条件下生态服务功能强度

研究区林地产水量随覆盖度增加不断减少，当覆盖度高于0.8时，产水量急剧减小。影响产水量主要因素为区域降水量和植被损耗，由于本研究区较小，故植被损耗成为限制本区域产水量的主要因子；林地土壤保持量随植被覆盖度的增加呈持续增加状态，当植被覆盖度达到最大时，土壤保持量达到最大值2 187.9 t·hm-2，说明植被覆盖度的增加对土壤固定有直接影响。林地碳密度随覆盖度的增加呈先增加后减少的趋势，即在覆盖度小于0.8时，碳密度随覆盖度的增加而增大，当覆盖度超过0.8后，碳密度随覆盖度的增加略有减少,这是与覆盖度的变化只能反映地上生物碳的变化规律有关。

3.2.3 生态服务功能随坡度的变化特征

根据水土保持综合治理规划通则，将清原县全区坡度划分为6个等级(表2)，比较不同坡度等级下生态服务功能强度。

表2 坡度等级分级标准

从图4可知，各生态服务功能受坡度的影响较明显。当坡度在较陡坡以下时随坡度增加产水量迅速减小，当坡度在陡坡以上时产水量急剧增加。土壤保持量和碳密度变化规律较为一致，随着坡度的增加，二者呈现明显增加趋势。这可能与下垫面林地覆盖类型和径流改变有关。而在坡度较平缓区因人类活动较为频繁且植被较少，对水分的消耗较少，故产水量较大，土壤保持能力较弱，碳密度较低；随着坡度的增加会导致径流速率增加，风、水侵蚀现象频繁发生，但该区域受人类活动干扰的程度较低，更有利于植被生长，综合导致陡坡区产水量、土壤保持量和碳密度的增加。

图4 不同坡度等级下生态服务功能强度

3.2.4 生态服务功能随海拔高度的变化特征

从图5可知，随着海拔高度的增加产水量呈现先减小后增加，土壤保持量和碳密度呈先增加后减小的趋势，在海拔高度900～1 000 m时各生态服务功能存在明显的转折点。这可能与随着海拔的升高，人为干扰不断减少，更有利于林木生长，导致产水量不断降低，土壤保持和碳密度不断增加；当海拔高度超过900 m左右时，该区多为山脊，土层较薄，植被相对于低海拔区稀疏，保水能力减弱，促使该区域产水量升高，土壤保持量和碳密度降低。

图5 不同海拔高度生态服务功能强度

3.3 生态服务功能综合评估

以产水量、土壤保持量和碳储量作为指标，对清原县林地综合生态服务功能强弱进行划分(图6)。全区一般重要区和较重要区主要分布在研究区东部，该区域地势平坦,海拔相对较低，土层较厚，林地以落叶松为主，占全区林地总面积的29.38%；服务功能中等重要区面积最大，为1 737.37 km2，以研究区西部分布最为密集，该区域主要以阔叶林为主；高度重要区和极重要区面积分别为274.06 km2和218.84 km2，分别占全区林地总面积的8.68%和6.93%，该区海拔较高，林型以覆盖度高的次生林为主。

图6 研究区林地综合服务功能重要性分区及各区面积

4 结 论

本研究利用InVEST模型对清原县林区2015年产水量、土壤保持量和碳储量3 项服务进行模拟，并对区域的各生态服务进行进一步评估与分析。结果表明：各服务功能在空间分布上呈现出一定的差异性，受研究区林地覆被类型、覆盖度、地势等因素影响较大，各生态服务具体表现为：①清原林区年均总产水量8.56×108m3，最高产水量554.88 mm；总碳储量为6.417×107t，最大碳密度为268.42 t·hm-2；总土壤保持量为4.31×108t。②从空间上，清原县林区产水量大致呈现西南高东低的分布；土壤保持以研究区东北部相对较低；碳密度以南山城镇东南部和大苏河乡南部相对较高。③就各林地生态服务功能强度而言，其它阔叶林(杂木林)产水量较高，针叶林损耗多产水量较低；就单位面积土壤保持而言，水曲柳和蒙古栎土壤保持能力较高，针叶林土壤保持能力较低，灌木林土壤保持能力最弱；平均碳密度为核桃楸和水曲柳较高，灌木林最低。④不同覆盖度生态服务功能强度表现为，产水量随覆盖度增加不断减少，土壤保持量和碳密度随植被覆盖度的增加而持续增加。⑤坡度变化对生态服务功能的影响表现为，产水量在较陡坡度存在转折，呈先减小后增加趋势；土壤保持量和碳密度表现为随着坡度的增加而增加。⑥海拔高度对生态服务功能的影响表现为，当坡度在900～1 000 m时各生态服务功能存在明显的转折点。随着海拔高度的增加产水量呈现先减少后增加，土壤保持量和碳密度呈先增加后减少趋势。⑦全区林地综合生态服务功能以中等重要为主，约占研究区的55.01%。