辽宁省森林生态系统服务功能空间格局

2022-01-06许庭毓

中国水土保持科学 2021年6期

许庭毓，牛香†，王兵

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京； 2.国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，100091，北京；3.江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站，336606,江西新余)

生态系统服务用于描述生态系统对经济和其他人类活动所受惠益的贡献。森林生态系统是陆地生态系统的主体，不仅可以为人类提供生产生活所需的基本原料，而且对于应对气候变化、改善生态环境、维持生态系统平衡发挥着巨大的作用[1]。长期以来人们多重视森林木材供给等直接效益，忽略了其巨大的间接效益。对森林生态系统服务功能进行全面的评估尤为重要。赵同谦等[2]基于联合国千年评估的基础对我国森林生态系统服务进行了评价，靳芳等[3]建立了森林生态系统服务功能评估指标体系，并在全国尺度上进行了评估；由原国家林业局牵头[4]制定了LY/T 1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》，结合全国第7次和第8次森林资源清查数据，对全国森林生态系统服务功能价值进行了动态评估[5],得到全国森林生态系统服务功能价值量分别为10.01万亿和12.68万亿元/a。众多学者[6-8]基于此项标准在不同省份、地区都对森林生态系统服务功能进行了评估，宋庆丰等[9]对吉林省森林涵养水源功能进行研究，发现2006—2013年，由于森林质量的提升，吉林省森林生态系统年调节水量由175.06亿m3增长到197.28亿m3；刘胜涛等[10]对宁夏贺兰山自然保护区森林净化大气功能进行评价，得到保护区内森林净化大气效果显著，年提供负离子量为 1.426×1023个，滞纳PM10和 PM2.5量分别为361.27万和77.44 万t。王兵等[11]和刘润等[12]对辽宁省森林生态系统服务价值量进行了相关研究，得到2006—2014年，全省森林生态系统服务总价值量增长了86.53%，其中涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木养分固持和净化大气环境功能分别增长了92.20%、40.51%、63.29%、56.65%和232.84%。上述研究多针对生态系统服务价值量及增减变化进行评价，目的是为了量化绿水青山价值多少金山银山。

本研究以国家标准GB/T 38582—2020《森林生态系统服务功能评估规范》(下简称为《规范》)[13]为依据，结合辽宁省2017年森林资源二类调查数据和森林生态站长期定位观测数据，评估辽宁省森林生态系统服务功能物质量，并结合经济因素、政策因素和自然因素对生态系统服务功能空间格局的影响因子进行分析，以期为辽宁省不同地区科学开展林业生态工程、及时调整林业发展方向，推动社会经济生态可持续发展提供科学依据，为全省生态产品的价值实现的路径设计提供基础。

1 研究区概况

辽宁省位于E 118° 53′～125°46′、N 38° 43′～ 43° 26′之间，地处我国东北地区南部。辽宁省地势由东西向中，由北向南倾斜，根据地形地貌将辽宁省划分为3个大区，即辽东山区、辽西北地区、辽中南平原沿海地区。辽宁省属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温5～11 ℃，全年降水量400～1 150 mm，由东向西递减，土壤分布区主要是2个地带性土壤分布区，即东部的棕壤区和西部的褐土区。截至2017年，辽宁省共有森林面积597.75万hm2，蓄积量为3.28亿m3，主要优势树种有红松(Pinuskoraiensis)、落叶松(Larixgmelinii)、油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、云杉(Piceaasperata)、冷杉(Abiesfabri)、蒙古栎(Quercusmongolica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等。

2 数据与方法

2.1 数据来源

1)森林资源数据来源于辽宁省林业调查规划监测院提供的2017年辽宁省森林资源二类调查数据。

2)森林生态数据来源于森林生态站的监测数据，主要包括分布在辽宁省内的4个生态站(冰砬山森林生态站、白石砬子森林生态站、辽东半岛森林生态站和辽河平原森林生态站)，还包含分布在临近省份的与辽宁省处在同一生态区内的森林生态站(松江源森林生态站、长白山森林生态站和长白山西坡森林生态站；内蒙古：赛罕乌拉森林生态站、赤峰森林生态站，七老图山森林生态站和特金罕山森林生态站；河北省：塞罕坝森林生态站)，以及辽宁省内建立的其他林业辅助监测站点的数据作为补充。

3)气温、降水、人口密度、GDP、建城区比例和造林面积等社会经济数据来源于《辽宁省统计年鉴2018》[14]。

2.2 评估方法

基于森林资源二类调查数据和辽宁省周边生态站的监测数据，根据《规范》中的公式，应用分布式测算方法对辽宁省森林生态系统保育土壤、林木养分固持、涵养水源、固碳释氧、净化大气环境5项服务功能18项指标进行评价。具体方法为：按照辽宁省地级市区域划分为14个一级测算单元；每个一级测算单元按照优势树种组划分成13个二级测算单元，只有盘锦市划分为6个二级测算单元；每个二级测算单元再按照起源分为天然林和人工林2个三级测算单元；每个三级测算单元按照龄组划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林5个四级测算单元。最后，结合不同立地条件的对比观测，确定1 750个相对均质化的生态效益评估单元，分别测算每个单元的服务功能进而统计出2017年辽宁省森林生态系统服务功能评估结果。

当用现有的野外实测值不能代表同一生态单元同一目标林分类型的结构或功能时，就需要引入森林生态功能修正系数客观地从生态学精度的角度反映同一林分类型在同一区域的真实差异，提升评估结果的准确性，其理论公式见参考文献[15]。

2.3 灰色关联度法

灰色关联度用于衡量不同系统或者同一系统不同因素之间的相似度，依据序列的相似度来判断其关联的紧密程度。灰色关联分析找出在反映系统行为的特征数据序列和影响系统行为的相关因素序列的关联性，根据已有的部分信息，通过数据处理，计算系统的主行为与影响因素的关联度，用来定量描述各种因素对系统的影响。生态系统作为一个灰色大系统，各类生态系统类型、生态系统服务的空间分布是社会、经济与环境因素交互作用的结果[16]。灰色关联度分析的计算方法见参考文献[16]。

3 结果与分析

3.1 森林生态系统服务功能物质量评估

根据相关数据以及《规范》中的公式计算得出，辽宁省森林生态系统2017年固土物质量为2.48亿t，为全省年土壤水土流失总量的2.10倍[17]；保肥量共2 198.03万t，林木养分固持量59.00万t，分别相当于全省化肥施用量[14]的5.35倍和14.36%；调节水量208.20亿m3；是全省河川径流量的1.29倍[14]；固碳量1 938.55万t，相当于抵消了全省碳排放量的14.25%[14]；吸收气体污染物量79.32万t，相当于吸收了全省工业废气排放量的10.00%左右[14]；滞纳TSP(total suspended particulates)量为1.02亿t，滞纳PM10和PM2.5物质量分别为2 164.40万kg和613.12万kg，全省14个城市环境空气质量优、良天数比例分别为17.4%和58.4%，与2016年相比，PM2.5、PM10和SO2年均浓度分别下降4.3%、2.5%和17.6%[18]。作为陆地生态系统的主体，森林为全省社会发展提供着丰富多样的产品和服务，在水土保持、维护生态安全、应对气候变化、净化大气和支撑人类生存发展等方面发挥了十分独特而重要的作用，在推进生态文明建设中居于不可或缺的地位。从受益范围看，辽宁省森林生态系统提供的“绿色水库”“绿色碳库”“净化环境氧吧库”等功能不仅为当地人民提供了多种生态服务，也对周边区域乃至全球的经济社会可持续发展至关重要。

3.2 森林生态系统服务功能物质量分布格局

各地市森林生态系统服务功能的分布格局如表1和图1所示，发现其空间分布差异显著，总体上呈现辽东山区>辽西北地区>辽中南平原沿海地区的格局。盘锦市由于其森林面积较小，所以各项服务功能的物质量均为全省最低，保肥功能、提供负离子功能、吸收污染气体功能、滞纳TSP、滞纳PM10功能物质量最高的地市为抚顺市，其余各项功能物质量最高的地市均为丹东市。

表1 辽宁省各地市森林生态系统服务功能物质量评估结果Tab.1 Assessment on material quantities of forest ecosystem services of different cities in Liaoning province

图1 辽宁省森林生态系统服务功能物质量分布格局Fig.1 Spatial distribution of material quantities for forest ecosystem services in different cities in Liaoning province

固土功能物质量极差为4 054.87万t/a，丹东市、朝阳市和抚顺市固土量最多，占全省固土总量的42.69%，最低的3个市为锦州市、沈阳市和盘锦市，仅占全省总量的4.65%。保肥功能物质量极差为406.25万t/a，最高的3个市为抚顺市、丹东市和本溪市，占保肥总量的48.96%，最低的3个市为营口市、锦州市和盘锦市，占总量的5.24%。林木养分固持功能物质量极差为10.35万t/a，丹东市、抚顺市和本溪市林木养分固持量最高，占总量的46.97%，最低的3个市为锦州市、沈阳市和盘锦市，仅占全省总林木养分固持量的7.71%。涵养水源功能物质量极差为38.25亿m3·/a，调节水量最高的3个市为丹东市、抚顺市和本溪市，占全省总量的46.13%；最低的3个市为沈阳市、锦州市和盘锦市，仅占全省总量的4.97%。固碳功能物质量极差334.10万t/a，最高的3个市为丹东市、抚顺市和本溪市，占全省总量的44.94%；最低的3个市为锦州市、沈阳市和盘锦市，仅占全省总量的4.61%；提供负离子功能物质量极差为0.53×1025个/a，抚顺市、丹东市和朝阳市提供负离子量最多，占总量的41.13%。最低的3个市为营口市、辽阳市和盘锦市，仅占全省提供总负离子量的5.78%；吸收污染气体功能物质量极差为12.97万t/a，吸收污染气体量最高的3个市为抚顺市、丹东市、朝阳市，占全省总量的44.79%，最低的3个市为营口市、沈阳市、盘锦市，占全省总量的4.95%。滞纳TSP功能物质量极差为1 708.02万t/a，抚顺市、朝阳市和丹东市滞纳TSP量最多，占全省总量的46.90%；营口市、沈阳市和盘锦市滞纳TSP量最少，仅占全省总量的4.33%。

从以上结果可以看出，丹东市、抚顺市和本溪市各项服务功能物质量均较高，且3市各项森林生态系统服务功能之和占到全省各项服务功能总物质量的40%以上，而营口市、沈阳市、锦州市和盘锦市各项服务功能占比较低。丹东市、抚顺市和本溪市森林面积占全省森林面积的40.29%，蓄积占全省森林总蓄积的60.28%，较大的森林面积与较高的森林质量使得辽东地区各市森林提供服务功能较高，为全省人民的生产生活筑起一道绿色屏障。

3.3 森林生态系统服务功能空间格局影响因子

生态系统服务功能的空间分布受到政策因素、经济因素和自然因素等多方面共同影响[19]，本研究选取自然因素(气温、降水)、社会经济因素(人口、人口密度、GDP、人均GDP、建城区占比)、政策因素(造林面积)，通过灰色关联分析得到各影响因子与各项服务功能的关联度(表2)。降水因素与各项服务功能最相关的因素，因为水分是显著林木生长的重要因素之一，水分充沛的地区森林面积大，质量高，所以相应提供服务功能较强；相关度排在第二位的是人口，人口多的地方土地利用强度较大，人为干扰会对生态系统服务产生影响。整体上来看，自然因素与生态系统服务功能的关联程度大于政策因素大于社会经济因素。

表2 森林生态系统服务功能与影响因子关联度Tab.2 Correlation between forest ecosystem services and influencing factors

4 讨论

全省森林生态系统服务功能空间格局呈现辽东山区>辽西北地区>辽中南平原沿海区的分布格局，主要受到以下因素的影响。

1)自然因素。从前文结果可以看出，自然因素与服务功能空间格局的关联度在0.72以上，自然因素是影响服务功能空间格局最显著的因素。辽宁省属于温带大陆性气候，雨热同季，日照丰富，东部地区雨量充沛，水热条件好，而水热条件又是限制林木生长的重要因素，所以该地区森林面积大，森林生态系统完整，生物种类十分丰富，是辽宁省乃至东北亚生态环境的重要屏障，所以该区域保育土壤功能和生物多样性功能较高。降雨量与涵养水源功能和净化大气环境功能密切相关，主要由于涵养水源功能的计算公式涉及到降雨量，与涵养水源功能呈显著正相关，而降水还会影响净化大气环境中的滞纳颗粒物功能，降水充沛的地区对叶片的清洗次数多，使得森林滞纳颗粒物能力增强。

2)社会经济因素。人为干扰与经济发展水平对服务功能空间格局的关联度在0.654 4～0.807 2之间，而与土地利用的关联度多数<0.7。辽宁东部地区多为山区，湿润多雨，土地利用类型多为森林，且其经济发展水平不如中部地区城市，建城区比例多为2%以下，且GDP均未超过千亿，所以该地区人为干扰程度不强，保证了森林生态系统充分发挥其效益；中部地区是辽宁省经济发展的命脉，土地利用方式多为耕地与建设用地，建城区比例多在2.5%以上，且GDP占全省的70%以上，人为干扰程度最强，森林生态系统服务功能不如其他两个区域，但是其上升空间较大，在今后的发展中应注意经济发展与生态建设相结合，推动社会、经济、环境的可持续发展；西部地区干旱少雨，土地利用类型多为草地和林地，建城区比例在1%左右，且GDP较低，人类干扰程度最弱，由于该区域独特的气候条件和社会经济因素，森林生态系统发挥的服务功能较高，在今后的发展中应充分利用该地区的特色，合理利用当地的自然资源，将生态效益转化为经济价值，有效提升当地居民的生活水平。

3)政策因素。辽宁省积极实施天然林保护工程、退耕还林工程和三北防护林工程等林业生态工程，森林面积、蓄积有较为显著的提升。与2006年第1次评估的数据相比，森林面积增长3.01%，蓄积增长35.51%[11]。造林面积与服务功能的关联度基本在0.65以上，除了通过造林的方法增加森林面积，还应该采取科学的森林经营方式提升森林质量。辽东山区是天然林保护和水源涵养林建设的核心区，该区域林业生态工程建设的重点是以生态保护和提高效益为主，搞好天然林保护和水源涵养林建设，提高森林经营管理水平和林分质量，积极推进林业产业发展，充分发挥森林资源的多种效益；辽中南平原沿海地区以生态升位和林、农复合型林业发展为重点，努力搞好农田林网、绿色通道及沿海防护林建设，加快隙地造林、城市绿化和村屯绿化，提高绿化水平，以集约方式发展用材林、工业原料林、高效经济林及相关产业；辽西北地区是恢复植被、加快生态建设的重点区，以恢复生态和林、牧、农综合开发为重点，实行封、飞、造结合，乔、灌、草合理配置，大力实施退耕还林(草)、防沙治沙、水土保持、小流域治理等工程，努力恢复植被，扩大绿化面积，提高森林植被覆盖率。积极发展适宜本地区的名特优新经济林为重点的特色产业[20]。不同地区的林业建设重点和发展方向的不同导致了森林生态系统服务功能空间分布的差异。