吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能時(shí)空變化特征

宋慶豐，王 兵，3，牛 香，3

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091;2.國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091;3.北京林業(yè)果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206)

人類生存必需的資源之一即為水，它幾乎參與所有的人類活動(dòng).當(dāng)今社會(huì)，水資源安全受到人們的廣泛關(guān)注，區(qū)域水資源匱乏使社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到了嚴(yán)重影響［1］.據(jù)世界資源研究所研究報(bào)道，全球?qū)?huì)有33個(gè)國家面臨極高水資源壓力，這種危局會(huì)在2040年出現(xiàn)，我國也位列其中［2］.解決或緩解區(qū)域水資源安全，已成為政府和科研人員目前急需解決的迫切問題.大量研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源方面具有十分顯著的作用［3-5］，其過程發(fā)生在土壤層、枯落物層和林冠層，以土壤層和枯落物層為主要活動(dòng)層，主要是對(duì)降雨進(jìn)行再分配和有效調(diào)節(jié)［5-6］，發(fā)揮削減洪峰、調(diào)節(jié)水量、凈化水質(zhì)等作用.因此，森林生態(tài)系統(tǒng)又被譽(yù)為“綠色水庫”，這就意味著森林生態(tài)系統(tǒng)在緩解區(qū)域水資源壓力上具有先天優(yōu)勢.

作為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，東北地區(qū)近年來區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，使得本區(qū)域面臨著巨大的水資源壓力［7］.由于森林生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(yǎng)水源功能，東北林區(qū)森林將在維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全方面發(fā)揮巨大作用［8］.吉林省是東北多條江河的發(fā)源地，其水資源安全對(duì)于維護(hù)本省乃至整個(gè)東北地區(qū)的用水安全起到了非常重要的作用.但是，吉林省人均水資源量在國際公認(rèn)水資源緊張的標(biāo)準(zhǔn)之下，為我國北方缺水的省份之一.如何扭轉(zhuǎn)這種局面，除了節(jié)約用水和防止水污染外，最重要的是發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源功能，合理調(diào)節(jié)水量，進(jìn)而增加可利用水資源量.關(guān)于吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能的研究不僅較少，而且還缺乏時(shí)空動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力研究.本文以吉林省3期森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)(2006，2011和2013年)、省內(nèi)和周邊地區(qū)森林生態(tài)站以及輔助觀測樣地的長期觀測數(shù)據(jù)和權(quán)威機(jī)構(gòu)公布的社會(huì)公共資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能開展時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究，旨在為基于水資源安全的吉林省林業(yè)建設(shè)和林業(yè)政策的制定提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

吉林省位于我國東北地區(qū)中部，處在 E 121°38'～131°17'、N 40°52'～46°18'，陸地面積 18.74 萬 km2，占全國陸地總面積的1.95%.全省地質(zhì)地貌差異明顯，地勢由東南向西北逐漸降低，分為東部山地區(qū)、中部丘陵區(qū)和中西部平原區(qū).全省四季分明，年均溫度介于3～5℃，雨熱同期，年降雨量分布不均勻，一般介于550～910 mm，呈現(xiàn)出自東向西逐漸降低的空間分布格局.吉林省處于東北地區(qū)多條重要江河的上、中游流域，省內(nèi)水面面積達(dá)26余萬hm2，有1 600余條河流的流域面積在20 km2以上，其分別隸屬松花江、鴨綠江、圖們江、遼河和綏芬河等5大水系.

吉林省森林資源豐富，是全國重點(diǎn)林業(yè)省份之一.截止2016年底，全省林業(yè)用地面積945.40萬hm2，其中，有林地面積819.10萬hm2，森林覆蓋率44.10%，活立木總蓄積量9.50億m3.按照吉林省的森林水平分布可分為東部山地森林區(qū)、西部平原草原區(qū)和中部低山丘陵森林草原過渡區(qū);按照垂直分布可分為高山凍原帶、亞高山岳樺林帶、山地針葉林帶、針闊葉混交林帶、落葉闊葉林帶.

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1)森林資源數(shù)據(jù):來自吉林省2006，2011和2013年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)以及2017年吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒發(fā)布的森林資源數(shù)據(jù).

2)森林生態(tài)數(shù)據(jù):主要來自吉林省內(nèi)的3個(gè)森林生態(tài)站(吉林松江源森林生態(tài)站、吉林長白山森林生態(tài)站、吉林長白山西坡森林生態(tài)站)、位于同一生態(tài)區(qū)的森林生態(tài)站(黑龍江雪鄉(xiāng)森林生態(tài)站、黑龍江牡丹江森林生態(tài)站、遼寧遼河平原森林生態(tài)站、遼寧冰砬山森林生態(tài)站)及其他周邊森林生態(tài)站和輔助觀測樣地的長期觀測數(shù)據(jù).

2.2 計(jì)算方法

采用中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范(LY/T 1721—2008)》(以下簡稱《規(guī)范》)中涵養(yǎng)水源功能的計(jì)算指標(biāo)及方法:

森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源物質(zhì)量

式中:G涵為森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源物質(zhì)量，m3/a;P為實(shí)測林外降水量，mm/a;E為實(shí)測林分蒸散量，mm/a;C為實(shí)測地表快速徑流量，mm/a;A為林分面積，hm2.

森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值量

式中:U涵為森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值量，元/a;C庫為水庫庫容造價(jià)，元/m3;K水為水的凈化費(fèi)用，元/m3.

3 結(jié)果與分析

3.1 涵養(yǎng)水源功能時(shí)間變化規(guī)律

吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量見圖1，各地區(qū)單位面積涵養(yǎng)水源量見圖2，單位面積蓄積量見圖3.

圖1 吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能時(shí)間變化規(guī)律Fig.1 Time change rule of forest ecosystem water conservation in Jilin province

由圖1可知:2006，2011，2013年吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總物質(zhì)量分別為175.06億m3/a，185.14億 m3/a和197.28 億m3/a，逐次增長率分別為5.76%和6.56%.由圖2可以看出:2006—2013年間，除白山市和延邊州外，其他地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力均呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢.綜合以上分析數(shù)據(jù)可以得出:吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總量以及各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力均不斷增強(qiáng).究其原因主要有以下幾個(gè)方面:首先是森林面積的變化，與2006年相比，2011年吉林省森林面積增加了9.69萬hm2;其次是森林質(zhì)量變化.吉林省2006，2011和2013年單位面積森林蓄積量分別為106.11，112.02，116.66 m3/hm2，各地區(qū)單位面積森林蓄積量也在逐年增加(圖 3).單位面積蓄積量的增加意味著生物量的積累速度在不斷加快，也就代表了森林生態(tài)過程逐步增強(qiáng)，其必然帶來森林生態(tài)功能的提升［9］.諸多學(xué)者研究證明了森林蓄積量與涵養(yǎng)水源功能呈正相關(guān)關(guān)系，這主要表現(xiàn)在林冠截留、枯落物蓄水、土壤層蓄水和土壤入滲等方面的提升［10-11］;第三，林業(yè)生態(tài)工程的實(shí)施.以“天保工程”為例進(jìn)行分析，截至2015年，吉林省“天保工程”重點(diǎn)國有林區(qū)的森林面積為354.61萬hm2，占2013年全省森林面積的42.88%，森林涵養(yǎng)水源量為89.03億m3/a，占吉林省全省森林涵養(yǎng)水源量的45.13%.由此可以看出，“天保工程”的實(shí)施對(duì)提升吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能起到了非常重要的作用.

圖2 吉林省各地區(qū)單位面積涵養(yǎng)水源量Fig.2 Water conservation quantity per unit area of Jilin province

圖3 吉林省各地區(qū)單位面積蓄積量Fig.3 Stock per unit area in Jilin province

但是，綜合圖2和圖3可以看出:白山市和延邊州在單位面積森林蓄積量增加的情況下，森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力卻出現(xiàn)了下降.這主要是因?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)功能的變化除了與森林面積、森林蓄積量有關(guān)外，還與森林起源和林齡結(jié)構(gòu)有關(guān).經(jīng)分析森林資源數(shù)據(jù)可知，白山市2006年天然林單位面積蓄積量為131.05 m3/hm2，而到 2011 年為 129.60 m3/hm2，降低了 1.45 m3/hm2，也就意味著天然林質(zhì)量的下降影響了其涵養(yǎng)水源功能的發(fā)揮.眾所周知，天然林具有較為復(fù)雜的物種及結(jié)構(gòu)組成，能夠提升林冠降雨截留量和枯落物層的儲(chǔ)水量;另外，天然林土壤物理性質(zhì)也較為優(yōu)越.由于根長密度較大，有利于改良土壤結(jié)構(gòu)性狀，提升土層的非毛管孔隙度，進(jìn)而增加了土壤的儲(chǔ)水量和入滲速率，增強(qiáng)了天然林的涵養(yǎng)水源功能［12］;2011年延邊州的森林資源與2006年相比，中齡林面積減少了6.98萬hm2，而中齡林和近熟林的單位面積蓄積量也分別減少了2.26 m3/hm2和1.95 m3/hm2.有關(guān)研究表明，林齡結(jié)構(gòu)對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)功能的影響較為明顯［13］，其中以中齡林和近熟林有絕對(duì)的優(yōu)勢，這主要是因?yàn)檫@兩個(gè)階段林木生長最為旺盛，枯落物凋落量和根系周轉(zhuǎn)速率處于較高水平，能夠?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能提供較好的物質(zhì)基礎(chǔ).

3.2 涵養(yǎng)水源功能空間變化規(guī)律

吉林省各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量見圖4.由圖4可知:吉林省各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量呈現(xiàn)出明顯的地域分布特征，由大到小排序:2006年為延邊州、白山市、吉林市、通化市、長白山、遼源市、長春市、四平市、白城市和松原市;2011年為延邊州、吉林市、白山市、通化市、長白山、遼源市、四平市、長春市、白城市和松原市;2013年為延邊州、吉林市、白山市、通化市、長白山、長春市、遼源市、四平市、白城市和松原市.分析可見:吉林省各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量總體呈現(xiàn)自東向西逐漸減小的趨勢，表現(xiàn)為位于吉林省東部的延邊州最大，位于西部的白城市、松原市最小.2006，2011和2013年延邊州分別為76.43 億 m3/a，75.98 億 m3/a 和 80.66 億 m3/a，白城市分別為 1.73 億 m3/a，2.47 億 m3/a 和 3.31 億 m3/a，松原市分別為 1.23 億 m3/a，2.27 億 m3/a 和 2.23 億 m3/a.

圖4 吉林省各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量分布Fig.4 Water quantity distribution of forest ecosystem conservation in Jilin province

從以上數(shù)據(jù)可以看出，吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能在空間上呈現(xiàn)出東部大于中部和西部的格局.究其原因，主要有以下幾個(gè)方面:

首先，主要是森林資源數(shù)量分布格局的影響.吉林省東部、中部和西部的森林面積所占比例分別為87.86%，6.16%和5.98%，這與吉林省的林業(yè)發(fā)展政策息息相關(guān)，如《中共吉林省委吉林省人民政府關(guān)于加快林業(yè)發(fā)展若干問題的決定》中指出，在東部長白山地區(qū)要繼續(xù)推進(jìn)天然林保護(hù)工程，控制采伐量，使森林得以休養(yǎng)生息.同時(shí)還要著力解決退耕還林實(shí)施過程中出現(xiàn)的矛盾，加大退耕還林面積和質(zhì)量;在西部，要積極推進(jìn)實(shí)施防護(hù)林建設(shè)，提高植被覆蓋率和質(zhì)量，進(jìn)一步改善生態(tài)環(huán)境狀況.

其次，森林資源質(zhì)量的影響.吉林東部為長白山林區(qū)，分布有大面積的天然林，生物多樣性豐富，受人為干擾程度較低，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較強(qiáng);中部主要是松遼平原，由于農(nóng)田長期開墾的原因，天然植被遭到大量破壞，現(xiàn)有的森林大部分以農(nóng)田防護(hù)林的形式存在，且大部分為人工林，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱;西部是科爾沁草原的延伸區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)處于中濕潤森林草原向半干旱草原和沙漠的過渡地帶，森林資源極為稀少，且風(fēng)沙較嚴(yán)重，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱，森林生長較慢、質(zhì)量較差［14］.

最后，氣候因素的影響，其中降雨量最為明顯.有研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能與降雨量呈正相關(guān)［15］，這個(gè)規(guī)律從涵養(yǎng)水源功能核算公式中也可以明顯反映出來.由于各區(qū)域所處地理位置不同，降雨量存在明顯的差異.吉林省降水量自東向西遞減，東部山區(qū)降水量多在800 mm以上，中部地區(qū)降水量在600 mm左右，西部沙丘覆蓋平原區(qū)降水量在400 mm左右［16］，降雨量空間分布的差異直接影響了吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能的空間分布格局.

4 討 論

1)吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能的時(shí)間分布格局明顯.2006，2011和2013年吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量分別為175.06 億 m3/a，185.14 億 m3/a和 197.28 億 m3/a，逐次增長率分別為 5.76%和 6.5 6%.由此可見:隨著時(shí)間的推移，吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能在不斷提高，這與苗正紅［17］和吳健等［7］的研究結(jié)果相同.吉林省是東北三江(松花江、圖們江、鴨綠江)、兩河(東遼河、綏芬河)的發(fā)源地，其森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能在維護(hù)水資源平衡方面起到了非常重要的作用.但是，吉林省人均水資源占有量不高，水資源承載力有限，嚴(yán)重地威脅著吉林省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.吳澤民［18］指出，應(yīng)該從增加水資源貯備和合理利用水資源兩方面出發(fā)，來解決吉林省水資源不足的困境.其中，建設(shè)水利設(shè)施用以攔截徑流來增加水資源貯備的方法，得到了吉林省政府的重視并取得了可喜的成績，但在發(fā)揮森林植被的涵養(yǎng)水源功能方面，也應(yīng)該引起高度關(guān)注.

吉林省2006，2011 和 2013 年水資源總量分別為353.63 億 m3，315.89 億 m3，575.69 億 m3，其中地表水資源總量分別為298.44億m3，262.88億m3，504.89億m3，森林涵養(yǎng)水源量分別相當(dāng)于當(dāng)年水資源總量的49.50%，58.79%和 34.27%，地表水量的 58.66%，70.64%和 39.07%.松花江的正源——第二松花江，發(fā)源于吉林省，其年均徑流量為162億m3/a［19］，2006，2011，2013年吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量相當(dāng)于第二松花江年徑流量的1.08，1.14和1.22倍.由此可見，吉林省近年來所實(shí)施的林業(yè)政策起到了積極作用，使本省森林資源質(zhì)量不斷提升，其森林生態(tài)系統(tǒng)為維護(hù)省內(nèi)甚至整個(gè)東北地區(qū)的用水安全起到了非常重要的作用.

2)吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能的空間分布格局明顯.2006，2011和2013年吉林省各地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量總體呈現(xiàn)自東向西逐漸減小的趨勢，表現(xiàn)為位于吉林省東部的延邊州最大，位于西部的白城市、松原市最小.吉林省各地區(qū)間森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能呈現(xiàn)出自東向西逐漸降低的格局，這與其森林資源分布格局一致，也從郝運(yùn)［20］關(guān)于吉林省、吳健等［7］關(guān)于東北地區(qū)的研究中得到了印證，也支撐了關(guān)于吉林省水資源承載力的研究結(jié)果.有研究［21］表明，吉林省水資源承載力自東向西逐漸降低，更大的水資源承載力使得吉林省東部的大面積天然林得以生存.

吉林省東、西降雨量存在較大的差別，東部山區(qū)降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西部，年均降雨量差在500 mm以上.地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因往往是因?yàn)闀r(shí)間集中、高強(qiáng)度的降雨所導(dǎo)致的，森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源功能可以起到削減洪峰的作用，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性;另一方面，森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能能夠延緩徑流產(chǎn)生的時(shí)間，起到調(diào)節(jié)水資源時(shí)間分配不均勻的作用.對(duì)比森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水量與其降雨量發(fā)現(xiàn)，東部山區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)?%以上的降水截留，大大降低了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能，保障了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全;中、西部地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)也可以將1.5%以上的降水暫時(shí)截留，也就意味著每個(gè)地區(qū)將有至少1.5億t的水量用于干旱期的農(nóng)田灌溉，對(duì)于提高農(nóng)田產(chǎn)量有極大的保障作用.

綜上所述，影響吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能時(shí)空格局的驅(qū)動(dòng)力包括森林資源面積、森林資源質(zhì)量、森林資源結(jié)構(gòu)(起源和林齡)、氣候因素和林業(yè)政策(尤其是林業(yè)生態(tài)工程).本研究結(jié)果能夠?yàn)榧质∩鷳B(tài)建設(shè)和林業(yè)政策的制定提供理論依據(jù)，使森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮更大的涵養(yǎng)水源功能.