基于森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)的云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

鄧永紅，肖 豐

(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,云南 昆明 650051)

森林生態(tài)系統(tǒng)是指在一定地域內(nèi)生存的森林生物群落與環(huán)境相互作用的、有能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞功能的統(tǒng)一體]。森林生態(tài)系統(tǒng)是生物圈生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、類(lèi)型最豐富的陸地生態(tài)系統(tǒng)。森林以其繁茂的林冠層，林下的灌草植物形成的灌、草層，林地上的枯枝落葉層和疏松而深厚的土壤層，建造了完美的截持和蓄儲(chǔ)大氣降水的良好環(huán)境，從而對(duì)大氣降水進(jìn)行重新分配和有效調(diào)節(jié)，發(fā)揮著森林生態(tài)系統(tǒng)特有的水源涵養(yǎng)功能。森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能計(jì)量方法[2]主要有：土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法、林冠截留剩余量法、水量平衡法、降水量貯存法、多因子回歸法等 8 種，本文利用綜合蓄水能力法對(duì)云南省2007年和2017年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，為云南省生態(tài)文明建設(shè)、林業(yè)可持續(xù)發(fā)展及開(kāi)展生態(tài)效益補(bǔ)償提供參考。

1 研究區(qū)概況

云南省地處中國(guó)西南邊陲，地理坐標(biāo)為東經(jīng)97°31′～106°11′，北緯21°08′～29°15′。全省東西最大橫距885 km，南北最大縱距910 km，總面積 38.264 4萬(wàn) km2。其中，山地面積占總面積的84.0%，高原面積占9.9%，盆地面積占6.1%。全省地勢(shì)呈北高南低，由北向南傾斜，西北最高，東南最低，呈明顯的階梯狀下降，最高海拔 6 740 m，最低海拔76.4 m，相對(duì)高差達(dá) 6 664 m。云南省氣候類(lèi)型多樣，區(qū)域差異和垂直變化明顯，年溫差小，日溫差大，降雨充沛，干濕分明，分布不均，最熱月均溫19～22℃，最冷月均溫6～8℃，年均降雨量 1 010 mm，85%的雨量集中在5—10月的雨季。

云南省是中國(guó)植物種類(lèi)最多的省份，由于氣候和地貌的多樣性，形成了豐富的森林植物區(qū)系，組成了復(fù)雜多樣的森林類(lèi)型。云南的植被水平分布：熱帶雨林、季雨林地帶；亞熱帶南部季風(fēng)常綠闊葉林地帶；亞熱帶北部半濕潤(rùn)常綠闊葉林帶。云南的植被垂直分布：亞熱帶山地植被垂直帶(海拔由低到高分布著半濕潤(rùn)常綠闊葉林—濕性常綠闊葉林—云南鐵杉林及常綠針闊葉混交林—云、冷杉林—高山灌叢和高山草甸)、熱帶山地植被垂直帶(海拔由低到高，熱帶濕潤(rùn)雨林—熱帶季節(jié)雨林—山地雨林—山地季風(fēng)常綠闊葉林—苔蘚常綠闊葉林—山頂苔蘚矮林)。

云南省水資源豐富，總量位居全國(guó)第三，僅次于西藏和四川。據(jù)2017年云南省水資源公報(bào)顯示，2017年云南省年均降水量達(dá) 1 351.5 mm，地表水資源量達(dá) 2 203 億 m3，地下水資源量達(dá)762.0億 m3，水資源總量 2 203 億 m3。由于云南省水資源在空間和時(shí)間上分布不均，降雨主要集中在5—10月，旱季水量嚴(yán)重短缺。水資源集中分布在西部和北部地區(qū)，東部和南部次之，中部最少。這給全省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會(huì)帶來(lái)了嚴(yán)重影響。通過(guò)對(duì)云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，提升人民群眾對(duì)森林生態(tài)效益的認(rèn)識(shí)，加大對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)力度，充分發(fā)揮森林在涵養(yǎng)水源方面的作用，提高和改善全省水資源狀況。

2 研究方法

利用綜合蓄水能力法[2]，估算和分析研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降雨的林冠層截留量(C)、枯枝落葉層持水量(L)和土壤層蓄水量(S)，評(píng)價(jià)研究區(qū)不同類(lèi)型森林的水源涵養(yǎng)效益。

1)森林生態(tài)系統(tǒng)的總水源涵養(yǎng)量(WR)為：

WR=C+L+S

(1)

式中：C為林冠層截留量(m3)，L為枯枝落葉層持水量(m3)，S為土壤層蓄水量(m3)。

2)林冠層截留降水量(C)為：

C=∑Ai×R×Di

(2)

式中：Ai為第i類(lèi)森林林冠截留率(%)，R為單次最大降雨量(m)，Di為第i類(lèi)森林面積(hm2)。

3)枯枝落葉層持水量(L)為：

L=∑Bi×Di

(3)

式中：Bi為第i類(lèi)森林枯枝落葉層最大持水量(m3/hm2)。

4)土壤層蓄水量(S)為：

S=∑Ki×H×Di

(4)

式中：Ki為第i類(lèi)森林土壤非毛管孔隙度(%)，H為土層厚度(m)。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

3.1 數(shù)據(jù)收集與處理

收集2007年和2017年2期森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)。

2007年全省林地面積 2 476.11 萬(wàn) hm2，森林總面積 1 817.73 萬(wàn) hm2，森林覆蓋率47.50%。其中，針葉林面積584.94萬(wàn)hm2，闊葉林面積742.37萬(wàn) hm2，針闊混交林面積145.39萬(wàn) hm2，經(jīng)濟(jì)林面積108.93萬(wàn) hm2，竹林面積9.12萬(wàn) hm2，特殊灌木林面積226.98萬(wàn) hm2。在針葉林中，面積占優(yōu)勢(shì)的主要是云南松林，占針葉林面積的49.96%，其次為思茅松林和冷杉林，分別占10.09%和5.82%；在闊葉林中，面積占優(yōu)勢(shì)的主要是闊葉混交林，占闊葉林面積的15.14%，其次為櫟類(lèi)林和其它軟闊類(lèi)，分別占14.04%和8.65%。

2017年全省林地面積 2 599.44 萬(wàn) hm2，森林總面積 2 106.16 萬(wàn) hm2，森林覆蓋率55.04%。其中，針葉林面積583.49萬(wàn) hm2，闊葉林面積918.49萬(wàn) hm2，針闊混交林面積194.37萬(wàn) hm2，經(jīng)濟(jì)林面積166.52萬(wàn) hm2，竹林面積11.52萬(wàn) hm2，特殊灌木林面積231.77萬(wàn) hm2。在針葉林中，面積占優(yōu)勢(shì)的主要是云南松林，占針葉林面積的48.52%，其次為針葉混交林、杉木林、思茅松林和冷杉林，分別占10.89%、9.95%、9.62%和6.25%；在闊葉林中，面積占優(yōu)勢(shì)的主要是闊葉混交林，占闊葉林面積的55.59%，其次為櫟類(lèi)林，占17.65%(表1，圖1)。

表1 各類(lèi)森林面積統(tǒng)計(jì)

圖1 各類(lèi)森林面積對(duì)比

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于森林植被類(lèi)型不同，其林冠對(duì)降水的截留率也不同。根據(jù)收集的文獻(xiàn)資料分析，估算出不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留率、枯枝落葉層最大持水量、土壤層非毛管孔隙度。根據(jù)多年氣象資料，平均降雨量為 1 131.6 mm(表2)。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留量

按公式(2)可以計(jì)算出，2007年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留總量為580.7×107m3，其中針葉林林冠層截留量為184.0×107m3，占林冠層截留總量的31.7%；闊葉林為262.1×107m3，占45.1%；針闊混交林為35.9×107m3，占6.2%；經(jīng)濟(jì)林為32.2×107m3，占5.5%；竹林為2.3×107m3，占0.4%；特殊灌木林為64.2×107m3，占11.1%(表3)。

2017年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留量為673.5×107m3，其中針葉林林冠截留量為183.6×107m3，占林冠層截留總量的27.3%；闊葉林為324.3 ×107m3，占48.2%；針闊混交林為47.9×107m3，占7.1%；經(jīng)濟(jì)林為49.2×107m3，占7.3%；竹林為2.9×107m3，占0.4%；特殊灌木林為65.6×107m3，占9.7%(表4)。

表2 不同森林類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留率、枯枝落葉層最大持水量、土壤層非毛管孔隙度估算

按單位面積統(tǒng)計(jì)，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留量為319.4 m3/hm2，其中針葉林林冠截留量為314.6 m3/hm2；闊葉林為353.1m3/hm2；針闊混交林為246.7 m3/hm2；經(jīng)濟(jì)林為295.3m3/hm2；竹林為249.0 m3/hm2；特殊灌木林為282.9了m3/hm2。

2017年與2007年相比，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層截留量增加92.8×107m3，其中針葉林減少0.4×107m3；闊葉林增加62.2×107m3；針闊混交林增加12.0×107m3；經(jīng)濟(jì)林增加17.0×107m3；竹林增加0.6×107m3；特殊灌木林增加1.4×107m3。增加量排序?yàn)椋洪熑~林>經(jīng)濟(jì)林>針闊混交林>特殊灌木林>竹林。

4.2 不同森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層截留量

按公式(3)可以計(jì)算出，2007年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層截留量為61.7×107t/hm2，其中針葉林枯枝落葉層截留量20.1×107t/hm2，占枯枝落葉層截留總量的32.6%；闊葉林為24.1×107t/hm2，占39.1%；針闊混交林為6.8×107t/hm2，占11.0%；經(jīng)濟(jì)林為2.6×107t/hm2，占4.2%；竹林為0.2×107t/hm2，占0.3%；特殊灌木林為7.9×107t/hm2，占12.8%(表3)。

2017年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層截留量為71.5×107t/hm2，其中針葉林枯枝落葉層截留量為20.1×107t/hm2，占枯枝落葉層截留總量的28.1%；闊葉林為29.8×107t/hm2，占41.7%；針闊混交林為9.2×107t/hm2，占12.9%；經(jīng)濟(jì)林為4.0×107t/hm2，占5.6%；竹林為0.3×107t/hm2，占0.4%；特殊灌木林為8.1×107t/hm2，占11.3%(表4)。

按單位面積統(tǒng)計(jì)，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層截留量為34.0 t/hm2，其中針葉林枯枝落葉層截留量為34.4 t/hm2；闊葉林為32.4 t/hm2；針闊混交林為47.1 t/hm2；經(jīng)濟(jì)林為23.8 t/hm2；竹林為26.0 t/hm2；特殊灌木林為34.9 t/hm2。

2017年與2007年相比，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層截留量增加9.8×107t/hm2，其中闊葉林增加5.7×107t/hm2；針闊混交林增加2.4×107t/hm2；經(jīng)濟(jì)林增加1.4×107t/hm2；竹林增加0.1×107t/hm2；特殊灌木林增加0.2×107t/hm2。增加量排序?yàn)殚熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>特殊灌木林>竹林。

4.3 不同森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層蓄水量

按公式(4)可以計(jì)算出，2007年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層蓄水量為 2 905.8×107m3，其中針葉林土壤層蓄水量為772.1×107m3，占土壤層總蓄水量的26.5%；闊葉林為 1 455.0×107m3，占50.0%；針闊混交林為283.5×107m3，占9.8%；經(jīng)濟(jì)林為162.3×107m3，占5.6%；竹林為10.5×107m3，占0.4%；特殊灌木林為222.4×107m3，占7.7%(表3)。

2017年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層蓄水量為 3 437.8×107m3，其中針葉林土壤層蓄水量為770.2×107m3，占土壤層總蓄水量的22.4%；闊葉林為 1 800.2×106m3，占52.4%；針闊混交林為379.0×107m3，占11.0%；經(jīng)濟(jì)林為248.1×107m3，占7.2%；竹林為13.2×107m3，占0.4%；特殊灌木林為227.1×107m3，占6.6%(表4)。

按單位面積統(tǒng)計(jì)，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層蓄水量為 1 598.6 m3/hm2，其中，針葉林土壤層蓄水量為 1 320.0 m3/hm2；闊葉林為 1 960.0 m3/hm2；針闊混交林為 1 950.0 m3/hm2；經(jīng)濟(jì)林為 1 490.0 m3/hm2；竹林為 1 150.0 m3/hm2；特殊灌木林為980.0m3/hm2。

2017年與2007年相比，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層蓄水量增加53.3×107m3，其中針葉林減少1.9×107m3；闊葉林增加345.2×107m3；針闊混交林增加95.5×107m3；經(jīng)濟(jì)林增加85.8×107m3；竹林增加2.7×107m3；特殊灌木林增加4.7×107m3。增加量排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>特殊灌木林>竹林。

4.4 不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力

按公式(1)估算，2007年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源能力為 3 548.2×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 952.0 t/hm2。其中針葉林涵養(yǎng)水源能力為976.2×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 668.9 t/hm2；闊葉林涵養(yǎng)水源能力為 1 741.2×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力 2 345.5 t/hm2；針闊混交林涵養(yǎng)水源能力為326.2×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為2 243.6 t/hm2；經(jīng)濟(jì)林涵養(yǎng)水源能力為197.1×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 809.4 t/hm2；竹林涵養(yǎng)水源能力為13.0×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 425.4 t/hm2；特殊灌木林涵養(yǎng)水源能力為294.5×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 297.5 t/hm2?？偤B(yǎng)水源能力排序?yàn)椋和寥缹有钏?占 81.9%)> 林冠層截留(占 16.4%)> 枯枝落葉層持水(1.7%)，土壤層是森林涵養(yǎng)水源的主體；闊葉林(占 49.4%)>針葉林(占 27.5%)>針闊混交林(占 9.2%)>特殊灌木林(占 8.3%)>經(jīng)濟(jì)林(占 5.6%)>竹林(占 0.4%)，闊葉林是森林涵養(yǎng)水源的主體。按單位面積涵養(yǎng)水源能力排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>針葉林>竹林>特殊灌木林。

按公式(1)估算，2017年云南省森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源能力為 4 182.8×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 986.0 t/hm2。其中針葉林涵養(yǎng)水源能力為973.9×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 669.1 t/hm2；闊葉林涵養(yǎng)水源能力為 2 154.3×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 2 345.5 t/hm2；針闊混交林涵養(yǎng)水源能力為436.1×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 2 243.7 t/hm2；經(jīng)濟(jì)林涵養(yǎng)水源能力為301.3×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 809.4 t/hm2；竹林涵養(yǎng)水源能力為16.4×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 423.6 t/hm2；特殊灌木林涵養(yǎng)水源能力為300.8×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 297.8 t/hm2?？偤B(yǎng)水源能力排序?yàn)椋和寥缹有钏?占 82.2%)> 林冠層截留(占 16.1%)> 枯枝落葉層持水(1.7%)，土壤層是森林涵養(yǎng)水源的主體；闊葉林(占 51.5%)>針葉林(占 23.3%)>針闊混交林(占 10.4%)>特殊灌木林(占 8.3%)>經(jīng)濟(jì)林(占 5.6%)>竹林(占 0.4%)，闊葉林是森林涵養(yǎng)水源的主體。按單位面積涵養(yǎng)水源能力排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>針葉林>竹林>特殊灌木林。

2017年與2007年相比，云南省森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源增加量為634.6×107m3，其中針葉林減少2.3×107m3；闊葉林增加413.1×107m3；針闊混交林增加109.9×107m3；經(jīng)濟(jì)林增加104.2×107m3；竹林增加3.4×107m3；特殊灌木林增加6.3×107m3。增加量排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>特殊灌木林>竹林。

云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力估算結(jié)果詳見(jiàn)圖2，表3，表4，表5。

5 結(jié)論與討論

1)云南省2007年森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源能力為 3 548.2×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 952.0 t/hm2，經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)2.84×1011元；2017年森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源能力為 4 182.8×107m3，單位面積水源涵養(yǎng)能力為 1 986.0 t/hm2，經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)3.35×1011元。2017年與2007年相比，總涵養(yǎng)水源增加量達(dá)634.6×107m3，平均每年增加63.5×107m3；經(jīng)濟(jì)價(jià)值增加5.1×1010元，平均每年增加5.0×109元，效益非常顯著。

圖2 2007年與2017年森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水量對(duì)比

表3 2007云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力估算

表4 2017云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力估算

表5 2007年與2017云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力對(duì)比

2)不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)總涵養(yǎng)水源能力排序?yàn)椋和寥缹有钏?> 林冠層截留 > 枯枝落葉層持水，土壤層是森林涵養(yǎng)水源的主體，通過(guò)保護(hù)森林土壤，可有效提升森林涵養(yǎng)水源能力。

3)不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積涵養(yǎng)水源能力排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>經(jīng)濟(jì)林>針葉林>竹林>特殊灌木林，通過(guò)保護(hù)好現(xiàn)有的闊葉林，在營(yíng)造林和森林撫育時(shí)盡量營(yíng)造闊葉林和針闊混交林，可不斷提高區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力。

4)通過(guò)收集已發(fā)表的文獻(xiàn)，采用綜合蓄水能力法估算云南省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力，對(duì)比2007年與2017年總涵養(yǎng)水量的變化，目的是為說(shuō)明森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源方面的重要作用，旨在提高全民森林保護(hù)意識(shí)，合理經(jīng)營(yíng)和利用森林資源，以充分發(fā)揮其生態(tài)效益。由于森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能涉及植被、氣候、地質(zhì)地貌、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)因素，所得結(jié)論僅反映理論上云南省森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力，估算評(píng)價(jià)結(jié)果并不代表實(shí)際狀態(tài)下的森林蓄水量。但隨著研究的不斷深入，采取的手段和方法更加合理，將能夠更加接近于現(xiàn)實(shí)森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源能力。