北京市淺山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估*

劉 陽 梁淑榆 蔡怡然 鄒天嬌 鄭 曦

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

黨的十九大報(bào)告提出，淺山區(qū)是首都最重要的第一道生態(tài)屏障，森林覆蓋率達(dá)43.5%[1]。推進(jìn)北京市淺山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估研究既能有效識別保護(hù)重要的生態(tài)空間，還可以為城市森林建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，特別是隨著生態(tài)學(xué)、風(fēng)景園林學(xué)、地理學(xué)等研究及實(shí)踐的深入，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)成為熱點(diǎn)問題。

森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指森林生態(tài)系統(tǒng)對于人類社會產(chǎn)生的影響與效用[2]。聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估計(jì)劃 (Millennium Ecosystem Assessment，MA)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定義為人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的效益，并將其分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4大類型[3]。目前國外關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估研究方法大多依據(jù)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，使用地理信息系統(tǒng) (GIS)、InVest模型等評估并繪制森林資源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)圖，評價(jià)涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益，確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)域[4-5]。國內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估研究也已積累了一定的基礎(chǔ)，其中應(yīng)用最為廣泛的是歐陽志云、謝高地優(yōu)化的價(jià)值當(dāng)量系數(shù)?；趩挝幻娣e價(jià)值當(dāng)量因子進(jìn)行評估，對于將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入國民經(jīng)濟(jì)核算體系有重要意義[6]，促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量化研究?？傮w來看，大多數(shù)研究尚不深入，只關(guān)注森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估無法反映其產(chǎn)生的原理，缺乏廣泛適用的評價(jià)方法，因此部分學(xué)者開始引用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量評估方法。物質(zhì)量評價(jià)依托生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)復(fù)雜過程研究，結(jié)合數(shù)學(xué)算法和空間模型分析模擬，能夠客觀反映森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)機(jī)制，相比單純的經(jīng)濟(jì)量化評估具有一定的科學(xué)性與合理性。

本文對北京市淺山區(qū)森林資源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評價(jià)，選取適宜的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)指標(biāo)，綜合運(yùn)用Invest、USLE模型以及GIS空間分析技術(shù)，評價(jià)淺山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性，識別關(guān)鍵保護(hù)修復(fù)區(qū)域 (圖1)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

北京市淺山地區(qū)是指市域內(nèi)高程在100～300 m的淺山丘陵地區(qū)，共涉及海淀、門頭溝、密云等10個(gè)區(qū)，總面積3 915.01 km2(表1，圖2)。淺山區(qū)區(qū)域森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)43.5%(表2，表3)；風(fēng)景名勝與自然保護(hù)區(qū)星羅棋布，具有一定的游憩發(fā)展?jié)摿Γ休d著平原發(fā)展輻射和帶動(dòng)山區(qū)城鎮(zhèn)化的雙重職能。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究需要的數(shù)據(jù)類型主要包括土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)、高程、坡度、道路、森林公園、保護(hù)區(qū)、土壤類型、降水等數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)來源見表4。

圖1 技術(shù)路線

圖2 北京市淺山區(qū)土地利用類型

表1 淺山區(qū)區(qū)域土地利用類型與面積 km2

表2 不同坡度的植被類型與面積km2

表3 不同高程的植被類型與面積 km2

表4 數(shù)據(jù)類型與來源

2 研究內(nèi)容

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)體系

構(gòu)建淺山區(qū)森林資源優(yōu)先保護(hù)區(qū)域遴選可實(shí)施的量化指標(biāo)體系，應(yīng)充分考慮淺山區(qū)的核心生態(tài)社會服務(wù)功能。據(jù)此，本文提取淺山區(qū)森林資源調(diào)節(jié)、支持與文化服務(wù)功能，提出相應(yīng)的評估指標(biāo)，采取AHP層次分析法結(jié)合多位專家意見，確定各類指標(biāo)的權(quán)重比例 (表5)。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價(jià)指標(biāo)體系

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估

2.2.1 調(diào)節(jié)服務(wù)

1)水源涵養(yǎng)。北京市淺山區(qū)分布著密云水庫、懷柔水庫等重要的水源地，提升森林水源涵養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，對于為首都提供長期可靠的穩(wěn)定水源意義重大。考慮地表植被覆蓋類型以及坡度對徑流系數(shù)產(chǎn)生的影響，以植被覆蓋類型為研究單元，計(jì)算研究范圍內(nèi)的雨水滯留量 (不同植被覆蓋類型的林冠截留量[7-8]、森林枯落物持水量[9-10]以及土壤持水量[11]) 和徑流系數(shù)[11]和水源涵養(yǎng)能力空間分布情況 (表6)。分析結(jié)果(表7)表明，淺山區(qū)整體植被水源涵養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較高，最高的區(qū)域面積占植被總覆蓋面積的66%，其中密云區(qū)、平谷區(qū)等植被覆蓋完善，發(fā)揮重要的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能。水源涵養(yǎng)能力較低和最低的面積分別占植被總覆蓋面積的10%和2%，其中石景山區(qū)植被水源涵養(yǎng)能力最低，亟需采取一定生態(tài)以及工程修復(fù)措施進(jìn)行更新、補(bǔ)植，調(diào)整森林結(jié)構(gòu)，控制土壤侵蝕，實(shí)現(xiàn)林區(qū)的高中低植被的綜合發(fā)展。

表6 徑流系數(shù)計(jì)算所需的相關(guān)系數(shù)

表7 各區(qū)不同水源涵養(yǎng)能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2)固碳釋氧。基于土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，采用美國林務(wù)局設(shè)計(jì)開發(fā)的ItreeEco計(jì)算工具進(jìn)行效益量化[12]，得到不同植被類型單位面積固碳釋氧能力的經(jīng)驗(yàn)值 (表8)，以分析評估淺山區(qū)植被淺山區(qū)固碳量/釋氧總和，Aij為j類型植被第i個(gè)斑塊地上部分單位面積固碳量/釋氧量，Si為第i個(gè)斑塊面積)。分析結(jié)果 (表9)表明，整體上固碳釋氧能力表現(xiàn)出由中心城區(qū)向深山區(qū)遞減的規(guī)律，淺山區(qū)固碳釋氧效益顯著，是平原區(qū)最近的固碳釋氧源。固碳釋氧能力最高和較高的區(qū)域面積占植被覆蓋總面積的16%和18%，集中在懷柔區(qū)的百泉山風(fēng)景區(qū)、慕田峪長城風(fēng)景區(qū)、密云水庫周邊及平谷區(qū)的老象峰、四座樓自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域，應(yīng)對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)保育。固碳釋氧能力低和較低的區(qū)域面積占植被覆蓋總面積的29%和22%。門頭溝區(qū)、房山區(qū)部分區(qū)域由于地質(zhì)原因不適宜森林營建，以灌木林地為主要林分，固碳釋氧調(diào)節(jié)功能薄弱。對覆蓋率小、利用價(jià)值和生產(chǎn)率較低的灌木林地，應(yīng)采取人工補(bǔ)植、定向培育等措施，提高灌木林地的利用率和生產(chǎn)力水平。

表8 不同植被類型固碳釋氧量 kg/yr

表9 各區(qū)不同固碳釋氧能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2.2.2 支持服務(wù)

1)土壤保持。森林資源對于維持土壤保持能力、減少土壤侵蝕情況有重要的作用。選取應(yīng)用最為廣泛的USLE(Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型，根據(jù)不同植被覆蓋類型以及土壤類型等因子對北京淺山區(qū)土壤侵蝕狀況進(jìn)行評價(jià)[13]。分析結(jié)果 (表10)表明，研究區(qū)域的土壤涵養(yǎng)適宜性呈現(xiàn)基本隨海拔與坡度增加而提高，靠近市區(qū)過渡的地帶土壤涵養(yǎng)適宜性基本都較低。土壤保持能力最高的區(qū)域面積占總植被覆蓋面積的4.45%。土壤保持能力最低的區(qū)域面積占總植被覆蓋面積的8.66%，對＞25°的0.016 km2坡耕地盡快逐步退耕還林。房山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響最為嚴(yán)重，需在保護(hù)現(xiàn)有天然林地的基礎(chǔ)上對低效林進(jìn)行提質(zhì)改造，豐富群落層次，灌木林地要調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，未成林地加強(qiáng)保育措施。

表10 各區(qū)不同水土保持能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2)生物多樣性保護(hù)。北京淺山區(qū)森林是北京重要的種質(zhì)資源庫。基于現(xiàn)狀覆蓋數(shù)據(jù)與淺山地區(qū)實(shí)際狀況，首先，定義生境威脅源并采取主成分分析法確定權(quán)重 (表11)；其次，參考以往學(xué)者對區(qū)域尺度生境質(zhì)量的評估研究[14]，確定不同土地覆蓋類型對不同威脅源的相對敏感程度 (表12)；最后，運(yùn)用InVEST模型中的Biodiversity模型評價(jià)棲息地質(zhì)量。

表11 威脅源的影響范圍及其權(quán)重

表12 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度

分析結(jié)果 (表13)表明，生境質(zhì)量最好的區(qū)域面積達(dá)1 133.69 km2，占淺山區(qū)植被覆蓋總面積的38%，其中密云區(qū)的西部、昌平區(qū)、懷柔區(qū)森林覆蓋率較高，生境質(zhì)量整體較高。生境質(zhì)量較低和最低的區(qū)域面積分別占淺山區(qū)植被覆蓋總面積的14%和5%，其中房山區(qū)、昌平區(qū)、懷柔山區(qū)—平原交界處、密云區(qū)北部的生境質(zhì)量明顯較差，表明過渡地帶目前受到極強(qiáng)的人為干擾威脅，在未來不加以保護(hù)的情況下，生境質(zhì)量可能持續(xù)下降。應(yīng)選擇較大面積連續(xù)的有林地和灌木林地進(jìn)行植被優(yōu)化提升，增加林分組成，提高森林覆蓋率，形成復(fù)合型生境群落。

表13 不同生物多樣性保護(hù)能力水平的植被覆蓋面積與比例

2.2.3 文化服務(wù)

淺山地區(qū)豐富的森林資源以及文物古跡提供了重要的文化服務(wù)功能，游憩娛樂機(jī)會與區(qū)域道路可達(dá)性以及森林景觀資源的分布密切相關(guān)。采取核密度分析方法計(jì)算道路可達(dá)性，同時(shí)將各類森林景觀資源 (森林公園、風(fēng)景名勝區(qū))作為像源中心進(jìn)行歐式距離計(jì)算，服務(wù)適宜范圍取值為5 km[15]。

分析結(jié)果表明，昌平區(qū)、海淀區(qū)、密云區(qū)森林景觀資源豐富，游憩機(jī)會較大。懷柔區(qū)、房山區(qū)雖然森林景觀資源較好，但道路可達(dá)性較低，提供游憩機(jī)會略顯不足。

2.2.4 綜合評估

通過加權(quán)疊加分析淺山區(qū)區(qū)域森林資源調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)以及文化服務(wù)能力，對淺山區(qū)森林資源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分為5個(gè)等級。分析結(jié)果 (表14)表明，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出東北部較高，西南部較低，隨海拔高度升高而增加的整體趨勢。綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力最高的區(qū)域面積832.79 km2，占總植被覆蓋面積28%，其中，懷柔區(qū)、密云區(qū)西北部、海淀區(qū)小西山整體森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)良好，應(yīng)該以嚴(yán)格保護(hù)為前提，增加森林面積、提高森林質(zhì)量以促進(jìn)生態(tài)效益發(fā)揮，為建設(shè)首都第一道生態(tài)屏障奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)注重森林風(fēng)貌建設(shè)，結(jié)合立地條件、規(guī)劃要求和風(fēng)貌定位，補(bǔ)植彩葉林。綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力最低的區(qū)域面積398.08 km2，占總植被覆蓋面積的13%。其中門頭溝區(qū)以及房山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較差，部分原因是由于西南部地質(zhì)地貌不適宜森林營建，但該區(qū)域歷史文化豐富，依托 “一脈十山三石洞、四庫六河多溝道”的特色山水體系，以巖溶地質(zhì)地貌為亮點(diǎn)，打造兩片一線的景觀風(fēng)貌區(qū)。以礦山植被生態(tài)修復(fù)為基底，以景區(qū)植物觀光休閑為亮點(diǎn)增植山桃花、山杏等春花灌木 (圖3)。

表14 不同綜合服務(wù)能力水平的植被覆蓋面積與比例

圖3 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性等級

3 結(jié)語

本文采取物質(zhì)量評估方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的價(jià)值量核算，利用INVEST、USLEM多種計(jì)算模型，強(qiáng)調(diào)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的科學(xué)性與合理性，并且實(shí)現(xiàn)了不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間可視化，對于森林資源的保護(hù)、可持續(xù)開發(fā)利用以及規(guī)劃建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。本研究也具有一定的局限性，如土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)依據(jù)解譯和資料查詢，精確度有待進(jìn)一步考核；森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣，目前評價(jià)體系尚不完善，缺少森林供給服務(wù)類型評價(jià)；研究區(qū)域是一個(gè)較為封閉靜態(tài)的系統(tǒng)，沒有考慮市區(qū)以及深山區(qū)整體性，這將是以后關(guān)注的重點(diǎn)。