清原縣森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及影響因素分析

陳光華，金 磊，戰(zhàn)金偉，陳若楠，孫麗娟，任玉東，楊屹衡

(1.國(guó)有清原滿族自治縣大孤家林場(chǎng)，遼寧 撫順 113300；2.大連市氣象局，遼寧 大連 116001；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866；4.國(guó)有清原滿族自治縣城郊林場(chǎng)，遼寧 撫順 113300)

生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和發(fā)展的前提和基礎(chǔ)，不僅為人類生存提供必要的物質(zhì)和空間，還將人類與自然緊密的聯(lián)系[1]。隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展和人口的急劇增加，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[2]，使得自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大阻礙。為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估已成為目前學(xué)科研究的前沿與熱點(diǎn)[3-4]。在2005年MA(The Millennium Ecosystem Assessment)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與結(jié)構(gòu)，將生態(tài)系統(tǒng)分為文化、支持、供給、調(diào)節(jié)四大類，對(duì)人與環(huán)境之間關(guān)系進(jìn)行重點(diǎn)考慮，現(xiàn)已成為目前最具有影響力的分類體系[5]。

隨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的不斷深入，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)注度和需求不斷增加，開(kāi)發(fā)出一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型[6-7]。其中2007年由世界自然基金(WWF)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)、美國(guó)斯坦福大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Service sand Tradeoffs Tool)模型，因其在開(kāi)源性、空間分析以及評(píng)估精度等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[8-9]，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于土地利用規(guī)劃、環(huán)境評(píng)估、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域，并取得較好的應(yīng)用效果[10-12]。

有研究表明，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間也存在一定的權(quán)衡。如寶興縣林業(yè)生態(tài)工程的實(shí)施使碳儲(chǔ)量增加了，產(chǎn)水量減少；黃土高原的退耕還林改善區(qū)域水土流失的同時(shí)，也降低了產(chǎn)水量[13]；生態(tài)修復(fù)工程使得門(mén)頭溝區(qū)碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量增加，氮磷輸出量和土壤侵蝕量減少[14]。因此針對(duì)不同研究區(qū)，需制定有針對(duì)性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法。

遼東山區(qū)以次生林和人工林為主，該區(qū)域在涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候和維持生態(tài)平衡等方面起著重要作用。為定量評(píng)價(jià)和客觀認(rèn)識(shí)遼東山區(qū)森林各生態(tài)服務(wù)分布及其特征，本文以遼東山區(qū)典型區(qū)清原縣為研究區(qū)，應(yīng)用InVEST 模型，綜合考慮氣候、地形、土壤、植被和土地利用等因素，對(duì)清原林區(qū)產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)量3項(xiàng)服務(wù)功能進(jìn)行估算，并對(duì)林區(qū)生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)估，為該區(qū)域生態(tài)研究提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省撫順市清原滿族自治縣，位于長(zhǎng)白山山脈西南邊緣地帶，地勢(shì)由東南向西北不斷降低，地理坐標(biāo)為124°20′06″～125°28′58″E，41°47′52″～42°28′25″N，總面積約3 932.96 km2。全區(qū)海拔高度98～1 100 m，以1 000 m以下的低山和500 m左右的丘陵為主。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，四季分明，年均氣溫約5.3 ℃，年均降水量700～800 mm，年無(wú)霜期為130 d。全區(qū)境內(nèi)林業(yè)、礦業(yè)及水資源十分豐富，植被以長(zhǎng)白植物區(qū)系為主，是遼寧省重要的商品林基地，也是渾河、柴河、清河、柳河四大水系的發(fā)源地。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究土地利用數(shù)據(jù)以原清原縣林業(yè)局調(diào)查小班圖為基礎(chǔ)，結(jié)合Landsat影像數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)林地類型進(jìn)行分類，并通過(guò)野外調(diào)查對(duì)林班圖進(jìn)行精度檢驗(yàn)，總體精度大于90%。本研究數(shù)字高程模型(DEM)下載自地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m(http://www.gscloud.cn/)。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自世界土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集，由寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供(http://www.crensed.ac.cn/portal/)。本研究采用遼寧和吉林共56個(gè)氣象站2014-2016年日氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.cma.cn/)。由于氣象站數(shù)量一定的條件下，空間插值方法對(duì)插值精度會(huì)有影響[15]，本文對(duì)多種插值方法進(jìn)行比較后采用ANUSPLINE的薄盤(pán)光滑樣條插值法對(duì)研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。

2.2 地面調(diào)查

為了獲得碳儲(chǔ)量，我們進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，并針對(duì)研究相關(guān)的土地利用類型對(duì)244個(gè)樣地進(jìn)行了土壤和枯落物采樣。在研究區(qū)域的每個(gè)位置，分別從3個(gè)土壤深度范圍(0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm)中取了3個(gè)土壤芯，對(duì)樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，然后測(cè)量并計(jì)算土壤有機(jī)碳密度。此外，在每個(gè)樣地中收集了枯落物，并在85 ℃下烘干以測(cè)量并計(jì)算其碳密度。

2.3 生態(tài)服務(wù)研究方法

2.3.1 產(chǎn)水量

InVEST模型的產(chǎn)水模塊采用水量平衡的估算方法，基于簡(jiǎn)化的水文循環(huán)模型對(duì)地表產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)算。其忽略了地下水的影響，由降雨量、植被可利用含水量、蒸散量等眾多參數(shù)綜合計(jì)算，以估算區(qū)域水資源供給水平，從而衡量區(qū)域水資源供給服務(wù)[16]。計(jì)算公式：

Yx=(1-AETxj/Px)Px

(1)

式中：Yx為柵格x的年均產(chǎn)水量；AETxj為第j類土地覆被型柵格x的年均實(shí)際蒸發(fā)量；Px為柵格x的年均降雨量。

2.3.2 土壤保持

InVEST模型的土壤保持模塊采用USLE方程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)潛在土壤侵蝕以及實(shí)際土壤侵蝕進(jìn)行量化，從而得到研究區(qū)土壤保持能力。計(jì)算公式：

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

SD=RKLSx-USLEx

(4)

式中：RKLSx為柵格x的潛在土壤侵蝕量；Rx為柵格x的降雨侵蝕力因子；Kx為柵格x的土壤可蝕性因子；LSx為柵格x的地形因子；USLEx為柵格x的實(shí)際土壤侵蝕量；Cx為柵格x的植被覆蓋因子；Px為柵格x的土壤保持措施因子；SD為柵格x的潛在土壤保持量。

2.3.3 碳儲(chǔ)量

InVEST模型以土地利用覆被類型為單位，通過(guò)對(duì)不同林地類型碳密度的獲取，最終獲得了不同林地類型的碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式：

C_total=C_above+C_below+C_soil+C_dead

(5)

式中：C_total為總碳儲(chǔ)量；C_above為地上碳儲(chǔ)量；C_below為地下碳儲(chǔ)量；C_soil為土壤碳碳儲(chǔ)量；C_dead為枯落物碳儲(chǔ)量。

2.4 生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)估

在生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估過(guò)程中，需合理對(duì)各生態(tài)服務(wù)功能分區(qū)。本文以產(chǎn)水量、土壤保持量和碳儲(chǔ)量作為指標(biāo)，進(jìn)行分級(jí)并綜合評(píng)價(jià)，具體見(jiàn)表1。將各服務(wù)功能進(jìn)行疊加分析，即可得到清原縣森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合分區(qū)圖。

表1 生態(tài)服務(wù)功能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合值計(jì)算公式：

式中：A為生態(tài)服務(wù)功能綜合值；mi為第i項(xiàng)權(quán)重(本文采用專家打分法對(duì)各服務(wù)功能權(quán)重進(jìn)行賦值)；Ai為第i類生態(tài)服務(wù)功能值。由于各服務(wù)功能單位不同，故需各項(xiàng)指標(biāo)歸一化。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果與重要性分區(qū)

根據(jù)InVEST模型對(duì)研究區(qū)林地各生態(tài)服務(wù)功能空間分布進(jìn)行模擬，得出2015年清原林區(qū)各生態(tài)服務(wù)功能空間分布情況(圖1)。

圖1 研究區(qū)林地生態(tài)服務(wù)功能空間分布

通過(guò)分析可知，清原林區(qū)年均總產(chǎn)水量8.56×108m3，平均產(chǎn)水量為267.28 mm，最高產(chǎn)水量為554.88 mm；林區(qū)總碳儲(chǔ)量為6.417×107t，平均碳密度為198.74 t·hm-2，最大碳密度為268.42 t·hm-2；林區(qū)總土壤保持量為4.31×108t，平均土壤保持量1 332.23 t·hm-2?？臻g上，清原縣林區(qū)產(chǎn)水量大致呈現(xiàn)西南高東低的分布，其中高值區(qū)主要集中在研究區(qū)南部，低值區(qū)主要分布在研究區(qū)東部；土壤保持以研究區(qū)東北部相對(duì)較低；碳密度以南山城鎮(zhèn)東南部和大蘇河鄉(xiāng)南部相對(duì)較高。造成這一差異的原因主要與下墊面林地類型、覆蓋度和地勢(shì)等因素有關(guān)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響因素

3.2.1 不同林型生態(tài)服務(wù)功能變化特征

從圖2可知，不同林地生態(tài)服務(wù)強(qiáng)度差異較大?？傮w來(lái)說(shuō)，其它闊葉林(雜木林)損耗水分相對(duì)較低，產(chǎn)水量較高，針葉林損耗水分相對(duì)較高，產(chǎn)水量較少，各森林類型平均產(chǎn)水量差異不大，主要集中在250～320 mm。蒙古櫟林和落葉松林總產(chǎn)水量較多，二者共占全區(qū)林地總產(chǎn)水量的68.4%；蒙古櫟和落葉松土壤保持總量最高，二者約占土壤保持總量的72.6%以上，單位面積土壤保持，水曲柳和蒙古櫟土壤保持能力較高，針葉林土壤保持能力較低，灌木林土壤保持能力最弱；林地的平均碳密度為核桃楸和水曲柳較高，灌木林最低，即闊葉林的碳密度多大于針葉林碳密度，次生天然林碳密度大于人工林碳密度。全區(qū)林地碳儲(chǔ)量以蒙古櫟碳儲(chǔ)量最高，約為2.676×107t,占全區(qū)林地碳儲(chǔ)量的41.7%，其次為落葉松約2.00×107t，約占全區(qū)林地碳儲(chǔ)量的31.3%。

圖2 各林地生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度

3.2.2 生態(tài)服務(wù)功能隨覆蓋度的變化特征

通過(guò)對(duì)不同覆蓋度下生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行分析可知，各生態(tài)服務(wù)功能受覆蓋度影響較大，且變化較為明顯。隨著覆蓋度的增加，林地產(chǎn)水量與土壤保持量和碳密度總體呈相反趨勢(shì)(圖3)。

圖3 不同覆蓋度條件下生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度

研究區(qū)林地產(chǎn)水量隨覆蓋度增加不斷減少，當(dāng)覆蓋度高于0.8時(shí)，產(chǎn)水量急劇減小。影響產(chǎn)水量主要因素為區(qū)域降水量和植被損耗，由于本研究區(qū)較小，故植被損耗成為限制本區(qū)域產(chǎn)水量的主要因子；林地土壤保持量隨植被覆蓋度的增加呈持續(xù)增加狀態(tài)，當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到最大時(shí)，土壤保持量達(dá)到最大值2 187.9 t·hm-2，說(shuō)明植被覆蓋度的增加對(duì)土壤固定有直接影響。林地碳密度隨覆蓋度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，即在覆蓋度小于0.8時(shí)，碳密度隨覆蓋度的增加而增大，當(dāng)覆蓋度超過(guò)0.8后，碳密度隨覆蓋度的增加略有減少,這是與覆蓋度的變化只能反映地上生物碳的變化規(guī)律有關(guān)。

3.2.3 生態(tài)服務(wù)功能隨坡度的變化特征

根據(jù)水土保持綜合治理規(guī)劃通則，將清原縣全區(qū)坡度劃分為6個(gè)等級(jí)(表2)，比較不同坡度等級(jí)下生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度。

表2 坡度等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

從圖4可知，各生態(tài)服務(wù)功能受坡度的影響較明顯。當(dāng)坡度在較陡坡以下時(shí)隨坡度增加產(chǎn)水量迅速減小，當(dāng)坡度在陡坡以上時(shí)產(chǎn)水量急劇增加。土壤保持量和碳密度變化規(guī)律較為一致，隨著坡度的增加，二者呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。這可能與下墊面林地覆蓋類型和徑流改變有關(guān)。而在坡度較平緩區(qū)因人類活動(dòng)較為頻繁且植被較少，對(duì)水分的消耗較少，故產(chǎn)水量較大，土壤保持能力較弱，碳密度較低；隨著坡度的增加會(huì)導(dǎo)致徑流速率增加，風(fēng)、水侵蝕現(xiàn)象頻繁發(fā)生，但該區(qū)域受人類活動(dòng)干擾的程度較低，更有利于植被生長(zhǎng)，綜合導(dǎo)致陡坡區(qū)產(chǎn)水量、土壤保持量和碳密度的增加。

圖4 不同坡度等級(jí)下生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度

3.2.4 生態(tài)服務(wù)功能隨海拔高度的變化特征

從圖5可知，隨著海拔高度的增加產(chǎn)水量呈現(xiàn)先減小后增加，土壤保持量和碳密度呈先增加后減小的趨勢(shì)，在海拔高度900～1 000 m時(shí)各生態(tài)服務(wù)功能存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這可能與隨著海拔的升高，人為干擾不斷減少，更有利于林木生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)水量不斷降低，土壤保持和碳密度不斷增加；當(dāng)海拔高度超過(guò)900 m左右時(shí)，該區(qū)多為山脊，土層較薄，植被相對(duì)于低海拔區(qū)稀疏，保水能力減弱，促使該區(qū)域產(chǎn)水量升高，土壤保持量和碳密度降低。

圖5 不同海拔高度生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度

3.3 生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)估

以產(chǎn)水量、土壤保持量和碳儲(chǔ)量作為指標(biāo)，對(duì)清原縣林地綜合生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)弱進(jìn)行劃分(圖6)。全區(qū)一般重要區(qū)和較重要區(qū)主要分布在研究區(qū)東部，該區(qū)域地勢(shì)平坦,海拔相對(duì)較低，土層較厚，林地以落葉松為主，占全區(qū)林地總面積的29.38%；服務(wù)功能中等重要區(qū)面積最大，為1 737.37 km2，以研究區(qū)西部分布最為密集，該區(qū)域主要以闊葉林為主；高度重要區(qū)和極重要區(qū)面積分別為274.06 km2和218.84 km2，分別占全區(qū)林地總面積的8.68%和6.93%，該區(qū)海拔較高，林型以覆蓋度高的次生林為主。

圖6 研究區(qū)林地綜合服務(wù)功能重要性分區(qū)及各區(qū)面積

4 結(jié) 論

本研究利用InVEST模型對(duì)清原縣林區(qū)2015年產(chǎn)水量、土壤保持量和碳儲(chǔ)量3 項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行模擬，并對(duì)區(qū)域的各生態(tài)服務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估與分析。結(jié)果表明：各服務(wù)功能在空間分布上呈現(xiàn)出一定的差異性，受研究區(qū)林地覆被類型、覆蓋度、地勢(shì)等因素影響較大，各生態(tài)服務(wù)具體表現(xiàn)為：①清原林區(qū)年均總產(chǎn)水量8.56×108m3，最高產(chǎn)水量554.88 mm；總碳儲(chǔ)量為6.417×107t，最大碳密度為268.42 t·hm-2；總土壤保持量為4.31×108t。②從空間上，清原縣林區(qū)產(chǎn)水量大致呈現(xiàn)西南高東低的分布；土壤保持以研究區(qū)東北部相對(duì)較低；碳密度以南山城鎮(zhèn)東南部和大蘇河鄉(xiāng)南部相對(duì)較高。③就各林地生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度而言，其它闊葉林(雜木林)產(chǎn)水量較高，針葉林損耗多產(chǎn)水量較低；就單位面積土壤保持而言，水曲柳和蒙古櫟土壤保持能力較高，針葉林土壤保持能力較低，灌木林土壤保持能力最弱；平均碳密度為核桃楸和水曲柳較高，灌木林最低。④不同覆蓋度生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度表現(xiàn)為，產(chǎn)水量隨覆蓋度增加不斷減少，土壤保持量和碳密度隨植被覆蓋度的增加而持續(xù)增加。⑤坡度變化對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響表現(xiàn)為，產(chǎn)水量在較陡坡度存在轉(zhuǎn)折，呈先減小后增加趨勢(shì)；土壤保持量和碳密度表現(xiàn)為隨著坡度的增加而增加。⑥海拔高度對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響表現(xiàn)為，當(dāng)坡度在900～1 000 m時(shí)各生態(tài)服務(wù)功能存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著海拔高度的增加產(chǎn)水量呈現(xiàn)先減少后增加，土壤保持量和碳密度呈先增加后減少趨勢(shì)。⑦全區(qū)林地綜合生態(tài)服務(wù)功能以中等重要為主，約占研究區(qū)的55.01%。