遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間格局

許庭毓， 牛 香?， 王 兵

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，100091，北京； 2.國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，100091，北京；3.江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，336606,江西新余)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)用于描述生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟和其他人類活動所受惠益的貢獻。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，不僅可以為人類提供生產(chǎn)生活所需的基本原料，而且對于應(yīng)對氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮著巨大的作用[1]。長期以來人們多重視森林木材供給等直接效益，忽略了其巨大的間接效益。對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行全面的評估尤為重要。趙同謙等[2]基于聯(lián)合國千年評估的基礎(chǔ)對我國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了評價，靳芳等[3]建立了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估指標(biāo)體系，并在全國尺度上進行了評估；由原國家林業(yè)局牽頭[4]制定了LY/T 1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》，結(jié)合全國第7次和第8次森林資源清查數(shù)據(jù)，對全國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進行了動態(tài)評估[5],得到全國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值量分別為10.01萬億和12.68萬億元/a。眾多學(xué)者[6-8]基于此項標(biāo)準(zhǔn)在不同省份、地區(qū)都對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行了評估，宋慶豐等[9]對吉林省森林涵養(yǎng)水源功能進行研究，發(fā)現(xiàn)2006—2013年，由于森林質(zhì)量的提升，吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)年調(diào)節(jié)水量由175.06億m3增長到197.28億m3；劉勝濤等[10]對寧夏賀蘭山自然保護區(qū)森林凈化大氣功能進行評價，得到保護區(qū)內(nèi)森林凈化大氣效果顯著，年提供負離子量為 1.426×1023個，滯納PM10和 PM2.5量分別為361.27萬和77.44 萬t。王兵等[11]和劉潤等[12]對遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量進行了相關(guān)研究，得到2006—2014年，全省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值量增長了86.53%，其中涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木養(yǎng)分固持和凈化大氣環(huán)境功能分別增長了92.20%、40.51%、63.29%、56.65%和232.84%。上述研究多針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量及增減變化進行評價，目的是為了量化綠水青山價值多少金山銀山。

本研究以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38582—2020《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(下簡稱為 《規(guī)范》)[13]為依據(jù)，結(jié)合遼寧省2017年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和森林生態(tài)站長期定位觀測數(shù)據(jù)，評估遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量，并結(jié)合經(jīng)濟因素、政策因素和自然因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間格局的影響因子進行分析，以期為遼寧省不同地區(qū)科學(xué)開展林業(yè)生態(tài)工程、及時調(diào)整林業(yè)發(fā)展方向，推動社會經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為全省生態(tài)產(chǎn)品的價值實現(xiàn)的路徑設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于E 118° 53′～125°46′、N 38° 43′～ 43° 26′之間，地處我國東北地區(qū)南部。遼寧省地勢由東西向中，由北向南傾斜，根據(jù)地形地貌將遼寧省劃分為3個大區(qū)，即遼東山區(qū)、遼西北地區(qū)、遼中南平原沿海地區(qū)。遼寧省屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5～11 ℃，全年降水量400～1 150 mm，由東向西遞減，土壤分布區(qū)主要是2個地帶性土壤分布區(qū)，即東部的棕壤區(qū)和西部的褐土區(qū)。截至2017年，遼寧省共有森林面積597.75萬hm2，蓄積量為3.28億m3，主要優(yōu)勢樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)、油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、 云杉(Piceaasperata)、冷杉(Abiesfabri)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1)森林資源數(shù)據(jù)來源于遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院提供的2017年遼寧省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

2)森林生態(tài)數(shù)據(jù)來源于森林生態(tài)站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括分布在遼寧省內(nèi)的4個生態(tài)站(冰砬山森林生態(tài)站、白石砬子森林生態(tài)站、遼東半島森林生態(tài)站和遼河平原森林生態(tài)站)，還包含分布在臨近省份的與遼寧省處在同一生態(tài)區(qū)內(nèi)的森林生態(tài)站(松江源森林生態(tài)站、長白山森林生態(tài)站和長白山西坡森林生態(tài)站；內(nèi)蒙古：賽罕烏拉森林生態(tài)站、赤峰森林生態(tài)站，七老圖山森林生態(tài)站和特金罕山森林生態(tài)站；河北省：塞罕壩森林生態(tài)站)，以及遼寧省內(nèi)建立的其他林業(yè)輔助監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)作為補充。

3)氣溫、降水、人口密度、GDP、建城區(qū)比例和造林面積等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《遼寧省統(tǒng)計年鑒2018》[14]。

2.2 評估方法

基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和遼寧省周邊生態(tài)站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)《規(guī)范》中的公式，應(yīng)用分布式測算方法對遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)保育土壤、林木養(yǎng)分固持、涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、凈化大氣環(huán)境5項服務(wù)功能18項指標(biāo)進行評價。具體方法為：按照遼寧省地級市區(qū)域劃分為14個一級測算單元；每個一級測算單元按照優(yōu)勢樹種組劃分成13個二級測算單元，只有盤錦市劃分為6個二級測算單元；每個二級測算單元再按照起源分為天然林和人工林2個三級測算單元；每個三級測算單元按照齡組劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林5個四級測算單元。最后，結(jié)合不同立地條件的對比觀測，確定1 750個相對均質(zhì)化的生態(tài)效益評估單元，分別測算每個單元的服務(wù)功能進而統(tǒng)計出2017年遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估結(jié)果。

當(dāng)用現(xiàn)有的野外實測值不能代表同一生態(tài)單元同一目標(biāo)林分類型的結(jié)構(gòu)或功能時，就需要引入森林生態(tài)功能修正系數(shù)客觀地從生態(tài)學(xué)精度的角度反映同一林分類型在同一區(qū)域的真實差異，提升評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，其理論公式見參考文獻[15]。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度法

灰色關(guān)聯(lián)度用于衡量不同系統(tǒng)或者同一系統(tǒng)不同因素之間的相似度，依據(jù)序列的相似度來判斷其關(guān)聯(lián)的緊密程度?；疑P(guān)聯(lián)分析找出在反映系統(tǒng)行為的特征數(shù)據(jù)序列和影響系統(tǒng)行為的相關(guān)因素序列的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)已有的部分信息，通過數(shù)據(jù)處理，計算系統(tǒng)的主行為與影響因素的關(guān)聯(lián)度，用來定量描述各種因素對系統(tǒng)的影響。生態(tài)系統(tǒng)作為一個灰色大系統(tǒng)，各類生態(tài)系統(tǒng)類型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布是社會、經(jīng)濟與環(huán)境因素交互作用的結(jié)果[16]。灰色關(guān)聯(lián)度分析的計算方法見參考文獻[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量評估

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)以及《規(guī)范》中的公式計算得出，遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)2017年固土物質(zhì)量為2.48億t，為全省年土壤水土流失總量的2.10倍[17]；保肥量共2 198.03萬t，林木養(yǎng)分固持量59.00萬t，分別相當(dāng)于全省化肥施用量[14]的5.35倍和14.36%；調(diào)節(jié)水量208.20億m3；是全省河川徑流量的1.29倍[14]；固碳量1 938.55萬t，相當(dāng)于抵消了全省碳排放量的14.25%[14]；吸收氣體污染物量79.32萬t，相當(dāng)于吸收了全省工業(yè)廢氣排放量的10.00%左右[14]；滯納TSP(total suspended particulates)量為1.02億t，滯納PM10和PM2.5物質(zhì)量分別為2 164.40萬kg和613.12萬kg，全省14個城市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)、良天數(shù)比例分別為17.4%和58.4%，與2016年相比，PM2.5、PM10和SO2年均濃度分別下降4.3%、2.5%和17.6%[18]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林為全省社會發(fā)展提供著豐富多樣的產(chǎn)品和服務(wù)，在水土保持、維護生態(tài)安全、應(yīng)對氣候變化、凈化大氣和支撐人類生存發(fā)展等方面發(fā)揮了十分獨特而重要的作用，在推進生態(tài)文明建設(shè)中居于不可或缺的地位。從受益范圍看，遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)提供的“綠色水庫”“綠色碳庫”“凈化環(huán)境氧吧庫”等功能不僅為當(dāng)?shù)厝嗣裉峁┝硕喾N生態(tài)服務(wù)，也對周邊區(qū)域乃至全球的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

3.2 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量分布格局

各地市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分布格局如表1和圖1所示，發(fā)現(xiàn)其空間分布差異顯著，總體上呈現(xiàn)遼東山區(qū)>遼西北地區(qū)>遼中南平原沿海地區(qū)的格局。盤錦市由于其森林面積較小，所以各項服務(wù)功能的物質(zhì)量均為全省最低，保肥功能、提供負離子功能、吸收污染氣體功能、滯納TSP、滯納PM10功能物質(zhì)量最高的地市為撫順市，其余各項功能物質(zhì)量最高的地市均為丹東市。

表1 遼寧省各地市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量評估結(jié)果Tab.1 Assessment on material quantities of forest ecosystem services of different cities in Liaoning province

圖1 遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量分布格局Fig.1 Spatial distribution of material quantities for forest ecosystem services in different cities in Liaoning province

固土功能物質(zhì)量極差為4 054.87萬t/a，丹東市、朝陽市和撫順市固土量最多，占全省固土總量的42.69%，最低的3個市為錦州市、沈陽市和盤錦市，僅占全省總量的4.65%。保肥功能物質(zhì)量極差為406.25萬t/a，最高的3個市為撫順市、丹東市和本溪市，占保肥總量的48.96%，最低的3個市為營口市、錦州市和盤錦市，占總量的5.24%。林木養(yǎng)分固持功能物質(zhì)量極差為10.35萬t/a，丹東市、撫順市和本溪市林木養(yǎng)分固持量最高，占總量的46.97%，最低的3個市為錦州市、沈陽市和盤錦市，僅占全省總林木養(yǎng)分固持量的7.71%。涵養(yǎng)水源功能物質(zhì)量極差為38.25億m3·/a，調(diào)節(jié)水量最高的3個市為丹東市、撫順市和本溪市，占全省總量的46.13%；最低的3個市為沈陽市、錦州市和盤錦市，僅占全省總量的4.97%。固碳功能物質(zhì)量極差334.10萬t/a，最高的3個市為丹東市、撫順市和本溪市，占全省總量的44.94%；最低的3個市為錦州市、沈陽市和盤錦市，僅占全省總量的4.61%；提供負離子功能物質(zhì)量極差為0.53×1025個/a，撫順市、丹東市和朝陽市提供負離子量最多，占總量的41.13%。最低的3個市為營口市、遼陽市和盤錦市，僅占全省提供總負離子量的5.78%；吸收污染氣體功能物質(zhì)量極差為12.97萬t/a，吸收污染氣體量最高的3個市為撫順市、丹東市、朝陽市，占全省總量的44.79%，最低的3個市為營口市、沈陽市、盤錦市，占全省總量的4.95%。滯納TSP功能物質(zhì)量極差為1 708.02萬t/a，撫順市、朝陽市和丹東市滯納TSP量最多，占全省總量的46.90%；營口市、沈陽市和盤錦市滯納TSP量最少，僅占全省總量的4.33%。

從以上結(jié)果可以看出，丹東市、撫順市和本溪市各項服務(wù)功能物質(zhì)量均較高，且3市各項森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之和占到全省各項服務(wù)功能總物質(zhì)量的40%以上，而營口市、沈陽市、錦州市和盤錦市各項服務(wù)功能占比較低。丹東市、撫順市和本溪市森林面積占全省森林面積的40.29%，蓄積占全省森林總蓄積的60.28%，較大的森林面積與較高的森林質(zhì)量使得遼東地區(qū)各市森林提供服務(wù)功能較高，為全省人民的生產(chǎn)生活筑起一道綠色屏障。

3.3 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間格局影響因子

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間分布受到政策因素、經(jīng)濟因素和自然因素等多方面共同影響[19]，本研究選取自然因素(氣溫、降水)、社會經(jīng)濟因素(人口、人口密度、GDP、人均GDP、建城區(qū)占比)、政策因素(造林面積)，通過灰色關(guān)聯(lián)分析得到各影響因子與各項服務(wù)功能的關(guān)聯(lián)度(表2)。降水因素與各項服務(wù)功能最相關(guān)的因素，因為水分是顯著林木生長的重要因素之一，水分充沛的地區(qū)森林面積大，質(zhì)量高，所以相應(yīng)提供服務(wù)功能較強；相關(guān)度排在第二位的是人口，人口多的地方土地利用強度較大，人為干擾會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響。整體上來看，自然因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)聯(lián)程度大于政策因素大于社會經(jīng)濟因素。

表2 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與影響因子關(guān)聯(lián)度Tab.2 Correlation between forest ecosystem services and influencing factors

4 討論

全省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間格局呈現(xiàn)遼東山區(qū)>遼西北地區(qū)>遼中南平原沿海區(qū)的分布格局，主要受到以下因素的影響。

1)自然因素。從前文結(jié)果可以看出，自然因素與服務(wù)功能空間格局的關(guān)聯(lián)度在0.72以上，自然因素是影響服務(wù)功能空間格局最顯著的因素。遼寧省屬于溫帶大陸性氣候，雨熱同季，日照豐富，東部地區(qū)雨量充沛，水熱條件好，而水熱條件又是限制林木生長的重要因素，所以該地區(qū)森林面積大，森林生態(tài)系統(tǒng)完整，生物種類十分豐富，是遼寧省乃至東北亞生態(tài)環(huán)境的重要屏障，所以該區(qū)域保育土壤功能和生物多樣性功能較高。降雨量與涵養(yǎng)水源功能和凈化大氣環(huán)境功能密切相關(guān)，主要由于涵養(yǎng)水源功能的計算公式涉及到降雨量，與涵養(yǎng)水源功能呈顯著正相關(guān)，而降水還會影響凈化大氣環(huán)境中的滯納顆粒物功能，降水充沛的地區(qū)對葉片的清洗次數(shù)多，使得森林滯納顆粒物能力增強。

2)社會經(jīng)濟因素。人為干擾與經(jīng)濟發(fā)展水平對服務(wù)功能空間格局的關(guān)聯(lián)度在0.654 4～0.807 2之間，而與土地利用的關(guān)聯(lián)度多數(shù)<0.7。遼寧東部地區(qū)多為山區(qū)，濕潤多雨，土地利用類型多為森林，且其經(jīng)濟發(fā)展水平不如中部地區(qū)城市，建城區(qū)比例多為2%以下，且GDP均未超過千億，所以該地區(qū)人為干擾程度不強，保證了森林生態(tài)系統(tǒng)充分發(fā)揮其效益；中部地區(qū)是遼寧省經(jīng)濟發(fā)展的命脈，土地利用方式多為耕地與建設(shè)用地，建城區(qū)比例多在2.5%以上，且GDP占全省的70%以上，人為干擾程度最強，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不如其他兩個區(qū)域，但是其上升空間較大，在今后的發(fā)展中應(yīng)注意經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合，推動社會、經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；西部地區(qū)干旱少雨，土地利用類型多為草地和林地，建城區(qū)比例在1%左右，且GDP較低，人類干擾程度最弱，由于該區(qū)域獨特的氣候條件和社會經(jīng)濟因素，森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮的服務(wù)功能較高，在今后的發(fā)展中應(yīng)充分利用該地區(qū)的特色，合理利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，將生態(tài)效益轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值，有效提升當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏健?/p>

3)政策因素。遼寧省積極實施天然林保護工程、退耕還林工程和三北防護林工程等林業(yè)生態(tài)工程，森林面積、蓄積有較為顯著的提升。與2006年第1次評估的數(shù)據(jù)相比，森林面積增長3.01%，蓄積增長35.51%[11]。造林面積與服務(wù)功能的關(guān)聯(lián)度基本在0.65以上，除了通過造林的方法增加森林面積，還應(yīng)該采取科學(xué)的森林經(jīng)營方式提升森林質(zhì)量。遼東山區(qū)是天然林保護和水源涵養(yǎng)林建設(shè)的核心區(qū)，該區(qū)域林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的重點是以生態(tài)保護和提高效益為主，搞好天然林保護和水源涵養(yǎng)林建設(shè)，提高森林經(jīng)營管理水平和林分質(zhì)量，積極推進林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，充分發(fā)揮森林資源的多種效益；遼中南平原沿海地區(qū)以生態(tài)升位和林、農(nóng)復(fù)合型林業(yè)發(fā)展為重點，努力搞好農(nóng)田林網(wǎng)、綠色通道及沿海防護林建設(shè)，加快隙地造林、城市綠化和村屯綠化，提高綠化水平，以集約方式發(fā)展用材林、工業(yè)原料林、高效經(jīng)濟林及相關(guān)產(chǎn)業(yè)；遼西北地區(qū)是恢復(fù)植被、加快生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)，以恢復(fù)生態(tài)和林、牧、農(nóng)綜合開發(fā)為重點，實行封、飛、造結(jié)合，喬、灌、草合理配置，大力實施退耕還林(草)、防沙治沙、水土保持、小流域治理等工程，努力恢復(fù)植被，擴大綠化面積，提高森林植被覆蓋率。積極發(fā)展適宜本地區(qū)的名特優(yōu)新經(jīng)濟林為重點的特色產(chǎn)業(yè)[20]。不同地區(qū)的林業(yè)建設(shè)重點和發(fā)展方向的不同導(dǎo)致了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布的差異。

5 結(jié)論

1)全省森林生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)功能巨大，空間分布差異顯著，總體上呈現(xiàn)遼東山區(qū)>遼西北地區(qū)>遼中南平原沿海區(qū)的分布格局，以丹東市、撫順市和本溪市最大，占全省總量的40%左右。

2)全省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局主要與自然因素、社會經(jīng)濟因素以及政策因素有關(guān)，其中降水與森林生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)功能空間格局的相關(guān)性最高(0.779 7～0.819 9)，氣候因素與服務(wù)功能的相關(guān)性高于政策因素和社會經(jīng)濟因素