林地資源變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響
——以南水北調(diào)核心水源地淅川縣為例

殷格蘭,邵景安,2,*,郭 躍,2,黨永峰

1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400047 3 國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京 100714

林地資源變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響
——以南水北調(diào)核心水源地淅川縣為例

殷格蘭1,邵景安1,2,*,郭 躍1,2,黨永峰3

1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400047 3 國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京 100714

森林生態(tài)系統(tǒng)是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ),其服務(wù)功能不可替代。以南水北調(diào)中線工程渠首所在地淅川縣為研究區(qū),使用2004年TM、2009年TM、2014年GF1 號(hào)影像等數(shù)據(jù),在PIC、Arcgis10.0等軟件支持下,分析其2004—2014年的林地資源變化,并利用InVEST模型對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化和土壤保持)進(jìn)行定量評(píng)估。結(jié)果表明：①2004—2014年縣域林地資源以有林地為主,面積增長迅速,灌木林地和苗圃地面積增長緩慢,疏林地和未成林造林地面積均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)；②伴隨林地資源變化,森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生相應(yīng)顯著變化,10年間縣域水源涵養(yǎng)量功能減少19%,森林水質(zhì)凈化功能提高29%,土壤保持功能增加6%；③同一森林類型,其生態(tài)服務(wù)功能在不同年際之間的差異表現(xiàn)為平均水源涵養(yǎng)功能逐年下降,平均水質(zhì)凈化能力不斷提升,平均土壤保持能力先增后減；④對(duì)比5種森林類型的生態(tài)服務(wù)功能,有林地的服務(wù)功能最強(qiáng),其次為灌木林地和疏林地；⑤10年間縣域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化和土壤保持服務(wù)功能的高低與森林覆被的高低程度呈正相關(guān),呈現(xiàn)出北高南低的空間分布格局；⑥科學(xué)管理森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵在于合理配置林地與其他用地的分布格局,提高林地與其它用地鑲嵌構(gòu)成的復(fù)合土地利用的可持續(xù)性。同時(shí)加強(qiáng)服務(wù)功能重要區(qū)域的保護(hù),避免對(duì)對(duì)服務(wù)功能較差區(qū)域的破壞。此外,未來森林經(jīng)營需要從單純的森林面積擴(kuò)張,轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣呱仲|(zhì)量和生產(chǎn)力,從而加強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化影響的適應(yīng)能力。

林地資源變化；水源涵養(yǎng)；水質(zhì)凈化；土壤保持；InVEST模型

森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過程所維持及所形成的人類賴以生存的環(huán)境條件與效用[1-3]。近年來,隨著生態(tài)環(huán)境日益惡化,人們已逐漸意識(shí)到維持和保育森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一[4-5]。為了科學(xué)管理森林資源,了解森林生態(tài)服務(wù)功能的作用和價(jià)值,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究和探索[6- 9],并取得了豐厚的成果[10- 13]。研究內(nèi)容主要涉及水源涵養(yǎng)服務(wù)功能評(píng)估[14-16]、碳儲(chǔ)量定量估算[17]、土壤保持價(jià)值估算[18-19]、森林植被對(duì)水質(zhì)的影響[20-21]等。歸納起來,國外注重對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 生態(tài)過程與森林生態(tài)服務(wù)功能關(guān)系的研究,尤其重視生態(tài)模型的發(fā)展,并在已有研究成果的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展新的理論和方法；國內(nèi)研究對(duì)象由大尺度逐漸轉(zhuǎn)向中、小尺度區(qū)域,并開始重視森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的動(dòng)態(tài)變化與其驅(qū)動(dòng)因素[22]。

雖然現(xiàn)有研究在不同尺度森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估上取得了較好的效果[23- 24],但評(píng)估結(jié)果在可視性、可操作性等方面仍略有不足,即現(xiàn)階段的評(píng)估大多缺乏空間上的動(dòng)態(tài)展示,這在一定程度上阻礙了經(jīng)營管理決策的制定。此外,盡管森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估過程中涉及尺度在不斷豐富,但目前大尺度(全球和流域)方面的研究較多[22],而以縣域?yàn)樗介_展的評(píng)估相對(duì)較少?？h域是國家及區(qū)域森林維持和保育的重要行政層面,利用空間顯式生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型研究縣域水平林地資源動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響,不僅可以豐富研究尺度；而且,有益于直觀了解森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的歷程,分析森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的現(xiàn)狀及問題。

淅川縣位于漢江中上游,是南水北調(diào)中線工程的核心水源地,其區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持和改善關(guān)系到南水北調(diào)中線工程沿線城市的用水安全?；诖?本文選取淅川縣為研究區(qū),使用2004年和2009年TM、2014年GF1 號(hào)影像等數(shù)據(jù),在PIC、Arcgis10.0等軟件支持下,分析縣域2004—2014年的林地資源變化,利用空間顯式生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估軟件(InVEST模型),對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行定量評(píng)估和空間特征刻畫,探討林地資源變化對(duì)森林生態(tài)服務(wù)功能的影響,旨在為推進(jìn)森林資源可持續(xù)經(jīng)營、增強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

淅川縣(110°58′—111°53′E,32°55′—33°23′N)位于河南西南部,地處鄂豫陜結(jié)合部,是南水北調(diào)中線工程的渠首。亞洲最大人工湖丹江口水庫位于研究區(qū)南部。地形為西北突起向東南展開的馬蹄狀,東南部為沖積平原及崗地區(qū),中部為丘陵區(qū),西北部為山區(qū),氣候?qū)俦眮啛釒蚺瘻貛н^渡的季風(fēng)性氣候區(qū),水系屬長江流域漢江水系,丹江自西北向東南縱貫全境,丹江及其支流流域面積占全縣總面積的93.5%。土壤以潮土、砂姜黑土、黃棕壤土、紫色土為主。受氣候影響,研究區(qū)是南北差異的過渡地帶,具有豐富的植物資源。幅員面積為2818.12km2,轄4個(gè)鄉(xiāng)、11個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)街道辦事處。2014年,全年生產(chǎn)總值、公共財(cái)政預(yù)算收入、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、農(nóng)民人均純收入,分別為181億元、7億元、223億元、22639元、8057元,同比分別增長8.6%、53%、20%、10%和11%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取研究區(qū)2004年30m空間分辨率TM、2014年2m空間分辨率全色波段GF1 號(hào)為遙感信息源,TM影像從USGS網(wǎng)站(http://earth explorer.usgs.gov/)獲取,GF1號(hào)影像從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲取(http://www.cresda.com/CN/)；2009年研究區(qū)森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)(矢量小班數(shù)據(jù)),2004—2014年研究區(qū)各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))監(jiān)測(cè)年度的營造林、森林采伐及占用征收林地等設(shè)計(jì)、驗(yàn)收和專項(xiàng)調(diào)查資料以及研究區(qū)3期森林資源清查固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)來源于國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院；日最高溫、日最低溫、日均溫、太陽大氣頂層輻射和降雨等氣象數(shù)據(jù)來源于河南省氣象廳和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)；徑流、泥沙、水環(huán)境數(shù)據(jù)來源于河南省水利科學(xué)研究院；1∶100萬土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所；DEM(空間分辨率為30m×30m)來源于USGS網(wǎng)站(http://earth explorer.usgs.gov/)；研究區(qū)2010年基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),主要包括水系、道路、鐵路分布,研究區(qū)范圍界線及鄉(xiāng)(鎮(zhèn))行政界線和居民地?cái)?shù)據(jù)由研究區(qū)林業(yè)局提供。本研究使用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《中國縣市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》和淅川縣統(tǒng)計(jì)資料,其它數(shù)據(jù)均來自相關(guān)文獻(xiàn)和資料。

1.3 數(shù)據(jù)處理

遙感影像處理技術(shù)方法參照《遙感影像平面圖制作規(guī)范》(GB 15968—1995)和《森林資源調(diào)查衛(wèi)星遙感影像圖制作技術(shù)規(guī)程》(LY/T 1954—2011)執(zhí)行。采用PIC軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正和地形校正(誤差控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)),對(duì)2014年GF1號(hào)影像進(jìn)行453波段的圖像融合,2004年、2009年TM影像進(jìn)行432波段合成。根據(jù)研究區(qū)森林資源狀況及研究需要,參照《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(LY/T1955—2011)將林地劃分為5 種類型(表1),非林地劃分為建設(shè)用地、耕地、水域、其他用地4個(gè)二級(jí)用地。在Arcgis10.0軟件里通過掩膜提取覆蓋研究區(qū)2014年、2009年、2004年森林資源信息。以2009年林地保護(hù)利用規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)遙感影像變化情況,借助2004—2014年期間的營造林、森林采伐及占用征收林地等設(shè)計(jì)、驗(yàn)收等資料,整理研究區(qū)15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和2個(gè)街道辦事處2004年以及2014年小班矢量數(shù)據(jù)。以室內(nèi)解譯的小班為底圖,進(jìn)行以小班為單元的現(xiàn)地驗(yàn)證,對(duì)2014年解譯出的土地利用圖予以修正。

為確保獲取的2004年土地利用圖的準(zhǔn)確性,對(duì)2004年土地利用數(shù)據(jù)的提取采用TM影像解譯與參與式農(nóng)戶訪談驗(yàn)證相結(jié)合的方法進(jìn)行：如果只使用2004年的TM遙感影像進(jìn)行解譯,數(shù)據(jù)獲取粒度較粗。但是,若只以2009年解譯驗(yàn)證后的土地利用圖為底圖,在此基礎(chǔ)上,通過參與式農(nóng)戶訪談讓當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶進(jìn)行逐一小班的追溯,無法確保非遙感輔助數(shù)據(jù)來源準(zhǔn)確性。因此,本文使用二者相結(jié)合的方法獲取2004年土地利用數(shù)據(jù),具體的實(shí)施過程是：首先,通過一般的遙感影像處理方法對(duì)2004年TM遙感影像進(jìn)行處理,并將其與其他數(shù)據(jù)一起作為2004年土地利用信息提取的輔助數(shù)據(jù)；然后,以2009年的土地利用圖為底圖讓當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶進(jìn)行逐一小班的追溯,并參照2004年TM遙感影像對(duì)追溯反演的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,提高結(jié)果的正確性。

據(jù)此對(duì)解譯和追溯結(jié)果進(jìn)行野外抽樣調(diào)查對(duì)解譯的結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。根據(jù)判讀區(qū)劃結(jié)果,2014年機(jī)械抽選127個(gè)小班,面積403.37hm2。經(jīng)現(xiàn)地核實(shí),變化地塊判讀正確的有117塊,面積365.52 hm2,正判率為92.13%；2004年機(jī)械抽取110塊小班,面積1233.05 hm2。經(jīng)現(xiàn)地核實(shí),未變化地塊判讀正確的有93塊,面積1144.35 hm2,正判率為92.81%。正判率均達(dá)到本文研究的精度要求。

1.4 研究方法

1.4.1 模型原理

InVEST模型，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評(píng)估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)聯(lián)合開發(fā),量化和價(jià)值化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合模型,InVEST模型能夠模擬預(yù)測(cè)不同森林景觀類型下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化,評(píng)估結(jié)果直觀體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局[25-28]。InVEST模型的最大優(yōu)點(diǎn)是評(píng)估結(jié)果的可視化表達(dá),解決了以往生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估用文字抽象表述而不夠直觀的問題。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和研究目的,本研究選取了“水源涵養(yǎng)”、“水質(zhì)凈化”和“土壤保持”共3個(gè)子模塊,使用InVEST2.4.1版本,采用柵格單元進(jìn)行評(píng)估,經(jīng)過權(quán)衡最后確定評(píng)估柵格為30m×30m。

(1)水源涵養(yǎng)服務(wù)

產(chǎn)水量計(jì)算基于一個(gè)簡化的水文循環(huán)模型,忽略地下水影響,由降雨量、潛在蒸散量、土壤深度、植物可利用水、蒸散系數(shù)以及根系深度等參數(shù)綜合決定。其中,年降水量利用研究區(qū)及周邊縣氣象站點(diǎn)多年降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺(tái)中進(jìn)行空間插值獲得；潛在蒸散量計(jì)算根據(jù)Modified-Hargreaves法[30]求得各氣象站點(diǎn)的潛在蒸散量,再在 ArcGIS平臺(tái)中進(jìn)行空間插值獲得；植物可利用水運(yùn)用非線性擬合土壤AWC估算模型獲得[31]；土壤深度根據(jù)森林二類調(diào)查數(shù)據(jù)通過“克里金”插值獲得；蒸散系數(shù)、根系深度和流速系數(shù)等數(shù)據(jù)通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料得到。

其次,在產(chǎn)水量基礎(chǔ)上,再考慮土壤厚度、滲透性、地形等因素影響計(jì)算水源涵養(yǎng)量。水源涵養(yǎng)量計(jì)算模型[32]：WR=(1-TI)×min(1,Ksat/300)×min(1,TravTime/25)×Yield,式中,WR為多年平均涵養(yǎng)水量(mm)；TI為地形指數(shù),無量綱,根據(jù)DEM計(jì)算；Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；TravTime為徑流運(yùn)動(dòng)時(shí)間(min),用坡長除以流速系數(shù)(vel_coef)得到。

最后,對(duì)各森林類型各個(gè)像元水源涵養(yǎng)量求和,再除以各森林類型面積即可得到各森林類型單位面積水源涵養(yǎng)量,用以表征森林生態(tài)系統(tǒng)所具有的水源涵養(yǎng)功能。

(2)水質(zhì)凈化服務(wù)

“水質(zhì)凈化”模型用水體中總氮(TN)含量表征水質(zhì)狀況,只考慮非點(diǎn)源污染,TN輸出越高,水質(zhì)凈化功能就越差。坡度決定水流路徑,根據(jù)森林類型所模擬的污染物凈化能力,計(jì)算每一像元截留其上游像元輸出污染物的量。首先,通過產(chǎn)水量模型計(jì)算年平均徑流量,然后計(jì)算各斑塊污染物截留量。計(jì)算方法：ALVx=HSSx·polx,式中ALVx為柵格x調(diào)整后污染物輸出值；HSSx為柵格x水文敏感性得分,polx為柵格x輸出系數(shù)。模型中涉及的主要參數(shù)有：產(chǎn)水量數(shù)據(jù)、DEM、TN輸出負(fù)荷、森林類型數(shù)據(jù)等。最后,對(duì)各森林類型各個(gè)像元N輸出求和,再除以各森林類型面積即得各森林類型平均N輸出,用以表征森林生態(tài)系統(tǒng)所具有的水質(zhì)凈化功能。

(3)土壤保持服務(wù)

“土壤保持”模型利用基于像元尺度的通用土壤流失方程(USLE)計(jì)算每一斑塊潛在土壤流失量和泥沙輸移情況,土壤侵蝕量越小,土壤保持功能越好。首先,計(jì)算當(dāng)柵格無植被覆蓋時(shí)的潛在土壤流失率(潛在土壤侵蝕量),計(jì)算方法：USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px,式中USLEx為像元x土壤侵蝕量；Rx為降雨量侵蝕因子；Kx為土壤可蝕性因子；LSx為坡長坡度因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為土壤保持措施因子。在輸入?yún)?shù)中,降雨侵蝕力因子采用 Wischmeier 的月尺度公式[33]計(jì)算出各雨量站點(diǎn)值,再在 ArcGIS 平臺(tái)中利用“克里金”空間插值而得到；土壤可蝕性(K)值估算,利用Williams提出的計(jì)算方法[34]得到。其次,計(jì)算有植被覆蓋的每個(gè)柵格單元的侵蝕量(現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量/泥沙輸出量),計(jì)算公式：RKLSx=Rx·Kx·LSx,每一像元土壤保持量由潛在土壤侵蝕量減去現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量/泥沙輸出量得到,計(jì)算公式：Tx=Rx·Kx·LSx·(Cx·Px-1),式中參數(shù)含義如上。最后,對(duì)各森林類型各像元土壤保持量Tx求和,再除以各森林類型面積即可得到各森林類型單位面積土壤保持量,用以表征森林生態(tài)系統(tǒng)所具有的土壤保持功能。

1.4.2 模型校驗(yàn)

首先,將初步模擬的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較,若二者偏差值較大,參考相關(guān)的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù),調(diào)整模型參數(shù),輸出結(jié)果,將輸出結(jié)果再次與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較。通過對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)校檢,經(jīng)校驗(yàn)顯示最終模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值之間的決定系數(shù)R2均超過 0.76 。然后,用校驗(yàn)確定的參數(shù)運(yùn)行模型。

圖2 模型校驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The results of model validation

2 結(jié)果與分析

2.1 林地資源變化分析

林地是整個(gè)研究區(qū)的景觀基質(zhì),對(duì)整體景觀有較大的貢獻(xiàn),而且,10年間森林以有林地為主,且面積呈持續(xù)增加趨勢(shì),2004—2009年、2009—2014年分別增加3.23%和3.74%。前期有林地?cái)U(kuò)張以北部為主,后期以中部和西北部為主(表1)。10年間灌木林地和苗圃地雖有增加,但二者的增加幅度仍相對(duì)較低。疏林地和未成林造林地均呈先增后減趨勢(shì),但二者變化特征不同,10年間,疏林地增加21.34 hm2,未成林造林地減少1532.96 hm2。總體上,研究區(qū)森林總面積增長較快,2004—2009年森林總面積增加10.85%,2009—2014年增加7.44%,到2014年森林覆蓋率高達(dá)45.65%。

表1 各森林類型統(tǒng)計(jì)表

表中的比例為各森林類型占縣域總面積的比例

2004—2014年淅川縣迎來“森林轉(zhuǎn)型”時(shí)期,即自然生態(tài)用地(林地)呈現(xiàn)擴(kuò)張的狀態(tài)。“森林轉(zhuǎn)型”一方面是受“生態(tài)縣”戰(zhàn)略政策所驅(qū)動(dòng),政府大搞造林綠化攻堅(jiān)戰(zhàn),但森林面積的持續(xù)增加,最根本還是由于經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)。在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速提升背景下,非農(nóng)務(wù)工工資迅速攀升(路易斯拐點(diǎn)),務(wù)農(nóng)機(jī)會(huì)成本增加,從而導(dǎo)致大量勞動(dòng)力從農(nóng)村“析出”。2004年左右研究區(qū)人口紅利進(jìn)入衰減期,2009年以來南水北調(diào)移民至外縣市的人口高達(dá)16.2萬。農(nóng)村人口向城市遷移、南水北調(diào)移民,勞動(dòng)力成本的上升使得耕作成本較高的劣質(zhì)耕地退出農(nóng)業(yè)生產(chǎn),農(nóng)業(yè)在與森林爭奪土地資源的過程中失去優(yōu)勢(shì),這給森林面積的擴(kuò)張?zhí)峁┝藱C(jī)會(huì)[35]。

2.2 森林生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)

2.2.1 水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)服務(wù)功能在縣域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異(圖3)。水源涵養(yǎng)功能高值區(qū)位于北部山地,多年平均水源涵養(yǎng)量182.08—238.81mm。次高值區(qū)位于西部低山地區(qū),多年平均水源涵養(yǎng)量137.20—166.63mm。與北部山地不同的是,西部低山區(qū)雖然水源涵養(yǎng)功能總體較高,但分布不及前者集中,在高涵養(yǎng)區(qū)中間同時(shí)還散布一些中低功能區(qū)。水源涵養(yǎng)功能較差的地區(qū)主要分布于東南部的崗地及沖積平原地區(qū),多年平均水源涵養(yǎng)量89.44—128.48mm。這一結(jié)果表明,研究區(qū)范圍內(nèi)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的高低與森林覆被的高低程度呈正相關(guān)。北部地形高,是森林主要連片分布區(qū)；西部是由地勢(shì)起伏向地勢(shì)平緩的過渡區(qū),是森林和其它地類交錯(cuò)分布區(qū)；東南部海拔較低且地勢(shì)相對(duì)平緩,土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主,森林分布相對(duì)較少。

圖3 研究區(qū)2004、2009、2014年水源涵養(yǎng)服務(wù)Fig.3 Water retention service of the study site in 2004,2009 and 2014

2004—2014年研究區(qū)森林生態(tài)水源涵養(yǎng)量持續(xù)下降,3期水源涵養(yǎng)量分別為3.73億m3、3.65億m3、3.03億m3,10年間,研究區(qū)縣域范圍內(nèi)森林水源涵養(yǎng)量減少了19%。森林的水源涵養(yǎng)量不僅受到森林本身結(jié)構(gòu)和數(shù)量的影響,還會(huì)受到降雨的影響,由于森林與氣候間存在著密切關(guān)系,降雨變化將不可避免地對(duì)森林的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不同程度的影響。2004、2009和2014年研究區(qū)年平均降雨量分別為841mm、785mm和688 mm,呈下降趨勢(shì),降雨量的變化規(guī)律與研究區(qū)森林生態(tài)水源涵養(yǎng)量變化規(guī)律一致。表明,隨著降雨的減少,森林生態(tài)水源涵養(yǎng)量也有所下降。由于總量的減少,各森林類型的平均水源涵養(yǎng)量總體上也呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

在5大森林類型中,3期各森林類型的平均水源涵養(yǎng)量大小順序均為有林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥苗圃地﹥未成林造林地(表2)。從各森林類型單位面積水源涵養(yǎng)量以及總量來看,有林地是研究區(qū)水量涵養(yǎng)的主要貢獻(xiàn)地類,有林地的變化對(duì)流域水量變化起決定作用。其次為灌木林地和疏林地,苗圃地和未成林對(duì)研究區(qū)水量涵養(yǎng)貢獻(xiàn)較小。這可能與各森林類型的郁閉度、土層厚度以及根系深度等因素有關(guān)。有林地比其它林地有更高的郁閉度、冠層密度和植株密度,使得與雨滴接觸的枝葉表面積相應(yīng)較大,增加林冠層的截留量。有林地土壤因具有良好的結(jié)構(gòu)和植物腐根造成的孔洞,滲透快且蓄水量大,即使在特大暴雨情況下形成坡面徑流,其流速也比其它林地大大降低。

2.2.2 水質(zhì)凈化服務(wù)

2004、2009、2014年研究區(qū)范圍內(nèi)N的輸出均為東南部最高,中部次之,北部最低(圖4)。通常情況下,N素輸出量越高,水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差[34],即2004、2009、2014年水質(zhì)凈化能力北部最強(qiáng),中部次之,東南部最弱。三期水質(zhì)凈化服務(wù)功能均呈現(xiàn)出北高南低的總體格局,這與森林分布格局一致,說明森林能夠通過儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化等形式移除污染物而減少其向水庫、河流等水體的輸出。

表2 研究區(qū)2004、2009、2014各森林類型平均水源涵養(yǎng)量/mm

2004—2014年,隨著森林的擴(kuò)張,森林N輸出總量呈持續(xù)減少趨勢(shì),3期輸出量分別為 254.08t、207.47t、180.48t(有顯著減少特質(zhì)),10年間,研究區(qū)森林水質(zhì)凈化功能提高了29%。林地面積持續(xù)擴(kuò)張,由于林地有較好的N素吸收去除能力,從而直接有助于N輸出的減少。而且,研究區(qū)耕地面積的持續(xù)減少,也在很大程度上減少面源污染的發(fā)生,減少N輸出。2004—2014年研究區(qū)水質(zhì)凈化功能的增幅與森林面積的擴(kuò)張速率保持一致,比較前后兩個(gè)時(shí)期發(fā)現(xiàn),研究區(qū)水質(zhì)凈化功能的增幅前5年比后5年更加明顯。這是由于2009—2014年灌木林和未成林造林地面積呈負(fù)增長態(tài)勢(shì),森林總面積的增幅比前期小,從而導(dǎo)致這一時(shí)期水質(zhì)凈化功能增幅更小。

2004—2014年各森林類型(除未成林造林地外)的平均N輸出總體上呈現(xiàn)減少趨勢(shì),表明各森林類型的水質(zhì)凈化能力在不斷提升(表3)。淅川縣在全國的定位為“生態(tài)縣”,近年來政府大搞造林綠化攻堅(jiān)戰(zhàn),加強(qiáng)森林建設(shè),不斷提高總體森林質(zhì)量,因此各森林類型的水質(zhì)凈化能力也得到提高。

在整個(gè)研究時(shí)期內(nèi),5大森林類型,3期各森林類型的平均N輸出大小順序均表現(xiàn)為有林地<灌木林地<疏林地<未成林造林地<苗圃地。各森林類型的凈化水質(zhì)能力即為有林地>灌木林地>疏林地>未成林造林地>苗圃地。結(jié)果說明：森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)影響,隨郁閉度的增加而增強(qiáng)。林冠層是影響水質(zhì)的重要層次,森林郁閉度越大,對(duì)氮素吸收去除能力越強(qiáng)[36]。此外,有林地土壤因具有良好的結(jié)構(gòu)和更厚的土層厚度,其對(duì)氮素也具有更大的吸附存儲(chǔ)作用。

表3 不同年份森林類型單位面積N輸出/(kg/hm2)

2.2.3 土壤保持服務(wù)

研究區(qū)土壤保持功能空間差異顯著,北部區(qū)整體土壤保持功能較好,西南部和中部其次,土壤保持功能較低的主要分布于東南部(圖5)。2004—2014年,研究區(qū)西北部土壤保持功能有較大幅度的提升。這與森林的分布和擴(kuò)張方向一致,說明土壤保持功能的高低與森林覆被的高低程度呈顯著正相關(guān),總的來看,森林的土壤保持功能比其它土地覆蓋類型都高。森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性較高,植被覆蓋度也相對(duì)較好,因而不僅自身泥沙輸出負(fù)荷小,而且還有較好的泥沙截留能力[35]。2004—2014年北部區(qū)域森林的面積(尤其是有林地面積)遠(yuǎn)高于其它地區(qū),致使該區(qū)域現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量(泥沙輸出量)小。西北部森林面積的迅速擴(kuò)張,對(duì)區(qū)域土壤截留更大。受耕作擾動(dòng)及地形影響,農(nóng)田比其他土地覆蓋類型具有更高的泥沙輸出負(fù)荷,因此在過去的10年間,東南部的土壤保持功能顯著偏低。

圖5 研究區(qū)2004、2009、2014年土壤保持服務(wù)Fig.5 The soil conservation of the study site in 2004,2009 and 2014

2004、2009、2014年現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕總量(泥沙輸出量)分別為65.58萬t、61.57萬t、54.32萬t,呈持續(xù)減少格局(表4),這一結(jié)果表明,2004—2014年伴隨森林面積的不斷增加,研究區(qū)各森林類型泥沙截留量也在持續(xù)增長,即是說,擴(kuò)大森林面積有利于降低區(qū)域泥沙輸出量。土壤潛在侵蝕總量呈先增再減的變化趨勢(shì),3期森林土壤潛在侵蝕總量分別為2683.08萬t、2953.73萬t、2820.49萬t,這是由于2009年降雨季節(jié)分配不均勻,6、7月降雨集中,R值貢獻(xiàn)率大,誘發(fā)土壤潛在侵蝕的增加,進(jìn)而導(dǎo)致雖然森林類型泥沙截留總量在持續(xù)增長,但因2009年土壤潛在侵蝕量的異常增大,從而使得2009—2014年的土壤保持量減少126.63萬t。在整個(gè)研究時(shí)期內(nèi),研究區(qū)各森林類型的土壤保持量(潛在侵蝕與現(xiàn)實(shí)侵蝕的差值)也呈先增再減的變化趨勢(shì)。3期土壤保持量分別為 2616.95萬t、2892.17萬t、2765.54萬t,總體上研究區(qū)土壤保持量增加148.89萬t,增幅達(dá)6%,這表明研究區(qū)森林的土壤保持服務(wù)有較大的改善。2004—2014年各森林類型的平均土壤保持量總體上呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。前期的增加原因如下：一是由于森林質(zhì)量的提高,各森林類型泥沙截留量增長；二是這一時(shí)期降雨季節(jié)分配不均勻,6、7月降雨集中,R值貢獻(xiàn)率大,誘發(fā)土壤潛在侵蝕的增加。后期雖然由于森林質(zhì)量的提高,各森林類型泥沙截留量也在增長,但是降雨分配較均勻,降雨侵蝕力小,土壤潛在侵蝕量遠(yuǎn)低于前者。

研究區(qū)有林地單位面積土壤保持量遠(yuǎn)高于其它森林類型,灌木林地單位面積土壤保持量略高于疏林地,但差異不大,苗圃地次之,未成林造林地單位面積土壤保持量遠(yuǎn)低于其它森林類型(表5)?？傮w來說,在5大森林類型中,3期各森林類型平均土壤保持大小順序均為有林地﹥灌木林地﹥疏林地﹥苗圃地﹥未成林造林地。森林林冠能夠攔截部分降水,削弱雨滴對(duì)地表的侵蝕(即林冠郁閉度與植被削弱降雨的勢(shì)能的作用成正比),因此郁閉度大的林地更有利于減少降雨對(duì)土壤的侵蝕[37]。森林還通過植被根系固持土壤,改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤的抗蝕性。有林地的根系深度高于其他林地,通過植被根系固持土壤更多,同時(shí)其根系的腐爛和枯落物的分解,可以增強(qiáng)土壤肥力,改善土壤物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu),使土壤容重變小、抗沖性和入滲加強(qiáng)[38]。此外,隨著坡度增大,潛在的土壤侵蝕量越大,森林土壤保持越大。有林地連片分布于海拔高、坡度較陡的北部山區(qū),這是有林地土壤保持量高于其他林地的又一重要因素。

表4 不同年份森林類型土壤侵蝕與土壤保持/萬t

表5 不同年份森林類型單位面積土壤保持量/(t/hm2)

3 結(jié)語

(1)研究時(shí)期內(nèi)研究區(qū)森林總面積增長較快,2004—2009年增加10.85%,2009—2014年增加7.44%,到2014年森林覆蓋率高達(dá)45.65%。在林地資源演化趨勢(shì)上,有林地、疏林地、灌木林地和苗圃地與林地資源的整體演化格局一致,而未成林造林地呈減少的趨勢(shì)。

(2)從空間分布上看,2004、2009、2014年研究區(qū)水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化和土壤保持功能均呈北高南低的分布格局,這與森林分布格局一致。總的來看,森林的生態(tài)服務(wù)功能比其它土地覆蓋類型都高。

(3)從總量變化上看,10年間,研究區(qū)森林水源涵養(yǎng)量功能減少19%,水質(zhì)凈化功能提高29%,土壤保持功能增加6%。各森林類型其生態(tài)服務(wù)功能年際差異表現(xiàn)為：單位面積水源涵養(yǎng)量均有所下降,水質(zhì)凈化功能持續(xù)提高,土壤保持功能先增后減。森林的生態(tài)服務(wù)功能不僅受到森林本身數(shù)量和結(jié)構(gòu)(郁閉度、土層厚度、土質(zhì)、根系深度等)的影響,還會(huì)受到氣象因素的影響,由于森林與氣候間存在著密切關(guān)系,區(qū)域的氣候變化也會(huì)不可避免地對(duì)森林的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不同程度的影響。但總的來看,隨著森林面積的擴(kuò)張和質(zhì)量的提高,森林的總體生態(tài)服務(wù)增強(qiáng)。

(4)對(duì)2004、2009、2014年各森林類型單位面積水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化和土壤保持功能予以比較。從各森林類型的面積和單位面積生態(tài)服務(wù)功能大小來看,有林地不僅是區(qū)域主要景觀類型,也是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總量的主要貢獻(xiàn)者,其次為灌木林地和疏林地。

如何采取有效的管理措施來對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行科學(xué)管理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益最優(yōu)化發(fā)展一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[39]。郭中偉認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性,終將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間異質(zhì)性[40]。本研究關(guān)注的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的共同驅(qū)動(dòng)力是林地資源變化,林地資源變化會(huì)導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布的不均勻性。模型輸出結(jié)果將有助于森林經(jīng)營管理者了解區(qū)域內(nèi)某一地區(qū)林地變化是如何引起服務(wù)功能數(shù)量和空間上的變化,以便有針對(duì)性的對(duì)服務(wù)功能重要區(qū)域進(jìn)行保護(hù)和管理,并通過制定適當(dāng)?shù)牧值乩靡?guī)劃來實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)經(jīng)營。

分析研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的歷程和現(xiàn)狀,管理森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵在于合理配置林地與其他用地的分布格局,提高林地與其它用地鑲嵌構(gòu)成的復(fù)合土地利用的可持續(xù)性。研究區(qū)土壤保持量空間分布圖顯示海拔高、坡度較陡的北部山區(qū)的林地變化會(huì)導(dǎo)致最大的侵蝕問題,在未來的規(guī)劃中可以對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行林地利用改造,提高該區(qū)林地的郁閉度,從而增強(qiáng)森林的抗侵蝕能力。通過N輸出空間分布圖,管理者可以了解生態(tài)系統(tǒng)對(duì)緩解水體污染的信息,以便對(duì)保持水質(zhì)的重要區(qū)域(北部)進(jìn)行保護(hù),同時(shí)可以利用這些信息規(guī)避對(duì)污染物貢獻(xiàn)最大的東南部地區(qū)的破壞。森林能減少污染物向水庫、河流等水體的輸出,因此河邊和庫區(qū)周邊的森林尤其重要,它是截留污染物避免其進(jìn)入水體的最后一道屏障。為保證整個(gè)區(qū)域水質(zhì)達(dá)標(biāo),可在丹江口庫區(qū)和境內(nèi)河流附近,建設(shè)80m寬河岸帶。

此外,評(píng)估結(jié)果顯示,縣域森林面積的擴(kuò)張雖然很好的改善了凈化水質(zhì)服務(wù)和土壤保持服務(wù),但是在降雨減少的影響下,水源涵養(yǎng)服務(wù)發(fā)生退化。在未來的時(shí)間里氣候變化仍然具有很大的不確定性,氣候變化會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。未來森林經(jīng)營戰(zhàn)略需要從單純的森林面積擴(kuò)張,轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣呱仲|(zhì)量和生產(chǎn)力(如通過補(bǔ)植造林、退耕還林、防護(hù)林建設(shè)等措施加強(qiáng)森林建設(shè),提高森林郁閉度),從而提高其對(duì)氣候變化的應(yīng)對(duì)能力[41]。

[1] 王兵, 魏江生, 胡文. 中國灌木林-經(jīng)濟(jì)林-竹林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(7): 1936- 1945.

[2] 靳芳, 魯紹偉, 余新曉, 饒良懿, 牛建植, 謝媛媛, 張振明. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值評(píng)價(jià). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 16(8): 1531- 1536.

[3] 趙景柱, 肖寒 吳剛. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的物質(zhì)量與價(jià)值量評(píng)價(jià)方法的比較分析, 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 11(2): 290- 292.

[4] 張岑, 任志遠(yuǎn), 高孟緒, 閻文浩. 甘肅省森林生態(tài)服務(wù)功能及價(jià)值評(píng)估. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2007, 21(8): 147- 151.

[5] 肖強(qiáng), 肖洋, 歐陽志云, 徐衛(wèi)華, 向軾, 李勇志. 重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(1): 216- 223.

[6] Li T, Cui Y h, Liu A G. Spatiotemporal dynamic analysis of forest ecosystem services using “big data”: A case study of Anhui province, central-eastern China. Journal of Cleaner Production, 2017, 142:589- 599.

[7] 張秋根, 王桃云, 鐘全林. 森林生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)初探. 水土保持學(xué)報(bào), 2003, 17(5): 16- 18.

[8] 陳雪峰, 黃國勝, 夏朝宗, 陳新云. 全球森林資源評(píng)估方法與啟示. 林業(yè)資源管理, 2005, (4): 24- 29.

[9] 吳霜, 延曉冬, 張麗娟. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)能值與服務(wù)功能價(jià)值的關(guān)系. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(3): 334- 342.

[10] Li M S, Huang C Q, Zhu Z L, Shi H, Lu H, Peng S K. Assessing rates of forest change and fragmentation in Alabama, USA, using the vegetation change tracker model. Forest Ecology and Management, 2009, 257(6): 1480- 1488.

[11] Daily G C, Postel S, Bawa KS, Kaufman L. Nature′s Services: Societal Dependence on Natural Ecosystems. Washington D. C.: Island Press, 1997.

[12] 肖建武, 康文星, 尹少華, 姚利輝, 郭清, 王衛(wèi)文. 廣州市城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(31): 27- 35.

[13] 肖寒, 歐陽志云, 趙景柱, 王效科. 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估初探——以海南島尖峰嶺熱帶森林為例. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 11(4): 481- 484.

[14] 吳丹, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn). 江西泰和縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2012, 31(3): 330- 336.

[15] Zhang B, Li W H, Xie G D, Xiao Y. Water conservation of forest ecosystem in Beijing and its value. Ecological Economics, 2010, 69(7): 1416- 1426.

[16] Guo Z W, Gan Y L. Ecosystem function for water retention and forest ecosystem conservation in a watershed of the Yangtze River. Biodiversity & Conservation, 2002, 11(4): 599- 614.

[17] Dixon R K, Solomon A M, Brown S, Houghton R A, Trexier M C, Wisniewski J. Carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science, 1994, 263(5144): 185- 190.

[18] 李士美, 謝高地, 張彩霞, 祁悅. 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價(jià)值的年內(nèi)動(dòng)態(tài). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(13): 3482- 3490.

[19] 胡勝, 曹明明, 劉琪, 張?zhí)扃? 邱海軍, 劉聞, 宋進(jìn)喜. 不同視角下InVEST模型的土壤保持功能對(duì)比. 地理研究, 2014, 33(12): 2393- 2406.

[20] Lukina N V, Nikonov V V, Gorbacheva T T. Natural water quality formation in forest-covered divide areas in northern Taiga. Water Resources, 2001, 28(4): 438- 450.

[21] 張勝利, 李光錄. 秦嶺火地塘森林生態(tài)系統(tǒng)不同層次的水質(zhì)效應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 25(5): 1838- 1844.

[22] 趙金龍, 王濼鑫, 韓海榮, 康峰峰, 張彥雷. 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估研究進(jìn)展與趨勢(shì). 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(8): 2229- 2237.

[23] 趙同謙, 歐陽志云, 鄭華, 王效科, 苗鴻. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值評(píng)價(jià). 自然資源學(xué)報(bào), 2004, 19(4): 480- 491.

[24] 肖燚, 陳圣賓, 張路, 岳平, 歐陽志云, 劉賢詞. 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的海南島自然保護(hù)區(qū)體系規(guī)劃. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(24): 7357- 7369.

[25] Nelson E, Mendoza G, Regetz J, Polasky S, Tallis H, Cameron D, Chan K M, Daily G C, Goldstein J, Kareiva P M, Lonsdorf E, Naidoo R, Ricketts T H, Shaw M. Modeling multiple ecosystem services, biodiversity conservation, commodity Production, and tradeoffs at landscape scales. Frontiers in Ecology and the Environment, 2009, 7(1): 4- 11.

[26] 周彬, 余新曉, 陳麗華, 張振明, 呂錫芝, 范敏銳. 基于InVEST模型的北京山區(qū)土壤侵蝕模擬. 水土保持研究, 2010, 17(6): 9- 13.

[27] 王敏, 阮俊杰, 姚佳, 沙晨燕, 王卿. 基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能研究——以福建寧德為例. 水土保持研究2014, 21(4): 185- 189.

[28] 彭怡, 王玉寬, 傅斌, 馬飛. 汶川地震重災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存功能空間格局與地震破壞評(píng)估. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 798- 808.

[29] Tallis H T, Ricketts T, Nelson E. InVEST2.1 beta User′s Guide. Stanford: The Natural Capital project, 2010.

[30] 陳風(fēng)琴, 石輝. 縉云山常綠闊葉林土壤大孔隙與入滲性能關(guān)系初探. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2005, 30(3): 350- 353.

[31] 周文佐, 劉高煥, 潘劍君. 土壤有效含水量的經(jīng)驗(yàn)估算研究——以東北黑土為例. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2003, 17(4): 88- 95.

[32] 傅斌, 徐佩, 王玉寬, 彭怡, 任靜. 都江堰市水源涵養(yǎng)功能空間格局. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 789- 797.

[33] 黃炎和, 盧程隆, 鄭添發(fā), 付勤, 許建金. 閩東南降雨侵蝕力指標(biāo)R值的研究. 水土保持學(xué)報(bào), 1992, 6(4): 1- 5.

[34] 賈芳芳. 基于InVEST模型的贛江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估[D]. 北京: 中國地質(zhì)大學(xué), 2014.

[35] 李秀彬, 趙宇鸞. 森林轉(zhuǎn)型、農(nóng)地邊際化與生態(tài)恢復(fù). 中國人口·資源與環(huán)境, 2011, 21(10): 91- 95.

[36] 李海軍, 張毓?jié)? 張新平, 韓占濤, 蘆建江, 李翔. 天山中部天然云杉林森林生態(tài)系統(tǒng)降水過程中的水質(zhì)變化. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(18): 4828- 4838.

[37] 張彪, 李文華, 謝高地, 肖玉. 北京市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力的綜合評(píng)價(jià). 水土保持學(xué)報(bào), 2009, 16(1): 240- 244.

[38] 侯喜祿, 白崗栓, 曹清玉. 黃土丘陵區(qū)森林保持水土效益及其機(jī)理的研究. 水土保持學(xué)報(bào), 1996, 3(2): 98- 103.

[39] 李屹峰, 羅躍初, 劉綱, 歐陽志云, 鄭華. 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響——以密云水庫流域?yàn)槔? 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 726- 736.

[40] 郭中偉, 甘雅玲. 關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的幾個(gè)科學(xué)問題. 生物多樣性, 2003, 11(1): 63- 69.

[41] 劉世榮, 代力民, 溫遠(yuǎn)光, 王暉. 面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營: 現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(1): 1- 9.

Effectsofforestresourcechangesonecosystemfunction:acasestudyofXichuanCounty,themainsourceofwaterforsouth-to-northwatertransferinChina

YIN Gelan1, SHAO Jing′an1,2,*, GUO Yue1,2, DANG Yongfeng3

1CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing, 400047,China2KeyLaboratoryofSurfaceProcessandEnvironmentRemoteSensing,ThreeGorgesReservoirArea,Chongqing400047,China3AcademyofForestryInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China

Because forest ecosystems and the services they provide cannot be replaced, the main purpose of forest maintenance and management is to protect forests, as a basic resource for human survival and development. As a case study, the present study investigated Xichuan County, which is the main source of water for the middle route of the south-to-north water diversion project, by quantitatively analyzing changes in forest resources from 2004 to 2014, using TM and GF1 image data from 2004—2009 and 2014, respectively. On the basis of previous analyses, the InVEST model was used to quantitatively evaluate the ecosystem function of the forest (water conservation, water purification, and soil conservation). The results indicated that the area of forest increased rapidly, by 10.85% from 2004 to 2009 and by 7.44% from 2009 to 2014, which resulted in a forest area of 45.65% by 2014. From 2004 to 2014, the closed forest land of the county increased as well, whereas the area of shrubland and Nursery woodland increased more slowly, and the area of sparse woodland and non-wooded land both tended to increase and then decline in succession. As the forest resources changed, significant changes were also observed in the corresponding ecosystem functions, including 10-year water purification, which increased by 29%; water conservation, which increased by 19%; and soil conservation, which increased by 6%. Meanwhile, among the individual forest types, the average water conservation function decreased annually, whereas the average water purification capacity continuously improved, and the average soil holding capacity initially increased and subsequently decreased. Forest was the main type of landscape cover in the region, as well as the main contributor to total ecosystem function, followed by shrubland and sparse forest. During the study period, areas that contributed to the county′s water conservation, water purification, and soil conservation services were strongly and positively correlated with forest area, and both improvement and expansion of forested areas enhanced the ecological services provided. In addition, the spatial distribution of the forest′s ecosystem function was greater in the north than in the south. Analysis of the history and current condition of forest ecosystem management in the study area indicated that the key managing forest ecosystem service lies in maintaining an appropriate distribution of forestland and other land types, and the ecological function of the forests was affected by both forest area and structure (e.g., crown density, soil thickness, soil, root depth), as well as by meteorological factors. In order to improve forest quality and productivity, future forest management strategies need to promote the expansion of pure forestland and transformation and implement changes that will improve the ability of the forest ecosystem to adapt to climate change.

forest resources; water conservation; water purification; soil conservation; InVEST model

國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室2015年技術(shù)咨詢委托項(xiàng)目

2016- 05- 17; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shao_ja2003@sohu.com

10.5846/stxb201605170954

殷格蘭,邵景安,郭躍,黨永峰.林地資源變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響——以南水北調(diào)核心水源地淅川縣為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(20):6973- 6985.

Yin G L, Shao J A, Guo Y, Dang Y F.Effects of forest resource changes on ecosystem function: a case study of Xichuan County, the main source of water for south-to-north water transfer in China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6973- 6985.