貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能價(jià)值評(píng)估

郝新朝 安裕倫 伍顯 夏林 陳啟英 奚世軍 安宏鋒 朱啟雄

摘? 要：森林生態(tài)系統(tǒng)是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，在全球生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該研究從森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能視角出發(fā)，基于2000—2010年貴州省各州（市）降雨數(shù)據(jù)和2010年貴州省森林?jǐn)?shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析工具模塊下的空間插值、降雨量貯存、替代工程等方法，結(jié)合坡度、海拔和巖性等指標(biāo)修正的R值，評(píng)估了2010年貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的價(jià)值及其空間差異。結(jié)果表明：（1）貴州省2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能為205.363億m3，轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1640.850億元，相當(dāng)于貴州省同年全省生產(chǎn)總值的35.7%。（2）貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能整體上看為中部低，南、北部高;西部低，東部高。（3）按行政區(qū)劃來(lái)分，單位面積水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)為：黔東南>黔西南>黔南>銅仁>安順>六盤水>遵義>貴陽(yáng)>畢節(jié)。（4）就不同森林類型單位面積水源涵養(yǎng)能力來(lái)看，常綠闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌木林。

關(guān)鍵詞：森林生態(tài)系統(tǒng);生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;水源涵養(yǎng)功能;貴州省

中圖分類號(hào) S718.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）（02-03）-0094-05

Abstract：Forest ecosystems are the largest ecosystem on Earth and play a vital role in the global ecosystem.The paper starts from the perspective of its service function，using the rainfall data of Guizhou Province in 2000-2010 and the vegetation data of Guizhou Province in 2010 as the basic data，using the spatial interpolation method under the ArcGIS spatial analysis tool module，the rainfall storage method，The value of the water conservation function of forest ecosystems in Guizhou Province and its internal differences were evaluated by alternative engineering methods and the R values ??corrected by slope，elevation and lithology.The results showed that：（1）The water conservation function of forest ecosystem in Guizhou Province was 20.536 billion cubic meters in 2010，which was converted into economic value of 164.085 billion yuan，equivalent to 35.7% of the province's GDP in the same year of Guizhou Province.（2）The water conservation function of forest ecosystems in Guizhou Province was generally low in the central part，high in the south and north，low in the west and high in the east.（3）According to the administrative division，the water conservation capacity per unit area was as follows：southeastern Yunnan>southwestern Yunnan> southern Yunnan>Tongren>Anshun>Liupanshui>Zunyi>Guiyang>Bijie.（4）In terms of water conservation capacity per unit area of different forest types，evergreen broad-leaved forest>coniferous and broad-leaved mixed forest>evergreen coniferous forest>deciduous broad-leaved forest>shrub forest.

Key words：Forest ecosystem;Ecosystem service function;Water conservation function; Guizhou Province

森林生態(tài)系統(tǒng)是人類巨大的綠色寶庫(kù)，是維持全球生態(tài)平衡的主體和人類賴以生存的重要自然資源，對(duì)調(diào)節(jié)生物圈、大氣圈和水圈平衡，改善生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用[1]。水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一個(gè)重要功能，主要表現(xiàn)為截留降水、增強(qiáng)土壤下滲、抑制蒸發(fā)、緩和地表徑流等功能[2]。森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是植被層、枯枝落葉層和土壤層對(duì)降雨進(jìn)行再分配的復(fù)雜過(guò)程[3]。自20世紀(jì)中葉開(kāi)始，大量學(xué)者對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的水文過(guò)程和形成機(jī)制展開(kāi)了研究[4-8]。21世紀(jì)初，隨著《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》的開(kāi)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估成為研究焦點(diǎn)之一[9]。水源涵養(yǎng)功能作為其中重要組成成分，學(xué)者對(duì)其的相關(guān)研究也在持續(xù)增加[10]。由于對(duì)水源涵養(yǎng)功能含義和深度的理解不一，研究區(qū)域不同、尺度不一以及類型不同，采用的核算方法也各種各樣。因此，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量的水源涵養(yǎng)功能評(píng)估方法與模型，主要有林冠截留剩余量法[11]、土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法[12]、年徑流量法、水量平衡法[13]、徑流系數(shù)法以及降水量貯存法和InVEST模型[14]等。這些方法優(yōu)勢(shì)各異，但都存在一定的局限性，要做到具體情況具體分析，綜合考慮，才能客觀反映其實(shí)際水源涵養(yǎng)量及價(jià)值[15，16]。綜合蓄水能力法相對(duì)全面，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果僅代表理論上的效益值;林冠截留剩余量法忽視森林地表及地下水文過(guò)程;水量平衡法宏觀考慮，思路清晰，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，但結(jié)果不能全面反映其水源涵養(yǎng)量[17];降水量貯存法受降水量影響較大，且忽略海拔的作用，但計(jì)算簡(jiǎn)單，所需數(shù)據(jù)量少，結(jié)果可反映理論涵養(yǎng)量，對(duì)其他方法的計(jì)量結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

貴州省位于西南喀斯特地區(qū)的中心，是中國(guó)非常重要的脆弱生態(tài)功能區(qū)。20世紀(jì)以來(lái)，該區(qū)域森林減少、水土流失及石漠化加劇，生態(tài)環(huán)境惡化，人地矛盾突出，生態(tài)功能退化[18]。貴州省森林覆蓋率較高，降水量大，多年平均降水量達(dá)1200mm，加上其地質(zhì)地貌特征獨(dú)特，土層厚度相對(duì)較薄，地面蓄水保水能力較弱，有“地下水滾滾流，地上水貴如油”的說(shuō)法，該地區(qū)仍面臨水資源缺乏的問(wèn)題。因此評(píng)估該地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其內(nèi)部差異尤為重要。筆者從其服務(wù)功能角度著手，以行政區(qū)劃為單元，結(jié)合海拔、巖性等數(shù)據(jù)，對(duì)其森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能及其內(nèi)部差異進(jìn)行估算與分析，對(duì)其保護(hù)、開(kāi)發(fā)與管理具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義，并為建立健全生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省地處中國(guó)西南腹地，位于103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N之間，與重慶、湖南、廣西、云南、四川接壤。下轄有安順市、畢節(jié)市、貴陽(yáng)市、黔東南苗族侗族自治州（凱里市）、銅仁市、遵義市等9個(gè)州市，國(guó)土總面積17.617萬(wàn)km2，其中喀斯特地貌面積約為10.918萬(wàn)km2，占土地總面積的61.9%[19]。地貌以高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說(shuō)。貴州省地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1100m左右。貴州氣候冬暖夏涼，溫暖濕潤(rùn)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均溫度一般在14～18℃，全年無(wú)霜期225～280d;降水較為充足，年降水量在1000～1300mm[20]。貴州省2017年森林覆蓋率達(dá)52%，位居全國(guó)第10，人均森林面積約為0.26hm2。森林以常綠針葉林、常綠闊葉林和灌木林為主要植被類型，有70種珍稀植物列入國(guó)家珍稀瀕危保護(hù)植物名錄，全省有野生植物資源3800余種。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 選取貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以2010年植被數(shù)據(jù)和2000—2010年貴州省氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，估算貴州省2010年森林生態(tài)系統(tǒng)功能及價(jià)值。2010年植被數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)生態(tài)環(huán)境10年變化（2000—2010）遙感調(diào)查與評(píng)估貴州省專題項(xiàng)目，結(jié)合同年部分林業(yè)數(shù)據(jù)整理得到。將研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)分為常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林等8種植被類型。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站共19個(gè)站點(diǎn)2000—2010年貴州省數(shù)據(jù)集。氣象數(shù)據(jù)經(jīng)整理計(jì)算得到貴州省19個(gè)站點(diǎn)10年的年平均降水量。文中涉及的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒2016》。

2.2 研究方法

2.2.1 預(yù)處理 基于貴州各地州市19個(gè)站點(diǎn)空間分布及各站點(diǎn)2000—2010年年平均降水量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析工具的克里金（kriging）空間插值和空間統(tǒng)計(jì)方法，獲取貴州省2000—2010年年平均降水量空間分布，進(jìn)一步算出貴州各州市年均降水量數(shù)據(jù)（如表1）。

2.2.2 水源涵養(yǎng)量 主要采用降雨量貯存法[21]對(duì)貴州省森林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行計(jì)算，該功能的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值采用替代工程法進(jìn)行評(píng)價(jià)，水庫(kù)造價(jià)成本取7.99元/m3[22]。

其中，Q為與裸地相比森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分增加量（mm/（hm2/a））;A為森林生態(tài)系統(tǒng)的面積（hm2）;J為研究區(qū)多年平均產(chǎn)流降水量（mm）;J0為研究區(qū)多年平均降水量（mm）;K為研究區(qū)產(chǎn)流降水量占降水總量的比例;R為與裸地相比，生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù);R0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降水徑流率;Rg為產(chǎn)流降雨條件下林地降水徑流率。

貴州省受東亞季風(fēng)影響，降水量較大，表層喀斯特帶順坡徑流量大[23]。貴州省有60%以上的面積均為喀斯特區(qū)域，喀斯特石漠化嚴(yán)重。筆者以行政區(qū)劃為單元，利用ArcGIS空間統(tǒng)計(jì)獲得的貴州省各州市年均降水量，參考趙同謙等[24]提出的K值（北方0.4，南方0.6）和R值，綜合考慮中國(guó)南北方差異，結(jié)合貴州省實(shí)際情況巖性和坡度，（全省平均坡度為16°，喀斯特區(qū)域丘峰坡度平均為30°），對(duì)部分R值進(jìn)行修正，結(jié)果如表2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林水源涵養(yǎng)量地區(qū)分布 結(jié)合貴州省各州市多年平均降水量、水源涵養(yǎng)計(jì)算公式、K值和修正的R值，計(jì)算得到水源涵養(yǎng)量評(píng)估結(jié)果（見(jiàn)表3），進(jìn)一步得到其經(jīng)濟(jì)價(jià)值量。

貴州省2010年森林生態(tài)系統(tǒng)總水源涵養(yǎng)量為205.363億m3，占全省同年公報(bào)數(shù)據(jù)水源涵養(yǎng)總量的21.47%。轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1640.850億元，單位面積森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量為2134.814m3/hm2。整體來(lái)看水源涵養(yǎng)量分布為中部低，南、北部高;西部低，東部高。

全省黔東南地區(qū)、黔西南的冊(cè)亨、望謨和貞豐以及遵義的赤水、習(xí)水和務(wù)川部分地區(qū)為非喀斯特區(qū)域，海拔較低（<1100m），且土壤分別以黃壤、紅壤和紫色土為主，石漠化程度較低，森林植被茂密，植被覆蓋度較高，蓄水能力較好，水源涵養(yǎng)量大;黔中地區(qū)為喀斯特區(qū)域，典型喀斯特和亞喀斯特分布較多，海拔在1100m左右，地勢(shì)相對(duì)平坦，但土壤以石灰土和黃壤為主，并有部分粗骨土和水稻土，植被較稀疏，蓄水能力較差，且面積較小，故水源涵養(yǎng)量小;西部地區(qū)海拔高，喀斯特石漠化嚴(yán)重，且植被以灌木林為主，水源涵養(yǎng)量較小，為30.172億mm3;東部地區(qū)海拔較低，平均坡度較小，土壤以黃壤為主，森林類型以常綠針葉林為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，水源涵養(yǎng)量較大，為46.134億m3。

按行政區(qū)劃來(lái)看，黔東南州森林水源涵養(yǎng)量最大，為50.224億m3，占比24.46%;貴陽(yáng)和六盤水地區(qū)森林水源涵養(yǎng)量最小，分別為7.336億m3和8.740億m3，占比分別為3.57%和4.26%。貴州9個(gè)州市行政區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量占比：黔東南（24.46%）>黔南（17.31%）>遵義（16.46%）>畢節(jié)（10.44%）>銅仁（10.24%）>黔西南（8.75%）>安順（4.53%）>六盤水（4.26%）>貴陽(yáng)（3.57%）;單位面積水源涵養(yǎng)能力：黔東南（2300.497）>黔西南（2280.637）>黔南（2260.083）>銅仁（2244.797）>安順（2165.922）>六盤水（2076.396）>遵義（2055.306）>貴陽(yáng)（2012.900）>畢節(jié)（1673.768）。黔東南有大面積針葉林，黔南有灌木林和針闊混交林，遵義地區(qū)有大面積闊葉林，且茂蘭自然保護(hù)區(qū)和赤水自然保護(hù)區(qū)分別在黔南和遵義地區(qū)，該區(qū)域水源涵養(yǎng)功能較高;畢節(jié)地區(qū)以灌木林為主，并有少許針葉林，銅仁地區(qū)有梵凈山自然保護(hù)區(qū)，2/3的林地面積均為針葉林，畢節(jié)雖有面積優(yōu)勢(shì)，水源涵養(yǎng)總量略大于銅仁地區(qū)，但論單位面積的水源涵養(yǎng)功能，銅仁地區(qū)遠(yuǎn)高于畢節(jié)地區(qū);貴陽(yáng)市地處黔中，喀斯特石漠化嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)功能較低。

3.2 不同森林類型水源涵養(yǎng)及其貢獻(xiàn)率 貴州森林以常綠針葉林和灌木林為主，針闊混交林面積最小。其中常綠針葉林因其面積優(yōu)勢(shì)，水源涵養(yǎng)量最大，為92.706億m3，貢獻(xiàn)率為45.142%，是森林水源涵養(yǎng)的主體;常綠闊葉林水源涵養(yǎng)量為19.718億m3，約占總量的9.602%;灌木林和落葉闊葉林的水源涵養(yǎng)量為57.897億m3和32.575億m3，貢獻(xiàn)率分別為28.192%和15.862%;針闊混交林因面積最小，水源涵養(yǎng)量最低，為2.467億m3，僅占總量的1.202%。

貴州省2010年森林類型水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率與其面積占比成正相關(guān)關(guān)系，面積越大的森林類型，其水源涵養(yǎng)量也越大，相對(duì)的貢獻(xiàn)率也越大。就單位面積水源涵養(yǎng)能力來(lái)說(shuō)，常綠闊葉林水源涵養(yǎng)能力最高，為2612.048m3/hm2;其次是針闊混交林，為2544.7m3/hm2;常綠針葉林涵養(yǎng)能力略低于針闊混交林，為2402.665m3/hm2;灌木林水源涵養(yǎng)能力最低，為1815.064m3/hm2（如表4）。水源涵養(yǎng)功能排序?yàn)椋撼＞G闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌木林。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論 貴州省2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能為205.363億m3，占同年公報(bào)數(shù)據(jù)水源涵養(yǎng)總量的21.47%;轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1640.850億元，相當(dāng)于同年貴州省全省生產(chǎn)總值的35.7%。單位面積森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量為2134.814m3/hm2。

貴州省森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能整體上看為中部低，南、北部高;西部低，東部高。水源涵養(yǎng)功能受巖性、土壤和植被類型影響較大，喀斯特石漠化越嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)功能越低。按行政區(qū)劃來(lái)分，水源涵養(yǎng)量占比大小順序?yàn)椋呵瓥|南>黔南>遵義>畢節(jié)>銅仁>黔西南>安順>六盤水>貴陽(yáng);單位面積水源涵養(yǎng)能力大小順序?yàn)椋呵瓥|南>黔西南>黔南>銅仁>安順>六盤水>遵義>貴陽(yáng)>畢節(jié)。

就不同森林類型而言，貴州省2010年常綠針葉林水源涵養(yǎng)量最大，為92.706億m3，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率也最大，為45.142%;其次是灌木林，然后是落葉闊葉林和常綠闊葉林;針闊混交林因面積最小，其水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)率也最低，約為1.202%。從單位面積水源涵養(yǎng)能力來(lái)看，常綠闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌木林。

4.2 討論 筆者結(jié)合貴州省實(shí)際情況（巖性、坡度和土壤等）對(duì)R值進(jìn)行部分修正，選擇降水量貯存法對(duì)貴州省2010年森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能價(jià)值及內(nèi)部差異進(jìn)行估算評(píng)價(jià)，方法簡(jiǎn)單，易于操作。但植被分類較少，未考慮喀斯特地區(qū)森林水文及其時(shí)空變化情況，估算相對(duì)粗略，有待于進(jìn)一步深入分析研究，并在以后的研究中深化完善。

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（責(zé)編：徐世紅）