熱帶季節雨林和次生林水源涵養服務價值變化過程研究

裴 廈，謝 高 地，張 昌 順，劉 春 蘭，陳 龍

(1.北京市環境保護科學研究院，國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

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熱帶季節雨林和次生林水源涵養服務價值變化過程研究

裴 廈1，謝 高 地2*，張 昌 順2，劉 春 蘭1，陳 龍1

(1.北京市環境保護科學研究院，國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

為了掌握西雙版納熱帶季節雨林和次生林水源涵養服務價值的變化規律，基于西雙版納生態臺站的定位觀測數據，對比分析了兩種林型水源涵養服務的構成及年內價值變化過程。結果表明，兩種林型的水源涵養總量接近，分別為74 158 m3/hm2和70 654 m3/hm2，水調節量為主，占90%以上。熱帶季節雨林的水供給價值高于水調節價值，熱帶次生林的水調節價值和水供給價值大致相等，綜合分析，熱帶季節雨林的年水源涵養服務價值(4 531 元/hm2)比次生林(2 732元/hm2)高66%。兩種林型的水源涵養服務變化過程相似：主要受水供給變化過程的影響，水源涵養服務變化曲線呈單峰態，月變異程度較大；熱帶季節雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵養量分別占全年總量的54%和57%，水源涵養價值均占全年總價值的65%左右。

水源涵養；水調節；水供給；年內變化過程；西雙版納

森林通過林冠層、枯枝落葉層和土壤層對降雨的截蓄和吸持起著良好的水源涵養作用[1]。關于森林生態系統水源涵養服務及價值的研究已有很多，但多是對森林水源涵養的年功能量和價值量進行核算，缺乏基于植被水文過程的水源涵養服務及價值變化過程的研究。Chan等[2]指出由于缺少局地和區域尺度關于生態系統服務動態變化的研究，導致無法形成系統的方法來規劃和管理生態系統。因此，有必要研究森林生態系統的水源涵養服務價值變化過程，以期增強人類對森林水源涵養服務的認識，豐富生態系統服務價值評估的理論，為森林生態系統的保護和管理提供科學支撐。

鑒于西雙版納熱帶森林的典型性和數據的完備性，本研究以西雙版納熱帶季節雨林和次生林為研究對象，基于中國生態系統研究網絡(CERN)定位觀測數據，對比分析西雙版納熱帶季節雨林和次生林的水源涵養服務價值變化過程。

1 研究區域和方法

1.1 研究區域

中國生態系統研究網絡(CERN)云南西雙版納站的熱帶季節雨林觀測場(101°12′1″E，21°57′40″N)位于云南省勐臘縣勐侖鎮，為原始森林自然演替的頂級群落，人類活動的影響極小。物種以番龍眼(Pometiapinnata)+千果欖仁(Terminaliamyriocarpa)為標志種，屬于熱帶北緣的頂級群落類型，群落蓋度約90%,群落高35～40 m，垂直結構分為喬木層、灌木層、草本層和層間植物;坡度12°～18°，坡向為北坡，坡位居中；土壤類型為磚紅壤，母質為白堊黃色砂巖。熱帶次生林觀測場(101°16′23″E，21°55′08″N)位于云南省勐臘縣勐侖鎮，屬原始森林經人為干擾后發育起來的次生植物群落，人類活動的影響為輕度。植物群落類型有：番龍眼(Pometiapinnata)+見血封喉(Antiaristoxicaria)+樫木(Dysoxylumexcelsum)+梭果玉蕊(Barringtoniafusicarpa)+思茅崖豆(Fordialeptobotrys)-假海桐(Pittosporopsiskerrii)+大花哥納香(Goniothalamusgriffithii)-蕨類植物+小葉樓梯草(Elatostemaparvum)，群落高20～25 m，為中齡林，群落結構分為喬木層、灌木層和草本層；坡度20°～27°，坡向西坡，坡位下坡；土壤類型為磚紅壤，母質為砂巖[3]。

1.2 研究方法

水源涵養服務可以分為水調節服務和水供給服務[4]。水調節服務主要通過森林各層的截留和儲蓄降水功能來實現，水供給服務主要通過地上和地下徑流來實現。因此，水調節服務可依靠森林綜合蓄水能力法計算，水供給服務可依據徑流量進行計算。

西雙版納熱帶季節雨林區是有名的靜風(年均風速0.5 m/s)、多霧(年霧日>170 d)區，霧涼季(11-2月)和干熱季(3-4月)多有輻射霧出現，霧的總持續時間占霧涼季和干熱季時間的40%以上，西雙版納熱帶季節雨林具有較強的攔截霧水、增加水平降水的作用[5]。因此，在計算熱帶季節雨林水源涵養及價值時，除了考慮降雨因素外，還應考慮霧水的作用。總降水量R為降雨量R1和水平降水量(截留霧水量+穿透霧水量)R2之和。截留霧水量根據劉文杰等[5]的研究成果進行推算，霧季、干季和雨季的水平降水量占總降水量比例的平均值分別為58.4%、51.9%和6.8%。

R=R1+R2

(1)

森林截蓄降水主要依靠林冠層、凋落物層和土壤層，凋落物月持水量和土壤月蓄水量分別為凋落物和土壤含水量，依據凋落物和土壤含水率進行計算。因此，森林月截蓄降水總量Vs的計算公式如下:

Vs=Vs1+Vs2+Vs3

(2)

式中：Vs1為林冠層月截水量，Vs2為凋落物月持水量，Vs3為土壤月蓄水量。其中Vs1的計算公式如下:

Vs1=R-Fb-Rp

(3)

式中：R為月降水量，Fb為樹干月徑流量，Rp為月穿透降水量。

森林生態系統月調節水量Vr計算公式為：

Vr=Vs

(4)

森林生態系統月供水量Vg計算公式為：

Vg=F=F地表+F地下

(5)

式中：F為月徑流量，F地表為月地表徑流量，F地下為月地下徑流量。

生態系統可以被看做一個水庫，二者都有蓄水和調水的功能。因此，水調節價值計算采用替代工程法，選擇1m3水庫庫容建設投資成本作為水調節服務的單價。由于生態系統服務屬于“流量”范疇，因此，應該用水庫建設年均投資成本AV(而非總投資成本)來計算水調節服務的價值。

(6)

式中：PV為水庫建設投資總成本，r為貼現率，n為水庫使用年限。

根據式(6)計算1m3水庫庫容建設年均投資成本，再除以12即為每個月的投資成本。全國平均1m3水庫庫容建設投資成本為6.11元[6]；采用銀行存款利率3.5%作為貼現率計算1m3庫容的年投資成本。水供給價值采用水資源費0.5元/m3進行計算[7]。月水調節服務價值Mr的計算公式為：

Mr=AV·Vr/12

(7)

月水供給服務價值Mg的計算公式為：

Mg=0.5·Vg

(8)

則月水源涵養價值M為：

M=Mr+Mg

(9)

1.3 數據來源

本研究中熱帶季節雨林和次生林的降水量、凋落物持水量、土壤層蓄水量、樹干徑流量和穿透降水量數據來源于中國生態系統研究網絡(CERN)中的西雙版納站熱帶季節雨林和次生林樣地上小集水區2002-2006年的監測數據[3]，取2002-2006年各指標的平均值進行計算;價格參數采用國家相關權威部門發布的社會公共數據或已有的研究成果;做圖和回歸分析所用軟件為Origion8.5。

2 研究結果分析

2.1 水調節服務及價值

截蓄降水是留在生態系統中的降水部分，它不僅起調節徑流的作用，而且對維持生態系統正常生長、改善生態系統環境具有重要價值。研究表明，年內熱帶季節雨林林冠層、枯落物層和土壤層的月截蓄總水量平均值為5 858m3/hm2，次生林的月截蓄水量平均值比季節雨林少199m3/hm2。兩種林型的土壤層蓄水量最多，占總截蓄水量的80%以上，其次為林冠截留量，枯落物的持水最小，占總截蓄水量的比例不足1%。

年內熱帶季節雨林和次生林各層月調節水量的變化趨勢基本一致(圖1)。兩種林型的總調節水量曲線分別在5月和8月出現波峰，最大值都出現在8月，此時也恰恰是兩種林型土壤蓄水量最大的月份。土壤蓄水量變化平緩。土壤含水量最小值出現在3月、4月，最大值出現在8月。這是因為3月和4月屬于該區的干熱季，降水補給較少，同時植被和土壤的蒸散發較大；而8月屬于雨季，降水補給相對較多。林冠截留量變化較劇烈，兩種林型都在5月和8月分別出現一個峰值，其中最大值出現在8月。凋落物的含水量相對于截蓄總量太少，可以忽略不計。綜合看，森林截蓄降水總量的曲線變化形式與林冠層截水量的曲線形式一致。

兩種林型的土壤層蓄水量受降水量影響較小，兩者之間無線性相關關系；林冠層截水量和森林截蓄降水總量受降水量影響較大，與降水量之間呈現線性相關關系(表1)。

圖1 熱帶季節雨林和次生林調節水量構成及年內變化過程

Fig.1 Change of monthly water regulation of tropical seasonal rain forest and secondary forest

表1 月截留降水量與月降水量之間的線性關系式

Table 1 Linear equations between monthly water retention and monthly precipitation

林型截留降水類型關系式熱帶季節雨林熱帶次生林林冠層y=344．44+2．04x，R2=0．79，p<0．01總截留降水y=5410．47+2．78x，R2=0．67，p<0．01林冠層y=-247．19+3．16x，R2=0．79，p<0．01總截留降水y=4955．11+4．37x，R2=0．60，p<0．01

年內熱帶季節雨林截蓄降水價值(1 406 元/hm2)稍高于次生林(1 358 元/hm2),且年內價值的變化趨勢與調節水量的變化趨勢一致。原始熱帶季節雨林和次生林的水調節服務價值大小接近，而且在雨季(5-10月)和干季(11-4月)分配較平均。熱帶季節雨林和次生林的水調節價值在雨季和干季分配也較平均：在雨季熱帶季節雨林和次生林的水調節價值分別為717 元/hm2和722元/hm2，在干季兩者分別為689元/hm2和636 元/hm2。

2.2 供給水服務及價值

森林的徑流量包括地下徑流和地表徑流，是森林為人類提供的可利用的較為潔凈的水資源。一年中，西雙版納熱帶季節雨林的供給水量高于次生林，熱帶季節雨林的徑流總量為6 250 m3/hm2，是次生林的2.28倍。

圖2 熱帶季節雨林和次生林供給水量年內變化過程

Fig.2 Change of monthly water supply by tropical seasonal rain forest and secondary forest

熱帶季節雨林和次生林供給水量的年內變化曲線形態一致，都出現一個波峰(圖2)，但熱帶次生林的年內變化程度稍高于季節雨林。熱帶次生林的月水供給價值最大值(634 m3/hm2，出現在8月)是最小值(62 m3/hm2，出現在4月)的10.22倍；熱帶季節雨林的最大值(1 780 m3/hm2，出現在8月)是最小值(183 m3/hm2，出現在4月)的9.72倍。假設最后的水質一樣，可以說，熱帶季節雨林供給水的能力高于次生林。兩種林型的供水量受降水量的影響較大，與降水量呈顯著線性相關關系(表2)。

表2 月供水量與月降雨量之間的線性關系式

Table 2 Linear equations between monthly water supply and monthly precipitation

林型供水量類型關系式熱帶季節雨林總供水量y=-112．81+3．94x，R2=0．57，p<0．01熱帶次生林總供水量y=-6．56+1．46x，R2=0．49，p<0．01

熱帶季節雨林和次生林的年內供水總價值分別為3 125 元/hm2和1 373 元/hm2。由于供水單價一樣，供水價值在年內的變化曲線形態與供水量的變化曲線一樣。兩種林型的水供給服務主要在雨季(5-10月)發揮，熱帶季節雨林在雨季供給水價值占全年總價值的73%，次生林的占77%。

2.3 水源涵養量及價值

熱帶季節雨林和次生林水源涵養量在年內的變化曲線都呈現單峰形態(圖3)，年水源涵養總量分別為74 158 m3/hm2和70 654 m3/hm2，前者比后者多5%。在水源涵養量中，調節水量占主導(占90%以上)。兩種森林的月水源涵養量最大值都出現在8月，分別為8 438 m3/hm2和7 292 m3/hm2，熱帶季節雨林的月水源涵養量高于次生林。年內兩種林型的月水源涵養量變化程度較大，熱帶季節雨林的變異系數為61%，次生林的為51%。熱帶季節雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵養量稍大于干季(11-4月)，兩種林型雨季水源涵養量分別占全年總量的54%和57%。兩種林型的水源涵養量與降水量呈顯著線性相關關系(表3)。

圖3 熱帶季節雨林和次生林水源涵養量年內變化過程

Fig.3 Change of monthly water conservation of tropical seasonal rain forest and secondary forest

表3 月水源涵養量與月降雨量之間的線性關系式

Table 3 Linear equations between monthly water conservation and monthly precipitation

林型關系式熱帶季節雨林y=4842．30+8．31x，R2=0．62，p<0．01熱帶次生林y=4948．25+5．83x，R2=0．54，p<0．01

熱帶季節雨林的年水源涵養總價值為4 531 元/hm2，比次生林(2 732 元/hm2)高66%。熱帶季節雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵養價值占全年總價值的65%左右。熱帶季節雨林的水源涵養價值以水供給價值為主，占總價值的69%；熱帶次生林的水調節價值和水供給價值各占總價值的50%。熱帶季節雨林和次生林的水調節量和價值相近，水源涵養價值的差異主要是由于供水量的差異導致的。

3 結論與討論

水源涵養是森林生態系統重要的生態系統服務之一，也是當前生態經濟領域研究的熱點問題。生態系統服務功能和價值的評估不僅要考慮生態系統的現狀和構成，還應考慮其時空變化，要深入了解生態系統服務功能的內部機制和演變規律[8]。本文基于生態臺站的定位觀測數據，從森林生態系統提供水源涵養功能機制以及人類需求的角度出發，研究了西雙版納熱帶季節雨林和次生林水源涵養服務及其價值在年內的變化規律。

由于氣候和土壤母質相同，原始季節雨林和次生林的水源涵養服務的變化過程存在一致的方面，同時次生林與原始季節雨林相比較，林冠層次少，葉面積指數低，這也導致兩種林型在水源涵養總量及構成方面存在差異。研究結果表明：1)兩種林型的水源涵養總量接近，熱帶季節雨林比次生林高5%，水調節量在水源涵養量中占90%以上；熱帶季節雨林提供的年水源涵養服務價值(4 531 元/hm2)比次生林(2 732 元/hm2)高66%。這主要由于熱帶季節雨林的水供給量高于次生林，加上水供給量單價大于水調節量單價，導致熱帶季節雨林的水供給價值高于水調節價值，為總價值的69%。熱帶次生林的水調節價值和水供給價值均占總價值的50%左右。2)主要受降水量變化的影響，兩種林型的水源涵養量及價值在年內的變化曲線呈單峰態，月水源涵養量及價值年內變異較大；兩種林型在雨季(5-10月)的水源涵養量及價值均大于干季(11-4月)，其中，熱帶季節雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵養量分別占全年總量的54%和57%；水源涵養價值占全年總價值的65%以上。3)水源涵養服務變化過程主要受水供給服務變化過程的影響，水調節服務在年內變化較小。

在計算生態系統服務價值時，已有研究大都直接采用1 m3水庫的永久投資成本進行計算，這實際上是將生態系統的水源涵養服務價值作為資產價值，計算出的結果并不是生態系統的年服務價值，研究成果不符合生態系統服務屬于“流量”這一范疇[9，10]。在本研究中修正了這一點，根據水庫的總投資成本進行貼現，計算了年均投資成本，再根據年均成本計算生態系統的年水源涵養價值，計算結果是生態系統服務價值而非資產價值。今后應進一步加強不同區域不同種類森林水文作用過程的長期監測和研究，辨析不同森林生態系統的水源涵養服務差異。

感謝中國生態系統研究網絡(CERN)的工作者為獲取監測數據所做的艱辛工作！

[1] 楊玉盛，陳光水，謝錦升.論森林水源涵養功能[J].福建水土保持，1999，11(3)：3-7，29.

[2] CHAN K M,SHAW M R,CAMERON D R,et al.Conservation planning for ecosystem services[J].PLoS Biology,2006(4):2138-2152.

[3] 鄧曉保，唐建維.中國生態系統定位觀測與研究數據集·森林生態系統卷：云南西雙版納站(1998-2006)[M].北京：中國農業出版社,2010.

[4] 謝高地，甄霖，魯春霞，等.一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法[J].自然基金學報，2008，23(5)：911-919.

[5] 劉文杰，張一平，劉玉洪，等.西雙版納熱帶季節雨林林冠穿透霧水的觀測研究[J].植物生態學報，2003，27(6)：749-755.

[6] 國家林業局.森林生態系統服務功能評估規范(LY/T1721-2008)[S].北京：中國標準出版社，2008.

[7] 周望軍.中國水資源及水價現狀調研報告[J].中國物價，2010(3)：18-23.

[8] 李文華，張彪，謝高地.中國生態系統服務研究的回顧與展望[J].自然資源學報，2009，24(1)：1-10.

[9] 侯元兆，吳水榮.生態系統價值評估理論方法的最新進展及對我國流行概念的辯正[J].世界林業研究，2008，21(5)：7-16.

[10] DOMINATI E,PATTERSON M,MACKAY A.A Framework for classifying and quantifying the natural capital and ecosystem services of soils[J].Ecological Economics,2010,69:1858-1868.

Intra-annual Change of Water Conservation Value of Tropical Seasonal Rain Forest and Secondary Forest

PEI Sha1,XIE Gao-di2,ZHANG Chang-shun2,LIU Chun-lan1,CHEN Long1

(1.BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentProtection,NationalUrbanEnvironmentalPollutionControlEngineeringResearchCenter,Beijing100037;2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)

The study analyzed change of water conservation and its value of tropical seasonal rain forest and secondary forest in Xishuangbanna based on data from CERN (Chinese Ecosystem Research Net) to help us to master the evolution rule of water conservation of those two forests.Water conservation service of forest was classified into water regulation and water supply from the perspectives of water conservation mechanism of forest as well as human need.The results showed that the water conserved by tropical seasonal rain forest and tropical secondary forest is all most the same.The water regulation made up more than 90% of the total water conserved by the two forests.Nevertheless,the water conservation value of tropical seasonal rain forest (being 4 531 yuan/hm2) is 66% higher than that of tropical secondary forest(being 2 732 yuan/hm2).The difference of the water conservation value was because of the distinction of water supply of the two forests.In the total water conservation value of tropical seasonal rain forest,the water supply value was the most,accounting for 69%.In the total water conservation value of tropical secondary forest,the water supply value and water regulation value was all the same,accounting for 50%,respectively.The water conservation value of the two kinds of forest changed month by month,and its change was mainly determined by the change of water supply service.The water conservation value of rainy season (from May to October) was higher than that of dry season (from November to April in the next year).And the water conservation value of rainy season accounted for 65% in the total value of the year.All the monthly water regulation value,water supply value and water conservation value of tropical seasonal forest and secondary forest had obvious linear relationship with monthly precipitation.

water conservation;water regulation;water supply;intra-annual change;Xishuangbanna

2014-04-16；

2014-07-08

國家自然科學基金項目(31070384)

裴廈(1985-)，女，博士，主要從事資源生態和生態系統服務研究。*通訊作者E-mail:peisha_259@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.01.020

S718.56；Q149

A

1672-0504(2015)01-0096-05