貴州省森林生態系統水源涵養功能價值評估

郝新朝 安裕倫 伍顯 夏林 陳啟英 奚世軍 安宏鋒 朱啟雄

摘? 要：森林生態系統是地球上最大的生態系統，在全球生態系統中發揮著至關重要的作用。該研究從森林生態系統服務功能視角出發，基于2000—2010年貴州省各州（市）降雨數據和2010年貴州省森林數據，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，結合坡度、海拔和巖性等指標修正的R值，評估了2010年貴州省森林生態系統水源涵養功能的價值及其空間差異。結果表明：（1）貴州省2010年森林生態系統水源涵養功能為205.363億m3，轉化成經濟價值為1640.850億元，相當于貴州省同年全省生產總值的35.7%。（2）貴州省森林生態系統水源涵養功能整體上看為中部低，南、北部高;西部低，東部高。（3）按行政區劃來分，單位面積水源涵養能力呈現為：黔東南>黔西南>黔南>銅仁>安順>六盤水>遵義>貴陽>畢節。（4）就不同森林類型單位面積水源涵養能力來看，常綠闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌木林。

關鍵詞：森林生態系統;生態系統服務功能;水源涵養功能;貴州省

中圖分類號 S718.5文獻標識碼 A文章編號 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

森林生態系統是人類巨大的綠色寶庫，是維持全球生態平衡的主體和人類賴以生存的重要自然資源，對調節生物圈、大氣圈和水圈平衡，改善生態環境具有不可替代的作用[1]。水源涵養是生態系統服務功能的一個重要功能，主要表現為截留降水、增強土壤下滲、抑制蒸發、緩和地表徑流等功能[2]。森林生態系統水源涵養功能是植被層、枯枝落葉層和土壤層對降雨進行再分配的復雜過程[3]。自20世紀中葉開始，大量學者對森林水源涵養功能的水文過程和形成機制展開了研究[4-8]。21世紀初，隨著《千年生態系統評估》的開展，生態系統服務功能價值評估成為研究焦點之一[9]。水源涵養功能作為其中重要組成成分，學者對其的相關研究也在持續增加[10]。由于對水源涵養功能含義和深度的理解不一，研究區域不同、尺度不一以及類型不同，采用的核算方法也各種各樣。因此，國內外出現了大量的水源涵養功能評估方法與模型，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]、徑流系數法以及降水量貯存法和InVEST模型[14]等。這些方法優勢各異，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，才能客觀反映其實際水源涵養量及價值[15，16]。綜合蓄水能力法相對全面，但計算過程復雜，計算結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程;水量平衡法宏觀考慮，思路清晰，計算過程簡單，但結果不能全面反映其水源涵養量[17];降水量貯存法受降水量影響較大，且忽略海拔的作用，但計算簡單，所需數據量少，結果可反映理論涵養量，對其他方法的計量結果具有一定的參考價值。

貴州省位于西南喀斯特地區的中心，是中國非常重要的脆弱生態功能區。20世紀以來，該區域森林減少、水土流失及石漠化加劇，生態環境惡化，人地矛盾突出，生態功能退化[18]。貴州省森林覆蓋率較高，降水量大，多年平均降水量達1200mm，加上其地質地貌特征獨特，土層厚度相對較薄，地面蓄水保水能力較弱，有“地下水滾滾流，地上水貴如油”的說法，該地區仍面臨水資源缺乏的問題。因此評估該地區的森林生態系統水源涵養功能及其內部差異尤為重要。筆者從其服務功能角度著手，以行政區劃為單元，結合海拔、巖性等數據，對其森林生態系統水源涵養功能及其內部差異進行估算與分析，對其保護、開發與管理具有一定的科學指導意義，并為建立健全生態補償機制提供科學依據。

1 研究區概況

貴州省地處中國西南腹地，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、畢節市、貴陽市、黔東南苗族侗族自治州（凱里市）、銅仁市、遵義市等9個州市，國土總面積17.617萬km2，其中喀斯特地貌面積約為10.918萬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。貴州省地勢西高東低，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，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均溫度一般在14～18℃，全年無霜期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52%，位居全國第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種珍稀植物列入國家珍稀瀕危保護植物名錄，全省有野生植物資源3800余種。

2 資料與方法

2.1 數據來源 選取貴州省森林生態系統為研究對象，以2010年植被數據和2000—2010年貴州省氣象數據為基礎數據，估算貴州省2010年森林生態系統功能及價值。2010年植被數據來源于全國生態環境10年變化（2000—2010）遙感調查與評估貴州省專題項目，結合同年部分林業數據整理得到。將研究區森林生態系統分為常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林等8種植被類型。氣象數據來源于中國基本、基準地面氣象觀測站及自動站共19個站點2000—2010年貴州省數據集。氣象數據經整理計算得到貴州省19個站點10年的年平均降水量。文中涉及的社會經濟數據主要來源于《貴州統計年鑒2016》。

2.2 研究方法

2.2.1 預處理 基于貴州各地州市19個站點空間分布及各站點2000—2010年年平均降水量數據，利用ArcGIS空間分析工具的克里金（kriging）空間插值和空間統計方法，獲取貴州省2000—2010年年平均降水量空間分布，進一步算出貴州各州市年均降水量數據（如表1）。

2.2.2 水源涵養量 主要采用降雨量貯存法[21]對貴州省森林水源涵養功能進行計算，該功能的生態經濟價值采用替代工程法進行評價，水庫造價成本取7.99元/m3[22]。

其中，Q為與裸地相比森林生態系統涵養水分增加量（mm/（hm2/a））;A為森林生態系統的面積（hm2）;J為研究區多年平均產流降水量（mm）;J0為研究區多年平均降水量（mm）;K為研究區產流降水量占降水總量的比例;R為與裸地相比，生態系統減少徑流的效益系數;R0為產流降雨條件下裸地降水徑流率;Rg為產流降雨條件下林地降水徑流率。

貴州省受東亞季風影響，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域，喀斯特石漠化嚴重。筆者以行政區劃為單元，利用ArcGIS空間統計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，綜合考慮中國南北方差異，結合貴州省實際情況巖性和坡度，（全省平均坡度為16°，喀斯特區域丘峰坡度平均為30°），對部分R值進行修正，結果如表2所示。

3 結果與分析

3.1 森林水源涵養量地區分布 結合貴州省各州市多年平均降水量、水源涵養計算公式、K值和修正的R值，計算得到水源涵養量評估結果（見表3），進一步得到其經濟價值量。

貴州省2010年森林生態系統總水源涵養量為205.363億m3，占全省同年公報數據水源涵養總量的21.47%。轉化成經濟價值為1640.850億元，單位面積森林生態系統的水源涵養量為2134.814m3/hm2。整體來看水源涵養量分布為中部低，南、北部高;西部低，東部高。

全省黔東南地區、黔西南的冊亨、望謨和貞豐以及遵義的赤水、習水和務川部分地區為非喀斯特區域，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，水源涵養量大;黔中地區為喀斯特區域，典型喀斯特和亞喀斯特分布較多，海拔在1100m左右，地勢相對平坦，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，故水源涵養量小;西部地區海拔高，喀斯特石漠化嚴重，且植被以灌木林為主，水源涵養量較小，為30.172億mm3;東部地區海拔較低，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勢樹種，水源涵養量較大，為46.134億m3。

按行政區劃來看，黔東南州森林水源涵養量最大，為50.224億m3，占比24.46%;貴陽和六盤水地區森林水源涵養量最小，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個州市行政區森林生態系統水源涵養量占比：黔東南（24.46%）>黔南（17.31%）>遵義（16.46%）>畢節（10.44%）>銅仁（10.24%）>黔西南（8.75%）>安順（4.53%）>六盤水（4.26%）>貴陽（3.57%）;單位面積水源涵養能力：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（2012.900）>畢節（1673.768）。黔東南有大面積針葉林，黔南有灌木林和針闊混交林，遵義地區有大面積闊葉林，且茂蘭自然保護區和赤水自然保護區分別在黔南和遵義地區，該區域水源涵養功能較高;畢節地區以灌木林為主，并有少許針葉林，銅仁地區有梵凈山自然保護區，2/3的林地面積均為針葉林，畢節雖有面積優勢，水源涵養總量略大于銅仁地區，但論單位面積的水源涵養功能，銅仁地區遠高于畢節地區;貴陽市地處黔中，喀斯特石漠化嚴重，水源涵養功能較低。

3.2 不同森林類型水源涵養及其貢獻率 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勢，水源涵養量最大，為92.706億m3，貢獻率為45.142%，是森林水源涵養的主體;常綠闊葉林水源涵養量為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量為57.897億m3和32.575億m3，貢獻率分別為28.192%和15.862%;針闊混交林因面積最小，水源涵養量最低，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貢獻率與其面積占比成正相關關系，面積越大的森林類型，其水源涵養量也越大，相對的貢獻率也越大。就單位面積水源涵養能力來說，常綠闊葉林水源涵養能力最高，為2612.048m3/hm2;其次是針闊混交林，為2544.7m3/hm2;常綠針葉林涵養能力略低于針闊混交林，為2402.665m3/hm2;灌木林水源涵養能力最低，為1815.064m3/hm2（如表4）。水源涵養功能排序為：常綠闊葉林>針闊混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌木林。

4 結論與討論

4.1 結論 貴州省2010年森林生態系統水源涵養功能為205.363億m3，占同年公報數據水源涵養總量的21.47%;轉化成經濟價值為1640.850億元，相當于同年貴州省全省生產總值的35.7%。單位面積森林生態系統的水源涵養量為2134.814m3/hm2。

貴州省森林生態系統水源涵養功能整體上看為中部低，南、北部高;西部低，東部高。水源涵養功能受巖性、土壤和植被類型影響較大，喀斯特石漠化越嚴重，水源涵養功能越低。按行政區劃來分，水源涵養量占比大小順序為：黔東南>黔南>遵義>畢節>銅仁>黔西南>安順>六盤水>貴陽;單位面積水源涵養能力大小順序為：黔東南>黔西南>黔南>銅仁>安順>六盤水>遵義>貴陽>畢節。

就不同森林類型而言，貴州省2010年常綠針葉林水源涵養量最大，為92.706億m3，相應的貢獻率也最大，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，其水源涵養貢獻率也最低，約為1.202%。從單位面積水源涵養能力來看，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 筆者結合貴州省實際情況（巖性、坡度和土壤等）對R值進行部分修正，選擇降水量貯存法對貴州省2010年森林生態系統水源涵養功能價值及內部差異進行估算評價，方法簡單，易于操作。但植被分類較少，未考慮喀斯特地區森林水文及其時空變化情況，估算相對粗略，有待于進一步深入分析研究，并在以后的研究中深化完善。

參考文獻

[1]魯紹偉，毛富玲，靳芳，等.中國森林生態系統水源涵養功能[J].水土保持研究，2005（4）：223-226.

[2]王小琳.基于InVEST模型的貴州省水源涵養功能研究[D].貴陽：貴州師范大學，2016.

[3]劉璐璐，曹巍，邵全琴.南北盤江森林生態系統水源涵養功能評價[J].地理科學，2016，36（4）：603-611.

[4]馬雪華.森林水文學[M].北京：中國林業出版社，1993.

[5]司今，韓鵬，趙春龍.森林水源涵養價值核算方法評述與實例研究[J].自然資源學報，2011，26（12）：2100-2109.

[6]余新曉，周彬，呂錫芝，等.基于InVEST模型的北京山區森林水源涵養功能評估[J].林業科學，2012，48（10）：1-5.

[7]李士美，謝高地，張彩霞，等.森林生態系統水源涵養服務流量過程研究[J].自然資源學報，2010，25（4）：585-593.

[8]王曉學，沈會濤，李敘勇，等.森林水源涵養功能的多尺度內涵、過程及計量方法[J].生態學報，2013，33（4）：1019-1030.

[9] 吳霜，延曉冬，張麗娟.中國森林生態系統能值與服務功能價值的關系[J].地理學報，2014，69（3）：334-342.

[10]王堯，徐佩，傅斌，等.森林生態系統水源涵養功能評估模型研究進展[J].生態經濟，2018，34（2）：158-164，169.

[11]周秋文，朱紅.基于Horton模型的漣江流域馬尾松林冠截留模擬[J].生態科學，2018，37（2）：43-49.

[12]李佳，邵全琴，劉紀遠.基于綜合蓄水能力法的森林水源涵養功能估算——以江西興國縣為例[J].西北林學院學報，2012，27（4）：83-87.

[13]肖寒，歐陽志云，趙景柱，等.森林生態系統服務功能及其生態經濟價值評估初探——以海南島尖峰嶺熱帶森林為例[J].應用生態學報，2000（4）：481-484.

[14]胡利利，李亦秋，楊廣斌，等.貴州省生態系統水源涵養價值估算[J].貴州農業科學，2017，45（11）：2，155-159.

[15]張彪，李文華，謝高地，等.北京市森林生態系統的水源涵養功能[J].生態學報，2008（11）：5619-5624.

[16]張彪，李文華，謝高地，等.森林生態系統的水源涵養功能及其計量方法[J].生態學雜志，2009，28（3）：529-534.

[17]侯曉臣，孫偉，李建貴，等.森林生態系統水源涵養能力計量方法研究進展與展望[J].干旱區資源與環境，2018，32（1）：121-127.

[18]曾昭霞，劉孝利，王克林，等.桂西北喀斯特區原生林與次生林凋落物儲量及持水特性[J].生態學雜志，2011，30（7）：1429-1434.

[19]李正，王軍，白中科，等.貴州省土地利用及其生態系統服務價值與灰色預測[J].地理科學進展，2012，31（5）：577-583.

[20]黃威廉，屠玉麟，楊龍.貴州植被[M].貴陽：貴州人民出版社，1988.

[21]李金昌.生態價值論[M].重慶：重慶大學出版社，1999.

[22]國家林業局.中華人民共和國林業行業標準.LY/T1721-2008：森林生態系統服務功能評估規范[S].2008.

[23]張信寶，劉再華，王世杰，等.錐峰和塔峰溶丘地貌的表層喀斯特帶徑流溶蝕形成機制[J].山地學報，2011，29（5）：529-533.

[24]趙同謙，歐陽志云，王效科，等.中國陸地地表水生態系統服務功能及其生態經濟價值評價[J].自然資源學報，2003（4）：443-452.

（責編：徐世紅）