北京市淺山區森林生態系統服務功能評估*

劉 陽 梁淑榆 蔡怡然 鄒天嬌 鄭 曦

北京林業大學園林學院 北京 100083

黨的十九大報告提出，淺山區是首都最重要的第一道生態屏障，森林覆蓋率達43.5%[1]。推進北京市淺山區森林生態系統服務功能評估研究既能有效識別保護重要的生態空間，還可以為城市森林建設提供科學依據，特別是隨著生態學、風景園林學、地理學等研究及實踐的深入，基于生態系統服務評估的森林生態系統保護修復成為熱點問題。

森林生態系統服務是指森林生態系統對于人類社會產生的影響與效用[2]。聯合國千年生態系統評估計劃 (Millennium Ecosystem Assessment，MA)將生態系統服務定義為人類從生態系統獲得的效益，并將其分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4大類型[3]。目前國外關于森林生態系統服務功能評估研究方法大多依據土地利用/覆蓋數據，使用地理信息系統 (GIS)、InVest模型等評估并繪制森林資源生態系統服務圖，評價涵養水源、保育土壤、固碳釋氧等生態系統服務效益，確定優先保護區域[4-5]。國內森林生態系統服務功能評估研究也已積累了一定的基礎，其中應用最為廣泛的是歐陽志云、謝高地優化的價值當量系數。基于單位面積價值當量因子進行評估，對于將生態系統服務價值納入國民經濟核算體系有重要意義[6]，促進了生態系統服務價值量化研究。總體來看，大多數研究尚不深入，只關注森林生態系統經濟價值評估無法反映其產生的原理，缺乏廣泛適用的評價方法，因此部分學者開始引用生態系統服務物質量評估方法。物質量評價依托生態系統生態復雜過程研究，結合數學算法和空間模型分析模擬，能夠客觀反映森林生態系統服務機制，相比單純的經濟量化評估具有一定的科學性與合理性。

本文對北京市淺山區森林資源生態系統服務功能進行評價，選取適宜的森林生態系統服務功能評價指標，綜合運用Invest、USLE模型以及GIS空間分析技術，評價淺山區森林生態系統服務功能的重要性，識別關鍵保護修復區域 (圖1)。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

北京市淺山地區是指市域內高程在100～300 m的淺山丘陵地區，共涉及海淀、門頭溝、密云等10個區，總面積3 915.01 km2(表1，圖2)。淺山區區域森林資源豐富，森林覆蓋率達43.5%(表2，表3)；風景名勝與自然保護區星羅棋布，具有一定的游憩發展潛力，承載著平原發展輻射和帶動山區城鎮化的雙重職能。

1.2 數據來源

本研究需要的數據類型主要包括土地利用/覆蓋數據、高程、坡度、道路、森林公園、保護區、土壤類型、降水等數據以及社會經濟數據，具體數據來源見表4。

圖1 技術路線

圖2 北京市淺山區土地利用類型

表1 淺山區區域土地利用類型與面積 km2

表2 不同坡度的植被類型與面積km2

表3 不同高程的植被類型與面積 km2

表4 數據類型與來源

2 研究內容

2.1 生態系統服務評估指標體系

構建淺山區森林資源優先保護區域遴選可實施的量化指標體系，應充分考慮淺山區的核心生態社會服務功能。據此，本文提取淺山區森林資源調節、支持與文化服務功能，提出相應的評估指標，采取AHP層次分析法結合多位專家意見，確定各類指標的權重比例 (表5)。

表5 生態系統服務功能評價指標體系

2.2 生態系統服務功能評估

2.2.1 調節服務

1)水源涵養。北京市淺山區分布著密云水庫、懷柔水庫等重要的水源地，提升森林水源涵養生態系統服務功能，對于為首都提供長期可靠的穩定水源意義重大。考慮地表植被覆蓋類型以及坡度對徑流系數產生的影響，以植被覆蓋類型為研究單元，計算研究范圍內的雨水滯留量 (不同植被覆蓋類型的林冠截留量[7-8]、森林枯落物持水量[9-10]以及土壤持水量[11]) 和徑流系數[11]和水源涵養能力空間分布情況 (表6)。分析結果(表7)表明，淺山區整體植被水源涵養生態系統服務能力較高，最高的區域面積占植被總覆蓋面積的66%，其中密云區、平谷區等植被覆蓋完善，發揮重要的水源涵養服務功能。水源涵養能力較低和最低的面積分別占植被總覆蓋面積的10%和2%，其中石景山區植被水源涵養能力最低，亟需采取一定生態以及工程修復措施進行更新、補植，調整森林結構，控制土壤侵蝕，實現林區的高中低植被的綜合發展。

表6 徑流系數計算所需的相關系數

表7 各區不同水源涵養能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2)固碳釋氧。基于土地利用/覆蓋數據，采用美國林務局設計開發的ItreeEco計算工具進行效益量化[12]，得到不同植被類型單位面積固碳釋氧能力的經驗值 (表8)，以分析評估淺山區植被淺山區固碳量/釋氧總和，Aij為j類型植被第i個斑塊地上部分單位面積固碳量/釋氧量，Si為第i個斑塊面積)。分析結果 (表9)表明，整體上固碳釋氧能力表現出由中心城區向深山區遞減的規律，淺山區固碳釋氧效益顯著，是平原區最近的固碳釋氧源。固碳釋氧能力最高和較高的區域面積占植被覆蓋總面積的16%和18%，集中在懷柔區的百泉山風景區、慕田峪長城風景區、密云水庫周邊及平谷區的老象峰、四座樓自然保護區等區域，應對森林生態系統進行重點保育。固碳釋氧能力低和較低的區域面積占植被覆蓋總面積的29%和22%。門頭溝區、房山區部分區域由于地質原因不適宜森林營建，以灌木林地為主要林分，固碳釋氧調節功能薄弱。對覆蓋率小、利用價值和生產率較低的灌木林地，應采取人工補植、定向培育等措施，提高灌木林地的利用率和生產力水平。

表8 不同植被類型固碳釋氧量 kg/yr

表9 各區不同固碳釋氧能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2.2.2 支持服務

1)土壤保持。森林資源對于維持土壤保持能力、減少土壤侵蝕情況有重要的作用。選取應用最為廣泛的USLE(Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型，根據不同植被覆蓋類型以及土壤類型等因子對北京淺山區土壤侵蝕狀況進行評價[13]。分析結果 (表10)表明，研究區域的土壤涵養適宜性呈現基本隨海拔與坡度增加而提高，靠近市區過渡的地帶土壤涵養適宜性基本都較低。土壤保持能力最高的區域面積占總植被覆蓋面積的4.45%。土壤保持能力最低的區域面積占總植被覆蓋面積的8.66%，對＞25°的0.016 km2坡耕地盡快逐步退耕還林。房山區地質災害影響最為嚴重，需在保護現有天然林地的基礎上對低效林進行提質改造，豐富群落層次，灌木林地要調整林分結構，未成林地加強保育措施。

表10 各區不同水土保持能力水平的植被覆蓋面積與占總植被覆蓋面積的比例

2)生物多樣性保護。北京淺山區森林是北京重要的種質資源庫。基于現狀覆蓋數據與淺山地區實際狀況，首先，定義生境威脅源并采取主成分分析法確定權重 (表11)；其次，參考以往學者對區域尺度生境質量的評估研究[14]，確定不同土地覆蓋類型對不同威脅源的相對敏感程度 (表12)；最后，運用InVEST模型中的Biodiversity模型評價棲息地質量。

表11 威脅源的影響范圍及其權重

表12 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度

分析結果 (表13)表明，生境質量最好的區域面積達1 133.69 km2，占淺山區植被覆蓋總面積的38%，其中密云區的西部、昌平區、懷柔區森林覆蓋率較高，生境質量整體較高。生境質量較低和最低的區域面積分別占淺山區植被覆蓋總面積的14%和5%，其中房山區、昌平區、懷柔山區—平原交界處、密云區北部的生境質量明顯較差，表明過渡地帶目前受到極強的人為干擾威脅，在未來不加以保護的情況下，生境質量可能持續下降。應選擇較大面積連續的有林地和灌木林地進行植被優化提升，增加林分組成，提高森林覆蓋率，形成復合型生境群落。

表13 不同生物多樣性保護能力水平的植被覆蓋面積與比例

2.2.3 文化服務

淺山地區豐富的森林資源以及文物古跡提供了重要的文化服務功能，游憩娛樂機會與區域道路可達性以及森林景觀資源的分布密切相關。采取核密度分析方法計算道路可達性，同時將各類森林景觀資源 (森林公園、風景名勝區)作為像源中心進行歐式距離計算，服務適宜范圍取值為5 km[15]。

分析結果表明，昌平區、海淀區、密云區森林景觀資源豐富，游憩機會較大。懷柔區、房山區雖然森林景觀資源較好，但道路可達性較低，提供游憩機會略顯不足。

2.2.4 綜合評估

通過加權疊加分析淺山區區域森林資源調節服務、支持服務以及文化服務能力，對淺山區森林資源生態系統服務功能重要性分為5個等級。分析結果 (表14)表明，森林生態系統服務呈現出東北部較高，西南部較低，隨海拔高度升高而增加的整體趨勢。綜合生態系統服務能力最高的區域面積832.79 km2，占總植被覆蓋面積28%，其中，懷柔區、密云區西北部、海淀區小西山整體森林生態系統服務表現良好，應該以嚴格保護為前提，增加森林面積、提高森林質量以促進生態效益發揮，為建設首都第一道生態屏障奠定堅實基礎；同時注重森林風貌建設，結合立地條件、規劃要求和風貌定位，補植彩葉林。綜合生態系統服務能力最低的區域面積398.08 km2，占總植被覆蓋面積的13%。其中門頭溝區以及房山區森林生態系統服務較差，部分原因是由于西南部地質地貌不適宜森林營建，但該區域歷史文化豐富，依托 “一脈十山三石洞、四庫六河多溝道”的特色山水體系，以巖溶地質地貌為亮點，打造兩片一線的景觀風貌區。以礦山植被生態修復為基底，以景區植物觀光休閑為亮點增植山桃花、山杏等春花灌木 (圖3)。

表14 不同綜合服務能力水平的植被覆蓋面積與比例

圖3 綜合生態系統服務重要性等級

3 結語

本文采取物質量評估方法代替傳統的價值量核算，利用INVEST、USLEM多種計算模型，強調森林生態系統服務評估的科學性與合理性，并且實現了不同生態系統服務功能的空間可視化，對于森林資源的保護、可持續開發利用以及規劃建設具有一定的指導意義。本研究也具有一定的局限性，如土地利用/覆蓋數據依據解譯和資料查詢，精確度有待進一步考核；森林生態系統服務類型多樣，目前評價體系尚不完善，缺少森林供給服務類型評價；研究區域是一個較為封閉靜態的系統，沒有考慮市區以及深山區整體性，這將是以后關注的重點。