伏牛山地區森林生態系統服務空間差異分析

張靜靜，趙天旭，梁丹

鄭州師范學院地理與旅游學院，河南 鄭州 450044

生態系統及其生態過程為人類社會提供多種多樣的產品和服務，在形成與維持人類賴以生存與發展的環境條件及物質基礎方面發揮著重要作用（Boyd et al.，2007），人類從中直接或間接地獲取的惠益就是生態系統服務（Costanza et al.，1997）。森林生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，在為人類社會提供產品和服務方面具有不可替代的作用（Cademus et al.，2014；Wang et al.，2016）。森林生態系統服務主要包括涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、保護生物多樣性、凈化大氣環境等。國內外學者采用價值量法、物質量法、能值分析法以及模型模擬方法，對森林生態系統服務的價值量和物質量開展了廣泛的研究，取得了豐碩的成果（Nahuelhual et al.，2007；Niu et al.，2012；趙俊芳等，2018；虞依娜等，2020）。但是以往研究以森林生態系統服務的價值量評估占絕對優勢，對服務形成機理的研究稍顯不足。隨著 3S技術的發展，國內外許多學者基于生態過程研發了許多生態模型，能夠較好地反應生態系統服務形成機理，應用較多的模型主要有 InVEST模型（Wang et al.，2016）、ARIES 模型（Bagstad et al.，2017）、SoLVES模型（Sherrouse et al.，2017）等。尤其InVEST模型應用最為成熟，得到廣大生態學者的認可，已被廣泛應用在不同時空尺度下生態系統服務的動態評估與制圖以及管理決策等方面（Kevin et al.，2017；Gong et al.，2019；鄧楚雄等，2019），并且實現了評估結果的圖形化、動態化和精準化，使得人們更容易對生態系統服務進行管理決策。因此，借助該生態模型探討不同類型森林生態系統服務的空間差異特征，可為森林生態系統相關管理措施和政策的制定提供精準、有效的科學依據。

伏牛山地區處于中國北亞熱帶向南暖溫帶過渡的地區，也是秦嶺山地與黃淮海平原的過渡地帶，具有優越的自然環境條件，是我國重要的生態功能區。但該區生態環境面臨著比較嚴峻的問題（杜玥，2018），為了使該區更好地發揮經濟效益，而又不減弱生態效益與社會效益，有必要深入探討該區森林生態系統服務空間差異特征。目前針對伏牛山地區森林生態系統服務的研究，多集中于局部地區如寶天曼自然保護區、西峽縣等，或僅探討某一類型的森林生態系統如櫟類、銳齒櫟森林生態系統（郭建榮，2012；楊紅震，2016；余超等，2017；周晶晶，2017），沒有從綜合性和整體性的角度展開研究，使相關研究成果呈現局域化和碎片化，很難為管理者提供系統的森林可持續經營方案。鑒于此，本研究以伏牛山地區森林生態系統為研究對象，綜合森林類型圖、氣象和土壤等多源數據，借助InVEST 3.2模型和ArcGIS 10.2軟件，開展伏牛山地區森林生態系統固碳和水源供給服務評估，并從區域和森林類型兩個尺度分析其空間差異特征，明確伏牛山地區森林生態系統綜合管理及不同空間尺度上管理方案的差異，為伏牛山地區森林資源優化配置提供理論指導和決策支持。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

伏牛山處于河南省西部，是秦嶺山系在河南境內的一條重要余脈，呈西北—東南走向，西至河南省與陜西省交界，東至方城北部，北與熊耳山、外方山相接，南至南陽盆地。研究區包括共8個縣域單元，面積約2萬km2，盧氏、欒川、嵩縣和魯山位于伏牛山北坡，內鄉、西峽、鎮平和南召位于伏牛山南坡（圖 1）。地勢自西向東逐漸降低，海拔高度介于50—2200 m，地貌類型復雜，高差起伏較大；植被類型屬于北亞熱帶常綠落葉混交林向暖溫帶落葉闊葉林的過渡類型，植被和氣候特征的垂直差異顯著（張靜靜等，2017）。

圖1 研究區位置及高程示意圖Fig. 1 Location and elevation map of the studied area

1.2 數據來源與處理

本文使用的基礎數據主要包括以下幾類：

（1）森林類型圖。研究區森林類型圖是采用高分1號影像解譯而成。本研究共選取35景影像，每張影像包含2 m分辨率的全色和8 m分辨率的多光譜影像，時間為2016—2017年6—10月。采用ENVI 5.3對影像進行預處理，將全色和多光譜影像進行融合，經圖像鑲嵌與裁剪可得到研究區2 m分辨率的多光譜圖像。并參照2015年1?10萬土地覆被數據以及1?100萬植被類型圖，對研究區森林類型進行目視解譯，生成研究區森林類型空間分布圖（圖 2）。伏牛山地區森林類型主要包括栓皮櫟（Quercus variabilis）、短柄枹櫟（Quercus glanduliferavar.brevipetiolata）、銳齒槲櫟（Quercus alienavar.acuteserrata）、闊雜（Broad-leaved forest）、油松（Pinus tabulaeformis）、馬尾松（Pinus massoniana）、華山松（Pinus armandi）以及華山松——銳齒槲櫟混交林（以下簡稱針闊混交林，Coneferous and broad-leaved mixed forest）。并采用142條野外調查樣點數據進行精度驗證，解譯精度為82.39%。

（2）DEM數據。采用ASTER GDEM，來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為 30 m，經拼接、投影、裁剪等得到研究區DEM數據。

圖2 伏牛山地區森林類型分布圖Fig. 2 Spatial distribution of forest types

（3）氣象數據。包括研究區及周邊24個氣象站點2016—2017年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、降水量、風速、日照時數和平均氣壓，來源于河南省氣象局和國家氣象信息中心（http://cdc.nmic.cn/home.do）。

（4）土壤數據。包含1?100萬的土壤質地、土壤有機質、土壤深度等數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）。

由于森林類型圖解譯所用影像為 2016年和2017年兩年影像拼接而成，因此氣象數據也采用2016—2017年兩年的平均值。

1.3 生態系統服務評估方法

本研究采用 InVEST 3.2中的碳儲存和產水量兩個模塊來評估伏牛山地區森林生態系統服務。各模塊計算原理和計算過程如下：

1.3.1 固碳服務

采用InVEST模型碳儲存模塊計算森林生態系統碳儲量，以表征研究區森林固碳能力。InVEST模型對生態系統碳儲量的估算包括四大基本碳庫（地上、地下、土壤和死亡有機質）。計算原理如下（Sharp et al.，2015）：

式中，i為某種森林類型；Ci-above、Ci-bolow、Cisoil、Ci-dead分別為林型i的地上、地下、土壤和死亡有機質的碳密度（t·hm-2）；Si為林型i的面積（hm2）；n為森林類型數量。本文碳密度參考崔高陽等（2015）和胡文杰等（2017）的研究結果，并根據不同樹種的根莖比（方精云等，1996），計算得到研究區不同森林類型的地上和地下碳密度。

1.3.2 水源供給服務

利用 InVEST模型產水量模塊計算水源供給量。該模塊核心算法是基于水量平衡原理計算出研究區每個柵格單元的水源供給量，每個柵格單元的降水量減去實際蒸散發量即為柵格單元的水源供給量。計算公式如下（Sharp et al.，2015）：

式中，Yxj為森林類型j中柵格x的水源供給量（mm）；AETxj為實際蒸散發量（mm）；Px為降水量（mm）；Rxj為干燥度指數；ωx是非物理參數；AWCx為植物可利用含水率；Kxj是植物蒸散系數；Z是Zhang系數；ET0為參考作物蒸散發量，即潛在蒸散發量（mm）。

各參數處理方法如下：降水量由ANUSPLIN軟件插值得到；潛在蒸散發量是基于逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等氣象資料，利用 Penman-Monteith公式（日尺度）（Allen et al.，1998），并經 ANUSPLIN軟件插值得到；土壤深度是由土壤數據屬性表中的土壤深度通過空間柵格化所得；植被可利用含水率是基于土壤質地和土壤有機質數據，采用非線性擬合土壤可用含水率估算模型計算所得（Zhou et al.，2005）；流域和子流域圖是基于DEM數據，運用ArcGIS 10.2軟件的Hydrology分析工具提取得到；植物根系深度、蒸散系數和Zhang系數是參考相近研究區的相關成果（陳姍姍，2016），并結合研究區實際情況進行賦值。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務評估與空間差異分析

2.1.1 固碳服務

伏牛山地區森林生態系統總固碳量為1.97×108t，平均碳密度為156.94 t·hm-2，其中植被層地上和地下平均碳密度分別為 47.25 t·hm-2和 14.46 t·hm-2，死亡有機質層的平均碳密度為2.28 t·hm-2，土壤層平均碳密度為92.95 t·hm-2。土壤層碳庫約為植被層碳庫的1.5倍，可見土壤層碳庫是森林生態系統固碳量的主要貢獻者，約占總固碳量的59.23%。

圖3 森林生態系統碳密度空間格局Fig. 3 Spatial pattern of carbon storage service in forest ecosystem

從伏牛山地區森林生態系統碳密度空間格局來看（圖 3），碳密度高值區主要位于盧氏中部、欒川的中部以及東南部地區，這些地區海拔較高，多為深山區，且保存有大量的天然闊葉林，固碳能力較強。低值區一部分零星地分布在西峽和內鄉地區的低山緩坡地區，多為馬尾松人工林，受人類活動影響較大；另一部分主要分布在欒川西部的油松飛播林基地地區，以及盧氏北部和東部部分地區，這些地區多為油松純林，由于管理薄弱，導致森林質量較差，固碳能力較弱。而西峽、內鄉、鎮平、南召以及魯山等地的大部分區域碳密度值居中，這些地區地形大多為低山，受人類干擾也比較嚴重，分布有大面積的栓皮櫟林及闊雜林等林齡較小的次生林和人工林，因此這些地區的闊葉林固碳能力一般。

2.1.2 水源供給服務

伏牛山地區森林生態系統的水源供給總量為6.06×109m3，供水深度平均為494.46 mm。從水源供給服務空間格局來看（圖 4），其分布規律與降水量的空間變化具有很大的吻合性，均表現為自南向北遞減。由此可見，降水量是導致水源供給服務空間差異的主要因素。水源供給量高值區位于西峽南部地區，一方面是由于該區降水量充沛，實際蒸散發量低，該區年降水量均在950 mm以上，蒸散發量均在250 mm以下；另一方面是由于該區為丹江水系淇河、老灌河等河流的中下游地區，海拔較低，匯水量大，因此該區水源供給能力達到最大。中值區位于盧氏南部、西峽北部以及內鄉、鎮平、南召和魯山境內，這些地區為降水量次高值區，年降水量大多在800 mm以上，因此產水量也比較大。低值區主要位于盧氏中北部、欒川及嵩縣境內，這些地區降水量大多在700 mm以下，植被覆蓋度高，實際蒸散發量也較大，且海拔較高，多以中高山為主，多為河流的發源地或中上游地區，不利于儲水和保水，因此這些地區供水能力較弱。

圖4 森林生態系統水源供給服務空間格局Fig. 4 Spatial pattern of water yield service in forest ecosystem

2.2 不同森林類型生態系統服務對比分析

2.2.1 森林類型與固碳服務

圖5 不同森林類型碳儲量和碳密度Fig. 5 Carbon storage and carbon density in different forest types

伏牛山地區不同森林類型的總固碳量不同，除針闊混交林和油松林外，其余森林類型的總固碳量變化規律與各森林類型的面積比重相一致（圖5）。栓皮櫟林的總固碳量最大，為9.22×107t，占總固碳量的46.82%；闊雜林次之，為4.40×107t，占總固碳量的22.34%；短柄枹櫟林和銳齒槲櫟林居中，分別為 2.96×107t和 1.67×107t，分別占 15.05%和 8.47%；針闊混交林、油松林、馬尾松林和華山松林的固碳量相對較小，依次為 5.63×106t、5.15×106t、2.39×106t、1.24×106t，分別占研究區森林總固碳量的2.86%、2.62%、1.21%和 0.63%?？梢?，闊葉林提供的固碳量超過供給總量的90%，地帶性闊葉林是伏牛山地區森林生態系統固碳總量的主要貢獻者。

不同森林類型的碳密度表現出一定的差異（圖5），銳齒槲櫟林的碳密度最大，達到183.69 t·hm-2；其次為闊雜林和短柄枹櫟林，約170 t·hm-2；栓皮櫟林和針闊混交林的碳密度居中，分別為 150.61 t·hm-2和 135.28 t·hm-2；華山松林的碳密度（122.26 t·hm-2）略大于油松林的碳密度（108.61 t·hm-2）；馬尾松林的碳密度最小，為96.79 t·hm-2。伏牛山地區銳齒槲櫟林多位于深山遠山地區，人為干擾相對較少，自然條件比較優越，多為中齡林、近成熟林和成熟林，是該區固碳能力最強的樹種；栓皮櫟林多位于中低山地帶，由于過量采伐，多為中幼林，是闊葉林中固碳能力最低的樹種，但具有很大的固碳潛力。華山松是伏牛山地區針葉林中固碳能力最強的樹種，考慮是由于華山松林主要位于海拔1700 m以上的地區，保存有大面積的原生林。而油松林和馬尾松林多為人工林，僅有少量為自然分布，由于管理薄弱，導致森林質量不佳，固碳能力較弱。

2.2.2 森林類型與水源供給服務

圖6 不同森林類型水源供給量和供水深度Fig. 6 Water yield and water supply depth in different forest types

伏牛山地區不同森林類型的水源供給總量與各森林類型的面積比重變化規律相一致（圖 6）。栓皮櫟林的水源供給量最大，達到3.20×109m3，占52.69%；其次為闊雜林，為1.23×109m3，占20.31%；短柄枹櫟林和銳齒槲櫟林次之，分別為7.45×108m3和3.56×108m3，分別占12.28%和5.88%；油松林、針闊混交林和馬尾松林相當，分別為1.82×108m3、1.69×108m3和1.45×108m3，分別占3.00%、2.78%和2.40%；華山松林的水源供給量最小，為4.03×107m3，占0.66%?？梢?，闊葉林提供的水源供給量超過森林生態系統供給總量的 90%，地帶性闊葉林是伏牛山地區森林生態系統水源供給總量的主要貢獻者。

不同森林類型的供水深度具有明顯的差異（圖6），馬尾松林的供水深度最大，達到613.92 mm；其次為栓皮櫟林，為534.80 mm；闊雜林次之，為494.87 mm；短柄枹櫟林為433.51 mm，華山松林和針闊混交林相當，約為423 mm；銳齒槲櫟林和油松林最低，分別為398.70 mm和396.86 mm。馬尾松林、栓皮櫟林和闊雜林的供水深度比較大，主要是由于這些森林類型在伏牛山南坡所占比重較大，尤其是馬尾松林，主要位于伏牛山南坡800 m以下的地區，這些地區為研究區降水量高值區，蒸散發量小，且又是很多河流的中下游地區，因此供水深度比較大。短柄枹櫟林、華山松林、針闊混交林和銳齒槲櫟林等多位于中高山地區，干燥度指數比較大，且大多為中齡林和成熟林，林分郁閉度高，森林內部蓄水能力強，因此產水能力相對較低。而油松林主要位于伏牛山北坡欒川和盧氏境內，處于降水量低值區，且又是多數河流發源地或中上游地區，因此產水能力最弱。

3 討論

（1）對碳儲量模擬結果的驗證。InVEST模型評估結果表明伏牛山地區森林生態系統總固碳量為1.97×108t，平均碳密度為 156.94 t·hm-2，其中植被層地上平均碳密度為47.25 t·hm-2。這一結果遠高于河南省的森林植被地上平均碳密度（23.64 t·hm-2）（光增云，2007）。其原因一方面是由于涵蓋的森林群落層次不同，光增云（2007）的研究成果是采用森林清查資料對碳密度進行估算，而森林清查往往忽略起測徑級以下的喬木樹種、灌木和草本層的生物量，導致估測值偏低；另一方面伏牛山地區森林生態系統立地條件相對較優，森林質量高于全省平均水平，并保存有大面積的天然林，因此固碳能力高于全省森林植被的平均值。這同時也說明伏牛山地區森林生態系統是河南省森林生態系統碳匯的重要組成部分。

參考伏牛山地區不同森林類型生態系統固碳量的研究結果，對InVEST模型固碳服務模擬結果進行驗證。楊紅震（2016）研究得到伏牛山地區櫟類天然次生林的植被層和凋落物層的平均碳密度為54.07 t·hm-2，本研究對櫟類林植被層和凋落物層平均碳密度的模擬結果為 65.62 t·hm-2，誤差為21.36%。這是由于楊紅震的研究主要針對天然次生林，并且只分析了幼齡林、中齡林和成熟林，未包括近成熟林和過熟林的碳儲量，因此研究結果略低于本研究的模擬結果。彭舜磊等（2015）研究表明寶天曼自然保護區森林土壤碳密度的平均值為82.05 t·hm-2，與本研究的模擬結果為（92.95 t·hm-2）較為接近，誤差為13.28%。整體來看，InVEST模型對伏牛山地區森林生態系統固碳服務模擬結果的精度滿足要求。

（2）對水源供給量模擬結果的驗證。InVEST模型評估結果表明伏牛山地區森林生態系統的水源供給總量為6.06×109m3，供水深度平均為494.46 mm。參考伏牛山周圍地區水源供給量對InVEST模型產水量服務模擬結果進行驗證，考慮到緊鄰研究區西部的陜西省商洛市，其植被覆蓋、氣候條件與研究區類似，因此選用商洛市水源供給量進行對比分析。陳姍姍（2016）研究表明商洛市水源供給深度為464.84 mm，本研究模擬得到的水源供給深度（494.46 mm）與之較為接近，表明該模型模擬結果較為可靠。根據伏牛山寶天曼地區森林生態站觀測數據對模型模擬結果進行驗證，寶天曼地區銳齒槲櫟林的水源供給量為426.17 mm（肖武奇，2015），本研究模擬得到的銳齒槲櫟林水源供給量平均為398.70 mm，模擬誤差為6.45%。由此可見，InVEST模型模擬得到的水源供給量結果較為可靠，能夠滿足研究需要。

（3）由2.2.1小節得到天然林的碳密度普遍高于人工林，考慮是由于銳齒槲櫟林、短柄枹櫟林等天然林主要位于海拔較高的深山遠山地區，人為干擾相對較少，自然條件比較優越，林齡普遍較高，因此固碳能力都比較高。而以人工林為主的油松林和馬尾松林固碳能力比較弱，這是由于這些人工林缺乏科學的管理措施，且多為純林，病蟲害頻發，導致森林質量不佳，固碳能力較弱。因此，未來應加強對人工林的管理，采取科學的撫育措施，或補種闊葉樹種，以提高人工林的固碳能力，充分發揮其經濟和生態效益。

（4）由圖 3可以發現伏牛山南坡碳密度普遍低于北坡，這是由于伏牛山的地形表現為南坡較為和緩，北坡較為陡峻，因此南坡受人類干擾相對北坡較為嚴重，南坡的森林類型多為林齡較小的次生林和人工林，還分布有大面積的馬尾松人工林，而北坡中齡林和成熟林所占比重較大，因此整體來看南坡森林生態系統的固態能力低于北坡。由圖4則發現伏牛山南坡供水深度普遍高于北坡，考慮是由于南坡自然環境條件比北坡優越，降水量充沛，實際蒸散發量低，且水系密集，多為河流的中下游地區，匯水量大，因此伏牛山南坡水源供給能力較強。而伏牛山北坡降水量較少，干燥度指數大，且中齡林和成熟林所占比重較大，森林內部蓄水能力強，因此北坡森林生態系統產水能力較弱?？梢?，伏牛山南坡森林生態系統固碳能力較弱，未來要加強對南坡林齡較小的次生林和人工林的管理，減少或禁止人為活動的破壞，同時推廣針闊混交林代替純林，以重點提升南坡森林生態系統的固碳能力。此外，伏牛山北坡供水能力較弱，水資源安全形勢相對嚴峻，因此，應考慮當地自然條件，尋找合理的管理方案改善森林質量或者采取工程措施修建水庫等方式來提升伏牛山北坡的供水能力是當務之急，以保證這些地區的供水安全。

4 結論

（1）伏牛山地區森林生態系統固碳量為1.97×108t，碳密度為 156.94 t·hm-2；水源供給量為6.06×109m3，供水深度為494.46 mm。

（2）區域尺度上森林生態系統服務空間格局存在明顯差異。固碳服務高值區主要位于中高山地區，低值區一部分零星地分布在西峽和內鄉地區的低山緩坡地區，另一部分主要位于欒川西部的油松飛播林基地地區。水源供給服務表現為自南向北遞減，高值區位于降水量豐富的西峽南部地區，低值區主要位于干燥度指數較大的盧氏中北部、欒川及嵩縣境內。

（3）不同森林類型提供的服務總量及單位量具有明顯的差異。就服務總量而言，闊葉林不同服務類型的供給總量分別占據絕對優勢，其提供的固碳量和水源供給量均超過森林生態系統供給總量的90%，因此地帶性闊葉林對于維持伏牛山地區生態環境穩定起著重要的作用。就服務單位量而言，天然林的碳密度普遍高于人工林，供水深度則表現為馬尾松林、栓皮櫟林和闊雜林的供水深度比較大，而其余森林類型的供水深度比較小。