淳安縣公益林生態系統服務重要性和生態環境敏感性分析

李紅俊，鄭鵬，高海力，廖堂清，吳淑芳，張波，練慧雯

（1. 浙江省淳安縣林業局，浙江 淳安 311700；2. 浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；3. 淳安縣文昌鎮人民政府，浙江 淳安 311705；4. 淳安縣汾口林場，浙江 淳安 311719；5. 浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300；6. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400）

良好的生態環境是人類賴以生存和持續發展的必要保障，也是生態文明建設的基本條件。改革開放以來，我國經濟迅速發展，但資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的形勢日益嚴峻，嚴重威脅著我國經濟進一步增長與社會可持續性發展。生態環境敏感性是生態系統對區域內人類活動干擾及自然環境變化的響應程度，反映了生態系統在外界干擾時出現生態環境問題的可能性和難易程度。區域生態環境敏感性分析能夠識別具體空間區域內潛在的生態環境問題，是制定區域環境政策，進行環境管理的重要依據[1]。生態系統服務功能是生態系統及其生態過程所形成與維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用[2]。生態系統服務重要性分析有利于識別生態系統服務的空間異質性，確定生態保護關鍵區，是開展區域生態系統管理，進行生態保護和建設的重要依據[3]。生態源地是物種擴散和維持的源點[4]。目前，生態源地的識別方法逐漸成熟，類型多樣，包括直接將生境質量較好的區域作為生態源地[5]，基于自然系統和人工系統特征的空間耦合情況構建指標體系進行識別[6]，利用生態服務功能建立相關指標體系進行識別[7]，利用生態系統服務重要性和生態環境敏感性的生態評估方法進行識別[8]，利用景觀連通性識別等[9]。

目前，涉及森林生態安全的研究大多與自然保護地[10]、山地生態系統[11]、流域生態系統[12]或者城市[13]有關，針對公益林的研究較少。事實上，公益林的生態安全亦不容忽視，生態安全研究有助于厘清區域公益林的生態過程，評價和提升公益林功能，實現公益林提供區域生態系統服務、維持生態安全和可持續發展的目的。本研究基于公益林生態系統服務重要性評價與生態環境敏感性評價，提取生態保護源地，分析識別公益林生態安全空間特征并提出相應的優化措施，對提高公益林生態系統服務功能，保障千島湖地區生態環境安全具有重要意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

淳安縣地處浙江省杭州市西南部丘陵山區，地理坐標為118°20′ ～ 119°20′ E，29°11′ ～ 30°02′ N，地勢四周高，中間低，由西向東傾斜，形成四周中低山逐漸向中部丘陵區過渡的地貌形態。屬亞熱帶季風氣候區北緣，溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫為17 ℃，雨量充沛，年平均降水量為1 430 mm，光照充足，年平均日照時數為1 951 h，災害性天氣較多，光、溫、水地域差異明顯，風向隨季節轉換，常年盛行東北風。淳安縣是浙江省面積最大的林業重點縣，全縣公益林（地）面積有166 488.63 hm2，其中，國家級公益林面積為129 226.59 hm2，占全縣公益林總面積的77.62%；省級公益林面積為31 326.89 hm2，占全縣公益林總面積的18.82%；市級公益林面積為5 935.15 hm2，占全縣公益林總面積的3.56%[14]。淳安縣動植物資源豐富，有維管束植物195 科2 003種；動物種類多樣，有獸類動物61 種、鳥類224 種、爬行類50 種、兩棲類12 種、魚類94 種[15]。

1.2 數據來源

本研究的數據包括：①土地利用、氣溫、降水及土壤數據均來自中國科學院資源環境科學數據中心；②高程坡度數據來自地理空間數據云；③Landsat 數據產品來自美國航空航天局（NASA）；④自然保護區數據來自中國生態系統評估與生態安全數據庫；⑤基礎地理數據來自國家地理信息中心。在ArcGIS 10.2 軟件支持下，將所有空間數據統一為CGCS 2000 坐標系，并重采樣成30 m×30 m 柵格單元大小進行運算。

2 研究方法

2.1 生態系統服務重要性評價

生態系統服務重要性評價從為人類服務的角度出發，針對區域特點，判定不同生態功能對人類生存發展的價值高低，并篩選出具有較高價值的生境斑塊[16]。選取研究區最為重要的土壤保持、水源涵養、生物多樣性維持和固碳釋氧4 類生態系統服務功能作為評價因子。其中，土壤保持通過修正的通用土壤流失方程[17]計算潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值獲得；水源涵養采用降水貯存量法[18]估算；生物多樣性維持采用生物多樣性服務當量[19]表示；固碳釋氧由凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）數據[20]表示。

采用自然斷點法[21]，將上述服務功能計算結果分別劃分為5 級并賦值1 ～ 5，賦值越大表示生態服務越重要；將分級后的4 類因子進行等權疊加，對其結果仍采用自然斷點法劃分為一般重要、較重要、中度重要、高度重要和極重要5 個等級[22]，獲得生態系統服務重要性評價結果。生態系統服務重要性評價計算總公式如下[23]：

式中，SSj為生態系統服務功能重要性綜合指數；Zij為研究區域內j空間單元第i個指標的重要性等級值；Wij為研究區域內j空間單元第i個指標的權重（本研究采取等權疊加，Wij為0.25）。

2.1.1 土壤保持功能重要性評價 土壤保持量表示為潛在土壤侵蝕量與土壤侵蝕量之差。本文使用改進的水土流失模型RUSLE 模型進行估算[24]：

式中，A為土壤保持量，R為降雨量侵蝕因子，K為土壤可蝕性因子，L為坡長因子，S為坡度因子，C為植被覆蓋因子，P為水土保持措施因子。

2.1.2 水源涵養功能重要性評價 降水量貯存法認為在林區樹冠和樹干的蒸騰和擴散的水量約占降水量的30%，樹木在蒸騰過程中的水量又占降水量的15%，因而森林涵養水源量只占林區降水量的55%[25]。其計算公式為：

式中，Q為森林涵養水源量，A為森林面積（hm2）；P為多年平均降水量（mm）；f為森林覆蓋率（%）。

2.1.3 生物多樣性維持功能重要性評價 生物多樣性維持服務采用生物多樣性服務當量表示。

2.1.4 固碳釋氧功能重要性評價 固碳釋氧指的是植物通過光合作用將二氧化碳轉換為氧氣，同時將二氧化碳中的碳固定到植物體內。本文采用CASA 模型計算NPP 代表植被的固碳釋氧能力[26]：

式中：NPP(x,t)是柵格單元x在月份t時的凈初級生產力（gC·km-2），APAR(x,t)表示象元x在月份t時的光和有效輻射（MJ·km-2）；ε(x,t)是象元x在月份t 時的實際光能利用率（gC·MJ-1）。

2.2 生態環境敏感性評價

杭州市將新安江、千島湖風景區等地列為水土流失重點預防保護區，范圍為淳安縣除中洲鎮、汾口鎮、王阜鄉、屏門鄉、唐村鎮、嚴家鄉、橫沿鄉外的其它鄉鎮。本研究選取植被覆蓋度、高程、坡度、土地利用類型及土壤侵蝕強度5 類指標作為評價因子。其中，土壤侵蝕強度用來表示研究區生態環境最為突出的水土流失敏感性，其值基于修正的通用土壤流失方程計算并分級得到?；趯哟畏治龇ǎˋHP）確定的權重，對上述5 類因子根據敏感性由低到高依次賦值為9、7、5、3 和1，賦值越低表示越敏感，對賦值結果進行加權運算，使用自然斷點法劃分為不敏感、輕度敏感、中等敏感、高度敏感和極度敏感5 個等級[8]，獲得生態環境敏感性評價結果，如表1。

表1 生態環境敏感性評價因子分級及權重Tab. 1 Classification and weight of indicators for eco-environmental sensitivity

生態環境敏感性評價計算公式[27]如下：

式中，S為生態環境敏感性綜合指數；n為評價因子數，An為第n個評價因子柵格圖層；Kn為第n個評價因子的權重。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務重要性評價

淳安縣除河流湖泊附近及東北部外，其余地區水源涵養功能較弱，其中北部優于南部，東部優于西部，整體分布由中心河流湖泊地區向四周逐步遞減（圖1A）。淳安縣生物多樣性整體水平較高，水源附近生物多樣普遍較高，西南方向生物多樣性明顯低于其余方向（圖1B）。對土壤保持、水源涵養、生物多樣性維持和固碳釋氧等生態系統服務評價結果運用綜合取高的方法得到淳安公益林生態系統服務重要性空間分布圖（圖1C）。研究結果表明（表2），淳安縣公益林生態系統服務重要性整體狀況良好，其中，高度重要公益林所占比例最大，占全縣公益林總面積的41.93%；較重要、中等重要與極重要公益林所占比例相近，分別占全縣公益林總面積的17.92%、19.53%與18.27%；一般重要公益林僅占全縣公益林總面積的2.35%。總體來看，高度重要公益林所占比例遠高于其它等級公益林的比例，不同評價等級公益林的比例之間差距較大。

圖1 淳安縣公益林生態系統服務重要性評價結果Fig. 1 Evaluation on ecosystem services in Chun’an

表2 淳安縣公益林生態系統服務重要性評價結果統計Tab. 2 Evaluation on ecosystem service importance of ecological forest in Chun’an

由表3 可知，淳安縣公益林生態服務高度重要和極重要區域面積為100 223.09 hm2，主要分布在開發總公司、威坪鎮、文昌鎮、里商鄉、楓樹嶺鎮、臨岐鎮等區域（面積均在5 000 hm2以上）。其中，富文鄉公益林生態服務高度重要和極重要區域占全鄉公益林總面積的比例最大，為93.11%；其次為文昌鎮，公益林生態服務高度重要和極重要區域占全鎮公益林總面積的92.65%；汾口林場所占比例最小，公益林生態服務高度重要和極重要區域僅為全林場公益林總面積的7.26%。

公益林生態服務中等重要及以下區域面積為66 265.54 hm2，主要分布汾口鎮、楓樹嶺鎮、開發總公司、姜家鎮、中洲鎮、威坪鎮等區域（面積均在4 000 hm2以上），占全縣公益林總面積的39.80%，占全縣土地總面積的15.00%。其中，汾口林場公益林生態服務中等重要及以下區域占整個林場公益林總面積的92.74%，為全縣占比最高區域；其次為汾口鎮，公益林生態服務中等重要及以下區域占全鎮公益林總面積的79.74%；富文鄉所占比例最小，僅為全鄉公益林總面積的6.89%。

3.2 生態環境敏感性評價

淳安縣植被多分布于河流湖泊周圍，全縣植被覆蓋度總體較高，森林資源豐富（圖2A）。由于位處于四周高中間低的山區和丘陵地帶，總體地形起伏較大，汾口林場、楓樹嶺鎮、宋村鄉與左口鄉交界處等區域海拔較高且地形坡度較大，丘陵地帶如開發總公司、縣種畜場、坪山林場等區域海拔較低且地形坡度較小，總體上四周地形起伏大于中間（圖2B、2C）。植被覆蓋度較高以及地形起伏較平緩的區域土壤侵蝕程度低，植被覆蓋度較低以及地形起伏較大區域，如中洲鎮、楓樹嶺鎮、大墅鎮等區域土壤侵蝕程度較大，整體上淳安縣土壤侵蝕狀況良好（圖2D）。

綜合植被覆蓋度、高程、坡度、土地利用類型及土壤侵蝕強度5 類評價因子的空間分布，得到淳安公益林生態環境敏感性空間格局，結果表明（表4），淳安縣公益林生態環境敏感性整體狀況良好，高度敏感及以上區域與中等敏感及以下區域面積相當。其中，高度敏感性與中等敏感性公益林所占比例最大，且數值相近，分別占全縣公益林總面積的37.28%、31.05%；較敏感性、極敏感性所占比例差別不大，分別為17.05%、11.57%；不敏感性公益林僅占3.05%，與其它等級公益林相差較大?？傮w來看，各評價等級之間較生態系統服務重要性評價結果來看差距較小。

表4 淳安縣公益林生態環境敏感性評價結果Tab. 4 Evaluation results of eco-environmental sensitivity of ecological forest in Chun’an

表5 淳安縣公益林生態環境敏感性分布Tab. 5 Distribution of eco-environmental sensitivity of ecological forest in Chun’an

公益林生態環境高度敏感及以上區域面積有90 454.18 hm2，主要分布在開發總公司、楓樹嶺鎮、里商鄉、中洲鎮等區域（面積均在5 000 hm2以上）。其中，淳安縣種畜場公益林生態環境高度敏感及以上區域占全場公益林總面積的比例最大，為87.88%；其次為楓樹嶺營林，公益林生態環境高度敏感及以上區域占全場公益林總面積的73.54%；瑤山鄉公益林生態環境高度敏感及以上區域所占比例最小，為全鄉公益林總面積的28.07%。

公益林生態環境中等敏感及以下區域面積有76 034.46 hm2，主要分布在開發總公司、威坪鎮、梓桐鎮、楓樹嶺鎮、汾口鎮、姜家鎮（面積均在4 000 hm2以上），占全縣公益林總面積的45.67%，占全縣土地總面積的17.21%。其中，瑤山鄉公益林生態環境中等敏感及以下區域占整個鄉公益林總面積的71.93%，為全縣占比最高區域；其次為園林管理處，公益林生態環境中等敏感及以下區域占園林管理處公益林總面積的71.19%；縣種畜場所占比例最小，公益林生態環境中等敏感及以下區域僅為全場公益林總面積的12.12%。

3.3 生態源地識別結果

對比圖1C 和圖2E，淳安縣公益林生態環境高度敏感及以上區域主要分布在開發總公司、楓樹嶺鎮、里商鄉、中洲鎮等區域，這些區域海拔高、坡度陡，土壤侵蝕較為嚴重，在雨季易發生滑坡、泥石流等自然災害；公益林生態環境中等敏感及以下區域主要分布在瑤山鄉、界首鄉、千島湖鎮、金峰鄉、威坪鎮，這些區域植被覆蓋度較高，主要以林地、濕地以及灌叢為主，生態環境質量較好，受人類活動干預較輕，生物多樣性較為豐富，生態系統服務重要性相對較高，其高度重要及以上面積占比都大于50%，可知生態環境敏感性較弱的區域，公益林生態環境質量一般較好，其服務功能也較強。因此，淳安公益林生態保護關鍵區為生態環境高敏感和生態服務高重要地區。綜合生態系統服務重要性和生態環境敏感性評價結果，提取生態服務重要性評價中高度重要和極重要級別、生態環境敏感性評價中高度敏感和極敏感級別的板塊作為生態源地得出淳安公益林生態源地

總面積為50 160.04 hm2，占研究區總面積30.13%，生態源地斑塊主要分布于千島湖西北、東北、東南湖區沿岸，形成環千島湖生態屏障，主要土地利用類型為林地、水域、濕地，即城鎮周邊公益林林地、庫塘濕地及千島湖。公益林林地生態源地森林蓄積量大，分布有杉木Cunninghamialanceolata、馬尾松Pinusmassoniana以及青岡Cyclobalanopsisglauca、苦櫧Castanopsissclerophylla等闊葉樹，能夠為生物提供質量優良的棲息地，野生動植物資源豐富。千島湖是淳安縣最重要的飲水源地，在農業灌溉，蓄水防洪等方面具有核心地位。庫塘濕地以發電為主，兼防洪、航運、灌溉、養殖和旅游等多種功能，在維持生態平衡和水文調節方面有重要的作用。

4 討論與建議

淳安縣公益林生態系統服務重要性整體狀況良好，但公益林生態服務中等重要及以下區域面積達到66 265.54 hm2，這些區域公益林分布面積較少，應加強公益林建設，采用成熟有效的經營策略，根據營林目的差異，明確每一種公益林所應該使用的營林對策，利用合理優化公益林的林分結構、重視對公益林的撫育和保護工作、切實加強對松材線蟲病的防治與公益林的森林防火工作、向技術標準化方向發展公益林撫育間伐工作等措施，提高生態服務中等重要及以下區域公益林的涵養水源、保持水土、凈化空氣、防風固沙等生態服務功能，促進淳安縣公益林資源健康、穩定發展。

淳安縣公益林生態系統服務重要性整體狀況良好，其中生態服務高度重要及以上區域作為保障全縣公益林生態安全的基本區域，是公益林資源發展與城鎮環境開發建設的生態底線，應在維護現有公益林資源保護與監管的基礎上，嚴格禁止開發建設。

生態源地斑塊形成環千島湖生態屏障的保護格局，其中西北、東北、東南湖區生態屏障的空間形態較為明顯，起到連接湖區重要生態空間的作用，在保證公益林高質量發展的同時，進一步加強千島湖生態系統的保護和修復力度，保障環千島湖生態屏障的安全屏障作用和連通作用，可對淳安縣的生態安全產生積極影響。

以保護源地為約束條件分析淳安公益林生態安全特征，提出以下保護措施：（1）在公益林分布面積較少的區域，應不斷加強公益林保護建設、開展公益林植被修復與生態治理工程，提高公益林整體郁閉度；在公益林分布較多的區域，應在現有公益林管護工作的基礎上，加強對公益林的監測與管護，以維持生態系統功能和服務的穩定。（2）淳安縣公益林景觀現狀的特點具有構建基于集中與分散相結合原則的整體結構優化模式的有利條件，因此淳安縣公益林景觀建設的重心應從增加公益林資源總量轉移至優化公益林景觀的整體空間格局。（3）對現有人工林景觀生態系統有目的地進行自然化、生態化、多樣化和特色化的改造，提高其生態系統質量。（4）設計不同尺度和等級的森林景觀廊道，發揮公益林景觀整體生態功能，把針對本研究城市區域的不同尺度和等級規模的公益林景觀廊道建設作為景觀保護和建設的主要任務。（5）在城市開發過程中，需要綜合社會、經濟以及對環境的影響等，最終設計出適合城市安全格局的方案。（6）通過生態文化的教育提升人們對城市生態環境的認識，強化廣大群眾對生態學、環境學的認識，提高綜合素質，從根本上提高人們保護公益林資源的意識。

本研究通過對淳安縣公益林生態系統服務重要性、生態環境敏感性的分析，科學識別了生態源地，分析公益林生態安全空間特征，為公益林生態安全建設提供了切實可行的依據。 但本文并未對淳安公益林生態格局的生態廊道與景觀斑塊連通性做進一步研究，為了使環千島湖生態屏障之間的連通性更加完整，充分發揮源地的功能，接下來的工作中還需要對生態廊道的類型、分布與優化進行研究分析，構成更完整的生態安全格局。此外，進一步與人文經濟背景進行聯系，積極探索淳安地區人與自然和諧發展之路。

5 結論

本研究在綜合考慮淳安縣公益林生態系統服務重要性和生態環境敏感性的基礎上，提取重要生態保護源地，分析公益林生態安全格局分布特征并對其進行空間優化。結果表明，淳安縣公益林生態系統服務重要性和生態環境敏感性整體狀況良好，重要生態保護源地總面積為50 160.04 hm2，占研究區總面積的30.13%，生態源地斑塊主要分布在中部和東部的千島湖西北、東北、東南湖區沿岸，形成環千島湖的生態屏障，基于生態源地保護劃分的公益林功能區劃，可以為淳安公益林的生態安全保護和可持續發展提供參考，也可以為實現區域生態與經濟和諧發展提供政策支持。