热带季节雨林和次生林水源涵养服务价值变化过程研究

裴 厦，谢 高 地，张 昌 顺，刘 春 兰，陈 龙

(1.北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)



热带季节雨林和次生林水源涵养服务价值变化过程研究

裴 厦1，谢 高 地2*，张 昌 顺2，刘 春 兰1，陈 龙1

(1.北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

为了掌握西双版纳热带季节雨林和次生林水源涵养服务价值的变化规律，基于西双版纳生态台站的定位观测数据，对比分析了两种林型水源涵养服务的构成及年内价值变化过程。结果表明，两种林型的水源涵养总量接近，分别为74 158 m3/hm2和70 654 m3/hm2，水调节量为主，占90%以上。热带季节雨林的水供给价值高于水调节价值，热带次生林的水调节价值和水供给价值大致相等，综合分析，热带季节雨林的年水源涵养服务价值(4 531 元/hm2)比次生林(2 732元/hm2)高66%。两种林型的水源涵养服务变化过程相似：主要受水供给变化过程的影响，水源涵养服务变化曲线呈单峰态，月变异程度较大；热带季节雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵养量分别占全年总量的54%和57%，水源涵养价值均占全年总价值的65%左右。

水源涵养；水调节；水供给；年内变化过程；西双版纳

森林通过林冠层、枯枝落叶层和土壤层对降雨的截蓄和吸持起着良好的水源涵养作用[1]。关于森林生态系统水源涵养服务及价值的研究已有很多，但多是对森林水源涵养的年功能量和价值量进行核算，缺乏基于植被水文过程的水源涵养服务及价值变化过程的研究。Chan等[2]指出由于缺少局地和区域尺度关于生态系统服务动态变化的研究，导致无法形成系统的方法来规划和管理生态系统。因此，有必要研究森林生态系统的水源涵养服务价值变化过程，以期增强人类对森林水源涵养服务的认识，丰富生态系统服务价值评估的理论，为森林生态系统的保护和管理提供科学支撑。

鉴于西双版纳热带森林的典型性和数据的完备性，本研究以西双版纳热带季节雨林和次生林为研究对象，基于中国生态系统研究网络(CERN)定位观测数据，对比分析西双版纳热带季节雨林和次生林的水源涵养服务价值变化过程。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域

中国生态系统研究网络(CERN)云南西双版纳站的热带季节雨林观测场(101°12′1″E，21°57′40″N)位于云南省勐腊县勐仑镇，为原始森林自然演替的顶级群落，人类活动的影响极小。物种以番龙眼(Pometiapinnata)+千果榄仁(Terminaliamyriocarpa)为标志种，属于热带北缘的顶级群落类型，群落盖度约90%,群落高35～40 m，垂直结构分为乔木层、灌木层、草本层和层间植物;坡度12°～18°，坡向为北坡，坡位居中；土壤类型为砖红壤，母质为白垩黄色砂岩。热带次生林观测场(101°16′23″E，21°55′08″N)位于云南省勐腊县勐仑镇，属原始森林经人为干扰后发育起来的次生植物群落，人类活动的影响为轻度。植物群落类型有：番龙眼(Pometiapinnata)+见血封喉(Antiaristoxicaria)+樫木(Dysoxylumexcelsum)+梭果玉蕊(Barringtoniafusicarpa)+思茅崖豆(Fordialeptobotrys)-假海桐(Pittosporopsiskerrii)+大花哥纳香(Goniothalamusgriffithii)-蕨类植物+小叶楼梯草(Elatostemaparvum)，群落高20～25 m，为中龄林，群落结构分为乔木层、灌木层和草本层；坡度20°～27°，坡向西坡，坡位下坡；土壤类型为砖红壤，母质为砂岩[3]。

1.2 研究方法

水源涵养服务可以分为水调节服务和水供给服务[4]。水调节服务主要通过森林各层的截留和储蓄降水功能来实现，水供给服务主要通过地上和地下径流来实现。因此，水调节服务可依靠森林综合蓄水能力法计算，水供给服务可依据径流量进行计算。

西双版纳热带季节雨林区是有名的静风(年均风速0.5 m/s)、多雾(年雾日>170 d)区，雾凉季(11-2月)和干热季(3-4月)多有辐射雾出现，雾的总持续时间占雾凉季和干热季时间的40%以上，西双版纳热带季节雨林具有较强的拦截雾水、增加水平降水的作用[5]。因此，在计算热带季节雨林水源涵养及价值时，除了考虑降雨因素外，还应考虑雾水的作用。总降水量R为降雨量R1和水平降水量(截留雾水量+穿透雾水量)R2之和。截留雾水量根据刘文杰等[5]的研究成果进行推算，雾季、干季和雨季的水平降水量占总降水量比例的平均值分别为58.4%、51.9%和6.8%。

R=R1+R2

(1)

森林截蓄降水主要依靠林冠层、凋落物层和土壤层，凋落物月持水量和土壤月蓄水量分别为凋落物和土壤含水量，依据凋落物和土壤含水率进行计算。因此，森林月截蓄降水总量Vs的计算公式如下:

Vs=Vs1+Vs2+Vs3

(2)

式中：Vs1为林冠层月截水量，Vs2为凋落物月持水量，Vs3为土壤月蓄水量。其中Vs1的计算公式如下:

Vs1=R-Fb-Rp

(3)

式中：R为月降水量，Fb为树干月径流量，Rp为月穿透降水量。

森林生态系统月调节水量Vr计算公式为：

Vr=Vs

(4)

森林生态系统月供水量Vg计算公式为：

Vg=F=F地表+F地下

(5)

式中：F为月径流量，F地表为月地表径流量，F地下为月地下径流量。

生态系统可以被看做一个水库，二者都有蓄水和调水的功能。因此，水调节价值计算采用替代工程法，选择1m3水库库容建设投资成本作为水调节服务的单价。由于生态系统服务属于“流量”范畴，因此，应该用水库建设年均投资成本AV(而非总投资成本)来计算水调节服务的价值。

(6)

式中：PV为水库建设投资总成本，r为贴现率，n为水库使用年限。

根据式(6)计算1m3水库库容建设年均投资成本，再除以12即为每个月的投资成本。全国平均1m3水库库容建设投资成本为6.11元[6]；采用银行存款利率3.5%作为贴现率计算1m3库容的年投资成本。水供给价值采用水资源费0.5元/m3进行计算[7]。月水调节服务价值Mr的计算公式为：

Mr=AV·Vr/12

(7)

月水供给服务价值Mg的计算公式为：

Mg=0.5·Vg

(8)

则月水源涵养价值M为：

M=Mr+Mg

(9)

1.3 数据来源

本研究中热带季节雨林和次生林的降水量、凋落物持水量、土壤层蓄水量、树干径流量和穿透降水量数据来源于中国生态系统研究网络(CERN)中的西双版纳站热带季节雨林和次生林样地上小集水区2002-2006年的监测数据[3]，取2002-2006年各指标的平均值进行计算;价格参数采用国家相关权威部门发布的社会公共数据或已有的研究成果;做图和回归分析所用软件为Origion8.5。

2 研究结果分析

2.1 水调节服务及价值

截蓄降水是留在生态系统中的降水部分，它不仅起调节径流的作用，而且对维持生态系统正常生长、改善生态系统环境具有重要价值。研究表明，年内热带季节雨林林冠层、枯落物层和土壤层的月截蓄总水量平均值为5 858m3/hm2，次生林的月截蓄水量平均值比季节雨林少199m3/hm2。两种林型的土壤层蓄水量最多，占总截蓄水量的80%以上，其次为林冠截留量，枯落物的持水最小，占总截蓄水量的比例不足1%。

年内热带季节雨林和次生林各层月调节水量的变化趋势基本一致(图1)。两种林型的总调节水量曲线分别在5月和8月出现波峰，最大值都出现在8月，此时也恰恰是两种林型土壤蓄水量最大的月份。土壤蓄水量变化平缓。土壤含水量最小值出现在3月、4月，最大值出现在8月。这是因为3月和4月属于该区的干热季，降水补给较少，同时植被和土壤的蒸散发较大；而8月属于雨季，降水补给相对较多。林冠截留量变化较剧烈，两种林型都在5月和8月分别出现一个峰值，其中最大值出现在8月。凋落物的含水量相对于截蓄总量太少，可以忽略不计。综合看，森林截蓄降水总量的曲线变化形式与林冠层截水量的曲线形式一致。

两种林型的土壤层蓄水量受降水量影响较小，两者之间无线性相关关系；林冠层截水量和森林截蓄降水总量受降水量影响较大，与降水量之间呈现线性相关关系(表1)。

图1 热带季节雨林和次生林调节水量构成及年内变化过程

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

表1 月截留降水量与月降水量之间的线性关系式

Table 1 Linear equations between monthly water retention and monthly precipitation

林型截留降水类型关系式热带季节雨林热带次生林林冠层y=344．44+2．04x，R2=0．79，p<0．01总截留降水y=5410．47+2．78x，R2=0．67，p<0．01林冠层y=-247．19+3．16x，R2=0．79，p<0．01总截留降水y=4955．11+4．37x，R2=0．60，p<0．01

年内热带季节雨林截蓄降水价值(1 406 元/hm2)稍高于次生林(1 358 元/hm2),且年内价值的变化趋势与调节水量的变化趋势一致。原始热带季节雨林和次生林的水调节服务价值大小接近，而且在雨季(5-10月)和干季(11-4月)分配较平均。热带季节雨林和次生林的水调节价值在雨季和干季分配也较平均：在雨季热带季节雨林和次生林的水调节价值分别为717 元/hm2和722元/hm2，在干季两者分别为689元/hm2和636 元/hm2。

2.2 供给水服务及价值

森林的径流量包括地下径流和地表径流，是森林为人类提供的可利用的较为洁净的水资源。一年中，西双版纳热带季节雨林的供给水量高于次生林，热带季节雨林的径流总量为6 250 m3/hm2，是次生林的2.28倍。

图2 热带季节雨林和次生林供给水量年内变化过程

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

热带季节雨林和次生林供给水量的年内变化曲线形态一致，都出现一个波峰(图2)，但热带次生林的年内变化程度稍高于季节雨林。热带次生林的月水供给价值最大值(634 m3/hm2，出现在8月)是最小值(62 m3/hm2，出现在4月)的10.22倍；热带季节雨林的最大值(1 780 m3/hm2，出现在8月)是最小值(183 m3/hm2，出现在4月)的9.72倍。假设最后的水质一样，可以说，热带季节雨林供给水的能力高于次生林。两种林型的供水量受降水量的影响较大，与降水量呈显著线性相关关系(表2)。

表2 月供水量与月降雨量之间的线性关系式

Table 2 Linear equations between monthly water supply and monthly precipitation

林型供水量类型关系式热带季节雨林总供水量y=-112．81+3．94x，R2=0．57，p<0．01热带次生林总供水量y=-6．56+1．46x，R2=0．49，p<0．01

热带季节雨林和次生林的年内供水总价值分别为3 125 元/hm2和1 373 元/hm2。由于供水单价一样，供水价值在年内的变化曲线形态与供水量的变化曲线一样。两种林型的水供给服务主要在雨季(5-10月)发挥，热带季节雨林在雨季供给水价值占全年总价值的73%，次生林的占77%。

2.3 水源涵养量及价值

热带季节雨林和次生林水源涵养量在年内的变化曲线都呈现单峰形态(图3)，年水源涵养总量分别为74 158 m3/hm2和70 654 m3/hm2，前者比后者多5%。在水源涵养量中，调节水量占主导(占90%以上)。两种森林的月水源涵养量最大值都出现在8月，分别为8 438 m3/hm2和7 292 m3/hm2，热带季节雨林的月水源涵养量高于次生林。年内两种林型的月水源涵养量变化程度较大，热带季节雨林的变异系数为61%，次生林的为51%。热带季节雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵养量稍大于干季(11-4月)，两种林型雨季水源涵养量分别占全年总量的54%和57%。两种林型的水源涵养量与降水量呈显著线性相关关系(表3)。

图3 热带季节雨林和次生林水源涵养量年内变化过程

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

表3 月水源涵养量与月降雨量之间的线性关系式

Table 3 Linear equations between monthly water conservation and monthly precipitation

林型关系式热带季节雨林y=4842．30+8．31x，R2=0．62，p<0．01热带次生林y=4948．25+5．83x，R2=0．54，p<0．01

热带季节雨林的年水源涵养总价值为4 531 元/hm2，比次生林(2 732 元/hm2)高66%。热带季节雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵养价值占全年总价值的65%左右。热带季节雨林的水源涵养价值以水供给价值为主，占总价值的69%；热带次生林的水调节价值和水供给价值各占总价值的50%。热带季节雨林和次生林的水调节量和价值相近，水源涵养价值的差异主要是由于供水量的差异导致的。

3 结论与讨论

水源涵养是森林生态系统重要的生态系统服务之一，也是当前生态经济领域研究的热点问题。生态系统服务功能和价值的评估不仅要考虑生态系统的现状和构成，还应考虑其时空变化，要深入了解生态系统服务功能的内部机制和演变规律[8]。本文基于生态台站的定位观测数据，从森林生态系统提供水源涵养功能机制以及人类需求的角度出发，研究了西双版纳热带季节雨林和次生林水源涵养服务及其价值在年内的变化规律。

由于气候和土壤母质相同，原始季节雨林和次生林的水源涵养服务的变化过程存在一致的方面，同时次生林与原始季节雨林相比较，林冠层次少，叶面积指数低，这也导致两种林型在水源涵养总量及构成方面存在差异。研究结果表明：1)两种林型的水源涵养总量接近，热带季节雨林比次生林高5%，水调节量在水源涵养量中占90%以上；热带季节雨林提供的年水源涵养服务价值(4 531 元/hm2)比次生林(2 732 元/hm2)高66%。这主要由于热带季节雨林的水供给量高于次生林，加上水供给量单价大于水调节量单价，导致热带季节雨林的水供给价值高于水调节价值，为总价值的69%。热带次生林的水调节价值和水供给价值均占总价值的50%左右。2)主要受降水量变化的影响，两种林型的水源涵养量及价值在年内的变化曲线呈单峰态，月水源涵养量及价值年内变异较大；两种林型在雨季(5-10月)的水源涵养量及价值均大于干季(11-4月)，其中，热带季节雨林和次生林在雨季(5-10月)的水源涵养量分别占全年总量的54%和57%；水源涵养价值占全年总价值的65%以上。3)水源涵养服务变化过程主要受水供给服务变化过程的影响，水调节服务在年内变化较小。

在计算生态系统服务价值时，已有研究大都直接采用1 m3水库的永久投资成本进行计算，这实际上是将生态系统的水源涵养服务价值作为资产价值，计算出的结果并不是生态系统的年服务价值，研究成果不符合生态系统服务属于“流量”这一范畴[9，10]。在本研究中修正了这一点，根据水库的总投资成本进行贴现，计算了年均投资成本，再根据年均成本计算生态系统的年水源涵养价值，计算结果是生态系统服务价值而非资产价值。今后应进一步加强不同区域不同种类森林水文作用过程的长期监测和研究，辨析不同森林生态系统的水源涵养服务差异。

感谢中国生态系统研究网络(CERN)的工作者为获取监测数据所做的艰辛工作！

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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

国家自然科学基金项目(31070384)

裴厦(1985-)，女，博士，主要从事资源生态和生态系统服务研究。*通讯作者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