贵州省森林生态系统水源涵养功能价值评估

郝新朝 安裕伦 伍显 夏林 陈啟英 奚世军 安宏锋 朱启雄

摘  要：森林生态系统是地球上最大的生态系统，在全球生态系统中发挥着至关重要的作用。该研究从森林生态系统服务功能视角出发，基于2000—2010年贵州省各州（市）降雨数据和2010年贵州省森林数据，利用ArcGIS空间分析工具模块下的空间插值、降雨量贮存、替代工程等方法，结合坡度、海拔和岩性等指标修正的R值，评估了2010年贵州省森林生态系统水源涵养功能的价值及其空间差异。结果表明：（1）贵州省2010年森林生态系统水源涵养功能为205.363亿m3，转化成经济价值为1640.850亿元，相当于贵州省同年全省生产总值的35.7%。（2）贵州省森林生态系统水源涵养功能整体上看为中部低，南、北部高;西部低，东部高。（3）按行政区划来分，单位面积水源涵养能力呈现为：黔东南>黔西南>黔南>铜仁>安顺>六盘水>遵义>贵阳>毕节。（4）就不同森林类型单位面积水源涵养能力来看，常绿阔叶林>针阔混交林>常绿针叶林>落叶阔叶林>灌木林。

关键詞：森林生态系统;生态系统服务功能;水源涵养功能;贵州省

中图分类号 S718.5文献标识码 A文章编号 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

森林生态系统是人类巨大的绿色宝库，是维持全球生态平衡的主体和人类赖以生存的重要自然资源，对调节生物圈、大气圈和水圈平衡，改善生态环境具有不可替代的作用[1]。水源涵养是生态系统服务功能的一个重要功能，主要表现为截留降水、增强土壤下渗、抑制蒸发、缓和地表径流等功能[2]。森林生态系统水源涵养功能是植被层、枯枝落叶层和土壤层对降雨进行再分配的复杂过程[3]。自20世纪中叶开始，大量学者对森林水源涵养功能的水文过程和形成机制展开了研究[4-8]。21世纪初，随着《千年生态系统评估》的开展，生态系统服务功能价值评估成为研究焦点之一[9]。水源涵养功能作为其中重要组成成分，学者对其的相关研究也在持续增加[10]。由于对水源涵养功能含义和深度的理解不一，研究区域不同、尺度不一以及类型不同，采用的核算方法也各种各样。因此，国内外出现了大量的水源涵养功能评估方法与模型，主要有林冠截留剩余量法[11]、土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法[12]、年径流量法、水量平衡法[13]、径流系数法以及降水量贮存法和InVEST模型[14]等。这些方法优势各异，但都存在一定的局限性，要做到具体情况具体分析，综合考虑，才能客观反映其实际水源涵养量及价值[15，16]。综合蓄水能力法相对全面，但计算过程复杂，计算结果仅代表理论上的效益值;林冠截留剩余量法忽视森林地表及地下水文过程;水量平衡法宏观考虑，思路清晰，计算过程简单，但结果不能全面反映其水源涵养量[17];降水量贮存法受降水量影响较大，且忽略海拔的作用，但计算简单，所需数据量少，结果可反映理论涵养量，对其他方法的计量结果具有一定的参考价值。

贵州省位于西南喀斯特地区的中心，是中国非常重要的脆弱生态功能区。20世纪以来，该区域森林减少、水土流失及石漠化加剧，生态环境恶化，人地矛盾突出，生态功能退化[18]。贵州省森林覆盖率较高，降水量大，多年平均降水量达1200mm，加上其地质地貌特征独特，土层厚度相对较薄，地面蓄水保水能力较弱，有“地下水滚滚流，地上水贵如油”的说法，该地区仍面临水资源缺乏的问题。因此评估该地区的森林生态系统水源涵养功能及其内部差异尤为重要。笔者从其服务功能角度着手，以行政区划为单元，结合海拔、岩性等数据，对其森林生态系统水源涵养功能及其内部差异进行估算与分析，对其保护、开发与管理具有一定的科学指导意义，并为建立健全生态补偿机制提供科学依据。

1 研究区概况

贵州省地处中国西南腹地，位于103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N之间，与重庆、湖南、广西、云南、四川接壤。下辖有安顺市、毕节市、贵阳市、黔东南苗族侗族自治州（凯里市）、铜仁市、遵义市等9个州市，国土总面积17.617萬km2，其中喀斯特地貌面积约为10.918万km2，占土地总面积的61.9%[19]。地貌以高原山地居多，素有“八山一水一分田”之说。贵州省地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1100m左右。贵州气候冬暖夏凉，温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，年平均温度一般在14～18℃，全年无霜期225～280d;降水较为充足，年降水量在1000～1300mm[20]。贵州省2017年森林覆盖率达52%，位居全国第10，人均森林面积约为0.26hm2。森林以常绿针叶林、常绿阔叶林和灌木林为主要植被类型，有70种珍稀植物列入国家珍稀濒危保护植物名录，全省有野生植物资源3800余种。

2 资料与方法

2.1 数据来源 选取贵州省森林生态系统为研究对象，以2010年植被数据和2000—2010年贵州省气象数据为基础数据，估算贵州省2010年森林生态系统功能及价值。2010年植被数据来源于全国生态环境10年变化（2000—2010）遥感调查与评估贵州省专题项目，结合同年部分林业数据整理得到。将研究区森林生态系统分为常绿阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林和落叶阔叶林等8种植被类型。气象数据来源于中国基本、基准地面气象观测站及自动站共19个站点2000—2010年贵州省数据集。气象数据经整理计算得到贵州省19个站点10年的年平均降水量。文中涉及的社会经济数据主要来源于《贵州统计年鉴2016》。

2.2 研究方法

2.2.1 预处理 基于贵州各地州市19个站点空间分布及各站点2000—2010年年平均降水量数据，利用ArcGIS空间分析工具的克里金（kriging）空间插值和空间统计方法，获取贵州省2000—2010年年平均降水量空间分布，进一步算出贵州各州市年均降水量数据（如表1）。

2.2.2 水源涵养量 主要采用降雨量贮存法[21]对贵州省森林水源涵养功能进行计算，该功能的生态经济价值采用替代工程法进行评价，水库造价成本取7.99元/m3[22]。

其中，Q为与裸地相比森林生态系统涵养水分增加量（mm/（hm2/a））;A为森林生态系统的面积（hm2）;J为研究区多年平均产流降水量（mm）;J0为研究区多年平均降水量（mm）;K为研究区产流降水量占降水总量的比例;R为与裸地相比，生态系统减少径流的效益系数;R0为产流降雨条件下裸地降水径流率;Rg为产流降雨条件下林地降水径流率。

贵州省受东亚季风影响，降水量较大，表层喀斯特带顺坡径流量大[23]。贵州省有60%以上的面积均为喀斯特区域，喀斯特石漠化严重。笔者以行政区划为单元，利用ArcGIS空间统计获得的贵州省各州市年均降水量，参考赵同谦等[24]提出的K值（北方0.4，南方0.6）和R值，综合考虑中国南北方差异，结合贵州省实际情况岩性和坡度，（全省平均坡度为16°，喀斯特区域丘峰坡度平均为30°），对部分R值进行修正，结果如表2所示。

3 结果与分析

3.1 森林水源涵养量地区分布 结合贵州省各州市多年平均降水量、水源涵养计算公式、K值和修正的R值，计算得到水源涵养量评估结果（见表3），进一步得到其经济价值量。

贵州省2010年森林生态系统总水源涵养量为205.363亿m3，占全省同年公报数据水源涵养总量的21.47%。转化成经济价值为1640.850亿元，单位面积森林生态系统的水源涵养量为2134.814m3/hm2。整体来看水源涵养量分布为中部低，南、北部高;西部低，东部高。

全省黔东南地区、黔西南的册亨、望谟和贞丰以及遵义的赤水、习水和务川部分地区为非喀斯特区域，海拔较低（<1100m），且土壤分别以黄壤、红壤和紫色土为主，石漠化程度较低，森林植被茂密，植被覆盖度较高，蓄水能力较好，水源涵养量大;黔中地区为喀斯特区域，典型喀斯特和亚喀斯特分布较多，海拔在1100m左右，地势相对平坦，但土壤以石灰土和黄壤为主，并有部分粗骨土和水稻土，植被较稀疏，蓄水能力较差，且面积较小，故水源涵养量小;西部地区海拔高，喀斯特石漠化严重，且植被以灌木林为主，水源涵养量较小，为30.172亿mm3;东部地区海拔较低，平均坡度较小，土壤以黄壤为主，森林类型以常绿针叶林为优势树种，水源涵养量较大，为46.134亿m3。

按行政区划来看，黔东南州森林水源涵养量最大，为50.224亿m3，占比24.46%;贵阳和六盘水地区森林水源涵养量最小，分别为7.336亿m3和8.740亿m3，占比分别为3.57%和4.26%。贵州9个州市行政区森林生态系统水源涵养量占比：黔东南（24.46%）>黔南（17.31%）>遵义（16.46%）>毕节（10.44%）>铜仁（10.24%）>黔西南（8.75%）>安顺（4.53%）>六盘水（4.26%）>贵阳（3.57%）;单位面积水源涵养能力：黔东南（2300.497）>黔西南（2280.637）>黔南（2260.083）>铜仁（2244.797）>安顺（2165.922）>六盘水（2076.396）>遵义（2055.306）>贵阳（2012.900）>毕节（1673.768）。黔东南有大面积针叶林，黔南有灌木林和针阔混交林，遵义地区有大面积阔叶林，且茂兰自然保护区和赤水自然保护区分别在黔南和遵义地区，该区域水源涵养功能较高;毕节地区以灌木林为主，并有少许针叶林，铜仁地区有梵净山自然保护区，2/3的林地面积均为针叶林，毕节虽有面积优势，水源涵养总量略大于铜仁地区，但论单位面积的水源涵养功能，铜仁地区远高于毕节地区;贵阳市地处黔中，喀斯特石漠化严重，水源涵养功能较低。

3.2 不同森林类型水源涵养及其贡献率 贵州森林以常绿针叶林和灌木林为主，针阔混交林面积最小。其中常绿针叶林因其面积优势，水源涵养量最大，为92.706亿m3，贡献率为45.142%，是森林水源涵养的主体;常绿阔叶林水源涵养量为19.718亿m3，约占总量的9.602%;灌木林和落叶阔叶林的水源涵养量为57.897亿m3和32.575亿m3，贡献率分别为28.192%和15.862%;针阔混交林因面积最小，水源涵养量最低，为2.467亿m3，仅占总量的1.202%。

贵州省2010年森林类型水源涵养贡献率与其面积占比成正相关关系，面积越大的森林类型，其水源涵养量也越大，相对的贡献率也越大。就单位面积水源涵养能力来说，常绿阔叶林水源涵养能力最高，为2612.048m3/hm2;其次是针阔混交林，为2544.7m3/hm2;常绿针叶林涵养能力略低于针阔混交林，为2402.665m3/hm2;灌木林水源涵养能力最低，为1815.064m3/hm2（如表4）。水源涵养功能排序为：常绿阔叶林>针阔混交林>常綠针叶林>落叶阔叶林>灌木林。

4 结论与讨论

4.1 结论 贵州省2010年森林生态系统水源涵养功能为205.363亿m3，占同年公报数据水源涵养总量的21.47%;转化成经济价值为1640.850亿元，相当于同年贵州省全省生产总值的35.7%。单位面积森林生态系统的水源涵养量为2134.814m3/hm2。

贵州省森林生态系统水源涵养功能整体上看为中部低，南、北部高;西部低，东部高。水源涵养功能受岩性、土壤和植被类型影响较大，喀斯特石漠化越严重，水源涵养功能越低。按行政区划来分，水源涵养量占比大小顺序为：黔东南>黔南>遵义>毕节>铜仁>黔西南>安顺>六盘水>贵阳;单位面积水源涵养能力大小顺序为：黔东南>黔西南>黔南>铜仁>安顺>六盘水>遵义>贵阳>毕节。

就不同森林类型而言，贵州省2010年常绿针叶林水源涵养量最大，为92.706亿m3，相应的贡献率也最大，为45.142%;其次是灌木林，然后是落叶阔叶林和常绿阔叶林;针阔混交林因面积最小，其水源涵养贡献率也最低，约为1.202%。从单位面积水源涵养能力来看，常绿阔叶林>针阔混交林>常绿针叶林>落叶阔叶林>灌木林。

4.2 讨论 笔者结合贵州省实际情况（岩性、坡度和土壤等）对R值进行部分修正，选择降水量贮存法对贵州省2010年森林生态系统水源涵养功能价值及内部差异进行估算评价，方法简单，易于操作。但植被分类较少，未考虑喀斯特地区森林水文及其时空变化情况，估算相对粗略，有待于进一步深入分析研究，并在以后的研究中深化完善。

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（责编：徐世红）