基于森林资源连续清查数据的云南省森林生态系统水源涵养功能动态评价

邓永红，肖 丰

(云南省林业调查规划院,云南 昆明 650051)

森林生态系统是指在一定地域内生存的森林生物群落与环境相互作用的、有能量转换和信息传递功能的统一体]。森林生态系统是生物圈生态系统中分布最广、结构最复杂、类型最丰富的陆地生态系统。森林以其繁茂的林冠层，林下的灌草植物形成的灌、草层，林地上的枯枝落叶层和疏松而深厚的土壤层，建造了完美的截持和蓄储大气降水的良好环境，从而对大气降水进行重新分配和有效调节，发挥着森林生态系统特有的水源涵养功能。森林生态系统水源涵养功能计量方法[2]主要有：土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、林冠截留剩余量法、水量平衡法、降水量贮存法、多因子回归法等 8 种，本文利用综合蓄水能力法对云南省2007年和2017年森林生态系统水源涵养功能进行动态评价，为云南省生态文明建设、林业可持续发展及开展生态效益补偿提供参考。

1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲，地理坐标为东经97°31′～106°11′，北纬21°08′～29°15′。全省东西最大横距885 km，南北最大纵距910 km，总面积 38.264 4万 km2。其中，山地面积占总面积的84.0%，高原面积占9.9%，盆地面积占6.1%。全省地势呈北高南低，由北向南倾斜，西北最高，东南最低，呈明显的阶梯状下降，最高海拔 6 740 m，最低海拔76.4 m，相对高差达 6 664 m。云南省气候类型多样，区域差异和垂直变化明显，年温差小，日温差大，降雨充沛，干湿分明，分布不均，最热月均温19～22℃，最冷月均温6～8℃，年均降雨量 1 010 mm，85%的雨量集中在5—10月的雨季。

云南省是中国植物种类最多的省份，由于气候和地貌的多样性，形成了丰富的森林植物区系，组成了复杂多样的森林类型。云南的植被水平分布：热带雨林、季雨林地带；亚热带南部季风常绿阔叶林地带；亚热带北部半湿润常绿阔叶林带。云南的植被垂直分布：亚热带山地植被垂直带(海拔由低到高分布着半湿润常绿阔叶林—湿性常绿阔叶林—云南铁杉林及常绿针阔叶混交林—云、冷杉林—高山灌丛和高山草甸)、热带山地植被垂直带(海拔由低到高，热带湿润雨林—热带季节雨林—山地雨林—山地季风常绿阔叶林—苔藓常绿阔叶林—山顶苔藓矮林)。

云南省水资源丰富，总量位居全国第三，仅次于西藏和四川。据2017年云南省水资源公报显示，2017年云南省年均降水量达 1 351.5 mm，地表水资源量达 2 203 亿 m3，地下水资源量达762.0亿 m3，水资源总量 2 203 亿 m3。由于云南省水资源在空间和时间上分布不均，降雨主要集中在5—10月，旱季水量严重短缺。水资源集中分布在西部和北部地区，东部和南部次之，中部最少。这给全省的社会经济发展和全面建设小康社会带来了严重影响。通过对云南省森林生态系统水源涵养的动态评价，提升人民群众对森林生态效益的认识，加大对森林生态系统的保护力度，充分发挥森林在涵养水源方面的作用，提高和改善全省水资源状况。

2 研究方法

利用综合蓄水能力法[2]，估算和分析研究区森林生态系统对降雨的林冠层截留量(C)、枯枝落叶层持水量(L)和土壤层蓄水量(S)，评价研究区不同类型森林的水源涵养效益。

1)森林生态系统的总水源涵养量(WR)为：

WR=C+L+S

(1)

式中：C为林冠层截留量(m3)，L为枯枝落叶层持水量(m3)，S为土壤层蓄水量(m3)。

2)林冠层截留降水量(C)为：

C=∑Ai×R×Di

(2)

式中：Ai为第i类森林林冠截留率(%)，R为单次最大降雨量(m)，Di为第i类森林面积(hm2)。

3)枯枝落叶层持水量(L)为：

L=∑Bi×Di

(3)

式中：Bi为第i类森林枯枝落叶层最大持水量(m3/hm2)。

4)土壤层蓄水量(S)为：

S=∑Ki×H×Di

(4)

式中：Ki为第i类森林土壤非毛管孔隙度(%)，H为土层厚度(m)。

3 数据来源

3.1 数据收集与处理

收集2007年和2017年2期森林资源连续清查数据。

2007年全省林地面积 2 476.11 万 hm2，森林总面积 1 817.73 万 hm2，森林覆盖率47.50%。其中，针叶林面积584.94万hm2，阔叶林面积742.37万 hm2，针阔混交林面积145.39万 hm2，经济林面积108.93万 hm2，竹林面积9.12万 hm2，特殊灌木林面积226.98万 hm2。在针叶林中，面积占优势的主要是云南松林，占针叶林面积的49.96%，其次为思茅松林和冷杉林，分别占10.09%和5.82%；在阔叶林中，面积占优势的主要是阔叶混交林，占阔叶林面积的15.14%，其次为栎类林和其它软阔类，分别占14.04%和8.65%。

2017年全省林地面积 2 599.44 万 hm2，森林总面积 2 106.16 万 hm2，森林覆盖率55.04%。其中，针叶林面积583.49万 hm2，阔叶林面积918.49万 hm2，针阔混交林面积194.37万 hm2，经济林面积166.52万 hm2，竹林面积11.52万 hm2，特殊灌木林面积231.77万 hm2。在针叶林中，面积占优势的主要是云南松林，占针叶林面积的48.52%，其次为针叶混交林、杉木林、思茅松林和冷杉林，分别占10.89%、9.95%、9.62%和6.25%；在阔叶林中，面积占优势的主要是阔叶混交林，占阔叶林面积的55.59%，其次为栎类林，占17.65%(表1，图1)。

表1 各类森林面积统计

图1 各类森林面积对比

3.2 评价指标

由于森林植被类型不同，其林冠对降水的截留率也不同。根据收集的文献资料分析，估算出不同类型森林生态系统林冠层截留率、枯枝落叶层最大持水量、土壤层非毛管孔隙度。根据多年气象资料，平均降雨量为 1 131.6 mm(表2)。

4 结果与分析

4.1 不同森林生态系统林冠层截留量

按公式(2)可以计算出，2007年云南省森林生态系统林冠层截留总量为580.7×107m3，其中针叶林林冠层截留量为184.0×107m3，占林冠层截留总量的31.7%；阔叶林为262.1×107m3，占45.1%；针阔混交林为35.9×107m3，占6.2%；经济林为32.2×107m3，占5.5%；竹林为2.3×107m3，占0.4%；特殊灌木林为64.2×107m3，占11.1%(表3)。

2017年云南省森林生态系统林冠层截留量为673.5×107m3，其中针叶林林冠截留量为183.6×107m3，占林冠层截留总量的27.3%；阔叶林为324.3 ×107m3，占48.2%；针阔混交林为47.9×107m3，占7.1%；经济林为49.2×107m3，占7.3%；竹林为2.9×107m3，占0.4%；特殊灌木林为65.6×107m3，占9.7%(表4)。

表2 不同森林类型生态系统林冠层截留率、枯枝落叶层最大持水量、土壤层非毛管孔隙度估算

按单位面积统计，云南省森林生态系统林冠层截留量为319.4 m3/hm2，其中针叶林林冠截留量为314.6 m3/hm2；阔叶林为353.1m3/hm2；针阔混交林为246.7 m3/hm2；经济林为295.3m3/hm2；竹林为249.0 m3/hm2；特殊灌木林为282.9了m3/hm2。

2017年与2007年相比，云南省森林生态系统林冠层截留量增加92.8×107m3，其中针叶林减少0.4×107m3；阔叶林增加62.2×107m3；针阔混交林增加12.0×107m3；经济林增加17.0×107m3；竹林增加0.6×107m3；特殊灌木林增加1.4×107m3。增加量排序为：阔叶林>经济林>针阔混交林>特殊灌木林>竹林。

4.2 不同森林生态系统枯枝落叶层截留量

按公式(3)可以计算出，2007年云南省森林生态系统枯枝落叶层截留量为61.7×107t/hm2，其中针叶林枯枝落叶层截留量20.1×107t/hm2，占枯枝落叶层截留总量的32.6%；阔叶林为24.1×107t/hm2，占39.1%；针阔混交林为6.8×107t/hm2，占11.0%；经济林为2.6×107t/hm2，占4.2%；竹林为0.2×107t/hm2，占0.3%；特殊灌木林为7.9×107t/hm2，占12.8%(表3)。

2017年云南省森林生态系统枯枝落叶层截留量为71.5×107t/hm2，其中针叶林枯枝落叶层截留量为20.1×107t/hm2，占枯枝落叶层截留总量的28.1%；阔叶林为29.8×107t/hm2，占41.7%；针阔混交林为9.2×107t/hm2，占12.9%；经济林为4.0×107t/hm2，占5.6%；竹林为0.3×107t/hm2，占0.4%；特殊灌木林为8.1×107t/hm2，占11.3%(表4)。

按单位面积统计，云南省森林生态系统枯枝落叶层截留量为34.0 t/hm2，其中针叶林枯枝落叶层截留量为34.4 t/hm2；阔叶林为32.4 t/hm2；针阔混交林为47.1 t/hm2；经济林为23.8 t/hm2；竹林为26.0 t/hm2；特殊灌木林为34.9 t/hm2。

2017年与2007年相比，云南省森林生态系统枯枝落叶层截留量增加9.8×107t/hm2，其中阔叶林增加5.7×107t/hm2；针阔混交林增加2.4×107t/hm2；经济林增加1.4×107t/hm2；竹林增加0.1×107t/hm2；特殊灌木林增加0.2×107t/hm2。增加量排序为阔叶林>针阔混交林>经济林>特殊灌木林>竹林。

4.3 不同森林生态系统土壤层蓄水量

按公式(4)可以计算出，2007年云南省森林生态系统土壤层蓄水量为 2 905.8×107m3，其中针叶林土壤层蓄水量为772.1×107m3，占土壤层总蓄水量的26.5%；阔叶林为 1 455.0×107m3，占50.0%；针阔混交林为283.5×107m3，占9.8%；经济林为162.3×107m3，占5.6%；竹林为10.5×107m3，占0.4%；特殊灌木林为222.4×107m3，占7.7%(表3)。

2017年云南省森林生态系统土壤层蓄水量为 3 437.8×107m3，其中针叶林土壤层蓄水量为770.2×107m3，占土壤层总蓄水量的22.4%；阔叶林为 1 800.2×106m3，占52.4%；针阔混交林为379.0×107m3，占11.0%；经济林为248.1×107m3，占7.2%；竹林为13.2×107m3，占0.4%；特殊灌木林为227.1×107m3，占6.6%(表4)。

按单位面积统计，云南省森林生态系统土壤层蓄水量为 1 598.6 m3/hm2，其中，针叶林土壤层蓄水量为 1 320.0 m3/hm2；阔叶林为 1 960.0 m3/hm2；针阔混交林为 1 950.0 m3/hm2；经济林为 1 490.0 m3/hm2；竹林为 1 150.0 m3/hm2；特殊灌木林为980.0m3/hm2。

2017年与2007年相比，云南省森林生态系统土壤层蓄水量增加53.3×107m3，其中针叶林减少1.9×107m3；阔叶林增加345.2×107m3；针阔混交林增加95.5×107m3；经济林增加85.8×107m3；竹林增加2.7×107m3；特殊灌木林增加4.7×107m3。增加量排序为：阔叶林>针阔混交林>经济林>特殊灌木林>竹林。

4.4 不同森林生态系统水源涵养能力

按公式(1)估算，2007年云南省森林生态系统总涵养水源能力为 3 548.2×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 952.0 t/hm2。其中针叶林涵养水源能力为976.2×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 668.9 t/hm2；阔叶林涵养水源能力为 1 741.2×107m3，单位面积水源涵养能力 2 345.5 t/hm2；针阔混交林涵养水源能力为326.2×107m3，单位面积水源涵养能力为2 243.6 t/hm2；经济林涵养水源能力为197.1×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 809.4 t/hm2；竹林涵养水源能力为13.0×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 425.4 t/hm2；特殊灌木林涵养水源能力为294.5×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 297.5 t/hm2。总涵养水源能力排序为：土壤层蓄水(占 81.9%)> 林冠层截留(占 16.4%)> 枯枝落叶层持水(1.7%)，土壤层是森林涵养水源的主体；阔叶林(占 49.4%)>针叶林(占 27.5%)>针阔混交林(占 9.2%)>特殊灌木林(占 8.3%)>经济林(占 5.6%)>竹林(占 0.4%)，阔叶林是森林涵养水源的主体。按单位面积涵养水源能力排序为：阔叶林>针阔混交林>经济林>针叶林>竹林>特殊灌木林。

按公式(1)估算，2017年云南省森林生态系统总涵养水源能力为 4 182.8×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 986.0 t/hm2。其中针叶林涵养水源能力为973.9×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 669.1 t/hm2；阔叶林涵养水源能力为 2 154.3×107m3，单位面积水源涵养能力为 2 345.5 t/hm2；针阔混交林涵养水源能力为436.1×107m3，单位面积水源涵养能力为 2 243.7 t/hm2；经济林涵养水源能力为301.3×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 809.4 t/hm2；竹林涵养水源能力为16.4×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 423.6 t/hm2；特殊灌木林涵养水源能力为300.8×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 297.8 t/hm2。总涵养水源能力排序为：土壤层蓄水(占 82.2%)> 林冠层截留(占 16.1%)> 枯枝落叶层持水(1.7%)，土壤层是森林涵养水源的主体；阔叶林(占 51.5%)>针叶林(占 23.3%)>针阔混交林(占 10.4%)>特殊灌木林(占 8.3%)>经济林(占 5.6%)>竹林(占 0.4%)，阔叶林是森林涵养水源的主体。按单位面积涵养水源能力排序为：阔叶林>针阔混交林>经济林>针叶林>竹林>特殊灌木林。

2017年与2007年相比，云南省森林生态系统总涵养水源增加量为634.6×107m3，其中针叶林减少2.3×107m3；阔叶林增加413.1×107m3；针阔混交林增加109.9×107m3；经济林增加104.2×107m3；竹林增加3.4×107m3；特殊灌木林增加6.3×107m3。增加量排序为：阔叶林>针阔混交林>经济林>特殊灌木林>竹林。

云南省森林生态系统水源涵养能力估算结果详见图2，表3，表4，表5。

5 结论与讨论

1)云南省2007年森林生态系统总涵养水源能力为 3 548.2×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 952.0 t/hm2，经济价值达2.84×1011元；2017年森林生态系统总涵养水源能力为 4 182.8×107m3，单位面积水源涵养能力为 1 986.0 t/hm2，经济价值达3.35×1011元。2017年与2007年相比，总涵养水源增加量达634.6×107m3，平均每年增加63.5×107m3；经济价值增加5.1×1010元，平均每年增加5.0×109元，效益非常显著。

图2 2007年与2017年森林生态系统总涵养水量对比

表3 2007云南省森林生态系统水源涵养能力估算

表4 2017云南省森林生态系统水源涵养能力估算

表5 2007年与2017云南省森林生态系统水源涵养能力对比

2)不同类型森林生态系统总涵养水源能力排序为：土壤层蓄水 > 林冠层截留 > 枯枝落叶层持水，土壤层是森林涵养水源的主体，通过保护森林土壤，可有效提升森林涵养水源能力。

3)不同类型森林生态系统单位面积涵养水源能力排序为：阔叶林>针阔混交林>经济林>针叶林>竹林>特殊灌木林，通过保护好现有的阔叶林，在营造林和森林抚育时尽量营造阔叶林和针阔混交林，可不断提高区域森林生态系统水源涵养能力。

4)通过收集已发表的文献，采用综合蓄水能力法估算云南省森林生态系统水源涵养能力，对比2007年与2017年总涵养水量的变化，目的是为说明森林生态系统在涵养水源方面的重要作用，旨在提高全民森林保护意识，合理经营和利用森林资源，以充分发挥其生态效益。由于森林生态系统涵养水源功能涉及植被、气候、地质地貌、社会经济等多个因素，所得结论仅反映理论上云南省森林生态系统涵养水源能力，估算评价结果并不代表实际状态下的森林蓄水量。但随着研究的不断深入，采取的手段和方法更加合理，将能够更加接近于现实森林生态系统的涵养水源能力。