伏牛山地区森林生态系统服务空间差异分析

张静静，赵天旭，梁丹

郑州师范学院地理与旅游学院，河南 郑州 450044

生态系统及其生态过程为人类社会提供多种多样的产品和服务，在形成与维持人类赖以生存与发展的环境条件及物质基础方面发挥着重要作用（Boyd et al.，2007），人类从中直接或间接地获取的惠益就是生态系统服务（Costanza et al.，1997）。森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，在为人类社会提供产品和服务方面具有不可替代的作用（Cademus et al.，2014；Wang et al.，2016）。森林生态系统服务主要包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、保护生物多样性、净化大气环境等。国内外学者采用价值量法、物质量法、能值分析法以及模型模拟方法，对森林生态系统服务的价值量和物质量开展了广泛的研究，取得了丰硕的成果（Nahuelhual et al.，2007；Niu et al.，2012；赵俊芳等，2018；虞依娜等，2020）。但是以往研究以森林生态系统服务的价值量评估占绝对优势，对服务形成机理的研究稍显不足。随着 3S技术的发展，国内外许多学者基于生态过程研发了许多生态模型，能够较好地反应生态系统服务形成机理，应用较多的模型主要有 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模型应用最为成熟，得到广大生态学者的认可，已被广泛应用在不同时空尺度下生态系统服务的动态评估与制图以及管理决策等方面（Kevin et al.，2017；Gong et al.，2019；邓楚雄等，2019），并且实现了评估结果的图形化、动态化和精准化，使得人们更容易对生态系统服务进行管理决策。因此，借助该生态模型探讨不同类型森林生态系统服务的空间差异特征，可为森林生态系统相关管理措施和政策的制定提供精准、有效的科学依据。

伏牛山地区处于中国北亚热带向南暖温带过渡的地区，也是秦岭山地与黄淮海平原的过渡地带，具有优越的自然环境条件，是我国重要的生态功能区。但该区生态环境面临着比较严峻的问题（杜玥，2018），为了使该区更好地发挥经济效益，而又不减弱生态效益与社会效益，有必要深入探讨该区森林生态系统服务空间差异特征。目前针对伏牛山地区森林生态系统服务的研究，多集中于局部地区如宝天曼自然保护区、西峡县等，或仅探讨某一类型的森林生态系统如栎类、锐齿栎森林生态系统（郭建荣，2012；杨红震，2016；余超等，2017；周晶晶，2017），没有从综合性和整体性的角度展开研究，使相关研究成果呈现局域化和碎片化，很难为管理者提供系统的森林可持续经营方案。鉴于此，本研究以伏牛山地区森林生态系统为研究对象，综合森林类型图、气象和土壤等多源数据，借助InVEST 3.2模型和ArcGIS 10.2软件，开展伏牛山地区森林生态系统固碳和水源供给服务评估，并从区域和森林类型两个尺度分析其空间差异特征，明确伏牛山地区森林生态系统综合管理及不同空间尺度上管理方案的差异，为伏牛山地区森林资源优化配置提供理论指导和决策支持。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

伏牛山处于河南省西部，是秦岭山系在河南境内的一条重要余脉，呈西北—东南走向，西至河南省与陕西省交界，东至方城北部，北与熊耳山、外方山相接，南至南阳盆地。研究区包括共8个县域单元，面积约2万km2，卢氏、栾川、嵩县和鲁山位于伏牛山北坡，内乡、西峡、镇平和南召位于伏牛山南坡（图 1）。地势自西向东逐渐降低，海拔高度介于50—2200 m，地貌类型复杂，高差起伏较大；植被类型属于北亚热带常绿落叶混交林向暖温带落叶阔叶林的过渡类型，植被和气候特征的垂直差异显著（张静静等，2017）。

图1 研究区位置及高程示意图Fig. 1 Location and elevation map of the studied area

1.2 数据来源与处理

本文使用的基础数据主要包括以下几类：

（1）森林类型图。研究区森林类型图是采用高分1号影像解译而成。本研究共选取35景影像，每张影像包含2 m分辨率的全色和8 m分辨率的多光谱影像，时间为2016—2017年6—10月。采用ENVI 5.3对影像进行预处理，将全色和多光谱影像进行融合，经图像镶嵌与裁剪可得到研究区2 m分辨率的多光谱图像。并参照2015年1꞉10万土地覆被数据以及1꞉100万植被类型图，对研究区森林类型进行目视解译，生成研究区森林类型空间分布图（图 2）。伏牛山地区森林类型主要包括栓皮栎（Quercus variabilis）、短柄枹栎（Quercus glanduliferavar.brevipetiolata）、锐齿槲栎（Quercus alienavar.acuteserrata）、阔杂（Broad-leaved forest）、油松（Pinus tabulaeformis）、马尾松（Pinus massoniana）、华山松（Pinus armandi）以及华山松——锐齿槲栎混交林（以下简称针阔混交林，Coneferous and broad-leaved mixed forest）。并采用142条野外调查样点数据进行精度验证，解译精度为82.39%。

（2）DEM数据。采用ASTER GDEM，来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率为 30 m，经拼接、投影、裁剪等得到研究区DEM数据。

图2 伏牛山地区森林类型分布图Fig. 2 Spatial distribution of forest types

（3）气象数据。包括研究区及周边24个气象站点2016—2017年的逐日平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、降水量、风速、日照时数和平均气压，来源于河南省气象局和国家气象信息中心（http://cdc.nmic.cn/home.do）。

（4）土壤数据。包含1꞉100万的土壤质地、土壤有机质、土壤深度等数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）。

由于森林类型图解译所用影像为 2016年和2017年两年影像拼接而成，因此气象数据也采用2016—2017年两年的平均值。

1.3 生态系统服务评估方法

本研究采用 InVEST 3.2中的碳储存和产水量两个模块来评估伏牛山地区森林生态系统服务。各模块计算原理和计算过程如下：

1.3.1 固碳服务

采用InVEST模型碳储存模块计算森林生态系统碳储量，以表征研究区森林固碳能力。InVEST模型对生态系统碳储量的估算包括四大基本碳库（地上、地下、土壤和死亡有机质）。计算原理如下（Sharp et al.，2015）：

式中，i为某种森林类型；Ci-above、Ci-bolow、Cisoil、Ci-dead分别为林型i的地上、地下、土壤和死亡有机质的碳密度（t·hm-2）；Si为林型i的面积（hm2）；n为森林类型数量。本文碳密度参考崔高阳等（2015）和胡文杰等（2017）的研究结果，并根据不同树种的根茎比（方精云等，1996），计算得到研究区不同森林类型的地上和地下碳密度。

1.3.2 水源供给服务

利用 InVEST模型产水量模块计算水源供给量。该模块核心算法是基于水量平衡原理计算出研究区每个栅格单元的水源供给量，每个栅格单元的降水量减去实际蒸散发量即为栅格单元的水源供给量。计算公式如下（Sharp et al.，2015）：

式中，Yxj为森林类型j中栅格x的水源供给量（mm）；AETxj为实际蒸散发量（mm）；Px为降水量（mm）；Rxj为干燥度指数；ωx是非物理参数；AWCx为植物可利用含水率；Kxj是植物蒸散系数；Z是Zhang系数；ET0为参考作物蒸散发量，即潜在蒸散发量（mm）。

各参数处理方法如下：降水量由ANUSPLIN软件插值得到；潜在蒸散发量是基于逐日平均气温、最高气温、最低气温等气象资料，利用 Penman-Monteith公式（日尺度）（Allen et al.，1998），并经 ANUSPLIN软件插值得到；土壤深度是由土壤数据属性表中的土壤深度通过空间栅格化所得；植被可利用含水率是基于土壤质地和土壤有机质数据，采用非线性拟合土壤可用含水率估算模型计算所得（Zhou et al.，2005）；流域和子流域图是基于DEM数据，运用ArcGIS 10.2软件的Hydrology分析工具提取得到；植物根系深度、蒸散系数和Zhang系数是参考相近研究区的相关成果（陈姗姗，2016），并结合研究区实际情况进行赋值。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务评估与空间差异分析

2.1.1 固碳服务

伏牛山地区森林生态系统总固碳量为1.97×108t，平均碳密度为156.94 t·hm-2，其中植被层地上和地下平均碳密度分别为 47.25 t·hm-2和 14.46 t·hm-2，死亡有机质层的平均碳密度为2.28 t·hm-2，土壤层平均碳密度为92.95 t·hm-2。土壤层碳库约为植被层碳库的1.5倍，可见土壤层碳库是森林生态系统固碳量的主要贡献者，约占总固碳量的59.23%。

图3 森林生态系统碳密度空间格局Fig. 3 Spatial pattern of carbon storage service in forest ecosystem

从伏牛山地区森林生态系统碳密度空间格局来看（图 3），碳密度高值区主要位于卢氏中部、栾川的中部以及东南部地区，这些地区海拔较高，多为深山区，且保存有大量的天然阔叶林，固碳能力较强。低值区一部分零星地分布在西峡和内乡地区的低山缓坡地区，多为马尾松人工林，受人类活动影响较大；另一部分主要分布在栾川西部的油松飞播林基地地区，以及卢氏北部和东部部分地区，这些地区多为油松纯林，由于管理薄弱，导致森林质量较差，固碳能力较弱。而西峡、内乡、镇平、南召以及鲁山等地的大部分区域碳密度值居中，这些地区地形大多为低山，受人类干扰也比较严重，分布有大面积的栓皮栎林及阔杂林等林龄较小的次生林和人工林，因此这些地区的阔叶林固碳能力一般。

2.1.2 水源供给服务

伏牛山地区森林生态系统的水源供给总量为6.06×109m3，供水深度平均为494.46 mm。从水源供给服务空间格局来看（图 4），其分布规律与降水量的空间变化具有很大的吻合性，均表现为自南向北递减。由此可见，降水量是导致水源供给服务空间差异的主要因素。水源供给量高值区位于西峡南部地区，一方面是由于该区降水量充沛，实际蒸散发量低，该区年降水量均在950 mm以上，蒸散发量均在250 mm以下；另一方面是由于该区为丹江水系淇河、老灌河等河流的中下游地区，海拔较低，汇水量大，因此该区水源供给能力达到最大。中值区位于卢氏南部、西峡北部以及内乡、镇平、南召和鲁山境内，这些地区为降水量次高值区，年降水量大多在800 mm以上，因此产水量也比较大。低值区主要位于卢氏中北部、栾川及嵩县境内，这些地区降水量大多在700 mm以下，植被覆盖度高，实际蒸散发量也较大，且海拔较高，多以中高山为主，多为河流的发源地或中上游地区，不利于储水和保水，因此这些地区供水能力较弱。

图4 森林生态系统水源供给服务空间格局Fig. 4 Spatial pattern of water yield service in forest ecosystem

2.2 不同森林类型生态系统服务对比分析

2.2.1 森林类型与固碳服务

图5 不同森林类型碳储量和碳密度Fig. 5 Carbon storage and carbon density in different forest types

伏牛山地区不同森林类型的总固碳量不同，除针阔混交林和油松林外，其余森林类型的总固碳量变化规律与各森林类型的面积比重相一致（图5）。栓皮栎林的总固碳量最大，为9.22×107t，占总固碳量的46.82%；阔杂林次之，为4.40×107t，占总固碳量的22.34%；短柄枹栎林和锐齿槲栎林居中，分别为 2.96×107t和 1.67×107t，分别占 15.05%和 8.47%；针阔混交林、油松林、马尾松林和华山松林的固碳量相对较小，依次为 5.63×106t、5.15×106t、2.39×106t、1.24×106t，分别占研究区森林总固碳量的2.86%、2.62%、1.21%和 0.63%。可见，阔叶林提供的固碳量超过供给总量的90%，地带性阔叶林是伏牛山地区森林生态系统固碳总量的主要贡献者。

不同森林类型的碳密度表现出一定的差异（图5），锐齿槲栎林的碳密度最大，达到183.69 t·hm-2；其次为阔杂林和短柄枹栎林，约170 t·hm-2；栓皮栎林和针阔混交林的碳密度居中，分别为 150.61 t·hm-2和 135.28 t·hm-2；华山松林的碳密度（122.26 t·hm-2）略大于油松林的碳密度（108.61 t·hm-2）；马尾松林的碳密度最小，为96.79 t·hm-2。伏牛山地区锐齿槲栎林多位于深山远山地区，人为干扰相对较少，自然条件比较优越，多为中龄林、近成熟林和成熟林，是该区固碳能力最强的树种；栓皮栎林多位于中低山地带，由于过量采伐，多为中幼林，是阔叶林中固碳能力最低的树种，但具有很大的固碳潜力。华山松是伏牛山地区针叶林中固碳能力最强的树种，考虑是由于华山松林主要位于海拔1700 m以上的地区，保存有大面积的原生林。而油松林和马尾松林多为人工林，仅有少量为自然分布，由于管理薄弱，导致森林质量不佳，固碳能力较弱。

2.2.2 森林类型与水源供给服务

图6 不同森林类型水源供给量和供水深度Fig. 6 Water yield and water supply depth in different forest types

伏牛山地区不同森林类型的水源供给总量与各森林类型的面积比重变化规律相一致（图 6）。栓皮栎林的水源供给量最大，达到3.20×109m3，占52.69%；其次为阔杂林，为1.23×109m3，占20.31%；短柄枹栎林和锐齿槲栎林次之，分别为7.45×108m3和3.56×108m3，分别占12.28%和5.88%；油松林、针阔混交林和马尾松林相当，分别为1.82×108m3、1.69×108m3和1.45×108m3，分别占3.00%、2.78%和2.40%；华山松林的水源供给量最小，为4.03×107m3，占0.66%。可见，阔叶林提供的水源供给量超过森林生态系统供给总量的 90%，地带性阔叶林是伏牛山地区森林生态系统水源供给总量的主要贡献者。

不同森林类型的供水深度具有明显的差异（图6），马尾松林的供水深度最大，达到613.92 mm；其次为栓皮栎林，为534.80 mm；阔杂林次之，为494.87 mm；短柄枹栎林为433.51 mm，华山松林和针阔混交林相当，约为423 mm；锐齿槲栎林和油松林最低，分别为398.70 mm和396.86 mm。马尾松林、栓皮栎林和阔杂林的供水深度比较大，主要是由于这些森林类型在伏牛山南坡所占比重较大，尤其是马尾松林，主要位于伏牛山南坡800 m以下的地区，这些地区为研究区降水量高值区，蒸散发量小，且又是很多河流的中下游地区，因此供水深度比较大。短柄枹栎林、华山松林、针阔混交林和锐齿槲栎林等多位于中高山地区，干燥度指数比较大，且大多为中龄林和成熟林，林分郁闭度高，森林内部蓄水能力强，因此产水能力相对较低。而油松林主要位于伏牛山北坡栾川和卢氏境内，处于降水量低值区，且又是多数河流发源地或中上游地区，因此产水能力最弱。

3 讨论

（1）对碳储量模拟结果的验证。InVEST模型评估结果表明伏牛山地区森林生态系统总固碳量为1.97×108t，平均碳密度为 156.94 t·hm-2，其中植被层地上平均碳密度为47.25 t·hm-2。这一结果远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盖的森林群落层次不同，光增云（2007）的研究成果是采用森林清查资料对碳密度进行估算，而森林清查往往忽略起测径级以下的乔木树种、灌木和草本层的生物量，导致估测值偏低；另一方面伏牛山地区森林生态系统立地条件相对较优，森林质量高于全省平均水平，并保存有大面积的天然林，因此固碳能力高于全省森林植被的平均值。这同时也说明伏牛山地区森林生态系统是河南省森林生态系统碳汇的重要组成部分。

参考伏牛山地区不同森林类型生态系统固碳量的研究结果，对InVEST模型固碳服务模拟结果进行验证。杨红震（2016）研究得到伏牛山地区栎类天然次生林的植被层和凋落物层的平均碳密度为54.07 t·hm-2，本研究对栎类林植被层和凋落物层平均碳密度的模拟结果为 65.62 t·hm-2，误差为21.36%。这是由于杨红震的研究主要针对天然次生林，并且只分析了幼龄林、中龄林和成熟林，未包括近成熟林和过熟林的碳储量，因此研究结果略低于本研究的模拟结果。彭舜磊等（2015）研究表明宝天曼自然保护区森林土壤碳密度的平均值为82.05 t·hm-2，与本研究的模拟结果为（92.95 t·hm-2）较为接近，误差为13.28%。整体来看，InVEST模型对伏牛山地区森林生态系统固碳服务模拟结果的精度满足要求。

（2）对水源供给量模拟结果的验证。InVEST模型评估结果表明伏牛山地区森林生态系统的水源供给总量为6.06×109m3，供水深度平均为494.46 mm。参考伏牛山周围地区水源供给量对InVEST模型产水量服务模拟结果进行验证，考虑到紧邻研究区西部的陕西省商洛市，其植被覆盖、气候条件与研究区类似，因此选用商洛市水源供给量进行对比分析。陈姗姗（2016）研究表明商洛市水源供给深度为464.84 mm，本研究模拟得到的水源供给深度（494.46 mm）与之较为接近，表明该模型模拟结果较为可靠。根据伏牛山宝天曼地区森林生态站观测数据对模型模拟结果进行验证，宝天曼地区锐齿槲栎林的水源供给量为426.17 mm（肖武奇，2015），本研究模拟得到的锐齿槲栎林水源供给量平均为398.70 mm，模拟误差为6.45%。由此可见，InVEST模型模拟得到的水源供给量结果较为可靠，能够满足研究需要。

（3）由2.2.1小节得到天然林的碳密度普遍高于人工林，考虑是由于锐齿槲栎林、短柄枹栎林等天然林主要位于海拔较高的深山远山地区，人为干扰相对较少，自然条件比较优越，林龄普遍较高，因此固碳能力都比较高。而以人工林为主的油松林和马尾松林固碳能力比较弱，这是由于这些人工林缺乏科学的管理措施，且多为纯林，病虫害频发，导致森林质量不佳，固碳能力较弱。因此，未来应加强对人工林的管理，采取科学的抚育措施，或补种阔叶树种，以提高人工林的固碳能力，充分发挥其经济和生态效益。

（4）由图 3可以发现伏牛山南坡碳密度普遍低于北坡，这是由于伏牛山的地形表现为南坡较为和缓，北坡较为陡峻，因此南坡受人类干扰相对北坡较为严重，南坡的森林类型多为林龄较小的次生林和人工林，还分布有大面积的马尾松人工林，而北坡中龄林和成熟林所占比重较大，因此整体来看南坡森林生态系统的固态能力低于北坡。由图4则发现伏牛山南坡供水深度普遍高于北坡，考虑是由于南坡自然环境条件比北坡优越，降水量充沛，实际蒸散发量低，且水系密集，多为河流的中下游地区，汇水量大，因此伏牛山南坡水源供给能力较强。而伏牛山北坡降水量较少，干燥度指数大，且中龄林和成熟林所占比重较大，森林内部蓄水能力强，因此北坡森林生态系统产水能力较弱。可见，伏牛山南坡森林生态系统固碳能力较弱，未来要加强对南坡林龄较小的次生林和人工林的管理，减少或禁止人为活动的破坏，同时推广针阔混交林代替纯林，以重点提升南坡森林生态系统的固碳能力。此外，伏牛山北坡供水能力较弱，水资源安全形势相对严峻，因此，应考虑当地自然条件，寻找合理的管理方案改善森林质量或者采取工程措施修建水库等方式来提升伏牛山北坡的供水能力是当务之急，以保证这些地区的供水安全。

4 结论

（1）伏牛山地区森林生态系统固碳量为1.97×108t，碳密度为 156.94 t·hm-2；水源供给量为6.06×109m3，供水深度为494.46 mm。

（2）区域尺度上森林生态系统服务空间格局存在明显差异。固碳服务高值区主要位于中高山地区，低值区一部分零星地分布在西峡和内乡地区的低山缓坡地区，另一部分主要位于栾川西部的油松飞播林基地地区。水源供给服务表现为自南向北递减，高值区位于降水量丰富的西峡南部地区，低值区主要位于干燥度指数较大的卢氏中北部、栾川及嵩县境内。

（3）不同森林类型提供的服务总量及单位量具有明显的差异。就服务总量而言，阔叶林不同服务类型的供给总量分别占据绝对优势，其提供的固碳量和水源供给量均超过森林生态系统供给总量的90%，因此地带性阔叶林对于维持伏牛山地区生态环境稳定起着重要的作用。就服务单位量而言，天然林的碳密度普遍高于人工林，供水深度则表现为马尾松林、栓皮栎林和阔杂林的供水深度比较大，而其余森林类型的供水深度比较小。