天保工程对森林涵养水源和保育土壤空间格局的影响——以内蒙古森工林区为例

刘润， 牛香， 王兵

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091; 2.江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站，江西 新余 336600)

0 引言

天然林资源保护工程(以下简称“天保工程”)是我国重要生态战略工程，也是实现山水林田湖草生命共同体的重要支撑[1]。随着天保工程的实施，森林覆盖率、森林蓄积量和森林质量呈现“三增长”的态势，解决了天保工程区原有的生态环境问题[2]。

森林是生态系统的主体，森林资源的过度消耗可直接导致森林土质疏松、水土流失，从而引发多种自然灾害。如今，水土流失已成为全球化的环境问题，在很多国家引发了严重的自然灾害[3-5]。曾有研究表明，森林和植被在控制水土流失方面有着极其重要的作用，并提出水土保持功能的强弱可以直接影响土壤侵蚀强度[6]。由于人为因素的干扰，森林火灾等自然灾害频繁发生，导致森林生态环境每况愈下，土壤侵蚀日益严重。实施天保工程，能够解决森林资源消耗严重及其衍生的多种生态学问题[7]，从根本上遏制水土流失等生态环境恶化问题，从而为促进社会经济和生态安全的可持续发展提供科学支撑。

本文以内蒙古大兴安岭重点国有林管理局林区(简称“内蒙古森工林区”)为研究对象，依据中华人民共和国国家标准《森林生态系统服务功能评估规范(GB/T 38582—2020)》(以下简称“规范”)，开展内蒙古森工森林生态系统涵养水源和保育土壤功能空间格局研究，明确不同区域内其功能强弱分布，探索空间格局分布特征，以期为科学地开展生态环境保护、制定林业政策等提供重要科学依据。

1 研究区概况

内蒙古森工林区东连黑龙江，西接呼伦贝尔大草原，南至洮儿河，北部和西部与俄罗斯、蒙古国毗邻，地跨呼伦贝尔市、兴安盟等9个旗市(图1)。该区域地处欧亚大陆中高纬度地带，属寒温带大陆性气候区，年平均气温-2.4 ℃，林区平均无霜期小于100 d，岭西自西南向东北、岭东自东南向西北年平均气温逐渐降低； 最高海拔高度为1 199 m，最低为784 m，平均海拔高度为976.5 m，属低山区，有“高寒禁区”之称[8-10]。降水时间主要集中在5—9月份，占全年降水量的70%以上。内蒙古森工林区特有的土壤有机质和微量元素居全国之首，肥沃且无污染，主要以棕色针叶林土、暗棕壤、黑灰土、草甸图和沼泽土等为主。其森林植被主要以天然林为主，森林面积837.02万hm2。主要树种有落叶松、桦木、栎树、樟子松、柳树、榆树及云杉等。

图1 研究区地理位置示意图

2 研究方法

2.1 森林资源数据来源

本文森林资源数据主要来源于内蒙古森工森林资源二类调查数据(包括各类林地的面积、蓄积，森林资源相关的自然地理环境和生态环境因素等)，包含天保工程实施前(1998年)后(2018年)的资源数据。森林生态连清数据集来源于内蒙古森工及周边森林生态站和若干辅助观测点的监测结果； 每个林业局按照森林资源统计结果划分为落叶松、栎类、樟子松、白桦、桦木等树种(组)。以各树种(组)为基本单元，分别测算出各林业局的森林生态系统涵养水源和保育土壤功能，进而统计出整个内蒙古森工林区的水土保持生态系统服务功能价值，为相关林业生态经济建设的科学决策和自然资源的合理利用提供依据。

2.2 物质量转换价值量的社会公共数据来源

本文研究物质量转换为价值量时，运用的社会公共数据[11-15]主要由我国权威机构发布，并参照内蒙古自治区物价局官方网站以及中国森林资源核算研究和全国第九次森林生态系统服务功能评估参数，主要数据如下。

(1)水库库容投资参照中华人民共和国审计署2013年第23号公告中三峡工程总投资，取值为6.89元/m3，贴现至2018年为7.42元/m3； 水的净化费用根据大气降水中主要污染物浓度经过森林生态系统净化的浓度，并结合水污染物当量值和应税水污染税额计算得出，取值为0.72元/t。

(2)挖取土方费用参照内蒙古自治区《人工定额济建标字[2015]1号文》及《中华人民共和国水利部建筑工程预算定额》，取值为42.00元/m3。

(3)磷酸二胺含N量、磷酸二胺含P量、氯化钾含K量参照化肥产品说明，分别取14%、15.01%和50%。

(4)磷酸二胺化肥及氯化钾化肥价格参照内蒙古自治区市物价局官网，分别取值3 050元/t和2 350元/t； 有机质价格参照中国供应商网，取值为855元/t。

2.3 指标的选取及计算公式

本文选取涵养水源和保育土壤为监测指标，依据“规范”采用分布式测算的方法[12-13]，将研究区域按照生态功能区、林业局、优势树种组和林龄组，结合不同的立地条件进行对比观测，确定出相对均质化的生态服务测算单元(图2)。

图2 森林生态系统服务功能评估分布式测算方法

本次对天保工程实施前后涵养水源和保育土壤功能的生态效益进行了归一化研究，最终确定下来的相对均质化生态服务测算单元为3 790个。这一评估指标体系最大限度地考虑了研究区森林生态系统在时间和空间上的差异性。具体计算公式见表1[13-15]。

表1 内蒙古森工水土保持评估指标体系及计算公式

(续表)

3 结果与分析

3.1 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能物质量测算结果

内蒙古森工森林生态系统涵养水源和保育土壤功能物质量见表2。

内蒙古森工森林生态系统年涵养水源量为139.56亿m3(1998年)和170.96亿m3(2018年)； 2期涵养水源功能最高的3个林业局为根河、莫尔道嘎和乌尔旗汉，分别占总量的18.84%(1998年)和18.12 %(2018年)。

1998年和2018年固土量分别为24 833.42万t/a和33 226.19万t/a； 年固氮量分别为56.04万t/a和72.25万t/a； 20 a间，内蒙古森工各林业局森林生态系固土和固氮总量分别增加8 392.77万t和16.21万t，增幅分别为33.79 %和28.93 %； 2期固土量和固氮量最高的3个林业局为根河、莫尔道嘎和乌尔旗汉。1998年和2018年，固磷量分别为18.50万t/a和24.11万t/a； 固钾量分别为467.72万t/a和640.86万t/a； 固有机质量分别为1 111.87万t/a和1 262.95万t/a； 固磷量、固钾量和固定有机质量均有不同程度的增加； 总物质量分别增加了5.61万t、173.14万t和151.08万t，增幅分别为30.32 %、37.02 %和13.59 %； 1998年固磷量、固钾量和固定有机质量最高的3个林业局为根河、莫尔道嘎和乌尔旗汉； 2018年固磷量最高的3个林业局是根河、金河、莫尔道嘎和乌尔旗汉(并列)，固钾量最高的3个林业局是根河、金河和莫尔道嘎，固定有机质量最高的3个林业局是根河、莫尔道嘎和乌尔旗汉。

结果分析显示，内蒙古森工森林生态系统固土作用较强，在减少水土流失方面发挥着重要的作用。主要原因除了这几个地区森林面积较大之外，还有植被丰富、森林质量相对较高、森林植被能够有效地减轻土壤侵蚀并降低对环境的破坏作用等因素，从而维护并提高了森林生态系统的生态效益，促进了区域社会稳定发展以及社会经济的发展。

表2 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能物质量

3.2 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能物质量空间格局特征

1998年和2018年，内蒙古森工森林生态系统涵养水源物质量分别为1.69亿～9.21亿m3和0.85亿～11.36亿m3，固土量分别为298.94万～1 636.68万t/a和166.28万～2 193.74万t/a，森林固氮量分别为0.68万～3.72万t/a和0.35万～4.82万t/a，森林固磷量分别为0.22万～1.22万t/a和0.16万～1.67万t/a，森林固钾量分别为5.64万～30.86万t/a和3.23万～44.68万t/a，森林固有机质量分别为13.41万～73.38万t/a和6.31万～84.55万t/a。

内蒙古森工森林生态系统涵养水源、固土量、固氮量、固磷量、固钾量和固有机质量在各林业局空间分布上均呈中部>南部>北部(图3)的趋势。根河、金河和乌尔旗汉的森林生态系统的涵养水源、固土量、固氮量、固磷量、固钾量和固有机质量均位于前3位，而额尔古纳、汗马和伊图里河3个林业局的森林生态系统各物质量则均列后3位。

(a) 涵养水量 (b) 固土量 (c) 固氮量

3.3 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能价值量测算结果

依据图3和表3的测算结果，1998年和2018年，内蒙古森工各林业局森林生态系统涵养水源功能的价值量分别为950.16亿元和1 341.32亿元，保育土壤功能的总价值量分别为563.49亿元和760.11亿元。其中固土价值量为165.66亿元和225.16亿元，固氮价值量为120.15亿元和157.29亿元，固磷价值量为37.01亿元和48.95亿元，固钾价值量为216.47亿元和300.82亿元，固有机质价值量为24.19亿元和27.90亿元。20 a间，内蒙古森工各林业局涵养水源总价值量和保育土壤总价值量及各项分价值量均有不同程度的增加。

与1998年相比，2018年涵养水源总价值量增长了391.16亿元，增幅为29.16%； 经分析，1998年和2018年涵养水源功能价值量最高的4个林业局均为根河、莫尔道嘎、金河和乌尔旗汉，占全局涵养水源总价值量分别为23.65%和24.38%。1998年涵养水源价值量最低的3个林业局为汗马、诺敏森林经营所和伊图里河，共占总价值量的4.41%； 2018年价值量最低的3个林业局为汗马、额尔古纳和伊图里河，共占总价值量的4.11%(杜博威、吉拉林林业局除外，因为其2018年已划归为地方林业局)。与1998年相比，2018年保育土壤总价值量增加了196.62亿元，增幅25.87%，其中增加量最多的林业局是根河林业局，增加13.13亿元，增幅为26.42%。

表3 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能价值量

3.4 内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能价值量空间格局特征

在内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能价值量中，1998年根河林业局最高为37.13亿元，其次是莫尔道嘎林业局34.40亿元，年森林生态系统水土保持功能价值最低为汗马林业局6.9亿元。2018年根河林业局最高，为50.26亿元，其次是乌尔旗汉林业局42.42亿元，年森林生态系统水土保持功能价值最低为汗马林业局9.06亿元。1998年，额尔古纳林业局隶属于莫尔道嘎林业局，因此1998年莫尔道嘎林业局所产生的生态效益价值较高。

从图4中可以分析得出，内蒙古森工森林生态系统涵养水源、固土量、固氮量、固磷量、固钾量和固定有机质价值量在各林业局的空间分布上总体趋势均为中部→南部→北部依次降低。根河、金河、乌尔旗汉的森林生态系统的涵养水源、固土量、固氮量、固磷量、固钾量和固定有机质功能价值量均分别位列于前3位，而额尔古纳、汗马和伊图里河3个林业局的森林生态系统各项服务物质量则均分别列后3位。

(a) 涵养水源价值量 (b) 固土价值量 (c) 固氮价值量

4 讨论

内蒙古森工森林生态系统涵养水源和保育土壤功能的空间格局与内蒙古森工各局森林资源自身的属性和所处地理位置有直接关系。

4.1 与林业政策有关

政策措施是森林发展和经营的指引，良好的政策支持能够为林业发展及经营管理提供标准和方向。

4.1.1 停伐减产政策

2000年12月1日，国家林业局、国家纪委、财政部、劳动和社会保障部同时印发了《东北、内蒙古等重点国有林区天然林资源保护工程实施方案》，对内蒙古等重点国有林区实施停伐减产政策[16]。该政策可直接减少大量森林资源的消耗，保证天然林在自然状态下正常生长[17]； 同时，可增加林下覆盖物的厚度、地表粗糙度、入渗强度以及延长径流入渗时间； 同时，通过改善地下部分土壤物理化学性质，最终实现对水源的涵养功能，从而产生巨大的生态价值。

4.1.2 森林抚育政策

2009年5月，国家林业局发布《森林抚育规程(GB/T 15781—2009)》。在“十一五”期间，内蒙古森工累计完成森林抚育701.17万hm2，依据“规范”计算得出其涵养水源物质量为31.04亿m3，保育土壤物质量为229.35万t。内蒙古森工天保工程2期森林抚育面积累计152万hm2，其中包括人工造林6.67万hm2,补植补造52.67万hm2,依据“规范”计算，森林抚育创造总价值为894.03亿元，其中，涵养水源和保育土壤功能所产生的生态价值分别为219.22亿元和124.23亿元。森林抚育可加快林木生长，改善天保工程区的生态环境，有利于加速土壤养分循环，改善土壤结构，发挥涵养水源和固土保肥能力的功效[17]。实施森林抚育政策是天然林质量提高和生态功能快速修复的重要保障。

4.1.3 森林管护政策

天保工程一期，森林防火通过理念创新，使森林火灾发生率、森林受害面积和蓄积量环比下降70%。天保工程二期，内蒙古森工的森林管护面积966.49万hm2，森林护理费72.49亿元。2018年内蒙古森工林区涵养水源和保育土壤功能产生的生态价值为2 101.43亿元，是森林管护费的28.99倍。该制度的建立能够防治人畜破坏天然林资源，完善森林管护体系，是保障天保工程森林生态价值充分发挥的重要举措。

4.2 与社会经济因素有关

人口数量、密度以及社会经济的发展水平是制约森林资源消长的重要因素。农民收入水平提高，会减少农民的生存压力，从而降低了毁林开荒的可能性，同时减弱了农民对森林资源的过度依赖性，大大地缓解了森林资源的压力。

4.2.1 富余职工安置

内蒙古森工林区全力推进了绿色种苗、林特产品、碳汇基地、森林旅游等项目，解决了富余职工的工作问题[18]。通过天保工程的实施，在岗职工工资由3 906元(1997年)提高到17 873元(2010年)； 2015年，内蒙古森工又设定了职工人均工资达到4万元的新指标。按照4万元标准计算，2018年产生的生态价值是525万人的工资，可使富余职工得到安置，居民收入稳步提升，可促使内蒙古森工经济实力显著增强。

4.2.2 科技发展水平

天保工程的实施提高了林下经济发展的科技化水平，促进了内蒙古森工林区经济转型。如野生榛子驯化及繁育技术解决了丹迪榛子平茬、栽植密度、施肥及花期防寒问题[19]，为榛子研究提出新思路，提升了经济林产业科技创新力度。科技发展水平的提高，可提高科技成果的转化率，不仅可以促进职工增收致富，还可以为林区可持续发展贡献科技力量，进而提高了林区森林生态系统的生态价值。

4.3 与自然环境因素有关

自然环境因素是森林生长的基础，良好的自然环境可以有效促进森林群落植被的生长、能量流动及养分循环，从而增加其生态效益，恶劣的自然生态环境会限制森林群落植被的生长，严重的自然灾害环境甚至会摧毁林分，从而减少其生态效益。

4.3.1 降水量对森林生态系统生态效益的影响

平均降水量是影响内蒙古森工林区森林生态效益的主要驱动因素。在额尔古纳市境内，东部和北部林区降水较多，西南、南部地区偏少，结合森林生态价值量结果，单位面积产生的生态价值由东北部向西南部呈现递减的趋势； 在根河市境内年平均降水量为437.4 mm，由于降水量在地区上分布不均匀，从上游到下游递减，结合森林生态价值量核算结果对比发现根河市境内生态价值量也呈自东北向西南递减的趋势，降雨量作为参数被用于森林涵养水源的计算，与涵养水源生态效益呈正相关关系[20]。另一方面，降水量的大小还会影响生物量的高低，进而影响到水土保持功能[21]。

4.3.2 气候条件对森林生态系统生态效益的影响

由于独特的气候条件和地貌特征，大兴安岭东南坡夏季受海洋季风影响，雨水较多，西北坡较干旱，成为森林与草原的分界线[22]。结合生态效益的核算结果得出在内蒙古森工林区各林业局单位面积森林生态效益的变化趋势也是东南坡高于西北坡。相关研究发现，在湿度和温度均较低时，土壤呼吸速率会减慢。水热条件通过影响林木生长，进而对森林生态系统服务功能产生影响，在一定范围内，温度越高，林木生长越快，则其生态系统服务也越强[23]。主要原因有2个： ①温度越高，植物的蒸腾速率也就越大，体内就会积累更多的养分元素，进而增加生物量的积累； ②在温度高且水分充足的前提下，蒸腾速率加快，而此时植物叶片气孔处于完全打开的状态，这样就会增强植物的呼吸作用，为光合作用提供充足的二氧化碳，温度可以通过控制叶片中淀粉的降解和运转以及糖分与蛋白质之间的转化，进而起到控制叶片光合速率的作用[24-25]。

5 结论

本文依托森林生态定位观测研究站，依据“规范”，结合内蒙古森工森林资源二类调查数据和国家权威部门公布的社会公共数据，从涵养水源、保育土壤2项生态服务功能对内蒙古森工森林生态系统水土保持功能空间格局进行研究，主要得出以下结论。

(1)内蒙古森工水土保持功能总价值为1 513.65亿元(1998年)和2 101.43亿元(2018年)； 1998年和2018年各项服务功能价值量大小顺序均表现为涵养水源→固钾→固土→固氧→固磷→固有机质，表明内蒙古森工森林生态系统水土保持功能主要以涵养水源为主。

(2)内蒙古森工森林生态系统服务功能空间格局存在异质性，森林生态服务功能较弱的林业局应抓住内蒙古森工生态建设政策实施的契机，努力提升自身生态服务功能，进而使得内蒙古森工各局森林生态系统服务功能相协调。

(3)基于内蒙古森工涵养水源和保育土壤功能现有的时间和空间分布格局，并结合内蒙古森工的森林资源，认为在今后的森林生态建设中应加强林业政策的贯彻，扩大适生乡土树种的覆盖面积，以增强水土保持功能； 同时在一些平原区适宜种植经济林树种，不仅可以提高森林生态系统水土保持功能，也可以相应地增加当地农民的经济收入。

综上所述，天保工程的实施可影响内蒙古森工水土保持功能的时空格局变化。研究结果能够为内蒙古森工生态建设和林业政策的制定提供理论依据，使得森林生态系统发挥更大的生态效益。