淳安县公益林生态系统服务重要性和生态环境敏感性分析

李红俊，郑鹏，高海力，廖堂清，吴淑芳，张波，练慧雯

（1. 浙江省淳安县林业局，浙江 淳安 311700；2. 浙江省公益林和国有林场管理总站，浙江 杭州 310020；3. 淳安县文昌镇人民政府，浙江 淳安 311705；4. 淳安县汾口林场，浙江 淳安 311719；5. 浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 杭州 311300；6. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400）

良好的生态环境是人类赖以生存和持续发展的必要保障，也是生态文明建设的基本条件。改革开放以来，我国经济迅速发展，但资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的形势日益严峻，严重威胁着我国经济进一步增长与社会可持续性发展。生态环境敏感性是生态系统对区域内人类活动干扰及自然环境变化的响应程度，反映了生态系统在外界干扰时出现生态环境问题的可能性和难易程度。区域生态环境敏感性分析能够识别具体空间区域内潜在的生态环境问题，是制定区域环境政策，进行环境管理的重要依据[1]。生态系统服务功能是生态系统及其生态过程所形成与维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用[2]。生态系统服务重要性分析有利于识别生态系统服务的空间异质性，确定生态保护关键区，是开展区域生态系统管理，进行生态保护和建设的重要依据[3]。生态源地是物种扩散和维持的源点[4]。目前，生态源地的识别方法逐渐成熟，类型多样，包括直接将生境质量较好的区域作为生态源地[5]，基于自然系统和人工系统特征的空间耦合情况构建指标体系进行识别[6]，利用生态服务功能建立相关指标体系进行识别[7]，利用生态系统服务重要性和生态环境敏感性的生态评估方法进行识别[8]，利用景观连通性识别等[9]。

目前，涉及森林生态安全的研究大多与自然保护地[10]、山地生态系统[11]、流域生态系统[12]或者城市[13]有关，针对公益林的研究较少。事实上，公益林的生态安全亦不容忽视，生态安全研究有助于厘清区域公益林的生态过程，评价和提升公益林功能，实现公益林提供区域生态系统服务、维持生态安全和可持续发展的目的。本研究基于公益林生态系统服务重要性评价与生态环境敏感性评价，提取生态保护源地，分析识别公益林生态安全空间特征并提出相应的优化措施，对提高公益林生态系统服务功能，保障千岛湖地区生态环境安全具有重要意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

淳安县地处浙江省杭州市西南部丘陵山区，地理坐标为118°20′ ～ 119°20′ E，29°11′ ～ 30°02′ N，地势四周高，中间低，由西向东倾斜，形成四周中低山逐渐向中部丘陵区过渡的地貌形态。属亚热带季风气候区北缘，温暖湿润，四季分明，年平均气温为17 ℃，雨量充沛，年平均降水量为1 430 mm，光照充足，年平均日照时数为1 951 h，灾害性天气较多，光、温、水地域差异明显，风向随季节转换，常年盛行东北风。淳安县是浙江省面积最大的林业重点县，全县公益林（地）面积有166 488.63 hm2，其中，国家级公益林面积为129 226.59 hm2，占全县公益林总面积的77.62%；省级公益林面积为31 326.89 hm2，占全县公益林总面积的18.82%；市级公益林面积为5 935.15 hm2，占全县公益林总面积的3.56%[14]。淳安县动植物资源丰富，有维管束植物195 科2 003种；动物种类多样，有兽类动物61 种、鸟类224 种、爬行类50 种、两栖类12 种、鱼类94 种[15]。

1.2 数据来源

本研究的数据包括：①土地利用、气温、降水及土壤数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心；②高程坡度数据来自地理空间数据云；③Landsat 数据产品来自美国航空航天局（NASA）；④自然保护区数据来自中国生态系统评估与生态安全数据库；⑤基础地理数据来自国家地理信息中心。在ArcGIS 10.2 软件支持下，将所有空间数据统一为CGCS 2000 坐标系，并重采样成30 m×30 m 栅格单元大小进行运算。

2 研究方法

2.1 生态系统服务重要性评价

生态系统服务重要性评价从为人类服务的角度出发，针对区域特点，判定不同生态功能对人类生存发展的价值高低，并筛选出具有较高价值的生境斑块[16]。选取研究区最为重要的土壤保持、水源涵养、生物多样性维持和固碳释氧4 类生态系统服务功能作为评价因子。其中，土壤保持通过修正的通用土壤流失方程[17]计算潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值获得；水源涵养采用降水贮存量法[18]估算；生物多样性维持采用生物多样性服务当量[19]表示；固碳释氧由净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）数据[20]表示。

采用自然断点法[21]，将上述服务功能计算结果分别划分为5 级并赋值1 ～ 5，赋值越大表示生态服务越重要；将分级后的4 类因子进行等权叠加，对其结果仍采用自然断点法划分为一般重要、较重要、中度重要、高度重要和极重要5 个等级[22]，获得生态系统服务重要性评价结果。生态系统服务重要性评价计算总公式如下[23]：

式中，SSj为生态系统服务功能重要性综合指数；Zij为研究区域内j空间单元第i个指标的重要性等级值；Wij为研究区域内j空间单元第i个指标的权重（本研究采取等权叠加，Wij为0.25）。

2.1.1 土壤保持功能重要性评价 土壤保持量表示为潜在土壤侵蚀量与土壤侵蚀量之差。本文使用改进的水土流失模型RUSLE 模型进行估算[24]：

式中，A为土壤保持量，R为降雨量侵蚀因子，K为土壤可蚀性因子，L为坡长因子，S为坡度因子，C为植被覆盖因子，P为水土保持措施因子。

2.1.2 水源涵养功能重要性评价 降水量贮存法认为在林区树冠和树干的蒸腾和扩散的水量约占降水量的30%，树木在蒸腾过程中的水量又占降水量的15%，因而森林涵养水源量只占林区降水量的55%[25]。其计算公式为：

式中，Q为森林涵养水源量，A为森林面积（hm2）；P为多年平均降水量（mm）；f为森林覆盖率（%）。

2.1.3 生物多样性维持功能重要性评价 生物多样性维持服务采用生物多样性服务当量表示。

2.1.4 固碳释氧功能重要性评价 固碳释氧指的是植物通过光合作用将二氧化碳转换为氧气，同时将二氧化碳中的碳固定到植物体内。本文采用CASA 模型计算NPP 代表植被的固碳释氧能力[26]：

式中：NPP(x,t)是栅格单元x在月份t时的净初级生产力（gC·km-2），APAR(x,t)表示象元x在月份t时的光和有效辐射（MJ·km-2）；ε(x,t)是象元x在月份t 时的实际光能利用率（gC·MJ-1）。

2.2 生态环境敏感性评价

杭州市将新安江、千岛湖风景区等地列为水土流失重点预防保护区，范围为淳安县除中洲镇、汾口镇、王阜乡、屏门乡、唐村镇、严家乡、横沿乡外的其它乡镇。本研究选取植被覆盖度、高程、坡度、土地利用类型及土壤侵蚀强度5 类指标作为评价因子。其中，土壤侵蚀强度用来表示研究区生态环境最为突出的水土流失敏感性，其值基于修正的通用土壤流失方程计算并分级得到。基于层次分析法（AHP）确定的权重，对上述5 类因子根据敏感性由低到高依次赋值为9、7、5、3 和1，赋值越低表示越敏感，对赋值结果进行加权运算，使用自然断点法划分为不敏感、轻度敏感、中等敏感、高度敏感和极度敏感5 个等级[8]，获得生态环境敏感性评价结果，如表1。

表1 生态环境敏感性评价因子分级及权重Tab. 1 Classification and weight of indicators for eco-environmental sensitivity

生态环境敏感性评价计算公式[27]如下：

式中，S为生态环境敏感性综合指数；n为评价因子数，An为第n个评价因子栅格图层；Kn为第n个评价因子的权重。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务重要性评价

淳安县除河流湖泊附近及东北部外，其余地区水源涵养功能较弱，其中北部优于南部，东部优于西部，整体分布由中心河流湖泊地区向四周逐步递减（图1A）。淳安县生物多样性整体水平较高，水源附近生物多样普遍较高，西南方向生物多样性明显低于其余方向（图1B）。对土壤保持、水源涵养、生物多样性维持和固碳释氧等生态系统服务评价结果运用综合取高的方法得到淳安公益林生态系统服务重要性空间分布图（图1C）。研究结果表明（表2），淳安县公益林生态系统服务重要性整体状况良好，其中，高度重要公益林所占比例最大，占全县公益林总面积的41.93%；较重要、中等重要与极重要公益林所占比例相近，分别占全县公益林总面积的17.92%、19.53%与18.27%；一般重要公益林仅占全县公益林总面积的2.35%。总体来看，高度重要公益林所占比例远高于其它等级公益林的比例，不同评价等级公益林的比例之间差距较大。

图1 淳安县公益林生态系统服务重要性评价结果Fig. 1 Evaluation on ecosystem services in Chun’an

表2 淳安县公益林生态系统服务重要性评价结果统计Tab. 2 Evaluation on ecosystem service importance of ecological forest in Chun’an

由表3 可知，淳安县公益林生态服务高度重要和极重要区域面积为100 223.09 hm2，主要分布在开发总公司、威坪镇、文昌镇、里商乡、枫树岭镇、临岐镇等区域（面积均在5 000 hm2以上）。其中，富文乡公益林生态服务高度重要和极重要区域占全乡公益林总面积的比例最大，为93.11%；其次为文昌镇，公益林生态服务高度重要和极重要区域占全镇公益林总面积的92.65%；汾口林场所占比例最小，公益林生态服务高度重要和极重要区域仅为全林场公益林总面积的7.26%。

公益林生态服务中等重要及以下区域面积为66 265.54 hm2，主要分布汾口镇、枫树岭镇、开发总公司、姜家镇、中洲镇、威坪镇等区域（面积均在4 000 hm2以上），占全县公益林总面积的39.80%，占全县土地总面积的15.00%。其中，汾口林场公益林生态服务中等重要及以下区域占整个林场公益林总面积的92.74%，为全县占比最高区域；其次为汾口镇，公益林生态服务中等重要及以下区域占全镇公益林总面积的79.74%；富文乡所占比例最小，仅为全乡公益林总面积的6.89%。

3.2 生态环境敏感性评价

淳安县植被多分布于河流湖泊周围，全县植被覆盖度总体较高，森林资源丰富（图2A）。由于位处于四周高中间低的山区和丘陵地带，总体地形起伏较大，汾口林场、枫树岭镇、宋村乡与左口乡交界处等区域海拔较高且地形坡度较大，丘陵地带如开发总公司、县种畜场、坪山林场等区域海拔较低且地形坡度较小，总体上四周地形起伏大于中间（图2B、2C）。植被覆盖度较高以及地形起伏较平缓的区域土壤侵蚀程度低，植被覆盖度较低以及地形起伏较大区域，如中洲镇、枫树岭镇、大墅镇等区域土壤侵蚀程度较大，整体上淳安县土壤侵蚀状况良好（图2D）。

综合植被覆盖度、高程、坡度、土地利用类型及土壤侵蚀强度5 类评价因子的空间分布，得到淳安公益林生态环境敏感性空间格局，结果表明（表4），淳安县公益林生态环境敏感性整体状况良好，高度敏感及以上区域与中等敏感及以下区域面积相当。其中，高度敏感性与中等敏感性公益林所占比例最大，且数值相近，分别占全县公益林总面积的37.28%、31.05%；较敏感性、极敏感性所占比例差别不大，分别为17.05%、11.57%；不敏感性公益林仅占3.05%，与其它等级公益林相差较大。总体来看，各评价等级之间较生态系统服务重要性评价结果来看差距较小。

表4 淳安县公益林生态环境敏感性评价结果Tab. 4 Evaluation results of eco-environmental sensitivity of ecological forest in Chun’an

表5 淳安县公益林生态环境敏感性分布Tab. 5 Distribution of eco-environmental sensitivity of ecological forest in Chun’an

公益林生态环境高度敏感及以上区域面积有90 454.18 hm2，主要分布在开发总公司、枫树岭镇、里商乡、中洲镇等区域（面积均在5 000 hm2以上）。其中，淳安县种畜场公益林生态环境高度敏感及以上区域占全场公益林总面积的比例最大，为87.88%；其次为枫树岭营林，公益林生态环境高度敏感及以上区域占全场公益林总面积的73.54%；瑶山乡公益林生态环境高度敏感及以上区域所占比例最小，为全乡公益林总面积的28.07%。

公益林生态环境中等敏感及以下区域面积有76 034.46 hm2，主要分布在开发总公司、威坪镇、梓桐镇、枫树岭镇、汾口镇、姜家镇（面积均在4 000 hm2以上），占全县公益林总面积的45.67%，占全县土地总面积的17.21%。其中，瑶山乡公益林生态环境中等敏感及以下区域占整个乡公益林总面积的71.93%，为全县占比最高区域；其次为园林管理处，公益林生态环境中等敏感及以下区域占园林管理处公益林总面积的71.19%；县种畜场所占比例最小，公益林生态环境中等敏感及以下区域仅为全场公益林总面积的12.12%。

3.3 生态源地识别结果

对比图1C 和图2E，淳安县公益林生态环境高度敏感及以上区域主要分布在开发总公司、枫树岭镇、里商乡、中洲镇等区域，这些区域海拔高、坡度陡，土壤侵蚀较为严重，在雨季易发生滑坡、泥石流等自然灾害；公益林生态环境中等敏感及以下区域主要分布在瑶山乡、界首乡、千岛湖镇、金峰乡、威坪镇，这些区域植被覆盖度较高，主要以林地、湿地以及灌丛为主，生态环境质量较好，受人类活动干预较轻，生物多样性较为丰富，生态系统服务重要性相对较高，其高度重要及以上面积占比都大于50%，可知生态环境敏感性较弱的区域，公益林生态环境质量一般较好，其服务功能也较强。因此，淳安公益林生态保护关键区为生态环境高敏感和生态服务高重要地区。综合生态系统服务重要性和生态环境敏感性评价结果，提取生态服务重要性评价中高度重要和极重要级别、生态环境敏感性评价中高度敏感和极敏感级别的板块作为生态源地得出淳安公益林生态源地

总面积为50 160.04 hm2，占研究区总面积30.13%，生态源地斑块主要分布于千岛湖西北、东北、东南湖区沿岸，形成环千岛湖生态屏障，主要土地利用类型为林地、水域、湿地，即城镇周边公益林林地、库塘湿地及千岛湖。公益林林地生态源地森林蓄积量大，分布有杉木Cunninghamialanceolata、马尾松Pinusmassoniana以及青冈Cyclobalanopsisglauca、苦槠Castanopsissclerophylla等阔叶树，能够为生物提供质量优良的栖息地，野生动植物资源丰富。千岛湖是淳安县最重要的饮水源地，在农业灌溉，蓄水防洪等方面具有核心地位。库塘湿地以发电为主，兼防洪、航运、灌溉、养殖和旅游等多种功能，在维持生态平衡和水文调节方面有重要的作用。

4 讨论与建议

淳安县公益林生态系统服务重要性整体状况良好，但公益林生态服务中等重要及以下区域面积达到66 265.54 hm2，这些区域公益林分布面积较少，应加强公益林建设，采用成熟有效的经营策略，根据营林目的差异，明确每一种公益林所应该使用的营林对策，利用合理优化公益林的林分结构、重视对公益林的抚育和保护工作、切实加强对松材线虫病的防治与公益林的森林防火工作、向技术标准化方向发展公益林抚育间伐工作等措施，提高生态服务中等重要及以下区域公益林的涵养水源、保持水土、净化空气、防风固沙等生态服务功能，促进淳安县公益林资源健康、稳定发展。

淳安县公益林生态系统服务重要性整体状况良好，其中生态服务高度重要及以上区域作为保障全县公益林生态安全的基本区域，是公益林资源发展与城镇环境开发建设的生态底线，应在维护现有公益林资源保护与监管的基础上，严格禁止开发建设。

生态源地斑块形成环千岛湖生态屏障的保护格局，其中西北、东北、东南湖区生态屏障的空间形态较为明显，起到连接湖区重要生态空间的作用，在保证公益林高质量发展的同时，进一步加强千岛湖生态系统的保护和修复力度，保障环千岛湖生态屏障的安全屏障作用和连通作用，可对淳安县的生态安全产生积极影响。

以保护源地为约束条件分析淳安公益林生态安全特征，提出以下保护措施：（1）在公益林分布面积较少的区域，应不断加强公益林保护建设、开展公益林植被修复与生态治理工程，提高公益林整体郁闭度；在公益林分布较多的区域，应在现有公益林管护工作的基础上，加强对公益林的监测与管护，以维持生态系统功能和服务的稳定。（2）淳安县公益林景观现状的特点具有构建基于集中与分散相结合原则的整体结构优化模式的有利条件，因此淳安县公益林景观建设的重心应从增加公益林资源总量转移至优化公益林景观的整体空间格局。（3）对现有人工林景观生态系统有目的地进行自然化、生态化、多样化和特色化的改造，提高其生态系统质量。（4）设计不同尺度和等级的森林景观廊道，发挥公益林景观整体生态功能，把针对本研究城市区域的不同尺度和等级规模的公益林景观廊道建设作为景观保护和建设的主要任务。（5）在城市开发过程中，需要综合社会、经济以及对环境的影响等，最终设计出适合城市安全格局的方案。（6）通过生态文化的教育提升人们对城市生态环境的认识，强化广大群众对生态学、环境学的认识，提高综合素质，从根本上提高人们保护公益林资源的意识。

本研究通过对淳安县公益林生态系统服务重要性、生态环境敏感性的分析，科学识别了生态源地，分析公益林生态安全空间特征，为公益林生态安全建设提供了切实可行的依据。 但本文并未对淳安公益林生态格局的生态廊道与景观斑块连通性做进一步研究，为了使环千岛湖生态屏障之间的连通性更加完整，充分发挥源地的功能，接下来的工作中还需要对生态廊道的类型、分布与优化进行研究分析，构成更完整的生态安全格局。此外，进一步与人文经济背景进行联系，积极探索淳安地区人与自然和谐发展之路。

5 结论

本研究在综合考虑淳安县公益林生态系统服务重要性和生态环境敏感性的基础上，提取重要生态保护源地，分析公益林生态安全格局分布特征并对其进行空间优化。结果表明，淳安县公益林生态系统服务重要性和生态环境敏感性整体状况良好，重要生态保护源地总面积为50 160.04 hm2，占研究区总面积的30.13%，生态源地斑块主要分布在中部和东部的千岛湖西北、东北、东南湖区沿岸，形成环千岛湖的生态屏障，基于生态源地保护划分的公益林功能区划，可以为淳安公益林的生态安全保护和可持续发展提供参考，也可以为实现区域生态与经济和谐发展提供政策支持。