三北防護林體系建設工程區森林水源涵養格局變化研究

王 耀,張昌順,劉春蘭,甄霖

1 國家林業和草原局調查規劃設計院, 北京 100714 2 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學院大學,北京 100049 4 北京市環境保護科學研究院,北京 100037

被譽為“世界生態工程之最”的三北防護林體系建設工程(以下簡稱“三北工程”),始于1979年,該工程從根本上改善中國“三北”地區生態環境和生產條件,1979—2018年三北工程累計完成造林保存面積3014.3萬hm2,森林覆蓋率由5.05%提高到13.57%；活立木蓄積量由7.2億m3提高到33.3億m3；是中國北疆抵御風沙、保持水土、護農促牧的綠色長城[1]。三北工程不僅具有重要的社會經濟效益[2],還在防風及降低風速、調節水熱、改善小氣候、提高作物產量[3,4],保持水土、涵養水源、固碳釋氧等方面發揮著重要的生態效益[5- 7],是全球生態治理的成功典范。然而,三北地區降水量不足、蒸發量過大。隨著社會經濟的快速發展,三北地區工農業用水量持續增長,而早期植被建設過程中忽略了水資源承載力,違背“適地適樹、適樹適生境”原則,重喬輕灌草,營造了大面積的高密度人工純林,致使三北工程造林成活率低、成活不成林或成林不成材、生產力水平低、生長緩慢、停滯甚至枯死等衰退現象明顯[8,9]。當前,三北地區生態依然脆弱,繼續推進三北工程建設不僅有利于區域可持續發展,也有利于中華民族偉大復興。因此,“以水定林、水量平衡”持續推進三北工程建設,不斷提升林草資源總量和質量,持續改善三北地區生態環境,鞏固和發展祖國北疆綠色生態屏障,為建設美麗中國作出新的更大貢獻,成為三北工程亟待解決的科學問題。

森林生態系統是陸地生態系統中結構最復雜,功能最齊全的生態系統,作為森林生態系統服務重要方面,森林水源涵養功能成為林學、森林經營學、生態學、水文學等多學科交叉的研究熱點。隨著人們對森林水源涵養認識的不斷拓展與更迭,森林水源涵養功能的內涵已發展成由水源供給、調節徑流、水質凈化等多種服務組成的整體[10,11]。關于三北工程水源涵養研究,國內已有報道,如朱金兆等[6]對三北工程水源涵養效益進行了較全面的總結。孫玉文等[12]對三北工程涵養水源效益進行核算,得出三北工程防護林體系年水源涵養價值為15.35億元人民幣,單位面積森林年涵養水源價值523.34元/hm2。此外,還有一些區域尺度或樣方尺度的三北防護林水源涵養功能研究,如周海涓[13]在對寧夏荒漠化治理綜合效益研究中發現凈化水質價值從1975年的187808萬元增加到2013年的297168萬元,增長了58.2%；王曉慧等得出山西中陽縣三北工程水源涵養價值13.1億元[14]；車克鈞等[15]采用綜合蓄水法對祁連山水源涵養林研究發現,青海云杉林是祁連山最佳涵養水源林。

雖然中國對三北防護林工程水源涵養功能開展了一些研究,但這些研究主要在區域尺度和樣方尺度上開展,缺乏三北防護林體系建設工程整體動態評估的報道。基于此,本研究在植被分區的基礎上,基于多年降水、風速、光照、平均溫度、極溫等氣象數據,獲取多年平均蒸散量、多年平均降水量等數據,利用水量平衡模型,研究三北工程區森林水源涵養時空格局與變化,比較研究森林水源涵養功能在不同時期間、森林類型間及植被分區間的差異與變化,揭示各植被分區森林水源涵養功能與坡地、生物量、植被覆蓋度、NPP等因子的相互關系,旨在科學認識和保護三北防護林體系建設工程水源涵養,為三北工程區制定植被建設方案,調控森林水源涵養功能,緩解區域日趨嚴重的水資源供需矛盾,實現區域社會、經濟和生態可持續發展等提供理論和數據支撐。

1 研究方法

1.1 研究地區與對象

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

三北防護林體系工程是中國林業發展史上的一大壯舉,開創了中國林業生態工程建設的先河。地跨東北、華北北部和西北大部分地區,包括中國北方13個省(自治區、直轄市)的107個市(蒙盟、州)745個縣(旗、市、區),建設范圍東起黑龍江省的撫遠縣,西至新疆維吾爾自治區克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣,東西長約4500 km,南北寬560—1460 km,總面積449.37萬km2,占國土面積的46.81%,接近中國的半壁河山。由于缺少三北工程區精準防護林空間分布數據,在此將三北工程區內的森林(包括喬木林、灌木林、園地和綠地)作物研究對象。

1.2 研究方法

三北工程區植被分區主要采用空間疊置法,綜合該區域2015年土地覆被、多年平均降水量、地形地貌等空間數據進行植被分區劃定。

水源涵養量主要通過水量平衡方程核算得到。水量平衡原理是指在一定的時空內,水分的運動保持著質量守恒,或輸入的水量和輸出的水量之間的差額等于系統內蓄水的變化量。在此將森林生態系統視為一個“暗箱”,以水量的輸入和輸出為著眼點,基于水量平衡,降水量減去蒸散量以及其他消耗的差值即為水源涵養量[16]。

QWaterconservation=Pi-Ri-ETi

式中Qwater conservation為各斑塊年水源涵養量(mm)；Pi為i斑塊年降水量(mm)；Ri為i斑塊暴雨徑流量(mm)；ETi為i斑塊年蒸散發量(mm),ET采用INVEST模型進行核算,具體核算模型和參數詳見文獻[17,18]。

地表暴雨徑流量采用以下模型進行核算[16]。

R=P×α

式中,R為地表徑流量(mm)；P為年降水量(mm)；α為平均地表徑流系數。地表徑流系數詳見表1。

表1 各類型生態系統地表徑流系數均值

1.3 研究數據

土地覆被和NPP數據來自中國科學院遙感與數字地球研究所曾源團隊。1990—2015年日降水、風速、日照時數、平均氣壓、平均相對濕度、平均氣溫及極溫等氣象數據和氣象局基于站點信息來自中國氣象數據網(https://data.cma.cn/),后利用彭曼模型核算、插值后獲得潛在蒸散量空間分布。數字高程90mDEM,來自國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn/index.html)等。主要數據來源及處理詳見表2。

表2 主要數據來源

1.4 數據分析

本文基于三北防護林體系建設工程區植被分區研究,利用ArcMap中的Spatial Analyst Tools中Zonal Statistics as Table模塊,獲取1990年、2000年、2010年和2015年四期不同森林類型單位面積水源涵養量,揭示三北工程區不同森林類型水源涵養功能時空變異特征。之后再利用Zonal Statistics as Table模塊,結合水源涵養、土地覆被、植被分區、坡度、植被覆蓋度、生物量和NPP等數據,分別獲取2015年各植被分區不同森林類型平均水源涵養量、以及各植被分區中不同單位面積森林水源涵養量對應的平均生物量、平均NPP、平均植被覆蓋度和平均坡度,最后用SPP進行回歸分析,并用Excel軟件趨勢線擬合制圖,揭示三北工程區各區森林水源涵養功能與地形及森林狀況與質量的相關性。

2 結果與分析

2.1 三北工程區植被分區

圖2 三北工程區植被分區 Fig.2 Vegetation regionalization in the Three North Shelterbelt Forest Program region

依據區域年降水量和植被空間異質性,結合地形地貌特征,將三北工程區植被分成森林植被區、稀樹灌草區、草原植被區、荒漠植被區和高原植被區。其中森林植被區位于三北工程區東部和東南部,范圍包括東北、華北以及黃土高原東南部,達120.95萬km2,約占工程總面積的26.9%,主導自然生態系統為森林；稀樹灌草區位于喬木植被向草地植被過渡區域,包括內蒙古東南部、河北北部和黃土高原中部區域以及新疆西部天山地區,面積達59.32萬km2,約占總量的13.2%,主導自然生態系統為灌草叢；草原植被區分布于半干旱區,主要位于內蒙古中部以及準噶爾盆地西部邊緣及阿爾泰山南麓地區,約69.38萬km2,自然生態系統主要為草地；荒漠植被區面積最大,約127.62萬km2,主要分布于內蒙古西部的荒漠和戈壁區域、新疆的塔里木盆地以及古爾班通古特沙漠等干旱地區,自然生態系統主要為荒漠；約占區域總面積16.0%的高原植被區位于青藏高原北麓,該區植被類型豐富多樣,具有典型高原植被特征(圖2和表3)。

表3 三北工程區植被分區特征

2.2 水源涵養功能格局與變化

因年降水量極顯著影響區域森林年水源涵養量,為消除氣候波動對區域森林水源涵養的影響,客觀評價三北工程區生態建設對區域森林水源涵養的影響,本研究開展基于多年平均潛在蒸散量和平均降水量的森林水源涵養研究。結果表明,三北工程區森林水源涵養量整體呈現東高西低、南高北低的分布格局,其中以遼寧東北部和吉林東南部的邊境地區最高,單位面積水源涵養量大于200mm,其次為遼寧省東北部、吉林省東部、黑龍江省中東部及北部邊境地區,平均為100—200mm,隨后是遼寧省中部、黑龍江東北部和西北部、黃土高原北麓以及祁連山等地區,平均為50—100mm,荒漠植被區最低,年水源涵養量均<20mm(圖3)。因采用多年平均氣象數據進行核算,該區域1990—2015年森林總量變化不大,致使三北工程區森林水源涵養量空間格局年際變化不顯著,但三北工程區單位面積森林年水源涵養量呈持續增加,從1990年的73.92mm增加到2015年的75.14mm,而1990年三北工程區森林水源涵養總量(497.35億m3)卻高于2000年水源涵養總量(493.77億m3)。2000年后,隨著退耕還林還草工程、天然林保護等工程的推進,該區域森林水源涵養總量持續增加,2015年達497.72億m3(表3)。

圖3 基于多年平均氣象數據核算的水源涵養功能Fig.3 Patterns of water conservation depth based on multi-year average weather data

就森林類型水源涵養功能而言,該區域森林水源涵養功能以針闊混交林最強,平均為113.3mm,常綠闊葉灌叢次之,為102.58mm,隨后是落葉針葉林和落葉闊葉林,分別為94.02mm和92.92mm,稀疏灌叢最低,平均為0.02mm。除喬木和灌木園地單位面積水源涵養量降低外,其余森林類型單位面積水源涵養量呈波動增加態勢,這是區域經濟林發展、植被分布和生態建設與保護政策等綜合作用的結果(表4)。

表4 各期不同植被類型水源涵養功能變化/mm

由于各植被區間降雨、地形地貌和植被類型等差異顯著,致使各植被區森林水源涵養功能差異顯著。2015年三北工程區各植被分區不同森林類型單位面積水源涵養量一般表現為森林植被區>稀樹灌草區>高原植被區>草原植被區>荒漠植被區,但常綠針葉灌叢以稀樹灌草區最高,森林植被區次之,隨后是草原植被區,荒漠植被區最低；高原植被區落葉闊葉灌叢、灌木園地和灌木綠地單位面積水源涵養量僅次于森林植被區,且落葉闊葉灌叢是該院植被區主要林分類型,致使各植被分區單位面積森林平均水源涵養量排序為森林植被區>高原植被區>稀樹灌草區>草原植被區>荒漠植被區,分別為97.98mm、55.19mm、28.44mm、6.32mm和0.06mm。森林植被區森林是三北工程區森林水源涵養功能的主體,其2015年水源涵養總量為469.11億m3,約占工程區森林水源涵養總量的94.25%(表5)。

表5 2015年分區各森林類型水源涵養格局/mm

2.3 水源涵養格局與地形和、森林狀況與質量的關系

不同植被分區單位面積森林水源涵養量與其平均生物量、平均NPP、平均植被覆蓋度和平均坡度相關分析結果表明,除荒漠植被區水源涵養量與坡度相關性不顯著外,各植被區單位面積水源涵養量與坡度、生物量、NPP和植被覆蓋度之間存在極顯著或顯著的相關關系,且相關系數均以森林植被區最高。所有植被區單位面積森林水源涵養量隨植被覆蓋度增加而增加；除荒漠植被區單位面積森林水源涵養量與平均坡度相關性不顯著,與平均NPP顯著負相關外,其余植被分區單位面積森林水源涵養量隨平均坡度和平均NPP的增加而顯著增加；與森林平均生物量的關系較復雜,其中森林植被區單位面積森林水源涵養量隨平均生物量的增加而顯著增加,荒漠植被區和高原植被區則隨生物量增加而線性降低,而稀樹灌草區和草原植被區則表現為隨生物量增加而降低,最終趨于各自的固定值(圖4)。水源涵養與坡度、森林狀況與質量的上述關系產生的原因還有待于深入研究。

圖4 各植被區森林單位面積水源涵養量與坡度、森林狀況的關系Fig.4 The relationships between water conservation per unit area of forest, slope and forest condition in each vegetation zone

3 結論與討論

3.1 結論

本文基于植被、氣象、土壤、DEM和植被水文特征等數據,在植被分區的基礎上,運用水量平衡方程,研究三北工程區森林水源涵養功能格局與變化,比較不同森林類型水源涵養功能差異,并揭示區域地形、森林狀況與質量的相互關系。得出以下主要結論：

(1)依據氣候、土地覆被分布和地形地貌空間分異規律,將三北工程區植被分成森林植被區、稀樹灌草區、草原植被區、荒漠植被區和高原植被區,各植被區主導自然生態系統分別為森林、灌草叢、草原、荒漠和高原植被。

(2)三北工程區單位面積森林水源涵養量持續增加,從1990年的73.92mm增加到2015年的75.14mm,而森林年水源涵養總量呈現先減后增態勢,這是區域濫砍濫伐、毀林開墾、土地開發和林業生態建設與保護等共同作用的結果。三北工程區森林水源涵養功能因植被區和森林類型而異,單位面積森林水源涵養量以森林植被區最高,高原植被區次之,荒漠植被區最低,森林植被區森林是三北工程區森林水源涵養的主體；就森林類型而言,森林水源涵養功能以針闊混交林最高,草綠闊葉灌叢次之,稀疏灌叢最低,單位面積年均水源涵養量分別為113.34mm、102.58和0.02mm。

(3)三北工程區各植被區森林水源涵養量與地形、森林狀況與質量等顯著相關,是區域植被長期進化及濫砍濫伐、毀林開墾和植被建設與保護等人類干擾共同作用的結果。在今后三北工程防護林建設與保護中,可通過調整與優化林分結構調控區域森林水源涵養功能。

3.2 討論

3.2.1與以往水源涵養功能研究對比

雖然中國已有關于三北工程區森林水源涵養功能評估的報道,但這些報道主要基于監測數據而展開的,也有不少利用水量平衡模型開展局部區域森林水源涵養國內研究,如丁程鋒等用INVEST模型研究發現,天山中部云杉天然林水源涵養量平均為54.25mm[20]。楊金明得到2007年和2008年黑龍江新林區單位面積寒溫帶山地針葉林年水源涵養量分別為132.04 mm和166.74mm[21]；余新曉等發現北京山區森林年水源涵養量為47.61—148.77mm,平均為75mm,以落葉針葉林最高,平均為148.77mm[22]。李盈盈等研究表明,陜西子午嶺國家級自然保護區森林和灌叢的水源涵養能力最強,平均為73mm[23]。本研究結果表明,三北工程區森林單位面積年水源涵養量變化范圍為0—381mm,平均為74.57mm,以針闊混交林最高,平均為113.34mm,常綠闊葉灌叢次之,平均為102.58mm。雖然本研究結果與前人研究結果存在一定的差異,但考慮到研究區域、研究時段和研究對象等方面差異,本研究結果與前人研究結果是一致的。

3.2.2水源涵養功能變化分析

本研究發現1990—2015年三北工程區單位面積森林水源涵養量呈持續增加態勢,而水源涵養總量卻呈先減后增態勢,其原因應與區域濫砍濫伐、毀林開墾、林業生態建設工程、年降水量與造林成活率的關系等密切相關。2000年以前,雖然三北工程區營造了大面積的防護林,但由于該區域濫砍濫伐、毀林開墾嚴重,大面積的天然林被采伐、破壞。2000年以來,國家相繼實施了天然林保護、生態公益林保護和退耕還林還草等生態建設與保護工程,濫砍濫伐、毀林開荒得到有效遏制,區域林地面積不斷增加,森林質量不斷提升,致使三北工程區森林單位面積水源涵養量和水源涵養總量持續增加。

三北工程區森林水源涵養功能與地形及森林狀態與質量的關系是植被自然選擇和人為干擾共同作用的結果。由于建國后中國長期實行農業反哺工業的發展道路,大面積的天然林遭到采伐。同時,三北工程區還是濫砍濫伐、毀林開墾嚴重的地區之一,致使現存的森林主要分布于坡度較大、降雨量較大、交通不便的山區,這些區域森林的植被覆蓋度、年降水量、NPP和生物量均較高,水源涵養功能強,致使單位面積水源涵養量隨坡度、植被覆蓋度和NPP增大而增大。森林植被區森林水源涵養與森林生物量極顯著相關,其余地區單位面積水源涵養功隨林分生物量增加而降低也是這個原因,由于其他植被區生態環境遠比森林植被區惡劣,森林自然分布本來就少,加之人為毀林開墾和濫砍濫伐,致使這些區域現存的森林主要為人工林,這種降水量少的地區森林生物量愈高,其年蒸散量愈大,年水源涵養量則愈少。

3.2.3水源涵養功能影響因子分析

現有研究表明,除了氣象因素外,地形和森林狀況與質量顯著影響著森林水源涵養功能。本研究發現,除荒漠植被區森林水源涵養與坡地相關性不顯著外,三北工程區其余工程區森林水源涵養功能與坡度、NPP、植被蓋度和生物量之間存在極顯著或顯著的相關關系。

關于森水源涵養與坡度的關系,丁程鋒等發現天山中部云杉天然林水源涵養功能隨坡度增加而降低[20],對此,唐玉芝等也得出相似的結論——烏江流域森林水源涵養能力與坡度呈顯著的負相關[24]。然而,張宏峰等卻發現東江流域森林水源涵養功能隨坡度增加而增大[25],龔詩涵等在研究中國生態系統水源涵養是也得出水源涵養功能與坡度顯著正相關的結論[16]。本研究結果與丁程鋒等及唐玉芝等結果相反,卻與張洪峰等及龔詩涵等研究結果一致。上述結果說明森林水源涵養功能與坡度的關系,不僅與研究對象有關,還可能與研究尺度、研究區降雨分布和人類干擾等相關。由于人為干擾空前,致使現存的森林大多分布于坡度較大的山區,因此,較大尺度研究時一般表現為坡度愈大森林,其水源涵養功能愈強。但當研究尺度較小時,坡度對降雨的影響就遠小于坡度對地表徑流的影響,致使小尺度時森林水源涵養功能隨坡度增大而降低。

由于生物量、NPP、植被覆蓋度顯著影響著森林蒸散量,進而對森林水源涵養功能有顯著影響。一般林分植被蓋度愈高,其生物量和NPP愈大,年蒸散量也愈高,致使林分水源涵養量愈低,即其他條件相同情況下,森林水源涵養功能與森林生物量、NPP和植被覆蓋度等森林狀況與質量負相關。然而,由于其他條件無法完全一致,年降雨量極顯著決定了區域森林水源涵養量,在氣候驅動和人為干擾共同作用下,年降水量愈高的森林,其植被覆蓋度、NPP和生物量也一般更高,致使全國或區域尺度森林水源涵養量與森林植被覆蓋度、NPP和生物量呈顯著相關。這樣類似的結論已有報道,如甘小莉等發現祁連山水源涵養最大的區域植被覆蓋度較高[26]；丁程鋒等得出天山中部云杉天然林水源涵養功能隨云杉林覆蓋率的增大而增加[20]。黃枝英得出北京典型森林水源涵養功能與生物量、郁閉度顯著正相關[27]。關于森林水源涵養與NPP的關系研究的較少。但研究表明,NPP與植被蒸散量之間存在顯著的正相關關系[28, 29],而蒸散量顯著影響森林水源涵養量,說明植被NPP與森林水源涵養功能之間關系密切。總之,森林狀況與質量顯著影響著森林水源涵養功能[30, 31],這一結論與本研究結果基本吻合,說明可以通過調整林分結構,提高林分質量調控三北防護林體系工程區森林水源涵養功能。