生態系統水源涵養功能的重要性評價
——以皖西大別山森林為例

王升堂,孫賢斌,夏 韋,楊本俊

(皖西學院 環境與旅游學院,安徽 六安 237012)

1 引言

森林是最重要的陸地生態系統,具有涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境、保護生物多樣性、景觀美學等多種生態服務功能[1],其中水源涵養是我國亞熱帶山地森林生態系統最重要、最有價值的服務功能之一[2]。森林通過林冠層的截留作用、林下植被和枯枝落葉層的截持作用、土壤層的蓄積作用涵養了大量水源,是自然界中最豐富和穩定的清潔水源庫,有“綠色水庫”之稱。廣義上,森林水源涵養功能表現為涵蓄土壤水分、補充地下水、調節河川徑流和凈化水質等方面[3]。自20世紀中葉以來,眾多學者對森林生態系統水源涵養功能的水文過程和形成機制開展了大量卓有成效的研究[4,5],評價了不同區域或不同類型森林生態系統的水源涵養功能。如長江上游[6]、烏江上游[7]、祁連山[8]、秦嶺[9]、太行山區[10]、南方喀斯特山地[11]、江南丘陵山地[12]和全國[13,14]森林生態系統水源涵養功能的研究取得了豐富的成果,對水土保持、水文調節、生態安全屏障建設與保護、森林生態系統管理發揮了積極作用。

皖西大別山是我國著名的庫區,其間分布著佛子嶺、磨子潭、白蓮崖、梅山、響洪甸和龍河口等6座大型水庫和淠史杭灌區渠首水利樞紐。6大水庫的總庫容達68.92億m3,是淠史杭灌區的主要水源地,同時還肩負著向合肥、六安、淮南等大中城市供水的任務。科學經營管理皖西大別山區森林生態系統,提高其水源涵養、水土保持能力,對保證水庫的水質,保障水庫與灌區安全,使其發揮持久效益具有重要意義。

目前對大別山區森林水源涵養的研究案例不少，例如王勤等[15]研究了安徽大別山庫區不同林分土壤理化性質、凋落物持水量和林地土壤貯水性能,結果表明天然次生林和混交林的水源涵養功能高于純林;韓久同[16]通過對皖西大別山庫區森林水源涵養研究，認為水源涵養林的上層林木郁閉度在0.6—0.7為宜;莊家堯[17]、崔鴻俠等[18]對大別山區小流域、大別山低山丘陵不同森林植被類型土壤持水量的研究表明,森林植被土壤的持水量是荒坡地的3—5倍。這些研究大都針對個別森林群落和林分類型,區域尺度的研究成果較少。本文基于森林資源二類調查數據,采用水量平衡方程對區域森林生態系統水源涵養能力進行空間計算,分析水源涵養總量與空間分布特征,評價其重要性,并將評價結果與現有水源涵養林分布進行疊加運算,以期為水源涵養林的布局優化、森林生態系統的管理提供依據,同時也為水源地生態補償提供參考。

2 研究區概況

大別山是長江與淮河水系的分水嶺,國家重點生態功能區,長江、淮河中下游地區重要的生態安全屏障。皖西大別山區地處大別山北坡,屬大別山核心山區(圖1)。該區域氣候屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤季風氣候,基本特征是季風明顯,冷熱適中,雨量充沛,光、熱、水等氣候資源豐富，多年平均降水量為900—1600mm,水源充足，地表水資源多年平均60億m3。豐富的降水和充足的水源使其成為淠史杭灌區的同時也是合肥、六安、淮南等城市集中供水的水源地,目前每年向3市及沿渠城鎮供水3億m3,優質的供水對安徽經濟發展和社會穩定發揮了不可替代的巨大作用。

圖1 研究區地理位置與地形概況

本研究在區域選擇上保持了鄉鎮行政界線完整性,具體包括霍山、金寨縣全部、舒城縣大部、金安、裕安區的南部山區,區域總面積9357.5km2。其中,林業用地6412.34km2,占土地總面積的68.5%。在林業用地中有林地面積6105.5km2,森林覆蓋率達65.3%。從林種看,水源涵養林面積3857.86km2,占林地總面積的60.16%;用材林面積1673.19km2,占26.1%。隨著生態功能區建設的加強和對森林生態系統服務功能認識的提高,森林的經營管理已經從木材的經營向森林生態系統管理轉變。

3 數據來源與方法

3.1 數據來源

研究所采用的數據主要由研究區內的DEM數據、氣象數據(包括降水、氣溫、相當濕度、日照時數、風速等)、森林生態系統類型等數據組成。其中:①DEM數據主要來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)GDEMV2 30M分辨率數字高程數據。②氣象數據主要來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)。③森林生態系統類型數據主要來源于六安市2013年的森林資源二類調查數據。從這些不同來源的數據中提取研究區數據,并統一轉換為高斯投影,柵格分辨率為30m。

3.2 研究方法

評估模型:目前對森林生態系統水源涵養量的核算方法主要有綜合蓄水法、水量平衡法、模型法、土壤蓄水法、林冠截留量法、降水儲存量法、年徑流量法、地下徑流法、綜合指標評價法、多因子回歸法等多種方法[19],每種方法都有各自的優點與局限性。水量平衡法是基于流域的水量平衡原理,將森林生態系統視為一個“黑箱”,以水量的輸入和輸出為著眼點,水量輸入和輸出的差值即為水源涵養量[20]。水量平衡法是使用頻率最高的方法,本文采用水量平衡方程計算水源涵養量,評價水源涵養功能。水量平衡方程的計算公式為[21]:

(1)

式中,TQ為總水源涵養量(m3);Ai為i類生態系統面積(hm2);Pi為降雨量(mm);Ri為地表徑流量(mm);ETi為蒸散發(mm);n為森林生態系統類型數。

地表徑流量可由降雨量乘以地表徑流系數αi獲得。地表徑流系數是指地表徑流量與降雨量的比值的計算公式為:

Ri=Pi×αi

(2)

式中,R為地表徑流量(mm);P為年降雨量(mm);αi為平均地表徑流系數。

采用Zhang等[22]提出的考慮下墊面影響的蒸散發公式計算ET,計算公式為:

(3)

式中,ET0為潛在蒸散量;ω為下墊面影響系數,依據地表覆蓋度取值,高覆蓋林地(覆蓋度≥30%)、低覆蓋林地(覆蓋度<30%)、灌叢和草地的ω取值分別為2、1、0.5,其余符號同前。

潛在蒸散量ET0采用FAO開發的CROPWAT8.0軟件計算(http://www.fao.org/land-water/databases-and-software/cropwat/en/)。該軟件提供了基于Penman-Monteith公式的日、旬、月3種時間尺度的ET0計算功能。

數據處理:對原始數據進行提取、整理、空間插值等運算,將原始數據處理為水量平衡方程計算中可直接使用的參數，分別為:①降水與蒸散發。從我國地面氣候資料日值數據集中選取研究區域內和周邊地區15個氣象站點的多年降水、氣溫、濕度、風速、日照等數據,用CROPWAT 8.0軟件計算站點的ET0,在ArcGIS中采用克里金插值得到降水與ET0柵格圖,利用式(3)計算ET,得到ET柵格圖。②平均地表徑流系數。地表徑流系數引用于《生態保護紅線劃定指南》[21],將不同生態系統類型的徑流系數表與森林生態系統類型空間分布圖相連接,導出不同森林生態系統類型的平均地表徑流系數空間分布柵格圖。③生態系統類型數據。研究區森林生態系統類型數據由森林資源二類調查數據分類經過歸納得到。六安市各縣區森林資源二類調查的工作底圖為1∶1萬的地形圖,成果為高斯投影的矢量數據,屬性包括林地小班編號、地類、優勢樹種(組)、樹種組成、主要優勢樹種、年齡、郁閉度、亞林種等。研究區共有林業調查小班57911個,平均每個小班面積11.07hm2。

從土地利用類型、植被類型二級尺度對生態系統類型進行分類劃分，主要為：①第一級。一級生態系統類型按土地利用類型劃分。根據森林資源數據屬性地類字段,將有林地(包括喬木林地、竹林地、疏林地)劃分為森林生態系統，將灌木林地、未成林地、苗圃地、無立木林地(包括國家特別規定的灌木林、其他灌木林、人工造林未成林地、封育未成林地、采伐跡地、火燒跡地、其他無立木林地等)劃分為灌叢生態系統，將宜林地(包括宜林荒山、荒草地、宜林沙荒地、其他宜林地)劃分為草地生態系統，將河流、水庫、坑塘劃分為濕地生態系統。②第二級。首先在一級生態系統類型的基礎上,依據優勢樹種(組)與樹種組成屬性字段進行二級生態系統類型劃分(表1)；其次對二級生態系統進行編碼,將相應的編碼賦值給對應的圖斑,利用ArcGIS融合工具對編碼字段進行融合；然后按編碼字段轉換成森林生態系統類型柵格圖。

表1 生態系統類型劃分與地表徑流系數均值

注:地表徑流系數均值引自《生態保護紅線劃定指南》。

數據計算:利用式(1)和上述處理的數據,在ArcGIS中利用柵格計算器工具,對數據進行計算,得到各生態系統水源涵養功能(表2)。

表2 各森林生態系統水源涵養功能

4 結果及分析

4.1 水源涵養量的數量特征

各森林生態系統的水源涵養功能:從表2可見,研究區各生態系統的年水源涵養總量為31.9億m3,相當于研究區多年平均產水量的53.17%、六大水庫總庫容的46.29%,水源涵養對保障水庫水質的穩定與水庫的安全運行意義重大。從面積上看,落葉闊葉林、常綠針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林等為主要森林生態系統類型,面積為604189.62hm2,占總面積的94.22%;水源涵養量為30.38億m3,占總量的95.23%；其他6種生態系統類型面積僅占5.78%；水源涵養量1.52億m3,占總量的4.77%。在所有的森林生態系統中,落葉闊葉林面積最大,占總面積的50.69%，相應的水源涵養量也最大,占總量的52.02%,是研究區最主要的生態系統類型,與本區的氣候基本相適應,符合我國地帶性植被的分布規律。研究區的單位面積涵養水源量平均為4975.4t/hm2,各類森林生態系統類型的水源涵養能力大小依次為落葉闊葉林>針闊混交林>常綠闊葉林>常綠落葉闊葉混交林>常綠針葉林>常綠闊葉灌叢>草叢>落葉闊葉灌叢>稀疏灌叢>稀疏林,表現出森林水源涵養能力大于灌叢、高覆蓋植被大于稀疏植被的特點,符合森林生態系統水源涵養的一般規律[23]。

各林種的水源涵養功能:依據林業行業標準(LY/T2012—2012)與林地小班亞林種屬性信息將研究區森林、疏林和灌木林劃分為水源涵養林(包括少量的水土保持林)、特種用途林(主要是風景林和自然保護區林)、用材林、薪炭林和經濟林等5個林種,各林種的面積與水源涵養量見表3。

表3 不同林種水源涵養功能

研究區是極為重要的水源地,森林的經營管理以水源涵養為主,水源涵養林面積占總林地面積的60.16%,貢獻了60.79%的水源涵養量。各林種水源涵養的貢獻大小依次為水源涵養林、用材林、經濟林、特種用途林、薪炭林，水源涵養貢獻大小與各林種面積比重相一致。從涵養能力看,特種用途林最高,其次為水源涵養林和用材林,經濟林與薪炭林相對較低。這主要是因為除降水、蒸散、地形、林分結構等自然因素外,特種用途林受到嚴格保護,沒有人類活動的干擾,而經濟林與薪炭林則經常受到人類活動的影響。人類活動影響到林分結構與地被層,進而影響林分的水源涵養能力。

4.2 水源涵養的空間分布特征

水源涵養分布的總體特征:水源涵養量的空間分布見圖2。水源涵養量分布的空間差異十分明顯,柵格單元的最高值為568mm,最低值為261mm,相差2倍以上?？傮w上看,水源涵養量呈現出北低南高、東低西高的格局,與地形的分布格局具有相似性。從梅山水庫到磨子潭水庫一帶是明顯的高值區,其間分布著6大水庫中的5座,而龍河口水庫控制區和山麓邊緣地帶的水源涵養相對較低。主要原因：一是降水與蒸散發的空間分布存在差異,位于霍山境內的大別山主峰白馬尖一帶是多雨中心;二是因為從梅山水庫到磨子潭水庫一帶山高林密,森林覆蓋率高,景觀完整,大面積集中連片分布,而龍河口水庫控制區和山麓邊緣地帶海拔相對較低,普遍低于200m,地形和緩、森林覆蓋率偏低、森林景觀破碎度高,缺少大面積集中連片的森林覆蓋,因此水源涵養功能相對較低。水源涵養高值區中的相對低值斑塊主要是經濟林、茶園、造林未成林與封育未成林的疏林地，見圖2。

圖2 水源涵養量空間分布

水源涵養的縣區分布:從縣區看,金寨縣水源涵養量最高,為15.28億m3,占總量的47.89%;霍山次之,水源涵養量為8.39億m3,占總量的26.29%;舒城為第三,水源涵養量為4.83億m3,占總量的15.13%;金安、裕安兩區相對較少,分別為1.24億m3、2.17億m3,分別占總量的3.89%和6.79%。從鄉鎮看,金寨縣的燕子河、湯家匯、古碑、天堂寨、南溪、沙河、油坊店等鄉鎮,霍山縣的大化坪、諸佛庵、漫水河、磨子潭、佛子嶺等鄉鎮,舒城的曉天、廬鎮、湯池、山七等鄉鎮,裕安的獨山鎮、西河口等鄉鎮的水源涵養量較高。水源涵養量較低的鄉鎮主要集中在水庫下游、大別山的山麓地帶,如舒城的白神廟、舒城城關鎮、干叉河、棠樹,金安區的雙河鎮、施橋鎮、中店鄉,裕安的蘇埠、石板沖等鄉鎮。

不同海拔高度的水源涵養分布:對研究區海拔高度按200m等間距分為9級,統計了不同高度水源涵養量均值、面積百分比和水源涵養貢獻率(圖3)。海拔1000m以下的森林生態系統面積占總面積的93.18%,1000m以上的面積僅占6.82%,相應的水源涵養功能主要來自海拔1000m以下的區域,貢獻率為92.68%;海拔1000m以上的區域，貢獻率為7.32%。不同高度水源涵養的貢獻主要取決于其面積大小。從圖3可見,水源涵養能力隨著海拔升高而逐步增大,從而使海拔400m以下的區域森林生態系統面積比例高于水源涵養林的貢獻率,400m以上區域森林生態系統面積比例均低于相應的水源涵養林的貢獻率,這也是水源涵養分布格局與地形格局相似的原因,即水源涵養的分布具有一定的地形效應。海拔高度升高水源涵養能力增強與隨海拔升高氣溫降低、降水增加的地形氣候效應相關。但當海拔高度超過森林分布上線時,隨高度增高,水源涵養能力降低。

圖3 不同海拔高度水源涵養功能

5 水源涵養重要性評價及其應用

水源涵養的生態重要性在于評價森林生態系統提供水資源保障和洪水的調節作用,可根據生態系統對水資源保障的貢獻與地理位置來評價[24]。依據森林生態系統水源涵養量的空間計算結果,在ArcGIS中采用自然間斷點分級法對水源涵養服務功能的重要性進行分級操作,按水源涵養量從大到小的自然間斷分級,將水源涵養功能分為極重要、重要和一般重要三級。自然間斷點分級方法是基于數據中固有的自然分組對分類間隔進行識別,可對相似值進行最恰當的分組,并使各組之內差異最小、各組之間差異最大。本文將主要河流兩岸100m和水庫水岸線500m的區域直接定為極重要區域，分級結果為:極重要區域面積為3201.55km2，重要區面積為2343.21km2，一般重要區面積為867.59km2,分別占49.93%、36.54%、13.53%。水源涵養量分別為17.14億m3、11.25億m3、3.51億m3,其比例分別為53.72%、35.27%、11.02%。無論是面積還是水源涵養量,極重要區域都占1/2左右。由于極重要區域涵養能力高于其他區域,所以涵養量的比重都高于其面積比重。

皖西大別山區是大別山水源涵養、水土保持重點生態功能區的核心組成部分,加強皖西大別山區生態環境保護,事關江淮大地水資源保障和生態安全。自2015年以來,安徽省啟動實施了大別山區林業提質增效工程,著力加強大別山區水源涵養林建設。為了進一步提高森林生態系統的水源涵養功能,增加水源涵養林面積,完善水源涵養林布局,依據水源涵養重要性評價結果,在穩定現有水源涵養林的基礎上,建議將水源涵養極重要區域中的森林生態系統全部調整為水源涵養林。即將水源涵養極重要區域中的森林全部納入國家生態公益林范疇,通過生態公益林補償促進森林總量增加、結構提升、質量提高、生態功能增強。對河流兩岸100m和水庫周邊500m內的部分非林地,可通過生態補償營造水源涵養林。將現有水源涵養林分布圖與水源涵養極重要區域圖進行疊加,通過布爾運算篩選出極重要區域中的非水源涵養林區域,將篩選出的區域林種調整為水源涵養林(圖4),調整的區域主要集中分布在梅山和響洪甸水庫控制區。調整以后,全區新增水源涵養林956.68km2,占林地總面積的14.92%,區域水源涵養林比重將提升到75.08%。各縣區新增水源涵養林面積為:金寨縣595.78km2、霍山縣314.38km2、舒城縣36.9km2、金安區0.57km2、裕安區9.04km2,分別占林地總面積的19.99%、19.76%、3.46%、0.19%、1.90%。

圖4 新增水源涵養林的區域分布

6 結論與建議

皖西大別山區是淠史杭灌區及合肥、淮南、六安等城市供水的主要水源地,分布其間的六大水庫是灌區的主要水源。水源地森林生態系統水源涵養功能影響著水源的穩定供給、水庫的水質與安全運行。本文利用六安市森林資源二類調查數據,在ArcGIS環境中運用水量平衡方程計算了不同森林生態系統水源涵養功能,對計算結果進行了重要性分級,并提出水源涵養林布局調整建議。

主要結論與建議:①皖西大別山區森林生態系統年水源涵養總量為31.9億m3,相當于六大水庫總庫容的46.29%。落葉闊葉林、常綠針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林等是水源地主要的森林生態系統類型,占總面積的94.22%,這4類森林生態系統的水源涵養量為30.38億m3,占總量的95.23%,其中落葉闊葉林是最主要的類型。從林種看,各林種水源涵養的貢獻大小依次為水源涵養林、用材林、經濟林、特種用途林、薪炭林;水源涵養能力依次為特種用途林、水源涵養林、用材林、經濟林、薪炭林。②水源涵養功能分布的空間差異十分明顯?？傮w上,水源涵養呈現出北低南高、東低西高的格局,與地形的格局具有相似性。水源涵養功能具有一定的地形效應,涵養能力隨海拔升高而增大。從梅山水庫到磨子潭水庫一帶,是明顯的高值區,也是水源涵養的極重要區域,而龍河口水庫控制區和山麓邊緣地帶的水源涵養量相對較低。③就各縣區而言,金寨縣水源涵養量最高,達15.28億m3,占總量的47.89%;霍山次之,水源涵養量為8.39億m3,占總量的26.29%;舒城第三,水源涵養量為4.83億m3,占總量的15.13%;金安、裕安兩區相對較少,分別為1.24億m3、2.17億m3,各占總量的3.89%和6.79%。④依據水源涵養量的大小和地理位置，對森林生態系統水源涵養功能重要性進行了評價，結果表明水源涵養極重要區域森林生態系統面積3201.55km2，占總面積的49.93%，貢獻了53.72%的水源涵養功能。根據評價結果，建議在穩定現有水源涵養林面積的基礎上，將水源涵養極重要區域中的森林生態系統全部調整為水源涵養林，調整增加水源涵養林956.68km2，金寨縣、霍山縣、舒城縣、金安區、裕安區等縣區分別為595.78km2、314.38km2、36.9km2、0.57km2、9.04km2。在調整水源涵養林布局、增加面積的同時進一步加強水源涵養林質量建設，大力實施森林提質增效工程，促進森林總量增加、結構提升、質量提高、生態功能增強。在人工營造水源涵養林時應選擇水源涵養功能較強的樹種，同時要減輕人類活動對森林植被的影響強度。對水源涵養極重要區域實施長期封育是行之有效的措施，隨著封育年限的增加，樹齡增加，林冠結構會改善，枯枝落葉物量也會隨之增加，通過枯落物分解形成的土壤腐殖質會改善土壤結構，從而提高森林植被對降水的截持、攔蓄作用，將有利于整體提高森林生態系統的水源涵養功能。