生态系统水源涵养功能的重要性评价——以皖西大别山森林为例

王升堂,孙贤斌,夏 韦,杨本俊

(皖西学院 环境与旅游学院,安徽 六安 237012)

1 引言

森林是最重要的陆地生态系统,具有涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、保护生物多样性、景观美学等多种生态服务功能[1],其中水源涵养是我国亚热带山地森林生态系统最重要、最有价值的服务功能之一[2]。森林通过林冠层的截留作用、林下植被和枯枝落叶层的截持作用、土壤层的蓄积作用涵养了大量水源,是自然界中最丰富和稳定的清洁水源库,有“绿色水库”之称。广义上,森林水源涵养功能表现为涵蓄土壤水分、补充地下水、调节河川径流和净化水质等方面[3]。自20世纪中叶以来,众多学者对森林生态系统水源涵养功能的水文过程和形成机制开展了大量卓有成效的研究[4,5],评价了不同区域或不同类型森林生态系统的水源涵养功能。如长江上游[6]、乌江上游[7]、祁连山[8]、秦岭[9]、太行山区[10]、南方喀斯特山地[11]、江南丘陵山地[12]和全国[13,14]森林生态系统水源涵养功能的研究取得了丰富的成果,对水土保持、水文调节、生态安全屏障建设与保护、森林生态系统管理发挥了积极作用。

皖西大别山是我国著名的库区,其间分布着佛子岭、磨子潭、白莲崖、梅山、响洪甸和龙河口等6座大型水库和淠史杭灌区渠首水利枢纽。6大水库的总库容达68.92亿m3,是淠史杭灌区的主要水源地,同时还肩负着向合肥、六安、淮南等大中城市供水的任务。科学经营管理皖西大别山区森林生态系统,提高其水源涵养、水土保持能力,对保证水库的水质,保障水库与灌区安全,使其发挥持久效益具有重要意义。

目前对大别山区森林水源涵养的研究案例不少，例如王勤等[15]研究了安徽大别山库区不同林分土壤理化性质、凋落物持水量和林地土壤贮水性能,结果表明天然次生林和混交林的水源涵养功能高于纯林;韩久同[16]通过对皖西大别山库区森林水源涵养研究，认为水源涵养林的上层林木郁闭度在0.6—0.7为宜;庄家尧[17]、崔鸿侠等[18]对大别山区小流域、大别山低山丘陵不同森林植被类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。这些研究大都针对个别森林群落和林分类型,区域尺度的研究成果较少。本文基于森林资源二类调查数据,采用水量平衡方程对区域森林生态系统水源涵养能力进行空间计算,分析水源涵养总量与空间分布特征,评价其重要性,并将评价结果与现有水源涵养林分布进行叠加运算,以期为水源涵养林的布局优化、森林生态系统的管理提供依据,同时也为水源地生态补偿提供参考。

2 研究区概况

大别山是长江与淮河水系的分水岭,国家重点生态功能区,长江、淮河中下游地区重要的生态安全屏障。皖西大别山区地处大别山北坡,属大别山核心山区(图1)。该区域气候属北亚热带向暖温带过渡的湿润季风气候,基本特征是季风明显,冷热适中,雨量充沛,光、热、水等气候资源丰富，多年平均降水量为900—1600mm,水源充足，地表水资源多年平均60亿m3。丰富的降水和充足的水源使其成为淠史杭灌区的同时也是合肥、六安、淮南等城市集中供水的水源地,目前每年向3市及沿渠城镇供水3亿m3,优质的供水对安徽经济发展和社会稳定发挥了不可替代的巨大作用。

图1 研究区地理位置与地形概况

本研究在区域选择上保持了乡镇行政界线完整性,具体包括霍山、金寨县全部、舒城县大部、金安、裕安区的南部山区,区域总面积9357.5km2。其中,林业用地6412.34km2,占土地总面积的68.5%。在林业用地中有林地面积6105.5km2,森林覆盖率达65.3%。从林种看,水源涵养林面积3857.86km2,占林地总面积的60.16%;用材林面积1673.19km2,占26.1%。随着生态功能区建设的加强和对森林生态系统服务功能认识的提高,森林的经营管理已经从木材的经营向森林生态系统管理转变。

3 数据来源与方法

3.1 数据来源

研究所采用的数据主要由研究区内的DEM数据、气象数据(包括降水、气温、相当湿度、日照时数、风速等)、森林生态系统类型等数据组成。其中:①DEM数据主要来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)GDEMV2 30M分辨率数字高程数据。②气象数据主要来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。③森林生态系统类型数据主要来源于六安市2013年的森林资源二类调查数据。从这些不同来源的数据中提取研究区数据,并统一转换为高斯投影,栅格分辨率为30m。

3.2 研究方法

评估模型:目前对森林生态系统水源涵养量的核算方法主要有综合蓄水法、水量平衡法、模型法、土壤蓄水法、林冠截留量法、降水储存量法、年径流量法、地下径流法、综合指标评价法、多因子回归法等多种方法[19],每种方法都有各自的优点与局限性。水量平衡法是基于流域的水量平衡原理,将森林生态系统视为一个“黑箱”,以水量的输入和输出为着眼点,水量输入和输出的差值即为水源涵养量[20]。水量平衡法是使用频率最高的方法,本文采用水量平衡方程计算水源涵养量,评价水源涵养功能。水量平衡方程的计算公式为[21]:

(1)

式中,TQ为总水源涵养量(m3);Ai为i类生态系统面积(hm2);Pi为降雨量(mm);Ri为地表径流量(mm);ETi为蒸散发(mm);n为森林生态系统类型数。

地表径流量可由降雨量乘以地表径流系数αi获得。地表径流系数是指地表径流量与降雨量的比值的计算公式为:

Ri=Pi×αi

(2)

式中,R为地表径流量(mm);P为年降雨量(mm);αi为平均地表径流系数。

采用Zhang等[22]提出的考虑下垫面影响的蒸散发公式计算ET,计算公式为:

(3)

式中,ET0为潜在蒸散量;ω为下垫面影响系数,依据地表覆盖度取值,高覆盖林地(覆盖度≥30%)、低覆盖林地(覆盖度<30%)、灌丛和草地的ω取值分别为2、1、0.5,其余符号同前。

潜在蒸散量ET0采用FAO开发的CROPWAT8.0软件计算(http://www.fao.org/land-water/databases-and-software/cropwat/en/)。该软件提供了基于Penman-Monteith公式的日、旬、月3种时间尺度的ET0计算功能。

数据处理:对原始数据进行提取、整理、空间插值等运算,将原始数据处理为水量平衡方程计算中可直接使用的参数，分别为:①降水与蒸散发。从我国地面气候资料日值数据集中选取研究区域内和周边地区15个气象站点的多年降水、气温、湿度、风速、日照等数据,用CROPWAT 8.0软件计算站点的ET0,在ArcGIS中采用克里金插值得到降水与ET0栅格图,利用式(3)计算ET,得到ET栅格图。②平均地表径流系数。地表径流系数引用于《生态保护红线划定指南》[21],将不同生态系统类型的径流系数表与森林生态系统类型空间分布图相连接,导出不同森林生态系统类型的平均地表径流系数空间分布栅格图。③生态系统类型数据。研究区森林生态系统类型数据由森林资源二类调查数据分类经过归纳得到。六安市各县区森林资源二类调查的工作底图为1∶1万的地形图,成果为高斯投影的矢量数据,属性包括林地小班编号、地类、优势树种(组)、树种组成、主要优势树种、年龄、郁闭度、亚林种等。研究区共有林业调查小班57911个,平均每个小班面积11.07hm2。

从土地利用类型、植被类型二级尺度对生态系统类型进行分类划分，主要为：①第一级。一级生态系统类型按土地利用类型划分。根据森林资源数据属性地类字段,将有林地(包括乔木林地、竹林地、疏林地)划分为森林生态系统，将灌木林地、未成林地、苗圃地、无立木林地(包括国家特别规定的灌木林、其他灌木林、人工造林未成林地、封育未成林地、采伐迹地、火烧迹地、其他无立木林地等)划分为灌丛生态系统，将宜林地(包括宜林荒山、荒草地、宜林沙荒地、其他宜林地)划分为草地生态系统，将河流、水库、坑塘划分为湿地生态系统。②第二级。首先在一级生态系统类型的基础上,依据优势树种(组)与树种组成属性字段进行二级生态系统类型划分(表1)；其次对二级生态系统进行编码,将相应的编码赋值给对应的图斑,利用ArcGIS融合工具对编码字段进行融合；然后按编码字段转换成森林生态系统类型栅格图。

表1 生态系统类型划分与地表径流系数均值

注:地表径流系数均值引自《生态保护红线划定指南》。

数据计算:利用式(1)和上述处理的数据,在ArcGIS中利用栅格计算器工具,对数据进行计算,得到各生态系统水源涵养功能(表2)。

表2 各森林生态系统水源涵养功能

4 结果及分析

4.1 水源涵养量的数量特征

各森林生态系统的水源涵养功能:从表2可见,研究区各生态系统的年水源涵养总量为31.9亿m3,相当于研究区多年平均产水量的53.17%、六大水库总库容的46.29%,水源涵养对保障水库水质的稳定与水库的安全运行意义重大。从面积上看,落叶阔叶林、常绿针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林等为主要森林生态系统类型,面积为604189.62hm2,占总面积的94.22%;水源涵养量为30.38亿m3,占总量的95.23%；其他6种生态系统类型面积仅占5.78%；水源涵养量1.52亿m3,占总量的4.77%。在所有的森林生态系统中,落叶阔叶林面积最大,占总面积的50.69%，相应的水源涵养量也最大,占总量的52.02%,是研究区最主要的生态系统类型,与本区的气候基本相适应,符合我国地带性植被的分布规律。研究区的单位面积涵养水源量平均为4975.4t/hm2,各类森林生态系统类型的水源涵养能力大小依次为落叶阔叶林>针阔混交林>常绿阔叶林>常绿落叶阔叶混交林>常绿针叶林>常绿阔叶灌丛>草丛>落叶阔叶灌丛>稀疏灌丛>稀疏林,表现出森林水源涵养能力大于灌丛、高覆盖植被大于稀疏植被的特点,符合森林生态系统水源涵养的一般规律[23]。

各林种的水源涵养功能:依据林业行业标准(LY/T2012—2012)与林地小班亚林种属性信息将研究区森林、疏林和灌木林划分为水源涵养林(包括少量的水土保持林)、特种用途林(主要是风景林和自然保护区林)、用材林、薪炭林和经济林等5个林种,各林种的面积与水源涵养量见表3。

表3 不同林种水源涵养功能

研究区是极为重要的水源地,森林的经营管理以水源涵养为主,水源涵养林面积占总林地面积的60.16%,贡献了60.79%的水源涵养量。各林种水源涵养的贡献大小依次为水源涵养林、用材林、经济林、特种用途林、薪炭林，水源涵养贡献大小与各林种面积比重相一致。从涵养能力看,特种用途林最高,其次为水源涵养林和用材林,经济林与薪炭林相对较低。这主要是因为除降水、蒸散、地形、林分结构等自然因素外,特种用途林受到严格保护,没有人类活动的干扰,而经济林与薪炭林则经常受到人类活动的影响。人类活动影响到林分结构与地被层,进而影响林分的水源涵养能力。

4.2 水源涵养的空间分布特征

水源涵养分布的总体特征:水源涵养量的空间分布见图2。水源涵养量分布的空间差异十分明显,栅格单元的最高值为568mm,最低值为261mm,相差2倍以上。总体上看,水源涵养量呈现出北低南高、东低西高的格局,与地形的分布格局具有相似性。从梅山水库到磨子潭水库一带是明显的高值区,其间分布着6大水库中的5座,而龙河口水库控制区和山麓边缘地带的水源涵养相对较低。主要原因：一是降水与蒸散发的空间分布存在差异,位于霍山境内的大别山主峰白马尖一带是多雨中心;二是因为从梅山水库到磨子潭水库一带山高林密,森林覆盖率高,景观完整,大面积集中连片分布,而龙河口水库控制区和山麓边缘地带海拔相对较低,普遍低于200m,地形和缓、森林覆盖率偏低、森林景观破碎度高,缺少大面积集中连片的森林覆盖,因此水源涵养功能相对较低。水源涵养高值区中的相对低值斑块主要是经济林、茶园、造林未成林与封育未成林的疏林地，见图2。

图2 水源涵养量空间分布

水源涵养的县区分布:从县区看,金寨县水源涵养量最高,为15.28亿m3,占总量的47.89%;霍山次之,水源涵养量为8.39亿m3,占总量的26.29%;舒城为第三,水源涵养量为4.83亿m3,占总量的15.13%;金安、裕安两区相对较少,分别为1.24亿m3、2.17亿m3,分别占总量的3.89%和6.79%。从乡镇看,金寨县的燕子河、汤家汇、古碑、天堂寨、南溪、沙河、油坊店等乡镇,霍山县的大化坪、诸佛庵、漫水河、磨子潭、佛子岭等乡镇,舒城的晓天、庐镇、汤池、山七等乡镇,裕安的独山镇、西河口等乡镇的水源涵养量较高。水源涵养量较低的乡镇主要集中在水库下游、大别山的山麓地带,如舒城的白神庙、舒城城关镇、干叉河、棠树,金安区的双河镇、施桥镇、中店乡,裕安的苏埠、石板冲等乡镇。

不同海拔高度的水源涵养分布:对研究区海拔高度按200m等间距分为9级,统计了不同高度水源涵养量均值、面积百分比和水源涵养贡献率(图3)。海拔1000m以下的森林生态系统面积占总面积的93.18%,1000m以上的面积仅占6.82%,相应的水源涵养功能主要来自海拔1000m以下的区域,贡献率为92.68%;海拔1000m以上的区域，贡献率为7.32%。不同高度水源涵养的贡献主要取决于其面积大小。从图3可见,水源涵养能力随着海拔升高而逐步增大,从而使海拔400m以下的区域森林生态系统面积比例高于水源涵养林的贡献率,400m以上区域森林生态系统面积比例均低于相应的水源涵养林的贡献率,这也是水源涵养分布格局与地形格局相似的原因,即水源涵养的分布具有一定的地形效应。海拔高度升高水源涵养能力增强与随海拔升高气温降低、降水增加的地形气候效应相关。但当海拔高度超过森林分布上线时,随高度增高,水源涵养能力降低。

图3 不同海拔高度水源涵养功能

5 水源涵养重要性评价及其应用

水源涵养的生态重要性在于评价森林生态系统提供水资源保障和洪水的调节作用,可根据生态系统对水资源保障的贡献与地理位置来评价[24]。依据森林生态系统水源涵养量的空间计算结果,在ArcGIS中采用自然间断点分级法对水源涵养服务功能的重要性进行分级操作,按水源涵养量从大到小的自然间断分级,将水源涵养功能分为极重要、重要和一般重要三级。自然间断点分级方法是基于数据中固有的自然分组对分类间隔进行识别,可对相似值进行最恰当的分组,并使各组之内差异最小、各组之间差异最大。本文将主要河流两岸100m和水库水岸线500m的区域直接定为极重要区域，分级结果为:极重要区域面积为3201.55km2，重要区面积为2343.21km2，一般重要区面积为867.59km2,分别占49.93%、36.54%、13.53%。水源涵养量分别为17.14亿m3、11.25亿m3、3.51亿m3,其比例分别为53.72%、35.27%、11.02%。无论是面积还是水源涵养量,极重要区域都占1/2左右。由于极重要区域涵养能力高于其他区域,所以涵养量的比重都高于其面积比重。

皖西大别山区是大别山水源涵养、水土保持重点生态功能区的核心组成部分,加强皖西大别山区生态环境保护,事关江淮大地水资源保障和生态安全。自2015年以来,安徽省启动实施了大别山区林业提质增效工程,着力加强大别山区水源涵养林建设。为了进一步提高森林生态系统的水源涵养功能,增加水源涵养林面积,完善水源涵养林布局,依据水源涵养重要性评价结果,在稳定现有水源涵养林的基础上,建议将水源涵养极重要区域中的森林生态系统全部调整为水源涵养林。即将水源涵养极重要区域中的森林全部纳入国家生态公益林范畴,通过生态公益林补偿促进森林总量增加、结构提升、质量提高、生态功能增强。对河流两岸100m和水库周边500m内的部分非林地,可通过生态补偿营造水源涵养林。将现有水源涵养林分布图与水源涵养极重要区域图进行叠加,通过布尔运算筛选出极重要区域中的非水源涵养林区域,将筛选出的区域林种调整为水源涵养林(图4),调整的区域主要集中分布在梅山和响洪甸水库控制区。调整以后,全区新增水源涵养林956.68km2,占林地总面积的14.92%,区域水源涵养林比重将提升到75.08%。各县区新增水源涵养林面积为:金寨县595.78km2、霍山县314.38km2、舒城县36.9km2、金安区0.57km2、裕安区9.04km2,分别占林地总面积的19.99%、19.76%、3.46%、0.19%、1.90%。

图4 新增水源涵养林的区域分布

6 结论与建议

皖西大别山区是淠史杭灌区及合肥、淮南、六安等城市供水的主要水源地,分布其间的六大水库是灌区的主要水源。水源地森林生态系统水源涵养功能影响着水源的稳定供给、水库的水质与安全运行。本文利用六安市森林资源二类调查数据,在ArcGIS环境中运用水量平衡方程计算了不同森林生态系统水源涵养功能,对计算结果进行了重要性分级,并提出水源涵养林布局调整建议。

主要结论与建议:①皖西大别山区森林生态系统年水源涵养总量为31.9亿m3,相当于六大水库总库容的46.29%。落叶阔叶林、常绿针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林等是水源地主要的森林生态系统类型,占总面积的94.22%,这4类森林生态系统的水源涵养量为30.38亿m3,占总量的95.23%,其中落叶阔叶林是最主要的类型。从林种看,各林种水源涵养的贡献大小依次为水源涵养林、用材林、经济林、特种用途林、薪炭林;水源涵养能力依次为特种用途林、水源涵养林、用材林、经济林、薪炭林。②水源涵养功能分布的空间差异十分明显。总体上,水源涵养呈现出北低南高、东低西高的格局,与地形的格局具有相似性。水源涵养功能具有一定的地形效应,涵养能力随海拔升高而增大。从梅山水库到磨子潭水库一带,是明显的高值区,也是水源涵养的极重要区域,而龙河口水库控制区和山麓边缘地带的水源涵养量相对较低。③就各县区而言,金寨县水源涵养量最高,达15.28亿m3,占总量的47.89%;霍山次之,水源涵养量为8.39亿m3,占总量的26.29%;舒城第三,水源涵养量为4.83亿m3,占总量的15.13%;金安、裕安两区相对较少,分别为1.24亿m3、2.17亿m3,各占总量的3.89%和6.79%。④依据水源涵养量的大小和地理位置，对森林生态系统水源涵养功能重要性进行了评价，结果表明水源涵养极重要区域森林生态系统面积3201.55km2，占总面积的49.93%，贡献了53.72%的水源涵养功能。根据评价结果，建议在稳定现有水源涵养林面积的基础上，将水源涵养极重要区域中的森林生态系统全部调整为水源涵养林，调整增加水源涵养林956.68km2，金寨县、霍山县、舒城县、金安区、裕安区等县区分别为595.78km2、314.38km2、36.9km2、0.57km2、9.04km2。在调整水源涵养林布局、增加面积的同时进一步加强水源涵养林质量建设，大力实施森林提质增效工程，促进森林总量增加、结构提升、质量提高、生态功能增强。在人工营造水源涵养林时应选择水源涵养功能较强的树种，同时要减轻人类活动对森林植被的影响强度。对水源涵养极重要区域实施长期封育是行之有效的措施，随着封育年限的增加，树龄增加，林冠结构会改善，枯枝落叶物量也会随之增加，通过枯落物分解形成的土壤腐殖质会改善土壤结构，从而提高森林植被对降水的截持、拦蓄作用，将有利于整体提高森林生态系统的水源涵养功能。