王 超, 甄 霖

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京100101; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

寧夏固原市森林水源涵養(yǎng)功能時(shí)空動(dòng)態(tài)研究

王 超1,2, 甄 霖1*

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京100101; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

寧夏固原市屬于中國(guó)“兩屏三帶”中的“黃土高原—川滇生態(tài)屏障”,是涇河的發(fā)源地也是黃土高原的重要的水源地,其境內(nèi)的六盤(pán)山國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)具有重要的生態(tài)價(jià)值．開(kāi)展固原市森林水源涵養(yǎng)功能研究將有助于揭示森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)水源涵養(yǎng)功能的影響,并為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)以及政府績(jī)效考核提供重要參考和依據(jù)．在分析了2000～2010年固原市林地結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上,使用綜合蓄水能力法,計(jì)算了森林水源涵養(yǎng)量及其價(jià)值并分析時(shí)空分異的影響因素．結(jié)果表明:2000～2010年,固原市林地面積增長(zhǎng)15.94%．由于灌木林單位面積水源涵養(yǎng)量和面積比例最大,導(dǎo)致灌木林對(duì)固原市森林水源涵養(yǎng)功能的貢獻(xiàn)最大(80%以上)．森林不同層次對(duì)水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)為:土壤蓄水量>林冠層截留降水量>枯落物層持水量．固原市新增林地面積以灌木林為主,對(duì)水源涵養(yǎng)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)占93.34%．隨著坡度增加,森林涵養(yǎng)水源量先上升,在15°～25°坡地達(dá)到最大值,隨后下降．由于造林活動(dòng)主要集中在5°～25°坡地,近10年的涵養(yǎng)水源量在該坡度增長(zhǎng)最明顯．2000～2010年,固原市水源涵養(yǎng)價(jià)值上升23.25%,主要體現(xiàn)在對(duì)水量和水質(zhì)的調(diào)節(jié)方面的價(jià)值增長(zhǎng)．退耕還林還草工程是林地面積、水源涵養(yǎng)量及其價(jià)值時(shí)空間動(dòng)態(tài)的主要原因．圖5,表4,參19.

森林生態(tài)系統(tǒng);水源涵養(yǎng)服務(wù);森林結(jié)構(gòu);固原市

由于森林生態(tài)系統(tǒng)能對(duì)降水進(jìn)行再分配,能夠?yàn)槿祟愄峁┧春B(yǎng)功能,因此,森林生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)成為了解決中國(guó)水問(wèn)題和改善水環(huán)境的重要措施[1]．為加深對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的理解以及幫助緩解中國(guó)水資源危機(jī),研究森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能顯得尤為重要．

森林水源涵養(yǎng)功能的計(jì)算方法主要包括土壤蓄水能力法、林冠截留剩余量法、水量平衡法、年徑流量法以及綜合蓄水能力法等,但各方法都具有一定的優(yōu)勢(shì)和弊端[2]．土壤蓄水能力法基于土壤層厚度和非毛管孔隙度計(jì)算森林涵養(yǎng)的水量,雖然該方法可操作性強(qiáng),但忽略了森林的蒸散以及林冠和枯落物對(duì)降雨的攔蓄作用[3];林冠截留剩余量法考慮了降雨量和林冠截留作用,但忽略了森林蒸散和地表徑流[2];年徑流量法雖然操作簡(jiǎn)易,但森林涵養(yǎng)水源量不等于林區(qū)內(nèi)年徑流量,致使該方法誤差較大[4];水量平衡法忽略了徑流、降水量以及蒸散發(fā)量的空間差異,導(dǎo)致其僅在小尺度的流域邊界內(nèi)使用效果較好[5];綜合蓄水能力法綜合考慮了林冠層、枯落物和土壤層對(duì)降雨的攔蓄作用,但需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輔助計(jì)算[6]．對(duì)比以上方法,在行政區(qū)邊界范圍內(nèi),使用綜合蓄水能力法進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能評(píng)估具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性．

森林生態(tài)系統(tǒng)主要通過(guò)林冠層、枯落物層以及土壤層涵養(yǎng)水源．林冠層具有一定水分截留功能,不同森林生態(tài)系統(tǒng)的差異較大．枯落物層也具有一定的水分截留能力,該能力受枯落物種類、組成、厚度、干燥程度、分解程度、蓄積量及植被種類和生長(zhǎng)狀況等多種因素的綜合影響[7]．土壤層是涵養(yǎng)水源的主要場(chǎng)所,土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道,與土壤蓄水能力密切．此外,土層深度也對(duì)土壤蓄水量有較大影響[8]．目前的水源涵養(yǎng)功能研究多集中在對(duì)森林不同層次涵養(yǎng)水源能力及其影響因素的研究,但綜合三個(gè)層面對(duì)水源涵養(yǎng)功能的研究較少．

森林水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,與其他森林生態(tài)系統(tǒng)功能(如營(yíng)養(yǎng)累積、生物多樣性保護(hù)、保育土壤等功能)比較,水源涵養(yǎng)功能的價(jià)值最高[9]．該功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值主要體現(xiàn)在攔蓄水量、凈化水質(zhì)以及水資源供給等方面,并呈現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性[10]．現(xiàn)有的研究中,多以攔蓄水量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值替代水源涵養(yǎng)功能的價(jià)值,導(dǎo)致其價(jià)值體現(xiàn)不夠全面．

寧夏固原市位于中國(guó)“兩屏三帶”中的“黃土高原—川滇生態(tài)屏障”,具有保障中國(guó)生態(tài)安全的重要功能．固原市水資源匱乏,但同時(shí)是涇河的發(fā)源地,也是黃土高原的重要的水源地,關(guān)系到下游地區(qū)的水資源安全,因此森林的水源涵養(yǎng)功能在該地區(qū)顯得尤為重要．固原市大部分地區(qū)屬于生態(tài)類限制開(kāi)發(fā)區(qū),根據(jù)《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》、《生態(tài)文明體制改革總體方案》等政策要求,應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)生態(tài)服務(wù)功能,并加大對(duì)生態(tài)建設(shè)的考核,因此,提高水源涵養(yǎng)功能將成為生態(tài)文明建設(shè)和形成主體功能的重要任務(wù)之一．基于以上考慮,本文選擇固原市為研究區(qū),在廣泛收集文獻(xiàn)中關(guān)于林冠截留、枯落物持水以及土壤蓄水相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,使用綜合蓄水能力法,研究了2000～2010年固原市森林結(jié)構(gòu)、水源涵養(yǎng)量及其價(jià)值的時(shí)空分異以及原因,以期為固原市森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)以及政府績(jī)效考核提供參考．

1 研究區(qū)概況

固原市(圖1)位于寧夏回族自治區(qū)最南端,屬黃土丘陵溝壑區(qū),其下轄5個(gè)區(qū)縣,分別為原州區(qū)、西吉縣、彭陽(yáng)縣、隆德縣和涇源縣．固原市缺水嚴(yán)重,以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主[11],年均降水在200～600 mm．同時(shí),固原市又是涇河、清水河、葫蘆河、祖厲河等的發(fā)源地,年徑流量達(dá)7.3 億m3,為下游地區(qū)提供了豐富的水源．固原市海拔在1 248～2 942 m之間,地形較陡,其中有41.05%的土地的坡度在15°以上．由于坡耕地耕作以及植被覆蓋較低(20.92%)等原因,固原市水土流失嚴(yán)重,年均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到2 000～10 000 t/(km2·a)[12]．為減少水土流失,固原市自2000年起正式實(shí)施退耕還林等生態(tài)工程．截止2012年底,有16.9 萬(wàn)hm2的耕地實(shí)施退耕,轉(zhuǎn)變成林地或草地,并實(shí)施封山禁牧1.5萬(wàn)hm2,對(duì)植被恢復(fù)起到重要作用[13-14]．

固原市森林面積占總面積20.92%,主要建群樹(shù)種包括遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz)、華山松(PinusarmandiiFranch)、云杉(PiceaasperataMast)、油松(PinustabuliformisCarriere)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等．森林主要分布在六盤(pán)山一帶,保護(hù)了涇河、清水河等的發(fā)源地．此外,森林還為給固原市的居民提供了部分經(jīng)濟(jì)收入(林業(yè)收入95.5 元/人)和薪柴資源[13]．

圖1 固原市區(qū)位圖Fig.1 The location of Guyuan

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

利用綜合蓄水能力法,對(duì)固原市森林水源涵養(yǎng)量進(jìn)行了估算,其中包括了林冠層截留量(C)、枯落物層持水量(L)和土壤層貯水量(S) 三部分．森林生態(tài)系統(tǒng)的總水源涵養(yǎng)量為(WR)為:

WR=C+L+S

(1) 林冠截留降水量(C)

林冠截留量的大小取決于降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等外部因素,并與林分類型、林分組成、林齡、郁閉度有關(guān)[5]．考慮計(jì)算的可操作性,林冠截留降水量計(jì)算公式為:

式中,αi為林冠截留率,%;R為降水量,mm;A為面積,hm2;i為植被類型．

(2) 枯落物層持水量(L)

枯落物層結(jié)構(gòu)酥松,具有良好的透水性和持水能力,起到涵養(yǎng)水源的作用[15]．枯落物層持水量計(jì)算公式為:

式中,β為枯落物層最大持水量,t·hm-2;A為面積,hm2;i為植被類型．

(3) 土壤蓄水量(S)

土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)中水分貯蓄的最主要場(chǎng)所,不同林地蓄水能力差異較大[1]．土壤蓄水量的計(jì)算公式為:

式中,γ為土壤非毛管孔隙度,%;D為土層深度,cm;A為面積,hm2;i為植被類型．

(4) 森林水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算

水源涵養(yǎng)功能具有攔蓄水量、凈化水質(zhì)、供給水資源等多種價(jià)值．研究使用影子工程法和市場(chǎng)價(jià)值法,對(duì)以上3種森林水源涵養(yǎng)的價(jià)值進(jìn)行了估算．

森林水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(V)計(jì)算公式為:

V=V1+V2+V3

式中,V1、V2和V3分別表示森林?jǐn)r蓄水量、凈化水質(zhì)和水資源供給的價(jià)值．

用森林年涵養(yǎng)水資源量乘以水價(jià)來(lái)獲得攔蓄水量的影子工程價(jià)格．建設(shè)蓄水工程費(fèi)用按目前庫(kù)容造價(jià)0.67元/m3進(jìn)行計(jì)算,森林?jǐn)r蓄水量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為:

V1=WR×0.67

通過(guò)森林的凈化作用,部分?jǐn)r蓄水量轉(zhuǎn)化為地下徑流(S)．使用土壤蓄水量乘以水質(zhì)凈化費(fèi)得到森林凈化水質(zhì)的價(jià)值．按目前中國(guó)水質(zhì)凈化費(fèi)用的平均標(biāo)準(zhǔn)1.00 元/m3,森林凈化水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為:

V2=S×1.00

水資源供給的經(jīng)濟(jì)價(jià)值由森林年涵養(yǎng)水資源量乘以水資源費(fèi)獲得[10]．水資源費(fèi)按0.5元/m3計(jì)算,水資源供給的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為:

V3=WR×0.5

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在研究中使用的森林生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)自2000年和2010年兩期固原市土地利用圖(30 m×30 m柵格),該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供．土地利用按10年生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)土地覆蓋分類系統(tǒng)劃分,固原市的森林包括落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、灌木林、喬木園地．根據(jù)固原市森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn),選取優(yōu)勢(shì)樹(shù)種代表各類林地,即櫟樹(shù)代表落葉闊葉林,華山松代表常綠針葉林,華山松+紅樺林代表針闊混交林,雜灌木代表灌木林,油松代表喬木園地．為估算森林水源涵養(yǎng)量,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研收集了固原市各森林類型相關(guān)參數(shù),包括林冠層截留率、枯落物層最大持水量和土壤非毛管孔隙度[7,16-19](見(jiàn)表1)．土壤厚度數(shù)據(jù)從1∶50萬(wàn)黃土高原土壤圖提取,并用于計(jì)算土壤蓄水量(S),該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供．固原市及其周邊12個(gè)國(guó)家氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2000年和2010年的降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn/home.do),用于計(jì)算林冠截留降雨量．

表1 不同類型森林水源涵養(yǎng)量估算的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters for calculating water conservation function of different vegetation types.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 森林生態(tài)系統(tǒng)空間分異

固原市森林生態(tài)系統(tǒng)以灌木林為主,2000年和2010年分別占林地總面積的77.9%和80.9%(見(jiàn)表2)．喬木園地所占的比重最小,且由2000年的0.07%下降到2010年的0.06%．2000～2010年,林地總面積增加了3.01萬(wàn)hm2,增長(zhǎng)了15.94%,其中,僅灌木林的面積增長(zhǎng)較大(20.40%),其他林地類型的面積變化較?。傮w來(lái)看,固原市森林覆蓋狀況得到了提升,其原因是在近10年內(nèi),固原市實(shí)施退耕還林還草、三北防護(hù)林等生態(tài)工程,提高人工林面積,同時(shí)通過(guò)封山禁牧、舍飼家畜等措施,促進(jìn)了森林的自然恢復(fù)．

表2 固原市不同森林類型面積(2000～2010年)(hm2)Tab.2 The area of different forest from 2000 to 2010 (hm2)

由于六盤(pán)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大部分位于涇源縣境內(nèi),因此,涇源縣的森林資源最為豐富．2010年,涇源縣的落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林以及喬木園地分別占全市各類型林地面積的73.27%、59.71%、60.26%和100%．灌木林在固原市分布廣泛,其中,涇源縣(24.20%)、彭陽(yáng)縣(23.54%)和原州區(qū)(22.07%)分布較多如圖2所示．近10年間,固原市各區(qū)縣新增林地面積:西吉縣(1.25萬(wàn)hm2)>原州區(qū)(0.69萬(wàn)hm2)>隆德縣(0.46萬(wàn)hm2)>涇源縣(0.36萬(wàn)hm2)>彭陽(yáng)縣(0.26萬(wàn)hm2),說(shuō)明西吉縣實(shí)施大規(guī)模造林活動(dòng)效果最好,森林恢復(fù)程度遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣．從新增林地的結(jié)構(gòu)來(lái)看,各區(qū)縣新增灌木林面積占新增林地總面積的比例均在99%以上,結(jié)構(gòu)單一．其原因有:(1)沙棘和檸條是固原市的主要造林樹(shù)種,對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境適應(yīng)較好,易于存活;(2)由于氣候干旱、鼠害嚴(yán)重以及樹(shù)苗缺乏管護(hù),導(dǎo)致其他種類樹(shù)苗存活率較低．

圖2 固原市不同類型森林分布(2000～2010年)Fig.2 The distribution of different forest from 2000 to 2010

2000～2010年,固原市林地與其他土地利用類型之間轉(zhuǎn)移變化明顯．近10年,固原市的林地主要由耕地和草地轉(zhuǎn)變而來(lái),分別占總轉(zhuǎn)入面積的96.78%和2.89%見(jiàn)表3．退耕還林還草工程和三北防護(hù)林工程是該變化的重要原因．但同時(shí)有515.89 hm2的林地轉(zhuǎn)換成其他土地利用類型,其中,草地、耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移比例較高,分別達(dá)46.26%、41.35%和12.08%．林地轉(zhuǎn)換成其他土地利用類型可能是由于以下原因:(1)由于氣候干旱,導(dǎo)致部分森林退化成草地,或是為發(fā)展畜牧業(yè)將林地轉(zhuǎn)換成苜蓿地;(2)少數(shù)農(nóng)戶開(kāi)墾農(nóng)田,將林地轉(zhuǎn)換成耕地;(3)由于城鎮(zhèn)化發(fā)展,城鎮(zhèn)周邊林地被征占,轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地．2000～2010年,林地內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變,針闊混交林和灌木林大量轉(zhuǎn)換成落葉闊葉林,而落葉闊葉林和常綠針葉林針葉林主要轉(zhuǎn)換成灌木林,綜合導(dǎo)致落葉闊葉林和灌木林面積增加．可能原因是,由于氣候變得濕潤(rùn),降雨增加,促進(jìn)闊葉林的生長(zhǎng)和存活,此外,由于鼢鼠對(duì)針葉林,尤其是油松和樟子松等的破壞能力較強(qiáng),當(dāng)?shù)赜秩狈缡蟮膶I(yè)知識(shí),導(dǎo)致固原市針葉林大面積死亡以及針闊混交林轉(zhuǎn)變成灌木林或落葉闊葉林．

表3 固原市林地與其他土地利用類型轉(zhuǎn)換(2000～2010年)Tab.3 The exchange of land use between forest and others from 2000 to 2010

3.2 水源涵養(yǎng)功能時(shí)空分異

利用綜合蓄水能力法對(duì)不同森林類型的林冠層、枯落物層和土壤層涵養(yǎng)水源能力進(jìn)行估算．結(jié)果顯示不同層次的水源涵養(yǎng)量:土壤層>林冠層>枯落物層見(jiàn)(表4)．說(shuō)明土壤層是水源涵養(yǎng)的主要場(chǎng)所．2000～2010年,土壤層的水源涵養(yǎng)量提升幅度最大(增加6 508.99 萬(wàn)m3),林冠層其次(增加4 923.70 萬(wàn)m3),枯落物層最小(增加41.29 萬(wàn)m3)．不同層次水源涵養(yǎng)量增加的主要原因是,近10年內(nèi),固原市林地面積增長(zhǎng)15.94%,降水量從399 mm增長(zhǎng)至498 mm．此外,由于新增灌木林的土壤層較厚,導(dǎo)致土壤蓄水量增加,進(jìn)而提高涵養(yǎng)水源總量．總的來(lái)說(shuō),水源涵養(yǎng)量有較大提升(增長(zhǎng)25.29%),說(shuō)明固原市水源涵養(yǎng)功能有較大提升．

表4 不同森林類型涵養(yǎng)水源量(2000～2010年)(萬(wàn)m3)Fig.4 The amount of water conservation function of different forest ecosystems from 2000 to 2010 (104m3)

各森林類型的水源涵養(yǎng)量:灌木林>落葉闊葉林>常綠針葉林>針闊混交林>喬木園地．其中,灌木林的涵養(yǎng)水源量最大,占總涵養(yǎng)水源量的80%以上,說(shuō)明灌木林對(duì)固原市森林水源涵養(yǎng)功能的貢獻(xiàn)最大,其主要原因是灌木林分布較廣,林地面積最大,且其具有較強(qiáng)的土壤蓄水能力．由于不同林地類型中,灌木林面積增長(zhǎng)幅度最大,且單位面積涵養(yǎng)水源量最高(2000和2010年分別為2 503 m3/ hm2和2 683 m3/ hm2),因此,灌木林還對(duì)促進(jìn)固原市森林水源涵養(yǎng)功能提升具有重要作用．此外,雖然常綠針葉林、針闊混交林、喬木園地的面積有所減少,但由于降雨量的提高,從而降低其林冠截留降水量,綜合導(dǎo)致3種林地的涵養(yǎng)水源量少量增加．綜合表現(xiàn)為,各類林地的水源涵養(yǎng)功能都有所提升．

根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)頒發(fā)的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》,將坡度劃分為4級(jí),即≤5°、5°～15°、15°～25°和>25°．固原市森林水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)出的規(guī)律為:水源涵養(yǎng)量先隨坡度增加而增加,坡度達(dá)到15°～25°時(shí)水源涵養(yǎng)量最大,坡度繼續(xù)增加則水源涵養(yǎng)量降低,該趨勢(shì)與不同坡度上林地面積變化趨勢(shì)一致．由于灌木林在各級(jí)坡地上占比69%～89%,因此,灌木林對(duì)各級(jí)坡地的水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)最大,也是導(dǎo)致各級(jí)坡地水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律的主要原因．

不同的坡度上涵養(yǎng)水源量都有所增長(zhǎng)如圖3所示,其中,5°～15°坡地水源涵養(yǎng)量增長(zhǎng)最多(4 303 萬(wàn)m3),0°～5°坡地最少(1 200 萬(wàn)m3),原因是固原市自2000年以來(lái),在坡度較大的耕地上實(shí)施退耕還林還草工程,以致5°～15°坡地落葉闊葉林和灌木林增加量均為各級(jí)坡地中最大;而固原市相對(duì)平緩的0°～5°坡地資源稀缺,且主要用作耕地,所以林地面積增加較?。m然各級(jí)坡地水源涵養(yǎng)功能有所提升,但由于>25°坡地是最易產(chǎn)生地表徑流的區(qū)域,水源涵養(yǎng)功能顯得尤為重要,因此,需要加大對(duì)>25°坡地林地進(jìn)行管護(hù)和人工造林,從而促進(jìn)涵養(yǎng)水源總量的提升．

圖3 不同坡度森林涵養(yǎng)水源量(2000～2010年)Fig.3 The amount of water conservation function on different slope levels from 2000 to 2010

4.3 水源涵養(yǎng)價(jià)值計(jì)算

使用影子工程法和市場(chǎng)價(jià)值法計(jì)算了固原市攔蓄水量、凈化水質(zhì)和水資源供給價(jià)值．結(jié)果顯示,2000～2010年,固原市水源涵養(yǎng)價(jià)值增長(zhǎng)了23.25%,從8.57億元增長(zhǎng)至10.57億元如圖4所示．2000和2010年固原市各類水源涵養(yǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯示:凈化水質(zhì)>攔蓄水量>水資源供給,說(shuō)明固原市森林的水源涵養(yǎng)功能主要體現(xiàn)調(diào)節(jié)功能價(jià)值上,而供給價(jià)值較?。捎?jì)算公式來(lái)看,雖然凈化水質(zhì)的涵養(yǎng)水源量為土壤蓄水,小于攔截水量和水資源供給的水量,但因?yàn)樯值乃春B(yǎng)價(jià)值隨影子工程價(jià)格和市場(chǎng)價(jià)格改變而變化,中國(guó)的水質(zhì)凈化費(fèi)(1元/m3)高于庫(kù)容造價(jià)(0.67元/m3)和水資源費(fèi)(0.50元/m3),最終導(dǎo)致凈化水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高．

圖4 固原市水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(2000～2010年)Fig.4 The value of water conservation function of forest ecosystem in Guyuan from 2000 to 2010

分不同區(qū)縣來(lái)看,在2000年和2010年,不同區(qū)縣水源涵養(yǎng)價(jià)值大小次序相同為:涇源縣>彭陽(yáng)縣>原州區(qū)>西吉縣>隆德縣如圖5所示;比較各區(qū)縣的水源涵養(yǎng)價(jià)值,發(fā)現(xiàn)西吉縣水源涵養(yǎng)價(jià)值增長(zhǎng)最多,為0.75億元;隆德縣價(jià)值增長(zhǎng)最小,為0.26億元．西吉縣水源涵養(yǎng)價(jià)值增加較高的原因是2000～2010年西吉縣實(shí)施了大規(guī)模的退耕還林還草工程,1.23萬(wàn)hm2的耕地轉(zhuǎn)化為林地,通過(guò)增加涵養(yǎng)水源量來(lái)水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值．而彭陽(yáng)縣林地增加面積僅6.08%,以致水源涵養(yǎng)價(jià)值增幅較?。偟膩?lái)看,雖然涇源縣和彭陽(yáng)縣水源涵養(yǎng)的價(jià)值基數(shù)大(分別為2.60億元和2.36億元),但10年來(lái)的水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值增長(zhǎng)并不明顯(均約11%);與此相反,雖然西吉縣基數(shù)較小(0.94億元),但水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值增長(zhǎng)近一倍,說(shuō)明西吉縣的林業(yè)發(fā)展較快,而涇源縣和彭陽(yáng)縣應(yīng)加大林業(yè)工程投入,進(jìn)一步提升水源涵養(yǎng)的價(jià)值．

圖5 固原市各區(qū)縣水源涵養(yǎng)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(2000～2010年)Fig.5 The economic value of water conservation function of forest ecosystem in different counties from 2000 to 2010

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

固原市森林生態(tài)系統(tǒng)是“黃土高原—川滇生態(tài)屏障”的重要組成部分,由于固原市地處涇河流域上游,同時(shí)是黃土高原重要水源地,因此,森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)弱將影響涇河流域生態(tài)安全以及水資源安全．深入研究水源涵養(yǎng)功能將為黃土高原丘陵溝壑區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和建設(shè)提供重要參考．

在本研究中,結(jié)果顯示灌木林的單位水源涵養(yǎng)量達(dá)2 503～2 683 萬(wàn)m3/hm2,與中國(guó)其他地區(qū)的研究結(jié)果有所差異,如瓊江河流域?yàn)? 069 萬(wàn)m3/hm2[6],固原市單位面積森林水源涵養(yǎng)量較高的原因主要為六盤(pán)山地區(qū)以黑壚土為主,土層較厚,導(dǎo)致土壤蓄水量較高．在固原市灌木林在各類林地中單位水源涵養(yǎng)量高于針闊混交林以及其他類型林地,而吳丹等[5]發(fā)現(xiàn)江西泰和縣的針闊混交林單位水源涵養(yǎng)量高于灌木林．土壤蓄水量是涵養(yǎng)水源量的主要成分,因此,森林的單位水源涵養(yǎng)量主要受土壤深度和非毛細(xì)孔隙度所決定．雖然固原市灌木林的非毛細(xì)孔隙度略小于針闊混交林,但由于灌木林主要分布在土壤較厚的地區(qū),綜合導(dǎo)致灌木林的單位水源涵養(yǎng)量最大．通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),土壤的結(jié)構(gòu)和深度是決定森林水源涵養(yǎng)量的最重要因素,因此,不同研究區(qū)的研究結(jié)果差異受土壤的性質(zhì)影響較大．

中國(guó)多數(shù)水源涵養(yǎng)研究?jī)H考慮水源涵養(yǎng)的攔蓄水量?jī)r(jià)值,本研究計(jì)算了森林水源涵養(yǎng)體現(xiàn)的凈化水質(zhì)、攔蓄水量、水資源供給三種經(jīng)濟(jì)價(jià)值,并進(jìn)行了比較．通過(guò)該研究,有助于從多方面認(rèn)識(shí)森林水源涵養(yǎng)的價(jià)值,提高政府和學(xué)者對(duì)這一功能的重視．但同時(shí)發(fā)現(xiàn),在使用影子工程法和市場(chǎng)價(jià)值法時(shí),森林生態(tài)系統(tǒng)功能的價(jià)值受選取的替代方式以及單位替代價(jià)值有關(guān)．隨著人類對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深,將發(fā)現(xiàn)更多其他方面的價(jià)值,因此,森林水源涵養(yǎng)價(jià)值的研究是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域．

本研究選擇綜合蓄水能力法估算森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能,該方法沒(méi)有考慮不同降雨特征對(duì)林冠層、枯落物層以及土壤層蓄水量的影響,所以估算的結(jié)果反映的是理論最大蓄水量,與真實(shí)的涵養(yǎng)量有所差異[8]．在水源涵養(yǎng)估算過(guò)程中使用的參數(shù)雖然均引自固原市的森林和土壤水文相關(guān)實(shí)驗(yàn),但固原市不同研究區(qū)以及不同的實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致同種林地的參數(shù)數(shù)值存在差異．因此,本研究的研究結(jié)果反映的是不同林地水源涵養(yǎng)功能的平均水平．為得到更加準(zhǔn)確的水源涵養(yǎng)量,需要考慮各參數(shù)的異質(zhì)性,并在更小的尺度進(jìn)行研究．本研究使用固原市優(yōu)勢(shì)種替代各類型林地,會(huì)對(duì)本研究結(jié)果造成一定影響,但能總體體現(xiàn)固原市的森林水源涵養(yǎng)功能狀況,為提高結(jié)果的精度,還需補(bǔ)充更加詳細(xì)的不同樹(shù)種數(shù)據(jù)．

4.2 結(jié)論

基于固原市土地利用數(shù)據(jù),廣泛收集文獻(xiàn)資料和相關(guān)參數(shù),分析了固原市不同森林類型的時(shí)空分異情況,并利用綜合蓄水能力法計(jì)算不同類型林地的水源涵養(yǎng)量及其多種經(jīng)濟(jì)價(jià)值,得到以下結(jié)論:

(1)2000～2010年,固原市林地面積增長(zhǎng),灌木林面積增長(zhǎng)對(duì)其貢獻(xiàn)最大．退耕還林還草工程將大量耕地轉(zhuǎn)化為林地是森林恢復(fù)的主要原因．

(2)土壤的蓄水作用對(duì)森林涵養(yǎng)水源功能影響最大．灌木林的水源涵養(yǎng)功能較其他林地類型高,對(duì)固原市水源涵養(yǎng)量貢獻(xiàn)最大．

(3)固原市森林涵養(yǎng)水源量,隨著坡度增加,先上升后下降．但由于造林活動(dòng)主要集中在5°～25°坡地,近十年的涵養(yǎng)水源量在該坡度增長(zhǎng)最明顯．

(4)2000～2010年,固原市水源涵養(yǎng)價(jià)值有所上升,主要體現(xiàn)在對(duì)水量和水質(zhì)的調(diào)節(jié)方面．實(shí)施退耕還林還草工程對(duì)提高水源涵養(yǎng)價(jià)值起到重要作用．

固原市通過(guò)林業(yè)工程建設(shè)增加了各類林地面積,促進(jìn)了森林水源涵養(yǎng)功能和價(jià)值的增長(zhǎng)．為給當(dāng)?shù)鼐用裉峁└嗨Y源,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),需要通過(guò)加大林業(yè)工程的實(shí)施力度以及科學(xué)合理地選擇造林樹(shù)種,強(qiáng)化森林的水源涵養(yǎng)功能．

[1] 魯紹偉, 毛富玲, 靳 芳,等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能[J]. 水土保持研究, 2005, 12(4):223-226. Lu Shao-wei, Mao Fu-ling, Jin Fang et al., The water resource conservation of forest ecosystem in China[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2005, 12(4):223-226.

[2] 張 彪, 李文華, 謝高地, 等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計(jì)量方法[J]. 生態(tài) 學(xué)雜志, 2009, 28(3): 529-534. Zhang Biao, Li Wen-hua, Xie Gao-di, et al. Water conservation function and its measurement methods of forest ecosystem[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(3): 529-534.

[3] 姜文來(lái). 森林涵養(yǎng)水源的價(jià)值核算研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2003, 17(2):34-36. Jiang Wen-lai. Theory and method to accounting value of forest water conservation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(2):34-36.

[4] 王曉學(xué), 沈會(huì)濤, 李敘勇, 等. 森林水源涵養(yǎng)功能的多尺度內(nèi)涵, 過(guò)程及計(jì)量方法[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(4):1019-1030. Wang Xiao-xue, Shen Hui-tao, Li Xu-yong, et al. Concepts, processes and quantification methods of the forest water conservation at the multiple scales[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(4):1 019-1 030.

[5] 吳 丹, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn). 江西泰和縣森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2012, 31(3): 330-336. Wu Dan, Shao Quan-qin, Liu Ji-yuan. Assessment of water conservation function of forest ecosystem in Taihe County, Jiangxi Province[J]. progress in Geography, 2012, 31(3): 330-336.

[6] 劉璐璐, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等. 瓊江河流域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力估算[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,22(3):451-457. Liu Lu-lu, Shao Quan-qin, Liu Ji-yuan, et al. Estimation of forest water conservation capacity in Qiongjiang River watershed[J]. Ecology and Environment Sciences, 2013, 22(3):451-457.

[7] 張永利. 中國(guó)森林生態(tài)服務(wù)功能研究[M].北京:科學(xué)出版社. 2010. Zhang Yong-li. Study on forest ecosystem services of China[M]. Beijing: Science Press. 2010.

[8] 石培禮, 吳 波, 程根偉,等. 長(zhǎng)江上游地區(qū)主要森林植被類型蓄水能力的初步研究[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2004, 19(3): 351-360. Shi Pei-li, Wu Bo, Cheng Gen-wei, et al. Water retention capacity evaluation of main forest vegetation types in the upper Yangtze Basin[J]. Journal of Natural Resources, 2004, 19(3): 351-360.

[9] 王 兵, 魯紹偉. 中國(guó)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(2): 417-425. Wang Bing, Lu Shao-wei. Evaluation of economic forest ecosystem services in China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(2): 417-425.

[10] 裴 廈, 謝高地, 張昌順,等. 熱帶季節(jié)雨林和次生林水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值變化過(guò)程研究[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2015, 31(1): 96-100. Pei Shang, Xie Gao-di, Zhang Chang-shun, et al. Intra-annual change of water conservation value of tropical seasonal rain forest and secondary forest[J]. Geography and Geo-Information Science, 2015, 31(1): 96-100.

[11] Zhen Lin, Cao Shu-yuan, Cheng Shengkui, et al, 2010. Arable land requirements based on food consumption patterns: Case study in rural Guyuan District, Western China[J]. Ecological Economics. 2010, 69(7):1443-1453.

[12] 楊 莉, 甄 霖, 李 芬, 等. 黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)人類福祉的影響初探[J]. 資源科學(xué), 2010, 32(5):849-855. Yang Li, Zhen Lin, Li Fen, et al. Impacts of ecosystem services change on human well-being in the Loess Plateau[J]. Resources Science, 2010, 32(5):849-855.

[13] K?nig Hannes, Zhen Lin, Helming Katharina, et al.Assessing the impact of the sloping land conversion programme on rural sustainability in Guyuan, Western China[J]. Land Degradation & Development, 2014, 25(4):385-396.

[14] Zhen Lin, Deng Xiang-zheng, Wei Yun-jie, et al. Future land use and food security scenarios for the Guyuan district of remote western China [J].iForest, 2014,(7): 372-384.

[15] 欒莉莉, 張光輝, 孫 龍,等. 黃土丘陵區(qū)典型植被枯落物持水性能空間變化特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(3):225-230. Luan Li-li, Zhang Guang-hui, Sun Long, et al. Spatial variation in water-holding properties of typical plant litters in the Loess hilly region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3):225-230.

[16] 時(shí)忠杰, 王彥輝, 于澎濤,等. 寧夏六盤(pán)山林區(qū)幾種主要森林植被生態(tài)水文功能研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(3):134-138. Shi Zhong-jie, Wang Yan-hui, Yu Peng-tao, et al. Study on different forestry vegetation's eco-hydrological function in Liupan Mountain of Ningxia China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(3):134-138.

[17] 魯興隆. 寧夏六盤(pán)山林地降水再分配作用及枯落物特性研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué), 2008. Lu Xing-long. Effect of forest canopy on redistribution of rainfall and the characters of litter form on Liupan Mountains[D]. Beijing:Beijing Forestry University, 2008.[18] 劉向東,吳欽孝,施立民,等. 對(duì)六盤(pán)山森林截留降水作用的研究[J]. 林業(yè)實(shí)用技術(shù), 1982,(3): 18-21. Liu Xiang-dong, Wu-Qinxiao, Shi Li-min, et al. Study on the effect of forest on rainfall interception[J]. Practical Forestry Technology, 1982,(3): 18-21.

[19] 王軼浩, 王彥輝, 謝雙喜,等. 六盤(pán)山分水嶺溝土壤水文物理性質(zhì)空間變異[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2008,(4):33-40. Wang Yi-hao, Wang Yan-hui, Xie Shuang-xi, et al. Spatial variation of soil hydrologic-physical properties within the small watershed of Fenshuilinggou in Liupan Mountains, Northwest China[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2008,(4):33-40.

Biography： WANG Chao, male, born in 1988, PhD candidate, reserch direction: resources and ecology.

Study on Dynamic Spatial and Temporal Change of Water Conservation Function of Forest Ecosystem in Guyuan of Ningxia

WANG Chao1,2, ZHEN Lin1

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Guyuan City belonging to “the Loess Plateau-Sichuan Yunnan Ecology barrier” of “Two Barriers Three Belts” in China, is the origin of Jinghe River as well as the important water source region on the Loess Plateau, within which Liupan Mountain, one national ecological reserve, plays a significant ecological role. The study on the water conservation function of forest in Guyuan will be helpful to understand the impact brought by the dynamic structure change of forest on this ecological function, and contribute as an important reference for the local forestry development as well as the ecology civilization construction. Based on the study on the dynamic change in the forest structure, this paper evaluated and analyzed the spatial and temporal change of the water conservation capacity of forest ecosystem during 2000～2010 in Guyuan. The result indicated that, during 2000～2010, the area of forest in Guyuan expanded 15.94%. As the unit area water conservation capacity and the area proportion of the scrubby forest were the largest, the scrubby forest made the largest contribution (above 80%) to the water conservation. The contribution of forest on different slope levels to the water conservation was: The soil water storage > canopy precipitation interception> litter layer water-holding capacity. The scrubby forest primarily took the largest proportion of the additional forest area, which accounted for 93.34% of the additional water conservation quantity. When the slope became steeper, the quantity of forest water conservation rose and reached the top at slope 15～25°, afterwards, dropped down. But because the afforestation activity mainly concentrated on slope 6°～25°, the quantity of water conservation has grew obviously in this level of slope in the past ten year. From 2000 to 2010, the value of water conservation function of forest value rose 23.25% in Guyuan, mainly reflected in the regulation value of water quantity and water quality. The Slope Land Conservation Project is the main causes of dynamic forest area, the quantity and economic value of water conservation.5figs.,4tabs.,19refs.

forest ecosystem; water conservation function; forest structure; Guyuan City.

2016-10-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(編號(hào):2016YFC0503700);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào):2013BAC03B04);國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃資助(編號(hào):2014CB954302)

王超(1988-),男,湖北武漢人,博士研究生; 研究方向:資源生態(tài). *通訊作者，E-mail: zhenl@igsnrr.ac.cn

2095-7300(2016)04-001-09

S727.21

A