被誉为“世界生态工程之最”的三北防护林体系建设工程(以下简称“三北工程”), 始于1979年, 该工程从根本上改善中国“三北”地区生态环境和生产条件, 1979—2018年三北工程累计完成造林保存面积3014.3万hm², 森林覆盖率由5.05%提高到13.57%；活立木蓄积量由7.2亿m³提高到33.3亿m³；是中国北疆抵御风沙、保持水土、护农促牧的绿色长城^[1]。三北工程不仅具有重要的社会经济效益^[2], 还在防风及降低风速、调节水热、改善小气候、提高作物产量^{[3, 4]}, 保持水土、涵养水源、固碳释氧等方面发挥着重要的生态效益^[5-7], 是全球生态治理的成功典范。然而, 三北地区降水量不足、蒸发量过大。随着社会经济的快速发展, 三北地区工农业用水量持续增长, 而早期植被建设过程中忽略了水资源承载力, 违背“适地适树、适树适生境”原则, 重乔轻灌草, 营造了大面积的高密度人工纯林, 致使三北工程造林成活率低、成活不成林或成林不成材、生产力水平低、生长缓慢、停滞甚至枯死等衰退现象明显^{[8, 9]}。当前, 三北地区生态依然脆弱, 继续推进三北工程建设不仅有利于区域可持续发展, 也有利于中华民族伟大复兴。因此, “以水定林、水量平衡”持续推进三北工程建设, 不断提升林草资源总量和质量, 持续改善三北地区生态环境, 巩固和发展祖国北疆绿色生态屏障, 为建设美丽中国作出新的更大贡献, 成为三北工程亟待解决的科学问题。

森林生态系统是陆地生态系统中结构最复杂, 功能最齐全的生态系统, 作为森林生态系统服务重要方面, 森林水源涵养功能成为林学、森林经营学、生态学、水文学等多学科交叉的研究热点。随着人们对森林水源涵养认识的不断拓展与更迭, 森林水源涵养功能的内涵已发展成由水源供给、调节径流、水质净化等多种服务组成的整体^{[10, 11]}。关于三北工程水源涵养研究, 国内已有报道, 如朱金兆等^[6]对三北工程水源涵养效益进行了较全面的总结。孙玉文等^[12]对三北工程涵养水源效益进行核算, 得出三北工程防护林体系年水源涵养价值为15.35亿元人民币, 单位面积森林年涵养水源价值523.34元/hm²。此外, 还有一些区域尺度或样方尺度的三北防护林水源涵养功能研究, 如周海涓^[13]在对宁夏荒漠化治理综合效益研究中发现净化水质价值从1975年的187808万元增加到2013年的297168万元, 增长了58.2%；王晓慧等得出山西中阳县三北工程水源涵养价值13.1亿元^[14]；车克钧等^[15]采用综合蓄水法对祁连山水源涵养林研究发现, 青海云杉林是祁连山最佳涵养水源林。

虽然中国对三北防护林工程水源涵养功能开展了一些研究, 但这些研究主要在区域尺度和样方尺度上开展, 缺乏三北防护林体系建设工程整体动态评估的报道。基于此, 本研究在植被分区的基础上, 基于多年降水、风速、光照、平均温度、极温等气象数据, 获取多年平均蒸散量、多年平均降水量等数据, 利用水量平衡模型, 研究三北工程区森林水源涵养时空格局与变化, 比较研究森林水源涵养功能在不同时期间、森林类型间及植被分区间的差异与变化, 揭示各植被分区森林水源涵养功能与坡地、生物量、植被覆盖度、NPP等因子的相互关系, 旨在科学认识和保护三北防护林体系建设工程水源涵养, 为三北工程区制定植被建设方案, 调控森林水源涵养功能, 缓解区域日趋严重的水资源供需矛盾, 实现区域社会、经济和生态可持续发展等提供理论和数据支撑。

1 研究方法 1.1 研究地区与对象

三北防护林体系工程是中国林业发展史上的一大壮举, 开创了中国林业生态工程建设的先河。地跨东北、华北北部和西北大部分地区, 包括中国北方13个省(自治区、直辖市)的107个市(蒙盟、州)745个县(旗、市、区), 建设范围东起黑龙江省的抚远县, 西至新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县, 东西长约4500 km, 南北宽560—1460 km, 总面积449.37万km², 占国土面积的46.81%, 接近中国的半壁河山。由于缺少三北工程区精准防护林空间分布数据, 在此将三北工程区内的森林(包括乔木林、灌木林、园地和绿地)作物研究对象。

1.2 研究方法

三北工程区植被分区主要采用空间叠置法, 综合该区域2015年土地覆被、多年平均降水量、地形地貌等空间数据进行植被分区划定。

水源涵养量主要通过水量平衡方程核算得到。水量平衡原理是指在一定的时空内, 水分的运动保持着质量守恒, 或输入的水量和输出的水量之间的差额等于系统内蓄水的变化量。在此将森林生态系统视为一个“暗箱”, 以水量的输入和输出为着眼点, 基于水量平衡, 降水量减去蒸散量以及其他消耗的差值即为水源涵养量^[16]。

式中Q_{water conservation}为各斑块年水源涵养量(mm)；P_i为i斑块年降水量(mm)；R_i为i斑块暴雨径流量(mm)；ET_i为i斑块年蒸散发量(mm), ET采用INVEST模型进行核算, 具体核算模型和参数详见文献^{[17, 18]}。

地表暴雨径流量采用以下模型进行核算^[16]。

式中, R为地表径流量(mm)；P为年降水量(mm)；α为平均地表径流系数。地表径流系数详见表 1。

1.3 研究数据

土地覆被和NPP数据来自中国科学院遥感与数字地球研究所曾源团队。1990—2015年日降水、风速、日照时数、平均气压、平均相对湿度、平均气温及极温等气象数据和气象局基于站点信息来自中国气象数据网(https://data.cma.cn/), 后利用彭曼模型核算、插值后获得潜在蒸散量空间分布。数字高程90mDEM, 来自国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn/index.html)等。主要数据来源及处理详见表 2。

1.4 数据分析

本文基于三北防护林体系建设工程区植被分区研究, 利用ArcMap中的Spatial Analyst Tools中Zonal Statistics as Table模块, 获取1990年、2000年、2010年和2015年四期不同森林类型单位面积水源涵养量, 揭示三北工程区不同森林类型水源涵养功能时空变异特征。之后再利用Zonal Statistics as Table模块, 结合水源涵养、土地覆被、植被分区、坡度、植被覆盖度、生物量和NPP等数据, 分别获取2015年各植被分区不同森林类型平均水源涵养量、以及各植被分区中不同单位面积森林水源涵养量对应的平均生物量、平均NPP、平均植被覆盖度和平均坡度, 最后用SPP进行回归分析, 并用Excel软件趋势线拟合制图, 揭示三北工程区各区森林水源涵养功能与地形及森林状况与质量的相关性。

2 结果与分析 2.1 三北工程区植被分区

依据区域年降水量和植被空间异质性, 结合地形地貌特征, 将三北工程区植被分成森林植被区、稀树灌草区、草原植被区、荒漠植被区和高原植被区。其中森林植被区位于三北工程区东部和东南部, 范围包括东北、华北以及黄土高原东南部, 达120.95万km², 约占工程总面积的26.9%, 主导自然生态系统为森林；稀树灌草区位于乔木植被向草地植被过渡区域, 包括内蒙古东南部、河北北部和黄土高原中部区域以及新疆西部天山地区, 面积达59.32万km², 约占总量的13.2%, 主导自然生态系统为灌草丛；草原植被区分布于半干旱区, 主要位于内蒙古中部以及准噶尔盆地西部边缘及阿尔泰山南麓地区, 约69.38万km², 自然生态系统主要为草地；荒漠植被区面积最大, 约127.62万km², 主要分布于内蒙古西部的荒漠和戈壁区域、新疆的塔里木盆地以及古尔班通古特沙漠等干旱地区, 自然生态系统主要为荒漠；约占区域总面积16.0%的高原植被区位于青藏高原北麓, 该区植被类型丰富多样, 具有典型高原植被特征(图 2和表 3)。

2.2 水源涵养功能格局与变化

因年降水量极显著影响区域森林年水源涵养量, 为消除气候波动对区域森林水源涵养的影响, 客观评价三北工程区生态建设对区域森林水源涵养的影响, 本研究开展基于多年平均潜在蒸散量和平均降水量的森林水源涵养研究。结果表明, 三北工程区森林水源涵养量整体呈现东高西低、南高北低的分布格局, 其中以辽宁东北部和吉林东南部的边境地区最高, 单位面积水源涵养量大于200mm, 其次为辽宁省东北部、吉林省东部、黑龙江省中东部及北部边境地区, 平均为100—200mm, 随后是辽宁省中部、黑龙江东北部和西北部、黄土高原北麓以及祁连山等地区, 平均为50—100mm, 荒漠植被区最低, 年水源涵养量均＜20mm(图 3)。因采用多年平均气象数据进行核算, 该区域1990—2015年森林总量变化不大, 致使三北工程区森林水源涵养量空间格局年际变化不显著, 但三北工程区单位面积森林年水源涵养量呈持续增加, 从1990年的73.92mm增加到2015年的75.14mm, 而1990年三北工程区森林水源涵养总量(497.35亿m³)却高于2000年水源涵养总量(493.77亿m³)。2000年后, 随着退耕还林还草工程、天然林保护等工程的推进, 该区域森林水源涵养总量持续增加, 2015年达497.72亿m³(表 3)。

就森林类型水源涵养功能而言, 该区域森林水源涵养功能以针阔混交林最强, 平均为113.3mm, 常绿阔叶灌丛次之, 为102.58mm, 随后是落叶针叶林和落叶阔叶林, 分别为94.02mm和92.92mm, 稀疏灌丛最低, 平均为0.02mm。除乔木和灌木园地单位面积水源涵养量降低外, 其余森林类型单位面积水源涵养量呈波动增加态势, 这是区域经济林发展、植被分布和生态建设与保护政策等综合作用的结果(表 4)。

由于各植被区间降雨、地形地貌和植被类型等差异显著, 致使各植被区森林水源涵养功能差异显著。2015年三北工程区各植被分区不同森林类型单位面积水源涵养量一般表现为森林植被区＞稀树灌草区＞高原植被区＞草原植被区＞荒漠植被区, 但常绿针叶灌丛以稀树灌草区最高, 森林植被区次之, 随后是草原植被区, 荒漠植被区最低；高原植被区落叶阔叶灌丛、灌木园地和灌木绿地单位面积水源涵养量仅次于森林植被区, 且落叶阔叶灌丛是该院植被区主要林分类型, 致使各植被分区单位面积森林平均水源涵养量排序为森林植被区＞高原植被区＞稀树灌草区＞草原植被区＞荒漠植被区, 分别为97.98mm、55.19mm、28.44mm、6.32mm和0.06mm。森林植被区森林是三北工程区森林水源涵养功能的主体, 其2015年水源涵养总量为469.11亿m³, 约占工程区森林水源涵养总量的94.25%(表 5)。

2.3 水源涵养格局与地形和、森林状况与质量的关系

不同植被分区单位面积森林水源涵养量与其平均生物量、平均NPP、平均植被覆盖度和平均坡度相关分析结果表明, 除荒漠植被区水源涵养量与坡度相关性不显著外, 各植被区单位面积水源涵养量与坡度、生物量、NPP和植被覆盖度之间存在极显著或显著的相关关系, 且相关系数均以森林植被区最高。所有植被区单位面积森林水源涵养量随植被覆盖度增加而增加；除荒漠植被区单位面积森林水源涵养量与平均坡度相关性不显著, 与平均NPP显著负相关外, 其余植被分区单位面积森林水源涵养量随平均坡度和平均NPP的增加而显著增加；与森林平均生物量的关系较复杂, 其中森林植被区单位面积森林水源涵养量随平均生物量的增加而显著增加, 荒漠植被区和高原植被区则随生物量增加而线性降低, 而稀树灌草区和草原植被区则表现为随生物量增加而降低, 最终趋于各自的固定值(图 4)。水源涵养与坡度、森林状况与质量的上述关系产生的原因还有待于深入研究。

3 结论与讨论 3.1 结论

本文基于植被、气象、土壤、DEM和植被水文特征等数据, 在植被分区的基础上, 运用水量平衡方程, 研究三北工程区森林水源涵养功能格局与变化, 比较不同森林类型水源涵养功能差异, 并揭示区域地形、森林状况与质量的相互关系。得出以下主要结论：

(1) 依据气候、土地覆被分布和地形地貌空间分异规律, 将三北工程区植被分成森林植被区、稀树灌草区、草原植被区、荒漠植被区和高原植被区, 各植被区主导自然生态系统分别为森林、灌草丛、草原、荒漠和高原植被。

(2) 三北工程区单位面积森林水源涵养量持续增加, 从1990年的73.92mm增加到2015年的75.14mm, 而森林年水源涵养总量呈现先减后增态势, 这是区域滥砍滥伐、毁林开垦、土地开发和林业生态建设与保护等共同作用的结果。三北工程区森林水源涵养功能因植被区和森林类型而异, 单位面积森林水源涵养量以森林植被区最高, 高原植被区次之, 荒漠植被区最低, 森林植被区森林是三北工程区森林水源涵养的主体；就森林类型而言, 森林水源涵养功能以针阔混交林最高, 草绿阔叶灌丛次之, 稀疏灌丛最低, 单位面积年均水源涵养量分别为113.34mm、102.58和0.02mm。

(3) 三北工程区各植被区森林水源涵养量与地形、森林状况与质量等显著相关, 是区域植被长期进化及滥砍滥伐、毁林开垦和植被建设与保护等人类干扰共同作用的结果。在今后三北工程防护林建设与保护中, 可通过调整与优化林分结构调控区域森林水源涵养功能。

3.2 讨论 3.2.1 与以往水源涵养功能研究对比

虽然中国已有关于三北工程区森林水源涵养功能评估的报道, 但这些报道主要基于监测数据而展开的, 也有不少利用水量平衡模型开展局部区域森林水源涵养国内研究, 如丁程锋等用INVEST模型研究发现, 天山中部云杉天然林水源涵养量平均为54.25mm^[20]。杨金明得到2007年和2008年黑龙江新林区单位面积寒温带山地针叶林年水源涵养量分别为132.04 mm和166.74mm^[21]；余新晓等发现北京山区森林年水源涵养量为47.61—148.77mm, 平均为75mm, 以落叶针叶林最高, 平均为148.77mm^[22]。李盈盈等研究表明, 陕西子午岭国家级自然保护区森林和灌丛的水源涵养能力最强, 平均为73mm^[23]。本研究结果表明, 三北工程区森林单位面积年水源涵养量变化范围为0—381mm, 平均为74.57mm, 以针阔混交林最高, 平均为113.34mm, 常绿阔叶灌丛次之, 平均为102.58mm。虽然本研究结果与前人研究结果存在一定的差异, 但考虑到研究区域、研究时段和研究对象等方面差异, 本研究结果与前人研究结果是一致的。

3.2.2 水源涵养功能变化分析

本研究发现1990—2015年三北工程区单位面积森林水源涵养量呈持续增加态势, 而水源涵养总量却呈先减后增态势, 其原因应与区域滥砍滥伐、毁林开垦、林业生态建设工程、年降水量与造林成活率的关系等密切相关。2000年以前, 虽然三北工程区营造了大面积的防护林, 但由于该区域滥砍滥伐、毁林开垦严重, 大面积的天然林被采伐、破坏。2000年以来, 国家相继实施了天然林保护、生态公益林保护和退耕还林还草等生态建设与保护工程, 滥砍滥伐、毁林开荒得到有效遏制, 区域林地面积不断增加, 森林质量不断提升, 致使三北工程区森林单位面积水源涵养量和水源涵养总量持续增加。

三北工程区森林水源涵养功能与地形及森林状态与质量的关系是植被自然选择和人为干扰共同作用的结果。由于建国后中国长期实行农业反哺工业的发展道路, 大面积的天然林遭到采伐。同时, 三北工程区还是滥砍滥伐、毁林开垦严重的地区之一, 致使现存的森林主要分布于坡度较大、降雨量较大、交通不便的山区, 这些区域森林的植被覆盖度、年降水量、NPP和生物量均较高, 水源涵养功能强, 致使单位面积水源涵养量随坡度、植被覆盖度和NPP增大而增大。森林植被区森林水源涵养与森林生物量极显著相关, 其余地区单位面积水源涵养功随林分生物量增加而降低也是这个原因, 由于其他植被区生态环境远比森林植被区恶劣, 森林自然分布本来就少, 加之人为毁林开垦和滥砍滥伐, 致使这些区域现存的森林主要为人工林, 这种降水量少的地区森林生物量愈高, 其年蒸散量愈大, 年水源涵养量则愈少。

3.2.3 水源涵养功能影响因子分析

现有研究表明, 除了气象因素外, 地形和森林状况与质量显著影响着森林水源涵养功能。本研究发现, 除荒漠植被区森林水源涵养与坡地相关性不显著外, 三北工程区其余工程区森林水源涵养功能与坡度、NPP、植被盖度和生物量之间存在极显著或显著的相关关系。

关于森水源涵养与坡度的关系, 丁程锋等发现天山中部云杉天然林水源涵养功能随坡度增加而降低^[20], 对此, 唐玉芝等也得出相似的结论——乌江流域森林水源涵养能力与坡度呈显著的负相关^[24]。然而, 张宏峰等却发现东江流域森林水源涵养功能随坡度增加而增大^[25], 龚诗涵等在研究中国生态系统水源涵养是也得出水源涵养功能与坡度显著正相关的结论^[16]。本研究结果与丁程锋等及唐玉芝等结果相反, 却与张洪峰等及龚诗涵等研究结果一致。上述结果说明森林水源涵养功能与坡度的关系, 不仅与研究对象有关, 还可能与研究尺度、研究区降雨分布和人类干扰等相关。由于人为干扰空前, 致使现存的森林大多分布于坡度较大的山区, 因此, 较大尺度研究时一般表现为坡度愈大森林, 其水源涵养功能愈强。但当研究尺度较小时, 坡度对降雨的影响就远小于坡度对地表径流的影响, 致使小尺度时森林水源涵养功能随坡度增大而降低。

由于生物量、NPP、植被覆盖度显著影响着森林蒸散量, 进而对森林水源涵养功能有显著影响。一般林分植被盖度愈高, 其生物量和NPP愈大, 年蒸散量也愈高, 致使林分水源涵养量愈低, 即其他条件相同情况下, 森林水源涵养功能与森林生物量、NPP和植被覆盖度等森林状况与质量负相关。然而, 由于其他条件无法完全一致, 年降雨量极显著决定了区域森林水源涵养量, 在气候驱动和人为干扰共同作用下, 年降水量愈高的森林, 其植被覆盖度、NPP和生物量也一般更高, 致使全国或区域尺度森林水源涵养量与森林植被覆盖度、NPP和生物量呈显著相关。这样类似的结论已有报道, 如甘小莉等发现祁连山水源涵养最大的区域植被覆盖度较高^[26]；丁程锋等得出天山中部云杉天然林水源涵养功能随云杉林覆盖率的增大而增加^[20]。黄枝英得出北京典型森林水源涵养功能与生物量、郁闭度显著正相关^[27]。关于森林水源涵养与NPP的关系研究的较少。但研究表明, NPP与植被蒸散量之间存在显著的正相关关系^{[28, 29]}, 而蒸散量显著影响森林水源涵养量, 说明植被NPP与森林水源涵养功能之间关系密切。总之, 森林状况与质量显著影响着森林水源涵养功能^{[30, 31]}, 这一结论与本研究结果基本吻合, 说明可以通过调整林分结构, 提高林分质量调控三北防护林体系工程区森林水源涵养功能。