王賀亞, 黃沈發(fā), 郭晉川, 王 卿, 李榮輝, 吳建強

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620;2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院, 上海 200233; 3.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院, 南寧 530000)

森林與水體所構(gòu)成的系統(tǒng)是城市空氣交換、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)的重要媒介[1]。水庫生態(tài)系統(tǒng)屬于人工生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)學(xué)特征獨特[2]，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供水成為水庫繼防洪、發(fā)電之后的又一重要功能，水庫集水區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全，直接影響水庫的供水質(zhì)量與城市人居安全[3]。較之于大型水庫[4](庫容>1億m3)，小型水庫(庫容10萬～1 000萬m3)集水區(qū)內(nèi)的大氣、水體、土壤等會對水庫的生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生更大影響[5]。20世紀(jì)60年代中期以來，廣西南寧桉樹人工林的種植規(guī)模大幅增加[6]。人工林是指通過人工播種、栽植或扦插等技術(shù)方法培育而成的森林[7]，具有培育時間短、單位面積產(chǎn)量高、相對收益高、集約經(jīng)營管理等特點[8]。種植人工林有利于發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)、提高林農(nóng)收入、緩解資源短缺等問題。在我國，對桉樹人工林的爭論主要有三，是否過度消耗水分？是否過度消耗養(yǎng)分？是否會造成生物多樣性下降[9]？

元宵水庫是南寧市武鳴縣的重要飲用水源地之一，兼具水源供給、氣候調(diào)節(jié)等多種社會效益與生態(tài)效益。近10年間，水庫集水區(qū)的馬尾松生態(tài)林幾乎全部被桉樹人工林取代，鑒于種植桉樹后開始顯現(xiàn)的多種生態(tài)問題[10]，本文基于地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)與遙感技術(shù)(RS)(3S技術(shù))，通過研究兩種植物群落的分布格局、植被覆蓋度、生物量、凈初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等多項指標(biāo)，從理論上論證經(jīng)濟(jì)利益導(dǎo)向下的桉樹人工林種植與區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的關(guān)系[11]。

1 研究區(qū)概況

元宵水庫位于廣西壯族自治區(qū)南寧市武鳴縣府城鎮(zhèn)進(jìn)元村北側(cè)，水域面積約為81 hm2，集水區(qū)面積約為826 hm2，有效庫容為1 123萬m3，是武鳴縣的重要飲用水水源之一。水庫集水區(qū)地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均日照總數(shù)為1 674 h，年均降雨量為1 261 mm，多年平均氣溫為21.7℃，年均相對濕度為78%，多年平均風(fēng)速為1.9 m/s。水庫庫區(qū)處于三迭統(tǒng)粉砂巖，泥頁巖地層，未發(fā)現(xiàn)區(qū)域構(gòu)造斷裂通過。水庫及周邊地區(qū)多為海拔500 m以下的低矮丘陵，土壤類型以砂頁巖、砂巖和第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育而成的臺地赤紅壤、丘陵赤紅壤為主，肥力中等、土層比較厚實、土壤質(zhì)地比較疏松。植被以桉樹(Eucalyptusspp.)人工林與馬尾松(Pinusmassoniana)林為主。近年來，元宵水庫集水區(qū)桉樹人工林種植面積不斷擴(kuò)大，2015年，桉樹人工林面積約為729.18 hm2，占總面積的97.88%。與2005年相比，桉樹人工林種植面積增幅達(dá)到129.78%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

2.1.1 遙感影像 傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查方法成本高、耗時長、工作量大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，受時間、空間、人員等多種因素限制，難以在短期內(nèi)形成具有可比性的調(diào)查結(jié)果[12]。遙感影像具有空間宏觀性、周期性、多分辨率、所含信息量大等特點，有效避免了傳統(tǒng)調(diào)查方法的不足[13]。如表1所示,本研究的遙感數(shù)據(jù)源包括中分辨率遙感影像和高分辨率遙感影像。其中，高分影像用于解譯，中分影像用于反演。為了提高地物信息的吻合程度，選取中分影像時，優(yōu)先選擇成像時間與高分影像最為接近的影像。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)源

2.1.2 現(xiàn)場調(diào)查 現(xiàn)場調(diào)查是解譯的前提。首先根據(jù)資料調(diào)研與人員訪談開展高分影像的信息預(yù)判讀工作，初步確定地物類型與空間分布；隨后確定地面控制點，通過現(xiàn)場核查匹配地物信息與影像信息，提高解譯精度。對于預(yù)判讀階段難以識別的區(qū)域，需要加密布點；在植物群落內(nèi)布設(shè)60個樣方，樣方尺寸為15 m×15 m。劃定樣方時，必須保證樣方內(nèi)樹種一致，植株長勢正常，并且需要避開道路等人為擾動頻繁的區(qū)域。

本次地面調(diào)查的測量指標(biāo)包括樹齡、樹高、胸徑、株距、行距、覆蓋度等。其中，樹木生長錐用于測量樣方中部分植株的年輪(即樹齡)；美國APRESYSTP 2000激光測高儀用于逐一測量樣方中各植株的樹高；胸徑尺用于逐一測量樣方中各植株距地面1.3 m處的直徑(即胸徑)；使用魚眼相機(jī)在樣方2條對角線上均勻選取5個點，保持魚眼相機(jī)垂直，避免采樣方向與栽種的行或列平行，獲得植被覆蓋度。此外，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，剛剛完成桉樹輪伐的地塊，由于放火燒山等跡地清理活動，地表基本呈現(xiàn)裸露狀態(tài)；隨著桉樹樹齡的增加，林下植被基本呈現(xiàn)逐漸加密的趨勢，群落結(jié)構(gòu)由上到下依次為喬木、灌木與草本植物。與桉樹相比，馬尾松的林下植被更為茂盛，種類與桉樹林下植被類似。

2.1.3 其他 除植物群落參數(shù)外，該資助項目的另一專題還對研究區(qū)域不同植物群落的蒸騰、蒸散數(shù)據(jù)開展了實地測量。此外，氣象數(shù)據(jù)、物價、水庫運行參數(shù)與流域管理文件等主要由廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院(簡稱水科院)提供，少部分則通過文獻(xiàn)調(diào)研獲取。

2.2 研究方法

2.2.1 解譯

(1) 影像預(yù)處理。影像預(yù)處理包括大氣校正、幾何校正、正射校正、影像融合、影像鑲嵌與精度檢驗[14]。

(2) 解譯方法?；谙裨c面向?qū)ο笫莾深惓Ｓ玫倪b感解譯方法，為了獲得最為精確的解譯結(jié)果，本研究選取了人機(jī)交互目視解譯法[15]。

2.2.2 反演 遙感的本質(zhì)是反演，即借助觀測信息(遙感數(shù)據(jù))與物理模型，求解目標(biāo)參數(shù)的過程。植被覆蓋度、生物量[16]與凈初級生產(chǎn)力[17]等植被參量是反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要指標(biāo)[18]，同時也是開展植物群落生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的重要參量。開展植被參量的遙感反演時，需要引入植被指數(shù)(VI，Vegetation Index)。VI由衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)組合而成，可以定性、定量地評價植物生長狀況[19]。目前可用的VI已有40余種，其中歸一化差分植被指數(shù)(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)的應(yīng)用范圍最為廣泛[20]。

(1) NDVI反演。NDVI是表征植物生長狀況的重要參量，范圍為-1～1，負(fù)值表示云、水、雪等對可見光具有高反射率的物體，0表示有巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋，且與植被覆蓋度呈線性關(guān)系[21]，反演方法為：

式中：ρnir與ρred分別代表遙感影像紅外波段與紅光波段的反射率。

(2) FVC反演。植被覆蓋度(FVC，F(xiàn)ractional Vegetation Cover)指植物群落總體或個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比(%)，反演方法為：

式中：i表示第i個像元；veg表示純植被區(qū)；soil表示裸土或無植被區(qū)。由于植被覆蓋度與NDVI呈線性關(guān)系，因此基于NDVI的植被覆蓋度反演能夠較好地反映研究區(qū)域的植被覆蓋情況，有利于開展涵養(yǎng)水源、保育土壤等多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究。

(3) 生物量反演。生物量是指植物群落在一定時間內(nèi)積累的有機(jī)質(zhì)總量(干重)。通過對若干生物量擬合模型進(jìn)行比選，選取下列公式計算植株地上生物量[22-23]。

桉樹：W=0.0567D1.8663×H0.8116

馬尾松：W=0.0561D2.0727×H0.6148

式中：W為地上生物量(t/hm2)；D為某一樣方內(nèi)植株胸徑平均值(cm)；H為對應(yīng)樣方內(nèi)植株樹高平均值(m)。

(4) NPP反演。凈初級生產(chǎn)力(NPP，Net Primary Productivity)是單位時間、單位面積上綠色植物通過光合作用積累有機(jī)物的量(總初級生產(chǎn)力)與自身呼吸消耗量的差值，計算方法如下：

NPP=APAR×ε

式中：APAR為吸收的光合有效輻射[g/(m2·月)]；ε為實際光利用率(g/MJ)。

APAR=SOL×FPAR×0.5

式中：SOL為太陽總輻射量[MJ/(m2·月)]，根據(jù)中國氣象局發(fā)布的全國太陽能總輻射量與年均日照當(dāng)量數(shù)據(jù)，Ⅳ類地區(qū)的太陽總輻射量均值為4 603 MJ/(m2·a)；FPAR為植被層對入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例；0.5為植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例；SR為植被指數(shù)的簡單比率。

ε=σE×σT×ε*

σE=1.2×e-0.35×Ev-0.2

w=α0+α1+α2×e2

式中：σE和σT分別為大氣水分含量和溫度對植物生長的影響系數(shù)；ε*為理想條件下的最大光能轉(zhuǎn)化率，在CASA模型中全球植被最大光能利用率為0.389 g/MJ；Ev為大氣水汽壓差；Ts為近地層氣溫或地表溫度(K)；Td為近地層露點溫度(K)；w為整層大氣水汽含量(g/cm2)；φ為地理緯度(rad)；e為地面水汽壓(hPa)；α為經(jīng)驗系數(shù)，α0取0.369 1，α1取0.236 7，α2取0[24]。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程形成并維持著的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效應(yīng)[25]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法問世以來，便受到了各界學(xué)者的廣泛關(guān)注[26-27]。1997年，Costanza等[28]基于生態(tài)服務(wù)供求曲線，逐項估算各生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值，進(jìn)而得到全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。2001年，謝高地等[29]基于Costanza的研究方法，利用生物量修正服務(wù)價值，估算得到我國自然草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。2008年國家林業(yè)局發(fā)布了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T1721—2008)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過數(shù)十年的討論與驗證，基于3S技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的評價方法[30]。根據(jù)研究區(qū)域特點，本研究選取涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護(hù)與產(chǎn)品提供6項服務(wù)。

(1) 產(chǎn)品提供。產(chǎn)品提供體現(xiàn)了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的直接經(jīng)濟(jì)價值，采用市場價值法計算桉樹人工林的產(chǎn)品提供價值[31]。

Vp=∑Aj×Vj×Pj

式中：Vp為森林生態(tài)系統(tǒng)提供產(chǎn)品的總價值(元/a)；j表示不同森林類型；Aj為第j種森林類型的分布面積(hm2)，通過遙感解譯獲得；Vj為第j種森林類型單位面積凈生長量或產(chǎn)量[t/(hm2·a)]，通過NPP反演獲得；Pj為第j種森林類型木材的市場價格(元/t)，根據(jù)當(dāng)?shù)匚飪r水平確定。同時，桉樹撫育需要耗費經(jīng)濟(jì)成本，基于蔣燚等[32]的研究成果，包括土地、樹苗、肥料、管理4部分費用，約為5 291.25元/(hm2·a)。

(2) 固碳釋氧。采用造林成本法和碳稅法計算森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值。

Vq=∑NPPj×1.63×Rc×Pc+1.2×Po

式中：Vq是固碳釋氧價值(元/a)；NPPj為第j類森林類型的凈初級生產(chǎn)力[t/(hm2·a)]；Rc為CO2中碳的含量，為27.27%；Pc為固定CO2的價格(元/t)，取1 200元/t；Po為制造O2的價格(元/t)，取1 000元/t[33]。

(3) 涵養(yǎng)水源?；贗nVEST(Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型的產(chǎn)水量模型，通過徑流調(diào)節(jié)量評估研究區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力[34]。

式中：Yxj是j類土地利用類型中像元x的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj是j類土地利用類型中像元x的年實際蒸散量(mm)，不同植物群落類型的蒸散量存在明顯差別[35]，本研究的蒸散量數(shù)據(jù)為實測數(shù)據(jù)，同時，需要結(jié)合ArcGIS的空間分析工具，采用“反距離權(quán)重法”，以獲得覆蓋研究區(qū)域的蒸散數(shù)據(jù)；Px為像元x的年降雨量(mm)。最后，利用影子價值法估算森林水源涵養(yǎng)價值，以建造水庫成本估算森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)價值，單位庫容造價為6.11元/m3[36]。

(4) 保育土壤。3S技術(shù)與通用土壤流失方程(USLE，Universal Soil Loss Equation)被廣泛應(yīng)用于評價土壤侵蝕風(fēng)險、流域管理與規(guī)劃、模擬水土保持方案等領(lǐng)域[37]。在一定范圍內(nèi)，土壤侵蝕速率越小，其保育土壤功能越好，其計算方法為：

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

Th=Rx×Kx×LSx×1-Cx×Px

Va=Th×∑Ci×Pi

式中：USLEx表示柵格x的土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；Th為保育土壤量[t/(hm2·a)]；Va為保持土壤養(yǎng)分價值；Rx為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)][38]；Kx為土壤可蝕性因子；LSx為坡度、坡長因子；Cx為植被與管理因子；Px為水土保持措施因子；i為土壤中養(yǎng)分種類，僅考慮氮、磷、鉀三項；Ci為土壤中第i類養(yǎng)分含量(t/t)，根據(jù)鄭國東[39]、王月容等[40]的研究成果，水庫集水區(qū)氮、磷、鉀含量分別為1.43，0.52，1.0 mg/g。；Pi為第i類養(yǎng)分的市場價格(元/t)，根據(jù)研究區(qū)域的物價水平，尿素為2 000元/t，過磷酸鈣為500元/t，氯化鉀為2 000元/t。

① 降雨侵蝕力因子R。采用年均降雨量估測法估算R值。

R=α×Pβ

式中：R為年均降雨量(mm)；α，β為模型參數(shù)，蔡崇法等[41]結(jié)合EI30法(Wischmeier經(jīng)典法)估算不同年降雨量時的R值，獲得良好效果，通過數(shù)據(jù)擬合，確定α為0.001，β為1.787。

② 土壤可蝕性因子K。土壤可蝕性(Soil erodibility)是衡量土壤抗侵蝕能力和抗沖擊能力的重要因子[42]。研究區(qū)域的土壤類型為赤紅壤，K取0.238[43]。

③ 坡度坡長因子LS。LS因子是基于通用水土流失模型開展區(qū)域土壤侵蝕評價的重要因子[44]，需要借助數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)開展空間分析。LS因子的計算方法為：

式中：S為坡度因子(無量綱)；θ為坡度(度)；L為坡長因子(無量綱)；λ為坡長(m)；m是坡長指數(shù)(無量綱)；22.1為22.1 m標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長。

④ 植被與管理因子C。植被與管理因子C是表征植被覆蓋度和管理措施對土壤侵蝕影響的重要因子，直接反映人為活動對保育土壤與土壤流失的影響程度[45]，取值介于0～1。目前應(yīng)用較為廣泛的是基于植被覆蓋度的植被與管理因子估算方法[41]，其計算方法為：

式中：c為植被覆蓋度(%)。針對桉樹群落，由于其林下植被基本伴隨桉樹樹齡的增加而增加，因此植被覆蓋度能夠反映C的優(yōu)劣，不致出現(xiàn)“遠(yuǎn)看綠油油，近看黃水流”的現(xiàn)象。

⑤ 水土保持措施因子P。水土保持因子是特定水土保持措施下土壤流失量與起伏地耕作的土壤流失量之比，P介于0～1[46]，選取等高帶狀耕作模式下不同坡度對應(yīng)的P值(P坡度<5°=0.3，P坡度5°～10°=0.5，P坡度>10°=0.6)[47]進(jìn)行計算。

(5) 凈化大氣環(huán)境。森林生態(tài)系統(tǒng)對大氣中的二氧化硫、氮氧化物、氟化物和粉塵均具有良好的吸收效果，其凈化功能與樹種、環(huán)境污染物濃度等有關(guān)[9]?；谏锪抗浪闵謨艋髿猸h(huán)境功能價值，計算方法為：

式中：i為污染物質(zhì)種類，包括二氧化硫、氮氧化物、氟化物和粉塵；j為林分類型；FPi為森林吸收i類污染物的質(zhì)量(kg/a)；Aj，Bj，Cj分別為j類植物群落類型的面積(hm2)、單位面積生物量[t/(hm2·a)]和生態(tài)服務(wù)單價的修正系數(shù)；Pi為未考慮生物量時單位面積森林吸收i類污染物的質(zhì)量[kg/(hm2·a)]，根據(jù)趙金龍[9]的研究成果，松類吸收二氧化硫、氮氧化物、氟化物和粉塵的能力分別為108.77，9.26，9.11，31 880.69 kg/(hm2·a)；桉類吸收二氧化硫、氮氧化物、氟化物和粉塵的能力分別為88.91，11.20，12.42，45 246.18 kg/(hm2·a)；n表示植物群落數(shù)目；U為林分的大氣凈化價值(元/a)；Ki為治理費用(元/kg)。按照當(dāng)?shù)匚飪r水平，二氧化硫、氮氧化物、氟化氫、粉塵的治理費用分別為0.12，0.069，0.063，0.015元/kg。

(6) 生物多樣性保護(hù)。條件價值評估法在非市場價值評估技術(shù)中占有重要地位[48]，本研究基于InVEST模型的生境質(zhì)量指數(shù)模型，參照Costanza等[29]對森林生物多樣性保護(hù)價值的研究成果估算生物多樣性保護(hù)價值[49]，計算方法為：

式中：Qxj為地類j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj為地類j的生境適合性，數(shù)值介于0～1，其中，0～0.25為次要生態(tài)廊道，0.25～0.5為主要生態(tài)廊道，0.5～0.75為次要生態(tài)適宜區(qū)，0.75～1為主要生態(tài)適宜區(qū)；K為半飽和常數(shù)，是柵格單元尺度大小的一半；Dxj為地類j柵格x的生境脅迫水平，其計算方法為：

式中：R為威脅因子數(shù)量，研究區(qū)內(nèi)僅含道路，取1；wr為威脅因子權(quán)重，取0.5；Yr為威脅因子的柵格數(shù)量；ry為每個柵格上的威脅因子個數(shù)，取1；βx保護(hù)法律到達(dá)度；Sjr為敏感度強弱，馬尾松(森林)對道路的敏感度為0.9，桉樹(人工林)取0.8[47]；irxy為威脅因子的影響程度；dxy為地類x與地類y的空間距離；drmax為威脅因子r的最大影響距離，取10 km。

(7) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

式中：Vij為第j類森林類型的第i種服務(wù)功能價值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物群落時空動態(tài)分布格局

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，研究區(qū)域主要包括桉樹群落、馬尾松群落(記為P)、水體、建設(shè)用地等土地覆被類型。桉樹長勢迅速，年際植被參量差異明顯，為了表征桉樹的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，已按樹齡對桉樹群落進(jìn)行細(xì)分。數(shù)據(jù)顯示，我國、巴西等國桉樹人工林的輪伐周期為4～7 a[50]，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，本研究將桉樹人工林劃分為3個齡級，即幼齡林(樹齡≤結(jié)年，記為E—Ⅰ)、中齡林(2 a<樹齡≤齡年，記為E—Ⅱ)和成熟林(樹齡>4 a，記為E—Ⅲ)。

根據(jù)上述分類標(biāo)準(zhǔn)，元宵水庫2005-2015年土地覆被信息遙感解譯結(jié)果表明(圖1)，研究區(qū)域桉樹人工林面積逐年增加，由2005年的317.34 hm2增至2015年的729.18 hm2，2015年時，水庫集水區(qū)馬尾松面積僅為15.58 hm2，約為2005年的3.64%。如圖2所示，2008年與2011年，水庫集水區(qū)西北部、南方大部及北方大部區(qū)域的馬尾松先后被幼齡桉樹取代，桉樹面積分別增加了122.13，149.57 hm2。

圖1植物群落面積動態(tài)

3.2 FVC反演結(jié)果

FVC反演結(jié)果表明，E—Ⅰ，E—Ⅱ，E—Ⅲ和P的FVC均值分別為24.39%，45.06%，73.14%，76.06%。

3.3 生物量反演

基于生物量與FVC分析結(jié)果構(gòu)建FVC—生物量擬合曲線(表2)。擬合結(jié)果表明，在線性、二次多項式、指數(shù)、對數(shù)等回歸分析類型中，以FVC為自變量的二次多項式與生物量的擬合效果最好[51]。

生物量反演結(jié)果表明，2005—2015年研究區(qū)域E—Ⅰ，E—Ⅱ，E—Ⅲ和P的平均生物量分別為30.8，166.0，708.2，432.0 t/(hm2·a)。

3.4 NPP反演

以FVC為自變量的二次多項式與NPP具有更好的擬合效果(表3)。

圖2 2005-2015年土地覆被類型信息動態(tài)

NPP反演結(jié)果表明，2005-2015年E—Ⅰ，E—Ⅱ，E—Ⅲ和P的NPP均值分別為87.86萬，186.65萬，209.73萬,143.65萬g/(hm2·a)。

表3 NPP反演公式

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)

3.5.1 總價值 水庫集水區(qū)的服務(wù)價值計算結(jié)果表明，總體而言(圖3A)，水庫集水區(qū)的服務(wù)價值呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，由2005年的6 578萬元降至2013年的2 204萬元，隨后稍有增加。10年間，研究區(qū)域的氣象條件變化不大，推測，2005—2013年總服務(wù)價值下降主要歸因于馬尾松面積的減少；2013年后總價值稍有增加，可能與本階段桉樹輪伐活動少、桉樹樹齡逐年增加有關(guān)。

3.5.2 不同植物群落的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 比較不同植物群落可知，P的服務(wù)價值貢獻(xiàn)率優(yōu)于各個齡級的E(桉樹群落)，為集水區(qū)植物群落總價值的54.15%；E的貢獻(xiàn)率隨齡級增長而增加[52]，E—Ⅰ，E—Ⅱ和E—Ⅲ分別為0.87%，6.94%和38.03%。進(jìn)而比較植物群落單位服務(wù)價值，多項研究表明，不同樹種的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在明顯差異[52]，本研究也得到類似結(jié)果(圖3B)。P的單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值為E的3.25倍，其中，P的單位生物多樣性保護(hù)、涵養(yǎng)水源、保育土壤等服務(wù)價值明顯優(yōu)于E，分別為E的10.42倍、8.72倍與7.73倍；此外，針對產(chǎn)品提供價值(圖3C)，2005—2015年，伴隨桉樹種植面積的增加，桉樹的產(chǎn)品提供價值呈現(xiàn)波動上升的趨勢，總價值為9 040.76萬元，種植成本為3 026.66萬元，利潤約為6 014.10萬元。

由此可知，2005—2013年水庫集水區(qū)總服務(wù)價值的下降，主要取決于馬尾松面積的下降與桉樹幼齡林的種植。這一變化造成區(qū)域植被群落結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生明顯變化。因此，以生物資源開發(fā)利用為主的生態(tài)系統(tǒng)，例如農(nóng)田、牧場、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等，在強化產(chǎn)品提供功能的同時，不可避免地存在生物多樣性銳減、水土流失等生態(tài)問題[53-54]。

3.5.3 不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值 就各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)而言(圖3I)，其價值貢獻(xiàn)率由大到小依次為涵養(yǎng)水源38.86%、凈化空氣18.12%、產(chǎn)品提供16.81%、固碳釋氧11.15%、生物多樣性保護(hù)7.59%與保育土壤7.47%。如圖3D—3H所示，除去產(chǎn)品提供價值外，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基本呈現(xiàn)局部波動、總體下降的趨勢。2013年后，集水區(qū)內(nèi)的各項服務(wù)價值穩(wěn)中有升，但是這一現(xiàn)象無法說明研究區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量得到改善。此時，桉樹成熟林已經(jīng)取代馬尾松群落成為影響區(qū)域服務(wù)價值的關(guān)鍵，一旦開始桉樹輪伐，集水區(qū)的服務(wù)價值必將顯著下降。各個植物群落的多年平均服務(wù)價值見表4。

4 討 論

4.1 遙感解譯與反演

所有的遙感解譯方法，均存在不同程度的錯譯現(xiàn)象。這種現(xiàn)象只能減少，卻無法完全避免，僅能通過人工修正減少錯譯區(qū)域。因此，在條件允許的情況下，人機(jī)交互目視解譯法值得推薦。

表4 植物群落多年平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值匯總 元/(hm2·a)

注：計算結(jié)果已將修正系數(shù)考慮在內(nèi)。

理論上，空間分辨率直接影響反演精度。首先，在解譯過程中，一個包含多種地物類型的像元會被識別為面積占比最大的一種地物類型，造成地物信息損失；其次，在反演過程中，該像元的NDVI實際上是多種地物的綜合值，造成數(shù)值失真。但是在本研究中，中分遙感影像比高分遙感影像更具優(yōu)勢[55]。Landsat系列衛(wèi)星影像存檔數(shù)據(jù)全、時間連續(xù)性好、波段設(shè)置相對固定[56]，有利于開展長時間尺度的連續(xù)監(jiān)測。本研究利用Landsat系列衛(wèi)星開展生物量、NPP遙感反演，旨在開展水庫集水區(qū)內(nèi)桉樹輪伐區(qū)的植物群落動態(tài)監(jiān)測。而高分遙感影像時間分辨率較低、空間分辨率多變、傳感器設(shè)置不一、價格昂貴。因此，本研究將高分影像作為輔助數(shù)據(jù)，使用中分遙感影像開展生物量及其他植被參量的反演研究。

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，高分影像的時間分辨率將逐步提高，空間分辨率將進(jìn)一步提高。屆時，將可以實現(xiàn)更小范圍、更長時間尺度、更高解譯及反演精度的遙感動態(tài)監(jiān)測。

4.2 遙感指數(shù)的選擇與處理

NDVI是常用的遙感指數(shù)，可有效消除光照條件差異對影像DN的影響。但是，盡管NDVI已經(jīng)經(jīng)過歸一化處理，可在一定程度上消除地表光照條件、衛(wèi)星傳感器及成像時間等方面的差異，但由于物候條件的差異，不同季相影像所獲得的NDVI仍有差異。FVC與NDVI 密切相關(guān)，經(jīng)過拉伸處理，有效彌補了NDVI在高植被區(qū)敏感度較低與低植被區(qū)估值偏高這一不足。因此，本研究基于FVC反演生物量與NPP，類似處理方法在楊勝天[57]、張喜旺[58]、賈坤[59]等的研究中均有應(yīng)用，同樣達(dá)到了良好的效果。

4.3 管理方式對植物群落的影響

人類活動主要通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與過程來影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[26]。粗放、片面的管理方式直接影響桉樹人工林種植區(qū)的生態(tài)質(zhì)量與流域生態(tài)安全[60]。Wuver等[61]認(rèn)為，在所有的人類活動中，收獲薪柴、農(nóng)業(yè)活動對生物多樣性的損害最大；對我國洪湖濕地[62]和岷江大溝流域[63]的研究同樣表明，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性與人類活動強度呈負(fù)相關(guān)性，人為干擾導(dǎo)致植物群落退化。

圖3水庫集水區(qū)服務(wù)價值

天然林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生態(tài)效益十分可觀，與天然林相比，人工林的生態(tài)效益明顯下降[64]。對于桉樹群落而言，因管理不當(dāng)造成的異發(fā)演替，直接影響其生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)和信息循環(huán)。在人為活動的干預(yù)下，水庫集水區(qū)各植物群落的面積劇烈變動，致使FVC、生物量、NPP等植被參量變化明顯，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到極大影響[65]。值得指出的是，研究區(qū)域的馬尾松同樣屬于人工林，種植時間約為20世紀(jì)70年代。由于人為擾動小，馬尾松群落結(jié)構(gòu)日趨完整，系統(tǒng)穩(wěn)定性長期處于較高水平。不妨假設(shè)，若停止集水區(qū)內(nèi)的桉樹砍伐，將其作為生態(tài)林培育，將對維護(hù)與提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

5 結(jié) 論

(1) NDVI與FVC適用于開展植物群落生物量、NPP等植被參量的遙感反演；

(2) 桉樹人工林的FVC均值與生物量均值明顯小于馬尾松群落，NPP均值大于馬尾松群落；馬尾松群落的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值優(yōu)于桉樹人工林，特別是在生物多樣性保護(hù)、涵養(yǎng)水源、保育土壤3個方面；

(3) 桉樹群落的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨樹齡的增加而提高，桉樹成熟林的服務(wù)價值接近馬尾松群落，說明桉樹本身不會引發(fā)水分、養(yǎng)分過量消耗等問題；

在馬尾松砍伐期與桉樹輪伐期，水庫集水區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)波動劇烈，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降。因此，經(jīng)濟(jì)利益導(dǎo)向下的劇烈人為擾動成為桉樹人工林種植區(qū)生態(tài)質(zhì)量顯著下降的主要原因。

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