基于不同尺度的山西太岳山森林主导生态功能评价研究
【摘要】&＃xff1a;为探究山地森林生态系统功能的空间尺度效应、关键驱动因子以及各功能在不同尺度上的权衡/协同关系,本文选取山西太岳山好地方林场为研究区,从不同尺度分别对该地区的主要生态功能进行计量与评价。在生态系统尺度上选择油松(Pinus tabulaeformis)林、华北落叶松林(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦林(Betula platyphylla)、针阔混交林和灌木林五种典型的森林类型作为研究对象,采用模糊物元法,基于生物量和物种多样性指数的评价方法对各生态功能进行研究,并用冗余分析(RDA)法筛选关键因子;景观尺度上利用InVEST生态服务功能评估模型对研究区的主要生态功能物质量的空间分布进行模拟,采用广义可加模型(GAMs)解释主要驱动因子对其空间变异的贡献率。最后,通过辨别不同尺度上功能间的权衡/协同关系,构建假设情景对景观格局进行优化。研究结果表明:(1)生态系统尺度上,华北落叶松林和油松林两种针叶林表现出随着年龄增加,各固碳层碳储量明显增多的趋势,且二者的总碳储量平均值(221.9 Mg·ha-1)大于针阔混交林(198.5 Mg.ha-1),其次为次生阔叶林(143.9 Mg·ha-1),灌木林最低(100.4 Mg·ha-1),说明森林的碳固定量随着植被恢复的时间推移逐渐积累,且人工林的种植和天然林的保护对森林碳储量有显著的增加效应。针阔混交林在水源涵养和生物多样性保护效用方面表现较优,随着林分结构的多样化,由次生阔叶林向针阔混交林的转变,其主导功能越突出。表现在针阔混交林的枯落物层和土壤层对降水的拦截和涵蓄能力方面,其现存枯落物最大持水量分别比华北落叶松林、油松林和次生白桦林高出0.48,2.21和0.05倍,相应地土壤非毛管孔隙度分别高出0.14,0.42和0.36倍;模糊物元模型的水源涵养能力排序结果以针阔混交林为最优(pHi为0.71)。针阔混交林灌木和草本层的Shannon多样性指数为1.91和3.06,比针叶纯林的平均值高出24.8%和23.3%,比灌木林高出51.6%和18.1%。说明各森林类型下碳固定和水源涵养、生物多样性保护功能之间存在一定权衡关系。(2)生态系统尺度上的水源涵养功能主要受到森林类型、枯落物蓄积量、土壤稳渗速率等因素影响,其中林分密度、坡向和林分年龄对枯落物最大持水量和土壤饱和含水量的方差解释率为90.8%;不同森林类型的林分年龄、林下光照总辐射量对生态系统总碳储量具有显著影响,方差解释率为90.4%;而叶面积指数、林下光照总辐射和坡向对于生物多样性的方差解释率为87.5%。(3)景观尺度上,研究区的景观格局具有明显的粒度效应,各景观类型在5&＃xff5e;10 m附近出现第一尺度域。InVEST模拟结果表明,好地方林场的实际蒸散量、产水量、水源涵养量、碳储量和生物多样性明显受到地形因子的影响,尤其是受到海拔和坡度的影响。由于地形和植被因子引起的水热条件变化,整体区域的实际蒸散量在200.8到604.8 mm之间变化;水源涵养量呈现出北高南低的分布格局,其中,华北落叶松林水源涵养总量最高,为3.2×107 m3,灌木林的水源涵养总量偏低,仅为3.5×106 m3;而针阔混交林的水源涵养深度最大(150.7 mm),平均土壤流失量较小(0.32 t·ha-1·a-1)。研究区的碳密度和生物多样性保护综合指数分别在华北落叶松成熟林和针阔混交林区域出现最大值(286.6 Mg·ha-1和0.96)。土壤有机碳在全局上存在明显的空间自相关关系,且呈聚集的空间分布特征,自相关距离约为1.2 km。(4)景观尺度的降水量、蒸散量、植被类型、饱和导水率和海拔等因子对水源涵养量的空间异质性产生关键作用;碳储量的空间分布明显受到植被类型、海拔梯度和坡度制约;而海拔、坡度和与威胁源的距离则对该尺度生物多样性保护功能产生显著影响。地形因子和归一化植被指数NDVI能分别解释水源涵养、碳固定和生物多样性保护功能物质量空间变异的30.3%,39.2%和42.5%。(5)权衡分析结果显示,景观尺度上水源涵养、碳固定和生物多样性功能间呈显著的协同关系,与生态系统尺度上的权衡关系存在差异,具有尺度依赖性。针对生态功能发挥较弱的区域对景观的植被覆盖进行优化,情景假设结果表明,大多数生态功能的平均物质量均有提高,但提高的幅度有明显差别,水源涵养量潜值比现值提高45.8%,而碳储量仅提高1.36%。研究结果可为华北山地景观格局优化和林分结构调整提供科学依据,对指导山区植被恢复策略的制定,实现区域生态功能的优化也具有重要的意义。
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