森林生态系统水文服务评估及其在森林管理规划中的整合框架

《Ecological Engineering》：A framework for assessing hydrological services of forest ecosystems and integrating them into forest management planning

　　

森林提供广泛的生态系统服务，其中水文服务——涵盖供水、净化和调节过程——对生态系统和人类社会至关重要。本研究引入一个结构化框架，用于识别并将水文服务操作化整合到森林管理规划中，以增强多功能管理策略的有效性。该框架在南土耳其具有代表性的地中海气候森林景观中开发和测试。基于森林清查数据、管理指南、文献综合和相关利益相关者见解，该方法建立了森林生态系统功能与水相关过程之间的明确联系。空间分析显示，研究区域的整体持水能力低于 75% 的临界阈值。值得注意的是，在土壤流失风险为 1 至 5 吨/公顷/年的林分中，平均坡度约为 40%，确定了 40–60% 的关键坡度范围作为流域的水文敏感区。通过划定水文热点和易洪区，本研究制定了针对性的林业抚育措施以减少土壤流失和改善持水能力。这些结果表明，水文服务可以被明确制图和量化，从而能够实施与水相关生态系统功能相匹配的管理干预措施。以这种方式整合水文服务增强了森林管理规划的多功能性和政策相关性。

引言

水资源管理是一项多方面的工程，对维持地球生命至关重要。从分子构成到其对个体、种群和生态系统的影响，水发挥着不可或缺的作用。它紧密交织在气候系统的网络中，涵盖生物圈、大气圈、水圈、陆地表面和冰冻圈。水的存在不仅对身体健康至关重要，对心理健康也具有重要意义。水提供的生态系统服务，包括食物提供、空气质量调节、淡水和气候控制，对林业、旅游、农业和工业等部门不可或缺。然而，生态系统的可持续功能和水循环本身面临气候变化、不当基础设施建设和不可持续用户行为的威胁 (Ford et al., 2011; Ellison et al., 2017; García Chevesich et al., 2017)。实现可持续水资源管理和确保公平获取淡水是紧迫的全球挑战，如联合国可持续发展目标 6：清洁水和卫生设施所强调的那样 (Rajapakse et al., 2023; Raman et al., 2024)。解决这些挑战对于保护我们星球及其居民的未来至关重要。

事实上，森林生态系统是应对和缓解迫在眉睫的水资源短缺威胁的主要参与者。拥有集水、处理和水库能力等属性，森林超越了单纯的水管理；它们成为全球应对气候变化斗争中的强大盟友，主动吸收二氧化碳 (Vose et al., 2016; URL-1, 2019)。森林在维持地下水和地表水的新鲜性、稳定性和规律性方面发挥着关键作用。此外，它们促进入渗，提高土壤水分含量和地下水补给，尽管通过增加蒸散发损失温和地调节了年水产量——这是一种有助于水分逐渐释放的微妙平衡 (Bruijnzeel, 2004)。此外，森林覆盖通过促进入渗、渗透和地下水储存显著增强了水文稳定性，同时减少了地表径流和侵蚀。这在很大程度上归因于植被通过增加有机物、水分保持和活跃的微生物活动来改善土壤结构的作用 (Tonello and Dias, 2018)。Fran?ois 等人 (2024) 强调，森林覆盖与气候、土壤、地形和水文过程相互作用，树种组成和密度关键地塑造着水资源的可用性，强化了森林作为保护和土壤水资源的基于自然的解决方案的地位。总之，这些多方面的功能——如陆地和海洋生态系统的调节和供水流——被包含在林业部门水文服务的更广泛概念中 (Ba?kent and Yolas?gmaz, 1999; Brauman et al., 2007; Baskent et al., 2008; Baskent et al., 2011)。

一般而言，生态系统在复杂的水相关服务阵列中发挥着关键作用，包括供水、水灾害缓解以及与水资源相关的支撑服务 (Carvalho-Santos et al., 2014; Ba?kent, 2018)。根据 TEEB（生态系统与生物多样性经济学）概念，淡水被归类为提供型服务，突显了生态系统对全球水循环的根本贡献。生态系统，特别是植被和森林生态系统，微妙地调节水流和净化，影响其数量和质量 (TEEB, 2010)。从 MEA（千年生态系统评估）和 CICES（生态系统服务国际通用分类）的角度来看，淡水是说明提供型服务和调节型服务相互作用的一个典型例子，表现在生物和非生物元素中 (MEA, 2005; Potschin and Haines-Young, 2011)。在这个多方面角色之上，森林成为小型风暴期间缓解洪水的自然盟友。它们增强蒸发和促进规律土壤入渗的能力起到了关键的缓冲作用，缓解了洪水的影响 (Calder and Aylward, 2006)。本质上，森林对更广泛的水生态系统的贡献超越了单纯提供，包括调节和韧性，强调了它们在维持生态平衡和保护水相关服务中的不可或缺的角色。无论水资源如何分类，表征（识别和量化）和理解其在生态系统中的时空动态的基本任务仍是有效森林管理的基础。同样重要的是实施设计良好的管理干预措施，将水资源无缝融入更广泛的森林管理框架中。土壤水可用性本质上受森林覆盖、林分密度和垂直结构、物种组成以及森林林分在流域内的空间排列影响 (Zhang et al., 2022)。因此，多功能森林管理必须明确解决森林 - 水相互作用，强调植被承载力的作用，并纳入考虑水相关生态系统功能的决策原则。这种综合方法确保了生态系统服务（特别是随空间和时间变化的水文服务）的持续提供，同时增强了变化环境条件下森林景观的韧性和适应能力 (Wang et al., 2017; Ferraz et al., 2021)。

森林在调节水文过程中发挥着基础作用，尽管这些影响的幅度和方向取决于森林范围、空间配置、气候条件和生态系统特征 (Malmer et al., 2010; Carvalho-Santos et al., 2014; Vose et al., 2016; Zhang et al., 2017)。通过增强入渗、增加土壤水储存、减少地表径流和促进地下水补给，森林有助于径流调节和整体流域稳定性。因此，森林景观通常比替代土地利用提供更清洁和更可靠的水资源，特别是当可持续管理时。然而，森林的水文效益在不同景观中并不均匀。Zhang 等人 (2017) 表明，森林变化对水文过程的影响因空间尺度、气候、森林类型和水文制度而异。同样，Meli 等人 (2024) 报道，原生林转化可使入渗减少 50% 以上，增加地表径流，并改变蒸散发模式，而使用原生物种恢复可以逆转这些影响并增强生态系统韧性。

除了森林覆盖的影响外，森林景观的空间排列和完整性日益被认为是对生态系统服务提供的关键决定因素。自然植被的破碎化、退化和孤立会削弱生态连通性，并降低生态系统提供水文和非水文服务的能力。例如，破碎化的绿地显示出较低的冷却效率，导致更强的地表温度效应，并降低了缓解城市热压力的有效性 (Wan et al., 2004; Sheng et al., 2017; Basu and Das, 2023)。同样，森林土地利用和景观结构的变化可能会严重影响水文服务提供和保护优先级。Fan 等人 (2016) 在空间保护规划框架中整合了多种水文生态系统服务，包括水产量以及养分和沉积物保持，并表明替代的土地利用和气候情景显著影响水文重要区域的分布和优先级。同样，Zabihi 等人 (2025) 应用 InVEST 模型通过整合土地利用、气候、地形和土壤数据评估了水产量生态系统服务，突出了空间明确分析对流域尺度规划和管理的重要性。总之，这些研究强调了森林景观的范围和空间配置对于维持水文过程和生态系统服务至关重要，强调了将空间知情的生态系统服务评估明确纳入森林管理和保护规划的需要。

随着社会越来越依赖森林进行淡水供应、水电发电、洪水缓解和气候适应，森林 - 水相互作用日益被认为是需要系统评估和管理的生态系统关键服务。常用指标包括降水、地表径流、基流、沉积物流失和养分输出 (Maes et al., 2013; Caldwell et al., 2023)，这些与林分属性（如断面积、冠层闭合度、物种组成、干密度、木材蓄积量和叶面积指数）密切相关 (Tecle et al., 1998; Kucuker and Baskent, 2010; Baskent and Kucuker, 2010; Keles and Baskent, 2011)。此外，水质评估通常关注不同土地利用的氮和磷排放，强调了需要进行空间明确的流域尺度管理以解决养分动态的异质性并改善水质结果 (Mockler et al., 2017; Lei et al., 2021)。

尽管对森林的水文作用进行了广泛研究 (Carvalho-Santos et al., 2014; Hallouin et al., 2018; Esquivel et al., 2020; Baskent, 2021; Shrestha and Nepal, 2022)，但更广泛的水相关生态系统服务表征和操作化整合仍未得到充分发展。现有研究大多集中在量化、估值或绘制单个水文服务的地图上，而相对较少提供同时整合空间、生态、水文和管理维度的综合评估 (Sun et al., 2017; Esen et al., 2023; Lundmark et al., 2024)。虽然近年来生态水文模型、生态系统核算和空间评估的进步改善了对森林 - 水相互作用的理解，但在将这些科学成果转化为实际森林管理决策和规划框架方面仍存在重大挑战 (Ovando and Brouwer, 2019; Sun et al., 2023; Rodrigues et al., 2021; Xu et al., 2022; Ha et al., 2023)。这一局限性在土耳其等国家尤为关键，由于陡峭的地形、脆弱的土壤、密集的土地利用和日益增加的气候相关干扰，土壤侵蚀、水资源短缺和流域退化继续构成重大环境挑战 (G?kbulak et al., 2018; General Directorate of Combating Desertification and Erosion, 2019)。一个主要的研究空白在于缺乏导向规划的框架，明确将水文生态系统服务转化为森林管理目标、林业抚育措施和空间差异化战略。虽然 Creed 等人 (2011, 2019) 强调了基于流域边界、水文特征和生态系统过程的水文知情森林规划的需求，但大多数研究仍保持描述性或评估导向，专注于记录水资源和生态系统服务价值，而不是将它们嵌入操作规划系统中。最近的综述同样强调了在气候变化和水需求增加背景下，生态水文模型、决策支持系统和社会生态考虑在森林流域管理中的有限整合，尽管它们的重要性日益增加 (Sun et al., 2017; Ovando and Brouwer, 2019; Sun et al., 2023)。因此，森林管理计划仍然通常在不针对水文功能最关键区域（如淡水供应、地下水补给、洪水调节、沉积物保持和水质保护）量身定制适当管理处方的情况下制定。水文科学与森林规划之间的这种脱节削弱了管理系统保护水相关生态系统服务和增强景观韧性的能力。因此，解决这一差距对于推进明确纳入森林 - 水 - 人关联的综合和适应性森林管理方法，并支持生态系统和人类福祉的长期可持续性至关重要。

本研究旨在通过深入分析和评估土耳其安塔利亚孔亚阿勒蒂森林规划单位（FPU）内蓝色基础设施的状况来弥合这一差距。这将通过使用 InVEST 模型表征水文资源，通过地理信息系统（GIS）的空间分析功能定位这些资源的空间位置，并与专家和关键利益相关者合作制定合适的森林管理处方来实现。通过这一探索，我们寻求全面理解森林生态系统固有的水文特征和功能，最终目标是制定和提出明智的林业抚育管理处方。这些处方将经过战略设计，以符合基于生态系统的多种用途森林管理规划方法（即综合森林管理），并针对案例研究区域的独特特征进行调整。

本研究表明，通过对可亚尔提州营林区（Konyaalt? FPU）内的蓝色基础设施实施针对性的定制化管理干预，可以为有效且可持续的森林管理实践提供贡献。

**案例研究区**

库纳尔提州立林业公司位于土耳其安塔利亚省（见图1），总面积为96,262公顷，其中65%（62,466公顷）为林地，其余35%（33,796公顷）为其他土地类型，如农业用地、湿地和牧场。其中，有相当比例（32%，即19,775公顷）的森林生态系统被归类为退化区域，其特征为冠层闭合度低于10%。主要树种为土耳其松（*Pinus brutia*）、安纳托利亚松（*Pinus nigra*）和石灰岩松（*Pinus*）。

**水文特征评估**

评估研究区域的水文特征至关重要，因为支撑生态系统特征的生物物理结构构成了生态过程和人类福祉的基础（Potschin和Haines-Young，2011）。在本案例研究区，K?rkg?z泉水是最主要的水资源，并因此在森林管理计划中被指定为保护区，以保护其关键的水文功能（UTTA，1995）。然而，长期的水文退化趋势已导致水源质量下降和流量减少。

**讨论**

本研究将土壤侵蚀与产水量评估相结合，以确定森林景观中的水文风险等级，为制定针对性的管理方案奠定了基础。本研究制定了针对林分水文功能的定制化疏伐策略，旨在提高产水量的同时减少土壤流失。空间分析表明，研究区域的整体持水能力低于75%的临界阈值，表明土壤持水能力有限，亟需通过生态工程措施进行恢复。

**结论**

本研究阐明了将水文生态系统服务明确纳入森林管理规划的必要性和可操作性。通过结合土壤侵蚀与产水量评估，我们划分了水文风险等级，并确定了需要实施定向疏伐干预的空间热点区域。整个流域的持水能力被发现在75%的临界阈值以下，表明土壤持水功能存在结构性限制，亟需通过森林管理措施进行干预和改善。

**作者贡献声明**

Emin Zeki Baskent：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、方法论、正式分析。Zekiye ?etinkaya：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、调研、正式分析、数据管理、概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的可能影响本论文所报告工作的财务利益或个人关系方面的竞争利益。

**致谢**

我们感谢AN?EO公司专家和土耳其国家林业总局工作人员在实地工作中提供的协助以及对森林数据库的开放，同时感谢匿名审稿人提供的宝贵意见和建议。

Emin Zeki Baskent | Zekiye ?etinkaya

隶属于捷克生命科学大学林学与木材科学学院；斯洛文尼亚卢布尔雅那大学生物技术学院林业与可再生资源研究系，Ve?napot 83, Ljubljana, Slovenia