區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估

魏 冬，楊 陽(yáng)，倪細(xì)爐，李志剛，李 龍

(1.寧夏林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，寧夏 銀川 750001；2.種苗生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750004；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，為人類(lèi)社會(huì)提供各種生態(tài)產(chǎn)品，森林對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的維持和改善起著至關(guān)重要的作用[1-3]?，F(xiàn)如今，生態(tài)環(huán)境日益惡化，人們意識(shí)到森林生態(tài)系統(tǒng)的重要性，從而森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)成為生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)之一。對(duì)于寧夏回族自治區(qū)而言，干旱的氣候以及特殊的地理位置決定了其脆弱的生態(tài)環(huán)境[4]。寧夏地區(qū)氣候干旱、降雨稀少、風(fēng)大沙多，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估對(duì)寧夏地區(qū)的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。本研究從物質(zhì)量和價(jià)值量2個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)寧夏回族自治區(qū)的森林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了效益評(píng)價(jià)，以貨幣的形式更加直觀地展現(xiàn)森林服務(wù)功能的價(jià)值，可以提高人們的生態(tài)文明意識(shí)，繼而進(jìn)一步提升寧夏地區(qū)森林資源的保護(hù)，為省級(jí)的生態(tài)GDP核算提供技術(shù)支撐[5-6]。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)處于黃河上游，位于我國(guó)西北東部，處于黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶。地理坐標(biāo)104°17′-107°39′E，35°14′-39°23′N(xiāo)。寧夏南部黃土丘陵海拔2 000 m左右，中部臺(tái)地與山間平原1 300～1 500 m，北部平原1 100～1 200 m。土壤主要以灰鈣土和黑壚土為主。屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫5.3～9.9℃，年均降雨量166.9～647.3 mm，年均蒸發(fā)量2 512.6～1 432.3 mm，平均風(fēng)速1.8～3.0 m·s-1，年日照時(shí)數(shù)2 254.9～3 112.3 h，具有日照充足、輻射強(qiáng)、氣溫偏低、干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈等特點(diǎn)。主要植被類(lèi)型有針葉林、落葉闊葉林、落葉灌木、草原植被、草甸植被、沼澤水生植被、沙生植被等。本研究考慮到寧夏地區(qū)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組成，將主要森林類(lèi)型分為以下11個(gè)群組：落葉松(Larixspp.)(21 700 hm2)、云杉(Piceaasperata)(10 400 hm2)、油松(Pinustabulaeformis)(7 600 hm2)、柏類(lèi)(2 000 hm2)、華山松(P.armandii)(800 hm2)、樟子松(P.sylvestrisvar.mongholica)(400 hm2)、楊類(lèi)(Populus)(28 400 hm2)、櫟類(lèi)(Quercus)(11 200 hm2)、樺類(lèi)(Betula)(5 200 hm2)、軟闊(11 600 hm2)和硬闊(55 800 hm2)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)來(lái)源于2015年寧夏森林資源清查成果，寧夏林業(yè)研究院長(zhǎng)期觀測(cè)和研究資料，國(guó)家林業(yè)局發(fā)布的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估社會(huì)公共數(shù)據(jù)表等(表1)。

表1 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估社會(huì)公共數(shù)據(jù)Table 1 Social public data of forest ecological service functional assessment

注：以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范(LYT1721-2008)[7]。

2.2 評(píng)估指標(biāo)體系

本研究針對(duì)寧夏地區(qū)11個(gè)典型林分類(lèi)型(落葉松、云杉、油松、柏類(lèi)、華山松、樟子松、楊類(lèi)、櫟類(lèi)、樺類(lèi)、軟闊和硬闊)進(jìn)行森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估，包括涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保育土壤、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境和生物多樣性保護(hù)等6項(xiàng)功能12個(gè)指標(biāo)。

2.3 評(píng)估方法

2.3.1 涵養(yǎng)水源 本研究選用調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)2個(gè)指標(biāo)[8-9]，以反映寧夏森林的涵養(yǎng)水源功能。

2.3.1.1 年調(diào)節(jié)水量?jī)r(jià)值

U調(diào)=10C庫(kù)A(P-E-C)

(1)

式中，U調(diào)為森林年調(diào)節(jié)水量?jī)r(jià)值(元·a-1)；P為林外降水量(mm·a-1)；E為林分蒸散量(mm·a-1)；C為地表徑流量(mm·a-1)；A為林分面積(hm2)。

2.3.1.2 年凈化水量?jī)r(jià)值

U水質(zhì)=10KA(P-E-C)

(2)

式中，U水質(zhì)為森林年凈化水質(zhì)價(jià)值(元·a-1)。

2.3.2 固碳釋氧 本研究選用固碳、釋氧2個(gè)指標(biāo)反映森林固碳釋氧功能[10-11]。

2.3.2.1 年固碳價(jià)值

U固碳=1.63C碳R碳AB年

(3)

式中，U固碳為林分年固碳價(jià)值(元·a-1)；R碳為CO2中C的含量；B年為林分凈生產(chǎn)力(t·hm-2·a-1)。

2.3.2.2 年釋氧價(jià)值

U釋氧=1.19C氧AB年

(4)

式中：U釋氧為林分年釋氧價(jià)值(元·a-1)。

2.3.3 保育土壤 本研究選用固土和保肥2個(gè)指標(biāo)，以反映森林保育土壤功能。

2.3.3.1 固土價(jià)值

U固土=AC±(X2-X1)/ρ

(5)

式中：U固土為林分年固土價(jià)值(元·a-1)；X1為林地土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1)；X2為無(wú)林地土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1)；ρ為土壤容重(t·m-3)。

2.3.3.2 保肥價(jià)值

U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)

(6)

式中，U肥為林分年保肥價(jià)值(元·a-1)；N為森林土壤平均含氮量(%)；P為森林土壤平均含磷量(%)；K為森林土壤平均含鉀量(%)；M為森林土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)。

2.3.4 積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

U營(yíng)養(yǎng)=AB年(N營(yíng)養(yǎng)C1/R1+P營(yíng)養(yǎng)C1/R2+K營(yíng)養(yǎng)C2/R3)

(7)

式中，U營(yíng)養(yǎng)為林分氮、磷、鉀年增加價(jià)值(元·a-1)；N營(yíng)養(yǎng)為林木氮元素含量(%)；P營(yíng)養(yǎng)為林木磷元素含量(%)；K營(yíng)養(yǎng)為實(shí)測(cè)林木鉀元素含量(%)。

2.3.5 凈化大氣環(huán)境 在森林凈化空氣的功能方面，主要包括以下4個(gè)指標(biāo)。

2.3.5.1 年吸收SO2價(jià)值

U二氧化碳=K二氧化碳·A·Q二氧化碳

(8)

式中，U二氧化硫?yàn)榱址帜晡斩趸騼r(jià)值(元·a-1)；Q二氧化硫?yàn)閱挝幻娣e森林年吸收二氧化硫量(kg·hm-2·a-1)。

2.3.5.2 年吸收氟化物價(jià)值

U氟化物=K氟化物·A·Q氟化物

(9)

式中，U氟化物為林分年吸收氟化物價(jià)值(元·a-1)；Q氟化物為單位面積實(shí)測(cè)林分年吸收氟化物量(kg·hm-2·a-1)。

2.3.5.3 年吸收氮氧化物價(jià)值

U氮氧化物=K氮氧化物·A·Q氮氧化物

(10)

式中，U氮氧化物為林分年吸收氟化物價(jià)值(元·a-1)；Q氮氧化物為單位面積林分年吸收氮氧化物量(kg·hm-2·a-1)。

2.3.5.4 年阻滯降塵價(jià)值

U滯塵=K滯塵·A·Q滯塵

(11)

式中，U滯塵為林分年滯塵價(jià)值(元·a-1)；Q滯塵為單位面積林分年滯塵量(kg·hm-2·a-1)。

2.3.6 生物多樣性保護(hù)

U生物=S生·A

(12)

式中，U生物為林分年物種保育價(jià)值(元·a-1)；S生為單位面積年物種損失的機(jī)會(huì)成本(元·hm-2·a-1)。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能評(píng)估

3.1.1 涵養(yǎng)水源 森林涵養(yǎng)水源價(jià)值采用替代成本法來(lái)計(jì)算[6]。根據(jù)寧夏回族自治區(qū)林業(yè)研究院的觀測(cè)資料以及相關(guān)文獻(xiàn)[12]，得到各林種的蒸散率分別為：云杉林55%，落葉松80%，油松、樟子松71%，華山松74%，櫟類(lèi)69%，樺木71%，楊樹(shù)75%，軟闊林74%，硬闊林77%%(表2)，涵養(yǎng)水源總價(jià)值為148 359.554 2萬(wàn)元。

3.1.2 固碳釋氧 森林對(duì)碳素的固定是綠色植物通過(guò)光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣，并且以有機(jī)物的形式固定在植物體內(nèi)[13]。根據(jù)寧夏第9次森林資源清查成果得到不同森林類(lèi)型的年生長(zhǎng)量(表3)。通過(guò)式(3)和(4)來(lái)估算各種森林類(lèi)型固碳和釋氧量(表3)，固碳釋氧總價(jià)值為35 025.53萬(wàn)元。

3.1.3 保育土壤 森林憑借龐大的樹(shù)冠、深厚的枯枝落葉層及強(qiáng)壯的根系截留大氣降水，有效地固持土體，起到了保育土壤的作用[14]。根據(jù)黃委會(huì)水土保持局實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定寧夏自治區(qū)各植被類(lèi)型下寧夏無(wú)林地土壤侵蝕模數(shù)為30 t·hm-2·a-1(表4)。根據(jù)試驗(yàn)，泥沙的平均容重為1.2 t·m-3(表4)，保育土壤總價(jià)值為62 779.41萬(wàn)元。

表2 不同森林類(lèi)型的涵養(yǎng)水源價(jià)值Table 2 The value of water conservation in different forest types

表3 不同森林類(lèi)型的固碳釋氧價(jià)值Table 3 The value of carbon fixation in different forest types (×104元·a-1)

表4 不同森林類(lèi)型的保育土壤價(jià)值Table 4 The value of soil conservation in different forest types

3.1.4 積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 考慮到指標(biāo)操作的可行性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的含量，選用林木積累氮、磷、鉀指標(biāo)反映森林積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)功能[10,15]。不同森林類(lèi)型中林木中含氮、磷、鉀比重見(jiàn)表5，其中落葉松、云杉數(shù)據(jù)來(lái)源于謝會(huì)成[16]等的研究，油松、楊類(lèi)、華山松、樟子松、櫟類(lèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于潘成忠[17]等的研究，柏類(lèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于宋濤[18]等的研究，樺類(lèi)、軟闊、硬闊數(shù)據(jù)來(lái)源于孫穎[19]等的研究。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值為5 797.23萬(wàn)元。

3.1.5 凈化大氣環(huán)境 森林能有效吸收有害氣體和吸滯粉塵，從而起到凈化大氣的作用[20-21]。為此，本研究選取森林吸收SO2、吸收氟化物、吸收氮氧化物和滯塵4個(gè)指標(biāo)。根據(jù)寧夏林業(yè)研究院的測(cè)定數(shù)據(jù)，確定不同林分單位面積吸收SO2、氟化物、氮氧化物的能力以及滯塵能力(表6)。計(jì)算凈化大氣總價(jià)值為102 926.30萬(wàn)元。

表5 不同森林類(lèi)型積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值Table 5 The value of accumulate nutrients in different forest types

表6 不同森林類(lèi)型的凈化大氣價(jià)值Table 6 The value of pollution purification in different forest types (kg·hm-2·a-1),(×104元·a-1)

3.1.6 生物多樣性保護(hù) 森林是生物多樣性生存和發(fā)展的最佳場(chǎng)所，在生物多樣性保護(hù)方面有著十分重要的作用[9,22]。根據(jù)中國(guó)生物多樣性國(guó)情報(bào)告[23]，計(jì)算不同林分的Shannon-Wiener指數(shù)見(jiàn)表7，其生物多樣性保護(hù)價(jià)值量為160 300萬(wàn)元。

3.2 森林生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值量比較

2015年，寧夏回族自治區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值為515 188.07萬(wàn)元，單位面積森林服務(wù)功能價(jià)值為3.32萬(wàn)元·hm-2·a-1(表8)。6種服務(wù)功能價(jià)值量從大到小排序?yàn)椋荷锒鄻有员Ｗo(hù)> 涵養(yǎng)水源> 凈化大氣環(huán)境> 保育土壤> 固碳釋氧> 積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

6種服務(wù)功能價(jià)值量和所占比重分別為：生物多樣性：160 300萬(wàn)元，31.11%；涵養(yǎng)水源：148 359.55萬(wàn)元，28.80%；凈化大氣：102 926.31萬(wàn)元，19.98%；保育土壤：62 779.42萬(wàn)元，12.19%；固碳釋氧：35 025.55萬(wàn)元，6.80%；積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)5 797.24萬(wàn)元，1.13%(圖1)。

表7 不同森林類(lèi)型生物多樣性保護(hù)價(jià)值Table 7 Biodiversity conservation value according to different forest types

圖1 各種森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類(lèi)型價(jià)值比較Fig.1 Value comparison of different forest ecological service

3.3 森林生態(tài)系統(tǒng)不同林分類(lèi)型價(jià)值量比較

計(jì)算得出，寧夏回族自治區(qū)11種典型林分服務(wù)功能總價(jià)值大小排序?yàn)椋河查?楊類(lèi)>落葉松>軟闊>云杉>櫟類(lèi)>油松>樺類(lèi)>柏類(lèi)>華山松>樟子松；單位面積服務(wù)功能排序?yàn)椋喊仡?lèi)>樺類(lèi)>軟闊>云杉>樟子松>油松>櫟類(lèi)>華山松>落葉松>楊類(lèi)>硬闊。

11種林分提供的服務(wù)功能總價(jià)值和所占比重為：硬闊：141 080.73萬(wàn)元，27.38%；楊類(lèi)：88 657.18萬(wàn)元，17.21%；落葉松：77 057.66萬(wàn)元，14.96%；軟闊：48 763.55萬(wàn)元，9.47%；云杉：43 620.78，8.74%；櫟類(lèi)：41 647.72，8.08%；油松：31 762.54萬(wàn)元，6.17%；樺類(lèi)：27 158.59萬(wàn)元，5.27%；柏類(lèi)：10 880.41萬(wàn)元，2.11%；華山松：2 883.18萬(wàn)元，0.56%；樟子松：1 675.73萬(wàn)元，0.33%(圖2)。

圖2 不同林分森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值比較Fig.2 Value comparison of forest ecological service of differen forests

表8 寧夏回族自治區(qū)2015年森林生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值Table 8 The value of forest ecological service of Ningxia in 2015

4 結(jié)論與討論

寧夏回族自治區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)6項(xiàng)服務(wù)功能總價(jià)值為515 188.07萬(wàn)元，單位面積價(jià)值量為3.32萬(wàn)元·hm-2·a-1。6項(xiàng)服務(wù)功能中生物多樣性保護(hù)、涵養(yǎng)水源和凈化大氣所提供的價(jià)值和占總價(jià)值的79.89%，說(shuō)明這3項(xiàng)功能在寧夏森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值中占有十分重要的地位。其中，涵養(yǎng)水源功能對(duì)寧夏森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義，氣候干旱、降雨稀少，水資源匱乏成為制約寧夏發(fā)展的重要因素，而涵養(yǎng)水源所提供的價(jià)值較高，這對(duì)于寧夏地區(qū)水資源的調(diào)節(jié)和凈化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和生態(tài)支撐。

寧夏地區(qū)主要的森林類(lèi)型是硬闊、楊類(lèi)和落葉松，提供的服務(wù)功能總價(jià)值分別為141 080.73、88 657.18萬(wàn)元和77 057.66萬(wàn)元，占服務(wù)功能總價(jià)值比例分別為27.38%、17.21%和14.96%，這主要是由于這3種森林類(lèi)型的面積較大。而柏類(lèi)和樺類(lèi)的面積比例較小，但其單位面積提供的服務(wù)功能價(jià)值是排在前2位的，因此應(yīng)重視這2種林分地位與其發(fā)揮的生態(tài)效益。

在2015年，寧夏生產(chǎn)總值(GDP)為2 911.77億元，寧夏森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值為51.52億元，2015年服務(wù)價(jià)值量占全區(qū)生產(chǎn)總值的1.76%，這表明森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的生態(tài)支撐作用。但是，服務(wù)價(jià)值量的比重并不高，所以，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)森林自然資源的管理力度，合理開(kāi)發(fā)潛在的生態(tài)價(jià)值，以實(shí)現(xiàn)全區(qū)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究結(jié)合實(shí)際僅考慮了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的6項(xiàng)指標(biāo)，由于數(shù)據(jù)資料的缺乏，并沒(méi)有對(duì)防風(fēng)固沙、森林游憩以及提供負(fù)離子等方面作出評(píng)估，所以評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系的完善仍是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估的研究重點(diǎn)。而且本研究是以2015年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)寧夏森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量進(jìn)行評(píng)估與分析，缺乏對(duì)寧夏森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的動(dòng)態(tài)了解。因此，完善森林生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)評(píng)估、監(jiān)測(cè)體系，運(yùn)用合理的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的評(píng)估，進(jìn)而為寧夏地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)、森林可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

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