吉林省白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估

管清成，徐麗娜，趙忠林，宋彥彥，張 言，李英愛

（1.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院，吉林 長春 130022；2.吉林松江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，吉林 長春 130022）

森林生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(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、森林游憩等多種生態(tài)服務(wù)功能，可為人類創(chuàng)造諸多福祉，對維護改善區(qū)域生態(tài)平衡至關(guān)重要[1-2]。當(dāng)前，在全球氣候變化的背景下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估已由原來的探求社會環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)）的相關(guān)性分析，進一步擴展到森林生態(tài)系統(tǒng)自身的各項服務(wù)功能認識上。因此，如何客觀合理量化森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，進而分析社會價值成果背景下的環(huán)境變化，是當(dāng)今全球范圍內(nèi)的研究熱點問題之一[3]。

森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估是運用生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)與社會學(xué)原理，與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以直觀的貨幣形式反映森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。生態(tài)模型法和價值轉(zhuǎn)換法是其較為常見的評估方法[4]。近年來，國外眾多研究人員基于“3S”技術(shù)相繼開發(fā)了多種（如InVEST 模型[5]、GUMBO模型[6]、IBIS 模型[7]、ARIES 模型[8]）適合大尺度范圍評估森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的模型，這些模型均需要大量評估數(shù)據(jù)與校正數(shù)據(jù)來調(diào)試模型在某一區(qū)域的適應(yīng)性，但因其子模型的復(fù)雜性，對數(shù)據(jù)要求高，存在模擬精度較低等不足之處有待完善[9]；以實際市場法和替代市場法為代表的價值轉(zhuǎn)化法，是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的常用方法。分布式測算[10]以此方法原理為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)定位研究站所監(jiān)測到的水文、土壤、氣象等多方面的連續(xù)數(shù)據(jù)，具有獲取評估參數(shù)更快、更準(zhǔn)的特點。因此，隨著評估方法的不斷改進與完善，在國家林區(qū)所頒布的統(tǒng)一規(guī)范下[11]，國內(nèi)對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估開展了多項研究，使不同區(qū)域的評估結(jié)果有了更多的橫向比較。而目前以國家尺度[12-13]或省級尺度[14-18]相關(guān)專著文獻較多，自然保護區(qū)[19-21]與市縣級尺度[22-26]也有相關(guān)報道，但區(qū)域小尺度研究特別是東北林區(qū)的相關(guān)研究較少[27-28]。

白石山林業(yè)局作為東北地區(qū)重要的國有林區(qū)，天然林資源分布集中，具有完整的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)。鑒于其生態(tài)區(qū)位的重要性，本研究基于白石山林業(yè)局森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和吉林松江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站監(jiān)測數(shù)據(jù)，以《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范（LY/T 1721—2008）為依據(jù)，對白石山林業(yè)局森林生態(tài)服務(wù)功能價值進行評估，旨為該地區(qū)實行科學(xué)的森林經(jīng)營提供參考依據(jù)，推動國有林區(qū)生態(tài)效益科學(xué)量化補償機制和生態(tài)GDP 核算體系的構(gòu)建。

1 研究區(qū)概況

白石山林業(yè)局地處吉林省東部山區(qū)，該區(qū)為威虎嶺、張廣才嶺延伸部分，地理坐標(biāo)127°22′～127°52′E，43°17′～43°51′N（圖1），地形多為臺地和雞爪埠地。平均海拔高為600 m，最高海拔1 283.6 m，最低處海拔320 m。土壤以暗棕壤為主。該地區(qū)處于半濕潤溫帶大陸性氣候區(qū)。年平均氣溫為3.8℃。降水多集中在7、8月份，年平均降水量720 mm。全年無霜期110～120 d，林木生長期120 d 左右。植被類型屬于長白山植物區(qū)系，主要樹種有紅松Pinus koraiensis、紅皮云杉Picea koraiensis、魚鱗云杉Picea jezoensis、白樺Betula platyphylla、蒙古櫟Quercus mongolica、色木槭Acer mono、胡桃楸Juglans mandshurica和黃花落葉松Larix olgensis等；主要林下灌木有毛榛子Corylus mandshurica、刺五加Acanthopanax senticosus、五味子Schisandra chinensis、狗棗獼猴桃Actinidia kolomikta等。

根據(jù)白石山林業(yè)局森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)可知，2015年研究區(qū)的森林面積為127 273.2 hm2，活立木蓄積量17 511 674 m3，森林覆蓋率達95.67%。全局近熟林與成熟林的面積與蓄積量所占比重較大，中齡林也較多。對比分析在2004—2015年期間的森林資源數(shù)據(jù)可知（圖2），11 a 間林地面積減少了1 218.9 hm2，蓄積量增加了2 334 575 m3，增幅為15.38%。幼齡林和中齡林面積、蓄積減少，近熟林、成熟林、過熟林面積、蓄積都有所增加；近熟林面積、蓄積增加幅度最大。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)參數(shù)來源

1）物質(zhì)量的測算所需的評估參數(shù)主要由森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和松江源生態(tài)站野外監(jiān)測及室內(nèi)實驗獲得。包括降水量，蒸散量，土壤容重，土壤中的氮磷鉀有機質(zhì)含量，負離子濃度含量，吸收二氧化硫、氮氧化物、氟化物含量、滯納PM10、PM2.5等。

2）價值量的測算數(shù)據(jù)來源于我國權(quán)威機構(gòu)所公布的社會公共數(shù)據(jù)。本研究參照了2015年吉林省森林生態(tài)連清與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究與2014年退耕還林工程生態(tài)效益評估參數(shù)。主要數(shù)據(jù)包括水庫庫容造價、水質(zhì)凈化費用、挖取單位面積土方費用、固碳制造氧氣價格等。

圖1 吉林省白石山林業(yè)局地理位置Fig.1 Geographical position of Baishishan forestry bureau Jilin province

圖2 白石山林業(yè)局森林蓄積與面積的動態(tài)變化Fig.2 Changes of the forest volume and area in Baishishan forestry bureau

2.2 評估指標(biāo)與計算公式

依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》（LY/T 1721—2008）提供的方法與計算公式[11]（表1），結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)與室內(nèi)實驗實測數(shù)據(jù)，本研究選取了6 類項功能20 項指標(biāo)，定量計算分析了涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境和生物多樣性保護的物質(zhì)量與價值量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010 和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.0 對數(shù)據(jù)進行處理、計算、作圖分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的測算結(jié)果

物質(zhì)量結(jié)果：通過計算可知（表2），白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、保育土壤及固碳釋氧的物質(zhì)量較為可觀。參照相關(guān)專著[13]可知，白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水量占吉林市40.81 億m3總量的7.47%，占吉林省保護經(jīng)營局（白石山、黃泥河、八家子和安圖林業(yè)局）天然林資源保護工程實施后涵養(yǎng)水源量8.66 億m3的35.22%；固土量占吉林省保護經(jīng)營局固土量1 860.48 萬t 的17.20%，減少氮、磷、鉀及有機質(zhì)流失的總量為26.20 萬t，占吉林省保護經(jīng)營局127.38 萬t 的20.57%；固碳、釋氧量分別占吉林省保護經(jīng)營局固碳（89.88 萬t）33.05%、釋氧（226.78 萬t）30.98%。

表1 白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估指標(biāo)與計算公式Table 1 Evaluation indicator formula for assessing forest ecosystem services in Baishishan forestry bureau

價值量結(jié)果：經(jīng)計算可知，白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值量為111.39 億元（表2），占吉林市GDP 總量（2 455.20 億元）的4.54%。占2015年吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值8 432.42 億元/年[15]的1.32%。白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性保育在各項服務(wù)價值量中所占比例最高，占吉林省保護經(jīng)營局生物多樣性總價值73.97 億元[13]的54.85%。涵養(yǎng)水源功能價值位居第二，占吉林省保護經(jīng)營局森林涵養(yǎng)水源總價值59.81%。其他4 項森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻，從大到小依次為固碳釋氧、保育土壤、凈化大氣環(huán)境、林木積累營養(yǎng)物質(zhì)。其各項服務(wù)功能總價值量的分布趨勢與吉林省保護經(jīng)營局基本一致。

3.2 不同林型的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值量結(jié)果分析

不同林型的森林生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)功能價值量中（表3），闊葉混交林提供服務(wù)的價值量最大，占總價值量78.23%；其次為針闊混交林，占總價值量12.1%；提供價值量最小的林型為灌木林，僅為9.57 萬元。單位面積價值量分別為闊葉混交林＞柞樹林＞紅松林＞楊樹林＞針闊混交林＞胡桃楸林＞落葉松林＞樟子松林＞水曲柳林＞樺類＞云冷杉＞灌木林，這與不同樹種的植物特性、林分凈生產(chǎn)力和森林面積均存在較大關(guān)系[18-19]。

表2 白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能測算結(jié)果Table 2 Evaluation of forest ecosystem services in Baishishan forestry bureau

表3 白石山林業(yè)局不同林型森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量評估結(jié)果Table 3 Value of forest ecosystem services of different forest types in Baishishan forestry bureau 108元·a-1

3.3 不同林齡的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值結(jié)果分析

由表4可知，各林齡的服務(wù)功能價值總量占總服務(wù)功能價值的比列依次為成熟林32.79%＞近熟林29.54%＞中齡林21.87%＞幼齡林10.43%＞過熟林5.37%。除保育土壤功能外，成熟林所提供的其他幾項功能服務(wù)價值量均高于其它林齡，這與露水河林區(qū)森林森林生態(tài)系統(tǒng)不同林齡的保育土壤價值量分布趨勢基本一致。不同林齡的森林生態(tài)系統(tǒng)保育土壤價值存在的差異，與其林下植被對土壤肥力的保護有關(guān)。過熟林的森林面積雖然較小，但是其單位面積所提供的服務(wù)功能價值量較高，僅低于成熟林單位面積所提供的服務(wù)價值0.82 萬元，這與過熟林隨著林分蓄積的增長、林冠結(jié)構(gòu)、枯落物厚度及土壤結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)有關(guān)。

表4 白石山林業(yè)局不同林齡的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量評估結(jié)果Table 4 Value of forest ecosystem services of different forest age in Baishishan forestry bureau 108元·a-1

3.4 白石山林業(yè)局的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在吉林省的價值分析

由表5可知，生物多樣性保育價值：白石山林業(yè)局（36.42%）＞露水河林業(yè)局（21.23%）＞吉林省（18.22%）。這是因為吉林省森林資源分布不均，由東向西森林率概率呈遞減趨勢[29]。而白石山林業(yè)局處于吉林省長白山東部山區(qū)，區(qū)內(nèi)蘊藏著許多我國北方區(qū)系種類和珍稀古樹，其瀕危指數(shù)、特有種指數(shù)及古樹指數(shù)均較高。涵養(yǎng)水源價值：吉林?。?5.84%）＜白石山林業(yè)局（33.84%）＜露水河林業(yè)局（51.66%）。這是因為白石山與露水河林業(yè)局的典型植被均以天然闊葉混交林與針闊混交林為主，林下植被類型復(fù)雜，蒸散量較小，對大氣降水有很好的截留、吸收和貯存作用，地表徑流得到有效調(diào)節(jié)。因此，白石山林業(yè)局的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在吉林省的生態(tài)功能價值中占有重要地位。

表5 吉林省不同地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值量?Table 5 Value of forest ecosystem service function in different areas of Jilin province 108 元·a-1

4 結(jié)論與討論

4.1 白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征

1）白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中，是以生物多樣性保育和涵養(yǎng)水源功能為主。與省級尺度下黑龍江省[16]森林生態(tài)連清與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究、遼寧省退耕還林工程生態(tài)效益的研究結(jié)果基本一致。從黃龍生等[30-31]的研究中了解到，天保工程實施后，東北和內(nèi)蒙古重點國有林區(qū)的保育土壤功能得到了有效的提升。所以，隨時間推移，該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)保育土壤的效益與作用將會更加明顯。森林游憩方面，該地區(qū)目前的旅游開發(fā)處于初級階段，所創(chuàng)造的價值較低，2015年森林游憩僅117.8 萬元，占總價值量111.39億元的份額甚??；森林防護方面，由于白石山林業(yè)局所發(fā)揮的農(nóng)田防護與防風(fēng)固沙效益很小。因此，這兩項功能并未計入白石山林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值量。

2）不同林型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中，闊葉混交林與針闊混交林的服務(wù)功能發(fā)揮了主要作用。這與劉勝濤對泰山不同林分類型生態(tài)服務(wù)價值以松柏林和櫟林為主、闊葉混交林價值最低的結(jié)果相反。原因是不同地區(qū)的典型植被不同，由于環(huán)境、土壤理化性質(zhì)的差異，植被的適應(yīng)性不同。適應(yīng)性較強的植被逐漸演替為該地區(qū)的主要森林植被類型，其生態(tài)服務(wù)功能隨之表現(xiàn)較高。但與王慧等[32]對長白山森工集團天保工程生態(tài)效益變化及張志旭[33]對河北靈霧山自然保護區(qū)的研究結(jié)果一致。這是因為長白山林區(qū)原始天然闊葉混交林與針闊混交林較多，對水熱條件的良好適應(yīng)性使其蓄積量較大、林分凈生產(chǎn)力較大，枯落物層對土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)的增加作用較強，所以相應(yīng)的各項服務(wù)功能價值也遠遠大于其他林型。

各齡組中，成熟林價值量最高。而劉勝濤等[19]對泰山的研究中是以中齡林價值最高。這主要由于不同區(qū)域的森林植被演替與經(jīng)營時間有所差異。泰山大部分植被種植于20世紀(jì)五六十年代，而白石山林業(yè)局的森林資源多為原始林，成熟林林木處于生長旺盛期，一部分近熟林自然生長為成熟林，因此成熟林所創(chuàng)造的價值量最高，近熟林其次。雖然過熟林的價值量最低，但其單位面積的價值量較高。

4）吉林省的主要生態(tài)地理區(qū)域是由東部長白山林區(qū)、中部農(nóng)林復(fù)合區(qū)、西部荒漠化及濕地組成。白石山林業(yè)局所處的東部地區(qū)水熱條件好，森林植被覆蓋率高，林木生長量高，這些因素使該地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)功能較強。但由于森林生態(tài)系統(tǒng)是一個動態(tài)的、不斷進行群落演替的過程，短時間尺度的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的局限性，對測算結(jié)果的精確性有一定的影響。此外，森林生態(tài)系統(tǒng)具有一定的空間異質(zhì)性，相同的森林生態(tài)系統(tǒng)在不同立地條件及社會經(jīng)濟背景下，其服務(wù)功能價值也存在一定的差異。因此，為更加準(zhǔn)確科學(xué)的進行價值評估研究，需長時間監(jiān)測、實時更新各指標(biāo)的生態(tài)參數(shù)，并且針對各項功能指標(biāo)測算所引用公共數(shù)據(jù)參數(shù)有待進一步細化。

4.2 區(qū)域小尺度的評估方法與展望

本研究所采用的評估方法，對規(guī)范中的一些方法進行了修正和完善。如引進森林生態(tài)功能修正參數(shù)[31]，對評估所需生物量的參數(shù)進行修正；在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)量向價值量轉(zhuǎn)換過程中，一些服務(wù)功能價值測算所需的價格參數(shù)并不是當(dāng)年的實際價格參數(shù)，又利用貼現(xiàn)率[34]換算成當(dāng)年的價格參數(shù)。然后通過松江源生態(tài)站的定位觀測與實驗及同一時間段的森林生態(tài)資源二類野外調(diào)查的高效結(jié)合，使在小尺度下的森林生態(tài)服務(wù)功能價值評價研究所需的一手實驗參數(shù)難度、評價時間和成本等因素得到了有效解決。最后按照分布式測算方法進行逐級測算，將最小測算單元細化到林齡。運用遙感ArcGIS 技術(shù)手段，進行由點到面的數(shù)據(jù)尺度轉(zhuǎn)換。將點上以小班為單位的實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至面上測算數(shù)據(jù)，由此得到本次匯總單元的測算數(shù)據(jù)。這種方法充分考慮到了不同區(qū)域、不同尺度的森林植被特征，使評估結(jié)果的客觀性與可利用性得到了提高。

此外，森林生態(tài)系統(tǒng)價值評估方法還存在另一種估算方法，即在上文所提到的需要輸入必要參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的模型估算法。從李麗等[4]對生態(tài)模型法的功能、適用范圍、優(yōu)缺點的詳細說明總結(jié)、及黃從紅等[35]對評估模型的數(shù)據(jù)參數(shù)需求及評估結(jié)果的不確定性的討論，可以看出這些由國外研發(fā)機構(gòu)研發(fā)的模型，在我國存在模型原理不適用等問題。因此，要實現(xiàn)通過模型反演來驗證不同區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估結(jié)果的可信性，尚需進行深入研究。