森林生態(tài)效益似乎不相關(guān)模型及其應(yīng)用1)

劉碩 馬建章 宗誠 戎可

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及對森林資源的開發(fā)利用，森林生態(tài)環(huán)境的價值越來越大，對國民經(jīng)濟的影響越來越廣。國內(nèi)外許多學(xué)者對此進行了廣泛的研究，但是計量的方法多種多樣，估計的數(shù)值相差懸殊，爭議較大。歐陽志云[1]等首次使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的“Service”一詞，20世紀末對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行一系列研究的是美國的Costanza研究團隊。影響最大的是Costanza R et al.[2]提出全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與自然資本價值的估算。但也有不少學(xué)者并不接受該論文的估計值，因為它比全球的GDP還要大。

國內(nèi)開始的研究比較晚。周曉峰[3]用假想市場法評價了黑龍江省森林的生態(tài)價值。郎奎建[4]等首次對10種森林生態(tài)效益進行了全面、系統(tǒng)的定義和計量。后來有許多學(xué)者對較小的地域范圍進行了森林生態(tài)效益的計量，如宋彩平[5]以黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究院江山嬌實驗林場為對象進行了研究，之后國內(nèi)掀起了研究森林生態(tài)效益的高潮[7-12]。

Looy V K et al.[13]在大地理尺度下河岸林對水生生態(tài)系統(tǒng)的效益進行了評價。Pedro H et al.[14]文化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對巴西大西洋森林生態(tài)恢復(fù)項目效益的影響提出了看法。Rudo F S et al.[15]對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)投資的效益進行了分析。

本文將以唐守正等[16]在近代統(tǒng)計模型中推導(dǎo)出的似乎不相關(guān)模型為理論基礎(chǔ)，根據(jù)森林特有的生物特性定義各種經(jīng)典的森林生態(tài)效益概念，加上影響森林生長的林分、氣象因素、地理位置因子等比較容易取得的自變量集，以森林的各種生態(tài)效益為因變量，構(gòu)造出復(fù)雜的森林生態(tài)效益的似乎不相關(guān)模型，然后估算帽兒山國家森林公園涵養(yǎng)水源、固土、吸收二氧化碳、凈化大氣、抑制風(fēng)沙等森林生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況

黑龍江帽兒山國家森林公園位于東經(jīng)127°30′～127°34′，北緯45°20′～45°25′，南北長30 km，東西寬26 km，總面積26 291 hm2，共劃分10個森林經(jīng)營施業(yè)區(qū)，156個林班和3 818個小班。

2 試驗方法

本文將利用2016年帽兒山國家森林公園第5次森林經(jīng)理調(diào)查最新數(shù)據(jù)庫，其森林資源見表1。

表1 帽兒山國家森林公園森林資源

(1)似乎不相關(guān)模型：假設(shè)一組隨機變量Y1，…，Yq，與一些因素之間滿足線性統(tǒng)計關(guān)系，即：

(1)

它的一般形式是：

(2)

式中：ei·=(ei1,…,eiq)。

(2)稱為似乎不相關(guān)線性模型[16]

森林生態(tài)效益似乎不相關(guān)模型：將森林生態(tài)效益因變量和自變量集聯(lián)合起來就可以寫成方程組。

(3)

式中：yi1表示森林樹冠截留水的年生態(tài)效益量(hm2·a-1)；yi2表示森林枯落物持水量(hm2·a-1)；yi3表示森林土壤非毛細管孔隙的貯水量的年生態(tài)效益量(hm2·a-1)；yi4表示森林固土量的年生態(tài)效益量(hm2·a-1)；yi5表示森林保肥量的年生態(tài)效益量(hm2·a-1)；yi6表示森林吸收二氧化碳的年生態(tài)效益量(m3·a-1)；yi7表示森林釋放氧氣的年生態(tài)效益量(m3·a-1)；yi8表示森林抑制風(fēng)沙的年生態(tài)效益量(hm2·a-1)。

F為定性變量，林分類反應(yīng)值：紅松林為1、針葉林為2、混交林為3、硬闊葉林為4、珍貴硬闊葉林為5、軟闊葉林為6；Z為定性變量，齡組反應(yīng)值：幼齡林為1、中齡林為2、成過熟林為3；Y為降水量(mm)；B為郁閉度(0，0.1，0.2，…，1)；D為經(jīng)度(°)；W為緯度(°)；H為海拔高(m)；其他為待估常數(shù)[17]。

(3)由整體擴散模型得到生態(tài)效益物理量：由森林生態(tài)效益的特性可知其測定難度較大，因此它的計量必須由樣本來估計總體，這個樣本可以不是隨機的，往往用的是生態(tài)定位站觀測值。其抽樣比要比森林資源小的多。

各種森林生態(tài)效益都存在多個因變量和多個自變量的相關(guān)關(guān)系，用這種多對多線性模型進行森林生態(tài)效益計量，滿足整體上相容、且具有獨立變量的模型稱為整體擴散模型。根據(jù)此定義分別建立了樹冠截留量、枯落物持水量、土壤毛細管孔隙貯水量、固土量、保肥量、吸收二氧化碳、凈化大氣、抑制風(fēng)沙的整體擴散模型。

其中：涵養(yǎng)水源的效益=樹冠截留量+枯落物持水量；固土效益=壤毛細管孔隙貯水量+固土量。

本文利用孫繼華[18]等建立的整體擴散模型，計算得到了帽兒山各施業(yè)區(qū)的森林生態(tài)效益物理量。

(4)森林生態(tài)效益貨幣模型。近年來，森林生態(tài)效益有進一步向社會學(xué)方向發(fā)展，它是森林生態(tài)效益向森林的選擇價值和存在價值上拓廣。例如：森林野生生物保護存在價值，無物理量；森林改善小氣候效益不好明確它是哪一種物理量；森林減輕水旱災(zāi)的效益不存在物理量，森林游憩效益和森林削減噪聲效益等找不到替代商品。

表2 帽兒山各施業(yè)區(qū)的森林生態(tài)效益物理量

森林在大氣環(huán)流的作用下，森林對生命和環(huán)境組成的地球生物圈提供間接的有利于人類的森林的選擇價值和存在價值，一般不具有可測定生態(tài)效益物理量、或物理量太多，找不到“替代商品”特征的森林野生生物保護，森林改善小氣候效益等公益效能稱為廣義的森林生態(tài)效益。

第一類貨幣量構(gòu)造模型：

Ei(t)=∑Pj×Rj×Cj×Yij(t)×Sij(t)，i=1，2，…，6。

(4)

式中：Ei為森林涵養(yǎng)水源、固土、保肥、吸收二氧化碳、凈化大氣、森林抑制風(fēng)沙的貨幣量；Pi為有效面積系數(shù)；Ri為市場逼近系數(shù)；Ci為替代商品價格；Yij為森林生態(tài)效益因變量(物理量)；Sij為某森林資源向量；t為時間；∑為指按林分小班j求和[19]。

森林生態(tài)效益的第一類貨幣量構(gòu)造模型參數(shù)見表3。

表3 森林生態(tài)效益的第一類貨幣量構(gòu)造模型參數(shù)

第二類貨幣量構(gòu)造模型：產(chǎn)生的原因是它的森林生態(tài)效益物理量不存在或不好找替代商品。包括森林改善小氣候、堅強水旱災(zāi)、游憩資源、野生動植物保護、減少噪聲等。第二類貨幣量構(gòu)造模型見表4。

表4 森林生態(tài)效益的第二類貨幣量構(gòu)造模型參數(shù)

3 結(jié)果與分析

利用2016年帽兒山國家森林公園第5次森林經(jīng)理調(diào)查數(shù)據(jù)庫計算得到的森林生態(tài)效益貨幣量見表5。

由表5可知：黑龍江帽兒山國家森林公園的森林生態(tài)效益貨幣量每年為18 827萬元人民幣，涵養(yǎng)水源為4 446萬元，固土為1 755萬元，保土為1 583萬元、吸收二氧化碳為4 377萬元，凈化大氣為5 176萬元，抑制風(fēng)沙為379萬元。廣義生態(tài)效益包括改善小氣候、減輕水旱災(zāi)、游憩、野生生物保護、削減噪聲的效益分別是160、335、59、528、29萬元。

表5 帽兒山國家森林公園森林生態(tài)效益貨幣量

作者還分別計算了涼水國家自然保護區(qū)和黑龍江松花江林管局國有林的森林生態(tài)效益[20]。帽兒山國家森林公園的面積是22 720 hm2，森林生態(tài)效益貨幣量每年為18 827萬元人民幣，松花江管局國有林的面積是2 056 544 hm2，森林生態(tài)效益貨幣量每年為1 021 183萬元人民幣,而涼水國家自然保護區(qū)的面積只有6 334 hm2，每年總的森林生態(tài)效益是9 431萬元人民幣。按單位面積計算，每公頃每年的森林生態(tài)效益由大到小為涼水國家自然保護區(qū)(1.488 9萬元)、帽兒山國家森林公園(0.828 6萬元)、松花江林管局(0.496 5萬元)。這些數(shù)據(jù)也說明森林生態(tài)效益的大小和森林的質(zhì)量緊密相關(guān)。

續(xù)(表5)

4 結(jié)論與討論

本文首次明確提出了經(jīng)典森林生態(tài)效益、廣義森林生態(tài)效益的概念。把森林涵養(yǎng)水源、森林保持水土、森林吸收二氧化碳、森林凈化大氣、森林抑制風(fēng)沙等有明確物理量的森林生態(tài)效益稱為經(jīng)典的森林生態(tài)效益，把沒有明確的或沒有物理量，或沒有市場替代產(chǎn)品的森林改善小氣候、森林游憩、森林野生生物保護和森林削減噪聲等效益擴充后稱為廣義森林生態(tài)效益。

首次利用森林經(jīng)理調(diào)查的數(shù)據(jù)進行森林生態(tài)效益的計量，先確定森林生態(tài)效益的系數(shù)，然后分別小班計算森林生態(tài)效益的物理量，然后利用物理量轉(zhuǎn)換系數(shù)得到經(jīng)典的森林生態(tài)效益，再使用第二類貨幣量模型估算廣義森林生態(tài)效益，最后累加各個小班的森林生態(tài)效益。

把“整體擴散”的概念引入到森林生態(tài)效益模型建立中，把多種森林生態(tài)效益統(tǒng)一到一個系統(tǒng)中。并用市場逼近系數(shù)、有效面積系數(shù)、物理量轉(zhuǎn)換系數(shù)等分別構(gòu)造了第一類貨幣量模型和第二類貨幣量模型，進行了森林生態(tài)環(huán)境效益的估算，大大降低了國內(nèi)外有爭議學(xué)者的估計過高的數(shù)值。

和國內(nèi)外同類研究相比，首次對森林生態(tài)效益分成了兩大類。即經(jīng)典森林生態(tài)效益和廣義森林生態(tài)效益。許多學(xué)者只給出了一個總的森林生態(tài)效益貨幣量值，我們用森林經(jīng)理調(diào)查的數(shù)據(jù)一個一個的小班計算累加得到，這樣的科學(xué)推測應(yīng)該更可信。技術(shù)路線上，我們采取以現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)的似乎不相關(guān)模型為基礎(chǔ)，然后推出森林生態(tài)效益似乎不相關(guān)模型，把“整體擴散”概念引入，最后進行森林生態(tài)效益貨幣量的估算。