湘西土家族苗族自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價

劉年元， 田育新， 劉 博， 張 鵬， 鐘少偉，李典軍， 宋慶安， 陳晨甜， 龔發(fā)武

(1.湘西土家族苗族自治州林業(yè)局， 湖南 吉首 416000； 2.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004； 3.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 湖南 慈利 427200； 4.龍山縣林業(yè)局， 湖南 龍山 416800； 5.瀘溪縣自然資源局，湖南 瀘溪 416100)

公益林作為改善生態(tài)環(huán)境建設的重要組成部分，對其質量和生態(tài)服務功能價值進行全面評價一直以來是研究的熱點問題。生態(tài)系統(tǒng)服務功能最早于1997年由Daily提出，并將全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能劃分為大氣調節(jié)、水分供給、養(yǎng)分循環(huán)、遺傳、休閑等功能[1]，Costanza[2]以貨幣形式直接估算了1997年全球生態(tài)系統(tǒng)服務總價值，這對于生態(tài)系統(tǒng)服務功能研究具有里程碑意義。Costanza等[3]更新相關數(shù)據(jù)，于2011年再次估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；2015年，Hayha等[4]對意大利北部山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了評價和探索。我國也同步開展研究，如1999年歐陽志云[5]、蔣延玲[6]、李金昌等[7]對我國生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估及其方法進行了初步嘗試和研究；2004年趙同謙等[8]把我國森林生態(tài)系統(tǒng)的服務功能劃分為提供產品、調節(jié)功能、文化功能和生命支持功能四大類，并建立了多項功能指標體系。2008年，逐步形成并制定《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》[8]，包含了森林8大生態(tài)服務功能；2020年對該標準進行了修訂，增加了林木產品供給服務功能，在森林游憩功能中增加森林康養(yǎng)功能，修改為森林康養(yǎng)功能[9]。至此，國內開展了大量相關研究，研究尺度從國家[10-11]到省[12-13]、市[14]、縣[15-16]，區(qū)域范圍從行政區(qū)域[12-16]到流域范圍[17-18]，林分類型從天然林[15-19]到公益林[18]，生態(tài)系統(tǒng)類型涵蓋森林和濕地兩大類[14]。2020年，湖南省林業(yè)局對全省14個市州省級以上公益林生態(tài)服務功能物質量和價值量進行了評價。其中，湘西土家族苗族自治州公益林單位面積總價值量為10.68萬元·hm-2，居于全省第四[20]。然而，具體到縣級水平，其公益林質量及功能到底如何，未做深入分析和研究。因此，本研究以此為基礎，以湘西土家族苗族自治州各縣(市)為案例，估算湘西自治州縣(市)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質量和價值量，科學評估湘西自治州公益林質量和功能，為公益林保護建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湘西土家族苗族自治州(后簡稱湘西自治州)位于湖南省西北部，地理坐標介于109°10′—110°22.5′E，27°44.5′—29°38′N之間，地處湘、鄂、黔、渝四省市交界處，管轄7縣1市，即吉首市和瀘溪縣、鳳凰縣、花垣縣、保靖縣、古丈縣、永順縣、龍山縣。東西寬約170 km，南北長約240 km，土地總面積15 462 km2。氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。既水熱同季，暖濕多雨，又冬暖夏涼，四季分明，降水充沛，光熱偏少；光熱水基本同季，前期配合尚好，后期常有失調，氣候類型多樣，立體氣候明顯。年平均氣溫15.0～16.9 ℃，最高氣溫40.5 ℃，最低氣溫-5.5 ℃；年降雨量1 300～1 500 mm，無霜期250～280 d。

本研究只包括省級以上公益林，根據(jù)湖南省2017年公益林完善落界成果，湘西自治州省級以上公益林面積為47.79萬hm2，占湖南省公益林總面積的9.66%，其中，天然林為31.04萬hm2，占湘西自治州公益林面積的64.96%；人工林為16.75萬hm2，占湘西自治州公益林面積的35.04%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

湘西自治州公益林數(shù)據(jù)來源于湖南省2017年公益林完善落界成果和2019年湖南省省級以上公益林監(jiān)測評價面上固定樣地調查成果；湘西自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于國家林草局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(CTERN)和湖南省生態(tài)定位觀測網(wǎng)絡中心下屬的生態(tài)站長期定位監(jiān)測數(shù)據(jù)；社會公共數(shù)據(jù)來源及依據(jù)見“湖南省公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估”[20]。

2.2 研究方法

采用長期定位監(jiān)測研究技術和分布式測算方法，根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T1721—2008)，對湘西自治州省級以上公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能從物質量和價值量兩方面進行評價，包括8大功能11個指標，具體公式和參數(shù)說明詳見表1。其中，物質量由公益林數(shù)據(jù)和功能監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到，價值量由公益林數(shù)據(jù)、功能監(jiān)測數(shù)據(jù)和社會公共數(shù)據(jù)計算得到。

表1 公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質量和價值量評估公式及參數(shù)說明Tab.1 Evaluation formula and parameter explanation of the quality and value of public welfare forest ecosystem services功能類型功能指標指標類別計算公式參數(shù)說明年調節(jié)水量G調=10A·(P-E-C)·FG調-評價林分年調節(jié)水量(m3·a-1);P-實測林外降水量(mm·a-1);E-實測林分蒸散量(mm·a-1);C-實測地表快速徑流量(mm·a-1);A-評價林分面積(hm2);U調-評價林分年調節(jié)水量價值(元·a-1);C庫-水庫庫容造價(元·m-3);F-森林生態(tài)功能修正系數(shù);d-貼現(xiàn)率調節(jié)水量指標年調節(jié)水量價值U調=10C庫·A·(P-E-C)·F·d涵養(yǎng)水源功能年凈化水量G調=10A·(P-E-C)·FG調-評價林分年調節(jié)水量(m3·a-1);P-實測林外降水量(mm·a-1);E-實測林分蒸散量(mm·a-1);C-實測地表快速徑流量(mm·a-1);A-評價林分面積(hm2);U水質-評價林分凈化水質價值(元·a-1);K水-水的凈化費用(元·m-3);F-森林生態(tài)功能修正系數(shù);d-貼現(xiàn)率凈化水質指標年凈化水質價值U水質=10K水A·(P-E-C)·F·d年固土量G固土=A·(X2-X1)·FG固土-評價林分年固土量(t·a-1);X1-實測林分土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1);X2-無林地土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1);A-評價林分面積(hm2);U固土-評價林分年固土價值(元·a-1);C土-挖取和運輸單位體積土方所需費用(元·m-3);ρ-土壤容重(g·cm-3);F-森林生態(tài)功能修正系數(shù);d-貼現(xiàn)率固土指標年固土價值U固土=A·C土(X2-X1)·F·d/ρ保育土壤功能保肥指標年保肥量GN=A·N·(X2-X1)·FGP=A·P·(X2-X1)·FGK=A·K·(X2-X1)·FG有機質=A·M ·(X2-X1)·FGN-評價林分固持土壤而減少的氮流失量(t·a-1);GP-評價林分固持土壤而減少的磷流失量(t·a-1);GK-評價林分固持土壤而減少的鉀流失量(t·a-1);G有機質-評價林分固持土壤而減少的有機質流失量(t·a-1);X1-實測林分土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1);X2-無林地土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1);N-土壤含氮量(%);P-土壤含磷量(%);K-土壤含鉀量(%);M-土壤有機質含量(%);A-評價林分面積(hm2);U肥-評價林分年保肥價值(元·a-1);R1-磷酸二銨化肥含氮量(%);R2-磷酸二銨化肥含磷量(%);R3-氯化鉀化肥含鉀量(%);C1-磷酸二銨化肥價格(元·t-1);C2-氯化鉀化肥價格(元·t-1);C3-有機質價格(元·t-1);F-森林生態(tài)功能修正系數(shù);d-貼現(xiàn)率年保肥價值U肥=A·(X2-X1)·(N·C1R1+P·C1R2+K·C2R3+M·C3)F·d

3 結果與分析

3.1 各縣(市)不同起源公益林質量變化

湘西自治州省級以上公益林面積為47.79萬hm2，單位面積蓄積量為76.24 m3·hm-2[21]。各縣(市)公益林面積中永順縣最大(11.12萬hm2)，吉首市最小(2.78萬hm2)； 單位面積蓄積量中永順縣最高(84.68 m3·hm-2)，瀘溪縣最低(60.39 m3·hm-2)(見圖1)。

圖1 湘西自治州各縣(市)公益林面積、單位面積蓄積統(tǒng)計圖Fig.1 Statistical chart of area and unit area volume of public welfare forest in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

因公益林起源不同，單位面積蓄積量差異較大，從圖1可知，各縣(市)人工林單位面積蓄積量均明顯高于天然林，主要原因可能是人工林建群種多為速生樹種，其生長速度明顯快于天然林。龍山縣天然林單位面積蓄積量最高，但其公益林面積居于湘西自治州第二，說明湘西自治州各縣(市)中龍山縣天然林質量最好；而鳳凰縣人工林單位面積蓄積量最高，說明湘西自治州各縣(市)中鳳凰縣人工林質量最好。

3.2 各縣(市)不同起源公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質量評價

湘西自治州各縣(市)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質量評價結果如表2所示?？傮w來看，湘西自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總物質量為18.76億m3·a-1；固土總物質量為21 104.97千t·a-1，固定土壤氮、磷、鉀和有機質總物質量分別為22.60千t·a-1、5.72千t·a-1、214.33千t·a-1和388.77千t·a-1；固碳總物質量為864.12千t·a-1，釋氧總物質量為2 104.00千t·a-1；林木積累氮、磷和鉀總物質量分別為6.49千t·a-1、2.84千t·a-1和3.42千t·a-1；提供負離子總物質量為45.96×1023個·a-1，吸收污染物總物質量為88.61千t·a-1，滯塵總物質量為1 474.73千t·a-1。各指標基本占全省總量的1/10[20]。各縣(市)公益林不同生態(tài)服務功能的物質量隨著公益林面積的大小而變化，如永順縣公益林面積在湘西自治州占比最大，其各項指標的物質量也均占比最大。而單位面積物質量，則涵養(yǎng)水源、林木積累營養(yǎng)物質均以永順縣最高，保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣環(huán)境中生產負氧離子均以龍山縣最高，凈化大氣環(huán)境中吸收污染物及滯塵功能以古丈縣最高。

從表2還可以看出，因林分起源不同，各項生態(tài)服務功能的物質量也不相同。對于湘西自治州公益林來說，天然林高于人工林；對于各縣(市)來說，略有差異。與單位面積蓄積量類似，人工林單位面積物質量高于天然林。

3.3 各縣(市)不同起源公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量評價

湘西自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量為510.4339億元·a-1，約占全省總價值量(5 165.79億元·a-1)的9.88%。其中，涵養(yǎng)水源總價值量約占湘西自治州總價值量的49.06%，幾乎占了一半；生物多樣性保護、森林游憩總價值量位于第二、第三，分別占湘西自治州總價值量的17.17%、15.21%；固碳釋氧、保育土壤總價值量位于5%～10%之間；凈化大氣環(huán)境、林木積累營養(yǎng)物質總價值量最低，低于2%。

各縣(市)隨著公益林面積的大小和林分類型的不同，其生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量也差異較大，如圖2所示。永順縣、龍山縣、保靖縣公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量位列湘西自治州前三，約占了湘西自治州總價值量的3/5。對于不同生態(tài)服務功能來說，各縣也均是以涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護、森林游憩為主，與湘西自治州、湖南省保持一致[18]。

圖2 湘西自治州各縣(市)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量Fig.2 Total value of public welfare forest ecosystem services in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

各縣(市)單位面積價值總量略有不同，如圖3所示，其大小排序為鳳凰縣(13.209 2萬元·hm-2)>永順縣(11.108 0萬元·hm-2)>龍山縣(10.737 3萬元·hm-2)>古丈縣(10.590 3萬元·hm-2)>花垣縣(10.389 2萬元·hm-2)>保靖縣(10.0411萬元·hm-2)>瀘溪縣(9.740 2萬元·hm-2)>吉首市(9.635 5萬元·hm-2)。鳳凰縣的公益林面積湘西自治州排倒數(shù)第二，但其單位面積公益林價值總量湘西自治州第一，主要源于其單位面積森林游憩的價值量平均是其他縣(市)的4倍左右。除了鳳凰縣是以涵養(yǎng)水源、森林游憩功能為主，將近占到單位總價值量的70%左右，其余各縣均以涵養(yǎng)水源功能為主，基本占單位總價值量一半左右。

圖3 湘西自治州各縣(市)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能單位面積價值量Fig.3 Unit area value of public welfare forest ecosystem service function in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

由于林分起源不同，其生態(tài)服務功能價值總量及單位面積價值總量均表現(xiàn)出明顯差異，而森林游憩價值不分起源，故在此不納入比較。對于總價值量來說，湘西自治州天然公益林價值總量(277.314 1億元·a-1)將近是人工公益林(155.478 2億元·a-1)的2倍左右；且每項生態(tài)服務功能價值總量也均表現(xiàn)為天然林高于人工林，均以涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護、固碳釋氧功能為主，這與其物質量變化保持一致。然而，對于單位面積價值量來說，表現(xiàn)正好相反，除了生物多樣性保護功能以外，其他生態(tài)服務功能均表現(xiàn)為人工林高于天然林。并且，無論是總價值量還是單位面積價值量，各縣乃至湘西自治州公益林的生物多樣性保護功能均表現(xiàn)為天然林高于人工林，這與天然林生物多樣性高于人工林的規(guī)律保持一致。

從圖4可以看出，湘西自治州天然林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量以永順縣、龍山縣、保靖縣占比前三，分別為23.86%、20.82%、14.06%；而人工林以永順縣、保靖縣、瀘溪縣占比前三，分別為25.16%、18.45%、13.92%。并且，除了瀘溪縣公益林的涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質、凈化大氣環(huán)境功能，其余各縣公益林生態(tài)服務功能價值總量均表現(xiàn)為天然林高于人工林。但是，各縣(市)天然林、人工林不同生態(tài)服務功能價值量占比略有不同，如瀘溪縣、鳳凰縣天然林以涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護、固碳釋氧功能為主，而其人工林以涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保育土壤功能為主；其余各縣(市)人工林、天然林均與湘西自治州保持一致。

圖4 湘西自治州各縣(市)不同起源公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量Fig.4 Total value of ecosystem services of public welfare forest of different origins in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

從圖5可以看出，各項生態(tài)服務功能單位面積價值量除了生物多樣性保護功能以外，其他功能均表現(xiàn)為人工林高于天然林，與其總價值量表現(xiàn)正好相反，而與其單位面積物質量及單位面積蓄積量表現(xiàn)一致。對于天然林單位面積價值量來說，湘西自治州有3個縣高于湘西自治州平均水平(8.9339萬元·hm-2)，分別為永順縣(9.8375萬元·hm-2)、古丈縣(9.4747萬元·hm-2)、龍山縣(9.3028萬元·hm-2)，吉首市最低(7.6953萬元·hm-2)；而人工林高于湘西自治州平均水平(9.2847萬元·hm-2)的縣(市)分別為花垣縣(10.7375萬元·hm-2)、龍山縣(9.8865萬元·hm-2)、保靖縣(9.5442萬元·hm-2)，古丈縣最低(8.6191萬元·hm-2)。

圖5 湘西自治州各縣(市)不同起源公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能單位面積價值量Fig.5 Unit area value of ecosystem service function of public welfare forest with different origins in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

4 結論與討論

(1)湘西自治州省級以上公益林面積為47.79萬hm2，單位面積蓄積量為76.24 m3·hm-2，處于全省中等水平(76.85 m3·hm-2)[18]。其中，永順縣、保靖縣、古丈縣、龍山縣均處于全省較高水平(70 m3·hm-2<蓄積量≤90 m3·hm-2)；花垣縣、鳳凰縣、吉首市、瀘溪縣均處于全省中等水平(50 m3·hm-2<蓄積量≤70 m3·hm-2)。

(2)2019年湘西自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總物質量為涵養(yǎng)水源18.76億m3·a-1、固土21104.94千t·a-1、保肥631.4268千t·a-1、固碳864.12千t·a-1、釋氧2104.00千t·a-1、林木積累營養(yǎng)物質12.7569千t·a-1、提供負離子45.96×1023個·a-1，吸收污染物88.61千t·a-1，滯塵1474.73千t·a-1，基本分別占全省總物質量的1/10。各縣(市)公益林物質總量均以永順縣最高，這與其公益林面積最大和公益林質量最高息息相關。但是，各縣(市)公益林各項生態(tài)服務功能單位面積物質量表現(xiàn)不同，永順縣公益林以涵養(yǎng)水源和林木積累營養(yǎng)物質的能力最強，龍山縣公益林以保育土壤、固碳釋氧和生產負離子能力最強，古丈縣公益林以吸收污染物和滯塵的能力最強。

(3)湘西自治州公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量為510.4339億元·a-1，主要以涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護、森林游憩功能為主，三者之和約占總價值量的80%左右，尤其是涵養(yǎng)水源功能，幾乎占了一半；各縣(市)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量以永順縣、龍山縣、保靖縣排名前三。而公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能單位面積價值量各縣(市)以鳳凰縣最高，吉首市最低；不同生態(tài)服務功能同樣以涵養(yǎng)水源為主。這與湘西州降水充沛、森林覆蓋率高、地表地下水資源豐富有關。湘西自治州公益林的生物多樣性保護總價值量約占全省(815.605 8億元·a-1)的10.74%，在全省14個地級市中排名第三，這得益于《中國生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃(2011—2030年)》劃定武陵山脈為全國35個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域之一，有效保護了武陵山脈的生物多樣性。

(4)由于林分起源不同，無論是林分質量，還是物質量、價值量計算，湘西自治州以及各縣(市)公益林均表現(xiàn)出明顯差異，對于總量基本表現(xiàn)為天然林高于人工林，而對于單位面積量則表現(xiàn)為人工林高于天然林。這說明雖然湘西自治州天然林面積將近是人工林的兩倍，但其林分質量并不高，除了生物多樣性保護功能，其他生態(tài)服務功能尚未完全得到充分發(fā)揮，亟待加強撫育。對于湘西自治州各縣(市)來說，天然林單位面積價值量以永順縣最高、吉首市最低，人工林則以花垣縣最高、古丈縣最低，這說明湘西自治州各縣(市)中，永順縣的天然林質量最高、花垣縣的人工林質量最高。