崔亞琴, 樊蘭英, 劉隨存, 孫拖煥

山西省林業(yè)科學研究院, 太原 030012

森林是地球生物圈的重要組成部分,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體。森林不僅為人類社會提供各種人類生產(chǎn)生活所需要的物質(zhì)資源,更是維護生態(tài)平衡的重要調(diào)節(jié)器發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保育土壤、凈化空氣、防風固沙和生物多樣性保護等多種生態(tài)服務功能[1- 2]。目前,如何對森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行科學量化研究是擺在全球范圍內(nèi)的重要課題？只有對森林生態(tài)系統(tǒng)進行科學的價值評估,才能夠有效地指導森林資源的合理利用,為維護森林生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展提供有力保障,對于森林保護、森林可持續(xù)經(jīng)營以及生態(tài)補償意義重大[3- 4]。

1997年,Daily探討了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的定義及其價值特性,以及生態(tài)系統(tǒng)服務功能與生物多樣性的關系[5]。同年,Costanza按照IGBP土地利用類型覆蓋數(shù)據(jù),將全球生態(tài)系統(tǒng)進行分類,并將服務功能分為17個類別,在全球尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了評估[6]。但其存在一些不足之處：(1)服務功能邊界模糊,功能之間會產(chǎn)生重復計算的結(jié)果;(2)空氣調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源這樣的服務功能并沒有真實的進行市場交易,所以很難反應出其真實價格;(3)由于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估與以往的經(jīng)濟價格評估不同,涉及到社會、環(huán)境、經(jīng)濟等多重目標,所以很容易導致估值出現(xiàn)偏差。在1972年、1991年和2000年,日本農(nóng)林水產(chǎn)省林野廳對本國的森林植被類型的功能價值開展了三次評估[7- 8]。自2009年到2011年內(nèi),英國啟動了對生態(tài)系統(tǒng)的評估工作,把山水林田湖海納入到了一個共同的生態(tài)系統(tǒng)評估中去,對25項生態(tài)系統(tǒng)服務進行了評估[9]。盡管此評估工作和結(jié)果存在很多爭議,但為正確評價森林生態(tài)服務功能具有一定的參考價值,同時,也為今后如何評價森林在生態(tài)環(huán)境建設中的作用和生態(tài)補償機制研究提供了依據(jù)。

自20世紀80年代,我國就開展了森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估方面的研究工作。我國學者針對不同尺度和不同生態(tài)系統(tǒng)類型進行了功能價值的研究工作。1999年,蔣延玲和周廣勝根據(jù)我國第三次森林清查報告,對我國38種主要森林生態(tài)系統(tǒng)的公益價值進行評估[10]。2000年,陳仲新和張新時根據(jù)Costanza提出的方法對我國生態(tài)系統(tǒng)的功能與效益進行價值估算[11]。2001年,謝高地等對中國自然草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行研究[12]。2004年,趙同謙等人分析草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值,并提出評價指標[13]。隨后謝高地等人又對我國青藏高原、青海草原等地區(qū)和群落生態(tài)系統(tǒng)進行價值分析[14]?！吨袊稚鷳B(tài)系統(tǒng)服務評估》項目組,得出第七次(2004—2008年)[15]和第八次(2009—2013年)[16]全國森林資源清查期間的中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務總價值分別為10.01萬億元/年和12.68萬億元/年。近年來,我國大部分省份、城市及自然保護區(qū)都開展了森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的評價工作,對其森林生態(tài)效益的物質(zhì)量、價值量及生態(tài)GDP進行了核算,這對我們認清各個地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的地位和作用提供了科學的依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

由于研究者的研究內(nèi)容和側(cè)重點有所不同,采用的評估指標體系也不盡相同,因而,評價結(jié)果不具可比性。本文以中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T1606—2003《森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標體系》[17]和LY/T1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》[18]為依據(jù),結(jié)合山西省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和山西省森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測數(shù)據(jù),對山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行評估。以期科學、定量的評價山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能,提高人們的環(huán)境意識,為山西省林業(yè)政策與生態(tài)環(huán)境建設發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 自然地理概況

山西省地處黃土高原東部、黃河中游、海河上游,介于110°14′36″—114°33′24″E,34°34′48″—40°43′24″N,全省縱長約682 km,東西寬約385 km,土地總面積15.67萬km2。地處太行山與黃河中游峽谷之間,位于我國三大階梯狀地形上第二階梯中部的前緣地帶,巍然屹立于華北大平原的西側(cè),地勢由東北向西南傾斜。

在氣候類型上,山西屬大陸性季風氣候,內(nèi)長城以北地區(qū)屬溫帶半干旱氣候,內(nèi)長城至陽泉-太岳山-河津一線為暖溫帶半干旱氣候,其南為暖溫帶半濕潤氣候。具有冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨,春秋較為短促,時空溫差懸殊的氣候特點。全省各地年均溫介于4.2—14.2℃,總體分布趨勢為由北向南升高,由盆地向高山降低;全省各地年降水量介于358—621 mm之間,季節(jié)分布不均,夏季6—8月降水相對集中,約占全年降水量的60%,且省內(nèi)降水分布受地形影響較大。

1.2 森林資源概況

根據(jù)山西省2016年森林資源清查結(jié)果,山西省土地面積為1566.23萬hm2,林地面積為836.83萬hm2,占總面積的53.43%,森林面積為340.51萬hm2,森林覆蓋率為21.74%,活立木蓄積為15942.89萬m3,其中森林蓄積為13310.68萬m3,占83.49%。森林面積中,喬木林面積為251.69萬hm2,占森林面積的73.92%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1)依據(jù)LY/T1606—2003《森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標體系》[17],中國森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CFERN)開展的長期、連續(xù)、定位觀測研究,收集的數(shù)據(jù)集。按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》[18]中的評估方法和評估公式,對山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行評估。(2)山西省2016年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。(3)我國權(quán)威機構(gòu)公布的社會公共數(shù)據(jù)。(4)山西省2013—2017年進行的標準樣地調(diào)查、取樣、測定的數(shù)據(jù)。

2.2 評估方法

基于2016年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和50塊大樣地(1 hm2/塊)實測數(shù)據(jù),依據(jù)國家林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)服務功能評估規(guī)范》中的評估方法和評估公式(表1),將森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護和森林游憩等7項功能指標,應用分布式測算方法,將山西省分別分為大同市、晉城市、晉中市、臨汾市、呂梁市、朔州市、太原市、忻州市、陽泉市、運城市和長治市11個一級測算單元,每個一級測算單元又按優(yōu)勢樹種林分類型分別劃分成15個二級測算單元,每個二級測算單元按照不同起源劃分為天然林和人工林2個三級測算單元,每個三級測算單元再按齡組劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林5個四級測算單元,然后進行尺度轉(zhuǎn)換、計算和整合,對山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行評估。

3 結(jié)果與分析

3.1 山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的物質(zhì)量

2016年山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質(zhì)量、以及單位面積物質(zhì)量測算結(jié)果見表2。從表2中可以看出,各指標的物質(zhì)量測算結(jié)果主要有以下一些特點。

(1)山西省森林涵養(yǎng)水源物質(zhì)量為101.03億m3,全省平均單位面積涵養(yǎng)水源量為2028.02 m3/hm2。根據(jù)2016年《山西省水資源公報》[19]數(shù)據(jù)顯示：山西省水資源總量為134.14億m3,涵養(yǎng)水源物質(zhì)量相當于全省水資源總量的75.32%。由此可見,山西省森林生態(tài)系統(tǒng)可謂是“綠色-安全”的水庫,其對維護山西省地區(qū)的水資源安全起著十分重要的作用。

(2)保育土壤功能中,固土量最大,保持土壤肥力的能力次之。每年的總固土量為7.23億t/a,單位面積的固土量145.20 t hm-2a-1。在土壤保肥能力中,減少鉀損失量>有機質(zhì)>氮>磷,單位面積物質(zhì)量與其物質(zhì)量從高到低的順序一致。

(3)固碳釋氧功能中,山西省森林生態(tài)系統(tǒng)年固碳量762.88萬t,釋氧量1788.97萬t,單位面積年固碳量和釋氧量分別為1.53 t/hm2和3.59 t/hm2?！?016年山西統(tǒng)計年鑒》[20]統(tǒng)計結(jié)果顯示,山西省能源的消費總量是15958.30萬t標準煤,經(jīng)碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)[21]換算,可知山西省碳排放量為14493.10萬t,經(jīng)計算可知,山西省森林年固定碳量約為山西省年排放量的5.26%。盡管對抵消碳排放總量有限,與工業(yè)減排相比,森林固碳投資少、代價低、綜合效益大,更具有經(jīng)濟可行性和現(xiàn)實操作性。因此,提高森林生態(tài)系統(tǒng)價值,是節(jié)能減排的重要措施。

表1 山西省森林生態(tài)服務功能評估指標及公式

(4)林木積累營養(yǎng)物質(zhì)功能中,林木積累營養(yǎng)物質(zhì)量由高到低的順序為N>K>P,單位面積物質(zhì)量分別為0.04t/hm2、0.02t/hm2和0.01t/hm2。林木在生長過程中不斷從周圍環(huán)境吸收營養(yǎng)物質(zhì),固定在植物體內(nèi),成為全球生物化學循環(huán)不可缺少的環(huán)節(jié)。通過對全省林木積累營養(yǎng)物質(zhì)量的核算,可以看出,山西省林木積累N量最大,積累P量最小這主要可能與植被類型、樹種有關。油松是山西的鄉(xiāng)土樹種,在山西的栽植廣泛,高甲榮等人[22- 23]研究表明：油松積累營養(yǎng)物質(zhì)量與山西省積累營養(yǎng)物質(zhì)量一致,也呈現(xiàn)出N>K>P的規(guī)律。

(5)凈化大氣環(huán)境功能中,提供負離子數(shù)為1.95×1025個/a,森林是天然的氧吧,釋放的負氧離子能有效起到降塵、滅菌的作用[24];吸收污染物 (包括吸收二氧化硫、吸收氟化物、吸收氮氧化物)量為6.34億kg。其中,吸收二氧化硫的量最大,年吸收量可達5.87億kg,單位面積吸收二氧化硫的量可達117.81kg/hm2,吸收氮氧化物的量較大,吸收氟化物的量最低。在滯塵量方面,年滯納TSP量為868.75億kg,單位面積滯納TSP量為1.74萬kg/hm2;年滯納PM10量為0.27億kg,滯納PM2.5量為0.13億kg,單位面積滯納PM10和PM2.5量分別為5.50 kg/hm2和2.67 kg/hm2。山西省作為全國的能源和重工業(yè)基地,環(huán)境污染非常嚴重。2016年《山西省環(huán)境狀況公報》[25]顯示,全省二氧化硫排放總量105.56萬t,氮氧化物排放總量87.42萬t。二氧化硫和氮氧化物吸收量分別相當于山西省工業(yè)二氧化硫排放量的55.60%,工業(yè)氮氧化物排放量的3.34%,因此,山西省森林生態(tài)系統(tǒng)在吸收大氣污染物、凈化大氣環(huán)境方面具有重要的作用。

表2 山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務物質(zhì)量

3.2 山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值量

2016年山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量、以及單位面積價值量測算結(jié)果見表3。從表3中可以看出,各指標的價值量測算結(jié)果主要有以下一些特點。

各項森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值量、單位面積價值量及其所占比例由大到小分別為涵養(yǎng)水源1034.58億元/a,2.08萬元 hm2a-1,占32.61%,凈化大氣環(huán)境887.98億元/a,1.78萬元 hm2a-1,占27.99%, 保育土壤583.33億元/a,1.17萬元 hm2a-1,占18.39%,固碳釋氧328.48億元/a,0.66萬元 hm2a-1,占10.35%,生物多樣性保護255.67億元/a,占8.06%,林木積累營養(yǎng)物質(zhì)76.91億元/a,0.15萬元 hm2a-1,占2.42%,森林游憩5.69億元/a,0.01萬元 hm2a-1,占0.18%。其中涵養(yǎng)水源 、保育土壤和凈化大氣環(huán)境的價值量共占山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值的78.98%?？梢钥闯?山西省森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源、保育土壤和凈化大氣環(huán)境方面的作用顯著。

表3 山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值量

3.3 山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質(zhì)量空間格局

山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質(zhì)量空間分布格局(圖1),可以看出,各項功能按照大小可劃分為5個等級,其中山西省西部呂梁市和臨汾市均處于第1等級,而北部的大同市和朔州市、中部的太原市和陽泉市各項功能所占比例較小,基本處于倒數(shù)1、2等級。這主要是與各地市的森林資源總量、質(zhì)量、氣候、土壤、植被和經(jīng)濟發(fā)展等因素有關。大同市、朔州市、太原市和陽泉市的森林資源面積僅占全省林地總面積的20.42%,此外,山西北部地區(qū)屬于風沙源區(qū),鹽堿地,不利于植被的生長,太原市為山西省會城市,人口密集區(qū)。因而,山西北部和中部地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能相對低下,西部地區(qū)為呂梁山脈區(qū),森林資源豐富,國家天保工程和退耕還林工程實施后,森林資源更加多樣化,呂梁市、臨汾市和忻州市的森林資源面積占全省林地總面積的46.46%,近達全省林地總面積的一半之多,森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能明顯高于其他各地市。

圖1 山西省各市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質(zhì)量和價值量空間分布格局Fig.1 Spatial distribution of forest ecosystem services in different cities in Shanxi Province

3.4 山西省各市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量

2016年山西省各市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量、以及單位面積價值量測算結(jié)果見表4。從表4中可以看出,山西省各市森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值量由大到小的順序為呂梁市、忻州市、臨汾市、晉中市、長治市、運城市、晉城市、大同市、太原市、朔州市、陽泉市,單位面積價值量最大的為晉城市,其次是長治市和臨汾市,最小的為朔州市。從總價值量來說,價值量主要是與森林的面積和蓄積有關;但從單位面積價值量來看,價值量最

表4 山西省各市森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值量

大的地區(qū)主要分布在山西省南部地區(qū),而北部的朔州市最小,這主要是與當?shù)氐慕邓坑嘘P,不同城市的水資源分布極不均勻,總體趨勢是降水量由東南向西北遞減,東南部降雨量充沛,其森林質(zhì)量明顯提高,各項評估指標也隨之提高,從而直接影響不同地市之間單位面積價值量的大小。

3.5 山西省不同林分類型生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值

山西省不同林分類型的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量見表5?？梢钥闯?山西省主要植被類型中,除森林游憩功能外,其余6項功能合計價值量介于255.67—1034.56億元/a之間,其中,提供森林服務價值最大的是喬木林,為1793.5211億元/a,其次為灌木林和經(jīng)濟林,分別為1124.0055億元/a和249.4074億元/a。喬木林中,提供森林服務功能價值最大的是油松(593.2913億元/a),其次是櫟類(329.9447億元/a),油松和櫟類占喬木林提供總價值量的51.48%,說明,油松和櫟類在山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能中起了重要的作用。喬木林各林分類型服務功能價值量由大到小的順序為油松、櫟類、針闊混、闊葉混、樺木及山楊類、落葉松、楊樹及軟闊類、槐類、柏木、針葉混、云杉、硬闊類和竹林。這與樹種自身的特性有關外,還與森林面積有一定的相關性。山西省灌木林所占的面積比例較大,其服務功能價值量也較大,而竹林所占的面積比例較小,所以其提供的服務功能價值量最小。

表5 山西省不同林分類型(優(yōu)勢樹種組)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量/(億元/a)

3.6 山西省不同齡組森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值

山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值在不同齡組間存在一定的差異,幼齡林為579.90億元/a,中齡林為583.55億元/a,近熟林為283.19億元/a,成過熟林為346.87億元/a。不同齡組面積所占比例為幼齡林65.89%,中齡林15.94%,近熟林8.14%,成過熟林10.03%。因此,服務功能價值量與不同齡組所占的面積比例有較大的相關性[26],服務功能價值最大的為中齡林,其次是幼齡林和成過熟林,近熟林最小。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)《規(guī)范》,首次對山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行測算,得出山西省森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值為3172.64億元/a。在7項森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能中,價值量由大到小的順序為涵養(yǎng)水源 、凈化大氣環(huán)境、保育土壤、固碳釋氧、生物多樣性保護、林木積累營養(yǎng)物質(zhì)、森林游憩。涵養(yǎng)水源功能所起的作用最大,這可能是與山西省的地形地貌特征和水源涵養(yǎng)林所占的面積等有關。

(2)森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值在山西省不同市間由大到小的排序依次為呂梁市、忻州市、臨汾市、晉中市、長治市、運城市、晉城市、大同市、太原市、朔州市、陽泉市。分布在山西省西部的呂梁市森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值量排在第一,而山西省東部的陽泉市最小;而單位面積價值量最大的為晉城市,最小的為朔州市。從總價值量來說,主要是與森林面積和蓄積有關;但從單位面積價值量來看,主要與當?shù)氐慕邓坑嘘P,南部大于北部地區(qū)。

(3)對于不同林分類型來說,灌木林提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量高于其他林分,其次為油松和櫟類,竹林提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量最小。這主要是因為山西省灌木林面積最大、竹林面積最小。油松是山西重要的鄉(xiāng)土樹種,適應性最佳,喬木林中油松提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量最大,這與林分類型自身的特性相關,因而,在森林經(jīng)營管理中,在以鄉(xiāng)土樹種為基礎的情況下,逐步形成多樹種混交的林分結(jié)構(gòu),構(gòu)建異齡、復層和混交的近自然經(jīng)營模式,使其發(fā)揮最大的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值。

(4)對于不同齡組來說,中齡林提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量最高,近熟林提供的生態(tài)系統(tǒng)功能價值量最小,且森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量大小主要與其森林面積有較顯著的相關性。

(5)《規(guī)范》的評估方法是基于森林生態(tài)站長期連續(xù)觀測的實測數(shù)據(jù),以保證評估結(jié)果的準確性。目前,限于科技水平、計量方法以及監(jiān)測手段等方面的影響,尚不能全面地對各項森林生態(tài)系統(tǒng)功能指標進行計量,評估測算方法仍需進一步改進與完善。比如：1)不同區(qū)域環(huán)境差異大,在進行大尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估時,容易忽視局部具有閾值和非線性特征的生態(tài)過程[28],因而,在今后的評估測算中應考慮生態(tài)區(qū)位、環(huán)境因素等影響;2)利用3S技術對現(xiàn)有評估模型參數(shù)進行修正,以實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)評估。