馬豐豐,鄧 楠,黃 勇,王育堅,田育新,宋慶安,吳小麗
1. 湖南省林業(yè)科學院,湖南 長沙 410004;2. 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 ; 3. 湖南省林業(yè)局,湖南 長沙 410004 )
生態(tài)系統(tǒng)是維持人類社會存在和發(fā)展的基礎,但隨著全球工業(yè)化進程的加快、人口的持續(xù)增加,人類社會對自然資源的需求急劇增加。在此過程中過度干預和消耗生態(tài)系統(tǒng),造成全球2/3的生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)惡化,導致了氣候變化、水資源短缺、生物多樣性驟減、自然災害頻發(fā)等全球性問題[1-2]。維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性,調整生態(tài)系統(tǒng)服務的供給與人類需求的平衡成為當前必須面對的挑戰(zhàn)。自1970年生態(tài)系統(tǒng)服務功能首次被提出后[3],自然環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)服務功能開始受到更多的關注和重視。生態(tài)系統(tǒng)的服務功能直接影響人類社會的發(fā)展,是在各種驅動力系統(tǒng)下產(chǎn)生的,因此,驅動力的研究是生態(tài)系統(tǒng)服務功能研究不可或缺的組成部分,對于揭示生態(tài)系統(tǒng)服務功能的演變、作用機制和預測具有重要意義[4-5]。近年來,部分學者開展了一些生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的分析[6-8],極大地推動了生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值研究的發(fā)展,但關于生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值驅動力方面的研究較少[9]。因此,本文基于2019年度湖南省公益林六大生態(tài)系統(tǒng)服務功能(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、生物多樣性保護)價值量評估結果,從自然環(huán)境驅動因素、社會經(jīng)濟驅動因素及政策驅動因素等三個方面進行分析,以揭示其對湖南省公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的作用機制。
數(shù)據(jù)來源于2019年度湖南省公益林六大生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的評估結果。分別統(tǒng)計湘東(長沙市、株洲市、湘潭市)、湘南(郴州市、永州市)、湘西(湘西土家族苗族自治州、懷化市、張家界市)、湘北(常德市、岳陽市、益陽市)、湘中(衡陽市、婁底市、邵陽市)等不同地理區(qū)域的公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量。湖南省區(qū)域氣候數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫(http://www.wordclim.org/)。數(shù)據(jù)庫采用插值法利用氣象站點的數(shù)據(jù)生成氣候柵格數(shù)據(jù),包含19個生物氣候變量(見表1)。
表1 19個生物氣候變量[10]Tab. 1 19 bioclimatic variables變量編碼變量描述變量編碼變量描述Bio 1年平均氣溫Bio 11最冷季平均氣溫Bio 2平均氣溫日較差/(月平均最高氣溫-月平均最低氣溫)Bio 12年降水量Bio 3等溫性/(BIO2/BIO7) (×100)Bio 13最濕月降水量Bio 4氣溫季節(jié)性/ (標準差×100)Bio 14最旱月降水量Bio 5最熱月最高氣溫Bio 15降水量的季節(jié)性(變異系數(shù))Bio 6最冷月最低氣溫Bio 16最濕潤季降水量Bio 7氣溫年較差/ (BIO5-BIO6)Bio 17最干燥季降水量Bio 8最濕潤季平均氣溫Bio 18最熱季降水量Bio 9最干燥季平均氣溫Bio 19最冷季降水量Bio 10最熱季平均氣溫
基于R語言的相關性模塊,通過分析不同地理區(qū)域單位面積公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量與氣候要素的相關性,甄別自然環(huán)境要素的驅動力指標。
同時,基于歷史資料、相關統(tǒng)計年鑒、行業(yè)年鑒及森林資源清查數(shù)據(jù),選擇社會經(jīng)濟要素、政策要素中具有典型代表性的驅動力指標(如表2所示),采用主成分分析自然環(huán)境、社會經(jīng)濟、政策等三大要素中的關鍵驅動力對湖南省公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的影響。
表2 社會經(jīng)濟要素、政策要素典型驅動力指標Tab. 2 Socio-economic and policies driving force factor 驅動力因素驅動力指標單位數(shù)據(jù)來源1 人均純收入元·人-1湖南省統(tǒng)計年鑒2019年2 森林旅游總收入萬元湖南林業(yè)發(fā)展報告2019年社會經(jīng)濟因素3 林業(yè)產(chǎn)值萬元4 竹材采伐量萬根湖南省統(tǒng)計年鑒2019年5 木材采伐量萬m31 公益林面積萬hm2湖南省2017年公益林完善落界成果政策因素2 中央財政補償資金萬元湖南省2018年度中央和省級森林生態(tài)效益補償管護補助支出計劃表3 省級財政配套補償資金萬元注: 森林旅游總收入只計公益林范圍內森林公園、自然保護區(qū)和風景名勝區(qū)的森林旅游總收入。
湖南省公益林的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值總量(以下簡稱為價值總量)為5 165.79億元·a-1,是湖南省2019年GDP(39 752.10億元)的0.13倍(數(shù)據(jù)來源于湖南省2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報)。從圖1可以看出:在空間上,價值總量呈現(xiàn)出非均勻分布的特征,即公益林面積越大、質量越好、水熱條件越好的區(qū)域,其價值總量越大;全省公益林價值總量和面積的空間格局均表現(xiàn)為湘西>湘中>湘南>湘北>湘東。但是,單位面積公益林價值量空間分布表現(xiàn)為湘西(10.88萬元·hm-2·a-1)>湘東(10.52萬元·hm-2·a-1)>湘北(10.47萬元·hm-2·a-1)>湘南(10.38萬元·hm-2·a-1)>湘中(9.91萬元·hm-2·a-1),說明,湘西地區(qū)不僅公益林面積最大,而且公益林質量最好。同時,水熱條件好的區(qū)域,單位面積的價值量也較大,如常德市的公益林面積(35.14萬hm2)比衡陽市的(35.40萬hm2)略小,但是,由于常德市的多年平均降水量(1 489.9 mm)遠遠大于衡陽市的(1 109.0 mm),年平均氣溫(17.2℃)小于衡陽市的(19.2℃),良好的水熱條件使得常德市公益林不論是價值總量還是單位面積的價值量均大于衡陽市的。
圖1 公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值總量及面積空間分布格局Fig. 1 Spatial distribution pattern of ecosystem service total value and area in ecological public welfare forest
自然環(huán)境要素對公益林生態(tài)效益地理區(qū)域分異性的驅動作用較為復雜,是不同地理區(qū)域自然環(huán)境要素的差異及公益林群落結構相互作用的過程。湖南省不同自然地理區(qū)域自然環(huán)境要素對公益林價值量的驅動作用結果如圖2所示。
從圖2中可以看出:年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量、最熱季降水量是影響湖南省不同自然地理區(qū)域公益林單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的主要驅動要素,其差異十分顯著(P<0.01),相關系數(shù)均達到了0.2以上。其中,年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量與湖南省不同自然地理區(qū)域公益林單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量均呈極顯著負相關,最熱季降水量與之呈極顯著正相關(P<0.01)。同時,氣溫季節(jié)性、最冷月最低氣溫、氣溫年較差、最干燥季平均氣溫、最冷季平均氣溫、最旱月降水量、最冷季降水量與單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量均呈顯著負相關,降水量的季節(jié)性與之呈顯著正相關(P<0.05)。這與湖南省水熱不均、年際變化大的氣候特點有直接關系。湖南省春季乍寒乍暖,天氣變化劇烈,一般年份,3—4月每月有3~4次冷空氣入侵,日平均氣溫一般下降10℃以上,有時甚至超過15℃;5月有2~3次冷空氣入侵,日平均氣溫可下降7℃以上。夏秋少雨,干旱幾乎年年都有;常年6月下旬到7月上旬,除湘西北外,湖南省大部分地區(qū)雨季結束,雨日和降雨量都顯著減少;7—9月各地總降雨量多為300 mm上下,不足雨季降雨量的1/2,加之南風高溫,蒸發(fā)量大,常常發(fā)生干旱。
基于2.2節(jié)的結果,選取年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量、最熱季降水量作為自然環(huán)境因素的驅動力指標,結合社會經(jīng)濟因素和政策因素的驅動力指標(見表3),利用主成分分析這三大類共計14項具有典型代表性的驅動力指標對公益林價值量的影響(見表4)。
表3 公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量驅動力指標Tab. 3 Driving force factor of ecosystem service value of ecological public welfare forest驅動力因素驅動力指標單位數(shù)據(jù)來源1 X1年平均氣溫℃2 X2最熱月最高氣溫℃自然環(huán)境因素3 X3最熱季平均氣溫℃世界氣候數(shù)據(jù)庫(http://www.wordclim.org/)4 X4最干燥季降水量mm5 X5最熱季降水量mm6 X6林分密度株·hm-2湖南省2017年公益林完善落界成果1 X7人均純收入元·人-1湖南省統(tǒng)計年鑒2019年2 X8森林旅游總收入萬元湖南林業(yè)發(fā)展報告2019年社會經(jīng)濟因素3 X9林業(yè)產(chǎn)值萬元4 X10竹材采伐量萬根湖南省統(tǒng)計年鑒2019年5 X11木材采伐量萬m31 X12公益林面積萬hm2湖南省2017年公益林完善落界成果政策因素2 X13中央財政補償資金萬元湖南省2018年度中央和省級森林生態(tài)效益補償管護補助支出計劃表3 X14省級財政配套補償資金萬元價值量1 Y1單位面積價值量億元·hm-22019年公益林監(jiān)測評價測算結果
湖南省公益林價值量驅動力因素主成分分析結果(表4)表明,前3個因子的貢獻率占總方差的95.439%,其中第一主成分解釋了62.343%的貢獻率,第二主成分解釋了21.096%的貢獻率,第三主成分解釋了12.000%的貢獻率。
表4 主成分分析方差解釋表Tab.4 Variance interpretation table of principal compo-nent analysis主成分主成分得分的方差方差百分比/%方差累計值/%18.72862.34362.34322.95321.09683.43931.68012.00095.439
從表5可以看出:第一主成分中年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量、最熱季降水量、森林旅游總收入、公益林面積、中央財政補償資金、省級財政配套補償資金與公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的相關性均達到了0.85以上,其中,最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量、最熱季降水量、森林旅游總收入、公益林面積、中央財政補償資金與之的相關性均達到了0.9以上,說明第一主成分主要以自然環(huán)境因素和政策因素為主,且在自然環(huán)境因素中,最干燥季降水量、最熱季降水量均屬于正向驅動力,最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、年平均氣溫均屬于反向驅動力;公益林面積、中央財政補償資金是政策因素中的主要驅動因素。
表5 主成分與各指標的相關性Tab.5 Correlation between principal components and in-dicators序號指標主成分1231年平均氣溫-0.876-0.361-0.2922最熱月最高氣溫-0.9790.0700.0353最熱季平均氣溫-0.9540.1900.0904最干燥季降水量0.9130.0850.2405最熱季降水量0.9130.0850.2406喬木林林分密度-0.6310.7110.2707人均純收入-0.368-0.3130.8758森林旅游總收入0.9740.1050.1539林業(yè)產(chǎn)值-0.243-0.712-0.56710竹材采伐量-0.4080.886-0.21911木材采伐量0.0150.917-0.32612公益林面積0.9730.058-0.12513中央財政補償資金0.9870.130-0.02414省級財政配套補償資金0.8910.000-0.342
第二主成分中木材采伐量、竹材采伐量與公益林生態(tài)效益均有較高的相關性,其相關系數(shù)均達到了0.85以上,說明社會經(jīng)濟因素在第二主成分上載荷較大。
在第三主成分中人均純收入與公益林生態(tài)效益具有較高的相關性,為0.875,說明社會經(jīng)濟因素在第三主成分上載荷較大。
生態(tài)服務功能價值量受到自然、人為等多種因素的影響。對生態(tài)服務功能價值量驅動分析有助于提高對其變化規(guī)律的認識[11-12]。本研究利用2019年度湖南省公益林已有生態(tài)價值研究成果的數(shù)據(jù),通過相關性和主成分分析,對自然環(huán)境、社會經(jīng)濟和政策因素分別進行了深入分析。相關性分析表明,年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量、最熱季降水量是影響湖南省不同自然地理區(qū)域公益林單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的主要驅動要素,其中,年平均氣溫、最熱月最高氣溫、最熱季平均氣溫、最干燥季降水量均與之呈極顯著負相關,最熱季降水量與之呈極顯著正相關(P<0.01)。這反映了湖南省水熱不均且年際變化大的氣候特點。眾多研究表明,氣候特點對于森林植物的生長發(fā)育、物種多樣性等具有較大影響[13-15],印證了以氣候為主的自然因素對于生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值量的驅動力。此外,主成分分析表明,公益林面積、中央財政補償資金、省級財政配套補償資金是政策因素中的主要驅動力,其解釋貢獻率略高于自然因素,表明湖南省公益林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的驅動力以政策因素和自然環(huán)境因素為主。
綜上所述,政策因素、自然環(huán)境因素是公益林生態(tài)服務功能價值量(生態(tài)效益)的主要驅動力,社會經(jīng)濟因素是次要驅動力。
政策驅動力在公益林生態(tài)效益變化中發(fā)揮了舉足輕重的作用。自2001年實施公益林保護建設工程,建立森林生態(tài)效益補償制度以來,全省累計直接獲得中央財政和省級財政森林生態(tài)效益補償資金達130億元,有450萬戶林農(nóng)直接受益,戶平獲得補助資金約2 900元,成為湖南省繼退耕還林工程后第二大財政投入的生態(tài)建設項目和民生工程,帶動了生態(tài)旅游業(yè)和林下經(jīng)濟的發(fā)展,實現(xiàn)了生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的雙贏。隨著地方各級政府對公益林保護建設的逐步重視,公益林相關法規(guī)政策的不斷完善,社會經(jīng)濟水平的不斷提高,從2013年開始,湖南省省級財政逐步提高了對中央財政國有國家級公益林的補償和配套標準。對國有國家級公益林的補償標準從2015年之前的75元·hm-2·a-1,提高到2015年的90元·hm-2·a-1,再提高到2016年的120元·hm-2·a-1和2017年的150元·hm-2·a-1。對國有國家級公益林的配套標準,從2013年的15元·hm-2·a-1,提高到2014年的30元·hm-2·a-1和2015年的60元·hm-2·a-1,再到2016年的75元·hm-2·a-1;2016年長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)實施公益林分類分區(qū)域補償試點,直接將長株潭綠心地區(qū)國家級、省級公益林的生態(tài)效益補償標準由之前的255元·hm-2·a-1提高到了試點年限的750~870元·hm-2·a-1和2019年的900~1 020元·hm-2·a-1。這些政策的實施,都不同程度地促進了湖南省公益林保護建設的發(fā)展。
總的來說,湖南省公益林保護建設經(jīng)過20年(2001—2020年)的實施,產(chǎn)生了顯著的生態(tài)效益,使得生態(tài)效益與社會、經(jīng)濟效益同步增長,同時,有效改善了林業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構,由第一產(chǎn)業(yè)為主,向第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)轉移。從中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒2001年、2010年以及中國林業(yè)和草原統(tǒng)計年鑒2018年的數(shù)據(jù)中可以清楚地看到這種變化:林業(yè)第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比由2001年的82.3∶5.5∶12.2,到2010年的37.22∶44.7∶18.1,再到2018年的31.6∶35.3∶33.1,尤其是近10年,第三產(chǎn)業(yè)的快速崛起,充分體現(xiàn)了林業(yè)產(chǎn)業(yè)從以木材生產(chǎn)為主向以生態(tài)建設為主的發(fā)展轉型的成功,也從側面說明了公益林保護建設由過去以保護為主,向保護和建設并舉轉變,促進了公益林生態(tài)、社會、經(jīng)濟三大效益的協(xié)同發(fā)展。