森林生态系统服务功能评估区域差异性1)

王 兵 任晓旭 胡 文 魏江生

(国家林业局森林生态环境重点实验室(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所)，北京，100091) (内蒙古农业大学)

森林生态系统作为陆地上最大的生态系统，其生态服务功能已成为近年来研究的热点［1-5］。森林生态系统服务功能取决于森林生态系统的生态过程，其主要包括5个方面的生态过程，即碳循环、养分循环、森林水文、森林能量过程和森林生物过程，决定了森林生态系统在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木营养积累、净化大气环境、保护生物多样性、森林游憩等服务功能上具有重要的作用［6-7］。对森林生态系统服务功能做出正确的价值评估，能有效地指导森林资源的合理利用和可持续发展，为维护森林生态系统的健康发展提供有力保障。国外对生态系统服务价值的研究已有20余年，Constanza等人在世界上率先对全球生物圈生态系统服务功能价值进行了估算，他们估计全球生态系统的服务每年总价值为16×104～54×104亿美元，平均为 33×104亿美元［8］;Peter估计全球生态系统服务功能为3×104亿美元·a-1［9］;Ingraham等评估美国国家野生动物保护区的生态价值为269亿美元·a-1［10］。这些概念和方法有助于指导人类在发展经济与保护自然之间进行权衡时做出科学和合理的决策，以使人类社会和自然得以持续生存和发展。我国自20世纪80年代开始森林生态系统服务评价工作，大多数研究是借鉴国外的方法和评估指标体系。截止目前，国内一些学者在不同尺度范围对森林生态系统服务功能价值进行了评估［11-15］，但这些评估工作采用了各自不同的森林生态系统服务功能价值评估指标体系，造成了评估结果差异较大，没有可比性，这也导致了对不同区域的森林生态系统服务功能差异研究也较少。

本研究在采用由国家林业局2008年发布实施的林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)的基础上，分别对大连市和本溪市的森林生态系统服务功能进行评估。目的在于用统一的森林生态系统服务功能指标体系和计算方法对不同区域的森林生态系统服务进行评估，通过分析评估结果的差异，进一步认识森林生态系统服务功能形成与调控机制，这对发展生态系统服务功能研究的理论和方法的改进有着重要的作用［16］;为将自然资源和环境因素纳入国民经济核算体系，进一步促进生态效益补偿机制的建立，以及森林可持续发展与生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

本溪位于辽宁省东部(东经 123°34'～125°46'，北纬 40°49'～41°35')，地处辽东半岛腹地，属中山丘陵地貌，山地面积占全区面积的80%，气候为中温带湿润型气候，年平均温度6.2℃，年降水量860 mm。本溪地区的土壤处于棕壤带。由于受到成土母质、地势、气候、植被、水文等条件的影响，境内各地的土壤类型及其理化性质差异较大。在海拔800 m以上的山地发育有适合林木生长的暗棕壤。在低山丘陵、山前漫岗以及距离村屯较近的平缓地带发育有大面积的棕壤，在棕壤、暗棕壤地带的地区零星分布着白浆土。植被属长白山植物区系。

大连市位于欧亚大陆东岸(东经120°58'～123°31'，北纬38°43'～40°10')，辽东半岛最南端，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。由于受黄海、渤海三面环绕的影响，又具有海洋性气候特点。年平均气温10.9℃，年平均降水量601.9 mm。属于暖温带的东北南部和华北东端森林土壤地区，棕壤基本分布在丘陵山地。植物区系隶属泛北极植物区，中国—日本植物亚区的华北植物区，北部、东北部山区既有华北地区植物的生长，又有长白山地区植物的分布，形成2个植物区系过渡地带。

根据辽宁省2007年森林资源二类调查数据，本溪市有林地面积为67.9万hm2(含辽宁省森林经营研究所)，在有林地面积中，天然林 43.1 万 hm2，占 71.4%;人工林 17.3 万 hm2，占28.6%。按不同优势树种(组)林分的面积进行划分，主要有蒙古栎林358.36 万 hm2(占58.21%)、落叶松林113.36 万hm2(占18.41%)、刺槐林 22.88 万 hm2(占 3.72%)、胡桃楸林 21.85 万 hm2(占3.55%)、色木林17.71 万 hm2(占2.88%)、红松林16.08万hm2(占2.61%)、油松林16.00万hm2(占2.61%)、桦木林 11.76 万 hm2(占 1.91%)、椴树林 9.84 万hm2(占1.60%)、灌木林 7.20 万 hm2(占 1.17%)、其他树种(组)合计20.62万hm2(占3.35%)。大连市有林地面积45.48 万hm2，其中乔木林30.53 万hm2，占67.13%。按不同优势树种(组)林分的面积进行划分，主要有经济林组14.94万hm2(占 32.75%)、蒙古栎林 13.62 万 hm2(占 29.84%)、刺槐 林6.22万hm2(占13.63%)、黑松林3.81万hm2(占8.35%)、其他针叶树种组 2.35 万 hm2(占 5.15%)、杨树林1.97 万 hm2(占4.33%)、落叶松林1.25 万 hm2(占2.74%)、其他树种(组)合计为1.47万hm2(占3.21%)。

2 材料与方法

2.1 数据及来源

中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)台站长期、连续、定位观测数据集;2007年辽宁省森林资源二类清查数据;我国权威机构公布的社会公共数据;大连市和本溪市标准地调查、土壤及植物样实测的数据。

具体的社会公共数据如下：水库建设单位库容投资为6.11元·t-1(根据1993—1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价2.17元·t-1、2005年价格指数2.82得出);水的净化费用为2.09元·t-1(采用网格法得出的2007年全国各大中城市的居民用水价格平均值);磷酸二铵中氮的质量分数为14.00%，磷酸二铵中的磷的质量分数为15.01%，氯化钾中钾的质量分数为50.00%(均依据化肥产品说明);磷酸二铵价格为2 400元·t-1，氯化钾价格为2 200元·t-1，有机质价格为320元·t-1［均采用农业部《中国农业信息网》(http：//www.agri.gov.cn)2007 年春季平均价格］;固碳价格为1 200 元·t-1［采用瑞典的碳税率150美元(折合人民币为1 200元·t-1)］;制造氧气价格为1 000元·t-1［采用中华人民共和国卫生部网站(http：//www.moh.gov.cn)中 2007 年春季氧气平均价格］;负离子生产费用为5.818 5×10-18元·个-1［根据台州科利达电子有限公司生产的适用范围30 m2(房间高3 m)、功率为6 W、负离子密度1×106个·cm-3、使用寿命为10 a、价格为65元·个-1的KLD-2000型负离子发生器而推算获得，其中负离子寿命为10 min，电费每度为0.4元］;二氧化硫治理费用为1.20元·kg-1，氟化物治理费用为0.69元·kg-1，氮氧化物的治理费用为0.63元·kg-1，降尘清理费用为0.15元·kg-1(均采用国家发展与改革委员会等四部委2003年第31号令《排污费征收标准及计算方法》中各种污染物收费标准)。

2.2 评价体系和评估公式

采用国家林业局2008年发布实施的林业行业标准《森林生态系统服务功能评价规范》(LY/T 1721—2008)中评估指标体系和评估公式。

2.2.1 涵养水源

涵养水源功能主要指森林生态系统对大气降水的调节作用，根据其监测和评估的特点划分为2个指标。

调节水量价值：

式中：UD为林分年调节水量价值(元·a-1);P为降水量(mm·a-1);E为林分蒸散量(mm·a-1);C为地表径流量(mm·a-1);CK为水库建设单位库容投资(元·m-3);A为林分面积(hm2)。

净化水质价值：

式中：US为林分年净化水质价值(元·a-1);K为水的净化费用(元·t-1)。

2.2.2 保育土壤

森林的存在，特别是森林中活地被层和凋落物层的存在，消弱了降水对表土的冲击和侵蚀。森林保育土壤的功能包括森林固土和森林保肥两个指标。

固土价值：

式中：UG为林分年固土价值(元·a-1);X1为林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);X2为无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);CT为挖取和运输单位体积土方所需费用(元·m-3);ρ为林地土壤密度(t·m-3)。

保肥价值：

式中：UF为林分年保肥价值(元·a-1);N为林分土壤平均含氮质量分数(%);P为林分土壤平均含磷质量分数(%);K为林分土壤平均含钾质量分数(%);M为林分土壤平均含有机质质量分数(%);R1为磷酸二铵化肥含氮质量分数(%);R2为磷酸二铵化肥含磷质量分数(%);R3为氯化钾化肥含钾质量分数(%);C1为磷酸二铵化肥价格(元·t-1);C2为氯化钾化肥价格(元·t-1);C3为有机质价格(元·t-1)。

2.2.3 固碳释氧

森林生态系统是地球陆地生态系统的主体，是陆地碳的主要储存库。森林固碳释氧包括2个指标。

固碳指标：

式中：UC为林分年固碳价值(元·a-1);B为林分净生产力(t·hm-2·a-1);CC为固碳价格(元·t-1);RC为CO2中含碳质量分数，为27.27%;FT，C为单位面积林分土壤年固碳量(t·hm-2·a-1)。

释氧指标：

式中：UO为林分年释氧价值(元·a-1);CO为氧气价格(元·t-1)。

2.2.4 积累营养物质

森林植被在生长过程中不断地从周围环境中吸收N、P、K等营养元素，并贮存在植物体的各器官内，文中选取林木营养物质(N、P、K)的积累指标来反映此项功能。公式为：

式中：UY，Y为林分年营养物质积累价值(元·a-1);NY，Y为林木含氮质量分数(%);PY，Y为林木含磷质量分数(%);KY，Y为林木含钾质量分数(%);R1为磷酸二铵化肥含氮质量分数(%);R2为磷酸二铵化肥含磷质量分数(%);R3为氯化钾化肥含钾质量分数(%);C1为磷酸二铵化肥价格(元·t-1);C2为氯化钾化肥价格(元·t-1)。

2.2.5 净化大气环境

森林净化大气环境功能从提供负离子、吸收二氧化硫、吸收氟化物、吸收氮氧化物和滞尘5个指标体现出来。

提供负离子指标：

式中：UF，L为林分年提供负离子价值(元·a-1);KF，L为负离子生产费用(元·个-1);QF，L为林分负离子密度(个·cm-3;);L为负离子寿命(min);H为林分高度(m)。

吸收二氧化硫指标：

式中：USO2为林分年吸收二氧化硫价值(元·a-1);KSO2为二氧化硫治理费用(元·kg-1);QSO2为单位面积林分年吸收二氧化硫量(kg·hm-2·a-1)。

吸收氟化物指标：

式中：UF为林分年吸收氟化物价值(元·a-1);KF为氟化物治理费用(元·kg-1);QF为单位面积林分年吸收氟化物量(kg·hm-2·a-1)。

吸收氮氧化物指标：

式中：UNOx为年吸收氮氧化物总价值(元·a-1);KNOx为氮氧化物治理费用(元·kg-1);QNOx为单位面积林分年吸收氮氧化物量(kg·hm-2·a-1)。

滞尘指标：

式中：UZ，C为林分年滞尘价值(元·a-1);KZ，C为降尘清理费用(元·kg-1);QZ，C为单位面积林分年滞尘量(kg·hm-2·a-1)。

2.2.6 生物多样性保护

生物多样性保护功能的物种保育指标计算首次采用Shannon-Wiener指数计算方法，公式为：

式中：UW为林分年物种保育价值(元·a-1);SW为单位面积年物种损失的机会成本(元·hm-2·a-1)。

SW按照Shannon-Wiener指数划分为6个等级：当指数＜1时，SW(表示依据生物多样性指数来划分的物种保育价值参数)为5 000元·hm-2·a-1;当1≤指数＜2时，SW为10 000元·hm-2·a-1;当2≤指数＜3时，SW为20 000元·hm-2·a-1;当3≤指数 ＜4时，SW为30 000元·hm-2·a-1;当4≤指数＜5时，SW为40 000元·hm-2·a-1;当指数≥5时，SW为50 000元·hm-2·a-1。

3 结果与分析

3.1 森林生态系统服务功能物质量比较

3.1.1 总物质量

根据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)的评价体系和计算公式，得出本溪市和大连市涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木营养积累、净化大气环境5个方面16个具体指标的森林生态系统生态服务功能物质量。

本溪市森林生态系统每年涵养水源量为17.55亿m3;固土2 197 万 t，减少氮损失 4.37 万 t，减少磷损失 2.59 万 t，减少钾损失48.53万 t，减少有机质损失103.05万t;固碳142.08万 t，释氧 323.32 万 t;林木积累氮 40 696 t，积累磷 2 157 t，积累钾5 851 t;提供负离子5.5×1019个，吸收二氧化硫7 296万kg，吸收氟化物221万kg，吸收氮氧化物365万kg，滞尘96.59 亿 kg。

大连市森林生态系统每年涵养水源量为8.26亿m3;固土1 636 万 t，减少氮损失 3.25 万 t，减少磷损失 1.76 万 t，减少钾损失31.39万t，减少有机质损失70.21万 t;固碳95.26万 t，释氧 212.40 万 t;林木积累氮 24 688 t，积累磷 874 t，积累钾2 905 t;提供负离子3.2×1019个，吸收二氧化硫5 047万kg，吸收氟化物178万kg，吸收氮氧化物273万kg，滞尘64.62亿kg。

3.1.2 单位面积物质量

从森林生态系统生态服务功能单位面积物质量来看，除了净化大气环境中吸收氟化物、NOx两项指标，大连市森林占优;保育土壤中固土和固氮的物质量两市相等外，其他森林生态系统生态服务功能单位面积物质量指标均是本溪市大于大连市。这可以说明本溪市比大连市的森林在发挥生态服务功能作用方面更加有效。这也说明了不同区域的森林在各生态服务功能指标中发挥的作用均有差异(表1)。

表1 森林生态系统生态服务功能单位面积物质量比较

3.2 森林生态系统服务功能价值量比较

3.2.1 总价值量

根据以上评估指标体系及其计算方法，得出本溪市森林生态系统服务功能的总价值为280.3亿元·a-1，其中6项功能的价值量和所占比例分别为：涵养水源137.14亿元·a-1，占48.93%;生物多样性保护 67.58 亿元·a-1，占 24.11%;固碳释氧15.36亿元·a-1，占5.48%;积累营养物质7.53亿元·a-1，占 2.69%;保育土壤 37.33 亿元·a-1，占 13.32%;净化大气环境15.36亿元·a-1，占5.48%。大连市森林生态系统服务功能的总价值为205.82亿元·a-1，大连市森林6项功能的价值量和所占比例分别为：涵养水源67.76亿元·a-1，占32.9%;生物多样性保护63.56 亿元·a-1，占30.9%;固碳释氧32.67亿元·a-1，占 15.9%;保育土壤 26.90 亿元·a-1，占 13.1%;净化大气环境 10.43 亿元·a-1，占 5.1%;积累营养物质4.50亿元·a-1，占2.2%。

3.2.2 不同优势树种(组)林分单位面积价值量

从不同树种组提供的水源涵养、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护6项生态服务功能单位面积所提供的生态服务功能价值量来看，本溪市的各优势树种(组)林分类型中，色木提供的生态服务功能价值量最大，为6.69万元·hm-2·a-1;其次是黄波椤，提供的生态服务功能价值量为5.81万元·hm-2·a-1;灌木林组提供的生态效益价值量最小，为2.24万元·hm-2·a-1。大连市各优势树种(组)林分类型6项功能合计的单位面积价值量为2.69～6.13万元·hm-2·a-1。大连市和本溪市不同优势树种(组)林分类型的生态服务功能单位面积价值量排序见表2。

表2 大连市和本溪市各优势树种(组)林分类型生态服务功能单位面积价值量比较

3.2.3 不同区域各优势树种(组)林分类型生态服务功能价值量差异比较

从本溪市和大连市分别选择相同优势树种(组)的林分类型生态服务功能单位面积价值量进行比较分析。由表2知，只有本溪市阔叶树种中色木、榆树、柳树、杂木组、花曲柳、椴树的生态服务功能单位面积价值量大于大连市，其他针叶树种和灌木林组则在发挥生态服务功能方面大连市优于本溪市。其中最为明显的是柏树、落叶松以及灌木林组。在本溪市生态服务功能优于大连市的最明显的是色木。因此，可以大致得出针叶树种在大连市发挥的生态服务功能价值要优于本溪市，而阔叶树种则相反这一结论。不同区域的森林生态系统，其环境因子各不相同，以辽宁省为例，全省降水量一般为500～1 000 mm，时空分布极不均匀，由东南向西北逐渐减少，辽东山区多达800～1 200 mm，辽西北风沙区只有500 mm;全年平均气温多为5～10℃，自沿海向内陆逐渐递减，南北年平均温差可达5℃左右;蒸发量分布特点是西部多余东部［17］。这种区域间环境因子的差异导致各树种在生态过程中发挥的功能有所差异，如涵养水源这一功能，罗跃初等［18］研究发现辽西半干旱区人工林生态系统树冠对降雨的截留率为14.58%～37.19%，从大到小顺序依次为沙棘林、油松沙棘林、杨树沙棘混交林、油松纯林、杨树纯林。郭泺等对泰山龙潭积水区不同森林类型的土壤持水能力进行研究发现，不同森林类型条件下土壤蓄水能力差异明显，以刺槐林最好，山顶灌丛最差［19］。对于森林生态系统在全国尺度上，年均温、降雨量、群落净生产力及凋落物显著地影响森林土壤CO2释放［20］。而且各不同区域林型的土壤各养分质量分数也各不相同［21］。对于林木个体来说，外界环境因子的不同必然会影响其生态过程所生成的物质量不等，从而导致了其生态服务功能价值的不同。为发挥森林生态系统服务功能的最大效益，树种的差别是不可忽略的。

4 结论与讨论

森林生态系统服务功能评估工作的关键是评估指标体系和评估方法。2008年由国家林业局发布并实施的《森林生态系统服务功能评价规范》(LY/T 1721—2008)为本项研究提供了重要的参考依据，并为量化和比较各区域森林生态系统服务功能的差异提供了基础。文中对本溪市和大连市的森林生态系统利用统一的评估体系进行生态服务功能评估，得出森林生态服务功能中水源涵养、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护6项生态服务功能总价值：本溪市为280.30亿元·a-1，大连市为205.82亿元·a-1。

由于本溪市和大连市的区域差别，在森林生态系统中本溪市的阔叶树种提供的单位面积生态服务价值量要大于大连市的阔叶树种;对于针叶树种，则相反。在本溪市和大连市森林生态系统中，单位面积提供价值最大的树种均为色木，色木在本溪市森林生态系统中提供的价值(6.69万元·hm-2·a-1)大于在大连市森林生态系统中提供的价值(6.13万元·hm-2·a-1)。其他各树种在两区域所发挥的生态价值也有所不同，其中针叶树种中表现最明显的树种是落叶松和柏树，阔叶树种(组)中杂木组和灌木林组表现明显，其主要原因是各区域间的气温、降水、土壤条件以及林木所处的生长状况不同，这就引起了在计算生态服务价值时所带入的参数要有差别，这也说明不同的树种和不同类型的林分发挥生态服务功能的作用各不相同。

对于不同区域的森林生态系统服务功能利用统一的指标体系进行评估，可以量化比较，为今后森林评估工作提供参考依据，并可较为客观地反映不同区域森林生态系统服务功能的差别。这为在生态系统、区域和国家等不同尺度上开展生态系统服务功能的系统研究;认识生态系统服务功能形成与调控机制和尺度特征;全面认识森林生态系统服务功能的空间格局及其演变特征;发展森林生态系统服务功能的理论均有重要的意义［16］，所以进一步完善评估指标仍是森林生态服务功能研究的重点。

不同区域间的各树种发挥的生态服务功能各不相同，这和区域间的环境因子和林木的生长状况有关。本次利用《森林生态系统服务功能评价规范》(LY/T 1721—2008)开展的森林生态系统服务功能评估工作，是采用林木生态过程中生成的物质量，再转化为相应的价值量进行评估的。对于不同区域间林木生态服务功能差别的研究有利于对森林生态系统服务功能更精确的评估。

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