黑龙江省森林生态效益评价指标的选取及研究方法

张丽,赵眉芳,赵书贵

(1.黑龙江省林业科学院,哈尔滨 150081;2.黑龙江省森工总局物资局)

1 黑龙江省森林的概况

黑龙江地处我国东北边陲,位于E 121°11′～135°05′,N 43°25′～53°33′。东西跨近 14°,南北相距10°,北部和东部分别以黑龙江和乌苏里江与俄罗斯为界,西靠内蒙古自治区,南接吉林省。全省幅员辽阔,总面积约45.4km2(不包括加松地区),约占全国总面积的4.73%。地形复杂,西北部有大兴安岭山地,北部有小兴安岭,东南部有张广才岭、老爷岭和完达山等山脉。西北有嫩江,松花江东西斜贯全省,丘陵山地海拔在300～1700m左右,约占全省总面积的70%,平原海拔在50～250m,构成全省西北部、北部和东南部高,东北部、西南部低的地势。黑龙江现辖13个地市,其中12个省辖市,一个行政公署,66个县(市),1211个乡(镇)。

黑龙江现有森林3175万hm2,活立木总蓄积16.5亿m3,森林面积和活立木蓄积量均居全国首位。森林覆盖率高,覆盖范围大,在我国森林生态系统中所占比重较大。

1.1 森林生长的地貌状况

黑龙江的地形大体轮廓犹如一个盆地:盆地中部是面积广大的松嫩平原,平原的西、北、东三面被大兴安岭、小兴安岭、张广才岭和老爷岭山地围绕着。山地的内侧是松花江水系,外侧是黑龙江水系和乌苏里江水系,在三江汇合处是著名的三江低地。黑龙江山地占总面积的 70%,林区的地貌特点以山地为主,有山脉、丘陵、平原等等。

1.2 森林生长的气候条件

黑龙江位于中温带和寒温带,气候深受极地冷气团和副热带太平洋气团的影响,具有显著的大陆性季风气候特征。黑龙江气候的第一个特征是寒冷,冬季漫长、干燥,各地月平均气温0℃在5个月左右,大兴安岭部分山区达7个月左右。冬季在内陆季风的控制下普遍降雪,东、北部较西、南部多,但降水量只占全年总降水量的1%～3%,积雪最深处可达20～50cm。多风的春季也是黑龙江的气候特征之一,春季受俄罗斯内贝加尔湖低气压系统的影响,再加上猛烈的西北气流的侵入,形成大风天气,间有沙尘暴天气。

夏季是多雨的季节,总体说来黑龙江的降水量较我国西部和西北部各省丰富。降水量与离海的远近及地形的迎风和背风关系密切,总的趋势是从东南向西北递减,东南部在张广才岭的迎风坡年降水量可达1000cm以上,而背风坡不过350cm,全省的年平均降水量在500～600cm左右,为树木的生长提供了良好的水分保证。全省无霜期80～150d,大兴安岭及小兴安岭山顶部为80～110d,半山区为90～120d,平原区为120～140d,其他地区为140d以上。全省日照时数为2400～2900h。大兴安岭日照区为2400～2600h,南部地区日照多,达2700h以上;平原地区为2500～2600h。

林木生长的起点空气温度为0℃,平原地区多0℃的日数为200d以上,＞0℃积温为3000℃以上,大小兴安岭、张广才岭＞0℃日数为150～180d,积温为1800～2500℃。从总体来看,气候条件是有利于林木及其他植物的生长的,这种气候也是造就了黑龙江丰富的森林资源条件之一。

1.3 森林生长的水文条件

黑龙江干流流经东北边境,它的最大支流松花江横贯中部经济发达地区,而松花江的最大支流嫩江则横贯西部平原,再加上它们众多的大大小小支流,形成了黑龙江稠密的水网。黑龙江作为中国和俄罗斯界河的上中游长1900km,河身自上而下逐渐变宽,在松花江等强大支流汇入后水量激增。这一水源是黑龙江发展林业经济和国民经济极为有利的自然资源。松花江有南北两源,南为发源于长白山的第二松花江,北为发源于伊勒呼里山的嫩江,两者相向而流,汇合于三岔河后始称松花江,面积达52多万km2,大部分在黑龙江,其所有支流都源于长白山和大小兴安岭,雨季降水多,流量大,水量丰富。嫩江是发源于大小兴安岭内侧的30多条河流汇合而成,组成一个典型的羽状水系,沼泽分布多。乌苏里江作为中俄界河处在完达山和俄罗斯之间,水量丰富。

中俄边境上的兴凯湖面积4380 km2,是远东最大的淡水湖之一,小部分属于俄国。在地质上属于构造湖,河床很浅,构成大片河岸浅滩区,水量和蓄积量很大,也为黑龙江省提供了丰富的水资源。

总之,黑龙江的自然条件对于植物特别是森林的生长比我国北部、西部和西北部是有利的。历史也证明,如果不是人为的影响,黑龙江的森林资源应该是相当丰富的。

1.4 森林的分布状况

黑龙江的森林分布比较均匀,遍布黑龙江的全境,主要分布在以下七大区域:(1)大兴安岭林区;(2)小兴安岭林区;(3)三姓林区;(4)中东铁路东部林区;(5)中东铁路西部林区;(6)拉林河林区;(7)牡丹江林区。

2 生态效益评价指标的选取

森林的生态效益主要体现在以下几个方面:

一是森林在维护生态平衡和国土安全中处于其它任何生态系统都无可替代的主体地位。生态安全是国土安全的前提。

二是森林能提高大气质量。(1)能有效地减缓温室效应。陆地生态系统碳贮量约5600～8300t,其中90%的碳自然贮存于森林中,森林每生长1m3可固化350kg二氧化碳。(2)是主要的氧源。森林在其光合作用中能释放出大量的氧气。1hm2的阔叶林,1天消耗1t二氧化碳释放0.37 t氧,可供约1000人呼吸。(3)可减少氧层的耗损。森林可以有效的吸收破坏臭氧层的二氧化氮,每公顷森林每年吸收二氧化氮0.3万t。(4)可净化空气。每公顷森林可吸收二氧化硫748t,一氧化氮0.38t,一氧化碳2.2t。森林通过降低风速、吸附飘尘,减少了细菌的载体,从而使大气中细菌数量减少。许多树木的分泌物可以杀死细菌、真菌和原生物。(5)有调节温度的功能。森林有繁茂的树冠,可以阻挡太阳辐射能,林内昼夜和冬夏温差小,可减轻霜冻的危害。

三是森林能有效保护生物多样性。森林与物种多样性、生态系统多样性、遗传多样性息息相关,地球上有一半以上的生物在森林中栖息繁衍。

四是森林可防止水土流失。森林土壤对降水有极强的吸收和渗透作用,森林土壤的稳渗速率一般在200mm/h,比世界上最大的降雨60mm/h还要大得多。森林的枯枝落叶层不仅可以吸收2～5mm的降水,还可以保护土壤免遭雨滴的冲击。

五是森林能有效遏止沙漠化。林网超过10%,沙地植被盖度超过0.3,沙暴的危害就会减少到最小限度。

六是森林可防止地力衰退。森林的根系能固持土壤,涵养水源,保持水土,吸收利用盐分;枯枝落叶可增加有机质、腐殖质,能有效地改善土壤结构,提高土壤肥力。

七是森林能缓解水资源危机。森林是“绿色水库”,森林及其土壤像“海绵”一样可吸收大量的降水,并阻止和减轻洪水灾害。森林可以促进水分循环和影响大气环流,增加降水,起“空中水库”的作用。据测算,森林蒸腾的水汽58%又降到陆地上,可增加陆地降水量21.6mm,占陆地年平均降水量2.9%。

八是森林能消除噪声污染。据测定,100m的防护林带可降低汽车噪声30%,摩托车噪声25%,电声噪声23%。

以上是森林生态效益的主要体现,具体又可以细分成若干项,体现在计量方面则是派生出相应的指标项。由于本想研究时间跨度(1896～1986年)和空间跨度(整个黑龙江省)都比较大,综合考虑了时间的、地域的和历史的各种因素,筛选出以下12项指标项参与本项系统的开发,在系统运用中,将根据用户的需求对某项、某些项或者全部指标项进行运算。下文将介绍个指标项的含义及计算方法。

2.1 森林生态效益各指标项的计算方法

2.1.1 森林生物多样性效益研究方法

生物资源及物种的储存与保护效益(V1)的评价采用以下公式进行计算:

式中:Z—— 植物允收量(元/hm2)

F ——动物增殖量(元/hm2)

A——有林地面积(hm2)

遗传信息的储存与保护及优良品种的选育与开发效益(V2)评价采用各林业局应用新品种增加效益统计的方法。

预防和减少自然灾害损失的效益(V3),采用占国民年总产值比例的方法进行评价,森林减免自然灾害损失价值为国民年总产值的10%～20%,计算公式为:

式中:G——黑龙江省国内生产总值(元/a)

Ap——黑龙江省森林有林地比例(%)

此外,生物多样性还在有害生物防治、抵御外来物种入侵等方面发挥着巨大的效益,但是其价值的计量仍是个世界性的难题,因此在本项目中不予以计算。本项目中所计算的黑龙江省林区生物多样性效益(U1)为生物资源保护效益(V1)、遗传信息的储存与保护及优良品种的选育与开发效益(V2)和减免自然灾害损失(V3)效益的总合,即:

2.1.2 森林水源涵养效益研究方法

本次评价采用截留计算法开展评估工作,蓄水量的计算公式表述如下:

式中:W ——年森林蓄水总量(t);Ri——第 i种类型林分单位面积林冠层年截留降雨量(t/hm2);Ki——第 i种类型林分单位面积枯落物层年持水量(t/hm2);Si——第i种类型林分单位面积土壤层年最大蓄水量(t/hm2);Ai——第i种类型林分面积(hm2);i——黑龙江主要林分类型

林冠层截留降雨量计算公式为:

式中:Ri——第i种类型林分单位面积林冠层年截留降雨量(t/hm2);R——大气降雨量(mm);Rij——第i种类型林分林冠层年降雨截留率(%)

枯落物层持水量计算公式为:

式中:Ki——第i种类型林分单位面积枯落物层年持水量(t/hm2);Kiz——第i种类型林分单位面积枯落物层贮量(t/hm2);Kic——第i种类型林分枯落物持水率(%)。

土壤层的蓄水量以土壤层的最大蓄水量为准,计算方法如下:

式中:Ki——第i种林分类型土壤总孔隙度(%)Li——第i种林分类型土层深度(m)

蓄水效益(V4)的货币化采用影子工程法,以水库工程的蓄水成本来确定。因为森林涵养水源与水库蓄水的本质类似,其蓄水价值应根据蓄积1 t水的建水库花费为标准,其计算公式为:

式中:K1——水库单位库容造价(元/m3)

研究表明,林区拦蓄的降水除60%用于树木蒸腾和生长以外,其余为地下径流,这部分水量依次通过具有强大的截留过滤作用的林冠层、枯落物层和土壤层进入地下径流,水中的污染物被层层拦截、净化,能有效地防止水资源的物理、化学和生物的污染,使得输出的水质显著改善。以森林蓄水量的40%计算森林净化水质的效益(V5),采用替代法计算进行效益的货币化用,以全国城市居民用水平均价格为参数进行计算。

式中:K2——居民用水平均价格(元/m3)

水源涵养效益(U2)为蓄水效益(V4)与净化水质效益(V5)之和,即:

2.1.3 森林保育土壤效益研究方法

本次评价中森林保土能力采用减少淤积泥沙的方法进行计算,根据蓄水成本来计算森林保土功能的经济效益(V6)。

式中:V6——森林年保土效益(元/a);X1——有林地平均土壤侵蚀模数(t/hm2);X2——无林地平均土壤侵蚀模数(t/hm2);A——有林地面积(hm2);ρ——泥沙的平均密度(g/cm3);C——水库单位库容造价(元/m3)。由于森林具有水土保持作用,使林地的土壤侵蚀大大降低,因而土壤中的 N、P、K、Ca、Mg等元素和其它有机物也得以保留,所减少的营养物质损失量等于减少的土壤侵蚀量乘以土壤中各营养物质的含量。因此,森林保肥效益(V7)可以通过计算因林地存在而减少的土壤侵蚀量中的N、P、K养分及有机质的价值来体现,计算公式为:

式中:V7——森林年保肥价值(元/a);X1——有林地平均土壤侵蚀模数(t/hm2);X2——无林地平均土壤侵蚀模数(t/hm2);A——有林地面积(hm2);N ——土壤平均含N量(%);P ——土壤平均含P量(%);K—— 土壤平均含K量(%);M——土壤有机质平均质量分数(%);R1——磷酸二铵含 N量(%);R2—— 磷酸二铵含 P量(%);R3—— 氯化钾含K量(%);C1——磷酸二铵平均价格(元/t);C2——氯化钾平均价格(元/t);C3——有机质平均价格(元/t)。

黑龙江林区森林保育土壤的总效益(U3)为保土、保肥两部分效益之和,即:

2.1.4 森林增加农业产量效益研究方法

黑龙江森林作为三北防护林的重要组成部分和黑龙江省农业的天然生态屏障,本身就是一个最大的农田防护林,其所产生的综合生态效益(改善气候、涵养水源、水土保持等)均对黑龙江省农业的稳产、增产产生了决定性的作用。由此可见,森林对农业的增产效应是一个综合性的效应,不能单从某一方面进行研究。而小范围的农田防护林与大尺度的研究森林对农业的增产效益原理一样,对农业的影响也是综合的,因此这里以农田防护林对农业产生的增产效益为标准来研究黑龙江林区森林对农业的整体增产效益(U4)。

黑龙江森林促进农业增产的总体效益计算公式为:

式中:U4—— 森林促进农业增产的总效益(元);Ai——第i种农作物年总产量(t);Pi——森林存在使第i种农作物增产的百分比(%);Ti——第 i种农作物价格(元/t);i——农作物种类

2.1.5 森林抑制风沙效益研究方法

本次对森林抑制风沙效益(U5)的研究采用一种空间替代的方式,把有林地看做是农田,由于其特殊地理位置,极易发生风蚀,以每年发生风蚀带来的损失,对森林的抑制风沙效益进行估算,并以沙土运输价格进行货币化计算。

森林抑制风沙效益计算公式为:

式中:U5——森林抑制风沙效益(元/a);Y ——农田的年风蚀量(t/hm2);Ay——有林地面积(hm2);T——运输沙土单价(元/t)。

通过土壤养分含量、化肥价格等指标结合公式2-11计算,可以进一步计算得出因风蚀流失土壤肥力价值及各种养分损失价值,亦即森林减少因风沙引起的土壤肥力损失效益。

2.1.6 森林净化大气效益研究方法

(1)释放氧气效益研究方法

森林年释放O2量根据光合作用和呼吸作用方程计算,森林每生产1g干物质需要释放O2约1.20g。在计算出森林每年的生长量后,根据森林生产1g干物质所需要的CO2量和释放的O2的量来计算森林年固定CO2总量和年释放O2总量。

森林与大气的物质交换,主要是CO2和O2的交换,确切地说,是固定并减少大气中的CO2和提供并增加大气中的O2,这对维持地球大气中CO2和O2的动态平衡,减少温室效应及提供人类生存基础,有巨大而不可替代的作用,从而产生很大的经济价值。根据光合作用原理,林木光合作用时,利用28.30KJ的太阳能,吸收264g CO2和108g H2O产生 180g葡萄糖和192g O2,然后再将180g葡萄糖转变为162g多糖(纤维素或淀粉或干物质),即:

森林生态系统中,绿色植物每年吸收大量CO2,并释放大量O2,这是森林净化大气和维持大气平衡所起到的一个非常重要的作用。对森林排放O2经济效益计量(V8)评价依据氧气工业生产费用及出厂价格计算。

计算公式(梁延海等,2004):

式中:V8——森林制氧效益价值(元/a);M ——现有森林的年生长量(m3/a);d——木材绝干比重;p——工业制氧的价格(元/m3);C——以干重计,根枝年生长量占木材生长量的百分比(%);K1——每生产1t干物质排放的氧气量(m3)。

(2)吸收二氧化碳效益研究方法

绿色植物光合作用过程实质上是固定CO2、生产有机物质并释放O2的过程。一个森林群落通过光合作用能固定多少CO2,实测难度很大。目前一般采用两种方法:一是分析木材纯C含量,然后再用林分净增长的生物量,分析出林分固定的纯C量,再推算出森林光合作用固定CO2量;另一种方法,根据植物光合作用反应方程式:

推算出每制造成1t干物质要固定1.63 t CO2。本研究采用第二种方法,计算固定CO2效益价值(V9)的方法使用碳税率法,即市场价值法。高碳税率限制CO2等温室气体的排放,使用美国碳税率20美元/t(即人民币166元/t)计算。

式中:V9——森林吸收CO2效益价值(元/a);K2——每生产1t干物质固定的 CO2量(m3);T——碳税率(元/t)。

(3)滞尘效益研究方法

森林能降低大气中的粉尘量,一方面由于森林能降低风速,在林缘处随着风速的降低,空气中携带的大粒粉尘降落;另一方面由于林冠的作用,能从上方吸附飘尘。森林中树木枝叶表面粗糙不平,多绒毛,能分泌粘性油脂和汁液等,所以能吸附、粘着一部分粉尘,降低大气中的含尘量。

对森林滞尘价值进行评估时,将森林分为两大类即:针叶林和阔叶林,根据单位面积针、阔叶林滞尘能力,针、阔叶林面积以及削减粉尘成本综合计算森林滞尘效益(V10),计算公式为:

式中:V10——森林滞尘效益(元/a);Ai——第 i种类型林分面积(hm2);Ci——第i种类型林分单位面积滞尘能力(t/hm2·a);r1——削减粉尘成本(元/kg);i——林分类型。

(4)吸收有毒气体效益研究方法

大气中的有毒气体,对人体的健康危害极大。多树种具有一定的吸收有毒气体的能力,从而可发挥净化空气、改善环境的作用。树木的这种作用是通过两种途径实现的:一方面树木通过叶片吸收大气中的有毒物质,降低大气中毒物的浓度;另一方面树木能使某些毒物在体内分解,转化为无毒物质后代谢利用。环境科学研究显示,大气中主要存在SO2、Cl2、HF、NOX等有毒有害气体,这些污染物直接或间接对人体健康及其生存的环境产生影响。森林可以依靠生态系统的特殊结构和功能,通过吸收、过滤、阻隔、分解等生理生化过程将人类向环境排放的部分废弃物利用或作用后使之得到降解和净化,成为生态系统的一部分,从而达到净化环境的目的。

吸收有害气体价值的评估计量可根据森林吸收有害气体总量乘以消减有害气体的成本来评估,即:

总价值=单位面积森林吸收有害气体量×林区面积×消减有害气体的成本

由于森林吸收其它有害气体的计量缺少资料,这里仅计算森林生态系统对SO2的净化作用(V11)。计算公式为:

式中:V11——吸收有害气体(SO2)效益(元/a);Li——第i种类型林分单位面积吸收SO2的能力(t/hm2·a);r2——消减SO2成本(元/kg)。

(5)杀菌效益研究方法

许多树木和植物都能分泌出杀菌素并有很好的杀菌作用。森林可在一定程度上有效地减轻工业、交通、施工及社会生活噪声等无形的环境污染。植物的叶、花、果、皮普遍能产生植物杀菌素和臭氧等物质以抑制病菌在空气中的扩散或杀死某些病菌,如桦树、柏树、桉树等的叶片或花、果挥发的杀菌素就能杀死白喉、肺结核等病原菌,因而森林中的病菌含量比闹市的百货大楼、城市林荫道和公园内低。由于森林植物的杀菌作用对人的健康有很大益处,所以世界上有许多国家都在发展森林浴,如德国的森林浴疗法之一就是让患者住在森林中呼吸新鲜洁净的空气;日本在温泉场四周建立林荫道,边散步,边呼吸森林空气;前苏联的基辅城,还研究如何创造栎树环境,利用栎树分泌的植物杀菌素治疗循环系统疾病。

森林植物的器官特别是叶、花、根能分泌一些挥发性物质,如萜烯类有机酸、醚、醛、酮等,这些物质能杀死原生动物细菌和真菌。

森林杀菌效益(V12)计算以单位面积森林分泌的杀菌素量结合杀菌素价格计算,公式为:

式中:V12——森林杀菌效益(元/a);J——森林1昼夜分泌杀菌素量(t/hm2);r3——杀菌素价格(元/t)。

森林净化大气效益(U6)为以上5项效益之和,即:

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