基于能值分析的天宝岩国家级自然保护区森林生态系统服务功能评价

陈花丹 何东进 游巍斌 蔡昌棠 刘进山 赵敬东 肖石红 纪志荣 黄彬彬

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.天宝岩国家级自然保护区，福建 永安 366032)

基于能值分析的天宝岩国家级自然保护区森林生态系统服务功能评价

陈花丹1何东进1游巍斌1蔡昌棠2刘进山2赵敬东1肖石红1纪志荣1黄彬彬1

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.天宝岩国家级自然保护区，福建 永安 366032)

借鉴国内研究成果结合天宝岩国家级自然保护区实际，将其森林生态系统服务类型划分为支持服务(包括有机质生产、营养物质贮存与循环)、供给服务(包括原材料)、调节服务(包括涵养水源、净化空气、固碳释氧、固土保肥)、文化服务(包括科研服务、生态旅游)，采用能值分析理论对其森林生态系统服务功能能值进行货币价值估算。结果表明，天宝岩自然保护区生态系统服务总能值3.22×1020sej/a，能值价值2.96亿元/a，其中支持服务能值1.44×1019sej/a，价值 1 320 万元/a；供给服务能值1.00×1020sej/a，价值 9 200 万元/a；调节服务能值1.93×1020sej/a，价值1.77亿元/a；文化服务能值1.44×1019sej/a，价值 1 320 万元/a。各项服务功能价值大小顺序为：净化空气>原材料>固土保肥>固碳释氧>涵养水源>科研服务>有机质生产>营养物质贮存与循环>生态旅游。生物遗传信息的服务功能能值4.43×1021sej，价值达40.7亿元。

自然保护区；森林生态系统；服务功能；能值货币价值；能值分析；天宝岩

森林生态系统服务是指人类从森林生态系统中获得的各种惠益，包括支持服务(如有机质生产、营养物质贮存与循环)、供给服务(如食物、水、原材料)、调节服务(如调控洪涝、干旱；控制土地侵蚀)和文化服务(如消遣、精神、宗教以及其他方面的非物质惠益)[1]。2001年，由联合国发起的千年生态系统评估(millennium ecosystem assessment，MA)促使各国广泛关注生态系统服务功能的评价。学术界对于生态系统服务的存在形式及评价方法具有不同看法，使得生态服务功能如何定价成为困扰生态学家和经济学家的难题[2-5]。目前，有关这方面的研究已取得一系列成果[6-9]。20世纪80年代，著名生态学家H.T.Odum提出能值(emergy)概念，充分考虑了环境资源对生态系统的重要作用，并在继承和发展生态学与经济学定量研究思想的基础上，创立了以能量为核心的系统分析方法—能值分析方法。生态系统服务功能价值的能值分析是将生态系统中不同类型的生态服务功能的能量和物种转换成同一种基本测度单位—太阳能值(solar emergy)，再进行评价与分析。该方法汲取传统经济学和生态学方法的优点，在解决不同服务功能类型之间能量无法进行核算问题的同时，也解决了能量流、物质流、价值流三者的综合与核算难题，为生态经济系统的定量研究开拓了一条新途径[10]，并成为生态资本和生态服务价值评价研究中最常用的方法之一[10-13]。

天宝岩国家级自然保护区是我国少有的物种基因库和小区域生物多样性较为丰富的地区之一，也是我国中亚热带地区保存比较完好的生态系统之一。本研究应用能值理论分析方法结合生态学理论，从支持服务、供给服务、调节服务以及文化服务4大类对天宝岩自然保护区森林生态系统服务功能价值进行能值分析计算，以期为天宝岩国家级自然保护区、福建省乃至全国其他自然保护区的科学管理及可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

天宝岩国家级自然保护区位于福建省永安市境内，地处东经117.51°～117.58°，北纬25.91°～26.96°。1988年建立省级自然保护区，2003年晋升为国家级自然保护区，2009年加入“中国生物圈保护区网络”(CBRN)组织。保护区系戴云山余脉，属中、低山地貌，最高海拔 1 604.8 m，最低海拔580 m，相对高差 1 024.8 m，总面积 11 015 hm2，其中林地总面积 10 663 hm2，森林覆盖率达98%，活立木总蓄积量 928 274 m3。属中亚热带海洋性季风气候，四季分明，温暖湿润，光、热、水条件优越。平均气温15℃，1月份平均气温5℃，极端最低气温-11℃，7份平均气温23℃，极端最高气温40℃；平均降水量 2 039 mm/a ，多集中于5—9月，年平均相对湿度80%以上。在植物区系上属于泛北极植物区，保存着较为原始的森林植物、相对完整的生态系统，被有关专家誉为“天然的生物种质基因库”。该地区森林类型的地带性植被是中亚热带常绿阔叶林，主要植被类型的面积和所占比例见表1。

表1 天宝岩国家级自然保护区植被类型[14]

2 研究方法

结合天宝岩自然保护区森林生态环境背景特征，以MA生态系统服务价值评估框架为基础，借鉴前人的研究[1,15]，将天宝岩自然保护区森林生态系统服务类型划分为支持服务、供给服务、调节服务、文化服务，并结合数据的可获得性，建立天宝岩自然保护区森林生态系统服务功能评价指标体系。本研究以2010年天宝岩自然保护区森林生态系统的服务功能数据为基础进行估算分析，文中的基础数据来源于实地考察、查阅《福建省天宝岩自然保护区综合科学考察报告》、参照文献资料的数据与计算公式[12,16-17]以及本课题组前期研究基础[9,14]。选用最佳计算公式对该生态系统服务功能评价指标原始数据，即各项生态服务功能总量及总能量进行计算，得到各项生态服务功能总量或折算成能量后，通过能值转化率计算出其能值(太阳能值(sej)=原始数据(J或g)×能值转换率(sej/J或sej/g))，并将能值通过能值货币转换率换算(货币价值($)=太阳能值(sej)/能值货币转换率(sej/$))，最终得到各项生态服务功能的货币价值，实现对天宝岩自然保护区森林生态系统服务功能价值的定量评价。本研究采用的人民币与美元换算比率为：1美元=6.2人民币元，全球面积为5.1×108km2，能值货币转换率统一采用福建能值货币比率6.75×1012sej/$[18]。各项生态服务功能总量及总能量的计算方法见表2。

表2 天宝岩国家级自然保护区森林生态系统各项生态服务功能总量及总能量计算方法

3 结果与分析

根据能值理论，在自然生态系统中富集的物种是经历了数十亿年进化后演变而来的，在此过程中，各物种累积了大量的能值，这些能值输入到各种不同分类单位的储藏基因信息中，表明当今存在的物种是历史积累的结果。由于从能值角度对生物遗传信息功能能值价值进行评价是以其存在的物种为基础，因此所得到的能值价值量不宜作为某一年生态系统的能量输出和服务贡献，而应被视为该生态系统服务功能的存量价值[17]。然而对于其他的服务功能能值价值估算，得到的是各服务功能能值的每年价值，因此，本研究将生物遗传信息能值与其他服务功能能值分开分析，运用能值分析法对天宝岩森林生态系统服务功能各评价指标进行量化计算，结果见表3～4。

表3 天宝岩国家级自然保护区森林生态系统生物遗传信息功能能值分析

Tab.3 Emergy analysis of forest ecosystem biological genetic information in Tianbaoyan National Nature Reserve

评价指标原始资料/种能值转换率/(sej·种-1)太阳能值/sej能值货币价值/元生物遗传信息16272.72×10184.43×10214.07×109

注:能值转换率(sej/种)=平均每个物种的太阳能值(12.6×1024sej/种)×研究区面积/全球面积[16]。

表4 天宝岩国家级自然保护区森林生态系统服务功能能值分析

注：能值转换率参考文献[17]。

3.1 天宝岩生态系统生物遗传信息功能能值价值评估

天宝岩国家级自然保护区生态系统提供的生物遗传信息功能能值，作为可供开发利用的储存能值，是自然环境系统长期生产和积累的结果。由表3可见，生物遗传信息功能能值价值极其显著，其太阳能值达4.43×1021sej，能值的存量价值达到人民币40.7亿元，充分体现了其作为“天然的生物种质基因库”的重要地位。

3.2 天宝岩森林生态系统服务功能能值价值评估

由表4可知，天宝岩森林生态系统有机质生产能值总量为1.13×1019sej/a，其能值货币价值为 1 040 万元/a；营养物质贮存与循环能值总量3.04×1018sej/a，其能值货币价值为279万元/a；原材料能值总量1.00×1020sej/a，其能值货币价值为 9 200万元/a；涵养水源能值总量为1.67×1019sej/a，其能值货币价值为1 530万元/a；净化空气能值总量1.04×1020sej/a，其能值货币价值为9 530万元/a；固碳释氧能值总量2.11×1019sej/a，其能值货币价值为1 940万元/a；固土保肥能值总量5.15×1019sej/a，其能值货币价值为4 720万元/a；科研服务能值总量1.42×1019sej/a，其能值货币价值为 1 310 万元/a；生态旅游能值总量1.14×1017sej/a，其能值货币价值为10.4万元/a。从大到小对生态服务功能评价指标进行排序可得：净化空气>原材料>固土保肥>固碳释氧>涵养水源>科研服务>有机质生产>营养物质贮存与循环>生态旅游。

综上所述，天宝岩国家级自然保护区森林生态系统服务功能能值为3.22×1020sej/a，总的能值货币价值为2.96亿元/a，单位面积服务能值货币价值为26 835.10元/(hm2·a)。其中调节服务功能价值最大，能值为1.93×1020sej/a，能值货币价值1.77亿元/a；供给服务功能价值次之，太阳能值为1.00×1020sej/a，能值货币价值 9 200 万元/a；支持服务功能价值与文化服务功能价值数量相同，太阳能值均为1.44×1019sej/a，能值货币价值 1 320 万元。从不同服务功能能值货币价值所占比例上看(表4)，支持服务、供给服务、调节服务、文化服务功能的能值货币价值分别占总价值的4.46%、31.13%、59.95%、4.46%，其中供给服务与调节服务的能值货币价值占总价值的91.08%，表明了供给服务与调节服务是森林生态系统提供的最重要的生态服务功能类型，亦是天宝岩生态系统服务价值的主要来源。

3.3 天宝岩森林生态系统服务功能能值价值与其他区域的比较

将本研究与Costanza等[2]计算的全球森林生态系统及孙洁斐[17]计算的武夷山自然保护区森林生态系统单位面积服务价值进行对比，结果见表5。

表5 天宝岩国家级自然保护区森林生态系统单位面积服务价值比较

由表5可知，一方面，从单位面积能值价值总量上分析，天宝岩自然保护区生态系统的单位面积服务能值价值总量与武夷山自然保护区相近，且远高于世界范围内森林生态系统的平均值，这主要是由于天宝岩与武夷山同处于福建省，地带性植被、土壤特性、气候等因素相近，长期形成生态服务功能能值价值也相近，同时也充分体现了天宝岩国家级自然保护区在全球自然生态系统中所具有的重要地位。另一方面，从不同类型服务功能能值价值占总服务能值价值的比例来分析，森林生态系统的调节服务能值价值所占比例均较大，说明调节服务对整个森林生态系统服务具有重要作用。与Costanza等研究结果相比，武夷山的营养物质贮存和循环能值价值所占比例相对天宝岩自然保护区存在较大差异。主要由于Costanza等只将土壤形成和固持的价值纳入固土保肥价值进行计算，而土壤具有的保肥价值被纳入养分循环中进行测算。天宝岩自然保护区与武夷山自然保护区具有较高的相似度，均是调节服务与供给服务功能占据整个生态服务的主要组成部分，然而两者也存在差异，较显著的差异主要体现在净化空气和固土保肥能值价值两方面。造成这种计算结果差异的主要原因在于计算时选用的指标数不同。本研究将吸收二氧化硫、吸收氟化物、吸收氮氧化物及滞尘功能4个作为净化空气的指标，而孙洁斐的研究只将吸收二氧化硫和滞尘功能2项作为净化空气的指标，因此考虑到计算范围和计算方法上的差异，在价值构成上实际差异应比计算结果更小，则本研究结果与前人研究结论基本一致[2,17]，说明本研究的计算能值分析理论能够充分体现天宝岩森林生态系统的生态服务功能价值，从而为天宝岩自然保护区管理提供理论参考。

4 结论与讨论

天宝岩国家级自然保护区森林生态系统服务功能年能值货币价值为2.96亿元，单位面积服务功能年能值货币价值为 26 835.10元/(hm2·a)。各生态服务功能能值价值大小依次为：净化空气>原材料>固土保肥>固碳释氧>涵养水源>科研服务>有机质生产>营养物质贮存与循环>生态旅游。各服务类型贡献率差异明显，供给服务与调节服务的能值货币价值占总价值比例高达91.08%，支持服务与文化服务所占比例较小。天宝岩自然保护区生态系统在生物遗传信息的服务功能方面的能值价值极其显著，其太阳能值达4.43×1021sej，能值货币价值达人民币40.7亿元，远远超过了其他服务功能的能值价值。

本文基于能值分析理论对天宝岩自然保护区生态系统服务价值进行研究，从森林能源价值的角度来重新认识人类与森林生态之间的关系，促进人类行为对森林生态系统影响的了解。其中几种生态服务能值价值是天宝岩森林生态系统所有服务能值价值的一部分，有一些服务类型由于技术上的困难及计算上的复杂而难以估算，一定程度上影响了研究结果的精确度。但本研究与其他方法比较，各生态系统服务类型所提供的服务价值趋势较为一致，说明能值分析理论能够充分体现森林生态系统的各生态服务功能的价值，可为天宝岩自然保护区及其它自然保护区的科学管理实现可持续发展提供理论参考。

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(责任编辑 曹 龙)

Service Function Evaluation of Tianbaoyan National Nature′s Forest Ecosystem Based on the Energy Analysis

CHEN Hua-dan1，HE Dong-jin1，YOU Wei-bin1，CAI Chang-tang2，LIU Jin-shan2ZHAO Jing-dong1, XIAO Shi-hong1，JI Zhi-rong1，HUANG Bin-bin1

(1.College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou Fujian 350002, China；2.Tianbaoyan National Nature Reserve，Yong’an Fujian 366032, China)

The services of the forest ecosystem were categorized into supporting，provisioning，regulating and cultural supporting services，by referencing to the domestic research achievements and combined with the specific situation in Tianbaoyan National Nature Reserve. In this thesis，the emergetic monetary value of services provided by the Tianbaoyan forest ecosystem were evaluated based on theory of emergy analysis. The results revealed that: The total emergy of these services was 3.22×1020sej annually，including 1.44×1019sej for supporting，1.00×1020sej for provisioning, 1.93×1020sej for regulating, and 1.44×1019sej for cultural supporting services. The total monetary value of emergy with these services was ￥296.00 million annually, among which￥13.20 million for supporting, ￥92.00 million for provisioning, ￥177.00 million for regulating, and￥13.20 million for cultural supporting services. The emergy monetary value with these services was in the order of air purification>raw material>soil and water conservation>carbon fixation and oxygen release>water conservation>research services>organic matter production>nutrient storage and cycling> ecotourism. The emergy of service with biological genetic information was 4.43 × 1021sej annually，and the monetary value of it was￥407.00 million annually.

national nature reserve；forest ecosystem；service function；emergy monetary value；emergy analysis; Tianbaoyan

2013-03-12

国家自然科学基金项目(31370624，30870435)资助；国家教育部博士科学点基金项目(20103515110005)资助；福建省科技厅重点项目(2009N0009)资助；福建省自然科学基金资助项目(08J0116，2011J01071)资助。

何东进(1969—)，男，教授，博士生导师。研究方向：森林生态学与景观生态学。Email：fjhdj1009@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.014

S718.56

A

2095-1914(2014)04-0075-07

第1作者：陈花丹(1989—)，女，硕士生。研究方向：森林可持续发展研究。Email：chenhuadan2011@126.com。