基于GIS的海南岛森林生态系统服务功能价值评估

周亚东

摘 要 对海南岛森林涵养水源、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、森林防护和森林游憩8个方面14个指标进行生态系统服务功能价值评估。结果表明：海南岛8项生态服务功能总价值量2 528.29亿元/年，功能价值贡献大小依次为：涵养水源（47.52%）>净化环境（12.35%）>固碳释氧（11.68%）>生物多样性保护（10.31%）>固土保肥（6.65%）>森林防护（6.16%）>森林游憩（4.42%）>积累营养物质（0.91%），根据不同森林类型的生态服务功能价值量分析，原始林（28.34%）>次生林（26.96%）>橡胶林（24.42%）>用材林（14.02%）>防护林（3.24%）>经济林（2.29%）>灌木林（0.43%）>红树林（0.29%）。

关键词 森林；生态服务功能；价值评估；海南岛

中图分类号 S718.5 文献标识码 A

Abstract The forest ecosystem service in Hainan island are assessed as water conservation， soil conservation， carbon fixation & oxygen release， nutrient accumulation， atmosphere environmental purification， action of forest against natural calamities， species conservation and forest recreation 8 services and 14 indicators. Based on assessment result， water conservation has the highest ecosystem service value with 47.52% of total value， the rest are atmosphere environmental purification（12.35%）， carbon fixation & oxygen release（11.68%）， species conservation（10.31%）， soil conservation（6.65%）， action of forest against natural calamities（6.16%）， forest recreation（4.42%）， nutrient accumulation（0.91%）. By forest type， primary forest has the highest ecosystem service value of 28.34% of total value， followed by secondary forest with 26.96%， rubber plantation with 24.42%， timber plantation 14.02%，shelter forest with 3.24%， economic forest of 2.29%， shrub of 0.43% and mangroves of 0.29%.

Key words Forest； Ecosystem Service； Assessment； Hainan Island

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.030

生态系统服务功能又称生态服务，是建立在生态系统功能基础上，人类能够从中获益的生态系统功能，是生态系统结构的外在表现和生态系统所固有的本质属性[1]。森林是陆地生态系统的主体，森林生态服务功能既是人类生存的基本条件，又是实现生态文明的基础，森林的兴衰直接影响生态环境，关系着经济和社会的可持续发展[2]。近年来，对森林生态系统服务功能价值进行评估已成为生态学研究的热点之一。在国际上，生态系统服务功能始于20世纪50年代，但直到Constanza等[3]创立了较为成熟的生态系统服务功能价值评估体系，对全球生物圈生态系统服务功能价值进行估算，才掀开了生态系统服务功能研究的热潮[4-5]。国内生态系统服务功能研究开展得比较晚，侯元兆[6]首先对森林涵养水源，防风固沙和净化空气的生态价值进行了评估，得出生态价值高于林木价值的结论。近年来，中国学者在自然保护区尺度上开展诸多研究[7-13]。部分学者尝试在省级尺度以及国家尺度上开展森林生态系统服务功能价值评估[14-18]。为解决森林生态系统服务功能评估指标体系、方法不统一的问题，国家林业局2007年启动了“中国森林生态系统服务功能定位观测和评估技术”研究项目，并发布了中华人民共和国林业行业标准--《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T1721-2008）[19]。本研究以该规范为依据，采用地方化参数，对海南岛森林生态系统服务功能价值进行评估。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区域概况 海南岛地处中国的最南端，是中国第二大岛屿。全岛土地面积约3.53万km2。全岛属热带季风气候和热带海洋气候。全年温暖，雨水充沛，具有较明显的干湿季节，常年台风和热带风暴频繁，气候资源丰富多样。森林覆盖率2012年为61.5%，2013年为61.9%。

1.1.2 数据来源 森林资源的空间和属性数据来源于海南省各市县2011年森林资源二类调查。数据为ArcGIS shape格式。原始数据在ArcGIS Desktop 10.2上转成西安80坐标系，3度分度带，卡拉索夫斯基椭球体，高斯-克吕格投影。在各项生态系统服务功能计算上，均对每个森林小班分别进行计算后汇总。

1.1.3 森林类型划分 在森林类型的分类上，考虑不同森林在生态服务功能上的不同和海南森林资源的特点，划分为原始林（Primary Forest）、次生林（Secondary Forest）、橡胶林（Rubber Plantation）、经济林（Economic Forest）、防护林（Shelter Forest）、红树林（Mangroves）、用材林（Timber Plantation）、灌木林（Shrub）8种类型，分别对其生态系统服务功能物质量和价值量进行评估。其中，原始林指的是天然起源，结构良好，未受干扰或受轻度干扰的森林；次生林为经中度或重度干扰后天然更新的林分；橡胶林指的是橡胶树（Hevea brasiliensis）的种植园，因为其生态系统服务功能与果树类的经济林树种不同，且由于其在海南面积大，蓄积量高，有代表性，所做的研究比较多，因此独立列为一个类型；防护林主要树种为木麻黄（Casuarina equisetifolia）和椰子（Cocos nucifera）；红树林为沿海滩涂的特殊林分；用材林主要包括了人工种植的桉属（Eucalyptus）、金合欢属（Acacia confusa）、松树属（Pinus）、杉属（Cunninghamia）等树种；经济林以人工栽培的果树为主；灌木林为各类杂灌、草灌，以及疏残林。

1.1.4 参数与变量 各项参数变量大部分均采用地方值，数据来源于海南尖峰岭森林生态系统国家野外科学观测研究站长期、连续的观测研究基础数据，海南东寨港红树林生态系统定位研究站的数据，农业部橡胶林生态系统定位研究站和文昌森林生态系统定位研究站的数据以及专家、学者的相关研究成果资料为依据。部分参数采用《森林生态系统服务功能评估规范》中的推荐值。

1.2 评估方法

1.2.1 森林涵养水源功能评估 （1）森林年调节水量的价值量。森林涵养水源的价值量主要受到水资源定价标准的影响，对于森林涵养水源的定价标准一直存在很大争议，森林调节水量的原理同于水库的蓄水作用，因此采用水库工程蓄水的成本来计算涵养水源的价值会是一种相对合理的方法。

上述公式中：E为林分蒸散量，单位：mm/a；C为地表径流量，单位：mm/a；A为林分面积，单位：hm2；U调为林分年调节水量价值，单位：元/a；P为降水量，单位：mm/a；C库为水库库容投资，取值7.78元/m3。

（2）森林年净化水质价值。森林净化水质的原理与自来水净化原理一致，所以，在对净化水质经济价值评估时，可以依据居民用水平均价格而定。2006～2007年全国各大中城市的居民用水价格为2.09元/t，根据发改委和住建部统计数据，2010年全国大中城市的居民生活用水价格2.6元/t，非居民用水价格是3.9元/t，特种用水（如洗车、洗浴业等），平均价格为13.5元/t。考虑到污水处理成本、自来水厂亏损、价格上涨、政府水价补贴等因素，本文采用的价格为3元/t。

计算森林涵养水源物质量的过程中使用的降雨量数据由海南省气象局及其地方气象站提供，原始林和次生林的蒸发散率和快速径流速率由海南尖峰岭森林生态系统国家野外科学观测研究站提供；橡胶林参考了农业部橡胶林生态站公布的数据，其他类型参考大量的文献资料综合分析得出。不同森林类型年蒸发散率和快速径流速率见表1。

1.2.2 森林保育土壤功能评估 （1）森林年固土价值量。本文森林的保土量是根据无林地和有林地土壤侵蚀程度之差来计算的，将其转化为土方工程量后，根据相应的工程造价，再计算森林的固土价值量，计算公式为：

磷酸二铵中氮含量14.0%，磷含量15.01%；氯化钾中钾含量为50.0%。根据近5 a化肥的市场价格，磷酸二铵的价格为2 400元/t；氯化钾平均价格为2 200元/t；有机肥价格为320元/t，挖土、运土费用市场均价为13.11元/t。

1.2.3 森林固碳释氧功能评估 （1）森林年固碳价值。本文对森林固碳价值的评估采用的是碳税法，固碳价格使用的是瑞典政府发布的碳税率150美元/t。本文计算森林植被与土壤年固碳价值量的公式为：

U碳=AC碳（1.63R碳B年+F土壤碳）

上述公式中： B年为林分净生产力，单位： t/（hm2·a）；U碳为林分年固碳价值，单位： 元/a；F土壤碳为单位面积林分土壤年固碳量，单位： t/（hm2·a）；R碳为CO2中碳的含量，为27.27%；A为林分面积，单位： hm2；C碳为固碳价格，单位： 元/t。

（2）森林年释放氧气价值。本文计算森林年释放氧气的价值量公式为：

U氧=l.19C氧AB年

上述公式中：A为林分面积，单位： hm2；U氧为林分年释氧价值，单位： 元/a；B年为林分净生产力，单位： t/（hm2·a）。C氧为氧气价格，单位： 元/t。

本文采用的氧气价格为林业行业标准LY/T 1721-2008的推荐值1 000元/t。

1.2.4 森林营养物质积累功能 把森林每年积累的N、P、K等营养元素折算成磷酸二铵和氯化钾，根据磷酸二铵和氯化钾的价值即来计算森林年营养物质积累的价值量，计算公式为：

U营养=AB年（N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3）

上述公式中： C1为磷酸二铵价格，单位： 元/t；U营养为林分年营养物质积累价值，单位： 元/a；P营养为林木含磷量，单位： %；A为林分面积，单位： hm2；R2为磷酸二铵化肥含磷量，单位： %；C2为氯化钾价格，单位： 元/t；B年为林分净生产力，单位： t/（hm2·a）；N营养为林木含氮量，单位： %；R1为磷酸二铵化肥含氮量，单位： %；K营养为林木含钾量，单位： %；R3为氯化钾含钾量，单位： %。

磷酸二铵中含氮量14.0%，含磷量15.01%： 氯化钾中含钾量为50.0%。

1.2.5 森林净化环境功能 （1）森林年提供负离子价值。根据国内外的相关研究，空气中负离子浓度达到600个/cm3以上时对人体健康才是有益的，本文计算森林年提供负离子的价值依据是市场上生产负离子的成本，计算公式如下：

U负离子=5.256×1015×AHK负离子（Q负离子-600）/L

上述公式中： K负离子为负离子生产费用，单位：元/个；H为林分高度，单位：m；U负离子为林分年提供负离子价值，单位： 元/a；L为负离子寿命，单位：分钟；A为林分面积，单位： hm2；Q负离子为林分负离子浓度，单位： 个/cm3。

负离子产生费用按照林业行业标准LY/T 1721-2008的推荐值为5.818 5元/1018个。

（2）森林年吸收污染物价值。①森林年吸收SO2的价值。不同树种SO2的年吸收量与SO2治理价格相乘即是森林年吸收SO2的价值，计算公式如下：

U二氧化硫=K二氧化硫×Q二氧化硫×A

上述公式中： K二氧化硫为SO2治理费用，单位：元/个；U二氧化硫为林分年吸收SO2价值，单位：元/a；A为林分面积，单位： hm2；Q二氧化硫为单位面积林分年吸收SO2量，单位： kg/（hm2·a）。

②森林年吸收氟化物价值。不同树种对氟化物的年吸收量与治理价格相乘即是森林年吸收氟化物的价值，计算公式为如下：

U氟化物=K氟化物×Q氟化物×A

上述公式中： Q氟化物为单位面积林分年吸收氟化物量，单位： kg/（hm2·a）；A为林分面积，单位：hm2；U氟化物为林分年吸收氟化物价值，单位： 元/a；K氟化物为氟化物治理费用，单位： 元/个。

③森林年吸收氮氧化物价值。不同树种对氮氧化物的年吸收量与治理价格相乘即是森林年吸收氮氧化物的价值，计算公式如下：

U氮氧化物=K氮氧化物×Q氮氧化物×A

上述公式中： Q氮氧化物为单位面积林分年吸收氮氧化物量，单位： kg/（hm2·a）；K氮氧化物为氮氧化物治理费用，单位： 元/个；U氮氧化物为林分年吸收氮氧化物价值，单位： 元/a；A为林分面积，单位： hm2。

④森林吸收重金属价值。重金属的年吸收量与治理价格相乘即是森林年吸收重金属的价值，其计算公式如下：

U重金属=K重金属×Q重金属×A

上述公式中： Q重金属为单位面积林分年吸收重金属量，单位： kg/（hm2·a）；K重金属为重金属治理费用，单位： 元/个；U重金属为林分年吸收重金属价值，单位： 元/a；A为林分面积，单位： hm2。

（3）森林年滞尘价值。不同树种的年滞尘量与治理价格相乘即是森林年阻滞降尘的价值，计算公式如下：

U滞尘=K滞尘×Q滞尘×A

上述公式中： Q滞尘为单位面积林分年滞尘量，单位： kg/（hm2·a）；K滞尘为降尘清理费用，单位： 元/kg；U滞尘为林分年滞尘价值，单位： 元/a；A为林分面积，单位： hm2。

（4）森林年降低噪音价值。将森林面积折算成隔音墙的长度，再与降低噪音的价格相乘即是森林年降低噪音的价值，公式如下：

U噪音=K噪音×A噪音

上述公式中： K噪音为降低噪音费用，单位： 元/km；U噪音为林分年降低噪音价值，单位： 元/a；A噪音为森林面积折合为隔音墙的公里数，单位：km。

1.2.6 森林生态系统防护功能 由于森林的防护功能主要是通过保障农业生产体现出来的，在计算其价值量时，由于森林的存在而增加的农作物面积乘以农产品的价格，即可得出森林防护功能的价值量，其公式为：

U防护=A防护×Q防护×C防护

上述公式中：Q防护为由于农田防护林、防风固沙林等森林存在增加的单位面积农作物、牧草等年产量，单位：kg/（hm2·a）；U防护为森林防护价值，单位：元/a；A防护为林分面积，单位hm2；C防护为农作物、牧草等价格，单位：元/kg

1.2.7 森林生物多样性保护功能 综合国内外生物多样性的相关研究，本文将Shannon-Weiner指数划分为6个等级，每个等级给予一定的赋值，对森林生物多样性保护功能进行评估，再与各森林类型面积相乘，即得到森林生态系统的生物多样性年价值量，计算公式如下：

U生物=S生×A

公式中： U生物为林分年保护生物多样性价值，单位： 元/a；A为林分面积，单位： hm2；S生为单位面积年保护生物多样性价值，单位： 元/（hm2·a）。

根据标准LY/T 1721-2008推荐的价格指数，当Shannon-Wiener指数<1时，S生<3 000元/（hm2·a）；当1≤指数<2时，3 000≤S生<5 000元/（hm2·a）；当2≤指数<3时，5 000≤S生<10 000元/（hm2·a）；当3≤指数<4时，10 000≤S生<20 000元/（hm2·a）；当4≤指数<5时，20 000≤ S生<30 000元/（hm2·a）；物种资源的价值为30 000～40 000元/（hm2·a），当5≤指数<6时，30 000≤S生<40 000元/（hm2·a）。

1.2.8 森林游憩功能 由于森林游憩的价值量是用森林旅游的收益来衡量的，因此本文收集了海南岛2 000年以来全省的旅游人次、旅游总收入、个别年份森林旅游占旅游总收入的比例等数据，特别是通过分析海南省热带森林旅游发展总体规划（2011～2020）的专题研究材料和规划说明书，获得了大量的背景数据。旅游活动的收益分直接收益和间接收益2种，本文在计算森林游憩价值量时，也分析了直接收益和间接收益的比例关系，根据凯恩斯经济学的“乘数原理”，每产生1元钱的直接消费，可带来3元的间接消费。中国旅游业每收入1美元，可带动国民生产总值增加3.12美元，也即直接和间接的收益比例为1 ∶ 3.12。由于不同森林类型开发程度不同，带来的旅游收益也不同，因此本文还对《海南省热带森林旅游发展总体规划》中森林公园、保护区等的开发比例进行了分析。

2 结果与分析

对海南岛森林生态系统服务功能评估的结果见表2、3。 对海南岛森林生态系统服务功能评估结果表明，海南岛8项生态服务功能总价值量2 528.29亿元（表2），功能价值贡献大小依次为：涵养水源（47.52%）>净化环境（12.35%）>固碳释氧（11.68%）>生物多样性保护（10.31%）>固土保肥（6.65%）>森林防护（6.16%）>森林游憩（4.42%）>积累营养物质（0.91%），海南岛森林的涵养水源功能占了森林生态服务总价值的近一半。海南中间高四周低的地形地貌，一旦没有森林涵养水源持续提供淡水，将对全岛居民生活造成极大影响。

从海南岛不同森林类型的生态服务功能价值量贡献来看（表3），不同类型森林的生态服务功能价值大小依次为原始林（28.34%）>次生林（26.96%）>橡胶林（24.42%）>用材林（14.02%）>防护林（3.24%）>经济林（2.29%）>灌木林（0.43%）>红树林（0.29%）。同为天然林的原始林和次生林对海南生态服务功能价值的贡献最大，两者之和超过了总量的50%，在人工林中，橡胶林起到及其重要的作用，这3个森林类型是维系海南生态系统平衡的核心。

从固碳释氧和净化大气环境2个生态服务功能来看，海南岛森林的固碳释氧价值295.39亿元，净化大气环境的价值312.25亿元，这两项占总价值量的24.03%。

海南岛森林生态价值空间分布见图1所示。

3 讨论与结论

森林生态系统的服务功能对国土的生态安全、社会经济可持续发展发挥着重要作用。森林生态服务功能的价值大多不能直接变现为经济价值，因此，容易被人们忽视。对森林生态系统服务功能进行价值评估对于提高人们对生态服务的认识具有重要意义。

对森林生态系统服务功能进行评估，能够使人们更直接的认识森林与人类的关系，进一步提高林业地位。在具体营林规划中，应根据不同经营要求，科学配置林木资源，使森林的生态系统服务功能得到最大程度的发挥。

政府部门应增大投资力度，加强森林生态系统长期定位观测研究站建设，开展生态服务功能评估相关的监测和试验工作，促进森林生态系统服务功能评估体系的进一步认识。

参考文献

[1] 李文华. 生态系统服务功能价值评估的理论、 方法与应用[M]. 北京： 中国人民大学出版社， 2008： 12-36.

[2] 温庆忠， 魏雪峰， 孔德昌， 等. 滇池流域森林生态服务功能价值评估[J]. 云南大学学报， 2010， 32（3）： 365-372.

[3] Costanza R. The value of the world's ecosystem services and natural capital[J]. Nature， 1997， 387： 253-260.

[4] 张乐勤， 宋慧芳， 许 杨， 等. 九华山森林生态系统生态服务价值评估[J]. 山地学报， 2011， 29（3）： 391-298.

[5] 徐成立， 王雄宾， 余新晓， 等. 北京山地森林生态服务功能评估[J]. 东北林业大学学报， 2010， 38（7）： 79-82.

[6] 侯元兆. 中国森林资源核算研究[M]. 北京： 中国林业出版社， 1995： 190-192.

[7] 薛达元， 包浩生， 李文华， 等. 长白山自然保护区森林生态系统间接经济价值评估[J]. 中国环境科学， 1999， 19（3）： 247-252.

[8] 茹永强， 哈登龙， 熊林春， 等. 鸡公山自然保护区森林生态系统服务功能及其价值初步研究[J].河南农业大学学报， 2004， 38（2）： 199-202.

[9] 靳 芳， 张振明， 余新晓， 等. 甘肃祁连山森林生态系统服务功能及价值评估[J]. 中国水土保持科学， 2005， 3（1）： 53-57.

[10] 王英姿， 何东进， 洪 伟， 等. 武夷山风景名胜区森林生态系统公共服务功能评估[J].江西农业大学学报， 2006， 28（3）： 409-414.

[11] 马建伟， 张宋智， 李惠萍， 等. 小陇山森林生态系统服务功能价值评估[J]. 生态与农村环境学报， 2007， 23（3）： 34.

[12] 胡海胜. 庐山自然保护区森林生态系统服务价值评估[J]. 资源科学， 2007， 29（5）： 28-36.

[13] 张治军， 唐芳林， 朱丽艳. 等， 轿子山自然保护区森林生态系统服务功能价值评估[J]. 中国农学通报， 2010， 26（11）： 107-112.

[14] 张永利， 杨峰伟， 鲁绍伟. 青海省森林生态系统服务功能价值评估[J]. 东北林业大学学报， 2007， 35（11）： 74-76， 88.

[15] 王 兵， 鲁邵伟， 尤文忠， 等. 辽宁省森林生态系统服务价值评估[J]. 应用生态学报， 2010， 21（7）： 1 792-1 798.

[16] 赵元藩， 温庆忠， 艾建林. 云南森林生态系统服务功能价值评估[J]. 林业科学研究， 2010， 23（2）： 184-190.

[17] 余新晓， 鲁邵伟. 中国森林生态系统服务功能价值评估[J]. 生态学报， 2005， 25（8）： 2 096-2 102.

[18] 靳 芳， 余新晓.中国森林生态系统服务功能及其价值评价[M].北京： 中国林业出版社， 2007： 134-157.

[19] 中国林业科学院林业生态环境与保护研究所. LY/T1721-2008森林生态系统服务功能评估规范[S]. 国家林业局， 2008-04-28： 4-12.