凉水自然保护区森林生态系统生态服务功能评估

孙美欧，孙　虎

(1.黑龙江省带岭林业科学研究所，黑龙江 伊春 153106；2.东北林业大学 凉水自然保护区，黑龙江 伊春 153106)



凉水自然保护区森林生态系统生态服务功能评估

孙美欧1，孙虎2*

(1.黑龙江省带岭林业科学研究所，黑龙江 伊春 153106；2.东北林业大学 凉水自然保护区，黑龙江 伊春 153106)

森林生态系统服务功能为人类提供赖以生存和发展的自然生态环境条件，因此准确估计其价值对森林可持续发展意义重大。本文按照国家林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)的规定，对凉水自然保护区森林生态系统生态服务功能分7个方面、13个指标进行了评估。结果表明：凉水自然保护区森林生态服务功能总价值为53 711.17万元/a，单位面积森林可提供生态服务功能价值为8.48万元/(hm2·a)，保护区森林生态服务功能潜力较大；按各项生态服务功能价值大小排序为：生物多样性保护(15 495.90万元/a)>保育土壤(15 375.88万元/a)>固碳释氧(10 140.16万元/a)>涵养水源(10 061.41万元/a)>净化大气环境(2 417.00万元/a)>积累营养物质(205.52万元/a)>森林游憩(15.30万元/a)。

凉水自然保护区；生态系统；服务功能；价值评估

0　引　言

森林生态系统是陆地生态系统的主体，在全球气候变化和物质交换、能量循环中扮演着重要角色。长期以来，森林的作用仅仅被局限于提供木材，而森林其他方面的功能并没有得到合理的开发和利用。近30年来，随着生态环境日益恶化，森林的生态服务功能越来越受到人们的重视[1-2]。国外在上世纪五十年代左右就开始了森林生态服务功能的研究，最初的研究主要是为了估算森林的直接经济价值和森林可提供的旅游价值[3]。随着研究理论的不断创新，相继出现了诸多基于经济学理论的评估方法和基于生态学理论的过程模型，各国学者在不同尺度上对森林生态服务功能进行了评估[4]。国内对森林生态服务功能的研究最早始于上世纪八十年代，诸多学者借鉴国外研究方法对国内不同尺度森林生态服务功能进行了评估，取得了丰硕的成果，但是由于研究方法多样，评估体系较多，不同研究结果往往不能相互统一和相互比较。直至2008年，该行业标准的颁布促使我国森林生态系统生态服务功能评估工作取得了较大进展，近十年来，诸多学者开展了大量工作。在国家尺度上，张永利等[5]利用中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)长期积累的数据对中国森林生态系统服务功能进行了研究；在省市级尺度，诸多学者对云南省[6]、湖南省[7]、辽宁省[8]、吉林省[9]、小兴安岭林区[10]、内蒙古大兴安岭林区[11]、北京山地森林[12]生态系统服务功能进行了评估；在自然保护区尺度，浙江省庙坞山国家级自然保护区[13]、甘肃祁连山国家级自然保护区[14]和黑龙江丰林国家级自然保护区[15]都进行了森林生态服务功能评估工作。

黑龙江凉水国家级自然保护区主要保护对象是以红松为主的阔叶红松林及其森林生态系统，区内自然资源丰富，保存有最为典型和完整的原始阔叶红松林，是中国和亚洲东部具有代表性的温带原始红松针阔叶混交林区[16]。经过早期森林采伐利用后更新造林和森林火灾后火烧迹地天然更新，凉水保护区形成了以原始红松林为主，天然次生林和人工红松、人工落叶松和人工云杉等人工林共存的森林资源现状，是研究东北地区小兴安岭森林生态演替过程的重要本底资料。对凉水保护区生态服务功能进行评价将会对进一步做好保护区森林资源管护工作提供依据，也将为保护区可持续发展提供保障。

1　研究区域概况

黑龙江凉水国家级自然保护区位于小兴安岭东南部，行政区划位于伊春市带岭区境内，距离哈尔滨市320 km，地理坐标47°7′15″～47°14′38″N，128°48′8″～128°55′46″E，保护区总面积为6 394 hm2[17]。保护区境内全为山地，坡度在10°～15°，属于小兴安岭南坡达里带岭东坡，北高南低，海拔在280～707 m；保护区具有明显的温带大陆性季风气候特征，极端最低气温达-43.9℃，极端最高气温达38.7℃；本区域夏季高温多雨，冬季严寒干燥，年均气温在-0.3℃左右；无霜期100～120 d，积雪期130～150 d；多年平均降水量676 mm，多集中在7月份；保护区地带性植被属长白植物区系小兴安岭亚区，地带性土壤为暗棕壤，顶级森林生态系统类型为原始阔叶红松林，主要乔木树种和伴生树种有红松(Pinuskoraiensis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、冷杉(Abiesnephrolepis)、兴安落叶松(Larixgmelinii)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黄菠萝(Phellodendronamurense)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)和大青杨(Populusussuriensis)等20多种，还有五味子(Schisandrachinensis)、山葡萄(Vitisamurensis)和狗枣子猕猴桃(Actinidiakolomikta)等藤本植物。

2　研究方法与数据收集

本研究主要根据“标准”规定的评估指标和相关计算公式(其中森林涵养水源功能指标除外)，以2009年凉水自然保护区森林资源调查数据为基础，参考凉水自然保护区长期生态定位研究成果和相关数据资料，结合2014年和2015年野外实地调查，对7项主要森林生态服务功能的物质量和价值量进行定量分析和价值评估。

2.1涵养水源

森林水源涵养功能可以划分为两方面指标进行评价，分别是调节水量价值和净化水质价值。参考王玉涛等[18]、刘林馨等[15]和汪永英等[19]的研究，本研究森林涵养水源价值按照以下公式(1)～(3)估算：

U调=C库(Ci+Lh+Sc)。

(1)

Sc=AiNPC×St×104。

(2)

U水质=K水(Ci+Lh+Sc)。

(3)

式中：U调为林分调节水量价值，U水质为林分净化水质价值，元/a；K水为我国居民用水平均价格，元/t；C库为水库库容造价，元/m3；Ci为林冠层总截留量，m3/a；Lh为凋落物层有效吸水量，m3/a；Sc为土壤层枯水期增加的总水量，m3/a；NPC为森林土壤非毛管孔隙度，%；St为土壤层厚度，m；Ai为各林分面积，hm2，下同[2，21]。

2.2保育土壤

森林保育土壤功能主要包括固土和保肥两个功能，根据以下公式(4)～(5)进行估算其价值：

U固土=AiC土(X2-X1)/p。

(4)

U肥=Ai(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)。

(5)

式中：U固土是林分年固土价值，U肥是林分年保肥价值，元/a；C土是挖取和运输单位体积土方所需费用，元/m3；X1，X2分别是林地和无林地土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；p是林地土壤容重，t/m3；N、P、K分别是林分土壤平均N、P、K钾含量，%；M是林分土壤有机质含量，%；C1是磷酸二铵化肥价格，C2是氯化钾化肥价格，C3是有机质价格，元/t；R1、R2和R3分别是磷酸二铵化肥含N量、磷酸二铵化肥含P量和氯化钾化肥含K量，%[2，21]。

2.3固碳释氧

固碳释氧功能主要包括固定碳素和释放氧气两个方面的价值，根据以下公式(6)～(7)进行估算：

U碳=AiC碳(1.63R碳B年+F土壤碳)。

(6)

U氧=1.19AiC氧B年。

(7)

式中：U碳是林分年固碳价值，U氧是林分年释氧价值，元/a；C碳是固碳价格，C氧是氧气价格，元/a；R碳是CO2中碳含量(取27.27%)；B年是林分净生产力，F土壤碳是单位面积林分土壤年固碳量，t/(hm2·a)[2，21]。

2.4积累营养物质

营养物质的积累功能主要通过以下公式(8)进行估算价值：

U营养=AiB年(N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3)。

(8)

式中：U营养是林分年营养物质积累价值，元/a；N营养、P营养和K营养分别指林木氮、磷和钾含量，%[2，21]。

2.5净化大气环境

森林净化大气环境功能主要根据以下公式(9)～(15)估算其价值：

U负离子=5.256×1015×AiHK负离子(Q负离子-600)/L。

(9)

U二氧化硫=AiK二氧化硫Q二氧化硫。

(10)

U氟=AiK氟化物Q氟化物。

(11)

U氮氧化物=AiK氮氧化物Q氮氧化物。

(12)

U噪音=K噪音A噪音。

(13)

U滞尘=AiK滞尘Q滞尘。

(14)式中：U负离子是林分年提供负离子价值，U二氧化硫、U氟、U氮氧化物、U噪音和U滞尘分别是林分年吸收二氧化硫、氟、氮氧化物价值和林分年降低噪音、滞尘价值，元/a；H是林分高度，m；K负离子是负离子产生费用，元/个；Q负离子是林分负离子浓度，个/cm3；L是负离子寿命，min；K二氧化硫、K氟化物、K氮氧化物和K滞尘分别是二氧化硫、氟化物和氮氧化物污染治理费用、降尘清理费用，元/kg；A噪音是森林面积折合为隔音墙的公里数，km；Q二氧化硫、Q氟化物、Q氮氧化物和Q滞尘分别是单位面积林分吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物量和滞尘量，kg/(hm2·a)[2，21]。

2.6生物多样性保护

本研究采用Shannon-Wiener指数计算物种保育价值[20]。具体计算公式为：

U生物=S生Ai。

(15)式中：U生物是林分物种保育价值，元/a；S生为单位面积森林年物种损失的机会成本，元/(hm2·a)。

本研究中Shannon-Wiener指数：原始林选取4≤指数<5，次生林选取2≤指数<3，人工林选取1≤指数<2，对应的单位面积年物种损失的机会成本分别为30 000元，10 000元和5 000元[2]。

2.7森林游憩

森林游憩功能主要通过直接法评价其价值。本研究拟统计近3年凉水自然保护区旅游门票、接待住宿等收入的平均值，估算其森林游憩价值。

2.8数据来源

本研究森林资源数据以2009年凉水自然保护区森林资源二类调查数据为主，根据分类保护的原则和保护区总体森林区划方案，将保护区森林划分为核心区、原始林实验区、次生林实验区和人工林实验区，为了便于统计估算，本研究将核心区和原始林实验区归为原始林(4 795.3 hm2)，次生林实验区归为次生林(685.3 hm2)，人工林实验区归为人工林(849.4 hm2)。同时参考文献[2]中的相关价格参数等公共数据，参考张永利等[5]《中国森林生态系统服务功能研究》研究成果；参考近30年来诸多学者在凉水自然保护区长期定位观测和科学研究的成果[16,22-25]，进行凉水自然保护区森林生态服务功能评估。

3　结果与分析

3.1森林涵养水源价值

根据水量平衡法和替代工程法，按照公式(1)～(3)计算凉水保护区水源涵养物质量和价值量。保护区森林生态系统年均能够涵养水源1 226.89万m3，单位面积森林涵养水源为1938.22 m3/(hm2·a)，调节水量总价值为7 497.19万元/a，净化水质总价值为2 564.21万元/a，涵养水源总价值为10 061.41万元/a，单位面积森林涵养水源总价值为1.59万元/(hm2·a)，见表1。

表1　涵养水源评估结果

3.2森林保育土壤价值

采用土壤侵蚀差异对比法，运用市场价值法和影子工程法，按照公式(4)～(5)对凉水保护区森林生态系统保育土壤物质量和价值量分为固土和保肥两个方面进行评估。经过计算，凉水保护区森林生态系统年固土量可达40.51万m3，固土价值为797.58万元/a；凉水保护区森林生态系统年固定氮、磷、钾元素量分别为4 334.78、648.19、6 522.43 t，保肥总量为11 505.41 t，保肥总价值为14 578.30万元/a。将固土价值和保肥价值相加即得到保护区森林保育土壤总价值，为15 375.88万元/a，单位面积保育土壤价值为2.43万元/(hm2·a)。

3.3森林固定碳素与释放氧气价值

根据光合作用化学平衡法，采用价格替代法，按照公式(6)～(7)计算得到凉水保护区森林生态系统固碳释氧物质量及其价值。凉水保护区森林植被年固定碳素26 153.59 t，折合经济价值为3 138.43万元/a；凉水保护区森林植被每年可释放氧气70 017.33 t，折合经济价值为7001.73万元/a。因此凉水保护区森林固碳释氧总价值为10 140.16万元/a，单位面积固碳释氧价值为1.60万元/(hm2·a)，见表2。

表2　固碳释氧评估结果

3.4森林积累营养物质价值

根据林木生长-积累营养物质法，按照公式(8)计算得到林木生长固定营养物质量，再根据价值替代法计算价值量。凉水保护区森林年固定氮元素103.10 t，磷元素10.00 t，钾元素29.06 t，总计142.16 t，折合为经济价值为205.52万元/a，单位面积积累营养物质价值为0.03万元/(hm2·a)，见表3。

表3　积累营养物质评估结果

3.5森林净化大气环境价值

按照面积-吸收能力法计算凉水保护区森林净化大气环境物质量，采用替代工程法估算价值量，具体方法按照公式(9)～(14)。凉水保护区森林每年可生产2.00×1023个负氧离子，折合经济价值81.31万元；每年可吸收二氧化硫962.98 t，折合经济价值115.56万元；每年可吸收氟化物16.33 t，折合经济价值1.12万元；每年可吸收氮氧化物37.98 t，折合经济价值2.39万元；每年可消减粉尘137 107.81 t，折合经济价值2 056.62万元；将保护区森林近似折合为4 km隔音墙，可近似得到降低噪音费用为160万元。因此保护区森林净化大气环境价值为2 417.00万元/a，单位面积积累营养物质价值为0.38万元/(hm2·a)。

3.6生物多样性保护功能的价值

根据公式(15)，计算得到保护区森林保育物种的总价值为15 495.90万元/a，换算为单位面积森林物种保育功能价值为2.45万元/(hm2·a)。其中原始林、次生林和人工林分别为14 385.90 、685.30、424.70万元/a 。

3.7森林游憩价值

凉水自然保护区以保护原始红松林为宗旨，尤其是近几年来实行了更加严苛的森林资源管护制度，只在每年的6月下旬到9月上旬适度开展森林生态旅游活动，旅游收入主要包括门票和接待住宿等费用。经统计，2013年、2014年和2015年保护区森林旅游收入分别为16.50、14.20、15.30万元/a，取其均值15.30万元/a作为本研究凉水自然保护区森林游憩价值。

4　讨论与结论

4.1讨论

凉水保护区森林各部分功能大小排序为：生物多样性保护>保育土壤>固碳释氧>涵养水源>净化大气环境>积累营养物质>森林游憩，其中生物多样性保护和保育土壤价值总和占保护区生态服务功能总价值的57.5%，涵养水源和固碳释氧价值所占比例分别都超过了18.5%，与刘林馨等[19]研究黑龙江丰林自然保护区森林生态服务功能得到的结果类似；凉水自然保护区净化大气环境功能价值所占比例不到总价值的5.0%，和修珍珍等[13]研究浙江庙坞山自然保护区森林生态服务功能得到的结果差别很大，这可能与不同森林类型植被的多样性及环境气候条件的差异有关系；由于凉水自然保护区实行严格的生态保护措施，森林可提供的游憩功能并没有完全开发出来，因此本研究仅用近凉水自然保护区3年的门票和住宿收入估计森林游憩功能误差较大，在今后的研究中应该采取更合理的方法对其进行评估，如图1所示。

图1　凉水自然保护区森林生态系统生态服务功能价值Fig.1 The value of forest ecosystem services in Liangshui nature reserve

通过查阅已公开发表的文献资料，作者对不同研究区域森林的生态服务功能进行了汇总，见表4。通过比较分析后发现，森林的生态服务功能与森林面积密切相关，因此增大森林面积是缓解生态环境恶化的有效手段之一。由于森林植被多样性的差异和气候环境的不同，单位面积森林生态服务功能价值差异较大，如浙江庙坞山自然保护区森林单位面积每年可提供的生态服务价值高达100.08万元[13]，但是辽宁省单位面积的森林每年仅能提供的生态服务价值为4.79万元[8]，二者相差约25倍，说明对不同地区、不同类型的森林进行生态服务功能评价是有必要的。

表4　不同区域森林生态服务功能价值比较

4.2结论

本研究按照“标准”的规定，同时参考已发表的研究成果，对凉水自然保护区森林生态服务功能物质量和价值量进行评估和分析。凉水自然保护区森林生态服务功能总价值为53 711.17万元/a，单位面积森林每年可提供的生态服务功能价值为8.48万元/(hm2·a)；“标准”的颁布为准确评估森林生态服务功能提供了依据，使得对不同地区的森林生态服务功能价值进行比较成为了可能，也大力推进了森林资源的保护和利用工作[1]。但是研究森林的生态服务功能只是基础工作，如何将其转化为实际的经济价值，获得相应的货币化补贴还有待进一步研究。

[1]王兵，任晓旭，胡文，等.森林生态系统服务功能评估区域差异性[J].东北林业大学学报，2010，38(11)：49-53.

[2]国家林业局.LY/T 1721-2008 森林生态系统服务功能评估规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]赵金龙，王泺鑫，韩海荣，等.森林生态系统服务功能价值评估研究进展与趋势[J].生态学杂志，2013，32(8)：2229-2237.

[4]Costanza R，d’Arge R，De Groot R，et al．The value of the world ’s ecosystem services and natural capital[J].Nature，1997，387：253-260.

[5]张永利，杨锋伟，王兵，等.中国森林生态系统服务功能研究[M].北京：科学出版社，2010.

[6]华朝朗，杨东，赵元藩，等.云南省国家级和省级自然保护区森林生态服务功能价值评估[J].植物分类与资源学报，2013，35(5)：656-664.

[7]韩素芸，田大伦，闫文德，等.湖南省主要森林类型生态服务功能价值评价[J].中南林业科技大学学报，2009，29(6)：6-12.

[8]王兵，鲁绍伟，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)：1792-1798.

[9]牛香，宋庆丰，王兵，等.吉林省森林生态系统服务功能[J].东北林业大学学报，2013，41(8)：36-41.

[10]刘林馨.小兴安岭森林生态系统植物多样性及生态服务功能价值研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2012.

[11]常艳.内蒙古大兴安岭森林生态系统的服务功能及价值评价[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2010.

[12]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.

[13]修珍珍，王斌，杨校生，等.庙山坞自然保护区森林生态系统服务功能评估[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2015，39(4)：81-87.

[14]汪有奎，郭生祥，王杰，等.甘肃祁连山国家级自然保护区森林生态系统服务价值评估[J].中国沙漠，2013，33(6)：1905-1911.

[15]刘林馨，刘传照，毛子军.丰林世界生物圈自然保护区森林生态系统服务功能价值评估[J].北京林业大学学报，2011，33(3)：38-42.

[16]马建章，刘传照，张鹏.凉水自然保护区研究(第1集)[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，1993：1-3.

[17]盛后财，满秀玲，蔡体久，等.凉水自然保护区红松结实规律及可持续经营[J].东北林业大学学报，2010，38(12)：4-6.

[18]王玉涛，郭卫华，刘建，等.昆嵛山自然保护区生态系统服务功能价值评估[J].生态学报，2009，29(1)：523-531.

[19]汪永英，段文标.小兴安岭南坡3种林型林地水源涵养功能评价[J].中国水土保持科学，2011，9(5)：31-36.

[20]王兵，郑秋红，郭浩.基于Shannon-Wiener指数的中国森林物种多样性保育价值评估方法[J].林业科学研究，2008，21(2)：268-274.

[21]塔吉古丽·艾麦提.新疆巴尔鲁克山自然保护区森林生态系统服务功能价值评估[D].乌鲁木齐：新疆大学，2012.

[22]马燕娥，黄衍庆，肖爱华.泉州森林生态系统服务功能价值评估与对比分析[J].森林工程，2015，31(4):42-49.

[23]马军.山西省天保区森林生态系统服务功能价值评估[J].四川林业科技，2015，36(6):81-84.

[24]樊建霞.基于模糊综合评价法的森林生态系统健康评价——以北川县自然保护区为例[J].四川林业科技，2015，36(1):79-81.

[25]李文静，陈猛.浅谈卧龙的自然保护实践与发展对策[J].四川林业科技，2014，35(4):69-71.

Assessment on Forest Ecosystem Services inLiangshui National Nature Reserve

Sun Meiou1，Sun Hu2*

(1.Dailing Forestry Science Research Institute，Yichun 153106，Heilongjiang Province；2.Liangshui National Nature Reserve，Northeast Forestry University，Yichun 153106，Heilongjiang Province)

The service functions of forest ecological system can provide necessary conditions for the surviving and development of human beings，thus it is of great significance to accurately estimate the value of forest ecosystem.According to the Standard of People’s Republic of China-Specifications for Assessment of Forest Ecosystem Services(LY/T 1721-2008)，the value of forest ecosystem services of Liangshui Nature Reserve was evaluated with 7 main functions and 13 indicators.The results showed that the total value of forest ecosystem services in Liangshui Nature Reserve was 53 711.17×104yuan RMB per year，the value of unit area was 8.48×104yuan RMB /(hm2·a)，and reserves potential of forest ecological service function was great；The value of different ecosystem services was as follows：biodiversity conservation>soil conservation>carbon fixation and oxygen release>water conservation>atmosphere environment purification>nutrient accumulation>forest recreation.

Liangshui National Nature Reserve；forest ecosystem；service function；value assessment

2016-02-26

中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(2572014BA07)；黑龙江省森林工业总局青年基金项目(sgzjQ2015003)

孙美欧，硕士，助理工程师。研究方向：森林经营与林木育种。

孙虎，硕士，助理工程师。研究方向：森林经理，林业碳汇。E-mail:Hu_S2012@163.com

孙美欧，孙虎.凉水自然保护区森林生态系统生态服务功能评估[J].森林工程，2016，32(5)：21-26.

S 718.5

A

1001-005X(2016)05-0021-06