天山灌木林生态系统服务功能评估

宋成程 常顺利 张毓涛 谢锦 王慧杰 孙雪娇

摘要依据《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T 1721—2008）确定的评估标准及社会公共数据，以2011年新疆森林资源一类清查数据为基础，对新疆天山山区天然灌木林生态系统的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质和生物多样性保护5项服务功能11个指标，分别进行了实物量、价值量的监测与核算。结果表明：天山天然灌木林年均涵养水量为7.82 亿m3/a，年保育土壤的总量为27187亿t/a，年固碳释氧的总量为13.94亿t/a，年积累营养物质的总量为21.93万t/a。天山灌木林年涵养水源功能的总价值为87.05 亿元/a，其中保育土壤功能的总价值量为18.10亿元/a，固碳释氧的总价值量为27.50亿元/a，积累营养物质的价值量为2 810 万元/a，物种资源保护价值为37.84亿元/a，天山天然灌木林生态系统服务功能的总价值约为170.79亿元/a。

关键词生态系统功能；生态系统服务；生态效益；灌木林；天山

中图分类号S718.55文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0070-05

Ecosystem Services Assessment for Tianshan Shrubs

SONG Chengcheng1， CHANG Shunli1*， ZHANG Yutao2 et al

（1.Key Laboratory of Oasis Ecology， College of Resource and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046；2.Institute of Forest Ecology， Xinjiang Academy of Forestry， Urumqi， Xinjiang 830063）

AbstractBased on the Forest Ecosystem Services Assessment Standards （LY/T1721-2008） and social public data and the inventory data of forest resources of Xinjiang in 2011，the monitoring and accounting of the ecological system of natural shrub forest in Xinjiang Tianshan Mountains， the conservation of water resources， conservation soil， carbon sequestration， accumulation of nutrients and biological diversity protection were carried out.The results showed that the average annual water conservation of natural shrub forest in Tianshan Mountain was 782 million m3/a， the total amount of soil conservation was 27187 billion t/a， the total amount of carbon fixation and oxygen release was 1394 billion t/a， and the total amount of nutrients accumulated in the year was 0.219 3 million t/a.The value of water conservation function was 8.705 billion yuan/a， the total value of conservation soil function was 1.810 billion yuan/a， the total value of the amount of carbon fixation and oxygen release was 2.750 billion yuan；

accumulation value of nutrients was 28.10 million yuan/a；species resource protection value was 3.784 billion yuan/a， the total value of the natural shrub forest ecosystem services was about 17.079 billion yuan/a.

Key wordsEcosystem function；Ecosystem service；Ecological benefit；Shrubs；Tianshan Mountain

生態系統服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。由于长期以来人类在经济活动决策过程中对生态系统服务价值的忽略，导致自然资源的过度消耗和生态系统的破坏[2-4]。自1997年Costanza等[5]对全球生态系统服务价值进行定量评价以来，生态系统服务功能价值逐渐被人们认识并被日益关注。1941年美国学者Assesement等[6]采用费用支出法对森林生态系统的生态效益评估进行了核算； 1992年Mitchell等[7]对全球北部森林进行了较为系统的生态价值评估。国内对森林生态系统服务功能开展评估工作较晚[8-11]，且在评估的指标体系和方法上缺乏统一，在不同区域、不同类型生态系统进行比较分析方面存在很大缺憾。国家林业局于2008 年颁布了林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》（LY·T 1721—2008），制定了全国全行业统一的评估体系和评估方法，设定了森林各项服务功能的物质量、价值量的评估公式与参数设置，目前该标准已得到广泛应用[12]。

灌木林是天山森林生态系统的重要组成部分，蕴藏着丰富的物种，在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、保护生物多样性等方面，对新疆脆弱的生态系统发挥着极为重要的作用[13-15]。然而，长期以来对于面积巨大、功能突出的天山山区灌木林生态作用的认识既不充分，对天山灌木林生态系统服务功能的评估确有现实需要。笔者依据行业标准确定的评估方法，在实测数据基础上，对天山灌木生态系统的各项功能和服务价值进行了全面的监测、核算和评估，以期为更加准确、客观地认识天山山区灌木林的功能提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

天山是横亘在欧亚大陆腹地的一条巨大山脉，在我国新疆境内连绵1 760 km，东起哈密地区的巴尔库—哈尔雷克山，西止中—哈边界线的哈尔雷克套山。根据天山植被长势、地形地貌、气候等条件的不同，把天山分为西天山、中天山和东天山3个部分[16]。

天山西段以昭苏林场为调查采样区，主要依托昭苏县阿克苏乡（80°10′～ 80°30′ E，43°15′～42°38′ N，）开展工作，该地属温带大陆性气候，年平均气温5～7 ℃，1月平均气温-10 ℃，7月平均气温22.6 ℃[13]；年平均降水量为600～800 mm，全年60%的降水量集中在 5—8月，年平均蒸发量1 100～1 200 mm，年平均相对湿度70%以上，无霜期120 d[17]。

天山中段以乌鲁木齐县板房沟林场为调查采样区，主要依托中国森林生态系统研究网络（CFERN）天山森林生态系统定位站研究站（87°07′～87°28′E，43°14′～43°26′N）开展工作，该地属温带大陆性气候，年总辐射量达5.85×105 J/（cm2·a），年均气温2～3 ℃，历年最高温为30.5 ℃，最低温为-30.2 ℃；年降水量400～600 mm，最大积雪深度为65 cm[18]。

天山东段以哈密林场为调查采样区，主要依托巴里坤县白石头景区（93°37′～93°41′ E，43°9′～43°13′ N）开展工作，该地属温带大陆性干旱半干旱气候，夏季炎热、冬季寒冷、四季分明、干燥少雨，年平均气温为4.7 ℃，1月极端最低气温-42.6 ℃，7月极端最高气温43 ℃；年平均降水量为176 mm，蒸发量2 141 mm，无霜期平均156 d，年日照时数2 280～3 230 h。

根据2007年新疆二类森林资源清查、2011年新疆一类森林资源清查、新疆三北防护林工程建设30年总结及实际野外样地调查，选取7种天山山区常见灌木：小檗（Berberis thunbergii DC）、忍冬（Lonicera japonica Thunb）、蔷薇（Rosa）、栒子（Cotoneaster）、绣线菊（Spiraea salicifolia L.）、方枝柏（Sabina saltuaria）、锦鸡儿（Caragana sinica Rehd.）。

据2011年新疆森林资源一类清查数据，天山山区天然灌木林的总面积为766 787.58 hm2。7个灌木树种的林地面积信息见表1。

安徽农业科学2017年

1.2功能數据收集及计算方法

为监测天山灌木林固碳释氧、保育土壤、积累营养物质、生物多样性、涵养水源5项生态服务功能价值，根据《森林生态系统服务功能评估规范》的评价方法，对7种灌木按照盖度分为疏、中、密3个类型，设置固定或临时样方，按照需要进行野外监测和数据收集。

1.2.1涵养水源。

评价涵养水源功能所需的地表径流、土壤蒸发及降雨量数据由新疆林业科学院野外定位观测站长年连续观测资料获得。2014年水库建设单位库容投资造价为8.71元/t，挖取和运输单位体积土方所需费用为20.09元/m3，水的净化费为2.72元/t。

1.2.2保育土壤。

在上述样地中采用“S”型布点法设置3个采样点，使用土壤环刀采集土壤容重样品，使用土钻采集土壤化学性质样品。按0～10、10～20、20～40、40～60 cm采集土样，测定土壤容重、土壤毛管孔隙度、土壤氮含量、土壤磷含量、土壤钾含量、土壤有机质含量。为了分析新疆森林保育土壤功能，项目组在上述研究区采集测定了63份土壤样品，每份土样每个指标均做3次重复试验。

公共数据是由化肥价格推算出，根据市场常用化肥磷酸二铵、氯化钾的产品说明书可知，磷酸二铵含氮量14.00%，含磷量15.01%，氯化钾含钾量50.00%。2014年的磷酸二铵化肥、氯化钾化肥和有机化肥价格分别为 3 117.85、2 858.03、415.71元/t。

1.2.3固碳释氧。

选定63株典型天山天然灌木解析木，调查草本样方共计99个。灌木生物量测定：在天山西部、中部、东部林区浅山带选择锦鸡儿、栒子、小檗、绣线菊、蔷薇、方枝柏和忍冬的典型分布区进行每木检尺。同时选择标准木，依据《新疆林业生态服务功能监测与评估技术手册》中的方法，采用收获法分别测定树干、树叶、树枝和根系生物量。根据灌木年龄，得到不同地区不同种类灌木的净生产力（表2）。

草本生物量测定：根据《新疆林业生态服务功能监测与评估技术手册》中的方法，调查记录样方内树种组成、出现频率、各树种的高度、株数等。将每个小样方中所有的草本连根挖出，用水冲去泥土后风干称鲜重，随机抽取部分樣品带回实验室测定生物量；土壤固碳测定：分别在上述样地内布设3个土壤采集点，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm分层，每个采集点采集4份土样，带回室内按“土壤有机碳分析样品采集”方法对样品进行处理后，于-4 ℃保存，在实验室内测定土壤有机碳含量。公共数据采用2014年工业制氧平均价格1 299.10元/t。

1.2.4积累营养物质。按照GB 7888—87对63株灌木的叶片、枝条、根系进行全氮、全磷、全钾的消煮测定。氮、磷、钾的价值参照2014年磷酸二铵化肥、氯化钾化肥价格。

1.2.5生物多样性保护。

灌木生态系统为生物树种提供生存与繁衍的场所，从而对其起到保育作用的功能。林下灌木层生物多样性监测：在天山西部、中部和东部灌木林区随机设置典型的灌木林10 m×10 m标准样地，调查每个样地内的灌木树种组成、数量、高度、冠幅等指标。采用全株采伐的方法求算灌木生物量。对于草本层生物多样性监测：在研究区建立20 m×20 m标准样地，在每个样地内按照对角线的方法每隔10 m布设1个1 m×1 m的样方，调查草本组成、数量、高度等指标。选取典型草本样方，用完全收割法求出草本生物量。最后根据香农多样性指数，求出灌木生态系统的物种多样性保护功能。

1.3计算方法

依据《森林生态系统服务功能评估规范》（LY·T 1721—2008）确定的评估模型及社会公共数据，对新疆天山自然保护区森林生态系统的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、生物多样性保护等服务功能开展了实物量与价值量评估（表3）。

2結果与分析

2.1生态系统服务功能实物量

2.1.1生态效益实物量总量。

根据《森林生态系统服务功能评估规范》计算得到天山天然灌木林年均涵养水量为7.82亿m3/a；年保育土壤的总量为272万t/a；年固碳释氧的总量为320万t/a；年积累营养物质总量为21.90万t/a。

2.1.2西、中、东3段天山的空间分异特征。

由于地理、气候等条件的不同，使得西、中、东3段天山天然灌木林带来生态效益的实物量也不同。3段天山天然灌木林涵养水源、固碳释氧、保育土壤及积累营养物质服务功能实物量见表4。

2.2生态系统服务功能价值量

2.2.1生态效益。

天山灌木生态系统服务功能的总价值约为170.79亿元/a。其中天山灌木林年涵养水源功能的价值为8710亿元/a，其中包括年调节水量价值和年净化水质价值，分别为66.40和20.07亿元/a ；保育土壤功能的总价值量为1810亿元/a，其中年固土价值为4 640 万元/a，年保肥价值为17.70亿元/a；固碳释氧的总价值量为27.50亿元/a，其中固碳功能价值为7.10亿元/a，释氧功能价值为20.60亿元/a；积累营养物质的价值量为2 810万元/a，年积累氮营养元素价值为2 050万元/a，年积累磷营养元素的价值为105万元/a，年积累钾营养元素的价值为655万元/a；物种资源保护价值为37.84亿元/a。

2.2.2空间分异特征。

根据《森林生态系统服务功能评估规范》（LY·T 1721—2008）中计算生态服务功能价值量公式计算，得到天山不同地区灌木生态系统服务功能价值量（表5）。

2.3灌木林功能评价

2.3.1涵养水源。

天山西部的天然灌木林年涵养水源功能价值为28.74亿元/a，占总涵养水源功能价值的33.01%，中部为41.23亿元/a，占总涵养水源功能价值的47.37%；东部为17.08亿元/a，占涵养水源总功能价值的19.62%（表5）。

从单位面积涵养水源实物量及价值量的变化趋势可以明显看出，天山灌木单位面积涵养水源的實物量从天山西部到东部呈逐渐降低趋势。而单位面积涵养水源的价值量则呈现天山中部地区大，而东、西两地小的特点，且东部单位面积涵养水源的价值量还要小于西部。

2.3.2保育土壤。

保育土壤功能又分为固土功能和保肥功能2部分，天山天然灌木林的固土能力占保育土壤能力的83.49%，是天山灌木林生态系统保育土壤功能的主要部分。灌木的保肥能力又分为保氮能力、保磷能力、保钾能力和保持有机碳的能力，结果见表6。由表6可知，天山西部、中部、东部灌木林的保肥能力从大到小依次为钾、有机碳、氮、磷，且不同地区灌木林的保育土壤能力从大到小依次为天山中部、西部、东部。

对于保育土壤功能，天山西部的天然灌木林年保育土壤功能价值为5.25亿元/a，占保育土壤功能总价值的28.98%；中部为8.89元/a，占保育土壤功能总价值的49.03%；东部为398亿元/a，占保育土壤功能总价值的21.99%（表5）。

2.3.3固碳释氧。由固碳释氧功能的计算结果可知，天山灌木林单位面积释放氧气的实物量从天山西部到天山东部呈逐渐降低的趋势。单位面积土壤固碳量正好相反，从天山西部到东部呈现逐渐增加的趋势。但不论是降低还是增加，都是从天山西部到中部的变化率最大；天山灌木单位面积释放氧气的价值量从天山西部到东部逐渐降低；单位面积土壤固碳的价值量从西部到东部呈先降低后增加的趋势。

对于固碳释氧功能，植被年固碳量为0.85万t/a，价值为0.71亿元t/a；土壤年固碳量为13.09万t/a，价值为10.99亿元t/a，这说明土壤固碳量远大于植被固碳量；在释氧功能方面，天山灌木生态系统年释氧量为2.25万t/a，价值为206亿元/a。天山天山西部的天然灌木林固碳释氧功能价值为4.86亿元/a，占灌木林固碳释氧功能总价值的3532%；中部为6.27亿元/a，占灌木林固碳释氧功能总价值的45.57%；东部为4.86亿元/a，占灌木林固碳释氧功能总价值的19.11%。

2.3.4积累营养物质。从天山西部到东部，灌木中氮、钾元素的含量逐渐降低，而磷元素是呈现先降低后增加的趋势。单位面积灌木林积累营养元素功能的价值量从西到东逐渐降低，氮元素的价值量降低速率要大于磷和钾价值量的降低速率。

对于积累营养物质功能，天山天然灌木林植被氮增加量为9.18万t/a，磷增加量为0.13万t/a，钾增加量为12.63万t/a，分别占天山天然灌木林积累营养元素实物量的4184%、0.59%和57.57%，可见，天山天然灌木林对磷的积累量很少，对氮、钾元素的积累量较大。天山灌木林年积累氮、磷、钾的价值分别占积累营养元素总价值的72.01%、382%和23.28%。天山灌木林系统积累营养物质功能从大到小依次为天山西部、中部、东部。

2.3.5保护生物多样性。

天山西部灌木林的物种资源保护价值为11.08亿元/a，中部为18.83亿元/a，东部为8.43亿元/a，分别占总价值的29.28%、49.76%和22.28%。根据3段天山灌木的生物多样性保护功能，计算出天山西、中、东部的灌木林Shannon Wiener指数分别为1.62、1.73、132（表7）。

2.3.6生态服务。

在天山灌木林生态系统的各项服务功能中，涵养水源功能价值所占比重最大，比总价值的50%以上，其次是生物多样性、固碳释氧和保育土壤，分别占总价值的22%、16%和11%。积累营养物质功能价值所占比重最少，几乎可以忽略不计。这也从一方面证明了灌木林对降水的截留、吸收和贮存作用明显，对雨水的蓄积作用削弱了降雨的侵蚀力，同时延长了径流的形成时间，减少了地表径流量、削减了洪峰流量、增加了枯水期流量，水源涵养作用明显[18-22]。

在對天山灌木生态系统的固碳释氧功能进行测算的过程中笔者发现，土壤年固碳量是植被年固氮量的15.4倍。由此可知，土壤中的有机碳库与无机碳库都是陆地生态系统重要的碳库，对于温室效应与全球气候变化同样有着重要的控制作用[22]。这为解决气候变化问题提供了新的思路，增加了解决问题的途径。由于天山西部的水热气候条件要好于天山中部、东部，理论上来说应该是西部天山灌木生态系统的各项生态服务功能要优于中部和东部，然而事实却不是这样，甚至在某些生态功能上带来的实物量、价值量还不如中部、东部天山灌木的生态效益。造成这种状况的原因可能是天山西部的几个大林场（如巩留林场、特克斯林场、昭苏林场）在新中国成立以来受到了50多年的高强度采伐，使天山的生态系统遭到严重破坏，导致天山西部灌木林生态系统的各项功能功能低于预期值，这有待于在今后的工作中得到验证[23]。

经计算可知，不同种灌木林地的生态系统服务总价值从大到小依次为蔷薇、方枝柏、锦鸡儿、栒子、绣线菊、忍冬、小檗。而单位面积的灌木林生态系统服务功能价值从大到小依次为蔷薇、栒子、绣线菊、方枝柏、锦鸡儿、小檗、忍冬。不同种的灌木生态系统服务价值与其对应的林分面积排序一致，这说明林分面积是影响不同林分类型生态系统服务功能价值的重要因素。

3结论

（1）该研究对天山天然灌木林生态系统的5项服务功能11项指标进行评估，计算得到天山天然灌木林生态系统服务功能的总价值约为170.79亿元/a。各项服务功能价值量从大到小依次为涵养水源（87.05亿元/a）、保育土壤（18.12亿元/a）、固碳释氧（27.50亿元/a）、积累营养物质（2 810万元/a），生物多样性保护（37.84亿元/a）。

（2）该评估均采用天山森林的实测数据，采用林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》（LY·T1721—2008）作为评估依据。与同类方法其他地区相比更加的真实、客观。该研究有助于对天山森林生态系统服务价值认识的提高，也可以为决策部门制订生态补偿标准提供依据，有利于天山森林资源的保护和恢复。

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