济南市森林生态系统服务功能的维持机制

黄龙生,王 兵,牛 香,*,宋庆丰

1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091 2 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心,北京 102206

森林作为陆地生态系统的重要组成部分,在维持生物多样性、固碳、水源涵养和木材供应等方面起着不可替代的作用[1- 3],其在应对气候变化、改善生态环境、保障人体健康等方面也越来越引起人们的重视[4- 6]。因此,森林生态系统服务有助于人类福祉,应当加强保护,努力不断提升森林生态系统服务功能在国外,早在1949年就有相关学者对森林效能开展研究[7]。随后,人们开始对森林某个单一的生态功能进行评价[8- 11]。进入20世纪90年代后,国外在森林生态系统服务功能价值评估方法中出现了旅游价值法、意愿调查法、市场替代法、条件价值法及资产价值法等[12- 15]。随着可持续发展战略的提出,森林生态系统服务功能评价指标体系的研究工作也得到发展[16]。我国对森林生态系统服务和评价指标体系的研究,起步较晚但发展很快。1983年,中国林学会开展“森林综合效益评价研究”,并对中国早期的森林生态效益评价起到推动作用。随后,出现了对森林价值及其环境价值的核算[17],对自然保护区生物多样性价值研究[18]对区域森林生态系统服务功能及价值进行评估和动态分析[19],对森林环境价值纳入国民经济收入核算的系统研究[20],对森林资源从生产有机物价值和多种生态效能价值2方面进行系统评价[21],对生态公益林从生态、社会和经济3方面建立生态公益林建设效益评价指标体系[22]。2008年,国家林业局发布《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)[23](以下简称《规范》),依据《规范》,王兵等根据第三次、第四次、第五次、第六次、第七次和第八次森林资源清查数据先后对全国生态系统服务功能及其价值进行评估[24- 25]。

济南市森林生态系统主要为柏类和松类为典型代表。本文以济南市境内森林植被为研究对象,依托济南市周边的森林生态站,依据“规范”开展济南市主要优势树种的服务功能研究,量化分析济南市不同林分类型森林生态系统服务功能的强弱,进而对济南市森林生态系统服务功能维持机制进行探讨。以期为科学开展生态环境保护及制定相关社会经济发展政策提供重要科学依据,从而促进济南市乃至山东省生态环境的改善和可持续发展。

1 研究区概况

济南市位于116°11′—117°44′E、36°2′—37°31′N之间,处于山东省西北部。济南市地貌大致呈南高北低态势,由南向北依次分布着低山丘陵区、山前平原区、黄河冲积平原区。位于长清区摩天岭海拔988.8 m,为该区最高海拔。济南地区属于暖温带半湿润季风型气候,在胶东丘陵及鲁中南山地丘陵阻挡之下,海洋性气候被削弱,年平均气温14.1℃,无霜期190—235,年日照时数2490—2730 h,降雨多集中在6—9月,多年平均降水量为585—800 mm。该区土壤地带性规律较明显,以棕壤、褐土、潮土、风沙土等为主。济南市森林面积约24.46万hm2,人工林面积占绝对优势,主要分布有侧柏(PlatycladusorientalisL.)、落叶松(Larixspp.)、油松(Pinustabulaeformis)、麻栎(Quercusacutissima)、白杨(Populusalba)、黑杨(PopulusnigraL.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、泡桐(Paulowniafortunei)等常见的北方树种[26]。

图1显示了济南市主要林分类型的分布情况。由图可知,济南市主要乔木林种分布于南部和东南部,经济林主要分布于中部地区,北部地区分布有人工栽植的黑杨类和白杨类等起防护作用的林种。

图1 济南市主要林分类型分布Fig.1 Distribution of main forest types in Ji′nan City

表1—表3反映了济南市主要林分类型、不同林龄及不同林种的基本情况。由表1可知,济南市主要林分类型中,人工林面积占99.54%,其中,柏类面积分布最多,占44.66%,其次为黑杨类占38.86%。由表2可知,济南市森林主要以幼龄林和中龄林为主,面积分别占48.79%和41.67%。由表3可知,济南市不同林种面积分布从大到小依次为防护林(41.78%)>经济林(33.26%)>用材林(24.96%)。综上可知,济南市森林的基本概况为,以人工林为主,中幼林比重较大,防护林和经济林在全市森林中起主导作用。

2 研究方法

2.1 评价指标及测算公式

依据《规范》,本研究从6项森林生态系统功能(涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护)分别开展测算分析。对于生物多样性保护功能的评估,依照《规范》,基于Shannon指数法,结合濒危指数体系、特有种指数体系和古树年龄指数体系[27-29]进行修正,进而参照《森林生态系统生物多样性监测与评估规范》(TY/T2241—2014)进行评估测算。指标体系及相关计算公式详情参照[23,25,30- 33]。

2.2 森林资源数据来源

根据济南市周边的泰山和黄河三角洲森林生态站长期、连续及定位观测数据集并结合第八次山东省森林资源生态服务功能评估,本研究将济南市森林生态系统林分划分为柏类(侧柏)、落叶松、松类(油松、黑松)、栎类(麻栎)、刺槐、白杨、黑杨、泡桐、落叶松、其他软阔类、经济林和灌木12个林种。此次测算分析的森林资源数据来自济南市林业局发布的2015年森林资源二类调查数据。

2.3 社会公共数据来源

在济南市森林生态系统服务功能评估测算过程中,需要将物质量转化为价值量,该转化过程涉及到的社会公共数据主要由我国权威机构所发布(济南市物价局网站[34]、中国供应商网[35]、等),以及全国第八次森林生态系统服务功能评估[24]和中国森林资源核算研究[25]的相关参数(表4)。

表1 济南市主要林分类型面积、蓄积统计

表2 济南市森林各林龄组面积、蓄积统计

表3 济南市有林地不同林种面积、蓄积统计

表4 济南市森林生态系统服务功能评价研究社会公共数据表(2015年推荐使用价格)

S生：单位面积物种多样性价值,The value of species diversity per unit area(元 hm-2a-1)

3 结果与分析

3.1 济南市森林生态系统服务功能测算结果

济南市森林生态系统服务功能的物质量和价值量的测算结果分别如表5和表6所示。由表5可知,济南市森林生态系统年涵养水源量为8.26亿m3；年固土量为1448.57万t；年固碳量为76.81万t；年释氧量为160.12万t；年林木积累营养物质量合计为2.08万t；年提供负氧离子20.87×1024个,年吸收二氧化硫量为4340.61万kg,年吸收氟化物69.61万kg,年吸收氮氧化物192.97万 kg；年吸滞TSP635.40万t,年滞纳PM101979.27 t,年滞纳PM2.5502.48 t。从物质量的测算结果可以看出,济南市森林在维持其生态系统服务功能方面效果显著。

表5 济南市森林生态系统不同林分类型生态服务功能物质量

G调：涵养水源,Water conservation(108m3/a)；G固土：固土物质量,Soil fixation(104t/a)；G固N：固氮物质量Nitrogen fixation(102t/a)；G固P：固磷物质量,Phosphorus fixation(102t/a)；G固K：固钾物质量,Kalium fixation(102t/a)；G固M：固定有机质物质量,Organic mattefixation(102t/a)；G固碳：森林固碳物质量,Carbon sequestration(104t/a)；G释氧：释放氧气物质量,Oxygen release(104t/a)；GN：林木积累氮物质量,Accumulation of nitrogen for forest(102t/a)；GP：林木积累磷物质量,Accumulation of phosphorus for forest(102t/a)；GK：林木积累钾物质量,Accumulation of kalium for forest(102t/a)；G负离子：提供负离子物质量,Negative iron supply(1025个/a)；GSO2：吸收二氧化硫物质量,Physical of absorption of SO2(104kg/a)；GHF：吸收氟化物物质量,Physical of absorption of HF(104kg/a)；GNOx：吸收氮氧化物物质量, Physical of absorption of NOx(104kg/a)；GTSP：吸滞TSP物质量, Physical of absorption of TSP(104t/a)；GPM10：滞纳PM10物质量,Physical of absorption of PM10(t/a)；GPM2.5：滞纳PM2.5物质量, Physical of absorption of PM2.5(t/a)

由表6可知,济南市年森林生态系统不同林分类型生态服务功能价值为251.80亿元,其中,年涵养水源价值为90.68亿元,年保育土壤价值为19.64亿元,年固碳释氧价值为65.01亿元,年林木积累营养物质价值为3.95亿元,年净化大气环境价值为34.21亿元,年滞纳PM10价值为0.59亿元,年滞纳PM2.5价值为23.43亿元,年生物多样性保护价值为38.31亿元。由测算结果可知,济南市森林生态系统涵养水源价值最高,其次为固碳释氧价值,林木积累营养物质价值量最低。

表6 济南市森林生态系统不同林分类型生态服务功能价值量/亿元

U1：涵养水源价值,Value of water conservation；U2：保育土壤价值,Value of soil conservation；U3：固碳释氧价值,Value of carbon fixation and oxygen released；U4：林木积累营养物质价值,Value of nutrients accumulation；U5：净化大气环境价值,Value of purification of atmosphere environment；U6：滞纳PM10价值,Value of absorb PM10；U7：滞纳PM2.5价值,Value of absorb PM2.5；U8：生物多样性保护价值,Value of biodiversity conservation；U总：总价值量,Total value

图2 济南市森林生态系统服务功能价值量比例 Fig.2 The proportion of the value of forest ecosystem services in Ji′nan City

从图2可知,济南市森林生态系统涵养水源、固碳释氧、生物多样性保护和净化大气环境4项服务功能的价值量分别占济南市森林生态系统服务功能总价值量的36.01%、25.82%、15.21%和13.59%,合计占到总生态系统服务功能价值量的90.63%,体现了相当大的优势。济南市森林生态系统服务功能价值量从大到小排序为：涵养水源>固碳释氧>生物多样性保护>净化大气环境>保育土壤>林木积累营养物质。

3.2 济南市不同林分类型生态系统服务价值量

由图3可知,济南市森林生态系统不同林分类型生态系统服务价值以黑杨类和柏类为主,其中黑杨类价值量(91.49亿元)最大,其次为柏类(72.46亿元),最小的为落叶松和竹林,均小于0.01亿元。不同林分类型生态服务功能价值量排序为黑杨类(91.49亿元)>柏类(72.46亿元)>经济林(43.87亿元)>刺槐(13.06亿元)>灌木林(9.55亿元)>其他软阔类(8.98亿元)>松类(8.15亿元)>白杨类(2.46亿元)>栎类(1.73亿元)>泡桐(0.05亿元)>落叶松(<0.01亿元)>竹林(<0.01亿元)。济南市不同林分类型生态系统服务功能价值量这种分布趋势,与不同林分类型自身特性及其分布面积和蓄积量有直接的关系。

图3 济南市不同林分类型生态系统服务功能价值量分布图Fig.3 The historgam of the value of ecosystem services of the different stand types in Ji′nan City

3.3 济南市不同林龄生态系统服务功能价值量

乔木林的林龄组根据不同树种的生物学特性和经营利用目的的不同,将其生长过程划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5个龄组。不同林种不同发育阶段其生态系统服务功能各不相同,因此,根据不同龄组划分计算出济南市森林生态系统不同林龄的生态系统服务价值,此外,本研究中不同林龄生态系统服务价值测算的统计不包含灌木林、经济林和竹林。计算结果详见表7。

从表7计算结果不难发现,济南市森林生态系统不同林龄生态系统服务功能价值量存在很大的差异。各龄组生态系统服务功能价值量呈现幼龄林(96.79亿元)>中龄林(82.66亿元)>近熟林(9.52亿元)>成熟林(8.87亿元)>过熟林(0.54亿元)的趋势。

表7 济南市森林生态系统不同林龄生态服务功能价值量/亿元

图4为济南市不同林龄生态系统服务功能价值量比例分布,由图可知,济南市森林生态系统当中,幼龄林和中龄林生态系统服务功能价值量比例达90.46%,其中,幼龄林生态服务功能价值量稍微高于中龄林,表明济南市森林生态系统服务功能中,中幼龄林占绝对优势。过熟林生态系统服务功能价值量比重最小,仅为0.27%。

图4 济南市不同林龄生态系统服务功能价值量比例分布 Fig.4 The proportion of the value of forest ecosystem services of the different stand age in Ji′nan City

4 讨论

济南市森林生态系统服务功能的维持机制与其森林资源自身的属性和特征直接关系。其森林资源存在以下特征：

1)资源面积。济南市不同林分类型生态服务功能物质量排序前几位的均为柏类、黑杨类和经济林,排后几位的均为泡桐、竹林和落叶松。由济南市森林资源面积统计数据可知,排序前三的同样为柏类、经济林和黑杨类,而排序后三位的为泡桐、竹林和落叶松。由此可见,不同林分类型生态系统服务功能物质量的大小与其面积呈正相关性。济南市不同林分类型中,柏类和黑杨类的各项生态系统服务强于其他树种,这2个树种均为本区域的地带性植被且与其分布面积有直接的关系。黑杨类和柏类的面积占全市森林总面积的83.52%,其生态系统服务功能价值量占全市总价值量的65.12%；泡桐和落叶松面积占全市森林总面积的0.02%,其生态系统服务功能价值量仅占全市总价值量的0.03%。

2)林龄结构。林分因子中,林分年龄对净初级生产力的变化影响较大,中龄林和近熟林有绝对的优势[38]。林分蓄积随着林龄的增加而增加,随着时间的推移,幼龄林逐渐向成熟林的方向发展,从而使林分蓄积量得以提高[39]。从济南市森林资源数据中可以看出,幼龄林和中龄林面积占全市森林总面积的90.46%,济南市柏类和黑杨类的幼龄林和中龄林面积占济南市森林总面积的55.05%,这足以说明此2个树种及济南市大部分森林资源正处于林木生长速度最快的阶段,林木的高生长带来了较强的森林生态系统服务。

3) 森林起源。天然林拥有生物圈中功能最完备的动植物群落,其结构复杂、功能完善、生态稳定性高。人工林和天然林群落结构与物种多样性方面存在着巨大差异,天然林的群落层次比人工林复杂,物种多样性比人工林丰富。而人工林由于其集约化的经营管理措施,使得林分结构良好,林分的生长速度要快于天然林,因此,其固碳释氧功能由于速生的特性而发挥着相当重要的作用。不同起源固碳释氧单位面积生态效益物质量中,人工林高于天然林,这主要是由于人工林在人为的培育和栽培下,在适宜生长环境下的林分净生产力高于天然林[40]。由于在经济发展过程中,济南市的原生森林资源受到了严重的破坏,现存森林主要以人工林为主,人工林占其森林资源总面积的 99.54%,加上合理的经营管理措施,使得济南市森林可以高效、稳定地发挥其生态系统服务。

4)自然保护区。济南市柏类和黑杨类这2个树种大部分分布于南部低山丘陵区,实际上分布于山区的自然保护区内。自然保护区是开展生物多样性和自然遗产就地保护最为经济有效的途径,是人类经济持续发展的重要保障。保护区内的生态系统具有较高的完整性和稳定性,因此,其提供的生态系统服务也更为显著。济南市近些年来森林公园与自然保护区建设工程为其森林资源的保护和进一步扩展奠定了基础,对提高济南市森林生态系统服务功能起到了积极推动作用。

在研究方法上,本文对森林生态系统服务功能的测算,采用的是分布式测算方法[36]。森林生态系统服务功能的测算是一项庞杂的系统工程,适合将研究内容划分成多个均质化的生态测算单元进行评估[41]。分布式测算方法是目前评估森林生态系统服务所采用的较为科学的方法,在诸多森林生态系统服务功能评估案例中也证实了运用该方法能够保证评估结果的准确性和可靠性[31]。结合分布式测算方法将济南市森林生态系统按照行政区、优势树种(组)和林龄组等三级测算单元,再结合不同立地条件的对比观测,最终确定了600个相对均质化的生态系统服务功能评估单元,进而保证了济南市森林生态系统服务功能评估的科学性。

本研究的价值量评估,是基于多年来运用森林生态连清体系在不同尺度评估森林生态系统服务功能的实践基础之上,遵循“等效替代法则”和“权重当量平衡”的基本原则。等效替代法则要求在森林生态系统服务物质量向价值量转化过程中,从森林生态系统服务原理和过程着手,用价格产生方式尽可能等效的替代生态系统服务产生方式,这样的价格形式更为合理。确定等效替代的价格参数后,不同价格的选取又影响着森林生态系统各项服务价值的比例关系,不同地区不同林分类型的生态系统服务各项之间比例不同,因此需要对不同服务项之间的价值权重进行再平衡。通过等效替代和权重平衡,进而使得生态系统各项服务价值更能反映森林生态环境的实际情况。例如,森林生态系统消洪补枯的作用与水库的功能类似,因此,遵循等效替代法则,采用影子工程法,即影子工程价格把森林拦蓄水量转换成水利工程需要拦蓄相同水量所需库容造价；在对森林生态系统滞纳PM2.5功能价值量化过程中,采用疾病成本法和人力资本法,用由细颗粒物引起的疾病、误工、心理、精神方面经济损失进行替代。

5 结论

本研究选取济南市12个树种,从森林生态系统涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境及生物多样性保护等6项功能对济南市森林生态系统服务功能及价值量进行定量评估,并对其生态服务功能的维持机制进行了探讨。主要研究结论如下：

1)济南市年森林生态系统服务6项功能价值为251.80亿元,各项服务功能价值量从大到小排序为：涵养水源>固碳释氧>生物多样性保护>净化大气环境>保育土壤>林木积累营养物质。表明济南市森林生态系统服务功能以涵养水源、固碳释氧和生物多样性保护为主。

2)济南市不同林分类型生态统服务功能价值量大小排序为：黑杨类>柏类>经济林>刺槐>灌木林>其他软阔类>松类>白杨类>栎类>泡桐>落叶松>竹林。黑杨类和柏类占绝对优势,而泡桐、落叶松和竹林生态系统服务功能较弱。济南市森林生态系统在兼顾提升泡桐、落叶松和竹林等弱势林种生态服务功能的同时,进一步强化黑杨类、柏类和经济林的发展,充分发挥出济南市特色林木的生态效益,进而促进济南市生态文明建设。

3)济南市不同林龄生态系统服务功能价值量以中幼龄林为主,各龄组生态系统服务功能价值量呈现幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林>过熟林的趋势。济南市在森林经营和保护过程中,加强中幼龄林的管理,不断提升和巩固其在区域生态系统功能中的主导作用,同时要注重成熟林和过熟林生态功能的发挥,努力确保成熟林和过熟林的存量,充分发挥其森林游憩的功能,进而凸显其在生态和经济效益中的作用。

4)济南市森林生态系统服务功能的维持机制,受到森林资源面积、林龄结构、森林起源以及自然保护区建设等诸多因素的影响。在充分把握好这些规律的基础之上,今后济南市森林生态建设和森林生态系统服务功能提升过程中,北部黄河冲积平原区应扩大乡土树种如黑杨类、白杨类的覆盖面积,以增强水土保持和农田防护等功能；中部山前平原区适宜种植经济林种,在扩大森林覆盖提升森林生态服务功能的同时也相应增加了区域的经济收入,中部城区及其周边应适当种植柏类和松类等本地树种,以提升森林治污减霾和森林“氧吧”功能,从而净化城市大气环境,提高居民生活质量；南部低山丘陵区在保护现有森林资源的同时,进一步种植柏类、松类、刺槐、黑杨类等树种,巩固该区森林涵养水源、固土保肥等功能。济南市森林生态系统服务功能的发挥将为该区和其他区域的生态建设提供有益的科学参考。