新疆柽柳林生态服务功能及其价值评估分析

2019-09-21 02:37宁虎森何苗罗青红吉小敏雷春英
生态科学 2019年4期
关键词:防风固沙柽柳林分

宁虎森, 何苗, 罗青红, 吉小敏,2, 雷春英,2

新疆柽柳林生态服务功能及其价值评估分析

宁虎森1,*, 何苗1, 罗青红1, 吉小敏1,2, 雷春英1,2

1. 新疆林科院造林治沙研究所, 新疆, 乌鲁木齐 830063 2. 新疆精河荒漠生态系统国家定位观测研究站, 新疆, 精河 833300

为客观反映柽柳林的生态服务功能价值及其生态效益, 同时为新疆干旱区生态环境恢复与重建提供科学依据, 基于新疆维吾尔自治区二类森林资源调查数据, 结合国内外已有评价方法和新疆柽柳林自身特点, 对新疆柽柳林生态服务功能及其价值进行评估分析, 结果表明: (1)新疆柽柳林总面积为1232886.33 hm2, 主要分布在南疆地区且大多为低盖度柽柳林, 在有柽柳林分布的十二个地州中, 巴州柽柳林面积最大, 中、高盖度柽柳林主要分布在阿克苏地区。(2)新疆柽柳林生态功能总价值为4360144.11 万元, 各功能价值量大小依次为: 防风固沙>生态多样性保护>保育土壤>固碳释氧>营养物质积累>净化大气。防风固沙是新疆柽柳林最重要的生态服务功能, 其价值为3180105.99 万元, 占总价值的72.94 %。(3)低盖度柽柳林对新疆柽柳林生态服务功能贡献度最大, 因而要加对强低盖度柽柳林管护工作, 维持荒漠生态系统的稳定性。

柽柳; 生态服务功能; 评估; 价值

0 前言

生态系统的各项服务功能为人类生存提供重要的物质基础[1], 其主要的服务功能包括直接供给功能(提供淡水、木材等)、调节功能(调节气候等)、文化功能(休闲游憩等)和支持功能(土壤形成等)等[2]。近年来因其重要性逐渐被人们认知, 生态系统服务功能的相关研究逐渐成为生态学领域的热点, 前人已从多个不同角度对生态系统服务功能进行了大量研究, 并已取得一些成果[3-8], 同时世界上诸如日本、英国等国家已对本国生态系统服务功能进行评估[9-12]。我国目前也已有较多关于不同尺度范围内生态服务功能的价值评估的研究, 同时也有关于不同生态系统生态服务功能的研究[13-16], 但这些研究大多集中在环境条件较好、生态服务功能价值较高的地区, 关于干旱、半干旱荒漠地区生态系统服务功能的研究相对较少。

荒漠林生态系统是森林生态系统的组成成分之一, 对于生态环境脆弱的荒漠地区, 荒漠林生态系统的稳定就显得尤为重要。新疆是我国荒漠化面积最大的省区, 也是荒漠林的主要分布省区。因自然条件和气候等因素影响, 灌木通常是荒漠林的主要构成成分, 灌木因具有多分枝的茎, 故而其树冠的防风能力较强, 对于稳定荒漠地区环境具有重要的作用[17]。柽柳()是温带荒漠地区生长的灌木或小乔木, 且常常作为此类地区的优势种和建群种, 柽柳广泛分布在新疆地区, 其具有耐贫瘠、抗旱、耐沙蚀和沙埋、寿命长、根系深等优点, 因而在干旱、半干旱地区能够良好的生长, 是荒漠地区重要的防风固沙植物, 为减缓荒漠化过程发挥着重要的生态功能[18]。本研究以新疆维吾尔自治区二类森林资源调查数据为基础, 对新疆境内十二个有柽柳分布的地州的柽柳林生态功能及其价值进行了科学的评估, 旨在客观反映柽柳林的生态服务功能价值及其生态效益, 为新疆干旱区生态环境恢复与重建提供科学依据, 同时也为促进干旱区经济可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆位于东经73°40′—96°18′, 北纬34°25′—48°10′之间, 地处中国西北边陲, 面积166万km2, 约占中国国土总面积的六分之一, 是中国面积最大的省级行政区。新疆属典型的温带大陆性气候地区, 气温年较差和日较差较大, 日照时间充足, 降水量少, 气候干燥。新疆年平均降水量为150 mm左右, 但各地降水量相差很大。新疆气温和降水总体上表现为, 南疆的气温高于北疆, 北疆的降水量高于南疆。

研究区为新疆维吾尔自治区有柽柳分布的地州, 包括北疆的博尔塔拉蒙古自治州(简称博州)、塔城地区、伊犁哈萨克自治州(简称伊犁州)、阿勒泰地区、昌吉回族自治州(简称昌吉州), 东疆的哈密地区和吐鲁番地区, 南疆的巴音郭楞蒙古自治州(简称巴州)、阿克苏地区、和田地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)。本次将柽柳天然林、次生林、人工林均纳入评估范围。

1.2 评估内容及方法

1.2.1 评估方法

结合国内外已有研究成果和柽柳林所属荒漠林生态系统的特点, 本研究对新疆柽柳林多项生态服务功能进行评价, 其中, 柽柳林防风固沙、固碳释氧、净化空气等功能的价值采用影子价格法进行计算, 保育土壤功能价值采用机会成本法和影子价格法进行计算, 牧草产量、生物多样性保护的价值采用市场价值法进行计算。

1.2.2 计算和测定方法

本研究以新疆维吾尔自治区二类森林资源调查数据为基础。计算中所涉及土壤相关指标测定方法如表1所示, 土壤有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、含量的测定参考鲍士旦的方法[19], 氟化物、二氧化硫、氮氧化物、铅、汞、镉、铜、锌含量的测定参考宁虎森等的方法[20]。植物氮、磷、钾含量测定方法参照土壤全氮、全磷、全钾含量测定方法。

表1 土壤指标测定方法

本次评估中, 保育土壤功能转化为相应化肥价格及挖取运输土方费用进行计算, 其中: 依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)[21], 磷酸二胺含磷量为15.01%, 价格为3117.85 元·t-1; 氯化钾含钾量为50%; 价格为2858.03元·t-1; 有机质价格为415.71元·t-1; 参照《中国水利年鉴》(1993—1999年), 单位体积的土方挖去和运输费用为20.09 元·m-3。积累营养物质功能计算参照保育土壤价值计算方法。固碳释氧功能计算根据碳税率和中国工业氧气平均价格确定[20], 固碳价格为1200 元·t-1, 工业氧气价格1299.10 元·t-1。生物多样性保护功能计算参照王兵等的方法[22]。净化大气功能主要通过转化为空气污染治理费用和负离子生产费用进行计算。防风固沙功能分为防护功能和牧草增产量两部分计算, 其中, 防护功能参照《荒漠生态系统服务评估规范》(LY/T 2006—2012)并根据实际作出相应调整[23], 固沙量计算参照韩永信等的方法[24], 因无牧草增产量研究结果, 牧草增产量计算参照宋翔等关于小麦的研究结果[25], 取牧草(苜蓿)增产幅度11%, 根据市场调查结果, 牧草(苜蓿)单位面积产量为18000kg/hm2, 牧草(苜蓿)单价为1.20 元·kg-1, 沙尘清理费用230.80 元·t-1。具体计算公式如下:

(1)积累营养物质功能计算公式

营养物质积累实物量:

式中:为林分固氮量;为林分面积;为林木氮元素含量;为林分净生产力;为林分固磷量;为林木磷元素含量;为林分固钾量;为林木钾元素含量。

营养物质积累价值量:

(C/R+PC/R+KC/R)

式中:为林分年营养物质积累价值;为林分面积;为林分净生产力;为林木含氮量;C为磷酸二铵化肥价格;R为磷酸二铵化肥含氮量;为林木含磷量;R为磷酸二铵化肥含磷量;为林木含钾量;C为氯化钾化肥价格;R为氯化钾化肥含钾量。

(2)保育土壤功能计算公式

保育土壤实物量:

式中:为林分年固土量;为林分面积;X为无林地土壤侵蚀模数;X为林地土壤侵蚀模数;G为减少的氮流失量; N为土壤含氮量;G为减少的磷流失量;为土壤含磷量;G为减少的钾流失量;为土壤含钾量。

保育土壤价值量:

( X − X )

( X − X ) NC / R + PC / R +

KC /R + MC)

式中:为林分年固土价值;为林分面积;为挖取和运输单位体积土方所需费用;X为无林地土壤侵蚀模数;X为林地土壤侵蚀模数;为林地土壤容重;为林分年保肥价值;为林分土壤平均含氮量;C为磷酸二铵化肥价格;R为磷酸二铵化肥含氮量;为林分土壤平均含磷量;C为氯化钾化肥价格;R为磷酸二铵化肥含磷量;为林分土壤含钾量;R为氯化钾化肥含钾量;为林分土壤有机质含量;C为有机质价格。

(3)防风固沙功能计算公式

固沙实物量:

增产实物量:

式中:为柽柳林固沙量; G为柽柳林单位面积固沙产量;为柽柳林防护增产量;为因防风固沙林等森林存在而增加的单位面积牧草年产量;为林分面积。

防风固沙价值量:

式中:为森林防护价值;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;为农作物、牧草等价格; A为林分面积。

(4)固碳释氧功能计算公式

植被固碳量计算:

式中:为植被年固碳量;为二氧化碳中碳的含量, 为22.27%;为林分面积;林分净生产力。

土壤固碳量计算:

式中:为土壤年固碳量;为林分面积;为单位面积林分土壤年固碳量。

植被释氧量计算:

式中:为林分年释氧量;为林分面积;林分净生产力。

植被固碳价值量计算:

()

式中:为林分固碳价值(元);为二氧化碳中碳的含量, 为22.27%;林分净生产力;为固碳价格;为单位面积林分土壤年固碳量;为林分面积。

(5)植被释氧价值量

式中:为林分年释氧价值;为氧气价格;林分净生产力;为林分面积。

(5)净化大气功能计算公式

负离子生产量

= 5.256 × 10×Q

式中:为林分年提供负离子个数;为林分负离子浓度;为负离子寿命;为林分高度;为林分面积。

吸收污染物量

式中:为林分年吸收二氧化硫量;为单位面积林分吸收二氧化硫量;为林分面积;为林分年吸收氟化物量;吸收污染物为单位面积林分吸收氟化物量;为林分年吸收氮氧化物量;为单位面积林分年吸收氮氧化物量;为单位面积林分年吸收重金属量;为林分年滞尘量;为单位面积林分年滞尘量。

净化大气价值量

=5.256×10×AHK()

式中:为林分年提供负离子价值;为林分面积;为林分高度;为负离子生产费用;为林分负离子浓度;为负离子寿命;为林分年吸收二氧化硫价值;为二氧化硫治理费用;为单位面积林分年吸收二氧化硫量;为林分年吸收氟化物价值;为氟化物治理费用;为单位面积林分年吸收氟化物量;为年吸收氮氧化物总价值;为氮氧化物治理费用;为单位面积林分年吸收氮氧化物量;为林分年降低噪音价值;为降低噪音费用;为森林面积折合为隔音墙的公里数;为林分年滞尘价值;为降尘清理费用;为单位面积林分年滞尘量;为林分年吸收重金属价值;为重金属污染治理费用;为单位面积林分年吸收重金属量。

(6)森林物种多样性保育功能计算

式中,为林分物种多样性保育价值年总量;为单位面积物种多样性保育价值量;为林分面积。

本次调查研究中, 参照《一类森林资源调查报告数据技术规定》, 按照覆盖度≥70%、70%>覆盖度≥50%、50%>覆盖度≥30%将柽柳林划分为高盖度、中盖度、低盖度三个监测水平。

1.3 数据分析

数据统计分析采用Excel2007, 绘图采用orgin8.0。

2 结果分析

2.1 新疆柽柳林面积统计分析

如图1所示, 新疆共有柽柳林1232886.33 hm2, 在有柽柳分布的十二个地州中, 其面积排序为巴州>阿克苏地区>喀什地区>和田地区>塔城地区>哈密地区>吐鲁番地区>昌吉州>阿勒泰地区>博州>伊犁州>克州。其中, 巴州的低盖度柽柳林面积最大, 阿克苏地区高盖度和中盖度柽柳林面积最大。

从不同覆盖度柽柳林分布来看, 新疆的柽柳林主要以低盖度柽柳林为主, 其面积占总面积的87.44%, 中覆盖度和高覆盖度次之, 其面积分别占总面积的10.60%和1.96%。

从柽柳林在全疆三大区域分布上来看, 南疆的柽柳林总面积和中、高盖度面积均最大, 其总面积达1111939.57 hm2, 占新疆柽柳林总面积的90.19%, 北疆和东疆柽柳面积次之。

2.2 新疆柽柳林实物量统计分析

如表2所示, 新疆柽柳林灌木和草本年积累营养物质9596.28 t。保育土壤功能实物量中, 柽柳林年保肥1095514.33 t, 固土37993463.67 t。防风固沙功能实物量中, 柽柳林年固沙量为125094115.91 t, 牧草年增产量2441114.94 t。固碳释氧功能实物量中, 柽柳林灌木、草本和土壤年固碳量为1224679.41 t, 年释氧量为389788.12 t。净化大气功能实物量中, 柽柳林年释放负离子1.75×1012个, 吸收污染物65.64 t, 滞尘量为63951.16 t。不同地州柽柳林生态服务功能实物量排序与各地州柽柳林面积排序一致。

图1 各地州(a)、区域(b)、不同盖度(c)柽柳林面积统计

Figure 1 Area offorest in different prefectures (a), regions (b), levels of coverage (c)

2.3 新疆柽柳林价值量统计分析

由表3可知, 新疆柽柳林生态服务功能总价值量为4360144.11万元, 其中, 巴州柽柳林的价值总量达1802269.11万元, 居全疆有柽柳林分布的十二个地州之首, 其价值量占全疆柽柳林总价值量的27.82%, 阿克苏地区次之, 生态服务功能价值总量最低的是克州, 其生态服务功能总价值量仅为10106.37万元。

如图2所示, 从不同新疆柽柳林不同生态服务功能上来看, 其价值大小排序为防风固沙>生态多样性保护>保育土壤>固碳释氧>营养物质积累>净化大气。其中, 防风固沙价值量为3180105.99万元, 占柽柳林总价值量的72.94%, 其次为生物多样性保护价值量。不同盖度柽柳林对生态服务功能的贡献度依次为低盖度>中盖度>高盖度, 不同区域柽柳林对生态服务功能的贡献度依次为南疆>北疆>东疆。

3 讨论

从调查结果分析可看出, 新疆的柽柳林分布极不均匀, 且柽柳林面积较大的地州均在南疆, 北疆和东疆柽柳林面积较小。这种分布状况的形成, 主要是因为柽柳多分布于具有浅层地下水土壤盐渍化的地区, 而南疆的气候条件、土壤的水盐组成和理化性质更适宜柽柳生长[26]。新疆的柽柳林主要以低盖度林为主, 这也是柽柳在适应环境过程中, 自然形成的分布格局。中盖度柽柳林主要在阿克苏地区和巴州, 高盖度柽柳林则主要分布在阿克苏地区, 这主要是因为这些地区有较为适合柽柳生长的自然环境。

表2 新疆柽柳林生态系统服务功能实物量

表3 新疆柽柳林生态功能价值量(104 yuan·a-1)

续表

图2 不同区域(a)、覆盖度柽柳林生态服务功能价值量

Figure 2 Value of ecosystem services offorest in different regions (a), levels of coverage (b)

生长在干旱荒漠地区的柽柳, 具有发达的根系, 因而固沙能力较强, 这对于减缓荒漠化进程, 维持荒漠地区环境稳定显得尤为重要。柽柳林生态服务功能实物量和价值量的统计分析结果可看出, 不同生态服务功能价值大小排序为防风固沙>生物多样性保护>保育土壤>固碳释氧>积累营养物质>净化大气, 其中防风固沙功能价值量占到总价值量的72.94%, 远高于其他功能的价值, 可见柽柳作为新疆重要的荒漠固沙植物, 其最重要的生态服务功能是防风固沙。对比前人关于其他荒漠植物的生态系统服务功能评价结果发现, 胡杨林最重要的生态服务功能是保育土壤和涵养水源, 这可能是因为该研究的研究区设定为塔里木河流域[27]。而关于新疆另一种重要防风固沙植物梭梭的生态系统服务功能评估结果显示, 其最重要的生态服务功能是防风固沙, 这与本次评估的结果相同[20]。

对比不同盖度柽柳林生态服务功能价值量发现, 低盖度柽柳林对柽柳林总生态服务功能价值贡献度最大, 同时低盖度柽柳林各项功能价值量均占该功能价值总量的75%以上。虽然单位面积低盖度柽柳林产生的价值量小于中、高盖度柽柳林, 但其分布最为广阔, 总面积远大于中、高盖度柽柳林, 因而低盖度柽柳林的管护工作就显得尤为重要。就新疆三大区域的而言, 南疆柽柳林总面积最大, 中、高盖度柽柳林也主要分布在南疆地区, 因此南疆地区的柽柳林对总生态服务功能价值贡献度最大, 仅防风固沙价值一项, 南疆柽柳林的价值就占到柽柳林总价值90.23%, 足见南疆柽柳林对新疆柽柳林生态服务功能的巨大贡献。新疆是我国荒漠化最严重的省区, 柽柳作为重要的防风固沙树种, 早已成为荒漠地区生态系统重要组成部分并维持其稳定性, 同时它也是该类地区经济发展的可靠保障。因而, 今后应更加科学经营并加强柽柳林的管护, 同时着重关注低盖度柽柳林的发展, 防止其退化, 危害当地自然环境和经济发展。

4 结论

(1)新疆柽柳林总面积为1232886.33 hm2, 主要分布在南疆地区且大多为低盖度柽柳林, 在有柽柳林分布的十二个地州中, 巴州柽柳林面积最大, 中、高盖度柽柳林主要分布在阿克苏地区。

(2)新疆柽柳林生态功能总价值为4360144.11 万元, 各功能价值量大小依次为: 防风固沙>生态多样性保护>保育土壤>固碳释氧>营养物质积累>净化大气。防风固沙是新疆柽柳林最重要的生态服务功能, 其价值为3180105.99 万元, 占柽柳林总价值的72.94 %。

(3)低盖度柽柳林对新疆柽柳林生态服务功能贡献度最大, 因而要加强对低盖度柽柳林管护工作, 维持生态系统的稳定性。

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Evaluation of ecosystem services offorest in Xinjiang

NING Husen1*, HE Miao1, LUO Qinhong1, JI Xiaomin1,2, LEI Chunying1,2

1. Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi 830063, China 2. Jinghe Desert Ecosystem Research Station, Jinghe 833300, China

Based on the data of second class forestry survey in Xinjiang and combined with the domestic and foreign methods, also with the characters offorest in Xinjiang, we assessed and analyzed the ecosystem services value offorest in Xinjiang in order to illustrate the ecological benefits and value offorest and provide the scientific basis for ecological restoration and reconstruction in the arid area of Xinjiang. The results showed that: (1) the area offorest in Xinjiang was 1232886.33 hm2, which was mostly distributed in southern Xinjiang and dominated by low coverage forest. Bortala prefecture had largest area among the twelve prefectures whereforest distributed in, whereas Aksu prefecture had largest area offorest with moderate and high coverage. (2) The total value of ecosystem services offorest was 43.60 billion Yuan. The order of different functional values was wind-breaking and sand-fixation>biodiversity conservation>soil conservation>carbon fixation and oxygen release>nutrients accumulation>air purification. Wind-breaking and sand-fixation were the most important function offorest with the valueof 31.80 billion Yuan andaccounted for 72.94 % of the total value. (3)forest in low coverage made great contribution to the total value of ecosystem service, therefore,enhancingits management and conservation is necessary to maintain the stability of desert ecosystem.

; ecosystem service; evaluation; value

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.016

S157.2

A

1008-8873(2019)04-111-08

2017-12-15;

2018-02-01

中央财政林业科技推广示范项目“塔克拉玛干沙漠北缘防风固沙体系构建技术示范与推广”(新[2017]TG20号)“十二五”国家科技计划课题(2012BAD16B0305)、(2012BAD16B0102); 2017年新疆林业科技项目“新疆森林资源生态质量与生态效益动态监测评估”

宁虎森(1966—), 男, 教授级高级工程师, 主要从事生态恢复和荒漠化防治等方面的研究, E-mail: ninghusen@sina.com

宁虎森, 何苗, 罗青红, 等. 新疆柽柳林生态服务功能及其价值评估分析[J]. 生态科学, 2019, 38(4): 111-118.

NING Husen, HE Miao, LUO Qinhong, et al. Evaluation of ecosystem services offorest in Xinjiang[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 111-118.

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