济南市森林生态系统服务功能空间格局研究

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

生态系统功能涉及生态系统的生境、生物或系统性质或过程,而生态系统服务功能则代表人类直接或间接从生态系统功能中获得的好处[1- 2]。作为陆地生态系统的重要组成部分,森林在为社会和地球的生命支持系统提供多样化(如生物多样性、固碳、水和木材)的生态系统服务和产品等方面起着不可替代的作用[3- 5]。因此,森林生态系统服务功能有助于人类福祉,是全球总经济价值的重要组成部分。

随着可持续发展观念的不断深入,人们日益发现生态系统服务功能对于可持续发展的重要性,且评估生态系统服务功能已成为当前研究的热点问题[6- 8]。自Costanza等[1]联合世界上13位科学家率先评估了全球生物圈生态系统服务价值而引起学术界巨大反响以后,国外学者相继在不同尺度上对生态系统服务展开研究。2005年,千年生态系统评估(MA)工作组就全球以及33个区域等尺度上对生态系统与人类福祉的关系进行了研究[9]。随后的几年中,人们则更多的是关注生态系统服务的空间异质性以及与社会经济的关联性[10- 12]。我国生态系统服务功能及价值研究萌芽于20世纪80年代[13],该阶段研究主要围绕的是森林资源价值核算及综合效益评价等[14- 15]。进入90年代以后，相关学者对森林环境资源进行了定义和分类，并对其进行价值评价，认为要建立完善的森林环境资源实物量及价值量核算方法体系，进而纳入国民经济核算体系之中[16]。随后,受到Costanza 等论文的启发,我国学者逐步引入生态系统服务功能的概念、理论及研究方法,并对我国生态系统服务价值展开探索性研究[17- 21]。进入21世纪后,在我国生态系统服务在理论及方法上得到广泛的认知并应用到不同尺度不同类型的生态服务功能研究,同时一些评估模型也逐渐应用到对应的研究领域,并且将生态系统服务理论与方法同其他研究方向进行融合的思想也慢慢得到实践[22- 24,13]。

济南市北部为黄河冲击平原,南部背靠泰山北麓,中部主要为城市生活区,其森林资源主要由平原生态防护林、山区水源涵养林和城市森林所构成。开展济南市森林生态系统服务功能空间格局研究,对济南市平原森林、山地森林及城市森林的生态服务功能评价和生态安全评估,明确不同区域森林生态系统服务功能的强弱分布,探索济南市森林生态系统服务功能空间格局分布特征具有重大现实意义。因此,本文以济南市森林植被为研究对象,依托济南市周边的森林生态站,依据林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)(国家林业局,2008)(以下简称“规范”)开展济南市森林生态系统服务功能研究。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

济南市地处山东省西北部(E116°11′—117°44′,N36°2′—37°31′),地势南高北低,由南向北依次为南部低山丘陵区、中部山前平原区、北部黄河冲击平原区。该区海拔最高988.8米,位于长清区摩天岭。受胶东丘陵以及鲁中南山地丘陵阻挡,海洋性气候不明显,属于暖温带半湿润季风型气候,年平均气温14.1℃,无霜期在190—235 d之间,年日照时数2490—2730 h,多年平均降水量在585—800 mm,降雨集中在6—9月。土壤发育受生物和气候条件影响,地带性规律明显,主要以棕壤、褐土、潮土、风沙土等为主。济南市森林植被以人工林占绝大多数,天然林分布较少,森林面积约24.46万hm2。主要树种有侧柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)、油松(PinustabuliformisCarrière)、麻栎(QuercusacutissimaCarruth.)、白杨(Populusalba)、黑杨(Populusnigra)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、泡桐(Paulownia)等[25]。

2 研究方法

2.1 森林资源数据来源

本研究森林资源数据来自2015年济南市林业局发布的森林资源二类调查数据。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和第八次山东省森林资源生态服务功能评估,将济南市按照其行政区划分为：历下区、市中区、槐荫区、天桥区、历城区、长清区、章丘市、平阴县、济阳县和商河县等10个区/县,每个区/县按照森林资源统计结果,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。以各林种为基本测算单元,分别测算出各区/县的森林生态系统服务功能,进而统计出整个济南市的森林生态系统服务功能。

2.2 指标选取及测算公式

本研究依据《规范》,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、森林防护、森林游憩及生物多样性保护等8项功能开展测算研究。其中,生物多样性保护功能的评估计算在依据《规范》中Shannon指数法基础上,引入濒危指数体系、特有种指数体系和古树年龄指数体系[26- 28]进行修正,进而重新参照《森林生态系统生物多样性监测与评估规范》(TY/T2241—2014)进行计算。指标体系及相关计算公式详情参照[23,29- 33]。此外,本研究还对济南市森林游憩功能进行了核算研究,采用林业旅游与休闲产值替代法进行核算。

2.3 物质量向价值量转化的社会公共数据来源

本研究中物质量换算价值量时运用的社会公共数据主要由我国权威机构所发布,并参照济南市物价局官网,以及中国森林资源核算研究和全国第八次森林生态系统服务功能评估的参数。主要数据如下：

1)水库库容投资参照中华人民共和国审计署2013年第23号公告中三峡工程总投资,取值为6.89元/m3；水的净化费用参照济南市自来水现价,取值为4.20元/t。

2)挖取土方费用参照济南市《人工定额济建标字[2015]1号文》及《中华人民共和国水利部建筑工程预算定额》,取值为46.20元/m3。

3)磷酸二胺含N量、磷酸二胺含P量、氯化钾含K量参照化肥产品说明,分别取16%、48%和55%。

4)磷酸二胺化肥及氯化钾化肥价格参照济南市市物价局官网,分别取值3160元/t和2730元/t；有机质价格参照中国供应商网取值800元/t。

5)固碳价格,参照2013年瑞典碳税价格,贴现至2015年为917.18元/t。

6)制造氧气价格,参照中国供应商网,取值4826.67元/t。

7)负离子产生费用,根据企业生产的适用范围30 m2(房间高3 m)、功率为6 W、负离子浓度1000000个/ m3、使用寿命为10年、价格每个65元的KLD- 2000型负离子发生器而推断获得,其中负离子寿命为10分钟；根据济南市物价局官方网站济南市电网销售电价,居民生活用电现行价格为0.5469元/kW时,计算得到取值7.96元/108个。

8)二氧化硫、氟化物、氮氧化物和降尘清理费用征收标准分别取值1.26元/kg、0.69元/kg、0.63元/kg和0.15元/kg。

9)PM2.5和PM10造成健康危害经济损失,根据Nowak等[34]文章中每吨PM2.5和PM10所造成的危害经济损失,分别取值4665.12元/kg和30.34元/kg。

10)草方格固沙成本,根据《草方格沙障固沙技术》和《沙坡头人工植被防护林体系防风固沙功能价值评价》取值为23.67元/t。

11)生物多样性保护价值,根据Shannon-Wiener指数计算生物多样性保护价值,即：Shannon-Wiener指数<1时,S生为3000元 hm-2a-1；1≤Shannon-Wiener指数<2,S生为5000元 hm-2a-1；2≤Shannon-Wiener指数<3,S生为10000元 hm-2a-1；3≤Shannon-Wiener指数<4, S生为20000元 hm-2a-1；4≤Shannon-Wiener指数<5, S生为30000元 hm-2a-1；5≤Shannon-Wiener指数<6,S生为40000元 hm-2a-1；Shannon-Wiener指数≥6时,S生为50000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物质量测算结果

结合相关计算公式可测算出济南市森林生态系统服务功能物质量(表1)。由表1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1 济南市各县/市辖区森林生态服务功能物质量评估结果

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(1021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)

3.2 济南市森林生态系统服务功能物质量空间格局特征

济南市森林年涵养水源量在0.01—2.33亿m3,年固土量在1.00—407.81万t,年保肥(森林固N、P、K、M)量在2.59—1039.62×102t,年固碳量在0.19—19.81万t,年林木积累营养物质量在0.77—60.53×102t,年提供负离子量在4.01—573.77×1021个,年吸滞TSP量在0.89—204.66亿kg,年滞纳PM10量在2.99—642.81万kg,年滞纳PM2.5量在0.81—161.73万kg。各项森林生态系统服务功能物质量在10个区/县的空间格局分布总体趋势均为南部>北部>中部(图1)。在历城区、长清区和章丘市的森林生态系统各项服务(涵养水源、固土、保肥、固碳、林木积累营养物质、提供负离子、吸滞TSP、滞纳PM10、滞纳PM2.5)功能物质量均分别位列前三位,而在天桥区、历下区和槐荫区的森林生态系统各项服务物质量则均分别位列后三位。

3.3 济南市森林生态系统服务功能价值量测算结果

由表2可知,济南市年森林生态系统服务功能价值为264.41亿元,其中,济南市森林年涵养水源价值为90.68亿元,保育土壤价值为19.64亿元,固碳释氧价值为65.01亿元,林木积累营养物质价值为3.95亿元,净化大气环境价值为34.21亿元,滞纳PM10价值为0.59亿元,滞纳PM2.5价值为23.43亿元,森林防护价值为0.61亿元,生物多样性保护价值为38.31亿元,森林游憩价值为12.00亿元。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,森林防护价值量最低。

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34.29%、24.59%、14.49%和12.94%,合计占到总生态系统服务功能价值量的86.31%,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>森林游憩>林木积累营养物质>森林防护。

表2 济南市各县/市辖区森林生态服务功能价值量评估结果/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：森林防护价值,Value of forest protection；U9：生物多样性保护价值,Value of biodiversity conservation；U10：森林游憩,Value of forest recreation；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 Jinan

3.4 济南市森林生态系统服务功能价值量空间格局特征

济南市10个区/县年森林生态系统服务(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、森林防护、生物多样性保护、森林游憩)功能价值量中(图3),历城区最高,为68.26亿元,其次是长清区,为55.36亿元,年森林生态系统服务功能价值量最低的是槐荫区,为0.49亿元。各区/县年森林生态系统服务功能价值量排序为：历城区>长清区>章丘市>平阴县>商河县>济阳县>市中区>天桥区>历下区>槐荫区(图3)。

从各项森林森林生态服务功能价值量来看,除了森林防护功能以外,其他各项功能价值量在济南市10个区/县的空间格局分布大体上均呈现南部>北部>中部的趋势(图3)。

图3 济南市各区/县森林生态系统服务功能价值量空间分布格局Fig.3 Value of spatial distribution for forest ecosystem services in different counties in Jinan

从各区/县森林森林生态服务功能价值量所占比例来看,位列前三位的历城区、长清区和章丘市森林生态系统服务功能价值占全市森林生态系统服务功能价值量的65.95%,而位列后三位的天桥区、历下区和槐荫区森林生态系统服务功能价值仅占全市的2.20%(图4)。

图4 济南市各区/县森林生态系统服务功能价值量排序Fig.4 The order of the value of forest ecosystem services in Jinan

4 讨论

济南市森林生态系统服务功能的空间格局与济南市各区/县森林资源自身的属性和所处地理位置有直接关系。其空间格局分布存在以下特征：

1)与土地利用类型有关。济南市南部山区和东部丘陵,占全市森林总面积的约70%,集中分布在平阴县、章丘市、历城区和长清区,同时该区还是全市水源涵养林的主要分布区,人口密度较小,且实施自然保护区和森林公园建设,对森林干扰较小,利于森林生态系统服务功能的提升,因此,森林生态系统服务功能较强。中部地区属于城市繁华地带,人口密集,社会经济活动频繁,长期受人类活动干扰,植被覆盖率低,主要指市中区、天桥区、历下区和槐荫区,故森林生态系统服务功能较弱。北部济阳县和商河县,地处黄河沿岸平原,水土保持林和经济林分布较多,因此,也显示出一定的森林生态服务功能。

2)与气候因素有关。在气候因素当中,温度和降水能够对林木生长造成影响,因为水热条件限制着林木的生长[34]。一定范围内,温度越高,林木生长越快,其生态系统服务也就越强。主要原因是,温度升高增加了植物蒸腾速率,植物体内会积累更多营养元素,进而增加生物量；在水分充足条件下,温度越高,植物叶片气孔完全打开,呼吸作用增强,为光合作用提供充足的二氧化碳[35]；温度还通过控制叶片中淀粉的降解和运转、糖分和蛋白质的转化,进而起到控制光合速率的作用[36- 37]。济南市处于中纬度地带,属于暖温带半湿润季风型气候,多年平均气温在14.1℃,平均气温南部低山丘陵区低于北部平原区,这对济南市森林系统服务功能的空间分布格局产生一定影响。此外,降水与森林生态效益呈正相关关系,主要由于降水量作为参数被用于森林涵养水源的计算,与涵养水源生态效益呈正相关；同时,降水量的大小还会影响生物量的高低,进而影响固碳释氧功能[38]。济南市多年平均降水量在585—800mm之间,总的分布趋势为南部大于北部。降水还与森林滞纳颗粒物的高低有直接关系,降水量大意味着一年内雨水对植物叶片的清洗次数增加,由此带来森林滞尘功能的增强。因此,降水也会对济南市森林生态系统服务功能空间格局产生影响。

3)与林种结构组成有关。林种结构组成一定程度上反映了某区域在林业规划中所承担的林业建设任务。比如,当某区域分布着大面积的防护林,则该区域林业建设侧重防护功能。如果某区域由于地形、地貌等原因,容易发生水土流失,那么构建的防护林体系则为水土保持林,主要起到固持水土功能；如果某一区域位于大江大河源头,或者是重要水库的水源地,那么构建的防护林体系则为水源涵养林,主要起水源涵养和调洪蓄洪的功能。由济南市森林资源调查数据得出,济南市涵养水源林主要分布在南部低山丘陵区的平阴县、长清区、历城区和章丘市,这些地区恰是本市河流或水库的水源地,分布着全市约80% 的水源涵养林。此外,济南市北部平原地区的济阳县、商河县,其防风固沙林和农田防护林所占比例分别约为70%和75%,该区属于黄河下游,且平原农业活动较强,因此需要防风固沙林和农田防护林的保护。因此,由于树种结构组成的不同,促使济南市森林生态系统服务功能呈现目前的空间格局。

4)与生态建设政策有关。济南市在推进国家森林城市建设过程中,结合全市实际,开展了城镇绿化提升工程、南部山区营造林工程、北部平原风沙治理工程、水系生态绿化工程、湿地恢复与保护工程、破损山体治理工程、绿色通道工程、森林公园与自然保护区建设工程、现代林业示范区建设工程、林业产业化推进工程等一系列的林业生态工程。全市林业生态工程布局日趋合理,以低山丘陵、山前平原、沿黄平原三大绿化体系形成的框架日趋完善。未来,济南市森林生态系统服务功能将得到大幅提升,全市生态环境也将得到进一步改善。

本文采用分布式测算方法[39]对济南市森林生态系统服务功能进行测算。由于森林生态系统服务功能的测算涉及内容多样,为了科学评估这一庞杂的系统工程,将研究内容划分成多个均质化的生态系统服务功能测算单元进行评估是行之有效的方法[40]。该方法目前在诸多森林生态系统服务功能评估的研究案例中得到运用,且能够保证评估结果的准确性和可靠性[30]。济南市森林生态系统服务功能评估过程中,运用分布式测算方法,按照行政区、优势树种(组)和林龄组等三级测算单元,并结合不同立地条件,最终确定了600个相对均质化的生态系统服务功能测算单元,进而保证了济南市森林生态系统服务功能评估的科学性。将各个均质化的生态系统服务功能测算单元相叠加,最终汇总出济南市每个行政区域和整个济南市的森林生态系统服务功能。因此,鉴于该方法的测算原则,在本文的结果分析中以行政区域界限划分森林生态系统服务功能的评估区域,而非以自然地理单元作为区域划分的依据。

5 结论

本研究依托森林生态定位观测研究站,依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)结合济南市森林资源二类调查数据以及国家权威部门公布的社会公共数据,从涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护、森林游憩等8项生态服务功能对济南市森林生态系统服务功能空间格局进行研究,得出以下主要结论：

1)济南市年森林生态系统服务功能价值为264.41亿元,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>森林游憩>林木积累营养物质>森林防护。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10个区/县年森林生态系统服务功能价值量中,历城区最高,为68.26亿元。各区/县年森林生态系统服务功能价值量排序为：历城区>长清区>章丘市>平阴县>商河县>济阳县>市中区>天桥区>历下区>槐荫区。表明济南市各区/县森林生态系统服务功能空间格局存在异质性,森林生态服务功能较弱的区/县应抓住济南市生态建设政策实施的契机,努力提升自身生态服务功能,进而使得济南市各区/县森林生态系统服务功能相协调。

3)除了森林防护功能以外,其他各项森林生态系统服务功能价值量在济南市10个区/县的空间格局分布大体上均呈现南部>北部>中部的趋势。

基于济南市森林生态系统服务功能现有的空间分布格局,并结合济南市森林生态系统所具备的林种资源,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适生乡土树种覆盖面积,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系统服务功能的同时也相应增加当地农民的经济收入；中部城区及其周边应适当种植滞尘功能较强的针叶树种,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,进一步增加本地乡土树种及灌木的覆盖,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总体服务功能提升的建议可为该区和其他区域的生态建设工作提供参考。