生态系统服务功能价值评价研究

曹元帅 郑云峰* 尹准生 何 晨

(1. 国家林业和草原局华东调查规划设计院, 杭州 310019；2. 江西省林业科技推广和宣传教育中心, 南昌 330038)

森林作为陆地生态系统的主体，对水土保持、涵养水源、防风固沙、调节气候、保护生物多样性、维护碳平衡等方面起着重要的作用，是人类长期以来赖以生存和发展的资源与环境保障，对经济和社会的可持续发展具有重要的战略意义[1−3]。公益林是以发挥森林生态系统服务功能为目的，为地区经济发展、保证国土生态安全和维护地方社会稳定提供良好的生态环境保障。客观、科学地评估公益林生态系统服务功能，对及时了解和评价公益林建设成效，体现公益林在生态保护、兴林富民、乡村振兴中的作用具有重要意义[4−6]。

森林生态系统服务功能评估研究始于20世纪初。到了70年代，森林生态功能测定技术和替换方法有了突破，使这项研究在世界范围内取得较快发展。1978年，日本林野厅利用数量化理论多变量解析方法对全国7种类型的森林生态效益进行了经济价值的评估[7]。Costanza 等[8]对全球生态系统服务的价值进行了估算。Daily[9]探讨了生态系统服务功能的定义及其价值特性，以及生态系统服务功能与生物多样性的关系。Konarska 等[10]使用不同分辨率的土地覆盖影像数据核算了美国生态系统服务功能价值。

20世纪80年代，我国一些学者开始对生态系统服务功能及其评价理论、方法和实践应用进行探索。1982年，张嘉宾[11]利用影子工程法、替代费用法对云南省四个县森林生态系统的保护土壤和涵养水源的价值进行了分析。1995年，侯元兆等[12]打破既有的森林资源核算体系，首次从林分、林地和森林环境资源三方面核算森林资源的价值，是我国全面评估生态服务功能的先行者。欧阳志云[13]初步研究了以森林和草地为主的中国陆地生态系统服务功能。蒋延玲等[14]根据全国第三次森林清查报告对我国 38 种主要森林生态系统的公益价值进行评估。鲁绍伟[7]利用全国第四次、第五次、第六次森林资源清查资料对我国森林生态系统服务功能进行动态分析与仿真预测。崔亚琴等[15]对2016 年山西省11个地市主要植被类型的生态系统服务功能进行评估。薛冰等[16]利用遥感数据与GIS空间统计分析方法，分析了贵州省2015年森林生态系统服务功能价值及空间分布特征。

近年来，我国越来越多省（市）及自然保护地开展了森林生态系统服务功能的评价工作，对其森林生态效益的物质量、价值量及生态系统生产总值（gross ecosystem product，GEP）进行了核算，这对我们认识森林生态系统在国民经济和社会发展中的地位及作用提供了科学的依据与数据支撑。本研究以开化县公益林为对象，对其在涵养水源、固土保肥、固碳释氧、积累营养、净化大气、生物多样性保护6个方面提供的生态系统服务实物量和价值量进行评估。

1 研究区概况

开化县位于浙江省西部、衢州市西北部，浙皖赣三省交界处，是钱塘江的发源地。地理坐标为28°54′30″N~29°29′59″N，118°1′15″E~118°37′50″E。县境周长297.73 km，南北长66 km，东西宽59.2 km，县域总面积2 236.61 km2。东和东北与杭州市的淳安县接壤，东南和常山县相连，西南同江西省玉山县、德兴市毗邻，西和西北与江西省婺源县相接，北与安徽省休宁县相依，素有“歙饶屏障”之称。开化县属亚热带季风气候，四季分明，温暖湿润。年平均气温16.4 ℃，年平均降水量1 830.8 mm，无霜期252天。

开化县地处浙江西部中山、低山丘陵区，金衢盆地外缘，素有“九山半水半分田”之称，境内森林覆盖率达80.9%。开化县2001年列被为国家森林生态效益补助资金试点，公益林建设经过2001年区划界定和不断完善，至2019年全县公益林建设规模达到92 484.50 hm2，占县域总面积的41.3%，占林业用地面积的48.3%。其中：国家级公益林面积58 370.3 hm2，省级公益林面积34 114.2 hm2。依据开化县2019年森林资源管理“一张图”数据，公益林各森林类型面积统计见表1。

表 1 开化县公益林森林类型统计Table 1 Forest types of public welfare forests in Kaihua County

2 研究方法

2.1 数据来源

以开化县2019年度监测数据为基础，依据浙江省林业厅《浙江省生态公益林监测实施办法（试行）》的规定，建立公益林县级监测体系。共设立357个固定监测样地（20 m×20 m），每个样地中沿对角线设置3个2 m×2 m 的小样方进行下木（灌木）和草本调查。对样地内的胸径＞5 cm的乔木进行每木检尺，测量并记录树种、胸径、树高、枝下高。对小样方内的下木调查并记录名称、株数、平均地径、平均高度以及盖度；草本调查并记录名称、株数或丛数、平均高度以及盖度。

根据上述调查方法获得相应样地的调查数据，计算并统计样地相关调查因子指标，见表2。

表 2 样地基本信息统计Table 2 Basic information statistics of sample plots

2.2 生物量模型

森林生物量是森林生态系统结构优劣和功能高低的最直接表现，是森林生态系统质量的综合体现，而且生态系统服务功能评估指标的计算需生物量数据，因此本研究对公益林生物量进行测算。应宝根等[17]、袁位高等[18]在浙江省省级以上公益林范围内，分不同森林植被类型设置样地，实测各树种（组）生物量，建立了松类、杉类、硬阔Ⅰ、硬阔Ⅱ、软阔、毛竹、杂竹、下木（灌木）单株立木（竹）生物量模型和草本生物量模型。本研究主要采用其构建的单株立木模型、单株下木（灌木）模型、单株毛竹模型和草本生物量模型进行测算。

将公益林小班和样地分8个类型：松木林、杉木林、阔叶林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林、竹林、灌木林，计算每种类型样地的单位面积的平均生物量，再通过小班数据将与样地类型相对应的单位面积生物量扩大到每个小班面上，以此统计全县公益林各林分类型生物量。

本研究计算林分年生产力时，除灌木林外，只考虑林分乔木层生产力。由于缺少复位样地数据，本研究中林分单位面积净生产力采用浙江省森林资源监测中心提供的各林分类型平均单位面积净生产力数据。

2.3 评估指标与方法

生态系统服务功能评估指标和方法主要依据《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T 1721−2008）[19]以及相关研究数据和文献资料等[20−26]。从开化县公益林的水源涵养、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护等6个方面，对其生态系统服务功能进行评价。由物质量向价值量转换时，利用开化县最新的公共基础数据作为基本参数，采用等效替代法和权重当量平衡法，对森林生态效益价值量的计算进行适当修正，以获得各项功能价值量的现价，以提高评估结果的准确性与合理性。

本研究选取了6个能直观反映森林生态系统服务功能价值且数据可获取的评估指标（A1~A6），具体包含8个实物量指标（B1~B8）和13个价值量指标（C1~C10），见表3。

表 3 开化县公益林生态系统服务功能评估指标Table 3 Evaluation indexes of ecosystem service function of public welfare forest in Kaihua County

本研究中森林生态系统服务功能采用分布式测算方法进行评估，过程如下：

根据小班数据，首先将开化县所有公益林按优势树种划分为松木组、杉木组、硬阔Ⅰ组、硬阔Ⅱ组、软阔组、针叶混交组、阔叶混交组、针阔混交组、竹林、灌木林等10个一级测算单元。

每个一级测算单元又按龄组划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5个二级测算单元，其中竹林和灌木林不设二级测算单元。最终确定42个生态公益林生态系统服务评估单元及面积。

以上单元数据累加的结果即为开化县公益林森林生态系统服务功能测算结果。结果分析时，合并多个测算单元进行分析。

3 结果与分析

3.1 公益林生物量

开化县2018年生态公益林总生物量为1 038.40万t，单位面积生物量为114.19 t/hm2。其中：乔木林群落生物量994.95万t，占95.82%；竹林群落生物量22.81万t，占2.20%；灌木林群落生物量20.64万t，占1.99%。乔木林按优势树种分为松木林69.54万t，杉木林367.22万t，阔叶林250.57万t，针叶混交林106.58万t，阔叶混交林77.89万t，针阔混交林123.15万t。不同乔木林类型单位面积生物量大小为阔叶林132.47 t/hm2为最大，针叶混交林110.28 t/hm2为最小，见表4。

表 4 开化县公益林不同森林类型群落生物量Table 4 Community biomass of different types of public welfare forests in Kaihua County

乔木林群落生物量按龄组分为幼龄林403.395 9万t，占40.54%；中龄林329.946 6万t，占33.16%；近熟林142.317 2万t，占14.30%；成熟林102.644 6万t，占10.32%；过熟林16.650 6万t，占1.67%。单位面积生物量排序为过熟林＞成熟林＞近熟林＞幼龄林＞中龄林，全县公益林乔木林单位面积平均生物量约为120.916 8 t/hm2，乔木层单位面积生物量为102.737 8 t/hm2，见表5。

表 5 乔木林群落生物量按龄组划分Table 5 Arbor forest community biomass divided by age group

3.2 生态系统服务功能与效益

3.2.1 涵养水源

开化县2018年生态公益林涵养水源量23 381.51万t，涵养水源年价值246 441.11万元，其中年调节水量价值197 339.94万元、净化水质价值49 101.17万元。单位面积涵养水源价值以针阔混交林最大，其次为杉木林，灌木林最小，见表6。

表 6 开化县公益林不同森林类型涵养水源效益统计Table 6 Water conservation benefits of different types of public welfare forests in Kaihua County

3.2.2 固土保肥

2018年，开化县生态公益林年固土量280.42万m3，年保肥量134 995.71 t。固土保肥年价值58 954.96万元，其中固土价值17 666.46万元、保肥价值41 288.50万元。单位面积固土保肥价值最大的是阔叶混交林（0.76万元/hm2），最小的是松木林（0.55万元/hm2），见表7。

3.2.3 固碳释氧

2018年，开化县生态公益林固碳量24.44万t，相当于吸收二氧化碳89.61万t，释放氧气65.42万t，发挥固碳释氧效益共116 295.66万元，其中固碳价值31 304.99万元、释氧价值84 990.67万元。单位面积固碳释氧效益由大到小依次为竹林、阔叶混交林、阔叶林、针阔混交林、松木林、针叶混交林、杉木林、灌木林，见表8。

表 7 开化县公益林不同森林类型固土保肥效益统计Table 7 Benefits of soil fixation and fertilizer preservation of different types of public welfare forests in Kaihua County

3.2.4 积累营养物质

2018年开化县生态公益林积累营养物质9 032.48 t，其中积累氮量1 460.08 t，积累磷量2 386.12 t，积累钾量5 186.28 t，发挥积累营养物质生态效益共11 595.38万元。单位面积积累营养物质效益以阔叶林和阔叶混交林较大，竹林最小，见表9。

3.2.5 净化大气环境

2018年，开化县生态公益林吸收二氧化硫量9 570.59 t，滞尘量176.78万t，发挥净化大气环境生态效益共42 429.96万元，其中吸收二氧化硫价值1 770.56万元，滞尘价值40 659.40万元。单位面积净化大气环境效益大小为：针叶混交林＞松木林＞杉木林＞阔叶混交林＞针阔混交林＞阔叶林＞竹林＞灌木林，见表10。

表 8 开化县公益林不同森林类型固碳释氧效益统计Table 8 Benefits of carbon fixation and oxygen release of different types of public welfare forests in Kaihua County

表 9 开化县公益林不同森林类型积累营养物质效益统计Table 9 Benefits of nutrient accumulation of different types of public welfare forests in Kaihua County

表 10 开化县公益林不同森林类型净化大气环境效益统计Table 10 Benefits of air purification of different types of public welfare forests in Kaihua County

3.2.6 生物多样性保护

经测算，开化县生态公益林生物多样性保护年价值量86 608.80万元。其中，松木林多样性指数2.35，价值量5 366.93万元；杉木林多样性指数2.30，价值量30 177.70万元；阔叶林多样性指数2.31，价值量18 915.10万元；针叶混交林多样性指数2.05，价值量9 664.10万元；阔叶混交林多样性指数2.36，价值量6 997.80万元；针阔混交多样性指数2.38，价值量11 162.60万元；竹林多样性指数1.64，价值量1 651.57万元；灌木林多样性指数1.93，价值量2 673.00万元，见表11。

表 11 开化县公益林不同森林类型生物多样性保护效益统计Table 11 Benefits of biodiversity conservation of different types of public welfare forests in Kaihua County

4 结论与讨论

4.1 结论

本次研究建立起了开化县公益林监测体系，评估了公益林生态系统服务功能价值。为更好地掌握公益林数量、质量、生态系统服务功能及其动态变化情况，开化县应定期开展公益林监测，及时了解公益林建设情况，为公益林建设管理提供决策依据。

4.1.1 公益林生态系统服务功能总价值

2018年开化县公益林总生物量为1 038.401 7万t，单位面积生物量为114.193 7 t/hm2，表明公益林森林质量整体处于较高水平，积累了巨大的蓄积量和碳储量。2018年公益林产生森林生态系统服务功能总价值为56.23亿元，单位面积价值量为7.46万元/hm2。其中，涵养水源效益价值最大（24.64亿元，占43.82%），其次为固碳释氧价值（11.63亿元，占20.68%），其次为生物多样性保护价值（8.66亿元，占15.41%）、固土保肥价值（5.90亿元，占10.49%）、净化大气价值（4.24亿元，占7.54%）、积累营养物质价值（1.16亿元，占2.06%）。

4.1.2 不同森林类型生物量

开化县2018年重点公益林总生物量为1 038.40万t，单位面积生物量为114.19 t/hm2。杉木林生物量最大，为367.22万t；其次为阔叶林250.57万t；竹林和灌木林生物量较小，灌木林生物量仅为20.64万t。这主要与不同森林类型面积大小有关。

不同森林类型单位面积生物量大小为阔叶林132.472 6 t/hm2最大，其次为松木林和杉木林，灌木林单位面积生物量最小，仅有38.61吨/公顷。乔木林中则是针叶混交林和针阔混交林单位面积生物量较小。这除了与树木生物学特性有关外，也与不同乔木林群落各自龄组结构与关。松木林、杉木林和针叶混交林以中龄林和近熟林为主，阔叶林、阔叶混交林和针阔混交林则以中幼龄林为主。

4.1.3 不同森林类型生态系统服务功能价值

从不同森林类型来看，杉木林提供的生态系统服务功能价值量高于其他林分，其次是阔叶林和针阔混交林，灌木林提供的生态系统服务功能价值量最小。这主要与各林分类型的面积大小有关系，杉木林、阔叶林面积较大，灌木林面积最小。但从单位面积价值量来看，森林生态系统价值量最高的是阔叶林，其次是针阔混交林，最低的是灌木林。整体上看，混交林高于纯林，阔叶林高于针叶林，这与森林类型自身的特性相关。因而，在森林经营管理中应采用近自然经营模式，增加阔叶树种比例，逐渐形成异龄、复层和混交的林分结构，使森林生态系统发挥最大的生态系统服务功能价值。

4.2 讨论

4.2.1 与同类研究比较

不同地区的公益林资源禀赋不同导致森林生态系统服务功能总价值量相差较大，但仍可通过比较单位面积价值量，在一定程度上反映不同地区之间公益林质量差异。浙江省浦江县公益林生态系统服务功能价值为13.75亿元，单位面积价值量为4.08万元/hm2[1]；天台县公益林生态服务功能年总价值49.70亿元，单位面积价值量为8.41万元/hm2[21]。开化县公益林生态系统服务功能总价值和单位面积价值量均高于浦江县，主要原因是浦江县仅对公益林的涵养水源、固碳释氧、固土保肥价值进行了估算，未评估净化大气环境和生物多样性保护价值，且三项指标单位面积价值量均低于本研究。开化县公益林生态系统服务功能总价值高于天台县，但单位面积价值量低于天台县。原因一是天台县公益林面积较小，不到开化县的三分之二，而其评估指标包含了森林防护和森林旅游，比本研究多两个指标；二是除了生物多样性保护，其他指标单位面积价值量均高于本研究，一定程度上反映天台县公益林质量好于开化县。

4.2.2 展望

研究表明，开化县公益林发挥了巨大的生态效益，但其森林生态系统服务功能潜力尚未充分发挥，随着公益林树种结构优化和龄组结构变化，公益林生态系统服务功能价值将进一步提高。由于技术条件有限，且缺乏针对开化县的相关研究数据，本研究在测算各项实物量时模型参数多采用浙江省的平均值，因此对公益林生态系统服务功能价值评估可能存在一定偏差。此外，森林防护、提供负离子和森林游憩三项指标相关数据源获取困难，本研究未对这三项指标进行评估，不能全面反映开化县公益林生态系统服务功能价值。下一步，可在开化县开展更加详尽、深入的研究，设置生态定位观测站，并采用3S等技术手段加以辅助，以准确获取公益林生态系统的各项指标数据，从而更科学、全面地评估开化县公益林生态系统服务功能价值。

尽管目前开展森林生态系统服务功能价值评估研究受技术手段、数据获取等条件的制约，但是对森林生态系服务功能价值进行量化，有助于更准确地掌握森林生态系服务功能价值及其动态变化。依据《森林生态系统服务功能评估规范》开展不同地区、不同时期的森林生态系统服务功能价值评估，做到评估指标与方法相统一，使得各研究评估结果可以相互比较，评估结果具有更好的应用性。