湘西土家族苗族自治州公益林生态系统服务功能评价

刘年元， 田育新， 刘 博， 张 鹏， 钟少伟，李典军， 宋庆安， 陈晨甜， 龚发武

(1.湘西土家族苗族自治州林业局， 湖南 吉首 416000； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 3.湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 慈利 427200； 4.龙山县林业局， 湖南 龙山 416800； 5.泸溪县自然资源局，湖南 泸溪 416100)

公益林作为改善生态环境建设的重要组成部分，对其质量和生态服务功能价值进行全面评价一直以来是研究的热点问题。生态系统服务功能最早于1997年由Daily提出，并将全球生态系统服务功能划分为大气调节、水分供给、养分循环、遗传、休闲等功能[1]，Costanza[2]以货币形式直接估算了1997年全球生态系统服务总价值，这对于生态系统服务功能研究具有里程碑意义。Costanza等[3]更新相关数据，于2011年再次估算了全球生态系统服务总价值；2015年，Hayha等[4]对意大利北部山区森林生态系统服务功能进行了评价和探索。我国也同步开展研究，如1999年欧阳志云[5]、蒋延玲[6]、李金昌等[7]对我国生态系统服务功能价值评估及其方法进行了初步尝试和研究；2004年赵同谦等[8]把我国森林生态系统的服务功能划分为提供产品、调节功能、文化功能和生命支持功能四大类，并建立了多项功能指标体系。2008年，逐步形成并制定《森林生态系统服务功能评估规范》[8]，包含了森林8大生态服务功能；2020年对该标准进行了修订，增加了林木产品供给服务功能，在森林游憩功能中增加森林康养功能，修改为森林康养功能[9]。至此，国内开展了大量相关研究，研究尺度从国家[10-11]到省[12-13]、市[14]、县[15-16]，区域范围从行政区域[12-16]到流域范围[17-18]，林分类型从天然林[15-19]到公益林[18]，生态系统类型涵盖森林和湿地两大类[14]。2020年，湖南省林业局对全省14个市州省级以上公益林生态服务功能物质量和价值量进行了评价。其中，湘西土家族苗族自治州公益林单位面积总价值量为10.68万元·hm-2，居于全省第四[20]。然而，具体到县级水平，其公益林质量及功能到底如何，未做深入分析和研究。因此，本研究以此为基础，以湘西土家族苗族自治州各县(市)为案例，估算湘西自治州县(市)公益林生态系统服务功能物质量和价值量，科学评估湘西自治州公益林质量和功能，为公益林保护建设提供科学依据。

1 研究区概况

湘西土家族苗族自治州(后简称湘西自治州)位于湖南省西北部，地理坐标介于109°10′—110°22.5′E，27°44.5′—29°38′N之间，地处湘、鄂、黔、渝四省市交界处，管辖7县1市，即吉首市和泸溪县、凤凰县、花垣县、保靖县、古丈县、永顺县、龙山县。东西宽约170 km，南北长约240 km，土地总面积15 462 km2。气候属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征。既水热同季，暖湿多雨，又冬暖夏凉，四季分明，降水充沛，光热偏少；光热水基本同季，前期配合尚好，后期常有失调，气候类型多样，立体气候明显。年平均气温15.0～16.9 ℃，最高气温40.5 ℃，最低气温-5.5 ℃；年降雨量1 300～1 500 mm，无霜期250～280 d。

本研究只包括省级以上公益林，根据湖南省2017年公益林完善落界成果，湘西自治州省级以上公益林面积为47.79万hm2，占湖南省公益林总面积的9.66%，其中，天然林为31.04万hm2，占湘西自治州公益林面积的64.96%；人工林为16.75万hm2，占湘西自治州公益林面积的35.04%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

湘西自治州公益林数据来源于湖南省2017年公益林完善落界成果和2019年湖南省省级以上公益林监测评价面上固定样地调查成果；湘西自治州公益林生态系统服务功能监测数据来源于国家林草局陆地生态系统定位研究网络(CTERN)和湖南省生态定位观测网络中心下属的生态站长期定位监测数据；社会公共数据来源及依据见“湖南省公益林生态系统服务功能评估”[20]。

2.2 研究方法

采用长期定位监测研究技术和分布式测算方法，根据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)，对湘西自治州省级以上公益林生态系统服务功能从物质量和价值量两方面进行评价，包括8大功能11个指标，具体公式和参数说明详见表1。其中，物质量由公益林数据和功能监测数据计算得到，价值量由公益林数据、功能监测数据和社会公共数据计算得到。

表1 公益林生态系统服务功能物质量和价值量评估公式及参数说明Tab.1 Evaluation formula and parameter explanation of the quality and value of public welfare forest ecosystem services功能类型功能指标指标类别计算公式参数说明年调节水量G调=10A·(P-E-C)·FG调-评价林分年调节水量(m3·a-1);P-实测林外降水量(mm·a-1);E-实测林分蒸散量(mm·a-1);C-实测地表快速径流量(mm·a-1);A-评价林分面积(hm2);U调-评价林分年调节水量价值(元·a-1);C库-水库库容造价(元·m-3);F-森林生态功能修正系数;d-贴现率调节水量指标年调节水量价值U调=10C库·A·(P-E-C)·F·d涵养水源功能年净化水量G调=10A·(P-E-C)·FG调-评价林分年调节水量(m3·a-1);P-实测林外降水量(mm·a-1);E-实测林分蒸散量(mm·a-1);C-实测地表快速径流量(mm·a-1);A-评价林分面积(hm2);U水质-评价林分净化水质价值(元·a-1);K水-水的净化费用(元·m-3);F-森林生态功能修正系数;d-贴现率净化水质指标年净化水质价值U水质=10K水A·(P-E-C)·F·d年固土量G固土=A·(X2-X1)·FG固土-评价林分年固土量(t·a-1);X1-实测林分土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);X2-无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);A-评价林分面积(hm2);U固土-评价林分年固土价值(元·a-1);C土-挖取和运输单位体积土方所需费用(元·m-3);ρ-土壤容重(g·cm-3);F-森林生态功能修正系数;d-贴现率固土指标年固土价值U固土=A·C土(X2-X1)·F·d/ρ保育土壤功能保肥指标年保肥量GN=A·N·(X2-X1)·FGP=A·P·(X2-X1)·FGK=A·K·(X2-X1)·FG有机质=A·M ·(X2-X1)·FGN-评价林分固持土壤而减少的氮流失量(t·a-1);GP-评价林分固持土壤而减少的磷流失量(t·a-1);GK-评价林分固持土壤而减少的钾流失量(t·a-1);G有机质-评价林分固持土壤而减少的有机质流失量(t·a-1);X1-实测林分土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);X2-无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);N-土壤含氮量(%);P-土壤含磷量(%);K-土壤含钾量(%);M-土壤有机质含量(%);A-评价林分面积(hm2);U肥-评价林分年保肥价值(元·a-1);R1-磷酸二铵化肥含氮量(%);R2-磷酸二铵化肥含磷量(%);R3-氯化钾化肥含钾量(%);C1-磷酸二铵化肥价格(元·t-1);C2-氯化钾化肥价格(元·t-1);C3-有机质价格(元·t-1);F-森林生态功能修正系数;d-贴现率年保肥价值U肥=A·(X2-X1)·(N·C1R1+P·C1R2+K·C2R3+M·C3)F·d

3 结果与分析

3.1 各县(市)不同起源公益林质量变化

湘西自治州省级以上公益林面积为47.79万hm2，单位面积蓄积量为76.24 m3·hm-2[21]。各县(市)公益林面积中永顺县最大(11.12万hm2)，吉首市最小(2.78万hm2)； 单位面积蓄积量中永顺县最高(84.68 m3·hm-2)，泸溪县最低(60.39 m3·hm-2)(见图1)。

图1 湘西自治州各县(市)公益林面积、单位面积蓄积统计图Fig.1 Statistical chart of area and unit area volume of public welfare forest in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

因公益林起源不同，单位面积蓄积量差异较大，从图1可知，各县(市)人工林单位面积蓄积量均明显高于天然林，主要原因可能是人工林建群种多为速生树种，其生长速度明显快于天然林。龙山县天然林单位面积蓄积量最高，但其公益林面积居于湘西自治州第二，说明湘西自治州各县(市)中龙山县天然林质量最好；而凤凰县人工林单位面积蓄积量最高，说明湘西自治州各县(市)中凤凰县人工林质量最好。

3.2 各县(市)不同起源公益林生态系统服务功能物质量评价

湘西自治州各县(市)公益林生态系统服务功能物质量评价结果如表2所示。总体来看，湘西自治州公益林生态系统涵养水源总物质量为18.76亿m3·a-1；固土总物质量为21 104.97千t·a-1，固定土壤氮、磷、钾和有机质总物质量分别为22.60千t·a-1、5.72千t·a-1、214.33千t·a-1和388.77千t·a-1；固碳总物质量为864.12千t·a-1，释氧总物质量为2 104.00千t·a-1；林木积累氮、磷和钾总物质量分别为6.49千t·a-1、2.84千t·a-1和3.42千t·a-1；提供负离子总物质量为45.96×1023个·a-1，吸收污染物总物质量为88.61千t·a-1，滞尘总物质量为1 474.73千t·a-1。各指标基本占全省总量的1/10[20]。各县(市)公益林不同生态服务功能的物质量随着公益林面积的大小而变化，如永顺县公益林面积在湘西自治州占比最大，其各项指标的物质量也均占比最大。而单位面积物质量，则涵养水源、林木积累营养物质均以永顺县最高，保育土壤、固碳释氧、净化大气环境中生产负氧离子均以龙山县最高，净化大气环境中吸收污染物及滞尘功能以古丈县最高。

从表2还可以看出，因林分起源不同，各项生态服务功能的物质量也不相同。对于湘西自治州公益林来说，天然林高于人工林；对于各县(市)来说，略有差异。与单位面积蓄积量类似，人工林单位面积物质量高于天然林。

3.3 各县(市)不同起源公益林生态系统服务功能价值量评价

湘西自治州公益林生态系统服务功能总价值量为510.4339亿元·a-1，约占全省总价值量(5 165.79亿元·a-1)的9.88%。其中，涵养水源总价值量约占湘西自治州总价值量的49.06%，几乎占了一半；生物多样性保护、森林游憩总价值量位于第二、第三，分别占湘西自治州总价值量的17.17%、15.21%；固碳释氧、保育土壤总价值量位于5%～10%之间；净化大气环境、林木积累营养物质总价值量最低，低于2%。

各县(市)随着公益林面积的大小和林分类型的不同，其生态系统服务功能总价值量也差异较大，如图2所示。永顺县、龙山县、保靖县公益林生态系统服务功能总价值量位列湘西自治州前三，约占了湘西自治州总价值量的3/5。对于不同生态服务功能来说，各县也均是以涵养水源、生物多样性保护、森林游憩为主，与湘西自治州、湖南省保持一致[18]。

图2 湘西自治州各县(市)公益林生态系统服务功能总价值量Fig.2 Total value of public welfare forest ecosystem services in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

各县(市)单位面积价值总量略有不同，如图3所示，其大小排序为凤凰县(13.209 2万元·hm-2)>永顺县(11.108 0万元·hm-2)>龙山县(10.737 3万元·hm-2)>古丈县(10.590 3万元·hm-2)>花垣县(10.389 2万元·hm-2)>保靖县(10.0411万元·hm-2)>泸溪县(9.740 2万元·hm-2)>吉首市(9.635 5万元·hm-2)。凤凰县的公益林面积湘西自治州排倒数第二，但其单位面积公益林价值总量湘西自治州第一，主要源于其单位面积森林游憩的价值量平均是其他县(市)的4倍左右。除了凤凰县是以涵养水源、森林游憩功能为主，将近占到单位总价值量的70%左右，其余各县均以涵养水源功能为主，基本占单位总价值量一半左右。

图3 湘西自治州各县(市)公益林生态系统服务功能单位面积价值量Fig.3 Unit area value of public welfare forest ecosystem service function in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

由于林分起源不同，其生态服务功能价值总量及单位面积价值总量均表现出明显差异，而森林游憩价值不分起源，故在此不纳入比较。对于总价值量来说，湘西自治州天然公益林价值总量(277.314 1亿元·a-1)将近是人工公益林(155.478 2亿元·a-1)的2倍左右；且每项生态服务功能价值总量也均表现为天然林高于人工林，均以涵养水源、生物多样性保护、固碳释氧功能为主，这与其物质量变化保持一致。然而，对于单位面积价值量来说，表现正好相反，除了生物多样性保护功能以外，其他生态服务功能均表现为人工林高于天然林。并且，无论是总价值量还是单位面积价值量，各县乃至湘西自治州公益林的生物多样性保护功能均表现为天然林高于人工林，这与天然林生物多样性高于人工林的规律保持一致。

从图4可以看出，湘西自治州天然林生态系统服务功能总价值量以永顺县、龙山县、保靖县占比前三，分别为23.86%、20.82%、14.06%；而人工林以永顺县、保靖县、泸溪县占比前三，分别为25.16%、18.45%、13.92%。并且，除了泸溪县公益林的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境功能，其余各县公益林生态服务功能价值总量均表现为天然林高于人工林。但是，各县(市)天然林、人工林不同生态服务功能价值量占比略有不同，如泸溪县、凤凰县天然林以涵养水源、生物多样性保护、固碳释氧功能为主，而其人工林以涵养水源、固碳释氧、保育土壤功能为主；其余各县(市)人工林、天然林均与湘西自治州保持一致。

图4 湘西自治州各县(市)不同起源公益林生态系统服务功能总价值量Fig.4 Total value of ecosystem services of public welfare forest of different origins in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

从图5可以看出，各项生态服务功能单位面积价值量除了生物多样性保护功能以外，其他功能均表现为人工林高于天然林，与其总价值量表现正好相反，而与其单位面积物质量及单位面积蓄积量表现一致。对于天然林单位面积价值量来说，湘西自治州有3个县高于湘西自治州平均水平(8.9339万元·hm-2)，分别为永顺县(9.8375万元·hm-2)、古丈县(9.4747万元·hm-2)、龙山县(9.3028万元·hm-2)，吉首市最低(7.6953万元·hm-2)；而人工林高于湘西自治州平均水平(9.2847万元·hm-2)的县(市)分别为花垣县(10.7375万元·hm-2)、龙山县(9.8865万元·hm-2)、保靖县(9.5442万元·hm-2)，古丈县最低(8.6191万元·hm-2)。

图5 湘西自治州各县(市)不同起源公益林生态系统服务功能单位面积价值量Fig.5 Unit area value of ecosystem service function of public welfare forest with different origins in all districts and counties of Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

4 结论与讨论

(1)湘西自治州省级以上公益林面积为47.79万hm2，单位面积蓄积量为76.24 m3·hm-2，处于全省中等水平(76.85 m3·hm-2)[18]。其中，永顺县、保靖县、古丈县、龙山县均处于全省较高水平(70 m3·hm-2<蓄积量≤90 m3·hm-2)；花垣县、凤凰县、吉首市、泸溪县均处于全省中等水平(50 m3·hm-2<蓄积量≤70 m3·hm-2)。

(2)2019年湘西自治州公益林生态系统服务功能总物质量为涵养水源18.76亿m3·a-1、固土21104.94千t·a-1、保肥631.4268千t·a-1、固碳864.12千t·a-1、释氧2104.00千t·a-1、林木积累营养物质12.7569千t·a-1、提供负离子45.96×1023个·a-1，吸收污染物88.61千t·a-1，滞尘1474.73千t·a-1，基本分别占全省总物质量的1/10。各县(市)公益林物质总量均以永顺县最高，这与其公益林面积最大和公益林质量最高息息相关。但是，各县(市)公益林各项生态服务功能单位面积物质量表现不同，永顺县公益林以涵养水源和林木积累营养物质的能力最强，龙山县公益林以保育土壤、固碳释氧和生产负离子能力最强，古丈县公益林以吸收污染物和滞尘的能力最强。

(3)湘西自治州公益林生态系统服务功能总价值量为510.4339亿元·a-1，主要以涵养水源、生物多样性保护、森林游憩功能为主，三者之和约占总价值量的80%左右，尤其是涵养水源功能，几乎占了一半；各县(市)公益林生态系统服务功能总价值量以永顺县、龙山县、保靖县排名前三。而公益林生态系统服务功能单位面积价值量各县(市)以凤凰县最高，吉首市最低；不同生态服务功能同样以涵养水源为主。这与湘西州降水充沛、森林覆盖率高、地表地下水资源丰富有关。湘西自治州公益林的生物多样性保护总价值量约占全省(815.605 8亿元·a-1)的10.74%，在全省14个地级市中排名第三，这得益于《中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)》划定武陵山脉为全国35个生物多样性保护优先区域之一，有效保护了武陵山脉的生物多样性。

(4)由于林分起源不同，无论是林分质量，还是物质量、价值量计算，湘西自治州以及各县(市)公益林均表现出明显差异，对于总量基本表现为天然林高于人工林，而对于单位面积量则表现为人工林高于天然林。这说明虽然湘西自治州天然林面积将近是人工林的两倍，但其林分质量并不高，除了生物多样性保护功能，其他生态服务功能尚未完全得到充分发挥，亟待加强抚育。对于湘西自治州各县(市)来说，天然林单位面积价值量以永顺县最高、吉首市最低，人工林则以花垣县最高、古丈县最低，这说明湘西自治州各县(市)中，永顺县的天然林质量最高、花垣县的人工林质量最高。