邓紫君,刘 鑫,祖浩然,苏闪闪,陈 颖,罗俊毅,闫文德,2,3,4,张 翔,2,3,4,王明旭
(1.中南林业科技大学,湖南 长沙 410004;2.湖南芦头森林生态系统国家定位观测站,湖南 岳阳 414000;3.南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙 410004;4.城市森林生态湖南省重点实验室,湖南 长沙 410004;5.湖南省林业局,湖南 长沙 410004)
生态系统服务功能是指人类从生态系统中获取的自然环境条件及效用[1],既包括为人类提供食物、原材料、文化娱乐等直接服务功能,也包括调节水源涵养、固氮释氧、保护生物多样性等间接服务功能。对这些生态系统服务功能进行价值评估,可为生态保护、生态功能区划、生态建设规划和生态补偿决策奠定重要的基础[2-3]。目前,生态系统服务功能价值评估研究已在农田[4]、湿地[5-6]、森林[7-9]、草地[10-11]等各类型生态系统中广泛展开,而围绕各类型自然保护区的价值量评估,更是各级生态保护部门重点关注的问题。
自然保护区是指对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布、有特殊意义的自然遗迹等保护对象,依法划出一定面积予以特殊保护和管理的区域[12-14],具有独特的生态、经济和社会价值。截止2017年,根据国家林草局统计,我国各级、各类型自然保护区已达2750处,总面积约147.14万km2,占陆域国土面积的15%左右。自上个世纪90年代以来,众多研究人员以定量指标为主,综合采用直接、替代和模拟市场等三种方法对我国自然保护区的各项生态系统服务功能进行了价值评估。李腾等[15]对我国近30年的自然保护区的生态系统服务功能价值评估工作进行了梳理,得出我国自然保护区生态系统服务功能价值评估工作目前主要围绕着森林型和湿地型,其中湿地型保护区单位面积价值要高于森林型保护区3倍左右。祁黄雄等[16]基于Costanza等的生态服务价值当量表对中国国家级自然保护地体系的生态系统服务价值进行了整体评估,得出自然保护区提供的生态系统服务功能价值最高,占总价值的64.06%。因此,对自然保护区进行生态系统服务功能价值评估可更好地挖掘保护区中潜在的生态服务功能。然而,目前保护区的生态价值评估尚不完善,大多数自然保护区还未能进行生态系统服务功能价值评估工作,且评估指标较为单一,除森林生态、内陆湿地以及野生动物类型的自然保护区以外,其他类型的自然保护区研究较少。
我国当前有474个国家级自然保护区,其中进行了生态系统服务功能价值评估的保护区只有30%[15]。在湖南省内,大部分保护区的生态价值水平仍处于不清晰的状态。因此,本研究对湖南省20个森林型国家级自然保护区的森林生态系统服务功能价值进行了全面、定量的货币化估算,研究结果能够直观地反映这些自然保护区的综合效益以及对区域经济发展的贡献,为湖南省自然保护区的建设、管理和保护提供重要科学依据。
湖南省地处于长江中游,省境绝大部分在洞庭湖以南,地理坐标为108°47′—114°15′E,24°38′—30°08′N。属亚热带季风气候,具有冬冷夏热、雨量充沛、无霜期长、光热充足等特点。水系主要为湘、资、沅、澧四水及洞庭湖,是一个河流比较稠密的省区。省内地带性土壤主要为红壤和黄壤,具体为雪峰山与武陵山往东以红壤为主,往北以黄壤为主。湖南得天独厚的生态环境为动植物的栖息提供了俱佳的生存场所,是全球生物多样性最丰富,也是全国乃至世界珍贵的生物基因库之一。湖南省共有20个森林型国家级自然保护区,总面积为378371.4hm2,占湖南省国土总面积的1.79%。
湖南省23个国家级自然保护区总体规划书;各保护区管理局提供的活立木蓄积量、河流年径流量、湖泊蓄水量、所属县(市)2018年生产总值和公共财政收入等数据;计算中引用的各项参数均源于相关参考文献。
基于《森林生态系统服务功能评估规范:LY/T 1721—2008》[17],选取了7项功能对湖南省森林型国家级自然保护区的森林生态系统进行价值评估(见表1)。
表1 湖南省国家级自然保护区森林生态系统服务功能价值评估方法Tab.1 The value evaluation and assessment method of forest ecosystem services in national nature reserves of Hunan Province评估内容评估方法计算公式指标说明生产有机物价值[18]市场价值法V=(Q1×A+Q2)×C/10 000V为森林生产有机物的价值(万元·a-1);A为保护区森林面积(hm2);Q1为森林单位面积净生长量 (m3·hm-2·a-1);C为活立木市价(元·m-3);Q2为活立木蓄积量(m3)森林游憩价值[19]旅行费用法V=C×N/10 000V为森林游憩价值(万元·a-1);N为环境最大年可容纳游客人次数(人);C为平均每人次游憩收益(元·人-1)涵养水源价值[18]影子价格法V=(Q1+Q2)×C/10 000V为森林涵养水源的价值(万元·a-1); Q1为涵养水源量 (m3);C为单位蓄水费用(元·m-3),其中水的密度按1 t·m-3计算;Q2为年河流径流量或保护区库容量(m3)土壤保持价值[20]影子价格法固土价值:V1=A×C×ΔX/10 000 ρ保肥价值:V2=A×ΔX×(N×C1/R1+P×C2/R2+K×C3/R3)/10 000V1为森林年固土价值(万元·a-1);A为保护区森林面积(hm2);ΔX为林地水土流失比无林地的差值;C为挖取和运输单位积土方所需费用(元·a-1);ρ为林地土壤密度(t·m-3);V2为森林年保肥价值(万元·a-1);A为保护区森林面积(hm2);N为林分土壤含氮质量分数(%);P为林分土壤含磷质量分数(%);K为林分土壤含钾质量分数(%);R1为尿素含氮质量分数(%);R2为过磷酸钙含磷质量分数(%);R3为氯化钾含钾质量分数(%);C1为尿素市场价格(元·t-1);C2为过磷酸钙市场价格(元·t-1);C3为氯化钾市场价格(元·t-1)固碳释氧价值[20]影子工程法固碳价值:V1=1.63×B1×A×Cc×R/10 000释氧价值:V2=1.19×B2×A×Co/10 000V1为森林年固碳价值(万元·a-1);A为保护区森林面积(hm2);B1为单位面积森林吸收 CO2的能力(t·hm-2·a-1);Cc为固碳价格(元·t-1);R为CO2中含碳质量分数,为27.27%V2为森林年释氧价值(万元·a-1);A为保护区森林面积(hm2);B2单位面积森林释放O2的能力(t·hm-2·a-1);Co为氧气价格(元·t-1)
湖南省森林型国家级自然保护区的森林生态系统服务功能总价值为6196326.11万元·a-1,单位面积价值为16.62万元·hm-2·a-1。从图1可知,南岳衡山(25.9万元·hm-2·a-1)、借母溪(23.09万元·hm-2·a-1)和小溪(22.71万元·hm-2·a-1)单位面积生态系统服务功能价值位居前三;东安舜皇山(12.15万元·hm-2·a-1)、金童山(12.15万元·hm-2·a-1)、黄桑(10.99万元·hm-2·a-1)单位面积生态系统服务功能价值相对较低,位列后三。
图1 湖南省森林型国家级自然保护区森林生态系统服务功能总价值量及单位面积价值量Fig.1 The value of total and per unit area of forest ecosystem service function in forest type national nature reserves of Hunan Province
湖南省20个森林型国家级自然保护区的森林生态系统服务功能总价值相当于所属县(市)2018年生产总值的16.59%,但各保护区比值差异很大。从表2可知,比值超过50%的保护区共5个,包括高望界、小溪、金童山、炎陵桃源洞和白云山国家级自然保护区;比值在30%~50%的保护区共3个,包括八面山、鹰嘴界和壶瓶山国家级自然保护区;比值在10%~30%的保护区共7个,包括八大公山、黄桑、舜皇山、莽山、借母溪、永州都庞岭、乌云界国家级自然保护区;比值低于10%的保护区共5个,包括六步溪、东安舜皇山、九嶷山、南岳衡山、阳明山国家级自然保护区。
湖南省森林型国家级自然保护区的森林生态系统中的生态系统服务功能价值,按具体功能划分得到:生产有机物价值(3846652.96万元·a-1,占62.08%)>生物多样性保护价值(1308778.4万元·a-1,占21.12%)>森林游憩价值(381142.4万元·a-1,占6.15%)>涵养水源价值(332449.91万元·a-1,占5.37%)>固碳释氧价值(146973.31万元·a-1,占2.37%)>土壤保持价值(113285.51万元·a-1,占1.83%)>净化大气环境价值(67043.63万元·a-1,占1.08%)。从图2可知,湖南省森林型国家级自然保护区森林生态系统中的各项生态系统服务功能价值量存在明显的差异,其中生产有机物价值,壶瓶山(589997.05万元·a-1)最高,九嶷山(70163.95万元·a-1)最低;森林游憩价值,南岳衡山(86360万元·a-1)最高,八大公山(1205.6万元·a-1)最低;涵养水源价值,乌云界(62975.44万元·a-1)最高,阳明山(2107.69万元·a-1)最低;土壤保持价值,壶瓶山(17976万元·a-1)最高,八面山(2803.66万元·a-1)最低;固碳释氧价值,壶瓶山最高(23318.63万元·a-1),八面山(3636.93万元·a-1)最低;净化大气环境价值,壶瓶山(10637.07万元·a-1)最高,八面山(1659.03万元·a-1)最低;生物多样性保护价值,壶瓶山(202056万元·a-1)最高,九嶷山(25602.8万元·a-1)最低。
自然保护区的生态系统服务功能价值主要受规划面积和功能价值构成要素的影响[21]。通常,随着自然保护区规划面积的增加,其价值量也随之增大[22]。湖南省20个森林型国家级自然保护区的森林生态系统服务功能价值量随规划面积呈现出显著的线性增长趋势(R2=0.85,P<0.01),说明规划面积对自然保护区价值量的大小起着关键作用。
同时,生态系统服务功能价值还受其构成要素的影响[23-24]。在湖南省森林型国家级保护区的森林生态系统中,虽然小溪与炎陵桃源洞自然保护区的森林规划面积相近,但是小溪的生态系统服务功能价值却比炎陵桃源洞高出33.2%,造成差异的原因主要是由于小溪自然保护区具有更高的活立木蓄积量和河流涵养量,使得该保护区生产有机物和涵养水源的功能发挥得更加显著,因此提高了小溪的生态系统服务功能总价值。此外,尽管南岳衡山自然保护区的森林规划面积大小位居湖南省森林型保护区的第18位,然而其单位面积生态价值却居于榜首,这主要是因为其丰富的自然景观和人文景观推动了旅游业的发展,使得单位面积的森林游憩价值显著高于其它保护区,进而提高了保护区的生态系统服务功能价值。由此可见,生态系统服务功能的各构成要素均能使得生态系统服务功能价值产生较大差异。因此,今后可在不改变保护区规划面积的情况下,突出优势生态系统服务功能的发挥,进而增加生态系统服务的产出和价值[25-26]。
近年来,国内也有部分学者开展了有关森林型自然保护区森林生态系统服务功能价值的研究,本文选取了6个评估较为完整且与本研究评估年份相近的国家级自然保护区进行比较(见表3)。在生产有机物方面,由于只有云南哀牢山自然保护区计算了生产有机物的价值[27],因此只与其进行比较。湖南省20个森林型国家级自然保护区的生产有机物价值均高于哀牢山自然保护区,在湖南省森林型国家级自然保护区中借母溪单位面积生产有机物价值(17.05万元·hm-2·a-1)位居首位,舜皇山(6.69万元·hm-2·a-1)最低,分别约为哀牢山单位面积生产有机物价值的6.1倍和2.4倍。然而在哀牢山国家级自然保护区中,不仅考虑了自然保护区中活力木蓄积量的价值,还考虑了枯落物蓄积量的价值,因此在一定程度上,本文森林型自然保护区生产有机物的实际价值可能还远远高于现估水平。随着保护区旅游产业的健全,也有部分保护区森林游憩价值逐渐突出,例如在有关江西庐山自然保护区的生态系统价值评估研究中,均得出保护区游憩价值为单项价值最高[28-29]。相比于哀牢山、昆嵛山[30]、猫儿山[19]和芦芽山[31]国家级自然保护区的游憩价值(最高不超过0.8万元·hm-2·a-1)湖南省南岳衡山、莽山、阳明山、都庞岭、舜皇山和炎陵桃源洞等6个国家级自然保护区在利用旅游文化方面显得十分出色,其单位面积森林游憩价值均已超过1万元·hm-2·a-1。其中南岳衡山和莽山更是分别高达7.49万元·hm-2·a-1和3.82万元·hm-2·a-1。保护生物多样性作为建设自然保护区的重要目的之一[32],湖南省20个森林型国家级自然保护区单位面积生物多样性保护价值均在2万元·hm-2·a-1~4万元·hm-2·a-1之间,然而在其它地区的6个国家级保护区中,只有哀牢山、昆嵛山、丰林[33]单位面积生物多样性保护价值在2万元·hm-2·a-1~4万元·hm-2·a-1之间,其余3个国家级保护区均在2万元·hm-2·a-1以下。说明湖南省森林型国家级自然保护区为野生动植物的生存、繁衍提供了良好的自然环境,人们在保护生物多样性方面的工作成效显著。森林生态系统服务功能既能发挥直接的经济效益,又能发挥巨大的生态效益[34],其中涵养水源、土壤保持、固碳释氧和净化空气环境等生态系统调节功能在生态效益的发挥中具有重要作用。在其他地区的6个国家级自然保护区中,四者单位面积价值之和均高于5万元·hm-2·a-1,然而湖南省森林型国家级自然保护区中四者单位面积价值之和最高只有3.54万元·hm-2·a-1,导致湖南省森林型国家级自然保护区四者生态价值较低的原因可能是在评估过程中,本研究计算的指标相对于其他6个国家级自然保护区较少,例如本研究在对自然保护区净化空气环境价值的评估过程中,只计算了森林滞尘和吸收SO2的价值,而对比的其他地区6个保护区还考虑了吸收其他空气污染物的价值。因此,今后研究者应制定统一的评估指标及标准,这样更有利于自然保护区之间的横向比较。
表3 湖南省森林型国家级自然保护区与相关保护区服务功能价值研究的比较Tab.3 Comparison between others forest type national nature reserves and related studies in Hunan Province(万元·hm-2·a-1)国家级自然保护区生态系统服务功能价值生产有机物价值森林游憩价值涵养水源价值土壤保持价值固碳释氧价值净化大气环境价值生物多样性保护价值合计数据来源参考文献八大公山8.310.062.590.300.390.182.4214.25壶瓶山9.830.740.350.300.390.183.3715.15莽山12.703.821.320.300.390.183.8322.54永州都庞岭11.241.700.260.300.390.183.7617.83小溪16.140.451.330.300.390.183.9222.71炎陵桃源洞10.341.030.160.300.390.183.8316.23黄桑7.480.480.150.300.390.182.0110.99鹰嘴界13.540.370.480.300.390.183.6918.95乌云界9.200.122.120.300.390.183.7116.01南岳衡山13.867.490.620.300.390.183.0725.90本研究八面山9.850.871.080.300.390.183.2915.95借母溪17.050.430.950.300.390.183.7923.09六步溪10.760.320.830.300.390.183.9216.69阳明山7.281.740.170.300.390.183.9213.97舜皇山6.691.380.510.300.390.183.0812.53高望界7.980.642.680.300.390.183.4915.65白云山11.040.160.200.300.390.184.0016.26东安舜皇山6.990.280.240.300.390.183.7812.15金童山7.220.160.140.300.390.183.7612.15九嶷山7.020.312.610.300.390.182.5613.37茫荡山——4.242.180.990.311.909.89参考文献[35]哀牢山2.790.7711.782.541.330.612.0020.04参考文献[27]昆嵛山—0.212.600.872.562.083.2911.64参考文献[30]猫儿山—0.786.300.570.980.771.8610.8参考文献[19]丰林——1.751.631.240.463.008.22参考文献[33]芦芽山—0.062.811.680.832.890.626.53参考文献[31]
通过对湖南省20个森林型国家级自然保护区的森林生态系统服务功能价值进行科学评估,发现20个国家级自然保护区的森林生态系统服务功能总价值明显较高,相当于所属县(市)当年生产总值的16.59%。这表明湖南省国家级自然保护区森林生态系统对所属区域的经济发展有着重要的物质、环境和生态支撑作用。
受到规划面积和功能价值构成要素的影响,壶瓶山、小溪和乌云界国家级自然保护区的生态系统服务功能价值位居湖南省森林型国家级自然保护区的前三位,分别为909259.03万元·a-1、506397.61万元·a-1、475003.1万元·a-1。20个自然保护区的单位面积生态系统服务功能价值为16.62万元·hm-2·a-1,按具体功能划分,生产有机物(62.08%)>生物多样性保护(21.12%)>森林游憩(6.15%)>涵养水源(5.37%)>固碳释氧(2.37%)>土壤保持(1.83%)>净化大气环境(1.08%)。相较于其他地区的国家级自然保护区,湖南省大部分国家级自然保护区的森林生态系统服务功能价值明显处于较高的水平。
自然保护区为人类财富和社会经济发展做出了重大贡献[36]。今后在建设、管理、保护自然保护区的过程中,要建立以生态系统服务功能价值评估为主体依据的生态补偿机制[37-38],不断完善自然保护区的经营管理体系,提高科研、宣教以及管理保护的综合水平,实现自然资源和自然环境可持续发展,保护生物多样性。同时,充分合理地发掘自然保护区生态系统的潜在生态功能,从而发挥保护区生态系统更高的生态价值。