张掖市森林网络体系建设工程生态服务功能价值评估

曾万祺梁丽娟苏付荣

(1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2.民乐县林业和草原局，甘肃 民乐 734500；3.张掖市林业科学研究院，甘肃 张掖 734000)

生态系统服务功能对实现林业可持续发展具有重要的作用[1]。近年来，生态系统服务功能的研究引起国内外众多学者的关注，更多的专家学者从生态领域对森林生态系统开展了服务功能体系完整的深度研究，为张掖市林业可持续发展和生态环境保护提供了科学依据。张掖市地处我国西部干旱地区，属大陆性气候，干旱少雨，生态环境较为脆弱。近年来，张掖市立足国家“两屏三带”生态安全战略，以建设国家西部重要生态安全屏障为核心，以保护山水，增加绿量，治理风沙为主线，依托林业重点生态工程，围绕南部祁连山水源涵养区、中部绿洲生态质量提升区、北部荒漠沙化综合治理区，大力推进实施森林网络体系建设工程，着力打造河西走廊森林城市，取得显著生态效益。本研究以张掖市森林网络体系建设工程成果为基础，分别对其生态系统保育土壤，涵养水源，固碳释氧，净化大气环境，防风固沙和生态系统游憩等生态系统服务功能价值进行了评估，分析了森林网络体系建设工程为张掖市生态环境保护带来的生态效益，对平衡当地经济发展和环境生态建设有重要参考意义[2-6]。

1 研究区概况

张掖市地处甘肃省河西走廊中段，位于E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，辖山丹、民乐、甘州、临泽、高台、肃南5县1区，总土地面积4.19万km2。境内海拔1284～5564m，相对高差4280m。属典型的大陆性干旱、半干旱气候，具有日照长、光照充足，昼夜温差大，夏热冬寒，干燥多风，降雨稀少，蒸发强烈等特点。年日照时数3000～3600h，年平均降水量110～340mm，蒸发量1400mm以上，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-28.6℃，年平均气温6～8℃，无霜期112～145d。张掖市境内各类生态系统交错衔接、复杂多样，主要包括祁连山水源涵养区、黑河绿洲、荒漠戈壁，雪山冰川、森林草原、湿地候鸟、荒漠沙丘等地貌，包含祁连山、黑河湿地2个国家级自然保护区[7]。

2 评估方法

采用《森林生态系统服务功能评估规范》中的指标体系和评估公式，利用卫星影像数据，结合张掖市多期林业生态监测结果相关科研成果和社会经济调查统计等资料，综合运用动态监测、生态效益评价等方法和手段进行评估[8，9]。

2.1 保育土壤功能

生态系统的土壤保持功能可以用年固土量和年保肥量两个指标来衡量。其中，凋落物和活地被物等地表层附着物降低降水对土壤表面的冲击及产生地表径流的侵蚀总量，计算公式：

G固土=A×(X2-X1)

(1)

式中，G固土为生态系统年固土量，t·a-1；X1为乔灌草土壤侵蚀模数，t·hm-2·a-1；X2为无覆盖土壤侵蚀模数，t·hm-2·a-1；A为面积，hm2。其中X1、X2土壤侵蚀模数[10，11]，主要依据修正的通用水土流失方程(RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation)计算单位面积的水土流失量。

生态系统年保肥量是指生态系统通过减少土壤肥力损失以及改善土壤结构，年固定N、P、K以及有机质的总量，将计算生态系统所固定的土壤有机质、全N、全P、全K折合成磷酸二铵和氯化钾的价值来体现保肥价值。计算公式：

GN=A×N×(X2-X1)

(2)

GP=A×P×(X2-X1)

(3)

GK=A×K×(X2-X1)

(4)

G有机质=A×M×(X2-X1)

(5)

U肥=A土×(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+OC3)×F

(6)

式中，GN、GP、GK、G有机质分别为生态系统固持土壤而减少的氮、磷、钾、有机质流失量，t·a-1；N、P、K、M分别为生态系统土壤平均含氮量、含磷量、含钾量以及有机质含量，%；A为面积，hm2；U肥为生态系统土壤保肥价值，元·a-1；C1为磷酸二铵化肥价格，元·t-1；C2为氧化钾化肥价格，元·t-1；C3为有机质价格，元·t-1；F为修正系数。

2.2 涵养水源功能

生态系统涵养水源功能是指大气降水通过生态系统达到贮存水资源，调节地表及地层径流，净化水质，减少洪涝灾害的水资源再分配过程。森林生态系统涵养水源的表现形式为减缓降水侵蚀并贮存一定量水资源，通过林冠、林下植被、枯枝落叶和土壤层对降雨进行截留和分配，选取调节水量指标反映生态系统的水源涵养功能[12]。

年调节水量指通过生态系统中不同植被对降水的截留、吸收和贮存，将地表水转为地表径流或地下水的总量，计算公式：

Q=A×J×R

(7)

J=J0×K

(8)

R=R0-Rg

(9)

式中，Q为森林、草地等生态系统与裸地相比较涵养水分的增加量；A为面积；J为研究区产流降水量；J0为研究区降水量；K为产流降水量占降水总量的比例；R为与裸地相比较，生态系统减少径流的效益系数；R0为产流降雨条件下裸地降雨径流率；Rg为产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

2.3 固碳释氧功能价值

植物通过光合作用和呼吸作用，与大气进行CO2和O2的交换，发挥着固定大气中CO2并向大气中释放O2的作用，对降低大气CO2浓度，维持大气中O2和CO2动态平衡发挥了重要作用。根据光合作用生化反应式可知，植物每积累1.0kg的干物质，可以吸收1.63kg的CO2，同时释放1.19kg的O2。植物和土壤年固碳量和植被释氧量计算公式：

Ca=A×(1.63×B×Rc)

(10)

Oa=1.19×A×Ba

(11)

Uc=C1×Ca

(12)

Uo=C2×Oa

(13)

式中，Ca为年固碳量，t·a-1；Oa为年释氧量，t·a-1；Uc为固碳价值，元·t-1；Uo为固氧价值，元·t-1；C1为林木固碳价格，元·t-1；C2为氧气价值，元·t-1；B为BEF，t·hm-2·a-1；RC为CO2中的碳含量，为27.7%；A为植被类型面积，hm2。参考由国家林业和草原局2020年发布的《森林生态系统服务功能评估规范》，固碳价格1200元·t-1；氧气制造价格1000元·t-1。

2.4 大气调节功能价值

生态系统通过对吸收的氟化物、二氧化硫、粉尘、氮氧化物等有毒物质进行降解和转化，发挥净化空气的作用。选取吸收污染物和滞尘2个指标反映生态系统净化大气环境的能力。

年滞尘量指年吸滞粉尘的总量，采用面积-吸收能力方法计算，计算公式：

(14)

U滞尘=G滞尘×C1×F

(15)

式中，G滞尘为年滞尘量，t·a-1；Q滞尘为单位面积年滞尘量，kg·hm-2·a-1；A为面积，hm2；U滞尘为年滞尘价值，元·a-1；C1为降尘清理费用，元·kg-1。

年吸收污染物量指生态系统年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的总量，计算公式：

(16)

(17)

(18)

U二氧化硫=G二氧化硫×C2

(19)

U氟化物=G氟化物×C3

(20)

U氮氧化物=G氮氧化物×C4

(21)

式中，G二氧化硫、G氟化物、G氮氧化物分别为年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量，t·a-1；Q二氧化硫、Q氟化物、Q氮氧化物分别为单位面积实测年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量，kg·hm-2·a-1；A为生态系统面积，hm2；U二氧化硫、U氟化物、U氮氧化物分别为年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物价值，元·a-1；C2、C3、C4为治理二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量的费用元·t-1。

2.5 防风固沙功能价值

生态系统通过控制和固定流沙以达到改善沙漠化土地的功能。当风经过有植被覆盖的地表时，会受到来自植被的阻挡，使得风力削弱，风蚀量降低。为了探求生态系统对土壤风蚀的防治作用，将裸地的潜在土壤风蚀量与植被覆盖下的土壤风蚀量的差值定为防风固沙服务功能量。

G风沙=A(Y1-Y2)

(22)

U风沙=Qmax×C1×F

(23)

式中，G风沙表示防风固沙服务功能量；A为面积，hm2；Y1表示无林地条件下的潜在土壤风蚀量；Y2表示植被覆盖条件下的现实土壤风蚀量；U风沙表示年防风固沙的价值量，元·a-1；C1表示清理风沙的费用，元·t-1；F为修正系数。参考刘荣胜的研究，清理风沙费用为200元·t-1。

2.6 生态系统游憩功能价值

生态系统游憩采用单位面积法进行计算，数据主要来自林业统计年鉴与相关工程建设数据。此外，文化服务是生态文明建设的重要方面，集中体现在森林康养价值的核算，计算公式：

Ur=0.8Uk

(24)

式中，Ur为区域内年森林康养价值，元·a-1；Uk为各行政区林业旅游与休闲产业及森林康复疗养产业的价值，元·a-1。

3 评估结果

3.1 保育土壤功能

3.1.1 固土价值

张掖市乔木林土壤侵蚀模数为7.80hm2·a-1、灌木林土壤侵蚀模数0.52hm2·a-1、草地土壤侵蚀模数为4.16hm2·a-1，土壤容重分别为0.53、0.60、0.52t·m-3。根据《森林生态系统服务功能评估规范》，人工每挖100m3的土方I和Ⅱ土类需42个工时，平均80元/工时，挖取单位体积土方费用为33.6元·m-3。计算结果见表1。

表1 森林生态系统固土量和固土价值计算表

由表1可知，张掖市森林网络体系建设工程森林生态系统固土量估算结果为4670.93万t，固土价值为130786.0万元。

3.1.2 保肥价值

林分土壤平均氮含量为0.1775%、磷含量为0.0569%、钾含量为1.7204%、有机质含量为3.8204%。采用农业部《中国农业信息网》2014年秋季平均价格，氯化钾化肥、磷酸二铵化肥、有机质价格分别为2700元·t-1、2200元·t-1、600元·t-1。市场相应产品磷酸二铵化肥含氮量为14%、磷酸二铵化肥含磷量为15.01%、氯化钾化肥含钾量为50%。

表2 森林生态系统保肥量估算表

表3 森林生态系统保肥价值估算表

由表2、表3可知，张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系统保肥量及价值估算结果为保氮量8.87万t，价值3352.3万元；保磷量5.28万t，价值1743.2万元；保钾量61.01万t，价值18303.9万元；保有机质量300.54万t，价值23399.5万元。综合分析，固土保肥价值乔木林>灌木林>草地。

3.2 涵养水源功能与价值

通过计算获得到乔木林、灌木林、草地年平均降水量分别为202.32mm、319.2mm、191.47mm，其中，林地年均蒸散量分别为101.16mm、179.65mm，年均地表径流量分别为10.116mm、9.576mm；单价参考市场价1.1元·m-3，净化水的费用数据参考社会公共数据；利用《森林生态系统服务功能评估规范》，得到新增乔木林、灌木林、草地的涵养水源价值合计为10864.6万元。

表4 森林生态系统涵养水源功能价值

3.3 固碳释氧功能与价值

根据光合作用原理，植物在形成1t干物质的过程中，可以吸收1.63t的CO2，释放1.19t的O2。固碳价格、制造氧气价格采用森林生态系统服务功能评估社会公共数据(推荐使用价格)分别为1200元·t-1、1000元·t-1。利用《森林生态系统服务功能评估规范》评估模型，得到新增森林面积固碳和释氧功能价值分别为763988.3万元和872059.4万元。

表5 森林生态系统固碳释氧功能价值

3.4 大气调节功能与价值

经评估，张掖市森林网络体系建设工程创造森林生态系统净化环境功能总价值为22306.8万元，具体如下。

3.4.1 吸收二氧化硫价值

乔木林、草地年吸收二氧化硫量为88.65kg·hm-2，灌木林为215.6kg·hm-2；依据《森林生态系统服务功能评估规范》，二氧化硫治理费用为1.20元·kg-1，计算得出张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系统吸收二氧化硫量为1.20万t，价值为1444万元。

3.4.2 吸收氮氧化物价值

单位面积林分年吸收氮氧化物量采用向会娟等研究成果[13]，单位面积森林年吸收氮氧化物量为6.00kg·hm-2；依据《森林生态系统服务功能评估规范》，氮氧化物治理费用为0.63元·kg-1，计算得出张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系统吸收氮氧化物量为0.08万t，价值为51.3万元。

3.4.3 吸收氟化物价值

单位面积林分年吸收氟化物量采用韩素芸等研究成果[14]，乔木林4.65kg·hm-2，灌木2.757kg·hm-2，草地4.65kg·hm-2。依据《森林生态系统服务功能评估规范》，氟化物治理费用为0.69元·kg-1，计算得出张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系统吸收氟化物量为0.06万t，价值为43.6万元。

3.4.4 滞尘价值

单位面积林分年滞尘量采用《中国生物多样性国情研究报告》[15]，乔木林的年滞尘能力为10.2t·hm-2、灌木33.2t·hm-2、草地10.2t·hm-2。依据《森林生态系统服务功能评估规范》，降尘清理费用为0.15元·kg-1，计算得出张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系统滞尘量为138.46万t，价值为20767.9万元。

3.4.5 释放负离子

根据相关监测数据，张掖地区森林空气负氧离子浓度3371个·cm-3，森林空气负离子的寿命约为20min左右，削减粉尘的成本为170元·t-1。二氧化硫、氟化物、氮氧化物的治理及降尘清理费用分别为1.20元·kg-1、0.69元·kg-1、0.63元·kg-1。暂不考虑森林吸收重金属效益。张掖市森林网络体系建设工程区森林生态系实现释放负氧离子1.1398×1023个。利用《森林生态系统服务功能评估规范》评估模型，估算张掖市森林网络体系建设工程区新增森林面积净化大气环境功能价值为22306.6万元。

表6 森林净化大气环境功能物质量

3.5 防风固沙功能与价值

参考韩永伟等黑河下游重要生态功能区植被防风固沙功能及其价值初步评估，张掖地区乔木林固沙量为95.32t·hm-2，草地为51.82t·hm-2，灌木林为94.94t·hm-2，参考刘荣胜的研究，清理风沙费用为200元·t-1，综合分析，张掖市森林网络体系建设工程区实施以来防风固沙量为231743.0万元。

表7 森林净化大气环境功能价值

3.6 生态游憩功能与价值数据统计

工程实施以来，森林旅游游客量达到45亿人次，平均每年游客量15亿人次，年增长率15%，收入达750多万元。采取问卷调查的方式摸底调查，其中愿意对保护森林生态系统，保护野生动物，保护野生植物，保护地质地貌遗迹支付的分别占总支付意愿的39%、28%、20%、13%，前3项属于生物多样性组成部分，合计占总支付的87%。由此，其生态游憩经济价值=旅游总价值×87%，750.00万元×87%×3=1957.5万元。

表8 森林防风固沙功能价值

4 结论

森林生态效益从功能类型分析，固碳释氧>防风固沙>保育土壤>大气调节>涵养水源>森林游憩；从林分类型分析，乔木林>灌木林>草地。

森林网络体系建设工程实施以来，新产生生态效益价值达2080504.3万元，由此可见，张掖市实施森林网络体系建设工程成效显著，不仅满足了人们对生态服务的需求，而且显著促进了当地经济发展。

由于时间短、实测数据较少且不系统等局限性影响，本文仅对张掖市范围内森林网络体系建设工程中林分群落生态服务功能进行了初步分析评估，不能真实反映张掖市所有森林类型生态功能的全部价值。