黑龍江省森林生態效益評價指標的選取及研究方法

張麗,趙眉芳,趙書貴

(1.黑龍江省林業科學院,哈爾濱 150081;2.黑龍江省森工總局物資局)

1 黑龍江省森林的概況

黑龍江地處我國東北邊陲,位于E 121°11′～135°05′,N 43°25′～53°33′。東西跨近 14°,南北相距10°,北部和東部分別以黑龍江和烏蘇里江與俄羅斯為界,西靠內蒙古自治區,南接吉林省。全省幅員遼闊,總面積約45.4km2(不包括加松地區),約占全國總面積的4.73%。地形復雜,西北部有大興安嶺山地,北部有小興安嶺,東南部有張廣才嶺、老爺嶺和完達山等山脈。西北有嫩江,松花江東西斜貫全省,丘陵山地海拔在300～1700m左右,約占全省總面積的70%,平原海拔在50～250m,構成全省西北部、北部和東南部高,東北部、西南部低的地勢。黑龍江現轄13個地市,其中12個省轄市,一個行政公署,66個縣(市),1211個鄉(鎮)。

黑龍江現有森林3175萬hm2,活立木總蓄積16.5億m3,森林面積和活立木蓄積量均居全國首位。森林覆蓋率高,覆蓋范圍大,在我國森林生態系統中所占比重較大。

1.1 森林生長的地貌狀況

黑龍江的地形大體輪廓猶如一個盆地:盆地中部是面積廣大的松嫩平原,平原的西、北、東三面被大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺和老爺嶺山地圍繞著。山地的內側是松花江水系,外側是黑龍江水系和烏蘇里江水系,在三江匯合處是著名的三江低地。黑龍江山地占總面積的 70%,林區的地貌特點以山地為主,有山脈、丘陵、平原等等。

1.2 森林生長的氣候條件

黑龍江位于中溫帶和寒溫帶,氣候深受極地冷氣團和副熱帶太平洋氣團的影響,具有顯著的大陸性季風氣候特征。黑龍江氣候的第一個特征是寒冷,冬季漫長、干燥,各地月平均氣溫0℃在5個月左右,大興安嶺部分山區達7個月左右。冬季在內陸季風的控制下普遍降雪,東、北部較西、南部多,但降水量只占全年總降水量的1%～3%,積雪最深處可達20～50cm。多風的春季也是黑龍江的氣候特征之一,春季受俄羅斯內貝加爾湖低氣壓系統的影響,再加上猛烈的西北氣流的侵入,形成大風天氣,間有沙塵暴天氣。

夏季是多雨的季節,總體說來黑龍江的降水量較我國西部和西北部各省豐富。降水量與離海的遠近及地形的迎風和背風關系密切,總的趨勢是從東南向西北遞減,東南部在張廣才嶺的迎風坡年降水量可達1000cm以上,而背風坡不過350cm,全省的年平均降水量在500～600cm左右,為樹木的生長提供了良好的水分保證。全省無霜期80～150d,大興安嶺及小興安嶺山頂部為80～110d,半山區為90～120d,平原區為120～140d,其他地區為140d以上。全省日照時數為2400～2900h。大興安嶺日照區為2400～2600h,南部地區日照多,達2700h以上;平原地區為2500～2600h。

林木生長的起點空氣溫度為0℃,平原地區多0℃的日數為200d以上,＞0℃積溫為3000℃以上,大小興安嶺、張廣才嶺＞0℃日數為150～180d,積溫為1800～2500℃。從總體來看,氣候條件是有利于林木及其他植物的生長的,這種氣候也是造就了黑龍江豐富的森林資源條件之一。

1.3 森林生長的水文條件

黑龍江干流流經東北邊境,它的最大支流松花江橫貫中部經濟發達地區,而松花江的最大支流嫩江則橫貫西部平原,再加上它們眾多的大大小小支流,形成了黑龍江稠密的水網。黑龍江作為中國和俄羅斯界河的上中游長1900km,河身自上而下逐漸變寬,在松花江等強大支流匯入后水量激增。這一水源是黑龍江發展林業經濟和國民經濟極為有利的自然資源。松花江有南北兩源,南為發源于長白山的第二松花江,北為發源于伊勒呼里山的嫩江,兩者相向而流,匯合于三岔河后始稱松花江,面積達52多萬km2,大部分在黑龍江,其所有支流都源于長白山和大小興安嶺,雨季降水多,流量大,水量豐富。嫩江是發源于大小興安嶺內側的30多條河流匯合而成,組成一個典型的羽狀水系,沼澤分布多。烏蘇里江作為中俄界河處在完達山和俄羅斯之間,水量豐富。

中俄邊境上的興凱湖面積4380 km2,是遠東最大的淡水湖之一,小部分屬于俄國。在地質上屬于構造湖,河床很淺,構成大片河岸淺灘區,水量和蓄積量很大,也為黑龍江省提供了豐富的水資源。

總之,黑龍江的自然條件對于植物特別是森林的生長比我國北部、西部和西北部是有利的。歷史也證明,如果不是人為的影響,黑龍江的森林資源應該是相當豐富的。

1.4 森林的分布狀況

黑龍江的森林分布比較均勻,遍布黑龍江的全境,主要分布在以下七大區域:(1)大興安嶺林區;(2)小興安嶺林區;(3)三姓林區;(4)中東鐵路東部林區;(5)中東鐵路西部林區;(6)拉林河林區;(7)牡丹江林區。

2 生態效益評價指標的選取

森林的生態效益主要體現在以下幾個方面:

一是森林在維護生態平衡和國土安全中處于其它任何生態系統都無可替代的主體地位。生態安全是國土安全的前提。

二是森林能提高大氣質量。(1)能有效地減緩溫室效應。陸地生態系統碳貯量約5600～8300t,其中90%的碳自然貯存于森林中,森林每生長1m3可固化350kg二氧化碳。(2)是主要的氧源。森林在其光合作用中能釋放出大量的氧氣。1hm2的闊葉林,1天消耗1t二氧化碳釋放0.37 t氧,可供約1000人呼吸。(3)可減少氧層的耗損。森林可以有效的吸收破壞臭氧層的二氧化氮,每公頃森林每年吸收二氧化氮0.3萬t。(4)可凈化空氣。每公頃森林可吸收二氧化硫748t,一氧化氮0.38t,一氧化碳2.2t。森林通過降低風速、吸附飄塵,減少了細菌的載體,從而使大氣中細菌數量減少。許多樹木的分泌物可以殺死細菌、真菌和原生物。(5)有調節溫度的功能。森林有繁茂的樹冠,可以阻擋太陽輻射能,林內晝夜和冬夏溫差小,可減輕霜凍的危害。

三是森林能有效保護生物多樣性。森林與物種多樣性、生態系統多樣性、遺傳多樣性息息相關,地球上有一半以上的生物在森林中棲息繁衍。

四是森林可防止水土流失。森林土壤對降水有極強的吸收和滲透作用,森林土壤的穩滲速率一般在200mm/h,比世界上最大的降雨60mm/h還要大得多。森林的枯枝落葉層不僅可以吸收2～5mm的降水,還可以保護土壤免遭雨滴的沖擊。

五是森林能有效遏止沙漠化。林網超過10%,沙地植被蓋度超過0.3,沙暴的危害就會減少到最小限度。

六是森林可防止地力衰退。森林的根系能固持土壤,涵養水源,保持水土,吸收利用鹽分;枯枝落葉可增加有機質、腐殖質,能有效地改善土壤結構,提高土壤肥力。

七是森林能緩解水資源危機。森林是“綠色水庫”,森林及其土壤像“海綿”一樣可吸收大量的降水,并阻止和減輕洪水災害。森林可以促進水分循環和影響大氣環流,增加降水,起“空中水庫”的作用。據測算,森林蒸騰的水汽58%又降到陸地上,可增加陸地降水量21.6mm,占陸地年平均降水量2.9%。

八是森林能消除噪聲污染。據測定,100m的防護林帶可降低汽車噪聲30%,摩托車噪聲25%,電聲噪聲23%。

以上是森林生態效益的主要體現,具體又可以細分成若干項,體現在計量方面則是派生出相應的指標項。由于本想研究時間跨度(1896～1986年)和空間跨度(整個黑龍江省)都比較大,綜合考慮了時間的、地域的和歷史的各種因素,篩選出以下12項指標項參與本項系統的開發,在系統運用中,將根據用戶的需求對某項、某些項或者全部指標項進行運算。下文將介紹個指標項的含義及計算方法。

2.1 森林生態效益各指標項的計算方法

2.1.1 森林生物多樣性效益研究方法

生物資源及物種的儲存與保護效益(V1)的評價采用以下公式進行計算:

式中:Z—— 植物允收量(元/hm2)

F ——動物增殖量(元/hm2)

A——有林地面積(hm2)

遺傳信息的儲存與保護及優良品種的選育與開發效益(V2)評價采用各林業局應用新品種增加效益統計的方法。

預防和減少自然災害損失的效益(V3),采用占國民年總產值比例的方法進行評價,森林減免自然災害損失價值為國民年總產值的10%～20%,計算公式為:

式中:G——黑龍江省國內生產總值(元/a)

Ap——黑龍江省森林有林地比例(%)

此外,生物多樣性還在有害生物防治、抵御外來物種入侵等方面發揮著巨大的效益,但是其價值的計量仍是個世界性的難題,因此在本項目中不予以計算。本項目中所計算的黑龍江省林區生物多樣性效益(U1)為生物資源保護效益(V1)、遺傳信息的儲存與保護及優良品種的選育與開發效益(V2)和減免自然災害損失(V3)效益的總合,即:

2.1.2 森林水源涵養效益研究方法

本次評價采用截留計算法開展評估工作,蓄水量的計算公式表述如下:

式中:W ——年森林蓄水總量(t);Ri——第 i種類型林分單位面積林冠層年截留降雨量(t/hm2);Ki——第 i種類型林分單位面積枯落物層年持水量(t/hm2);Si——第i種類型林分單位面積土壤層年最大蓄水量(t/hm2);Ai——第i種類型林分面積(hm2);i——黑龍江主要林分類型

林冠層截留降雨量計算公式為:

式中:Ri——第i種類型林分單位面積林冠層年截留降雨量(t/hm2);R——大氣降雨量(mm);Rij——第i種類型林分林冠層年降雨截留率(%)

枯落物層持水量計算公式為:

式中:Ki——第i種類型林分單位面積枯落物層年持水量(t/hm2);Kiz——第i種類型林分單位面積枯落物層貯量(t/hm2);Kic——第i種類型林分枯落物持水率(%)。

土壤層的蓄水量以土壤層的最大蓄水量為準,計算方法如下:

式中:Ki——第i種林分類型土壤總孔隙度(%)Li——第i種林分類型土層深度(m)

蓄水效益(V4)的貨幣化采用影子工程法,以水庫工程的蓄水成本來確定。因為森林涵養水源與水庫蓄水的本質類似,其蓄水價值應根據蓄積1 t水的建水庫花費為標準,其計算公式為:

式中:K1——水庫單位庫容造價(元/m3)

研究表明,林區攔蓄的降水除60%用于樹木蒸騰和生長以外,其余為地下徑流,這部分水量依次通過具有強大的截留過濾作用的林冠層、枯落物層和土壤層進入地下徑流,水中的污染物被層層攔截、凈化,能有效地防止水資源的物理、化學和生物的污染,使得輸出的水質顯著改善。以森林蓄水量的40%計算森林凈化水質的效益(V5),采用替代法計算進行效益的貨幣化用,以全國城市居民用水平均價格為參數進行計算。

式中:K2——居民用水平均價格(元/m3)

水源涵養效益(U2)為蓄水效益(V4)與凈化水質效益(V5)之和,即:

2.1.3 森林保育土壤效益研究方法

本次評價中森林保土能力采用減少淤積泥沙的方法進行計算,根據蓄水成本來計算森林保土功能的經濟效益(V6)。

式中:V6——森林年保土效益(元/a);X1——有林地平均土壤侵蝕模數(t/hm2);X2——無林地平均土壤侵蝕模數(t/hm2);A——有林地面積(hm2);ρ——泥沙的平均密度(g/cm3);C——水庫單位庫容造價(元/m3)。由于森林具有水土保持作用,使林地的土壤侵蝕大大降低,因而土壤中的 N、P、K、Ca、Mg等元素和其它有機物也得以保留,所減少的營養物質損失量等于減少的土壤侵蝕量乘以土壤中各營養物質的含量。因此,森林保肥效益(V7)可以通過計算因林地存在而減少的土壤侵蝕量中的N、P、K養分及有機質的價值來體現,計算公式為:

式中:V7——森林年保肥價值(元/a);X1——有林地平均土壤侵蝕模數(t/hm2);X2——無林地平均土壤侵蝕模數(t/hm2);A——有林地面積(hm2);N ——土壤平均含N量(%);P ——土壤平均含P量(%);K—— 土壤平均含K量(%);M——土壤有機質平均質量分數(%);R1——磷酸二銨含 N量(%);R2—— 磷酸二銨含 P量(%);R3—— 氯化鉀含K量(%);C1——磷酸二銨平均價格(元/t);C2——氯化鉀平均價格(元/t);C3——有機質平均價格(元/t)。

黑龍江林區森林保育土壤的總效益(U3)為保土、保肥兩部分效益之和,即:

2.1.4 森林增加農業產量效益研究方法

黑龍江森林作為三北防護林的重要組成部分和黑龍江省農業的天然生態屏障,本身就是一個最大的農田防護林,其所產生的綜合生態效益(改善氣候、涵養水源、水土保持等)均對黑龍江省農業的穩產、增產產生了決定性的作用。由此可見,森林對農業的增產效應是一個綜合性的效應,不能單從某一方面進行研究。而小范圍的農田防護林與大尺度的研究森林對農業的增產效益原理一樣,對農業的影響也是綜合的,因此這里以農田防護林對農業產生的增產效益為標準來研究黑龍江林區森林對農業的整體增產效益(U4)。

黑龍江森林促進農業增產的總體效益計算公式為:

式中:U4—— 森林促進農業增產的總效益(元);Ai——第i種農作物年總產量(t);Pi——森林存在使第i種農作物增產的百分比(%);Ti——第 i種農作物價格(元/t);i——農作物種類

2.1.5 森林抑制風沙效益研究方法

本次對森林抑制風沙效益(U5)的研究采用一種空間替代的方式,把有林地看做是農田,由于其特殊地理位置,極易發生風蝕,以每年發生風蝕帶來的損失,對森林的抑制風沙效益進行估算,并以沙土運輸價格進行貨幣化計算。

森林抑制風沙效益計算公式為:

式中:U5——森林抑制風沙效益(元/a);Y ——農田的年風蝕量(t/hm2);Ay——有林地面積(hm2);T——運輸沙土單價(元/t)。

通過土壤養分含量、化肥價格等指標結合公式2-11計算,可以進一步計算得出因風蝕流失土壤肥力價值及各種養分損失價值,亦即森林減少因風沙引起的土壤肥力損失效益。

2.1.6 森林凈化大氣效益研究方法

(1)釋放氧氣效益研究方法

森林年釋放O2量根據光合作用和呼吸作用方程計算,森林每生產1g干物質需要釋放O2約1.20g。在計算出森林每年的生長量后,根據森林生產1g干物質所需要的CO2量和釋放的O2的量來計算森林年固定CO2總量和年釋放O2總量。

森林與大氣的物質交換,主要是CO2和O2的交換,確切地說,是固定并減少大氣中的CO2和提供并增加大氣中的O2,這對維持地球大氣中CO2和O2的動態平衡,減少溫室效應及提供人類生存基礎,有巨大而不可替代的作用,從而產生很大的經濟價值。根據光合作用原理,林木光合作用時,利用28.30KJ的太陽能,吸收264g CO2和108g H2O產生 180g葡萄糖和192g O2,然后再將180g葡萄糖轉變為162g多糖(纖維素或淀粉或干物質),即:

森林生態系統中,綠色植物每年吸收大量CO2,并釋放大量O2,這是森林凈化大氣和維持大氣平衡所起到的一個非常重要的作用。對森林排放O2經濟效益計量(V8)評價依據氧氣工業生產費用及出廠價格計算。

計算公式(梁延海等,2004):

式中:V8——森林制氧效益價值(元/a);M ——現有森林的年生長量(m3/a);d——木材絕干比重;p——工業制氧的價格(元/m3);C——以干重計,根枝年生長量占木材生長量的百分比(%);K1——每生產1t干物質排放的氧氣量(m3)。

(2)吸收二氧化碳效益研究方法

綠色植物光合作用過程實質上是固定CO2、生產有機物質并釋放O2的過程。一個森林群落通過光合作用能固定多少CO2,實測難度很大。目前一般采用兩種方法:一是分析木材純C含量,然后再用林分凈增長的生物量,分析出林分固定的純C量,再推算出森林光合作用固定CO2量;另一種方法,根據植物光合作用反應方程式:

推算出每制造成1t干物質要固定1.63 t CO2。本研究采用第二種方法,計算固定CO2效益價值(V9)的方法使用碳稅率法,即市場價值法。高碳稅率限制CO2等溫室氣體的排放,使用美國碳稅率20美元/t(即人民幣166元/t)計算。

式中:V9——森林吸收CO2效益價值(元/a);K2——每生產1t干物質固定的 CO2量(m3);T——碳稅率(元/t)。

(3)滯塵效益研究方法

森林能降低大氣中的粉塵量,一方面由于森林能降低風速,在林緣處隨著風速的降低,空氣中攜帶的大粒粉塵降落;另一方面由于林冠的作用,能從上方吸附飄塵。森林中樹木枝葉表面粗糙不平,多絨毛,能分泌粘性油脂和汁液等,所以能吸附、粘著一部分粉塵,降低大氣中的含塵量。

對森林滯塵價值進行評估時,將森林分為兩大類即:針葉林和闊葉林,根據單位面積針、闊葉林滯塵能力,針、闊葉林面積以及削減粉塵成本綜合計算森林滯塵效益(V10),計算公式為:

式中:V10——森林滯塵效益(元/a);Ai——第 i種類型林分面積(hm2);Ci——第i種類型林分單位面積滯塵能力(t/hm2·a);r1——削減粉塵成本(元/kg);i——林分類型。

(4)吸收有毒氣體效益研究方法

大氣中的有毒氣體,對人體的健康危害極大。多樹種具有一定的吸收有毒氣體的能力,從而可發揮凈化空氣、改善環境的作用。樹木的這種作用是通過兩種途徑實現的:一方面樹木通過葉片吸收大氣中的有毒物質,降低大氣中毒物的濃度;另一方面樹木能使某些毒物在體內分解,轉化為無毒物質后代謝利用。環境科學研究顯示,大氣中主要存在SO2、Cl2、HF、NOX等有毒有害氣體,這些污染物直接或間接對人體健康及其生存的環境產生影響。森林可以依靠生態系統的特殊結構和功能,通過吸收、過濾、阻隔、分解等生理生化過程將人類向環境排放的部分廢棄物利用或作用后使之得到降解和凈化,成為生態系統的一部分,從而達到凈化環境的目的。

吸收有害氣體價值的評估計量可根據森林吸收有害氣體總量乘以消減有害氣體的成本來評估,即:

總價值=單位面積森林吸收有害氣體量×林區面積×消減有害氣體的成本

由于森林吸收其它有害氣體的計量缺少資料,這里僅計算森林生態系統對SO2的凈化作用(V11)。計算公式為:

式中:V11——吸收有害氣體(SO2)效益(元/a);Li——第i種類型林分單位面積吸收SO2的能力(t/hm2·a);r2——消減SO2成本(元/kg)。

(5)殺菌效益研究方法

許多樹木和植物都能分泌出殺菌素并有很好的殺菌作用。森林可在一定程度上有效地減輕工業、交通、施工及社會生活噪聲等無形的環境污染。植物的葉、花、果、皮普遍能產生植物殺菌素和臭氧等物質以抑制病菌在空氣中的擴散或殺死某些病菌,如樺樹、柏樹、桉樹等的葉片或花、果揮發的殺菌素就能殺死白喉、肺結核等病原菌,因而森林中的病菌含量比鬧市的百貨大樓、城市林蔭道和公園內低。由于森林植物的殺菌作用對人的健康有很大益處,所以世界上有許多國家都在發展森林浴,如德國的森林浴療法之一就是讓患者住在森林中呼吸新鮮潔凈的空氣;日本在溫泉場四周建立林蔭道,邊散步,邊呼吸森林空氣;前蘇聯的基輔城,還研究如何創造櫟樹環境,利用櫟樹分泌的植物殺菌素治療循環系統疾病。

森林植物的器官特別是葉、花、根能分泌一些揮發性物質,如萜烯類有機酸、醚、醛、酮等,這些物質能殺死原生動物細菌和真菌。

森林殺菌效益(V12)計算以單位面積森林分泌的殺菌素量結合殺菌素價格計算,公式為:

式中:V12——森林殺菌效益(元/a);J——森林1晝夜分泌殺菌素量(t/hm2);r3——殺菌素價格(元/t)。

森林凈化大氣效益(U6)為以上5項效益之和,即:

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