天山灌木林生態系統服務功能評估

宋成程 常順利 張毓濤 謝錦 王慧杰 孫雪嬌

摘要依據《森林生態系統服務功能評估規范》（LY/T 1721—2008）確定的評估標準及社會公共數據，以2011年新疆森林資源一類清查數據為基礎，對新疆天山山區天然灌木林生態系統的涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質和生物多樣性保護5項服務功能11個指標，分別進行了實物量、價值量的監測與核算。結果表明：天山天然灌木林年均涵養水量為7.82 億m3/a，年保育土壤的總量為27187億t/a，年固碳釋氧的總量為13.94億t/a，年積累營養物質的總量為21.93萬t/a。天山灌木林年涵養水源功能的總價值為87.05 億元/a，其中保育土壤功能的總價值量為18.10億元/a，固碳釋氧的總價值量為27.50億元/a，積累營養物質的價值量為2 810 萬元/a，物種資源保護價值為37.84億元/a，天山天然灌木林生態系統服務功能的總價值約為170.79億元/a。

關鍵詞生態系統功能；生態系統服務；生態效益；灌木林；天山

中圖分類號S718.55文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0070-05

Ecosystem Services Assessment for Tianshan Shrubs

SONG Chengcheng1， CHANG Shunli1*， ZHANG Yutao2 et al

（1.Key Laboratory of Oasis Ecology， College of Resource and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046；2.Institute of Forest Ecology， Xinjiang Academy of Forestry， Urumqi， Xinjiang 830063）

AbstractBased on the Forest Ecosystem Services Assessment Standards （LY/T1721-2008） and social public data and the inventory data of forest resources of Xinjiang in 2011，the monitoring and accounting of the ecological system of natural shrub forest in Xinjiang Tianshan Mountains， the conservation of water resources， conservation soil， carbon sequestration， accumulation of nutrients and biological diversity protection were carried out.The results showed that the average annual water conservation of natural shrub forest in Tianshan Mountain was 782 million m3/a， the total amount of soil conservation was 27187 billion t/a， the total amount of carbon fixation and oxygen release was 1394 billion t/a， and the total amount of nutrients accumulated in the year was 0.219 3 million t/a.The value of water conservation function was 8.705 billion yuan/a， the total value of conservation soil function was 1.810 billion yuan/a， the total value of the amount of carbon fixation and oxygen release was 2.750 billion yuan；

accumulation value of nutrients was 28.10 million yuan/a；species resource protection value was 3.784 billion yuan/a， the total value of the natural shrub forest ecosystem services was about 17.079 billion yuan/a.

Key wordsEcosystem function；Ecosystem service；Ecological benefit；Shrubs；Tianshan Mountain

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]。由于長期以來人類在經濟活動決策過程中對生態系統服務價值的忽略，導致自然資源的過度消耗和生態系統的破壞[2-4]。自1997年Costanza等[5]對全球生態系統服務價值進行定量評價以來，生態系統服務功能價值逐漸被人們認識并被日益關注。1941年美國學者Assesement等[6]采用費用支出法對森林生態系統的生態效益評估進行了核算； 1992年Mitchell等[7]對全球北部森林進行了較為系統的生態價值評估。國內對森林生態系統服務功能開展評估工作較晚[8-11]，且在評估的指標體系和方法上缺乏統一，在不同區域、不同類型生態系統進行比較分析方面存在很大缺憾。國家林業局于2008 年頒布了林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》（LY·T 1721—2008），制定了全國全行業統一的評估體系和評估方法，設定了森林各項服務功能的物質量、價值量的評估公式與參數設置，目前該標準已得到廣泛應用[12]。

灌木林是天山森林生態系統的重要組成部分，蘊藏著豐富的物種，在涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、保護生物多樣性等方面，對新疆脆弱的生態系統發揮著極為重要的作用[13-15]。然而，長期以來對于面積巨大、功能突出的天山山區灌木林生態作用的認識既不充分，對天山灌木林生態系統服務功能的評估確有現實需要。筆者依據行業標準確定的評估方法，在實測數據基礎上，對天山灌木生態系統的各項功能和服務價值進行了全面的監測、核算和評估，以期為更加準確、客觀地認識天山山區灌木林的功能提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

天山是橫亙在歐亞大陸腹地的一條巨大山脈，在我國新疆境內連綿1 760 km，東起哈密地區的巴爾庫—哈爾雷克山，西止中—哈邊界線的哈爾雷克套山。根據天山植被長勢、地形地貌、氣候等條件的不同，把天山分為西天山、中天山和東天山3個部分[16]。

天山西段以昭蘇林場為調查采樣區，主要依托昭蘇縣阿克蘇鄉（80°10′～ 80°30′ E，43°15′～42°38′ N，）開展工作，該地屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫5～7 ℃，1月平均氣溫-10 ℃，7月平均氣溫22.6 ℃[13]；年平均降水量為600～800 mm，全年60%的降水量集中在 5—8月，年平均蒸發量1 100～1 200 mm，年平均相對濕度70%以上，無霜期120 d[17]。

天山中段以烏魯木齊縣板房溝林場為調查采樣區，主要依托中國森林生態系統研究網絡（CFERN）天山森林生態系統定位站研究站（87°07′～87°28′E，43°14′～43°26′N）開展工作，該地屬溫帶大陸性氣候，年總輻射量達5.85×105 J/（cm2·a），年均氣溫2～3 ℃，歷年最高溫為30.5 ℃，最低溫為-30.2 ℃；年降水量400～600 mm，最大積雪深度為65 cm[18]。

天山東段以哈密林場為調查采樣區，主要依托巴里坤縣白石頭景區（93°37′～93°41′ E，43°9′～43°13′ N）開展工作，該地屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，夏季炎熱、冬季寒冷、四季分明、干燥少雨，年平均氣溫為4.7 ℃，1月極端最低氣溫-42.6 ℃，7月極端最高氣溫43 ℃；年平均降水量為176 mm，蒸發量2 141 mm，無霜期平均156 d，年日照時數2 280～3 230 h。

根據2007年新疆二類森林資源清查、2011年新疆一類森林資源清查、新疆三北防護林工程建設30年總結及實際野外樣地調查，選取7種天山山區常見灌木：小檗（Berberis thunbergii DC）、忍冬（Lonicera japonica Thunb）、薔薇（Rosa）、栒子（Cotoneaster）、繡線菊（Spiraea salicifolia L.）、方枝柏（Sabina saltuaria）、錦雞兒（Caragana sinica Rehd.）。

據2011年新疆森林資源一類清查數據，天山山區天然灌木林的總面積為766 787.58 hm2。7個灌木樹種的林地面積信息見表1。

安徽農業科學2017年

1.2功能數據收集及計算方法

為監測天山灌木林固碳釋氧、保育土壤、積累營養物質、生物多樣性、涵養水源5項生態服務功能價值，根據《森林生態系統服務功能評估規范》的評價方法，對7種灌木按照蓋度分為疏、中、密3個類型，設置固定或臨時樣方，按照需要進行野外監測和數據收集。

1.2.1涵養水源。

評價涵養水源功能所需的地表徑流、土壤蒸發及降雨量數據由新疆林業科學院野外定位觀測站長年連續觀測資料獲得。2014年水庫建設單位庫容投資造價為8.71元/t，挖取和運輸單位體積土方所需費用為20.09元/m3，水的凈化費為2.72元/t。

1.2.2保育土壤。

在上述樣地中采用“S”型布點法設置3個采樣點，使用土壤環刀采集土壤容重樣品，使用土鉆采集土壤化學性質樣品。按0～10、10～20、20～40、40～60 cm采集土樣，測定土壤容重、土壤毛管孔隙度、土壤氮含量、土壤磷含量、土壤鉀含量、土壤有機質含量。為了分析新疆森林保育土壤功能，項目組在上述研究區采集測定了63份土壤樣品，每份土樣每個指標均做3次重復試驗。

公共數據是由化肥價格推算出，根據市場常用化肥磷酸二銨、氯化鉀的產品說明書可知，磷酸二銨含氮量14.00%，含磷量15.01%，氯化鉀含鉀量50.00%。2014年的磷酸二銨化肥、氯化鉀化肥和有機化肥價格分別為 3 117.85、2 858.03、415.71元/t。

1.2.3固碳釋氧。

選定63株典型天山天然灌木解析木，調查草本樣方共計99個。灌木生物量測定：在天山西部、中部、東部林區淺山帶選擇錦雞兒、栒子、小檗、繡線菊、薔薇、方枝柏和忍冬的典型分布區進行每木檢尺。同時選擇標準木，依據《新疆林業生態服務功能監測與評估技術手冊》中的方法，采用收獲法分別測定樹干、樹葉、樹枝和根系生物量。根據灌木年齡，得到不同地區不同種類灌木的凈生產力（表2）。

草本生物量測定：根據《新疆林業生態服務功能監測與評估技術手冊》中的方法，調查記錄樣方內樹種組成、出現頻率、各樹種的高度、株數等。將每個小樣方中所有的草本連根挖出，用水沖去泥土后風干稱鮮重，隨機抽取部分樣品帶回實驗室測定生物量；土壤固碳測定：分別在上述樣地內布設3個土壤采集點，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm分層，每個采集點采集4份土樣，帶回室內按“土壤有機碳分析樣品采集”方法對樣品進行處理后，于-4 ℃保存，在實驗室內測定土壤有機碳含量。公共數據采用2014年工業制氧平均價格1 299.10元/t。

1.2.4積累營養物質。按照GB 7888—87對63株灌木的葉片、枝條、根系進行全氮、全磷、全鉀的消煮測定。氮、磷、鉀的價值參照2014年磷酸二銨化肥、氯化鉀化肥價格。

1.2.5生物多樣性保護。

灌木生態系統為生物樹種提供生存與繁衍的場所，從而對其起到保育作用的功能。林下灌木層生物多樣性監測：在天山西部、中部和東部灌木林區隨機設置典型的灌木林10 m×10 m標準樣地，調查每個樣地內的灌木樹種組成、數量、高度、冠幅等指標。采用全株采伐的方法求算灌木生物量。對于草本層生物多樣性監測：在研究區建立20 m×20 m標準樣地，在每個樣地內按照對角線的方法每隔10 m布設1個1 m×1 m的樣方，調查草本組成、數量、高度等指標。選取典型草本樣方，用完全收割法求出草本生物量。最后根據香農多樣性指數，求出灌木生態系統的物種多樣性保護功能。

1.3計算方法

依據《森林生態系統服務功能評估規范》（LY·T 1721—2008）確定的評估模型及社會公共數據，對新疆天山自然保護區森林生態系統的涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、生物多樣性保護等服務功能開展了實物量與價值量評估（表3）。

2結果與分析

2.1生態系統服務功能實物量

2.1.1生態效益實物量總量。

根據《森林生態系統服務功能評估規范》計算得到天山天然灌木林年均涵養水量為7.82億m3/a；年保育土壤的總量為272萬t/a；年固碳釋氧的總量為320萬t/a；年積累營養物質總量為21.90萬t/a。

2.1.2西、中、東3段天山的空間分異特征。

由于地理、氣候等條件的不同，使得西、中、東3段天山天然灌木林帶來生態效益的實物量也不同。3段天山天然灌木林涵養水源、固碳釋氧、保育土壤及積累營養物質服務功能實物量見表4。

2.2生態系統服務功能價值量

2.2.1生態效益。

天山灌木生態系統服務功能的總價值約為170.79億元/a。其中天山灌木林年涵養水源功能的價值為8710億元/a，其中包括年調節水量價值和年凈化水質價值，分別為66.40和20.07億元/a ；保育土壤功能的總價值量為1810億元/a，其中年固土價值為4 640 萬元/a，年保肥價值為17.70億元/a；固碳釋氧的總價值量為27.50億元/a，其中固碳功能價值為7.10億元/a，釋氧功能價值為20.60億元/a；積累營養物質的價值量為2 810萬元/a，年積累氮營養元素價值為2 050萬元/a，年積累磷營養元素的價值為105萬元/a，年積累鉀營養元素的價值為655萬元/a；物種資源保護價值為37.84億元/a。

2.2.2空間分異特征。

根據《森林生態系統服務功能評估規范》（LY·T 1721—2008）中計算生態服務功能價值量公式計算，得到天山不同地區灌木生態系統服務功能價值量（表5）。

2.3灌木林功能評價

2.3.1涵養水源。

天山西部的天然灌木林年涵養水源功能價值為28.74億元/a，占總涵養水源功能價值的33.01%，中部為41.23億元/a，占總涵養水源功能價值的47.37%；東部為17.08億元/a，占涵養水源總功能價值的19.62%（表5）。

從單位面積涵養水源實物量及價值量的變化趨勢可以明顯看出，天山灌木單位面積涵養水源的實物量從天山西部到東部呈逐漸降低趨勢。而單位面積涵養水源的價值量則呈現天山中部地區大，而東、西兩地小的特點，且東部單位面積涵養水源的價值量還要小于西部。

2.3.2保育土壤。

保育土壤功能又分為固土功能和保肥功能2部分，天山天然灌木林的固土能力占保育土壤能力的83.49%，是天山灌木林生態系統保育土壤功能的主要部分。灌木的保肥能力又分為保氮能力、保磷能力、保鉀能力和保持有機碳的能力，結果見表6。由表6可知，天山西部、中部、東部灌木林的保肥能力從大到小依次為鉀、有機碳、氮、磷，且不同地區灌木林的保育土壤能力從大到小依次為天山中部、西部、東部。

對于保育土壤功能，天山西部的天然灌木林年保育土壤功能價值為5.25億元/a，占保育土壤功能總價值的28.98%；中部為8.89元/a，占保育土壤功能總價值的49.03%；東部為398億元/a，占保育土壤功能總價值的21.99%（表5）。

2.3.3固碳釋氧。由固碳釋氧功能的計算結果可知，天山灌木林單位面積釋放氧氣的實物量從天山西部到天山東部呈逐漸降低的趨勢。單位面積土壤固碳量正好相反，從天山西部到東部呈現逐漸增加的趨勢。但不論是降低還是增加，都是從天山西部到中部的變化率最大；天山灌木單位面積釋放氧氣的價值量從天山西部到東部逐漸降低；單位面積土壤固碳的價值量從西部到東部呈先降低后增加的趨勢。

對于固碳釋氧功能，植被年固碳量為0.85萬t/a，價值為0.71億元t/a；土壤年固碳量為13.09萬t/a，價值為10.99億元t/a，這說明土壤固碳量遠大于植被固碳量；在釋氧功能方面，天山灌木生態系統年釋氧量為2.25萬t/a，價值為206億元/a。天山天山西部的天然灌木林固碳釋氧功能價值為4.86億元/a，占灌木林固碳釋氧功能總價值的3532%；中部為6.27億元/a，占灌木林固碳釋氧功能總價值的45.57%；東部為4.86億元/a，占灌木林固碳釋氧功能總價值的19.11%。

2.3.4積累營養物質。從天山西部到東部，灌木中氮、鉀元素的含量逐漸降低，而磷元素是呈現先降低后增加的趨勢。單位面積灌木林積累營養元素功能的價值量從西到東逐漸降低，氮元素的價值量降低速率要大于磷和鉀價值量的降低速率。

對于積累營養物質功能，天山天然灌木林植被氮增加量為9.18萬t/a，磷增加量為0.13萬t/a，鉀增加量為12.63萬t/a，分別占天山天然灌木林積累營養元素實物量的4184%、0.59%和57.57%，可見，天山天然灌木林對磷的積累量很少，對氮、鉀元素的積累量較大。天山灌木林年積累氮、磷、鉀的價值分別占積累營養元素總價值的72.01%、382%和23.28%。天山灌木林系統積累營養物質功能從大到小依次為天山西部、中部、東部。

2.3.5保護生物多樣性。

天山西部灌木林的物種資源保護價值為11.08億元/a，中部為18.83億元/a，東部為8.43億元/a，分別占總價值的29.28%、49.76%和22.28%。根據3段天山灌木的生物多樣性保護功能，計算出天山西、中、東部的灌木林Shannon Wiener指數分別為1.62、1.73、132（表7）。

2.3.6生態服務。

在天山灌木林生態系統的各項服務功能中，涵養水源功能價值所占比重最大，比總價值的50%以上，其次是生物多樣性、固碳釋氧和保育土壤，分別占總價值的22%、16%和11%。積累營養物質功能價值所占比重最少，幾乎可以忽略不計。這也從一方面證明了灌木林對降水的截留、吸收和貯存作用明顯，對雨水的蓄積作用削弱了降雨的侵蝕力，同時延長了徑流的形成時間，減少了地表徑流量、削減了洪峰流量、增加了枯水期流量，水源涵養作用明顯[18-22]。

在對天山灌木生態系統的固碳釋氧功能進行測算的過程中筆者發現，土壤年固碳量是植被年固氮量的15.4倍。由此可知，土壤中的有機碳庫與無機碳庫都是陸地生態系統重要的碳庫，對于溫室效應與全球氣候變化同樣有著重要的控制作用[22]。這為解決氣候變化問題提供了新的思路，增加了解決問題的途徑。由于天山西部的水熱氣候條件要好于天山中部、東部，理論上來說應該是西部天山灌木生態系統的各項生態服務功能要優于中部和東部，然而事實卻不是這樣，甚至在某些生態功能上帶來的實物量、價值量還不如中部、東部天山灌木的生態效益。造成這種狀況的原因可能是天山西部的幾個大林場（如鞏留林場、特克斯林場、昭蘇林場）在新中國成立以來受到了50多年的高強度采伐，使天山的生態系統遭到嚴重破壞，導致天山西部灌木林生態系統的各項功能功能低于預期值，這有待于在今后的工作中得到驗證[23]。

經計算可知，不同種灌木林地的生態系統服務總價值從大到小依次為薔薇、方枝柏、錦雞兒、栒子、繡線菊、忍冬、小檗。而單位面積的灌木林生態系統服務功能價值從大到小依次為薔薇、栒子、繡線菊、方枝柏、錦雞兒、小檗、忍冬。不同種的灌木生態系統服務價值與其對應的林分面積排序一致，這說明林分面積是影響不同林分類型生態系統服務功能價值的重要因素。

3結論

（1）該研究對天山天然灌木林生態系統的5項服務功能11項指標進行評估，計算得到天山天然灌木林生態系統服務功能的總價值約為170.79億元/a。各項服務功能價值量從大到小依次為涵養水源（87.05億元/a）、保育土壤（18.12億元/a）、固碳釋氧（27.50億元/a）、積累營養物質（2 810萬元/a），生物多樣性保護（37.84億元/a）。

（2）該評估均采用天山森林的實測數據，采用林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》（LY·T1721—2008）作為評估依據。與同類方法其他地區相比更加的真實、客觀。該研究有助于對天山森林生態系統服務價值認識的提高，也可以為決策部門制訂生態補償標準提供依據，有利于天山森林資源的保護和恢復。

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