泰山森林生態系統服務功能及其價值評估

劉勝濤，高 鵬,*，劉潘偉，牛 香，王 兵

1 山東農業大學林學院,山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室,泰山森林生態站, 泰安 271018 2 中國林業科學研究院/森林生態環境與保護研究所, 北京 100091

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泰山森林生態系統服務功能及其價值評估

劉勝濤1，高 鵬1,*，劉潘偉1，牛 香2，王 兵2

1 山東農業大學林學院,山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室,泰山森林生態站, 泰安 271018 2 中國林業科學研究院/森林生態環境與保護研究所, 北京 100091

森林在給人類帶來經濟效益的同時，也帶來了巨大的生態效益。隨著經濟社會的發展，人們越來越多地關注森林的生態效益。以泰山森林生態系統為研究對象，依據林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》，從涵養水源、保育土壤、林木營養物質積累、固碳制氧、保護生物多樣性、凈化大氣環境及森林防護7個方面對泰山森林生態系統的生態服務功能進行了定量評估，得出泰山森林生態系統每年的生態服務價值量為18214.97萬元，以涵養水源(10376.84萬元/a)、生物多樣性保護(3796萬元/a)和固碳制氧(2736.38萬元/a)價值為主；泰山森林生態系統中松櫟林的生態服務價值相對高于其他林種的，尤其是以側柏林為最高；從不同林齡的角度進行評估，泰山森林生態服務價值以中齡林為主，占到生態服務價值總量的35%，過熟林的生態價值總量雖然排在最后，但其單位面積的價值量最高。

森林生態系統；服務功能評估；價值估算；泰山

森林生態系統是陸地生態系統的主體，具有涵養水源、保育土壤、林木營養物質積累、固碳制氧、保護生物多樣性、凈化大氣環境、森林防護等多種功能[1-3]，森林生態系統為人類帶來了巨大的物質財富和精神財富，因此，森林生態系統的興衰不僅直接影響生態環境，同時也影響著經濟和社會的發展[4-7]?？陀^科學地評估區域森林生態系統服務功能，對于提高人們的環境意識，促進生態補償機制的建立，盡快將自然資源和環境納入國民經濟核算體系及正確處理社會經濟發展與生態環境保護之間的關系具有重要的現實意義[8-11]。伴隨著經濟的發展，人們逐步認識到生態服務功能是人類生存與現代文明的基礎，科學技術能影響生態服務功能，但不能替代自然生態系統服務功能[12-16]。隨著對可持續發展機制研究的深入，人們發現維持與保育生態服務功能是實現可持續發展的基礎，分析與評價生態系統服務功能的間接價值已成為當前生態學與生態經濟學研究的前沿課題[17-21]。Costanza等人利用了國際上已經使用的多種方法對全球16類生態系統的17項服務價值進行分類核算，得出全球生態系統平均服務價值每年為33萬億美元，這項研究結果在世界上引起了巨大的轟動，也是對全球生物圈生態系統服務價值最早最全的一次估算[22-23]。日本林野廳利用數量化理論多變量解析方法，于1972、1991和2000年對其國內森林植被類型的六大類公益機能進行評估，計算的結果分別為12.82、39.2萬億日元和74.99萬億日元，并于1987年單獨評價了東京圈內的森林價值，得出每公頃森林的生態效益價值為500萬日元[24-25]。2011年，英國500多名科學家費時2年多的時間對25項生態系統服務及其功能進行了評估，并編制了英國歷史上第一次全面的評估報告[26]。我國生態系統服務功能的評估工作從上世紀90年代中后期開始加快步伐，森林生態系統服務功能及其價值評估的研究工作得到逐步深化，并日趨完善。侯元兆等人第一次比較全面地對中國森林資源的價值進行評估計算，他的研究成為了國內生態系統服務評估的開端[27]。李文華等系統地總結了生態系統服務功能研究的進展，以及研究所面臨的瓶頸和難題等，并對中國生態系統服務功能的研究進行了回顧與展望，為日后該領域的研究進一步明確了方向[28]。王兵等依據第三次、第四次、第五次和第六次森林資源清查數據對全國生態系統服務功能及其價值進行評估，得出的結果分別為717.401億元、2.14、3.64萬億元和4.12萬億元；隨后在評估方法逐步完善的基礎上又進行了第七次和第八次全國森林生態系統服務價值的評估，得出的結果為10.01萬億元和12.68萬億元[29,30]。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Study area shown in the map

泰山是以松櫟林為典型代表的森林生態系統，是北方土石山區的典型區域，開展泰山森林生態系統服務功能的研究對泰山周邊乃至整個北方土石山區森林生態服務功能的評價及其生態安全的評估都有著重要的現實意義。為了更加直觀地了解泰山森林生態系統服務功能的價值，更好地保護、利用泰山森林植被，促進泰山森林生態系統良性發展，本文選取泰山森林生態系統典型植被為調查研究對象，依托泰山森林生態觀測研究站為平臺，依據中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》對泰山主要樹種的服務功能進行評估研究。旨在能夠更直觀地了解泰山森林生態系統的服務功能價值，提高人們的生態環境意識，為泰山森林的經營管理提供指導，對泰山地區的可持續發展與生態環境建設提供幫助，對全國生態GDP核算和生態連清技術的研究提供科學依據。

1 研究區概況

本文以泰山森林生態系統觀測研究站(E117°05′39″—117°09′26″，N36°17′58″—36°20′30″)(圖1)為研究平臺。泰山位于山東省的中部，橫亙于濟南、泰安兩市之間，主峰玉皇頂1545 m，是華北大平原的最高峰。該區地處暖溫帶大陸性季風氣候區，多年平均氣溫為12.6 ℃，無霜期196 d，≥10 ℃的活動積溫3821 ℃，多年平均降水量758 mm，降水集中在6—9月。土壤類型主要是棕壤土，pH值為6.0左右，呈微酸性；土層較薄，厚度為20—30 cm。泰山植被天然林面積較少且多為次生林，大部分為人工林，森林總面積9490 hm2左右。主要的樹種有側柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑松(PinusthunbergiiParl.)、赤松(Pinusdensiflora)、油松(PinustabuliformisCarrière)等[31]。

根據泰山森林生態系統定位研究站長期、連續、定位觀測研究數的據集以及第八次山東省森林資源生態服務功能評估和泰安市統計年鑒的數據[32,33]，可以將泰山森林生態系統的林分分為赤松林、黑松林、油松林、側柏林、麻櫟林、刺槐林、灌木林、經濟林及針闊混交林(主要為麻櫟黑松、麻櫟赤松及刺槐側柏混交林)和闊葉混交林(主要為麻櫟刺槐混交林)10個樹種組，不同樹種組由于其生物學特征不同，反映出不同的生態功能，進而評估出不同林分的生態服務價值。

2 研究方法

2.1 泰山森林生態系統服務功能評估指標的選取及計算公式

本研究依據中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)[34]，主要從森林生態系統的涵養水源、保育土壤、固碳制氧、積累營養物質、凈化大氣環境、生物多樣性保護以及森林防護等7項功能進行評估計算，其指標體系詳見表1[10,26,35-37]。

2.2 物質量與價值量轉換的公共價格數據源

物質量向價值量轉換過程中用到的參數主要是社會公共價格數據，社會公共數據主要采用我國權威機構公布的社會公共數據。本文參照全國第八次森林生態系統服務評估及中國森林資源核算研究類似的參數[38-40]，主要數據如下：

①水庫庫容造價參照第八次森林生態系統評估，取值為8.44元/t，城市的居民用水價格的取值為3.07元/t。

②磷酸二銨含N量為14%；磷酸二銨含P量為15.01%；氯化鉀含K量為50%。

③磷酸二銨價格為3300元/t，氯化鉀化肥價格為2800元/t；有機質平均價格為800元/t。

④固碳價格,參照第八次森林生態評估取值為1281元/t。

⑤二氧化硫排污費收費標準為1.85元/kg，氮氧化物排污費收費標準為0.97元/kg，一般性粉塵排污費收費標準為0.23元/kg。

⑥氧氣價格,采用中華人民共和國衛生部網站的氧氣平均價格，1299.07元/t。

⑦負離子價格,負離子價格根據臺州科利達電子有限公司生產的適用范圍30m2(房間高3m)、功率為6w、負離子濃度1000000個/cm3、使用壽命為10年、價格65元/個的KLD-2000型負離子發生器而推斷獲得，其中負離子壽命為10分鐘，得到得負離子生產費用為9.46元/1018個。

⑧工業粉塵排污收費標準價格為240元/t。

⑨生物多樣性保護價值按照Shannon-Wiener指數的方法進行計算，即：Shannon-Wiener指數<1時，S生為3000元 hm-2a-1；1≤Shannon-Wiener指數<2，S生為5000元 hm-2a-1；2≤Shannon-Wiener指數<3，S生生為10000元 hm-2a-1；3≤Shannon-Wiener指數<4，S生為20000元 hm-2a-1；4≤Shannon-Wiener指數<5，S生為30000元 hm-2a-1；5≤Shannon-Wiener指數<6，S生為40000元 hm-2a-1；指數≥6時，S生為50000元 hm-2a-1。

3 結果與分析

3.1 泰山森林生態效益核算結果

應用上述計算公式可以計算出泰山森林生態系統服務功能的物質量(表2)和價值量(表3)。從表2可知，泰山森林生態系統的年涵養水源的物質量為901.55萬m3；年固土的物質量為7.50萬t；年固碳的物質量為0.97萬t，年制氧的物質量為1.15萬t；年提供負離子的物質量為8.08×1022個，年吸收二氧化硫的物質量為7.59萬t，年吸收氮氧化物的物質量為1.90萬t，年滯塵的物質量為569.40萬t/a；年積累營養元素的物質量為134.19kg；年固沙量為1.14萬t。從結果可以看出泰山森林生態系統服務功能的物質量是相當可觀的。

表1 泰山森林生態系統服務功能評估指標體系及計算公式

表2 泰山森林生態系統不同林分類型生態服務功能的物質量

G調:涵養水源的物質量Physical of water storage(萬m3/a)；G固土:年固土的物質量Physical of soil fixation(萬t/a)；G固碳:年固碳的物質量Physical of CO2fixation(萬t/a)；G制氧:年制氧的物質量Physical of O2release(萬t/a)；G負離子:年制造負離子的物質量Physical of negative iron supply(1022個/a)；G二氧化硫:年吸收二氧化硫的物質量Physical of absorption of SO2(萬t/a)；G氮氧化物:年吸收氮氧化物的物質量Physical of absorption of NOx(萬t/a)；G滯塵:年滯塵的物質量Physical of dust blocking(萬t/a)；G營養元素:年積累的營養元素物質量Physical of nutrients accumulation(kg/a)；G固沙:年森林防護減少沙塵的物質量Physical of wind prevention and sand fixation(萬t/a)

從表3可知，泰山森林生態系統生態服務價值為18214.97萬元/a，其中，涵養水源10376.84萬元/a，保育土壤593.27萬元/a，固碳制氧2736.38萬元/a，林木積累營養物質241.32萬元/a，凈化大氣環境197.84萬元/a(其中，年提供負離子為50.99萬元/a，年吸收二氧化硫14.05萬元/a，年吸收氮氧化物1.84萬元/a，滯塵130.96萬元/a)，生物多樣性保護3796萬元/a，森林防護價值273.31萬元/a。泰山森林生態系統服務功能的價值以涵養水源價值最大，其次為保護生物多樣性價值和固碳制氧價值，最小的為凈化大氣環境價值。

表3 泰山森林生態系統不同林分類型生態服務功能的價值量

U1: 涵養水源價值Value of water storage(萬元)；U2: 保育土壤價值Value of soil conservation(萬元)；U3: 固碳制氧價值Value of C fixation and O2release(萬元)；U4: 林木營養積累價值Value of nutrients accumulation(萬元)；U5: 凈化大氣環境價值Value of air quality purifying(萬元)；U6: 保護生物多樣性價值Value of biodiversity conservation(萬元)；U7: 森林防護價值Value of forest protection(萬元)

圖2 泰山不同林分類型的森林生態服務功能價值比例 Fig.2 The proportion of the value of ecosystem services of the different forest types in Mountain

從圖2中可以看出，涵養水源價值、保護生物多樣性價值以及固碳制氧價值在生態系統服務功能價值的比例分別為56.97%、20.84%和15.02%，這3種價值占到泰山森林生態系統服務功能總價的92.83%，占有絕對的優勢。泰山森林生態系統服務功能價值的排序為：涵養水源價值>保護生物多樣性價值>固碳制氧價值>保育土壤價值>森林防護價值>林木營養積累價值>凈化大氣環境價值。

3.2 泰山不同林分類型的生態服務功能價值

從圖3中可以看出，泰山不同林分類型生態服務價值以松柏林和櫟林的價值為主，其中以側柏林的生態服務價值(4606.52萬元)為最大，其次為麻櫟林(3071.02萬元)，最小的為經濟林(203.45萬元)。研究發現不同林分的生態服務價值呈現出松櫟林大于其他林分的趨勢。不同林分類型生態服務價值的排序為側柏林(4506.52萬元)>麻櫟林(3071.02萬元)>油松林(2591.17萬元)>赤松林(2303.26萬元)>刺槐林(1919.39萬元)>黑松林(1631.48萬元)>針闊混交林(863.72萬元)>灌木林(556.62萬元)>闊葉混交林(468.33萬元)>經濟林(203.45萬元)，這與不同林分的自身的特性及其面積有著很大的關系。

圖3 泰山不同林分類型的生態服務功能價值量柱狀圖Fig.3 The histogram of the value of ecosystem services of the different forest types in Mountain 1)赤松林Pinus densiflora forest；2)黑松林Pinus thunbergii forestt；3)油松林Pinus tabuliformis fores；4)側柏林Platycladus orientalis forest；5)麻櫟林Quercus acutissima forest；6)刺槐林Robinia pseudoacacia forest；7)灌木林Shrubs forest；8)經濟林Economic forest；9)針闊混交林Mixed conifer forest；10)闊葉混交林Mixed broadleaved forest

3.3 泰山森林生態系統不同林齡的生態效益物質量及價值量

林木在不同的生長發育階段具有的服務功能優勢不同，可以把泰山森林生態系統按照林齡劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林5個生長發育階段的林分，進而計算出不同林齡階段的森林生態服務價值。計算結果詳見表4。

從表4中可以看出不同林齡的森林生態服務價值之間存在著很大的差異性，其中，幼齡林為2575.49萬元，中齡林為6436.22萬元，近熟林為4832.67萬元，成熟林為2764.51萬元，過熟林為1606.07萬元，不同林齡的森林生態服務價值以中齡林和近熟林為主，呈現中齡林>近熟林>成熟林>幼齡林>過熟林的規律。過熟林的生態服務價值總量雖然偏少，但其單位生態價值量最高，這與過熟林林分冠幅較大，郁閉度較好，枝干粗壯，根系錯綜復雜，林下枯落物豐富等因素有關。

表4 泰山森林生態系統不同林齡的生態服務價值

U1:涵養水源價值Value of water storage(萬元)；U2:保育土壤價值Value of soil conservation(萬元)；U3:固碳制氧價值Value of C fixation and O2release(萬元)；U4:林木營養積累價值Value of nutrients accumulation(萬元)；U5:凈化大氣環境價值Value of air quality purifying(萬元)；U6:保護生物多樣性價值Value of biodiversity conservation(萬元)；U7:森林防護價值Value of forest protection(萬元);U總:總價值量Total value(萬元)；U單位價值:單位面積的價值量The value per unit area(萬元/hm2)

圖4 五種林齡的森林生態服務價值的比例分布 Fig.4 The proportion of the Value of ecosystem services of the different forest stand age in Mountain

圖4是泰山森林生態系統不同林齡樹種生態效益價值的比例分布，從圖中可以看出泰山森林生態服務功能價值以中齡林所占比例最大，達到了35%；其次為近熟林、幼齡林和成熟林，分別達到了27%、15%和14%；最后為過熟林，僅為9%。在泰山森林生態系統服務功能價值中，中齡林和近熟林占到總價值量的62%，其服務價值量最高。

4 討論

4.1 泰山森林生態系統服務功能價值量顯著

在泰山森林生態系統提供的涵養水源、保育土壤、固碳制氧、凈化大氣環境、保護生物多樣性、林木營養積累、森林防護等7項服務功能的價值中，以涵養水源、森林防護、固碳制氧及保育土壤價值為主。這與李少寧等[29]在江西大崗得到的其森林生態系統的主要服務價值是涵養水源，及王兵等[30]在遼寧省的生態服務功能評估中得出的其森林生態系統主要服務功能價值是涵養水源、生物多樣性保護和固碳制氧價值的結果相一致。這可能是因為泰山地區林木多以松櫟林為主，森林植被較好，植被多為多淺根性，林下枯落物層較厚，可以涵養更多的水量。泰山作為中外名山，是世界文化與自然雙重的遺產，擁有豐富的植被類型和特有的動植物品種，形成以松櫟林為代表的植被分布特征，加之一些年代久遠文化價值較高的名木古樹，使得保護生物多樣性的服務功能非常明顯，其價值相對較高。泰山森林覆蓋率已達到92%之多，成為泰山及周邊地區的天然氧吧，“森林氧吧”也被稱為生態文明時代的“金山銀山”，其吸收二氧化碳制造氧氣以及對人們的呼吸健康起著不可忽視的作用。泰山森林生態系統的保育土壤價值量相當可觀，這與泰山地區森林覆蓋率高，植被根系淺且錯綜復雜以及林下枯落物覆蓋較厚有關；同時，這與全國水土保持區劃中將泰山劃歸為魯中南低山丘陵“土壤保持”區的劃分相吻合，突出了泰山森林生態系統在保育土壤這一服務功能的重要作用。

4.2 泰山森林生態系統松櫟林的服務功能價值較高

泰山森林生態系統以側柏林和麻櫟林的服務功能價值最高，且呈現出松櫟林生態服務價值相對高于其他林分的變化趨勢。這可能是因為側柏和麻櫟單位面積生態服務功能價值較大；其次，泰山是以松櫟林為典型代表植被，其中的側柏和麻櫟林的面積相對較大，分布較廣，使得測算中其生態效益相對突出，因此，呈現出側柏林和麻櫟林的服務功能價值最高的結果。松櫟林生態服務價值相對高于其他林分的原因可能是泰山地處北方土石山區，土層比較淺薄，營養物質相對貧瘠，而松櫟類等作為淺根性植被具有耐干旱、耐瘠薄，生命力頑強的特點，適合于在泰山地區生長；其次，早期泰山地區植被曾被破壞，在恢復泰山地區的植被時，當地政府下大力氣進行了人工植樹造林，造林的樹種多以松櫟櫟林為主，這些樹種表現出良好的適地適樹的特征，能夠很快適合當地的生存環境，種植以后快速生長起來，成為泰山森林生態系統的主要植被，所以呈現出松櫟類植被生態服務價值較高的趨勢。

4.3 泰山森林生態系統以中齡林服務價值最高

研究發現泰山森林生態服務價值以中齡林價值最高，并呈現出中齡林>近熟林>幼齡林>成熟林>過熟林的變化規律。這主要是因為泰山地區的大部分植被是在20世紀五六十年代人工種植的，經過了幾十年的生長輪替，很多林木已經達到了中齡或者成熟的階段，這使得中齡林在泰山森林植被中面積相對較大，在生態服務價值測算中處于較高的位置。過熟林的生態服務價值雖然排在最后，但其單位面積的價值卻相對較高，這主要是因為過熟林的冠幅較大，林木較高，根系豐富，枯落物層較厚，單位面積涵養水源、固碳制氧、凈化大氣環境和保育土壤等的服務功能較強；其次，過熟林多是大樹，且又多為名木古樹，歷史悠久，文化價值深厚，提供的生物多樣性防護價值很高，這些因素促使過熟林的單位面積的生態服務價值最高。

5 結論

本文從涵養水源、保育土壤、固碳制氧、凈化大氣環境、林木營養物質積累、生物多樣性保護以及森林防護7項服務功能對泰山森林生態系統服務功能及其價值進行了定量評估，得出主要的結論如下：

(1)泰山森林生態服務價值量為18214.97萬元/a，不同的服務功能價值量的大小順序為：涵養水源>保護生物多樣性>固碳制氧>保育土壤>森林防護>林木營養積累>凈化大氣環境，從排序可知泰山森林生態系統以涵養水源、生物多樣性保護和固碳制氧價值為主。

(2)泰山森林生態系統不同林種的生態效益大小順序為：側柏林>麻櫟林>油松林>赤松林>刺槐林>黑松林>針闊混交林>灌木林>闊葉混交林>經濟林，以側柏林為最多，經濟林最小，松櫟林的生態服務價值相對高于其他林種。泰山森林生態系統在兼顧經濟林等經濟效益的同時，可適度強化松櫟林的發展，突出泰山地區特色林木的生態效益，對泰山區域生態文明建設發揮重要作用。

(3)泰山森林生態系統不同林齡的生態服務價值以中齡林為主，并呈現中齡林>近熟林>幼齡林>成熟林>過熟林的服務價值變化規律，過熟林的生態服務價值雖然在本研究中排在最后，但其單位面積的生態服務價值最高。在泰山森林的經營管理中，在加強對幼齡林和中齡林的保護與管理的同時，要注重對成熟林和過熟林的開發與保護，在不影響充分利用土地資源和其他植被生長的前提下，應盡可能的保留成熟林和過熟林的數量，發揮古樹名木在旅游、生態以及經濟效益中的作用。

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An ecosystem services assessment of Tai Mountain

LIU Shengtao1, GAO Peng1,*, LIU Panwei1, NIU Xiang2, WANG Bing2

1ShandongAgriculturalUniversity,CollegeofForestry/TaishanMountainForestEcosystemResearchStation,Tai′an271018,China2ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Forests bring not only economic benefits, but also ecological benefits for humans. With the development of the economy and society, researchers have increasingly studied the ecological value of forests. This study, based at the Tai Mountain Forest Ecological Station, estimated the ecological benefits of Tai Mountain, according to the standards of “Specifications for assessment of forest ecosystem services in China.” Based on water storage, soil conservation, nutrient accumulation, C fixation and O2release, biodiversity conservation, air quality purification, and forest protection, we concluded that the total value was 182.15 million yuan, with the most valuable assets water storage (103.77 million yuan), biodiversity conservation (37.96 million yuan), and C fixation and O2 release (27.36 million yuan). The ecological value of pinewood and oak forest was larger than that of other forest types, and the most valuable forest species in the forest ecosystem of Tai Mountain was Platycladus orientalis. The largest ecological benefit of the forest came from middle-aged forest, which accounted for 35% of the total ecological benefit. Although the per unit value was the largest for mature forest, overall mature forest conferred the smallest ecological benefit.

ecosystems; estimation of ecosystem service; distributed calculations; Tai Mountain

國家林業公益性行業專項課題(2014303-08)；科技創新服務能力建設-協同創新中心-林果業生態環境功能提升協同創新中心(PXM2016_014207_000038)；全國第八次山東省森林資源生態服務功能評估研究(201204101)

2015- 11- 30;

2016- 06- 02

10.5846/stxb201511302396

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gaopengy@163.com

劉勝濤，高鵬，劉潘偉，牛香，王兵.泰山森林生態系統服務功能及其價值評估.生態學報,2017,37(10):3302- 3310.

Liu S T, Gao P, Liu P W, Niu X, Wang B.An ecosystem services assessment of Tai Mountain.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3302- 3310.