濟南市森林生態系統服務功能的維持機制

黃龍生,王 兵,牛 香,*,宋慶豐

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 2 北京林果業生態環境功能提升協同創新中心,北京 102206

森林作為陸地生態系統的重要組成部分,在維持生物多樣性、固碳、水源涵養和木材供應等方面起著不可替代的作用[1- 3],其在應對氣候變化、改善生態環境、保障人體健康等方面也越來越引起人們的重視[4- 6]。因此,森林生態系統服務有助于人類福祉,應當加強保護,努力不斷提升森林生態系統服務功能在國外,早在1949年就有相關學者對森林效能開展研究[7]。隨后,人們開始對森林某個單一的生態功能進行評價[8- 11]。進入20世紀90年代后,國外在森林生態系統服務功能價值評估方法中出現了旅游價值法、意愿調查法、市場替代法、條件價值法及資產價值法等[12- 15]。隨著可持續發展戰略的提出,森林生態系統服務功能評價指標體系的研究工作也得到發展[16]。我國對森林生態系統服務和評價指標體系的研究,起步較晚但發展很快。1983年,中國林學會開展“森林綜合效益評價研究”,并對中國早期的森林生態效益評價起到推動作用。隨后,出現了對森林價值及其環境價值的核算[17],對自然保護區生物多樣性價值研究[18]對區域森林生態系統服務功能及價值進行評估和動態分析[19],對森林環境價值納入國民經濟收入核算的系統研究[20],對森林資源從生產有機物價值和多種生態效能價值2方面進行系統評價[21],對生態公益林從生態、社會和經濟3方面建立生態公益林建設效益評價指標體系[22]。2008年,國家林業局發布《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)[23](以下簡稱《規范》),依據《規范》,王兵等根據第三次、第四次、第五次、第六次、第七次和第八次森林資源清查數據先后對全國生態系統服務功能及其價值進行評估[24- 25]。

濟南市森林生態系統主要為柏類和松類為典型代表。本文以濟南市境內森林植被為研究對象,依托濟南市周邊的森林生態站,依據“規范”開展濟南市主要優勢樹種的服務功能研究,量化分析濟南市不同林分類型森林生態系統服務功能的強弱,進而對濟南市森林生態系統服務功能維持機制進行探討。以期為科學開展生態環境保護及制定相關社會經濟發展政策提供重要科學依據,從而促進濟南市乃至山東省生態環境的改善和可持續發展。

1 研究區概況

濟南市位于116°11′—117°44′E、36°2′—37°31′N之間,處于山東省西北部。濟南市地貌大致呈南高北低態勢,由南向北依次分布著低山丘陵區、山前平原區、黃河沖積平原區。位于長清區摩天嶺海拔988.8 m,為該區最高海拔。濟南地區屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候,在膠東丘陵及魯中南山地丘陵阻擋之下,海洋性氣候被削弱,年平均氣溫14.1℃,無霜期190—235,年日照時數2490—2730 h,降雨多集中在6—9月,多年平均降水量為585—800 mm。該區土壤地帶性規律較明顯,以棕壤、褐土、潮土、風沙土等為主。濟南市森林面積約24.46萬hm2,人工林面積占絕對優勢,主要分布有側柏(PlatycladusorientalisL.)、落葉松(Larixspp.)、油松(Pinustabulaeformis)、麻櫟(Quercusacutissima)、白楊(Populusalba)、黑楊(PopulusnigraL.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、泡桐(Paulowniafortunei)等常見的北方樹種[26]。

圖1顯示了濟南市主要林分類型的分布情況。由圖可知,濟南市主要喬木林種分布于南部和東南部,經濟林主要分布于中部地區,北部地區分布有人工栽植的黑楊類和白楊類等起防護作用的林種。

圖1 濟南市主要林分類型分布Fig.1 Distribution of main forest types in Ji′nan City

表1—表3反映了濟南市主要林分類型、不同林齡及不同林種的基本情況。由表1可知,濟南市主要林分類型中,人工林面積占99.54%,其中,柏類面積分布最多,占44.66%,其次為黑楊類占38.86%。由表2可知,濟南市森林主要以幼齡林和中齡林為主,面積分別占48.79%和41.67%。由表3可知,濟南市不同林種面積分布從大到小依次為防護林(41.78%)>經濟林(33.26%)>用材林(24.96%)。綜上可知,濟南市森林的基本概況為,以人工林為主,中幼林比重較大,防護林和經濟林在全市森林中起主導作用。

2 研究方法

2.1 評價指標及測算公式

依據《規范》,本研究從6項森林生態系統功能(涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質、凈化大氣環境、生物多樣性保護)分別開展測算分析。對于生物多樣性保護功能的評估,依照《規范》,基于Shannon指數法,結合瀕危指數體系、特有種指數體系和古樹年齡指數體系[27-29]進行修正,進而參照《森林生態系統生物多樣性監測與評估規范》(TY/T2241—2014)進行評估測算。指標體系及相關計算公式詳情參照[23,25,30- 33]。

2.2 森林資源數據來源

根據濟南市周邊的泰山和黃河三角洲森林生態站長期、連續及定位觀測數據集并結合第八次山東省森林資源生態服務功能評估,本研究將濟南市森林生態系統林分劃分為柏類(側柏)、落葉松、松類(油松、黑松)、櫟類(麻櫟)、刺槐、白楊、黑楊、泡桐、落葉松、其他軟闊類、經濟林和灌木12個林種。此次測算分析的森林資源數據來自濟南市林業局發布的2015年森林資源二類調查數據。

2.3 社會公共數據來源

在濟南市森林生態系統服務功能評估測算過程中,需要將物質量轉化為價值量,該轉化過程涉及到的社會公共數據主要由我國權威機構所發布(濟南市物價局網站[34]、中國供應商網[35]、等),以及全國第八次森林生態系統服務功能評估[24]和中國森林資源核算研究[25]的相關參數(表4)。

表1 濟南市主要林分類型面積、蓄積統計

表2 濟南市森林各林齡組面積、蓄積統計

表3 濟南市有林地不同林種面積、蓄積統計

表4 濟南市森林生態系統服務功能評價研究社會公共數據表(2015年推薦使用價格)

S生：單位面積物種多樣性價值,The value of species diversity per unit area(元 hm-2a-1)

3 結果與分析

3.1 濟南市森林生態系統服務功能測算結果

濟南市森林生態系統服務功能的物質量和價值量的測算結果分別如表5和表6所示。由表5可知,濟南市森林生態系統年涵養水源量為8.26億m3；年固土量為1448.57萬t；年固碳量為76.81萬t；年釋氧量為160.12萬t；年林木積累營養物質量合計為2.08萬t；年提供負氧離子20.87×1024個,年吸收二氧化硫量為4340.61萬kg,年吸收氟化物69.61萬kg,年吸收氮氧化物192.97萬 kg；年吸滯TSP635.40萬t,年滯納PM101979.27 t,年滯納PM2.5502.48 t。從物質量的測算結果可以看出,濟南市森林在維持其生態系統服務功能方面效果顯著。

表5 濟南市森林生態系統不同林分類型生態服務功能物質量

G調：涵養水源,Water conservation(108m3/a)；G固土：固土物質量,Soil fixation(104t/a)；G固N：固氮物質量Nitrogen fixation(102t/a)；G固P：固磷物質量,Phosphorus fixation(102t/a)；G固K：固鉀物質量,Kalium fixation(102t/a)；G固M：固定有機質物質量,Organic mattefixation(102t/a)；G固碳：森林固碳物質量,Carbon sequestration(104t/a)；G釋氧：釋放氧氣物質量,Oxygen release(104t/a)；GN：林木積累氮物質量,Accumulation of nitrogen for forest(102t/a)；GP：林木積累磷物質量,Accumulation of phosphorus for forest(102t/a)；GK：林木積累鉀物質量,Accumulation of kalium for forest(102t/a)；G負離子：提供負離子物質量,Negative iron supply(1025個/a)；GSO2：吸收二氧化硫物質量,Physical of absorption of SO2(104kg/a)；GHF：吸收氟化物物質量,Physical of absorption of HF(104kg/a)；GNOx：吸收氮氧化物物質量, Physical of absorption of NOx(104kg/a)；GTSP：吸滯TSP物質量, Physical of absorption of TSP(104t/a)；GPM10：滯納PM10物質量,Physical of absorption of PM10(t/a)；GPM2.5：滯納PM2.5物質量, Physical of absorption of PM2.5(t/a)

由表6可知,濟南市年森林生態系統不同林分類型生態服務功能價值為251.80億元,其中,年涵養水源價值為90.68億元,年保育土壤價值為19.64億元,年固碳釋氧價值為65.01億元,年林木積累營養物質價值為3.95億元,年凈化大氣環境價值為34.21億元,年滯納PM10價值為0.59億元,年滯納PM2.5價值為23.43億元,年生物多樣性保護價值為38.31億元。由測算結果可知,濟南市森林生態系統涵養水源價值最高,其次為固碳釋氧價值,林木積累營養物質價值量最低。

表6 濟南市森林生態系統不同林分類型生態服務功能價值量/億元

U1：涵養水源價值,Value of water conservation；U2：保育土壤價值,Value of soil conservation；U3：固碳釋氧價值,Value of carbon fixation and oxygen released；U4：林木積累營養物質價值,Value of nutrients accumulation；U5：凈化大氣環境價值,Value of purification of atmosphere environment；U6：滯納PM10價值,Value of absorb PM10；U7：滯納PM2.5價值,Value of absorb PM2.5；U8：生物多樣性保護價值,Value of biodiversity conservation；U總：總價值量,Total value

圖2 濟南市森林生態系統服務功能價值量比例 Fig.2 The proportion of the value of forest ecosystem services in Ji′nan City

從圖2可知,濟南市森林生態系統涵養水源、固碳釋氧、生物多樣性保護和凈化大氣環境4項服務功能的價值量分別占濟南市森林生態系統服務功能總價值量的36.01%、25.82%、15.21%和13.59%,合計占到總生態系統服務功能價值量的90.63%,體現了相當大的優勢。濟南市森林生態系統服務功能價值量從大到小排序為：涵養水源>固碳釋氧>生物多樣性保護>凈化大氣環境>保育土壤>林木積累營養物質。

3.2 濟南市不同林分類型生態系統服務價值量

由圖3可知,濟南市森林生態系統不同林分類型生態系統服務價值以黑楊類和柏類為主,其中黑楊類價值量(91.49億元)最大,其次為柏類(72.46億元),最小的為落葉松和竹林,均小于0.01億元。不同林分類型生態服務功能價值量排序為黑楊類(91.49億元)>柏類(72.46億元)>經濟林(43.87億元)>刺槐(13.06億元)>灌木林(9.55億元)>其他軟闊類(8.98億元)>松類(8.15億元)>白楊類(2.46億元)>櫟類(1.73億元)>泡桐(0.05億元)>落葉松(<0.01億元)>竹林(<0.01億元)。濟南市不同林分類型生態系統服務功能價值量這種分布趨勢,與不同林分類型自身特性及其分布面積和蓄積量有直接的關系。

圖3 濟南市不同林分類型生態系統服務功能價值量分布圖Fig.3 The historgam of the value of ecosystem services of the different stand types in Ji′nan City

3.3 濟南市不同林齡生態系統服務功能價值量

喬木林的林齡組根據不同樹種的生物學特性和經營利用目的的不同,將其生長過程劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林5個齡組。不同林種不同發育階段其生態系統服務功能各不相同,因此,根據不同齡組劃分計算出濟南市森林生態系統不同林齡的生態系統服務價值,此外,本研究中不同林齡生態系統服務價值測算的統計不包含灌木林、經濟林和竹林。計算結果詳見表7。

從表7計算結果不難發現,濟南市森林生態系統不同林齡生態系統服務功能價值量存在很大的差異。各齡組生態系統服務功能價值量呈現幼齡林(96.79億元)>中齡林(82.66億元)>近熟林(9.52億元)>成熟林(8.87億元)>過熟林(0.54億元)的趨勢。

表7 濟南市森林生態系統不同林齡生態服務功能價值量/億元

圖4為濟南市不同林齡生態系統服務功能價值量比例分布,由圖可知,濟南市森林生態系統當中,幼齡林和中齡林生態系統服務功能價值量比例達90.46%,其中,幼齡林生態服務功能價值量稍微高于中齡林,表明濟南市森林生態系統服務功能中,中幼齡林占絕對優勢。過熟林生態系統服務功能價值量比重最小,僅為0.27%。

圖4 濟南市不同林齡生態系統服務功能價值量比例分布 Fig.4 The proportion of the value of forest ecosystem services of the different stand age in Ji′nan City

4 討論

濟南市森林生態系統服務功能的維持機制與其森林資源自身的屬性和特征直接關系。其森林資源存在以下特征：

1)資源面積。濟南市不同林分類型生態服務功能物質量排序前幾位的均為柏類、黑楊類和經濟林,排后幾位的均為泡桐、竹林和落葉松。由濟南市森林資源面積統計數據可知,排序前三的同樣為柏類、經濟林和黑楊類,而排序后三位的為泡桐、竹林和落葉松。由此可見,不同林分類型生態系統服務功能物質量的大小與其面積呈正相關性。濟南市不同林分類型中,柏類和黑楊類的各項生態系統服務強于其他樹種,這2個樹種均為本區域的地帶性植被且與其分布面積有直接的關系。黑楊類和柏類的面積占全市森林總面積的83.52%,其生態系統服務功能價值量占全市總價值量的65.12%；泡桐和落葉松面積占全市森林總面積的0.02%,其生態系統服務功能價值量僅占全市總價值量的0.03%。

2)林齡結構。林分因子中,林分年齡對凈初級生產力的變化影響較大,中齡林和近熟林有絕對的優勢[38]。林分蓄積隨著林齡的增加而增加,隨著時間的推移,幼齡林逐漸向成熟林的方向發展,從而使林分蓄積量得以提高[39]。從濟南市森林資源數據中可以看出,幼齡林和中齡林面積占全市森林總面積的90.46%,濟南市柏類和黑楊類的幼齡林和中齡林面積占濟南市森林總面積的55.05%,這足以說明此2個樹種及濟南市大部分森林資源正處于林木生長速度最快的階段,林木的高生長帶來了較強的森林生態系統服務。

3) 森林起源。天然林擁有生物圈中功能最完備的動植物群落,其結構復雜、功能完善、生態穩定性高。人工林和天然林群落結構與物種多樣性方面存在著巨大差異,天然林的群落層次比人工林復雜,物種多樣性比人工林豐富。而人工林由于其集約化的經營管理措施,使得林分結構良好,林分的生長速度要快于天然林,因此,其固碳釋氧功能由于速生的特性而發揮著相當重要的作用。不同起源固碳釋氧單位面積生態效益物質量中,人工林高于天然林,這主要是由于人工林在人為的培育和栽培下,在適宜生長環境下的林分凈生產力高于天然林[40]。由于在經濟發展過程中,濟南市的原生森林資源受到了嚴重的破壞,現存森林主要以人工林為主,人工林占其森林資源總面積的 99.54%,加上合理的經營管理措施,使得濟南市森林可以高效、穩定地發揮其生態系統服務。

4)自然保護區。濟南市柏類和黑楊類這2個樹種大部分分布于南部低山丘陵區,實際上分布于山區的自然保護區內。自然保護區是開展生物多樣性和自然遺產就地保護最為經濟有效的途徑,是人類經濟持續發展的重要保障。保護區內的生態系統具有較高的完整性和穩定性,因此,其提供的生態系統服務也更為顯著。濟南市近些年來森林公園與自然保護區建設工程為其森林資源的保護和進一步擴展奠定了基礎,對提高濟南市森林生態系統服務功能起到了積極推動作用。

在研究方法上,本文對森林生態系統服務功能的測算,采用的是分布式測算方法[36]。森林生態系統服務功能的測算是一項龐雜的系統工程,適合將研究內容劃分成多個均質化的生態測算單元進行評估[41]。分布式測算方法是目前評估森林生態系統服務所采用的較為科學的方法,在諸多森林生態系統服務功能評估案例中也證實了運用該方法能夠保證評估結果的準確性和可靠性[31]。結合分布式測算方法將濟南市森林生態系統按照行政區、優勢樹種(組)和林齡組等三級測算單元,再結合不同立地條件的對比觀測,最終確定了600個相對均質化的生態系統服務功能評估單元,進而保證了濟南市森林生態系統服務功能評估的科學性。

本研究的價值量評估,是基于多年來運用森林生態連清體系在不同尺度評估森林生態系統服務功能的實踐基礎之上,遵循“等效替代法則”和“權重當量平衡”的基本原則。等效替代法則要求在森林生態系統服務物質量向價值量轉化過程中,從森林生態系統服務原理和過程著手,用價格產生方式盡可能等效的替代生態系統服務產生方式,這樣的價格形式更為合理。確定等效替代的價格參數后,不同價格的選取又影響著森林生態系統各項服務價值的比例關系,不同地區不同林分類型的生態系統服務各項之間比例不同,因此需要對不同服務項之間的價值權重進行再平衡。通過等效替代和權重平衡,進而使得生態系統各項服務價值更能反映森林生態環境的實際情況。例如,森林生態系統消洪補枯的作用與水庫的功能類似,因此,遵循等效替代法則,采用影子工程法,即影子工程價格把森林攔蓄水量轉換成水利工程需要攔蓄相同水量所需庫容造價；在對森林生態系統滯納PM2.5功能價值量化過程中,采用疾病成本法和人力資本法,用由細顆粒物引起的疾病、誤工、心理、精神方面經濟損失進行替代。

5 結論

本研究選取濟南市12個樹種,從森林生態系統涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質、凈化大氣環境及生物多樣性保護等6項功能對濟南市森林生態系統服務功能及價值量進行定量評估,并對其生態服務功能的維持機制進行了探討。主要研究結論如下：

1)濟南市年森林生態系統服務6項功能價值為251.80億元,各項服務功能價值量從大到小排序為：涵養水源>固碳釋氧>生物多樣性保護>凈化大氣環境>保育土壤>林木積累營養物質。表明濟南市森林生態系統服務功能以涵養水源、固碳釋氧和生物多樣性保護為主。

2)濟南市不同林分類型生態統服務功能價值量大小排序為：黑楊類>柏類>經濟林>刺槐>灌木林>其他軟闊類>松類>白楊類>櫟類>泡桐>落葉松>竹林。黑楊類和柏類占絕對優勢,而泡桐、落葉松和竹林生態系統服務功能較弱。濟南市森林生態系統在兼顧提升泡桐、落葉松和竹林等弱勢林種生態服務功能的同時,進一步強化黑楊類、柏類和經濟林的發展,充分發揮出濟南市特色林木的生態效益,進而促進濟南市生態文明建設。

3)濟南市不同林齡生態系統服務功能價值量以中幼齡林為主,各齡組生態系統服務功能價值量呈現幼齡林>中齡林>近熟林>成熟林>過熟林的趨勢。濟南市在森林經營和保護過程中,加強中幼齡林的管理,不斷提升和鞏固其在區域生態系統功能中的主導作用,同時要注重成熟林和過熟林生態功能的發揮,努力確保成熟林和過熟林的存量,充分發揮其森林游憩的功能,進而凸顯其在生態和經濟效益中的作用。

4)濟南市森林生態系統服務功能的維持機制,受到森林資源面積、林齡結構、森林起源以及自然保護區建設等諸多因素的影響。在充分把握好這些規律的基礎之上,今后濟南市森林生態建設和森林生態系統服務功能提升過程中,北部黃河沖積平原區應擴大鄉土樹種如黑楊類、白楊類的覆蓋面積,以增強水土保持和農田防護等功能；中部山前平原區適宜種植經濟林種,在擴大森林覆蓋提升森林生態服務功能的同時也相應增加了區域的經濟收入,中部城區及其周邊應適當種植柏類和松類等本地樹種,以提升森林治污減霾和森林“氧吧”功能,從而凈化城市大氣環境,提高居民生活質量；南部低山丘陵區在保護現有森林資源的同時,進一步種植柏類、松類、刺槐、黑楊類等樹種,鞏固該區森林涵養水源、固土保肥等功能。濟南市森林生態系統服務功能的發揮將為該區和其他區域的生態建設提供有益的科學參考。