濟南市森林生態系統服務功能空間格局研究

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

生態系統功能涉及生態系統的生境、生物或系統性質或過程,而生態系統服務功能則代表人類直接或間接從生態系統功能中獲得的好處[1- 2]。作為陸地生態系統的重要組成部分,森林在為社會和地球的生命支持系統提供多樣化(如生物多樣性、固碳、水和木材)的生態系統服務和產品等方面起著不可替代的作用[3- 5]。因此,森林生態系統服務功能有助于人類福祉,是全球總經濟價值的重要組成部分。

隨著可持續發展觀念的不斷深入,人們日益發現生態系統服務功能對于可持續發展的重要性,且評估生態系統服務功能已成為當前研究的熱點問題[6- 8]。自Costanza等[1]聯合世界上13位科學家率先評估了全球生物圈生態系統服務價值而引起學術界巨大反響以后,國外學者相繼在不同尺度上對生態系統服務展開研究。2005年,千年生態系統評估(MA)工作組就全球以及33個區域等尺度上對生態系統與人類福祉的關系進行了研究[9]。隨后的幾年中,人們則更多的是關注生態系統服務的空間異質性以及與社會經濟的關聯性[10- 12]。我國生態系統服務功能及價值研究萌芽于20世紀80年代[13],該階段研究主要圍繞的是森林資源價值核算及綜合效益評價等[14- 15]。進入90年代以后，相關學者對森林環境資源進行了定義和分類，并對其進行價值評價，認為要建立完善的森林環境資源實物量及價值量核算方法體系，進而納入國民經濟核算體系之中[16]。隨后,受到Costanza 等論文的啟發,我國學者逐步引入生態系統服務功能的概念、理論及研究方法,并對我國生態系統服務價值展開探索性研究[17- 21]。進入21世紀后,在我國生態系統服務在理論及方法上得到廣泛的認知并應用到不同尺度不同類型的生態服務功能研究,同時一些評估模型也逐漸應用到對應的研究領域,并且將生態系統服務理論與方法同其他研究方向進行融合的思想也慢慢得到實踐[22- 24,13]。

濟南市北部為黃河沖擊平原,南部背靠泰山北麓,中部主要為城市生活區,其森林資源主要由平原生態防護林、山區水源涵養林和城市森林所構成。開展濟南市森林生態系統服務功能空間格局研究,對濟南市平原森林、山地森林及城市森林的生態服務功能評價和生態安全評估,明確不同區域森林生態系統服務功能的強弱分布,探索濟南市森林生態系統服務功能空間格局分布特征具有重大現實意義。因此,本文以濟南市森林植被為研究對象,依托濟南市周邊的森林生態站,依據林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)(國家林業局,2008)(以下簡稱“規范”)開展濟南市森林生態系統服務功能研究。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

濟南市地處山東省西北部(E116°11′—117°44′,N36°2′—37°31′),地勢南高北低,由南向北依次為南部低山丘陵區、中部山前平原區、北部黃河沖擊平原區。該區海拔最高988.8米,位于長清區摩天嶺。受膠東丘陵以及魯中南山地丘陵阻擋,海洋性氣候不明顯,屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候,年平均氣溫14.1℃,無霜期在190—235 d之間,年日照時數2490—2730 h,多年平均降水量在585—800 mm,降雨集中在6—9月。土壤發育受生物和氣候條件影響,地帶性規律明顯,主要以棕壤、褐土、潮土、風沙土等為主。濟南市森林植被以人工林占絕大多數,天然林分布較少,森林面積約24.46萬hm2。主要樹種有側柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)、油松(PinustabuliformisCarrière)、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)、白楊(Populusalba)、黑楊(Populusnigra)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、泡桐(Paulownia)等[25]。

2 研究方法

2.1 森林資源數據來源

本研究森林資源數據來自2015年濟南市林業局發布的森林資源二類調查數據。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和第八次山東省森林資源生態服務功能評估,將濟南市按照其行政區劃分為：歷下區、市中區、槐蔭區、天橋區、歷城區、長清區、章丘市、平陰縣、濟陽縣和商河縣等10個區/縣,每個區/縣按照森林資源統計結果,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。以各林種為基本測算單元,分別測算出各區/縣的森林生態系統服務功能,進而統計出整個濟南市的森林生態系統服務功能。

2.2 指標選取及測算公式

本研究依據《規范》,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、森林防護、森林游憩及生物多樣性保護等8項功能開展測算研究。其中,生物多樣性保護功能的評估計算在依據《規范》中Shannon指數法基礎上,引入瀕危指數體系、特有種指數體系和古樹年齡指數體系[26- 28]進行修正,進而重新參照《森林生態系統生物多樣性監測與評估規范》(TY/T2241—2014)進行計算。指標體系及相關計算公式詳情參照[23,29- 33]。此外,本研究還對濟南市森林游憩功能進行了核算研究,采用林業旅游與休閑產值替代法進行核算。

2.3 物質量向價值量轉化的社會公共數據來源

本研究中物質量換算價值量時運用的社會公共數據主要由我國權威機構所發布,并參照濟南市物價局官網,以及中國森林資源核算研究和全國第八次森林生態系統服務功能評估的參數。主要數據如下：

1)水庫庫容投資參照中華人民共和國審計署2013年第23號公告中三峽工程總投資,取值為6.89元/m3；水的凈化費用參照濟南市自來水現價,取值為4.20元/t。

2)挖取土方費用參照濟南市《人工定額濟建標字[2015]1號文》及《中華人民共和國水利部建筑工程預算定額》,取值為46.20元/m3。

3)磷酸二胺含N量、磷酸二胺含P量、氯化鉀含K量參照化肥產品說明,分別取16%、48%和55%。

4)磷酸二胺化肥及氯化鉀化肥價格參照濟南市市物價局官網,分別取值3160元/t和2730元/t；有機質價格參照中國供應商網取值800元/t。

5)固碳價格,參照2013年瑞典碳稅價格,貼現至2015年為917.18元/t。

6)制造氧氣價格,參照中國供應商網,取值4826.67元/t。

7)負離子產生費用,根據企業生產的適用范圍30 m2(房間高3 m)、功率為6 W、負離子濃度1000000個/ m3、使用壽命為10年、價格每個65元的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；根據濟南市物價局官方網站濟南市電網銷售電價,居民生活用電現行價格為0.5469元/kW時,計算得到取值7.96元/108個。

8)二氧化硫、氟化物、氮氧化物和降塵清理費用征收標準分別取值1.26元/kg、0.69元/kg、0.63元/kg和0.15元/kg。

9)PM2.5和PM10造成健康危害經濟損失,根據Nowak等[34]文章中每噸PM2.5和PM10所造成的危害經濟損失,分別取值4665.12元/kg和30.34元/kg。

10)草方格固沙成本,根據《草方格沙障固沙技術》和《沙坡頭人工植被防護林體系防風固沙功能價值評價》取值為23.67元/t。

11)生物多樣性保護價值,根據Shannon-Wiener指數計算生物多樣性保護價值,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；Shannon-Wiener指數≥6時,S生為50000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物質量測算結果

結合相關計算公式可測算出濟南市森林生態系統服務功能物質量(表1)。由表1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1 濟南市各縣/市轄區森林生態服務功能物質量評估結果

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(1021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)

3.2 濟南市森林生態系統服務功能物質量空間格局特征

濟南市森林年涵養水源量在0.01—2.33億m3,年固土量在1.00—407.81萬t,年保肥(森林固N、P、K、M)量在2.59—1039.62×102t,年固碳量在0.19—19.81萬t,年林木積累營養物質量在0.77—60.53×102t,年提供負離子量在4.01—573.77×1021個,年吸滯TSP量在0.89—204.66億kg,年滯納PM10量在2.99—642.81萬kg,年滯納PM2.5量在0.81—161.73萬kg。各項森林生態系統服務功能物質量在10個區/縣的空間格局分布總體趨勢均為南部>北部>中部(圖1)。在歷城區、長清區和章丘市的森林生態系統各項服務(涵養水源、固土、保肥、固碳、林木積累營養物質、提供負離子、吸滯TSP、滯納PM10、滯納PM2.5)功能物質量均分別位列前三位,而在天橋區、歷下區和槐蔭區的森林生態系統各項服務物質量則均分別位列后三位。

3.3 濟南市森林生態系統服務功能價值量測算結果

由表2可知,濟南市年森林生態系統服務功能價值為264.41億元,其中,濟南市森林年涵養水源價值為90.68億元,保育土壤價值為19.64億元,固碳釋氧價值為65.01億元,林木積累營養物質價值為3.95億元,凈化大氣環境價值為34.21億元,滯納PM10價值為0.59億元,滯納PM2.5價值為23.43億元,森林防護價值為0.61億元,生物多樣性保護價值為38.31億元,森林游憩價值為12.00億元。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,森林防護價值量最低。

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34.29%、24.59%、14.49%和12.94%,合計占到總生態系統服務功能價值量的86.31%,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>森林游憩>林木積累營養物質>森林防護。

表2 濟南市各縣/市轄區森林生態服務功能價值量評估結果/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：森林防護價值,Value of forest protection；U9：生物多樣性保護價值,Value of biodiversity conservation；U10：森林游憩,Value of forest recreation；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 Jinan

3.4 濟南市森林生態系統服務功能價值量空間格局特征

濟南市10個區/縣年森林生態系統服務(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、森林防護、生物多樣性保護、森林游憩)功能價值量中(圖3),歷城區最高,為68.26億元,其次是長清區,為55.36億元,年森林生態系統服務功能價值量最低的是槐蔭區,為0.49億元。各區/縣年森林生態系統服務功能價值量排序為：歷城區>長清區>章丘市>平陰縣>商河縣>濟陽縣>市中區>天橋區>歷下區>槐蔭區(圖3)。

從各項森林森林生態服務功能價值量來看,除了森林防護功能以外,其他各項功能價值量在濟南市10個區/縣的空間格局分布大體上均呈現南部>北部>中部的趨勢(圖3)。

圖3 濟南市各區/縣森林生態系統服務功能價值量空間分布格局Fig.3 Value of spatial distribution for forest ecosystem services in different counties in Jinan

從各區/縣森林森林生態服務功能價值量所占比例來看,位列前三位的歷城區、長清區和章丘市森林生態系統服務功能價值占全市森林生態系統服務功能價值量的65.95%,而位列后三位的天橋區、歷下區和槐蔭區森林生態系統服務功能價值僅占全市的2.20%(圖4)。

圖4 濟南市各區/縣森林生態系統服務功能價值量排序Fig.4 The order of the value of forest ecosystem services in Jinan

4 討論

濟南市森林生態系統服務功能的空間格局與濟南市各區/縣森林資源自身的屬性和所處地理位置有直接關系。其空間格局分布存在以下特征：

1)與土地利用類型有關。濟南市南部山區和東部丘陵,占全市森林總面積的約70%,集中分布在平陰縣、章丘市、歷城區和長清區,同時該區還是全市水源涵養林的主要分布區,人口密度較小,且實施自然保護區和森林公園建設,對森林干擾較小,利于森林生態系統服務功能的提升,因此,森林生態系統服務功能較強。中部地區屬于城市繁華地帶,人口密集,社會經濟活動頻繁,長期受人類活動干擾,植被覆蓋率低,主要指市中區、天橋區、歷下區和槐蔭區,故森林生態系統服務功能較弱。北部濟陽縣和商河縣,地處黃河沿岸平原,水土保持林和經濟林分布較多,因此,也顯示出一定的森林生態服務功能。

2)與氣候因素有關。在氣候因素當中,溫度和降水能夠對林木生長造成影響,因為水熱條件限制著林木的生長[34]。一定范圍內,溫度越高,林木生長越快,其生態系統服務也就越強。主要原因是,溫度升高增加了植物蒸騰速率,植物體內會積累更多營養元素,進而增加生物量；在水分充足條件下,溫度越高,植物葉片氣孔完全打開,呼吸作用增強,為光合作用提供充足的二氧化碳[35]；溫度還通過控制葉片中淀粉的降解和運轉、糖分和蛋白質的轉化,進而起到控制光合速率的作用[36- 37]。濟南市處于中緯度地帶,屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候,多年平均氣溫在14.1℃,平均氣溫南部低山丘陵區低于北部平原區,這對濟南市森林系統服務功能的空間分布格局產生一定影響。此外,降水與森林生態效益呈正相關關系,主要由于降水量作為參數被用于森林涵養水源的計算,與涵養水源生態效益呈正相關；同時,降水量的大小還會影響生物量的高低,進而影響固碳釋氧功能[38]。濟南市多年平均降水量在585—800mm之間,總的分布趨勢為南部大于北部。降水還與森林滯納顆粒物的高低有直接關系,降水量大意味著一年內雨水對植物葉片的清洗次數增加,由此帶來森林滯塵功能的增強。因此,降水也會對濟南市森林生態系統服務功能空間格局產生影響。

3)與林種結構組成有關。林種結構組成一定程度上反映了某區域在林業規劃中所承擔的林業建設任務。比如,當某區域分布著大面積的防護林,則該區域林業建設側重防護功能。如果某區域由于地形、地貌等原因,容易發生水土流失,那么構建的防護林體系則為水土保持林,主要起到固持水土功能；如果某一區域位于大江大河源頭,或者是重要水庫的水源地,那么構建的防護林體系則為水源涵養林,主要起水源涵養和調洪蓄洪的功能。由濟南市森林資源調查數據得出,濟南市涵養水源林主要分布在南部低山丘陵區的平陰縣、長清區、歷城區和章丘市,這些地區恰是本市河流或水庫的水源地,分布著全市約80% 的水源涵養林。此外,濟南市北部平原地區的濟陽縣、商河縣,其防風固沙林和農田防護林所占比例分別約為70%和75%,該區屬于黃河下游,且平原農業活動較強,因此需要防風固沙林和農田防護林的保護。因此,由于樹種結構組成的不同,促使濟南市森林生態系統服務功能呈現目前的空間格局。

4)與生態建設政策有關。濟南市在推進國家森林城市建設過程中,結合全市實際,開展了城鎮綠化提升工程、南部山區營造林工程、北部平原風沙治理工程、水系生態綠化工程、濕地恢復與保護工程、破損山體治理工程、綠色通道工程、森林公園與自然保護區建設工程、現代林業示范區建設工程、林業產業化推進工程等一系列的林業生態工程。全市林業生態工程布局日趨合理,以低山丘陵、山前平原、沿黃平原三大綠化體系形成的框架日趨完善。未來,濟南市森林生態系統服務功能將得到大幅提升,全市生態環境也將得到進一步改善。

本文采用分布式測算方法[39]對濟南市森林生態系統服務功能進行測算。由于森林生態系統服務功能的測算涉及內容多樣,為了科學評估這一龐雜的系統工程,將研究內容劃分成多個均質化的生態系統服務功能測算單元進行評估是行之有效的方法[40]。該方法目前在諸多森林生態系統服務功能評估的研究案例中得到運用,且能夠保證評估結果的準確性和可靠性[30]。濟南市森林生態系統服務功能評估過程中,運用分布式測算方法,按照行政區、優勢樹種(組)和林齡組等三級測算單元,并結合不同立地條件,最終確定了600個相對均質化的生態系統服務功能測算單元,進而保證了濟南市森林生態系統服務功能評估的科學性。將各個均質化的生態系統服務功能測算單元相疊加,最終匯總出濟南市每個行政區域和整個濟南市的森林生態系統服務功能。因此,鑒于該方法的測算原則,在本文的結果分析中以行政區域界限劃分森林生態系統服務功能的評估區域,而非以自然地理單元作為區域劃分的依據。

5 結論

本研究依托森林生態定位觀測研究站,依據《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)結合濟南市森林資源二類調查數據以及國家權威部門公布的社會公共數據,從涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質、凈化大氣環境、森林防護、生物多樣性保護、森林游憩等8項生態服務功能對濟南市森林生態系統服務功能空間格局進行研究,得出以下主要結論：

1)濟南市年森林生態系統服務功能價值為264.41億元,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>森林游憩>林木積累營養物質>森林防護。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10個區/縣年森林生態系統服務功能價值量中,歷城區最高,為68.26億元。各區/縣年森林生態系統服務功能價值量排序為：歷城區>長清區>章丘市>平陰縣>商河縣>濟陽縣>市中區>天橋區>歷下區>槐蔭區。表明濟南市各區/縣森林生態系統服務功能空間格局存在異質性,森林生態服務功能較弱的區/縣應抓住濟南市生態建設政策實施的契機,努力提升自身生態服務功能,進而使得濟南市各區/縣森林生態系統服務功能相協調。

3)除了森林防護功能以外,其他各項森林生態系統服務功能價值量在濟南市10個區/縣的空間格局分布大體上均呈現南部>北部>中部的趨勢。

基于濟南市森林生態系統服務功能現有的空間分布格局,并結合濟南市森林生態系統所具備的林種資源,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適生鄉土樹種覆蓋面積,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系統服務功能的同時也相應增加當地農民的經濟收入；中部城區及其周邊應適當種植滯塵功能較強的針葉樹種,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,進一步增加本地鄉土樹種及灌木的覆蓋,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總體服務功能提升的建議可為該區和其他區域的生態建設工作提供參考。