西部干旱半干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值研究
——以四子王旗國(guó)家級(jí)公益林為例

董崢嶸，馬海龍，周連生，楊福俊*，于寶勒，東明，張磊

（1.四子王旗林業(yè)和草原局公益林管理站，四子王旗 011800；2.呼和浩特市林木種苗站，呼和浩特 010030；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原監(jiān)測(cè)規(guī)劃院，呼和浩特 010020）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)獲得的各種惠益[1]。森林除了直接產(chǎn)出豐富林產(chǎn)品外，更具有固炭釋氧、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、改良土壤、減少污染、美化環(huán)境等多種服務(wù)功能[2]。生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值評(píng)估是將生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行貨幣化的過(guò)程，對(duì)國(guó)家級(jí)公益林進(jìn)行生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估，能以更直觀的方式體現(xiàn)公益林為當(dāng)?shù)鼐用褚约爸苓厖^(qū)域帶來(lái)的各種益處。公益林生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估，對(duì)提高公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)、助力傳統(tǒng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系走向環(huán)境與經(jīng)濟(jì)一體化核算體系、減少資源的過(guò)度消耗與生態(tài)破壞、促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，都能起到相當(dāng)?shù)淖饔谩ｋS著社會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的深入與相關(guān)研究與應(yīng)用的不斷發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也已成為公益林效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中重要的組成部分。

公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估，還可以為生態(tài)補(bǔ)償制度的設(shè)計(jì)與利益分配的公平性提供基礎(chǔ)。生態(tài)補(bǔ)償也已成為保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要經(jīng)濟(jì)手段之一[3]，通過(guò)政策制度保護(hù)，使生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)提供上述的服務(wù)功能，是開(kāi)展生態(tài)補(bǔ)償?shù)淖罱K目的，因此，在生態(tài)補(bǔ)償制度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)功能作為其科學(xué)基礎(chǔ)[2]。

內(nèi)蒙古西部地區(qū)自然條件相對(duì)惡劣，氣候干旱，風(fēng)沙大、降水少、植被覆蓋度低，荒漠化與水土流失情況較重，屬于生態(tài)狀況脆弱地區(qū)。在這些地區(qū)，國(guó)家級(jí)公益林在維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全、國(guó)防安全，改善區(qū)域生態(tài)狀況，保障人居環(huán)境質(zhì)量方面起著至關(guān)重要的作用。國(guó)家級(jí)公益林以灌木林地為主，其國(guó)家級(jí)公益林資源結(jié)構(gòu)，在內(nèi)蒙古西部地區(qū)具有一定典型性。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗，該旗位于大青山北麓，烏蘭察布草原西北部，地理坐標(biāo)為北緯40°20′～42°40′，東經(jīng)110°20′～113°00′，總面積25 513 km2該區(qū)域地處中溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量110～350 mm，且分布不均，年際變幅大，年蒸發(fā)量2 300～2 400 mm。年平均氣溫1～6 ℃，年平均風(fēng)速3.6 m/s，年平均無(wú)霜期為78～142 d。該區(qū)域植被特征從南向北可分為山地半干旱草原植被類(lèi)型、丘陵半干旱草原植被類(lèi)型、高原干旱荒漠草原植被類(lèi)型、草甸植被類(lèi)型等。

1.2 國(guó)家級(jí)公益林概況

四子王旗國(guó)家級(jí)公益林均被列入中央財(cái)政森林生態(tài)效益補(bǔ)償范圍，其面積為164 146.67 hm2，占全旗林地面積的16.06 %，占全旗土地面積的6.43%。研究區(qū)國(guó)家級(jí)公益林主要群落類(lèi)型有檸條灌木林、楊樹(shù)人工林、榆樹(shù)人工林、落葉松人工林，另有紅砂、駝絨藜、白刺等天然灌木林。檸條灌木林面積占比在85%以上，人工檸條主要分布于研究區(qū)南部，天然檸條灌木林主要分布于中部與北部；楊樹(shù)人工林、榆樹(shù)人工林、落葉松人工林面積占比僅2.73%，且分布集中。詳見(jiàn)表1。

表1 四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林面積統(tǒng)計(jì)表

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)與樣品采集

本研究采用樣地調(diào)查與國(guó)家級(jí)公益林落界成果數(shù)據(jù)、森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（二類(lèi)調(diào)查）數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，從典型樣地與相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取所需的參數(shù)，測(cè)算四子王旗國(guó)家級(jí)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量與價(jià)值量。

根據(jù)研究區(qū)國(guó)家級(jí)公益林資源分布特點(diǎn)，以起源、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為主要因子，采用典型抽樣法選取并布設(shè)調(diào)查樣地，規(guī)格為60 m×10 m。共布設(shè)樣地33塊，其中人工喬木林樣地12塊，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為楊樹(shù)、榆樹(shù)、落葉松；人工灌木林地樣地15塊，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為檸條；天然灌木林地樣地6塊，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為檸條、紅砂。在樣地內(nèi)，沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)5 m×5 m的灌木樣方，每個(gè)灌木樣方中各設(shè)置一個(gè)1 m×1 m的草本樣方，用于灌木生物量與灌木、草本生物多樣性調(diào)查。

2017 年8 月進(jìn)行生物多樣性調(diào)查；喬木層調(diào)查因子包括樹(shù)種、起源、林齡、胸徑、樹(shù)高；灌木調(diào)查因子包括種名（或優(yōu)勢(shì)種）、平均高、蓋度、冠幅、株數(shù)；草本調(diào)查種名、株（叢）數(shù)、平均高、蓋度。2018 年8月采集土壤樣品，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)分析；土壤采用土壤剖面法進(jìn)行分層采集環(huán)刀樣品與土壤分析樣品。土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法[4]；全N 采用高氯酸—硫酸消化，開(kāi)氏定氮儀法；全P 采用高氯酸—硫酸消化，分光光度計(jì)法[4]；全K 采用氫氟酸—高氯酸熔融，原子吸收儀法[5]。2019 年8 月進(jìn)行生物量調(diào)查。喬木林生物量采用生物量拓展因子法與含碳率法，灌木生物量測(cè)定采用收獲法。灌木采樣時(shí)首先根據(jù)灌木樣方調(diào)查結(jié)果，分別確定不同灌木樹(shù)種、等級(jí)的樣株3～5株，在樣方外圍進(jìn)行取樣，分別干、枝、葉、果、根稱(chēng)重，取樣并帶回實(shí)驗(yàn)室烘干。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 生物量與固碳釋氧功能計(jì)算方法

喬木生物量計(jì)算方法，采用樣地調(diào)查結(jié)合二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的方式，根據(jù)各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種（組）面積與材積，利用基本木材密度（D）和生物量擴(kuò)展因子（BEF）將林木樹(shù)干材積轉(zhuǎn)化為林木地上生物量。利用林木生物量含碳率將林木生物量轉(zhuǎn)化為碳含量[6]。

式中：Bi=樹(shù)種i的生物量；t d.m.；Ci=樹(shù)種i的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量；t C；Vi=樹(shù)種i的蓄積；m3；Di=樹(shù)種i的基本木材密度（帶皮）；t d.m·m-3；BEFi=樹(shù)種i的生物量擴(kuò)展因子，用于將樹(shù)干材積轉(zhuǎn)化為林木地上生物量；無(wú)量綱；CFi=樹(shù)種i的含碳率；t C(t.d.m.)-1；i=1,2,3……樹(shù)種。

灌木層生物量計(jì)算方法，根據(jù)調(diào)查樣方灌木株（叢）數(shù)、樣品鮮重、標(biāo)準(zhǔn)灌木鮮重?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)下式計(jì)算灌木單位面積生物量。

式中：Mshrub—樣方灌木生物量（干重），kg；pshrub—灌木干鮮比；Mstandard_wet—每株平均標(biāo)準(zhǔn)灌木鮮重，g；N—樣方灌木總株數(shù)；Mshrub_sum—單位面積灌木生物量，t·hm-2；Nplot—樣方數(shù)；Splot—樣方面積，m2。

植被碳庫(kù)計(jì)算公式如下：

式中，Ci為第i類(lèi)固碳量（t），Mi為第i類(lèi)生物量（t），F(xiàn)i為第i類(lèi)含碳率。

采用碳稅法對(duì)森林固碳價(jià)值進(jìn)行估算[7]。依據(jù)計(jì)算出的植被碳儲(chǔ)量推算植被釋氧量，釋氧價(jià)格采用國(guó)家權(quán)威部門(mén)公布的氧氣商品價(jià)格進(jìn)行估算。

2.2.2 其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計(jì)算

采用水量平衡法計(jì)算森林涵養(yǎng)水源的能力及對(duì)其涵養(yǎng)水源價(jià)值進(jìn)行評(píng)估[8]，森林涵養(yǎng)水源價(jià)值核算采用影子工程法[7]。生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量由潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量進(jìn)行估算[9-11]，森林固土功能價(jià)值量評(píng)價(jià)采用機(jī)會(huì)成本法[7]，根據(jù)森林固土量與研究區(qū)測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K含量，折算成磷酸二銨和氯化鉀的價(jià)值來(lái)體現(xiàn)保肥價(jià)值[7]。采用面積—吸收能力法計(jì)算降解SO2、NOX與滯塵能力，價(jià)值量采用吸收量乘以治理價(jià)格進(jìn)行估算[7]。物種保育價(jià)值采用單位面積年物種損失的機(jī)會(huì)成本估算[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 公益林固碳釋氧功能

森林的固碳釋氧功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)森林植被、土壤動(dòng)物和微生物固定碳素、釋放氧氣的功能。森林生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的碳吸收能力，與大氣進(jìn)行CO2與O2的交換，減少大氣中的CO2，提高大氣中的O2含量，這不僅減輕了溫室效應(yīng)，而且有效地維持了大氣中CO2和O2的動(dòng)態(tài)平衡，為人類(lèi)提供了適宜的生存環(huán)境。經(jīng)測(cè)算，四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林有林地與灌木林地生物量分別為38 331.47 t 和959 978.64 t，國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林植物固碳量為99.83 萬(wàn)噸，植物固碳功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為91 986.29 萬(wàn)元。國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林釋氧量為196.21 萬(wàn)噸，釋放O2的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為196 204.74 萬(wàn)元。

四子王旗公益林固碳釋氧功能的總經(jīng)濟(jì)價(jià)值為288 191.03 萬(wàn)元。由于此次研究中未包含森林年凈生長(zhǎng)量調(diào)查，所以，該計(jì)算結(jié)果為公益林固碳釋氧存量?jī)r(jià)值。詳見(jiàn)表2。

表2 四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林固碳釋氧功能物質(zhì)量與價(jià)值量

3.2 公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

經(jīng)測(cè)算，四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林在支持、調(diào)節(jié)、供給等三個(gè)方面所發(fā)揮的服務(wù)功能價(jià)值量為159 873.35萬(wàn)元/a。支持服務(wù)功能包括固土保肥功能，四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林年固土量為20.92萬(wàn)噸，年保肥量為8.26 萬(wàn)噸，固土保肥價(jià)值量為27 629.78萬(wàn)元，占總服務(wù)功能價(jià)值量的17.28%；調(diào)節(jié)服務(wù)功能包括涵養(yǎng)水源、凈化大氣環(huán)境、森林防護(hù)等功能，四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林年調(diào)節(jié)水量為8 203.98 萬(wàn)立方米，凈化水質(zhì)量8 203.98 萬(wàn)立方米，涵養(yǎng)水源總價(jià)值量為28 221.68 萬(wàn)元，占17.65%；公益林每年在凈化大氣環(huán)境方面所發(fā)揮的價(jià)值為16 939.91萬(wàn)元，占總價(jià)值的10.60%；研究區(qū)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林每年防風(fēng)固沙面積4.42萬(wàn)公頃，每年在森林防護(hù)方面所發(fā)揮的價(jià)值為8 957.98 萬(wàn)元；供給服務(wù)功能包括生物多樣性保護(hù)功能，四子王旗國(guó)家級(jí)公益林，在物種保育方面所發(fā)揮的價(jià)值達(dá)到了78 124.00 萬(wàn)元，占總價(jià)值量的48.87 %。詳見(jiàn)表3。

表3 四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量與價(jià)值量

3.3 分析

國(guó)家級(jí)公益林區(qū)各森林類(lèi)型固碳釋氧功能差異明顯，其中，喬木林的單位面積固碳量與釋氧量最高，明顯高于其他林型，而單位面積楊樹(shù)純林的固碳釋氧功能最弱。森林植被固碳釋氧功能的好壞與植被生物量之間有直接關(guān)系，研究區(qū)喬木林單位面積生物量高于灌木林，但由于研究區(qū)氣候干旱，土壤水分條件較差等原因，導(dǎo)致當(dāng)?shù)毓媪謪^(qū)喬木林質(zhì)量不高，所起到的生態(tài)功能有限；作為主導(dǎo)四子王旗國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要部分，灌木林生物量占公益林總生物量的96.16 %，在固碳釋氧方面發(fā)揮著主要功能。在研究中發(fā)現(xiàn)，其中，人工灌木林單位面積生物量高于天然灌木林，天然紅砂灌木層生產(chǎn)力較低，蓋度在30%～40%間時(shí)僅為天然檸條的1/3，人工建設(shè)的公益林發(fā)揮的固碳釋氧功能相當(dāng)可觀。

森林生態(tài)系統(tǒng)在生物多樣性維護(hù)方面起到非常重要的作用，生物多樣性與生態(tài)服務(wù)功能之間的關(guān)系復(fù)雜[3]。根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果可知，研究區(qū)不同森林類(lèi)型香農(nóng)指數(shù)差別較大，喬木林中，人工楊樹(shù)林香農(nóng)指數(shù)小于1，人工榆樹(shù)林與人工落葉松林香農(nóng)指數(shù)大于1；灌木林中，人工灌木林香農(nóng)指數(shù)大于1，天然灌木林小于1。總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)國(guó)家級(jí)公益林區(qū)植被香農(nóng)指數(shù)大部分在1～1.5 之間，相對(duì)較低。盡管如此，研究區(qū)國(guó)家級(jí)公益林所具有的物種保育價(jià)值也達(dá)到了78 124.00 萬(wàn)元，并占總價(jià)值的將近一半。森林涵養(yǎng)水源的能力與森林的面積與區(qū)域降水量、蒸發(fā)量有很大的關(guān)系，研究區(qū)年平均降水量較少，森林年蒸散量大，氣候條件制約了公益林涵養(yǎng)水源的能力與其發(fā)揮的價(jià)值，研究區(qū)喬木林比重很低，所以，限制了喬木林分調(diào)節(jié)水量的能力與價(jià)值。

對(duì)四子王旗所在的區(qū)位而言，防風(fēng)固沙功能是非常重要的區(qū)域需求，通過(guò)價(jià)值評(píng)估可知，其每年防護(hù)面積達(dá)到4.42萬(wàn)公頃，年滯塵量達(dá)到112.92萬(wàn)噸，每年可以固定土壤20.92萬(wàn)噸。

通過(guò)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估過(guò)程可以看出，森林的面積與質(zhì)量直接關(guān)系到服務(wù)功能的質(zhì)量與價(jià)值，因此，通過(guò)公益林補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)施，對(duì)公益林資源進(jìn)行保護(hù)與合理的營(yíng)造能有效地提高森林的面積以及質(zhì)量，進(jìn)而提高公益林的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

4 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)國(guó)家級(jí)公益林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量是相當(dāng)可觀的，但由于地理環(huán)境與植被特征等因素影響，研究區(qū)單位面積服務(wù)功能價(jià)值仍處于較低水平，尤其針對(duì)以灌木群落為主的干旱半干旱區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)而言，碳儲(chǔ)量與固碳釋氧、涵養(yǎng)水源等能力均相對(duì)較弱。灌木作為干旱、半干旱區(qū)重要的森林資源組成部分，通過(guò)合理的保護(hù)措施，提高其質(zhì)量無(wú)疑對(duì)提高干旱、半干旱地區(qū)的森林生態(tài)功能的更好發(fā)揮具有重要意義。國(guó)家級(jí)公益林的區(qū)劃界定與建設(shè)以及生態(tài)效益補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)施對(duì)處于生態(tài)區(qū)位極為脆弱地區(qū)森林資源的保護(hù)發(fā)揮著重要作用。