新疆檉柳林生態服務功能及其價值評估分析

寧虎森, 何苗, 羅青紅, 吉小敏,2, 雷春英,2

新疆檉柳林生態服務功能及其價值評估分析

寧虎森1,*, 何苗1, 羅青紅1, 吉小敏1,2, 雷春英1,2

1. 新疆林科院造林治沙研究所, 新疆, 烏魯木齊 830063 2. 新疆精河荒漠生態系統國家定位觀測研究站, 新疆, 精河 833300

為客觀反映檉柳林的生態服務功能價值及其生態效益, 同時為新疆干旱區生態環境恢復與重建提供科學依據, 基于新疆維吾爾自治區二類森林資源調查數據, 結合國內外已有評價方法和新疆檉柳林自身特點, 對新疆檉柳林生態服務功能及其價值進行評估分析, 結果表明: (1)新疆檉柳林總面積為1232886.33 hm2, 主要分布在南疆地區且大多為低蓋度檉柳林, 在有檉柳林分布的十二個地州中, 巴州檉柳林面積最大, 中、高蓋度檉柳林主要分布在阿克蘇地區。(2)新疆檉柳林生態功能總價值為4360144.11 萬元, 各功能價值量大小依次為: 防風固沙>生態多樣性保護>保育土壤>固碳釋氧>營養物質積累>凈化大氣。防風固沙是新疆檉柳林最重要的生態服務功能, 其價值為3180105.99 萬元, 占總價值的72.94 %。(3)低蓋度檉柳林對新疆檉柳林生態服務功能貢獻度最大, 因而要加對強低蓋度檉柳林管護工作, 維持荒漠生態系統的穩定性。

檉柳; 生態服務功能; 評估; 價值

0 前言

生態系統的各項服務功能為人類生存提供重要的物質基礎[1], 其主要的服務功能包括直接供給功能(提供淡水、木材等)、調節功能(調節氣候等)、文化功能(休閑游憩等)和支持功能(土壤形成等)等[2]。近年來因其重要性逐漸被人們認知, 生態系統服務功能的相關研究逐漸成為生態學領域的熱點, 前人已從多個不同角度對生態系統服務功能進行了大量研究, 并已取得一些成果[3-8], 同時世界上諸如日本、英國等國家已對本國生態系統服務功能進行評估[9-12]。我國目前也已有較多關于不同尺度范圍內生態服務功能的價值評估的研究, 同時也有關于不同生態系統生態服務功能的研究[13-16], 但這些研究大多集中在環境條件較好、生態服務功能價值較高的地區, 關于干旱、半干旱荒漠地區生態系統服務功能的研究相對較少。

荒漠林生態系統是森林生態系統的組成成分之一, 對于生態環境脆弱的荒漠地區, 荒漠林生態系統的穩定就顯得尤為重要。新疆是我國荒漠化面積最大的省區, 也是荒漠林的主要分布省區。因自然條件和氣候等因素影響, 灌木通常是荒漠林的主要構成成分, 灌木因具有多分枝的莖, 故而其樹冠的防風能力較強, 對于穩定荒漠地區環境具有重要的作用[17]。檉柳()是溫帶荒漠地區生長的灌木或小喬木, 且常常作為此類地區的優勢種和建群種, 檉柳廣泛分布在新疆地區, 其具有耐貧瘠、抗旱、耐沙蝕和沙埋、壽命長、根系深等優點, 因而在干旱、半干旱地區能夠良好的生長, 是荒漠地區重要的防風固沙植物, 為減緩荒漠化過程發揮著重要的生態功能[18]。本研究以新疆維吾爾自治區二類森林資源調查數據為基礎, 對新疆境內十二個有檉柳分布的地州的檉柳林生態功能及其價值進行了科學的評估, 旨在客觀反映檉柳林的生態服務功能價值及其生態效益, 為新疆干旱區生態環境恢復與重建提供科學依據, 同時也為促進干旱區經濟可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆位于東經73°40′—96°18′, 北緯34°25′—48°10′之間, 地處中國西北邊陲, 面積166萬km2, 約占中國國土總面積的六分之一, 是中國面積最大的省級行政區。新疆屬典型的溫帶大陸性氣候地區, 氣溫年較差和日較差較大, 日照時間充足, 降水量少, 氣候干燥。新疆年平均降水量為150 mm左右, 但各地降水量相差很大。新疆氣溫和降水總體上表現為, 南疆的氣溫高于北疆, 北疆的降水量高于南疆。

研究區為新疆維吾爾自治區有檉柳分布的地州, 包括北疆的博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州)、塔城地區、伊犁哈薩克自治州(簡稱伊犁州)、阿勒泰地區、昌吉回族自治州(簡稱昌吉州), 東疆的哈密地區和吐魯番地區, 南疆的巴音郭楞蒙古自治州(簡稱巴州)、阿克蘇地區、和田地區、喀什地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(簡稱克州)。本次將檉柳天然林、次生林、人工林均納入評估范圍。

1.2 評估內容及方法

1.2.1 評估方法

結合國內外已有研究成果和檉柳林所屬荒漠林生態系統的特點, 本研究對新疆檉柳林多項生態服務功能進行評價, 其中, 檉柳林防風固沙、固碳釋氧、凈化空氣等功能的價值采用影子價格法進行計算, 保育土壤功能價值采用機會成本法和影子價格法進行計算, 牧草產量、生物多樣性保護的價值采用市場價值法進行計算。

1.2.2 計算和測定方法

本研究以新疆維吾爾自治區二類森林資源調查數據為基礎。計算中所涉及土壤相關指標測定方法如表1所示, 土壤有機質、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、含量的測定參考鮑士旦的方法[19], 氟化物、二氧化硫、氮氧化物、鉛、汞、鎘、銅、鋅含量的測定參考寧虎森等的方法[20]。植物氮、磷、鉀含量測定方法參照土壤全氮、全磷、全鉀含量測定方法。

表1 土壤指標測定方法

本次評估中, 保育土壤功能轉化為相應化肥價格及挖取運輸土方費用進行計算, 其中: 依據《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T 1721—2008)[21], 磷酸二胺含磷量為15.01%, 價格為3117.85 元·t-1; 氯化鉀含鉀量為50%; 價格為2858.03元·t-1; 有機質價格為415.71元·t-1; 參照《中國水利年鑒》(1993—1999年), 單位體積的土方挖去和運輸費用為20.09 元·m-3。積累營養物質功能計算參照保育土壤價值計算方法。固碳釋氧功能計算根據碳稅率和中國工業氧氣平均價格確定[20], 固碳價格為1200 元·t-1, 工業氧氣價格1299.10 元·t-1。生物多樣性保護功能計算參照王兵等的方法[22]。凈化大氣功能主要通過轉化為空氣污染治理費用和負離子生產費用進行計算。防風固沙功能分為防護功能和牧草增產量兩部分計算, 其中, 防護功能參照《荒漠生態系統服務評估規范》(LY/T 2006—2012)并根據實際作出相應調整[23], 固沙量計算參照韓永信等的方法[24], 因無牧草增產量研究結果, 牧草增產量計算參照宋翔等關于小麥的研究結果[25], 取牧草(苜蓿)增產幅度11%, 根據市場調查結果, 牧草(苜蓿)單位面積產量為18000kg/hm2, 牧草(苜蓿)單價為1.20 元·kg-1, 沙塵清理費用230.80 元·t-1。具體計算公式如下:

(1)積累營養物質功能計算公式

營養物質積累實物量:

式中:為林分固氮量;為林分面積;為林木氮元素含量;為林分凈生產力;為林分固磷量;為林木磷元素含量;為林分固鉀量;為林木鉀元素含量。

營養物質積累價值量:

(C/R+PC/R+KC/R)

式中:為林分年營養物質積累價值;為林分面積;為林分凈生產力;為林木含氮量;C為磷酸二銨化肥價格;R為磷酸二銨化肥含氮量;為林木含磷量;R為磷酸二銨化肥含磷量;為林木含鉀量;C為氯化鉀化肥價格;R為氯化鉀化肥含鉀量。

(2)保育土壤功能計算公式

保育土壤實物量:

式中:為林分年固土量;為林分面積;X為無林地土壤侵蝕模數;X為林地土壤侵蝕模數;G為減少的氮流失量; N為土壤含氮量;G為減少的磷流失量;為土壤含磷量;G為減少的鉀流失量;為土壤含鉀量。

保育土壤價值量:

( X ? X )

( X ? X ) NC / R + PC / R +

KC /R + MC)

式中:為林分年固土價值;為林分面積;為挖取和運輸單位體積土方所需費用;X為無林地土壤侵蝕模數;X為林地土壤侵蝕模數;為林地土壤容重;為林分年保肥價值;為林分土壤平均含氮量;C為磷酸二銨化肥價格;R為磷酸二銨化肥含氮量;為林分土壤平均含磷量;C為氯化鉀化肥價格;R為磷酸二銨化肥含磷量;為林分土壤含鉀量;R為氯化鉀化肥含鉀量;為林分土壤有機質含量;C為有機質價格。

(3)防風固沙功能計算公式

固沙實物量:=×

增產實物量:=×

式中:為檉柳林固沙量; G為檉柳林單位面積固沙產量;為檉柳林防護增產量;為因防風固沙林等森林存在而增加的單位面積牧草年產量;為林分面積。

防風固沙價值量:

式中:為森林防護價值;為由于農田防護林、防風固沙林等森林存在增加的單位面積農作物、牧草等年產量;為農作物、牧草等價格; A為林分面積。

(4)固碳釋氧功能計算公式

植被固碳量計算:

式中:為植被年固碳量;為二氧化碳中碳的含量, 為22.27%;為林分面積;林分凈生產力。

土壤固碳量計算:

式中:為土壤年固碳量;為林分面積;為單位面積林分土壤年固碳量。

植被釋氧量計算:

式中:為林分年釋氧量;為林分面積;林分凈生產力。

植被固碳價值量計算:

()

式中:為林分固碳價值(元);為二氧化碳中碳的含量, 為22.27%;林分凈生產力;為固碳價格;為單位面積林分土壤年固碳量;為林分面積。

(5)植被釋氧價值量

式中:為林分年釋氧價值;為氧氣價格;林分凈生產力;為林分面積。

(5)凈化大氣功能計算公式

負離子生產量

= 5.256 × 10×Q

式中:為林分年提供負離子個數;為林分負離子濃度;為負離子壽命;為林分高度;為林分面積。

吸收污染物量

式中:為林分年吸收二氧化硫量;為單位面積林分吸收二氧化硫量;為林分面積;為林分年吸收氟化物量;吸收污染物為單位面積林分吸收氟化物量;為林分年吸收氮氧化物量;為單位面積林分年吸收氮氧化物量;為單位面積林分年吸收重金屬量;為林分年滯塵量;為單位面積林分年滯塵量。

凈化大氣價值量

=5.256×10×AHK()

式中:為林分年提供負離子價值;為林分面積;為林分高度;為負離子生產費用;為林分負離子濃度;為負離子壽命;為林分年吸收二氧化硫價值;為二氧化硫治理費用;為單位面積林分年吸收二氧化硫量;為林分年吸收氟化物價值;為氟化物治理費用;為單位面積林分年吸收氟化物量;為年吸收氮氧化物總價值;為氮氧化物治理費用;為單位面積林分年吸收氮氧化物量;為林分年降低噪音價值;為降低噪音費用;為森林面積折合為隔音墻的公里數;為林分年滯塵價值;為降塵清理費用;為單位面積林分年滯塵量;為林分年吸收重金屬價值;為重金屬污染治理費用;為單位面積林分年吸收重金屬量。

(6)森林物種多樣性保育功能計算

式中,為林分物種多樣性保育價值年總量;為單位面積物種多樣性保育價值量;為林分面積。

本次調查研究中, 參照《一類森林資源調查報告數據技術規定》, 按照覆蓋度≥70%、70%>覆蓋度≥50%、50%>覆蓋度≥30%將檉柳林劃分為高蓋度、中蓋度、低蓋度三個監測水平。

1.3 數據分析

數據統計分析采用Excel2007, 繪圖采用orgin8.0。

2 結果分析

2.1 新疆檉柳林面積統計分析

如圖1所示, 新疆共有檉柳林1232886.33 hm2, 在有檉柳分布的十二個地州中, 其面積排序為巴州>阿克蘇地區>喀什地區>和田地區>塔城地區>哈密地區>吐魯番地區>昌吉州>阿勒泰地區>博州>伊犁州>克州。其中, 巴州的低蓋度檉柳林面積最大, 阿克蘇地區高蓋度和中蓋度檉柳林面積最大。

從不同覆蓋度檉柳林分布來看, 新疆的檉柳林主要以低蓋度檉柳林為主, 其面積占總面積的87.44%, 中覆蓋度和高覆蓋度次之, 其面積分別占總面積的10.60%和1.96%。

從檉柳林在全疆三大區域分布上來看, 南疆的檉柳林總面積和中、高蓋度面積均最大, 其總面積達1111939.57 hm2, 占新疆檉柳林總面積的90.19%, 北疆和東疆檉柳面積次之。

2.2 新疆檉柳林實物量統計分析

如表2所示, 新疆檉柳林灌木和草本年積累營養物質9596.28 t。保育土壤功能實物量中, 檉柳林年保肥1095514.33 t, 固土37993463.67 t。防風固沙功能實物量中, 檉柳林年固沙量為125094115.91 t, 牧草年增產量2441114.94 t。固碳釋氧功能實物量中, 檉柳林灌木、草本和土壤年固碳量為1224679.41 t, 年釋氧量為389788.12 t。凈化大氣功能實物量中, 檉柳林年釋放負離子1.75×1012個, 吸收污染物65.64 t, 滯塵量為63951.16 t。不同地州檉柳林生態服務功能實物量排序與各地州檉柳林面積排序一致。

圖1 各地州(a)、區域(b)、不同蓋度(c)檉柳林面積統計

Figure 1 Area offorest in different prefectures (a), regions (b), levels of coverage (c)

2.3 新疆檉柳林價值量統計分析

由表3可知, 新疆檉柳林生態服務功能總價值量為4360144.11萬元, 其中, 巴州檉柳林的價值總量達1802269.11萬元, 居全疆有檉柳林分布的十二個地州之首, 其價值量占全疆檉柳林總價值量的27.82%, 阿克蘇地區次之, 生態服務功能價值總量最低的是克州, 其生態服務功能總價值量僅為10106.37萬元。

如圖2所示, 從不同新疆檉柳林不同生態服務功能上來看, 其價值大小排序為防風固沙>生態多樣性保護>保育土壤>固碳釋氧>營養物質積累>凈化大氣。其中, 防風固沙價值量為3180105.99萬元, 占檉柳林總價值量的72.94%, 其次為生物多樣性保護價值量。不同蓋度檉柳林對生態服務功能的貢獻度依次為低蓋度>中蓋度>高蓋度, 不同區域檉柳林對生態服務功能的貢獻度依次為南疆>北疆>東疆。

3 討論

從調查結果分析可看出, 新疆的檉柳林分布極不均勻, 且檉柳林面積較大的地州均在南疆, 北疆和東疆檉柳林面積較小。這種分布狀況的形成, 主要是因為檉柳多分布于具有淺層地下水土壤鹽漬化的地區, 而南疆的氣候條件、土壤的水鹽組成和理化性質更適宜檉柳生長[26]。新疆的檉柳林主要以低蓋度林為主, 這也是檉柳在適應環境過程中, 自然形成的分布格局。中蓋度檉柳林主要在阿克蘇地區和巴州, 高蓋度檉柳林則主要分布在阿克蘇地區, 這主要是因為這些地區有較為適合檉柳生長的自然環境。

表2 新疆檉柳林生態系統服務功能實物量

表3 新疆檉柳林生態功能價值量(104 yuan·a-1)

續表

圖2 不同區域(a)、覆蓋度檉柳林生態服務功能價值量

Figure 2 Value of ecosystem services offorest in different regions (a), levels of coverage (b)

生長在干旱荒漠地區的檉柳, 具有發達的根系, 因而固沙能力較強, 這對于減緩荒漠化進程, 維持荒漠地區環境穩定顯得尤為重要。檉柳林生態服務功能實物量和價值量的統計分析結果可看出, 不同生態服務功能價值大小排序為防風固沙>生物多樣性保護>保育土壤>固碳釋氧>積累營養物質>凈化大氣, 其中防風固沙功能價值量占到總價值量的72.94%, 遠高于其他功能的價值, 可見檉柳作為新疆重要的荒漠固沙植物, 其最重要的生態服務功能是防風固沙。對比前人關于其他荒漠植物的生態系統服務功能評價結果發現, 胡楊林最重要的生態服務功能是保育土壤和涵養水源, 這可能是因為該研究的研究區設定為塔里木河流域[27]。而關于新疆另一種重要防風固沙植物梭梭的生態系統服務功能評估結果顯示, 其最重要的生態服務功能是防風固沙, 這與本次評估的結果相同[20]。

對比不同蓋度檉柳林生態服務功能價值量發現, 低蓋度檉柳林對檉柳林總生態服務功能價值貢獻度最大, 同時低蓋度檉柳林各項功能價值量均占該功能價值總量的75%以上。雖然單位面積低蓋度檉柳林產生的價值量小于中、高蓋度檉柳林, 但其分布最為廣闊, 總面積遠大于中、高蓋度檉柳林, 因而低蓋度檉柳林的管護工作就顯得尤為重要。就新疆三大區域的而言, 南疆檉柳林總面積最大, 中、高蓋度檉柳林也主要分布在南疆地區, 因此南疆地區的檉柳林對總生態服務功能價值貢獻度最大, 僅防風固沙價值一項, 南疆檉柳林的價值就占到檉柳林總價值90.23%, 足見南疆檉柳林對新疆檉柳林生態服務功能的巨大貢獻。新疆是我國荒漠化最嚴重的省區, 檉柳作為重要的防風固沙樹種, 早已成為荒漠地區生態系統重要組成部分并維持其穩定性, 同時它也是該類地區經濟發展的可靠保障。因而, 今后應更加科學經營并加強檉柳林的管護, 同時著重關注低蓋度檉柳林的發展, 防止其退化, 危害當地自然環境和經濟發展。

4 結論

(1)新疆檉柳林總面積為1232886.33 hm2, 主要分布在南疆地區且大多為低蓋度檉柳林, 在有檉柳林分布的十二個地州中, 巴州檉柳林面積最大, 中、高蓋度檉柳林主要分布在阿克蘇地區。

(2)新疆檉柳林生態功能總價值為4360144.11 萬元, 各功能價值量大小依次為: 防風固沙>生態多樣性保護>保育土壤>固碳釋氧>營養物質積累>凈化大氣。防風固沙是新疆檉柳林最重要的生態服務功能, 其價值為3180105.99 萬元, 占檉柳林總價值的72.94 %。

(3)低蓋度檉柳林對新疆檉柳林生態服務功能貢獻度最大, 因而要加強對低蓋度檉柳林管護工作, 維持生態系統的穩定性。

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Evaluation of ecosystem services offorest in Xinjiang

NING Husen1*, HE Miao1, LUO Qinhong1, JI Xiaomin1,2, LEI Chunying1,2

1. Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi 830063, China 2. Jinghe Desert Ecosystem Research Station, Jinghe 833300, China

Based on the data of second class forestry survey in Xinjiang and combined with the domestic and foreign methods, also with the characters offorest in Xinjiang, we assessed and analyzed the ecosystem services value offorest in Xinjiang in order to illustrate the ecological benefits and value offorest and provide the scientific basis for ecological restoration and reconstruction in the arid area of Xinjiang. The results showed that: (1) the area offorest in Xinjiang was 1232886.33 hm2, which was mostly distributed in southern Xinjiang and dominated by low coverage forest. Bortala prefecture had largest area among the twelve prefectures whereforest distributed in, whereas Aksu prefecture had largest area offorest with moderate and high coverage. (2) The total value of ecosystem services offorest was 43.60 billion Yuan. The order of different functional values was wind-breaking and sand-fixation>biodiversity conservation>soil conservation>carbon fixation and oxygen release>nutrients accumulation>air purification. Wind-breaking and sand-fixation were the most important function offorest with the valueof 31.80 billion Yuan andaccounted for 72.94 % of the total value. (3)forest in low coverage made great contribution to the total value of ecosystem service, therefore,enhancingits management and conservation is necessary to maintain the stability of desert ecosystem.

; ecosystem service; evaluation; value

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.016

S157.2

A

1008-8873(2019)04-111-08

2017-12-15;

2018-02-01

中央財政林業科技推廣示范項目“塔克拉瑪干沙漠北緣防風固沙體系構建技術示范與推廣”(新[2017]TG20號)“十二五”國家科技計劃課題(2012BAD16B0305)、(2012BAD16B0102); 2017年新疆林業科技項目“新疆森林資源生態質量與生態效益動態監測評估”

寧虎森(1966—), 男, 教授級高級工程師, 主要從事生態恢復和荒漠化防治等方面的研究, E-mail: ninghusen@sina.com

寧虎森, 何苗, 羅青紅, 等. 新疆檉柳林生態服務功能及其價值評估分析[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 111-118.

NING Husen, HE Miao, LUO Qinhong, et al. Evaluation of ecosystem services offorest in Xinjiang[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 111-118.