西部干旱半干旱地區森林生態系統服務功能價值研究
——以四子王旗國家級公益林為例

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.內蒙古自治區林業和草原監測規劃院，呼和浩特 010020）

生態系統服務是指人類從生態系統獲得的各種惠益[1]。森林除了直接產出豐富林產品外，更具有固炭釋氧、調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙、改良土壤、減少污染、美化環境等多種服務功能[2]。生態服務功能的價值評估是將生態服務功能進行貨幣化的過程，對國家級公益林進行生態服務功能價值評估，能以更直觀的方式體現公益林為當地居民以及周邊區域帶來的各種益處。公益林生態服務功能價值評估，對提高公眾環境保護意識、助力傳統國民經濟核算體系走向環境與經濟一體化核算體系、減少資源的過度消耗與生態破壞、促進森林生態系統可持續發展，都能起到相當的作用。隨著社會對生態系統服務功能認識的深入與相關研究與應用的不斷發展，生態系統服務功能也已成為公益林效益評價指標體系中重要的組成部分。

公益林生態系統服務功能價值評估，還可以為生態補償制度的設計與利益分配的公平性提供基礎。生態補償也已成為保護生態系統服務功能的重要經濟手段之一[3]，通過政策制度保護，使生態系統持續提供上述的服務功能，是開展生態補償的最終目的，因此，在生態補償制度設計時，應以生態系統提供的服務功能作為其科學基礎[2]。

內蒙古西部地區自然條件相對惡劣，氣候干旱，風沙大、降水少、植被覆蓋度低，荒漠化與水土流失情況較重，屬于生態狀況脆弱地區。在這些地區，國家級公益林在維護國家生態安全、國防安全，改善區域生態狀況，保障人居環境質量方面起著至關重要的作用。國家級公益林以灌木林地為主，其國家級公益林資源結構，在內蒙古西部地區具有一定典型性。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區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，地理坐標為北緯40°20′～42°40′，東經110°20′～113°00′，總面積25 513 km2該區域地處中溫帶，屬大陸性季風氣候區，年降水量110～350 mm，且分布不均，年際變幅大，年蒸發量2 300～2 400 mm。年平均氣溫1～6 ℃，年平均風速3.6 m/s，年平均無霜期為78～142 d。該區域植被特征從南向北可分為山地半干旱草原植被類型、丘陵半干旱草原植被類型、高原干旱荒漠草原植被類型、草甸植被類型等。

1.2 國家級公益林概況

四子王旗國家級公益林均被列入中央財政森林生態效益補償范圍，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%。研究區國家級公益林主要群落類型有檸條灌木林、楊樹人工林、榆樹人工林、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南部，天然檸條灌木林主要分布于中部與北部；楊樹人工林、榆樹人工林、落葉松人工林面積占比僅2.73%，且分布集中。詳見表1。

表1 四子王旗國家級重點公益林面積統計表

2 研究方法

2.1 樣地布設與樣品采集

本研究采用樣地調查與國家級公益林落界成果數據、森林資源規劃設計調查（二類調查）數據結合的方式，從典型樣地與相關數據庫中提取所需的參數，測算四子王旗國家級公益林生態系統服務功能物質量與價值量。

根據研究區國家級公益林資源分布特點，以起源、優勢樹種為主要因子，采用典型抽樣法選取并布設調查樣地，規格為60 m×10 m。共布設樣地33塊，其中人工喬木林樣地12塊，優勢樹種為楊樹、榆樹、落葉松；人工灌木林地樣地15塊，優勢樹種為檸條；天然灌木林地樣地6塊，優勢樹種為檸條、紅砂。在樣地內，沿對角線設置3個5 m×5 m的灌木樣方，每個灌木樣方中各設置一個1 m×1 m的草本樣方，用于灌木生物量與灌木、草本生物多樣性調查。

2017 年8 月進行生物多樣性調查；喬木層調查因子包括樹種、起源、林齡、胸徑、樹高；灌木調查因子包括種名（或優勢種）、平均高、蓋度、冠幅、株數；草本調查種名、株（叢）數、平均高、蓋度。2018 年8月采集土壤樣品，進行土壤理化指標分析；土壤采用土壤剖面法進行分層采集環刀樣品與土壤分析樣品。土壤容重測定采用環刀法；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法[4]；全N 采用高氯酸—硫酸消化，開氏定氮儀法；全P 采用高氯酸—硫酸消化，分光光度計法[4]；全K 采用氫氟酸—高氯酸熔融，原子吸收儀法[5]。2019 年8 月進行生物量調查。喬木林生物量采用生物量拓展因子法與含碳率法，灌木生物量測定采用收獲法。灌木采樣時首先根據灌木樣方調查結果，分別確定不同灌木樹種、等級的樣株3～5株，在樣方外圍進行取樣，分別干、枝、葉、果、根稱重，取樣并帶回實驗室烘干。

2.2 計算方法

2.2.1 生物量與固碳釋氧功能計算方法

喬木生物量計算方法，采用樣地調查結合二類調查數據的方式，根據各優勢樹種（組）面積與材積，利用基本木材密度（D）和生物量擴展因子（BEF）將林木樹干材積轉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化為碳含量[6]。

式中：Bi=樹種i的生物量；t d.m.；Ci=樹種i的生物質碳儲量；t C；Vi=樹種i的蓄積；m3；Di=樹種i的基本木材密度（帶皮）；t d.m·m-3；BEFi=樹種i的生物量擴展因子，用于將樹干材積轉化為林木地上生物量；無量綱；CFi=樹種i的含碳率；t C(t.d.m.)-1；i=1,2,3……樹種。

灌木層生物量計算方法，根據調查樣方灌木株（叢）數、樣品鮮重、標準灌木鮮重數據，根據下式計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—每株平均標準灌木鮮重，g；N—樣方灌木總株數；Mshrub_sum—單位面積灌木生物量，t·hm-2；Nplot—樣方數；Splot—樣方面積，m2。

植被碳庫計算公式如下：

式中，Ci為第i類固碳量（t），Mi為第i類生物量（t），Fi為第i類含碳率。

采用碳稅法對森林固碳價值進行估算[7]。依據計算出的植被碳儲量推算植被釋氧量，釋氧價格采用國家權威部門公布的氧氣商品價格進行估算。

2.2.2 其他生態系統服務功能計算

采用水量平衡法計算森林涵養水源的能力及對其涵養水源價值進行評估[8]，森林涵養水源價值核算采用影子工程法[7]。生態系統土壤保持量由潛在土壤侵蝕量與現實土壤侵蝕量進行估算[9-11]，森林固土功能價值量評價采用機會成本法[7]，根據森林固土量與研究區測定的土壤有機質、全N、全P、全K含量，折算成磷酸二銨和氯化鉀的價值來體現保肥價值[7]。采用面積—吸收能力法計算降解SO2、NOX與滯塵能力，價值量采用吸收量乘以治理價格進行估算[7]。物種保育價值采用單位面積年物種損失的機會成本估算[7]。

3 結果與分析

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系統通過森林植被、土壤動物和微生物固定碳素、釋放氧氣的功能。森林生態系統具有強大的碳吸收能力，與大氣進行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，而且有效地維持了大氣中CO2和O2的動態平衡，為人類提供了適宜的生存環境。經測算，四子王旗國家級重點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，國家級重點公益林植物固碳量為99.83 萬噸，植物固碳功能的經濟價值為91 986.29 萬元。國家級重點公益林釋氧量為196.21 萬噸，釋放O2的經濟價值為196 204.74 萬元。

四子王旗公益林固碳釋氧功能的總經濟價值為288 191.03 萬元。由于此次研究中未包含森林年凈生長量調查，所以，該計算結果為公益林固碳釋氧存量價值。詳見表2。

表2 四子王旗國家級重點公益林固碳釋氧功能物質量與價值量

3.2 公益林生態系統服務功能

經測算，四子王旗國家級重點公益林在支持、調節、供給等三個方面所發揮的服務功能價值量為159 873.35萬元/a。支持服務功能包括固土保肥功能，四子王旗國家級重點公益林年固土量為20.92萬噸，年保肥量為8.26 萬噸，固土保肥價值量為27 629.78萬元，占總服務功能價值量的17.28%；調節服務功能包括涵養水源、凈化大氣環境、森林防護等功能，四子王旗國家級重點公益林年調節水量為8 203.98 萬立方米，凈化水質量8 203.98 萬立方米，涵養水源總價值量為28 221.68 萬元，占17.65%；公益林每年在凈化大氣環境方面所發揮的價值為16 939.91萬元，占總價值的10.60%；研究區國家級重點公益林每年防風固沙面積4.42萬公頃，每年在森林防護方面所發揮的價值為8 957.98 萬元；供給服務功能包括生物多樣性保護功能，四子王旗國家級公益林，在物種保育方面所發揮的價值達到了78 124.00 萬元，占總價值量的48.87 %。詳見表3。

表3 四子王旗國家級重點公益林生態系統服務功能物質量與價值量

3.3 分析

國家級公益林區各森林類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系，研究區喬木林單位面積生物量高于灌木林，但由于研究區氣候干旱，土壤水分條件較差等原因，導致當地公益林區喬木林質量不高，所起到的生態功能有限；作為主導四子王旗國家級重點公益林生態系統生產力的主要部分，灌木林生物量占公益林總生物量的96.16 %，在固碳釋氧方面發揮著主要功能。在研究中發現，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力較低，蓋度在30%～40%間時僅為天然檸條的1/3，人工建設的公益林發揮的固碳釋氧功能相當可觀。

森林生態系統在生物多樣性維護方面起到非常重要的作用，生物多樣性與生態服務功能之間的關系復雜[3]。根據樣地調查結果可知，研究區不同森林類型香農指數差別較大，喬木林中，人工楊樹林香農指數小于1，人工榆樹林與人工落葉松林香農指數大于1；灌木林中，人工灌木林香農指數大于1，天然灌木林小于1。總體來說，研究區國家級公益林區植被香農指數大部分在1～1.5 之間，相對較低。盡管如此，研究區國家級公益林所具有的物種保育價值也達到了78 124.00 萬元，并占總價值的將近一半。森林涵養水源的能力與森林的面積與區域降水量、蒸發量有很大的關系，研究區年平均降水量較少，森林年蒸散量大，氣候條件制約了公益林涵養水源的能力與其發揮的價值，研究區喬木林比重很低，所以，限制了喬木林分調節水量的能力與價值。

對四子王旗所在的區位而言，防風固沙功能是非常重要的區域需求，通過價值評估可知，其每年防護面積達到4.42萬公頃，年滯塵量達到112.92萬噸，每年可以固定土壤20.92萬噸。

通過森林生態系統服務功能價值評估過程可以看出，森林的面積與質量直接關系到服務功能的質量與價值，因此，通過公益林補償機制的實施，對公益林資源進行保護與合理的營造能有效地提高森林的面積以及質量，進而提高公益林的生態服務價值。

4 結論

總體來說，研究區國家級公益林的生態系統服務功能價值量是相當可觀的，但由于地理環境與植被特征等因素影響，研究區單位面積服務功能價值仍處于較低水平，尤其針對以灌木群落為主的干旱半干旱區森林生態系統而言，碳儲量與固碳釋氧、涵養水源等能力均相對較弱。灌木作為干旱、半干旱區重要的森林資源組成部分，通過合理的保護措施，提高其質量無疑對提高干旱、半干旱地區的森林生態功能的更好發揮具有重要意義。國家級公益林的區劃界定與建設以及生態效益補償機制的實施對處于生態區位極為脆弱地區森林資源的保護發揮著重要作用。