1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能評估

高帆, 彭祚登,* , 徐鵬

1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能評估

高帆1, 彭祚登1,*, 徐鵬2

1. 北京林業大學, 林學院省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京 100083 2. 國家林業局, 天然林保護辦公室, 北京 100714

森林生態系統服務功能的發揮受森林資源動態消長的影響, 簡便有效的森林生態服務功能評估可為生態補償制度的制定和生態GDP的核算提供科學依據。通過耦合第七次國家森林資源連續清查期間全國各省份森林面積、蓄積和同時期森林生態服務功能物質量、價值量的監測數據, 構建最優評估模型, 預評估不同清查時期貴州省森林生態系統服務功能物質量和價值量的動態變化。結果表明: (1)反映森林資源特征與森林生態系統服務功能間協同關系的最優評估模型為=a+b+c。(2)貴州省森林生態系統服務功能物質量總體呈增加趨勢, 其中第五次清查期間, 各項指標增長率波動較大, 介于40.50%—139.26%; 價值量各項指標呈上升趨勢, 各項占總價值量比重的波動較小, 其中涵養水源所占比重最大, 介于40.30%—40.79%, 再次為生物多樣性保護, 為23.76%—32.27%, 剩余各項依次為固碳釋氧、保育土壤、凈化大氣環境和積累營養物質。(3)第九次清查期間貴州省森林生態系統服務總價值量達3564.17 ×108元·a–1, 相當于該省當年GDP的24.07%。通過評估得到貴州省森林提供生態服務的潛力較大, 尤其體現在涵養水源、生物多樣性保護和固碳釋氧等方面。

森林生態系統; 服務功能; 物質量; 價值量; 評估模型; 貴州省

0 前言

森林生態系統作為地球上復雜、多功能、多物種、多效益的自然生態系統, 向經濟社會提供固碳和釋氧、大氣環境凈化、涵養水源、水土保持、土壤保肥、林木營養物質積累等服務功能[1-2]。森林生態服務功能評估對于幫助人類平衡社會發展與森林可持續經營及促進將生態環境納入國民經濟核算體系具有現實指導意義[3-4]。1997年, Costanza等[5]從生態系統服務角度評估得到全球生態系統平均服務價值為33×108美元·a–1, 這有效地促進了全球各國對生態系統服務功能評估的深入研究, 日本[6-7]、英國[8]、柬埔寨[9]等國家相繼評估了本國的森林生態服務功能價值。根據Costanza等人的評估方法, 我國學者靳芳等[4]構建了一套適用于我國森林生態系統服務功能評估的指標體系, 徐雨晴等[10]分析了中國未來森林生態系統服務價值的時空特征。謝高地等[11]基于對700位生態學專業人員的調查得到一套生態系統服務功能價值評估單價體系。中國國家林業局分別于2003年和2008年頒布并實施《森林生態系統定位觀測指標體系》(LY/T 1606-2003)[12]和《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T 1721—2008)[13], 這成為我國森林生態系統服務功能評估規范化和標準化的標志。基于此規范, 學者采用機會成本法[14]、市場價格替代法[14]、影子工程法[15]、費用支出法[15]、當量因子法[16]、物質量和價值量評估法[17-18]等研究方法對國家、省、地區等不同范圍尺度下的森林生態服務功能進行了評估。趙景柱等[19]比較了生態系統服務功能物質量評估和價值量評估的兩類評估方法優缺點。也有學者利用全國森林資源清查數據, 得到第七次和第八次清查期間我國的森林生態系統服務總價值量分別為10.01[20]、12.68×108元·a–1[21]。另有學者也針對貴州省全省[22-23]、不同區域[24-26]的森林生態系統服務功能進行了評估。但這些研究多存在數據量要求高、數據收集困難、測算量龐大等問題[4], 且評估多為靜態, 對時空變化的研究稍顯不足, 這大大制約了評估的時效性和動態性。因此, 隨著我國森林資源不斷增加, 如何簡便快速、科學有效地評估森林生態系統服務功能并分析其動態變化過程亟待解決。

貴州省森林資源多樣, 森林類型豐富, 是長江上游重要生態屏障, 在全國森林生態系統和中國生態文明建設中地位突出[23]。同時, 貴州省地形復雜, 森林生態系統穩定性弱, 抗干擾能力差, 是全球氣候的生態敏感響應區。科學合理、簡便有效地評估貴州省森林生態服務功能對保護我國森林生態系統和維持可持續發展的意義重大。本研究基于具有分布廣、統計數據集中、時間連續性強、森林類型全面等優點[27]的國家森林資源連續清查(下文稱清查)及國家森林生態系統長期定位觀測獲取的數據[28-29], 在森林面積和蓄積是引起森林生態服務功能變化最主要因素的研究基礎上[28-31], 構建了揭示森林生態系統服務功能與森林面積、蓄積之間關系的最優評估模型, 分析了1977年—2018年貴州省森林資源和森林生態系統服務功能的動態變化特征, 并預估了第九次清查期間貴州省森林生態系統服務功能的物質量和價值量, 以期為貴州省核算生態GDP和制定生態補償制度提供理論支撐。

1 研究區概況

貴州省(103°36'E—109°35'E、24°37'N—29°13'N)地處中國西南部, 云貴高原東端, 長江和珠江的分水嶺處。全境位于東亞濕潤季風區內, 以北盤江為界, 境內東西氣候分明, 東部常年濕潤, 西部及南部河谷區干濕季節明顯。省內大部分地區年均氣溫在14—16 °C間, 全省年均降水雨量在1000—1500 mm, 夏季降水量占年均降水量的70%—85%, 水分資源充沛, 總體分布趨勢為東部多于西部, 南部多于北部。

林業生產利用地貌條件使得貴州省分為黔東地山丘陵區(200—500 m)、黔北山地區(800—1200 m)、黔南低中山峽谷區(600—1400 m)、黔中山原區(800—1400 m)和黔西高原中山區(1400—1600 m )5大地貌區, 境內喀斯特地貌形態多樣。森林植被類型以杉木林、馬尾松林等為主, 地帶性植被為常綠闊葉林。第九次國家森林資源清查結果顯示[32], 貴州省森林覆蓋率為43.77%, 其中, 天然林面積336× 104hm2, 人工林面積315×104hm2, 森林面積總計771×104hm2; 天然林蓄積22597×104m3, 人工林蓄積16586×104m3, 森林蓄積總計39183×104m3。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究數據取自以下三個方面:

(1)貴州省第二次至第九次國家森林資源連續清查數據(表1), 由國家林業和草原科研數據中心提供[32]。

(2)第七次清查期間中國森林生態系統服務功能物質量和價值量的監測數據, 取自《中國森林生態系統服務功能研究》[28]和《中國森林生態服務功能評估》[29]。上述專著內容采用長期定位觀測技術和分布式測算方法, 以省(自治區、直轄市)為基本單元, 區分林齡組、林分類型和立地條件, 基于統一的中國森林生態系統服務功能評估評價指標體系和測度方法等行業標準[12–13]獲取。

(3)貴州省2018年的水資源總量和國民生產總值(GDP), 參照中國權威機構公布的社會公共數據: 《2018年貴州省水資源公報》[34">[33?和《貴州省2018年統計年鑒》[34]。

2.2 模型篩選與構建

利用第七次清查期間各省份森林資源量與森林生態服務物質量和價值量之間散點圖的分布特征、森林面積作為自變量直接參與森林生態服務功能物質量和價值量各項指標計算的計量原理[28–29]及前人對森林面積、蓄積和森林生態服務功能之間關系研究的成果[30–31], 初步選出以下4種評估模型:

一元一次線性模型:=aX+b (1)

二元一次線性模型:=aX+bX+c (2)

一元二次函數模型:=aX2+bX+c (3)

冪函數模型:=aXb(4)

上式中, 森林面積(, 萬hm2)和森林蓄積(, 萬m3)分別對應自變量X和X, 物質量或價值量對應因變量, a、b、c為擬合參數。

本研究選用決定系數(DC)和均方根誤差(RMSE) 比較模型優劣, 其中, 較精準的模型擬合結果為DC趨近1, RMSE趨近0。采用Excel 2018整理數據, SPSS 18.0軟件中的回歸分析進行數據擬合和檢驗。

2.3 貴州省森林生態系統服務功能動態評估

將歷次清查期間貴州省森林面積和蓄積帶入最優評估模型, 得到各個時期貴州省森林生態服務功能的物質量和價值量。利用Excel 2018統計數據, Origin 2017繪圖。

3 結果與分析

3.1 貴州省森林資源變化特征

貴州省森林資源變化特征如下(表1)。森林覆蓋率從第二次清查期間的13.10%提高到第九次清查期間的43.77%。森林面積從206.69 ×104hm2增長到771.00 ×104hm2,總體呈上升趨勢, 只在第三次清查期間出現負增長, 這可能是由當時國家經濟的快速發展, 基礎設施建設增多, 占用了部分林地引起的。自20世紀90年代國家實施六大林業工程開始, 森林面積恢復增長態勢, 第五次清查之后森林面積呈快速上升趨勢。

3.2 森林生態系統服務功能最優評估模型

在二元一次回歸模型中, 各項指標DC相對最大, RMSE相對最小, 其DC值介于0.64—0.95間, 其中, 大于0.70的指標共有18個; RMSE介于1.10—29536.11間。其余一元線性回歸模型、二次函數模型及冪函數模型的DC值相對小, 而RMSE值相對大。基于此, 確定本研究中森林生態服務功能物質量和價值量的最優評估模型為= a+b+c, 物質量和價值量各項指標與森林面積、蓄積之間呈線性相關關系。四種評估模型擬合結果見表2。

3.3 貴州省森林生態系統服務功能物質量動態變化

物質量評估變化顯示(表3): 涵養水源量增長了127.26×108m3·a–1。保育土壤功能中固土量增長最多, 為16022.97×104t·a–1, 其余依次為減少有機質、K、N、P損失量, 分別增長了497.31、280.02、27.17、14.62×104t·a–1。森林固碳量由初始的264.06×104t·a–1增加到1313.72×104t·a–1, 制氧量增加了3394.64 × 104t·a–1。林木積累營養物質量中, 依次為積累N、K、P量, 分別增長了37.46、29.59、7.91×104t·a-1。森林凈化大氣環境功能中, 提供負離子量增加了4.70×1025個·a–1后達6.18×1025個·a–1; 吸收污染氣體量各項: 吸收SO2、HF、和NOx量分別增長了94910.48、5882.46、3980.57×104t·a–1, 滯塵量也由最初的332.59×109kg·a–1增加了1659.37×109kg·a–1。

總體而言, 物質量各項指標均明顯上升, 凈化大氣環境和積累營養物質方面尤為顯著。在第三次清查期間, 物質量各項均出現負增長, 在第五次清查期間, 物質量增長率變化波動較大, 介于40.50%—139.26%。這與各清查時期森林面積的變化動態保持一致。

3.4 貴州省森林生態系統服務功能價值量動態變化

價值量評估變化顯示(表4): 截至2018年, 價值量各項: 森林涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境分別增長了1035.59、227.41、429.11、66.66、256.28、521.91×108元·a–1。歷次清查期間的總價值量分別為1027.21、974.49、1077.50、1737.60、1775.31、1978.96、2592.01、3028.4、3564.17×108元·a–1, 總體均逐漸上升。

其中, 第三次清查期間, 價值量各項指標略呈負增長, 第四至第九次清查期間均為正增長; 第五次和第七次清查期間價值量的增長率波動較大, 第八和第九次期間價值量增長率波動雖較小, 但此時的森林面積和蓄積基數本身較大, 森林資源稍有增加都會引起價值量的較大增長(圖1)。

價值量各項所占的比重波動較小, 歷次占比依次為: 涵養水源、生物多樣性保護、固碳釋氧、保育土壤、凈化大氣環境和積累營養物質, 貴州省森林生態系統服務功能的價值主要體現在涵養水源和生物多樣性等方面, 同時也提供固碳釋氧、保育土壤等其他生態服務功能。

3.5 第九次清查期間貴州省森林生態系統服務功能預估

截至2018年, 第九次清查期間貴州省森林生態服務功能物質量和價值量評估結果如下(表3, 表4)。物質量各項: 涵養水源量、固土量、減少N、P、K、有機質損失量、固碳量、釋氧量、積累N、P、K量、提供負離子量、吸收SO2、HF 和NO污染氣體量、滯塵量分別增長至: 178.41×108m3·a–1、23128.05、43.54、22.08、384.17、767.14×104、1313.72、4379.18、43.49、9.22、34.56×104t·a–1、6.18×1025個·a–1、115164.48、7054.44、5505.03×104t·a–1、1991.96×109kg·a–1。

截止2018年, 該省森林涵養水源量相當于該年全省水資源總量的18.21%; 保育土壤功能中固土量最大, 其余各項依次為減少有機質、K、N、P損失; 森林固碳量和制氧量顯著增加, 林木積累營養物質量由高到低為積累N＞K＞P; 森林提供負離子量和滯塵量均顯著增加, 吸收污染氣體量由大到小為吸收SO2＞NO＞HF。價值量各項指標從小到大為: 積累營養物質、凈化大氣環境、保育土壤、固碳釋氧、生物多樣性保護、涵養水源; 總價值量達3564.17× 108元·a–1, 相當于該省當年GDP的24.07%。貴州省森林提供生態服務的潛力巨大, 尤其體現在涵養水源、生物多樣性保護和固碳釋氧等方面。

表1 1977—2018年貴州省森林資源變化特征

注: 第六次*及之前的森林資源清查數據統計以針葉林和闊葉林的面積或蓄積的統計量, 第六次及之后的森林資源清查數據統計以針葉林、闊葉林、竹林及特殊灌木林之和作為面積或蓄積的統計量。

圖1 1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能價值量增長率變化及各項指標占比

Figure 1 Changes of the growth rates and proportions of various indicators of the value of forest ecosystem services in Guizhou Province from 1977 to 2018

表2 四種評估模型擬合結果及最優評估模型的指標擬合參數

表3 1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能物質量評估結果

表4 1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能價值量評估結果

4 討論

森林生態系統服務功能包括森林向經濟社會系統提供的有用物質和能量、對經濟社會系統的廢棄物的接受和轉化、以及直接向人類社會成員提供服務, 由于缺乏對生態系統變化的原因以及評價與管理決策之間關系的考慮, 因此, 不能簡單地將這些框架應用于生態服務功能的評價[2]。傳統森林生態系統服務功能評估多存在數據收集和測算難度大、更新時間長等問題, 導致評估的實時更新測算困難[9]。而國家森林資源清查數據具有覆蓋范圍廣、數據獲取準確及時、涵蓋森林類型全面等優點[27], 且森林資源作為森林生態系統服務功能發揮的載體, 其時空分布、動態消長的變化終會反映在森林生態系統服務功能上[28], 這為研究提供了數據支撐。森林面積作為自變量直接參與森林生態服務功能物質量和價值量各項指標的計算[28–29], 在森林面積、蓄積與森林生態系統服務功能物質量和價值量的相關散點圖中, 散點分布在一條直線左右[31], 且森林生態服務價值量與森林面積、蓄積均顯著相關[30], 即研究區森林生態服務價值量隨森林面積和蓄積的增大而增加。這表明, 森林生態系統服務功能與森林面積、蓄積之間的聯系非常緊密, 為本文提供了研究依據。筆者基于這些研究, 通過緊扣國家森林資源清查數據與森林生態系統服務功能評估量之間的緊密聯系, 構建了森林生態系統服務功能最優評估模型, 并基于此模型評估了第二至第九次清查期間貴州省森林生態系統服務功能的物質量和價值量。與傳統直接測算的方法相較, 本研究在數據獲取難易程度、數據測算量、時新性等方面優越性顯著, 這為估算區域森林生態系統服務功能和探索其動態變化規律提供了一條簡便有效的途徑。

評估森林生態系統物質量對反映森林生態系統服務功能發揮的生態過程更為直觀[28]。而森林生態系統服務價值量的評估既能綜合各單項生態功能, 又能對不同生態系統的同一項生態服務價值作比較[29]。宋慶豐等[21]利用第一到第八次森林資源清查數據, 基于森林生態連清技術體系對我國40年的森林生態功能變化特征進行了分析, 結果顯示在國家尺度上, 森林生態系統的調節水量、固土量、保肥量、固碳量、釋氧量、林木積累營養物質量、產生負離子量、吸收污染氣體量、滯塵量分別增加了2827.72 ×108m3·a–1、37.04 ×108t·a–1、1.84 ×108t·a–1、2.06 ×108t·a–1、7.36 ×108t·a–1、1190.28 ×104t·a–1、91.46 ×1025個·a–1、191.95 ×108kg·a–1、28.53 ×108t·a–1; 本研究得到貴州省各項指標增長量占全國的比例介于4.33%—6.31%, 在此期間, 全國和貴州省的森林面積分別增長了8569.00 ×104ha、564.31 ×104ha, 貴州省森林面積增長量占全國的6.69%。本研究得到貴州省第二至九次清查期間森林生態系統總價值量分別為1027.21、974.49 、1077.50 、1737.60 、1978.96 、2592.01 、3028.45、3564.17 ×108元·a–1, 運用相同的評估方法, 張崗崗等[35]評估了此期間陜西省森林生態系統總價值量分別為1976.66、2061.41、2064.46、2324.02、2394.08、3510.69、3896.77、4069.95 ×108元·a–1, 各次清查期間貴州省總價值量占陜西省的51.97%、47.27%、52.19%、74.77%、64.15%、73.83%、77.72%、87.57%, 而各時期貴州省森林總面積占陜西省為49.67%、44.98%、50.61%、74.57%、62.72%、72.56%、76.57%、86.92%。這說明本研究所提供的評估模型較合理, 能夠較好地揭示森林資源變化特征與森林生態服務功能發揮之間的關系。

本研究利用的物質量評估指標體系以森林生態過程、服務形成機理等為構建基礎, 在一定程度上可推進生態系統服務功能發揮機理的相關研究, 部分森林生態服務的稀缺性也可通過價值量評估方法得到及時反映, 這是建立生態服務市場的重要途徑。如何憑借森林生態系統服務評估結果, 探索森林生態過程、結構、功能與經濟學原理之間的有機結合并制定科學合理、可持續的森林生態系統開發利用方案或許是下一步研究的重點所在。

5 結論

森林生態系統服務功能最優評估模型為=a+ b+c, 該模型體現出森林面積、蓄積與森林生態系統服務功能間的相關關系, 為估算貴州省森林生態系統服務功能和生態GDP提供了一條簡便有效的途徑。

1977—2018年貴州省森林資源量逐漸增加, 森林生態服務物質量各項指標也顯著增加, 尤以凈化大氣環境和積累營養物質方面的增加為主。價值量總體上呈增長態勢, 各項指標所占總價值量的比重波動較小, 其中涵養水源比重最大, 介于40.30%—40.79%, 再次為生物多樣性保護, 達23.76%—32.27%, 價值量各項占比從小到大排序為: 積累營養物質、凈化大氣環境、保育土壤、固碳釋氧、生物多樣性保護、涵養水源。

通過預估, 第九次清查期間貴州省森林生態系統服務總價值量達3564.17 ×108元·a–1, 相當于該省當年GDP的24.07%, 這表明貴州省森林提供生態服務的潛力較大, 尤其體現在涵養水源、生物多樣性保護和固碳釋氧等方面。

定量分析1977—2018年貴州省40年間的森林生態系統服務功能動態變化, 以貨幣的形式充分展現了第九次清查期間該區森林生態系統服務功能的經濟價值, 這對平衡貴州省森林資源利用與可持續發展、制定生態補償制度具有重要意義。

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Evaluation of the service functions of the forest ecosystem in Guizhou Province during 1977-2018

GAO Fan1, PENG Zuodeng1,*, XU Peng2

1. Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 2. Natural Forest Protection Office, State Forestry Administration, Beijing 100714, China

The performance of forest ecosystem services is influenced by the dynamic growth and decline of forest resources. A simple and feasible way of evaluation of the forest ecosystem services can provide a scientific basis for the formulation of ecological compensation systems and the calculation of ecological GDP. By coupling the monitoring data of the forest area and volume, and the corresponding material quality and values of forest ecological service functions in all the provinces of China during the seventh National Forest Inventory (NFI), this research constructed an optimal evaluation model. The model was applied to analyze the forest ecosystem services and the dynamic changes of the functions in Guizhou Province during the different NFI. The results showed that: (1) The optimal evaluation model reflecting the cooperative relationship between forest resource characteristics and forest ecosystem service functions was=a+b+c. (2) The material quality of the service functions of the forest ecosystem in Guizhou Province was generally improving. During the fifth inventory, the growth rate of various indicators fluctuated greatly, ranging from 40.50% to 139.26%; each indicator of the value showed a continuous upward trend. The fluctuation of the proportion of various indicators in the total value was relatively small, among which, the proportion of water conservation was the largest, ranging from 40.30% to 40.79%, followed by biodiversity conservation, amounting to 23.76% to 32.27%, while the proportions of the remaining items were carbon sequestration and oxygen release, soil conservation, air purification and accumulation of nutrients. (3) During the ninth inventory, the total value of forest ecosystem services in Guizhou Province reached 3564.17×108yuan·a–1, equivalent to 24.07% of the GDP in the research area during the same period. Through evaluation, it is concluded that the forests in Guizhou Province have great potential for providing ecological services, especially in terms of water conservation, biodiversity protection and carbon sequestration and oxygen release.

forest ecosystem; service function; material quality; value; evaluation model; Guizhou Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.021

S718.56

A

1008-8873(2022)04-181-08

2020-07-22;

2020-10-09

中國工程院生態文明建設若干戰略問題研究咨詢項目“天然林保護戰略問題專題”(2014HXFWLXY008); 國家林業局天然林保護工程管理中心業務委托項目(lxy20151207)

高帆(1996—), 女, 山東淄博人, 碩士研究生, 主要從事天然林保護與培育研究, E-mail:gyifan0621@.com

通信作者:彭祚登, 男, 副教授, 博士, 主要從事森林培育研究, E-mail:zuodeng@sina.com

高帆, 彭祚登, 徐鵬, 等. 1977—2018年貴州省森林生態系統服務功能評估[J]. 生態科學, 2022, 41(4): 181–188.

GAO Fan, PENG Zuodeng, XU Peng, et al. Evaluation of the service functions of the forest ecosystem in Guizhou Province during 1977-2018[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 181–188.