張掖市森林網絡體系建設工程生態服務功能價值評估

曾萬祺梁麗娟蘇付榮

(1.甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅 張掖 734000；2.民樂縣林業和草原局，甘肅 民樂 734500；3.張掖市林業科學研究院，甘肅 張掖 734000)

生態系統服務功能對實現林業可持續發展具有重要的作用[1]。近年來，生態系統服務功能的研究引起國內外眾多學者的關注，更多的專家學者從生態領域對森林生態系統開展了服務功能體系完整的深度研究，為張掖市林業可持續發展和生態環境保護提供了科學依據。張掖市地處我國西部干旱地區，屬大陸性氣候，干旱少雨，生態環境較為脆弱。近年來，張掖市立足國家“兩屏三帶”生態安全戰略，以建設國家西部重要生態安全屏障為核心，以保護山水，增加綠量，治理風沙為主線，依托林業重點生態工程，圍繞南部祁連山水源涵養區、中部綠洲生態質量提升區、北部荒漠沙化綜合治理區，大力推進實施森林網絡體系建設工程，著力打造河西走廊森林城市，取得顯著生態效益。本研究以張掖市森林網絡體系建設工程成果為基礎，分別對其生態系統保育土壤，涵養水源，固碳釋氧，凈化大氣環境，防風固沙和生態系統游憩等生態系統服務功能價值進行了評估，分析了森林網絡體系建設工程為張掖市生態環境保護帶來的生態效益，對平衡當地經濟發展和環境生態建設有重要參考意義[2-6]。

1 研究區概況

張掖市地處甘肅省河西走廊中段，位于E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，轄山丹、民樂、甘州、臨澤、高臺、肅南5縣1區，總土地面積4.19萬km2。境內海拔1284～5564m，相對高差4280m。屬典型的大陸性干旱、半干旱氣候，具有日照長、光照充足，晝夜溫差大，夏熱冬寒，干燥多風，降雨稀少，蒸發強烈等特點。年日照時數3000～3600h，年平均降水量110～340mm，蒸發量1400mm以上，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-28.6℃，年平均氣溫6～8℃，無霜期112～145d。張掖市境內各類生態系統交錯銜接、復雜多樣，主要包括祁連山水源涵養區、黑河綠洲、荒漠戈壁，雪山冰川、森林草原、濕地候鳥、荒漠沙丘等地貌，包含祁連山、黑河濕地2個國家級自然保護區[7]。

2 評估方法

采用《森林生態系統服務功能評估規范》中的指標體系和評估公式，利用衛星影像數據，結合張掖市多期林業生態監測結果相關科研成果和社會經濟調查統計等資料，綜合運用動態監測、生態效益評價等方法和手段進行評估[8，9]。

2.1 保育土壤功能

生態系統的土壤保持功能可以用年固土量和年保肥量兩個指標來衡量。其中，凋落物和活地被物等地表層附著物降低降水對土壤表面的沖擊及產生地表徑流的侵蝕總量，計算公式：

G固土=A×(X2-X1)

(1)

式中，G固土為生態系統年固土量，t·a-1；X1為喬灌草土壤侵蝕模數，t·hm-2·a-1；X2為無覆蓋土壤侵蝕模數，t·hm-2·a-1；A為面積，hm2。其中X1、X2土壤侵蝕模數[10，11]，主要依據修正的通用水土流失方程(RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation)計算單位面積的水土流失量。

生態系統年保肥量是指生態系統通過減少土壤肥力損失以及改善土壤結構，年固定N、P、K以及有機質的總量，將計算生態系統所固定的土壤有機質、全N、全P、全K折合成磷酸二銨和氯化鉀的價值來體現保肥價值。計算公式：

GN=A×N×(X2-X1)

(2)

GP=A×P×(X2-X1)

(3)

GK=A×K×(X2-X1)

(4)

G有機質=A×M×(X2-X1)

(5)

U肥=A土×(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+OC3)×F

(6)

式中，GN、GP、GK、G有機質分別為生態系統固持土壤而減少的氮、磷、鉀、有機質流失量，t·a-1；N、P、K、M分別為生態系統土壤平均含氮量、含磷量、含鉀量以及有機質含量，%；A為面積，hm2；U肥為生態系統土壤保肥價值，元·a-1；C1為磷酸二銨化肥價格，元·t-1；C2為氧化鉀化肥價格，元·t-1；C3為有機質價格，元·t-1；F為修正系數。

2.2 涵養水源功能

生態系統涵養水源功能是指大氣降水通過生態系統達到貯存水資源，調節地表及地層徑流，凈化水質，減少洪澇災害的水資源再分配過程。森林生態系統涵養水源的表現形式為減緩降水侵蝕并貯存一定量水資源，通過林冠、林下植被、枯枝落葉和土壤層對降雨進行截留和分配，選取調節水量指標反映生態系統的水源涵養功能[12]。

年調節水量指通過生態系統中不同植被對降水的截留、吸收和貯存，將地表水轉為地表徑流或地下水的總量，計算公式：

Q=A×J×R

(7)

J=J0×K

(8)

R=R0-Rg

(9)

式中，Q為森林、草地等生態系統與裸地相比較涵養水分的增加量；A為面積；J為研究區產流降水量；J0為研究區降水量；K為產流降水量占降水總量的比例；R為與裸地相比較，生態系統減少徑流的效益系數；R0為產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

2.3 固碳釋氧功能價值

植物通過光合作用和呼吸作用，與大氣進行CO2和O2的交換，發揮著固定大氣中CO2并向大氣中釋放O2的作用，對降低大氣CO2濃度，維持大氣中O2和CO2動態平衡發揮了重要作用。根據光合作用生化反應式可知，植物每積累1.0kg的干物質，可以吸收1.63kg的CO2，同時釋放1.19kg的O2。植物和土壤年固碳量和植被釋氧量計算公式：

Ca=A×(1.63×B×Rc)

(10)

Oa=1.19×A×Ba

(11)

Uc=C1×Ca

(12)

Uo=C2×Oa

(13)

式中，Ca為年固碳量，t·a-1；Oa為年釋氧量，t·a-1；Uc為固碳價值，元·t-1；Uo為固氧價值，元·t-1；C1為林木固碳價格，元·t-1；C2為氧氣價值，元·t-1；B為BEF，t·hm-2·a-1；RC為CO2中的碳含量，為27.7%；A為植被類型面積，hm2。參考由國家林業和草原局2020年發布的《森林生態系統服務功能評估規范》，固碳價格1200元·t-1；氧氣制造價格1000元·t-1。

2.4 大氣調節功能價值

生態系統通過對吸收的氟化物、二氧化硫、粉塵、氮氧化物等有毒物質進行降解和轉化，發揮凈化空氣的作用。選取吸收污染物和滯塵2個指標反映生態系統凈化大氣環境的能力。

年滯塵量指年吸滯粉塵的總量，采用面積-吸收能力方法計算，計算公式：

(14)

U滯塵=G滯塵×C1×F

(15)

式中，G滯塵為年滯塵量，t·a-1；Q滯塵為單位面積年滯塵量，kg·hm-2·a-1；A為面積，hm2；U滯塵為年滯塵價值，元·a-1；C1為降塵清理費用，元·kg-1。

年吸收污染物量指生態系統年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的總量，計算公式：

(16)

(17)

(18)

U二氧化硫=G二氧化硫×C2

(19)

U氟化物=G氟化物×C3

(20)

U氮氧化物=G氮氧化物×C4

(21)

式中，G二氧化硫、G氟化物、G氮氧化物分別為年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量，t·a-1；Q二氧化硫、Q氟化物、Q氮氧化物分別為單位面積實測年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量，kg·hm-2·a-1；A為生態系統面積，hm2；U二氧化硫、U氟化物、U氮氧化物分別為年吸收二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物價值，元·a-1；C2、C3、C4為治理二氧化硫量、氟化物量以及氮氧化物量的費用元·t-1。

2.5 防風固沙功能價值

生態系統通過控制和固定流沙以達到改善沙漠化土地的功能。當風經過有植被覆蓋的地表時，會受到來自植被的阻擋，使得風力削弱，風蝕量降低。為了探求生態系統對土壤風蝕的防治作用，將裸地的潛在土壤風蝕量與植被覆蓋下的土壤風蝕量的差值定為防風固沙服務功能量。

G風沙=A(Y1-Y2)

(22)

U風沙=Qmax×C1×F

(23)

式中，G風沙表示防風固沙服務功能量；A為面積，hm2；Y1表示無林地條件下的潛在土壤風蝕量；Y2表示植被覆蓋條件下的現實土壤風蝕量；U風沙表示年防風固沙的價值量，元·a-1；C1表示清理風沙的費用，元·t-1；F為修正系數。參考劉榮勝的研究，清理風沙費用為200元·t-1。

2.6 生態系統游憩功能價值

生態系統游憩采用單位面積法進行計算，數據主要來自林業統計年鑒與相關工程建設數據。此外，文化服務是生態文明建設的重要方面，集中體現在森林康養價值的核算，計算公式：

Ur=0.8Uk

(24)

式中，Ur為區域內年森林康養價值，元·a-1；Uk為各行政區林業旅游與休閑產業及森林康復療養產業的價值，元·a-1。

3 評估結果

3.1 保育土壤功能

3.1.1 固土價值

張掖市喬木林土壤侵蝕模數為7.80hm2·a-1、灌木林土壤侵蝕模數0.52hm2·a-1、草地土壤侵蝕模數為4.16hm2·a-1，土壤容重分別為0.53、0.60、0.52t·m-3。根據《森林生態系統服務功能評估規范》，人工每挖100m3的土方I和Ⅱ土類需42個工時，平均80元/工時，挖取單位體積土方費用為33.6元·m-3。計算結果見表1。

表1 森林生態系統固土量和固土價值計算表

由表1可知，張掖市森林網絡體系建設工程森林生態系統固土量估算結果為4670.93萬t，固土價值為130786.0萬元。

3.1.2 保肥價值

林分土壤平均氮含量為0.1775%、磷含量為0.0569%、鉀含量為1.7204%、有機質含量為3.8204%。采用農業部《中國農業信息網》2014年秋季平均價格，氯化鉀化肥、磷酸二銨化肥、有機質價格分別為2700元·t-1、2200元·t-1、600元·t-1。市場相應產品磷酸二銨化肥含氮量為14%、磷酸二銨化肥含磷量為15.01%、氯化鉀化肥含鉀量為50%。

表2 森林生態系統保肥量估算表

表3 森林生態系統保肥價值估算表

由表2、表3可知，張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系統保肥量及價值估算結果為保氮量8.87萬t，價值3352.3萬元；保磷量5.28萬t，價值1743.2萬元；保鉀量61.01萬t，價值18303.9萬元；保有機質量300.54萬t，價值23399.5萬元。綜合分析，固土保肥價值喬木林>灌木林>草地。

3.2 涵養水源功能與價值

通過計算獲得到喬木林、灌木林、草地年平均降水量分別為202.32mm、319.2mm、191.47mm，其中，林地年均蒸散量分別為101.16mm、179.65mm，年均地表徑流量分別為10.116mm、9.576mm；單價參考市場價1.1元·m-3，凈化水的費用數據參考社會公共數據；利用《森林生態系統服務功能評估規范》，得到新增喬木林、灌木林、草地的涵養水源價值合計為10864.6萬元。

表4 森林生態系統涵養水源功能價值

3.3 固碳釋氧功能與價值

根據光合作用原理，植物在形成1t干物質的過程中，可以吸收1.63t的CO2，釋放1.19t的O2。固碳價格、制造氧氣價格采用森林生態系統服務功能評估社會公共數據(推薦使用價格)分別為1200元·t-1、1000元·t-1。利用《森林生態系統服務功能評估規范》評估模型，得到新增森林面積固碳和釋氧功能價值分別為763988.3萬元和872059.4萬元。

表5 森林生態系統固碳釋氧功能價值

3.4 大氣調節功能與價值

經評估，張掖市森林網絡體系建設工程創造森林生態系統凈化環境功能總價值為22306.8萬元，具體如下。

3.4.1 吸收二氧化硫價值

喬木林、草地年吸收二氧化硫量為88.65kg·hm-2，灌木林為215.6kg·hm-2；依據《森林生態系統服務功能評估規范》，二氧化硫治理費用為1.20元·kg-1，計算得出張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系統吸收二氧化硫量為1.20萬t，價值為1444萬元。

3.4.2 吸收氮氧化物價值

單位面積林分年吸收氮氧化物量采用向會娟等研究成果[13]，單位面積森林年吸收氮氧化物量為6.00kg·hm-2；依據《森林生態系統服務功能評估規范》，氮氧化物治理費用為0.63元·kg-1，計算得出張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系統吸收氮氧化物量為0.08萬t，價值為51.3萬元。

3.4.3 吸收氟化物價值

單位面積林分年吸收氟化物量采用韓素蕓等研究成果[14]，喬木林4.65kg·hm-2，灌木2.757kg·hm-2，草地4.65kg·hm-2。依據《森林生態系統服務功能評估規范》，氟化物治理費用為0.69元·kg-1，計算得出張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系統吸收氟化物量為0.06萬t，價值為43.6萬元。

3.4.4 滯塵價值

單位面積林分年滯塵量采用《中國生物多樣性國情研究報告》[15]，喬木林的年滯塵能力為10.2t·hm-2、灌木33.2t·hm-2、草地10.2t·hm-2。依據《森林生態系統服務功能評估規范》，降塵清理費用為0.15元·kg-1，計算得出張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系統滯塵量為138.46萬t，價值為20767.9萬元。

3.4.5 釋放負離子

根據相關監測數據，張掖地區森林空氣負氧離子濃度3371個·cm-3，森林空氣負離子的壽命約為20min左右，削減粉塵的成本為170元·t-1。二氧化硫、氟化物、氮氧化物的治理及降塵清理費用分別為1.20元·kg-1、0.69元·kg-1、0.63元·kg-1。暫不考慮森林吸收重金屬效益。張掖市森林網絡體系建設工程區森林生態系實現釋放負氧離子1.1398×1023個。利用《森林生態系統服務功能評估規范》評估模型，估算張掖市森林網絡體系建設工程區新增森林面積凈化大氣環境功能價值為22306.6萬元。

表6 森林凈化大氣環境功能物質量

3.5 防風固沙功能與價值

參考韓永偉等黑河下游重要生態功能區植被防風固沙功能及其價值初步評估，張掖地區喬木林固沙量為95.32t·hm-2，草地為51.82t·hm-2，灌木林為94.94t·hm-2，參考劉榮勝的研究，清理風沙費用為200元·t-1，綜合分析，張掖市森林網絡體系建設工程區實施以來防風固沙量為231743.0萬元。

表7 森林凈化大氣環境功能價值

3.6 生態游憩功能與價值數據統計

工程實施以來，森林旅游游客量達到45億人次，平均每年游客量15億人次，年增長率15%，收入達750多萬元。采取問卷調查的方式摸底調查，其中愿意對保護森林生態系統，保護野生動物，保護野生植物，保護地質地貌遺跡支付的分別占總支付意愿的39%、28%、20%、13%，前3項屬于生物多樣性組成部分，合計占總支付的87%。由此，其生態游憩經濟價值=旅游總價值×87%，750.00萬元×87%×3=1957.5萬元。

表8 森林防風固沙功能價值

4 結論

森林生態效益從功能類型分析，固碳釋氧>防風固沙>保育土壤>大氣調節>涵養水源>森林游憩；從林分類型分析，喬木林>灌木林>草地。

森林網絡體系建設工程實施以來，新產生生態效益價值達2080504.3萬元，由此可見，張掖市實施森林網絡體系建設工程成效顯著，不僅滿足了人們對生態服務的需求，而且顯著促進了當地經濟發展。

由于時間短、實測數據較少且不系統等局限性影響，本文僅對張掖市范圍內森林網絡體系建設工程中林分群落生態服務功能進行了初步分析評估，不能真實反映張掖市所有森林類型生態功能的全部價值。