西藏公益林森林生態系統服務功能價值評估研究*

達娃扎西，李小雙，聶峰

(1.西藏自治區林業調查規劃研究院，西藏 拉薩 850001；2.云南省林業和草原科學院，云南 昆明 650201)

森林是陸地生態系統的主體，人類賴以生存的必要條件[1]。森林資源是我國重要的生態資源，森林生態系統對我國生態環境起著重要作用[2-3]。生態公益林是以保護和改善人類生存環境、保持生態平衡、保存物種資源、科學實驗、森林旅游、國土保安等需要為主要經營目標的森林和灌木林，是維護國家生態安全與生態可持續的重要組成部分[4]。積極推進生態公益林建設是我國為解決生態問題而采取的重大舉措[4]。西藏自治區森林資源豐富，是我國重要的國家安全屏障和生態安全屏障。西藏自治區公益林由自然植被和栽培植被組成，全區共有公益林植被類型20個，落葉闊葉灌叢面積最大，其次為寒溫性針葉林和常綠革葉灌叢，其他各類植被類型所占比例均較小。

生態系統服務功能是生態系統與生態過程所形成的維持人類賴以生存的自然環境條件與效用[5]。根據知網檢索結果，目前環境科學、農業經濟、林學是國內生態系統服務研究的主要學科，三者占總研究領域的65.09%。生態系統服務功能價值是生態系統服務的主要研究內容，其研究多以中觀尺度區域結合時空變化，目前較普遍的研究包括地方生態補償[6-7]、土地利用[8-9]、景觀格局[10]等。生態系統服務研究對象集中于濕地[11]、流域[12-13]。國家林業局編制的《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T 1721—2008)[14](以下簡稱《規范》)提出了森林生態系統服務功能的評估指標體系，將其劃分為8個類別和15個評估指標?？v觀森林生態服務功能評價領域，該評估指標體系綜合各家之長、涉及層面較廣，基本覆蓋了目前森林生態服務功能所能定量化分析的內容，是目前較完善的評估體系。已有利用此評估體系對不同空間尺度研究的成功案例[15-18]。

西藏公益林的研究主要側重于天然林的研究[19]，多圍繞西藏森林資源特點提出資源保護建議和生態補償體系建設策略[20]，以公益林為研究對象從定量分析的角度進行全區生態現狀研究的未見報道。本研究使用森林生態系統服務功能評估指標體系[14]，以西藏自治區生態公益林為研究對象，進行全區森林生態系統服務功能的研究，以期為掌握西藏公益林的生態狀況，保護森林資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西藏自治區位于我國西南邊陲(26°50′～36°29′N、78°15′～99°07′E，)，國土面積120.223×104km2，約占我國陸地面積的1/8。其地勢由西北向東南傾斜，平均海拔在4 000 m以上，是世界上海拔最高的高原。受地形地貌及中低緯度地理位置和高空大氣環流影響，氣候復雜，形成了垂直地帶性分異明顯與地域差異大的氣候特點。西藏地處泛北極區系和古熱帶區系的交匯處，區系的遷移演化復雜，孕育了北半球從熱帶直到寒極的各種主要植被類型的代表，以及本區特有的植被類型。西藏自治區公益林地面積1 057.46×104hm2，占公益林成效監測區(65個縣)林地面積的76.46 %。公益林森林面積1 026.55×104hm2，占公益林地面積的97.08%，其中森林自然植被占各類型植被面積99.48%，其中包括針葉林、闊葉林、灌叢和灌草等3個植被型組，面積分別為367.22×104hm2、61.25×104hm2和592.71×104hm2，分別占自然植被的35.96%、6.00%、58.04%；栽培植被只有木本類型1個植被型組，面積為5.37 ×104hm2，占栽培植被的100%。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源與指標體系

本研究利用西藏自治區2013—2018年1 244個1 000 m×1 000 m固定樣地(其中30個有林縣1 000 m×1 000 m大樣地762個，35個宜林縣1 000 m×1 000 m大樣地482個)調查結果，按照《森林生態系統服務功能評估規范》[14]中評估指標體系，構建西藏生態公益林生態系統服務功能價值評估指標體系，分為8個一級指標，包括涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境、森林防護、生物多樣性保護、森林游憩，在此基礎上劃分15個二級指標，其中保肥、林木營養積累和吸收污染物3個二級指標分別包含4個、3個和4個三級指標(表1)。

表1 西藏生態公益林森林生態服務功能價值評估指標體系Tab.1 Xizang ecological public welfare forest forest ecological service function value evaluation index system

由于森林類型不同，在生態服務功能的表現方面也各有側重，加之現有的基礎指標評估參數的可得性，有部分參數無法直接獲得，本研究區域參考2004年西藏自治區國家公益林區劃界定和2008年地方重點公益林區劃界定資料確定。公益林數據采用2013—2018年西藏公益林建設材料(矢量化小班與數據庫)，并參考了大量已出版的科研文獻資料中的公共引用文獻和公共數據。因此，評估結果可能與西藏自治區的實際情況會存在一定偏差，但公共數據的使用也在一定程度上方便與全國及各地森林生態服務功能評估結果進行比較。

本研究主要根據天然林的更新演替階段進行年齡的劃分，即分為原生林和次生林，原生林為自然度I級和II級的林分，結構合理穩定，林分年齡大致在60 a以上；次生林則為自上世紀采伐后熱帶天然林更新起來的林分，林齡大致在60 a以下。對于人工林，因其所占比例不大，統一按照中齡林階段進行評估。

西藏公益林森林生態狀況部分從群落結構和樹種結構兩方面分析公益林森林結構。森林自然度根據《國家森林資源連續清查技術規定》中森林自然度劃分的5個等級進行計算[21-22]。森林健康根據林木的生長發育、外觀表象特征及受災情況，從森林生產力、組織結構、抵抗力和土壤狀況4個要素進行綜合評估[23]。森林生態功能參考《全國森林資源規劃設計調查技術規程》等規范，選取森林蓄積量、群落結構、樹種結構、植被總覆蓋度(郁閉度)、樹高和枯枝落葉厚度等計算得出[24-25]、森林景觀通過森林群落類型、層次結構、古樹、森林色彩等因子調查。

1.2.2 指標計算方法

涵養水源是森林的重要生態功能。森林涵養水源功能主要表現在截留降水、涵蓄土壤水分、補充地下水、調節河川流量、緩和地表徑流等。森林涵養水源實物量計算公式如下[14]。

G涵=10A(P-E-C)

式中：G涵為林分調節水量功能(m3/a)；A為林分面積(hm2)。其余字母所代表涵義及相應單位參看《規范》。

森林涵養水源價值量包括調節水量價值量和凈化水質價值量兩部分。調節水量價值量計算公式如下[14]。

U調=10C庫A(P-E-C)

式中：字母代表及相應單位參照參考文獻[14]，下同。

凈化水質價值量計算公式如下[14]。

U水質=10KA(P-E-C)

保育土壤由保肥和固土兩個指標來衡量其功能，保肥實物量計算公式如下[14]。

Gi=ANi(X2-X1)

保肥價值量計算公式如下[14]。

U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)

固土實物量計算公式如下[14]。

G固土=A(X2-X1)

固土價值量計算公式如下[14]。

U固土=AC土(X2-X1)/ρ

固碳釋氧中，固碳實物量根據生物量乘以系數0.501 8計算得出碳儲量，包括喬木、灌木林、枯落物、灌木層、草本層等5部分的生物量計算。

喬木生物量根據喬木林小班平均樹高、平均胸徑，利用生物量模型計算小班單位蓄積生物量，將單位蓄積生物量(Bio)乘以小班蓄積量(V)得出小班喬木生物量。不同樹種類生物量計算可采用兩類模型計算，公式如下。

Bio=A×D2×HB

式中：Bio為生物量(kg/m3)；D為平均胸徑(cm)；H為平均樹高(m)；A、B為模型參數表。

灌木林生物量根據公益林小班灌木的平均高度和覆蓋度，利用生物量模型計算單位面積生物量，然后乘以小班面積得出小班灌木生物量。灌木林生物量統一采用此模型計算。

Bio=0.0569 28G1.254 37H0.662 068

式中：Bio為生物量(t/m3)；G為灌木蓋度(%)；H為灌木平均樹高(m)。

枯落物生物量模型根據2017年度西藏自治區生態公益林資源清查結果，按照喬木林優勢樹種面積蓄積比例確立需要建立枯落物生物量模型的樹種(組)。按面積比例計算，冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、高山松(Pinusdensata)、云南松(Pinusyunnanensis)、闊葉混、針闊混所占比例分別為30.97%、26.41%、3.14%、5.03%、3.89%、1.31%。以上6個樹種(組)分別作為建模單元；其它針葉林、針葉混交林統一作為建模單元；針闊混交林統一作為建模單元(表2)。

表2 不同樹種(組)林分枯落物建模方程Tab.2 Modeling equations for forest litter of different tree species(groups)

灌木層生物量：灌木層生物量與喬木林樣地蓄積量之間的擬合函數計算，兩者存在顯著相關性。

y=-1.774ln(x)+11.314,R=0.56,n=25,P<0.05

式中：y為灌木層單位面積生物量(t/hm2)，x為單位面積蓄積量(m3/hm2)。

在草本層生物量中，草本層單位面積生物量分布與喬木林蓄積、生物量、灌木層生物量等因子之間沒有顯著的相關關系，且各齡組之間草本層生物量相差不大，因此以1 244個固定樣地計算草本層單位面積生物量的平均值(1.286 t/hm2)乘以喬木林面積換算得到全區喬下草本層生物量。

碳儲量價值量 固碳價格采用瑞典的碳稅率150美元/t(折合人民幣為1 035 元/t)，然后計算。

釋氧實物量計算公式如下[14]。

G氧=1.19AB年

釋氧價值量計算公式如下[14]。

U氧=1.19C氧AB年

林木營養積累實物量由氮、磷、鉀三者實物量計算得出，計算公式如下[14]。

G氮=AN營養B年

G磷=AP營養B年

G鉀=AK營養B年

積累營養物質價值量計算公式如下[14]。

U營養=AB年(N營養C1/R1+P營養C1/R2+K營養C2/R3)

滯塵實物量計算公式如下[14]。

G滯塵=Q滯塵A

滯塵價值量計算公式如下[14]。

U滯塵=K滯塵Q滯塵A

降噪價值量計算公式如下[14]。

U噪音=K噪音A噪音

吸收二氧化硫實物量計算公式如下[14]。

G二氧化硫=Q二氧化硫A

吸收二氧化硫價值量計算公式如下[14]。

U二氧化硫=K二氧化硫Q二氧化硫A

吸收氟化物實物量計算公式如下[14]。

G氟化物=Q氟化物A

吸收氟化物價值量計算公式如下[14]。

U氟=K氟化物Q氟化物A

吸收氮氧化物實物量計算公式如下[14]。

G氮氧化物=Q氮氧化物A

吸收氮氧化物價值量計算公式如下[14]。

U氮氧化物=K氮氧化物Q氮氧化物A

吸收重金屬實物量計算公式如下[14]。

G重金屬=Q重金屬A

吸收重金屬價值量計算公式如下[14]。

U重金屬=K重金屬Q重金屬A

提供負離子實物量計算公式如下[14]。

G負離子=5.256×1 015×Q負離子AH/L

提供負離子價值量計算公式如下[14]。

U負離子=5.256×1015×AHK負離子(Q負離子-600)/L

年森林防護實物量計算，可將農田防護林森林防護的實物量折算為農作物產量(t/a)；防風固沙林可折算為牧草產量(t/a)。

年森林防護價值量計算公式如下[14]。

U防護=AQ防護C防護

物種保育價值量計算公式如下[14]。

U生物=S生A

森林游憩價值量用森林旅游活動的直接收益衡量，其計算公式如下[14]。

U游=P游M游Y游

2 結果與分析

2.1 西藏自治區公益林森林生態狀況

2.1.1 森林結構

(1)群落結構 在西藏自治區1 026.55×104hm2的公益林森林面積中，具有喬木、灌木和草本3個植被層的完整結構森林面積294.49×104hm2，占公益林森林面積的28.69%；具有喬木、灌木或草本兩個植被層的較完整結構森林面積604.08×104hm2，占58.84%；僅有喬木一個植被層的簡單結構森林面積127.98×104hm2，占12.47%。公益林森林群落結構以較完整結構為主，其次為完整結構。公益林森林按起源各群落結構面積見表3。

表3 公益林不同森林起源的各群落結構面積Tab.3 The area of each community structure in the origin of the public welfare forest

(2)樹種結構 全區公益林中，喬木林面積432.96×104hm2，以針葉純林為主，占比73.47%。其中，天然喬木林以針葉純林為主，占天然喬木面積的74.06%；人工喬木林闊葉純林為主，占人工喬木林面積的74.27%。全區喬木林中針葉純林(含相對純林)、闊葉純林(含相對純林)和混交林面積分別占82.97%、10.18%和6.85%，比例為83︰10︰7。反映出西藏公益林喬木樹種呈現以天然、頂級群落的純林為主。公益林喬木林面積按樹種結構統計結果見表4。

表4 公益林不同林型的喬木林面積Tab.4 Statistical table of public welfare forest arbor forest area according to tree species structure

2.1.2 森林自然度

在1 026.55×104hm2公益林森林面積中，森林自然度Ⅰ級的原始或接近原始的天然森林占56.92%；自然度較高的次生林(自然度為Ⅱ級和Ⅲ級)面積占38.00%；殘次林和第一代次生林(自然度為Ⅳ級)及各種人工森林類型所占比例很小，面積只占5.08%；森林類型以地帶性原始頂極森林類型居多?？傮w而言，公益林大都處于演替的高級階段，受人為干擾較小，需要重點保護。按自然度級劃分的面積分布情況見表5。

表5 不同自然度級的公益林森林面積Tab.5 Statistical table of forest area distribution of public welfare forests according to natural degree levels

2.1.3 森林健康

在公益林森林面積1 026.55×104hm2中，健康森林面積1 012.61×104hm2，占98.64%；亞健康森林面積13.51×104hm2，占1.32%；中健康森林面積3 087.48 hm2，占0.03%；不健康森林面積為1 117.30 hm2，占0.01%。公益林森林以健康森林占絕對主體，這表明西藏公益林森林生態系統處于高效、穩定狀態。

2.1.4 森林生態功能

在公益林森林面積1 026.55×104hm2中，森林群落結構完整、植被覆蓋度高的高等級生態功能區域面積158.55×104hm2，占總面積的15.44%；森林群落結構較完整、植被覆蓋度一般的中等森林生態功能面積861.07×104hm2，占83.88%；森林群落結構不完整、植被覆蓋度低的區域為低等森林生態功能區域，其面積為6.93×104hm2，占0.68%。公益林森林生態功能以高等、中等面積為主，占99.32%，整體森林生態功能屬于中上水平。

2.1.5 森林景觀

森林群落完整、層次結構豐富、古樹分布集中和森林色彩豐富程度等4個維度結果疊加得出森林景觀評價，由高到低分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。其中公益林森林景觀等級Ⅰ級的面積202.49×104hm2，占19.73%；景觀等級Ⅱ級的面積309.81×104hm2，占30.18%；景觀等級Ⅲ級的面積298.65×104hm2，占29.09%；景觀等級Ⅳ級的面積215.60×104hm2，占21.00%。森林景觀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的面積占79.00%，全區公益林以原始林或原始次生林占優勢，林相和季相色彩豐富，四季絢麗繽紛，景觀特色多樣。

2.2 公益林森林生態效益系統服務價值評估

2.2.1 生物量、碳儲量

全區公益林(有林地、疏林地和灌木林地)總生物量108 621.5×104t，總碳儲量5.45×104t。

2.2.2 年生態服務功能實物量

全區公益林生態服務功能實現涵養水源、固土保肥、固碳釋氧、凈化大氣、滯塵減噪和生物多樣性保護等的年實物量共4 966 986.1×104t。生態公益林年生態服務功能實物量詳見表6。

表6 生態公益林年生態服務功能的實物量Tab.6 Physical scale of annual ecological service functions of ecological public welfare forests ×104t

2.2.3 年生態服務功能價值量

全區公益林生態服務功能折算為價值共為65 780 044.9×104元/a。生態公益林年生態服務功能價值量詳見表7。

表7 生態公益林年生態服務功能的價值量Tab.7 Annual ecological service function value scale of ecological public welfare forests ×104元/a

3 討論與結論

本研究采用森林生態系統服務功能評估的理論和方法，以西藏自治區全區公益林本底調查、抽樣調查、年度更新調查成果為基礎，輔以森林生態系統定位研究站的長期觀測數據集及社會公共數據，綜合運用生態學、水土保持學、經濟學等理論方法，以遙感、地理信息系統等為工具，采用產量-價格法、直接市場法等方法，測算森林生態效益實物量和價值量。

通過分析西藏自治區公益林森林生態狀況和公益林生態系統服務價值，綜合得出以下結論。

(1)全區公益林總體森林生態狀況較好，主要體現在森林群落結構整體完整性較高；樹種結構上天然頂級純喬木林有主導優勢；森林自然度高的天然森林占比達一半以上；健康森林面積占絕對主導地位。

(2)西藏自治區公益林的年生態服務功能實物量較大，其中公益林的固水量實物量最大，占總體實物量的95%以上。

(3)全區公益林年生態系統服務價值量高，總價值量達到6 578×108元，尤其在固水、凈化水質和森林防護3個方面的價值量在全區總價值量中的占比尤為突出，為全區的經濟和社會發展提供了堅實的生態基礎。

(4)全區公益林的碳儲量高，說明全區公益林森林具有較高的碳匯價值和碳匯潛力。

隨著國家森林生態效益補償機制的建立，有關公益林建設與管理的法律、條例和辦法逐步建立和完善，我國公益林建設步入快速健康發展的軌道。西藏自治區公益林森林整體生態狀況良好，生態系統服務價值總量較大，對促進西藏的生態文明建設，保障區域經濟社會可持續發展具有重要的現實意義，對確保我國的國土安全、生態安全有不可替代的重要作用。推進公益林持續監測、加強公益林管理，加快構建穩定的森林生態系統、充分發揮公益林的服務功能，為建設國家生態安全屏障和建設美麗西藏服務。