新疆梭梭林生态系统服务价值评估

宁虎森, 罗青红, 吉小敏, 雷春英

新疆林科院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830063

新疆梭梭林生态系统服务价值评估

宁虎森*, 罗青红, 吉小敏, 雷春英

新疆林科院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830063

采用新疆林业二类调查数据, 对新疆梭梭林生态系统服务的物质量和价值量进行评估, 结果表明: (1)新疆梭梭林每年提供的保育土壤, 固碳释氧, 增加营养物质, 净化大气, 防风固沙, 生物多样性保护等生态系统服务总价值高达4839546.23 万元。(2)新疆三大区域梭梭林生态服务价值从大到小依次为北疆、东疆和南疆。(3)各地、州和市梭梭林生态服务价值大小排序为塔城地区＞昌吉州＞阿勒泰地区＞博州＞克拉玛依市＞哈密地区＞乌鲁木齐市＞巴州＞吐鲁番地区＞阿克苏地区＞伊犁州＞喀什地区。(4)防风固沙和生物多样性保护功能是新疆梭梭林生态系统主要的生态功能, 二者产生的价值占总价值的86.02%。(5)新疆梭梭林以低盖度林分分布为主, 其产生的生态系统服务价值远高于中、高盖度林分, 为保持新疆梭梭林生态服务功能可持续发挥, 需加强以低盖度为主的梭梭林林分的经营和管理。

梭梭林; 生态服务; 评估

1 前言

生态系统服务是指对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能, 具有巨大的间接和直接经济价值, 是生态资产重要组成部分[1–2]。自上世纪70年代来, 生态系统服务价值评估逐渐成为了生态学领域的研究热点, 其中比较有代表性的是 Costanza等人的研究将全球生态系统划分为 16个大类26个小类[1], 将生态系统服务功能划分为调节大气、保持土壤、贮存养分等 17项功能[3]。Daily等人系统地解释了生态系统服务的内容和评价方法[4],这些研究的开展为今后生态系统服务价值的深入开展奠定了坚实的基础。自上世纪90年代以来, 我国学者在国外理论和方法的基础上, 也从不同方面开展了大量的生态系统服务和价值评估的研究, 如欧阳志云对中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值进行了初步研究, 得出我国陆地生态系统具有巨大的生态经济效益[5]。谢高地对草地生态系统服务价进行了更正, 并估计出了各类草地生态系统的各项生态系统服务价值[6]。于格等人利用RS和GIS技术, 对青藏高原草地生态系统服务功能进行季节动态研究, 得出了草地生态系统的生态服务价值变化主要与季节性耗水有关[7]。上述这些研究多集中在生态系统较稳定、生态服务价值较高的地区, 有关于西部荒漠生态系统尤其是新疆脆弱荒漠生态系统服务价值的评估鲜有报道。

梭梭(Haloxylon ammodendron)为藜科多年生强旱生—盐生灌木或小乔木, 主要分布中国西部地区的流动沙丘、半固定沙丘、盐渍土及戈壁中[8]。张林静[9]在2002年研究得到, 全国梭梭总面积有1.76亿亩, 其中有 68.1%分布在新疆, 梭梭作为新疆荒漠生态系统的建群种和优势种, 其覆盖率占梭梭荒漠植被总覆盖率的 50%—85%, 具有特殊的生态效益, 尤其在稳定荒漠生态系统平衡和稳定, 防风固沙, 保护绿洲等方面发挥着重要的作用[10], 并且由梭梭林组成的荒漠生态系统具有巨大的经济价值[11]。国内各省区生态服务价值评估的研究报道较多[12–13], 且集中在东部省区, 对于西部地区荒漠生态系统服务价值的研究较少, 且主要集中在对某个地区或单项生态服务价值的评价[14–15], 缺乏系统全面的分析评价。鉴于此, 本文以我国梭梭分布面积最大的省份—新疆为研究区, 对其所辖12个地、州、市的梭梭林荒漠生态系统的生态服务进行综合评估,旨在科学、合理评估我国干旱区荒漠林生态服务价值、客观反映其的多功能效益、建立健全荒漠林生态系统生态效益补偿机制以及促进区域可持续发展,同时为新疆梭梭林可持续发展政策的提出及荒漠生态环境建设发展提供科学依据。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

新疆位于我国西北部, 地处亚欧大陆中心, 东西长2000 km, 南北宽1600 km, 面积为166 万km2,约占全国面积的1/6, 是我国面积最大的一个省区。新疆远离海洋, 深居内陆, 四周有高山阻隔, 海洋湿气不易进入, 形成明显的温带大陆性气候, 气温变化大, 日照时间长, 降水少而蒸发大。新疆年平均降水量为150 mm左右。常把天山以南地区称为南疆, 天山以北地区称为北疆, 把哈密、吐鲁番盆地称为东疆。本实验研究区包括北疆的博州, 塔城地区,克拉玛依市, 伊犁州, 阿勒泰地区, 昌吉州, 乌鲁木齐市, 南疆的巴州, 喀什地区, 阿克苏地区, 东疆的哈密地区和吐鲁番地区。

2.2 数据来源

2.2.1 实测数据来源

研究区梭梭林面积来源于林业第二次森林资源普查数据。其中梭梭林生物量与土壤容重以及香农—维纳指数是由野外实地观测数据计算得来。参照鲍士旦[16]土壤养分、盐分指标测定方法, 重铬酸钾-硫酸氧化法测定有机质; 凯氏定氮仪法测定全氮;碳酸钠碱熔-钼锑抗比色法测定全磷; 火焰光度法测定全钾; 扩散稀释法测定速效氮; 碳酸氢钠法测定速效磷; 火焰光度法测定速效钾。采用电位法(1: 1水土比)测定土壤pH; 质量法和电导法测定全盐和8大离子, 双指示剂中和法测定 CO32–、HCO3–, AgNO3滴定法测定Cl–, 茜素红法测定SO42–, EDTA络合滴定法测定Ca2+、Mg2+, 差减法计算K+、Na+离子。

氟化物参照浙江省地方标准DB 33/392—2003,利用PP—25E酸度计测量; 二氧化硫、氮氧化物分别参照国家标准GB/T5009.34—2003, HJ 479—2009,利用分光光度法测定; 汞含量参照国家标准 GB/T5009.17—2003, 利用 AF—640原子荧光光谱仪测量; 铅、镉、铜、锌含量测定分别参照国家标准GB/5009.12—2010, GB/T5009.15—2003, GB/T5009.13—2003, GB/T5009.14—2003, 利用Z—2000原子吸收光谱仪测量。

2.2.2 公共数据来来源

保育土壤—化肥产品价格, 依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范LY/T 1721—2008)》(以下简称《规范》), 磷酸二铵含氮量 14.0%, 磷酸二铵含磷量 15.01%, 氯化钾含钾 50%, 磷酸二铵化肥价格 3117.8469 元·t–1, 氯化钾化肥价格 2858.026 元·t–1, 有机质价格 415.7129 元t–1。根据1993—1999年《中国水利年鉴》, 挖取和运输单位体积土方所需费用为20.0928 元·m–3。积累营养物质, 固碳价格依据《规范》: 碳税率每吨150美元(根据人民币兑美元现行汇率折合人民币为1200元t–1)。固碳释氧的计算参照2009—2012中国工业氧气市场运行态势及发展前景分析报告, 确定固碳价格平均价格为 1200 元·t–1, 工业制氧平均价格为 1299.1028元·t–1。生物物种资源保护参照王兵等“森林生态系统物种多样性保育价值评估方法”[17]和《规范》。净化大气作用是指负离子生产费用、重金属污染治理费用、一般性粉尘排污治理费用参照《规范》的公共数据表。梭梭林防风固沙功能分为固沙和防护牧场增产两部分, 森林防护功能参照《规范》中的公式计算, 固沙功能参照《荒漠生态系统服务评估规范》LY/T2006—2012)中的公式计算, 并进行了适当的调整。梭梭林固沙量的计算方法参照文献[18]。单位面积牧草增产量参照宋翔等人的研究成果[19], 防护林可使绿洲内部的小麦产量增加 11.0%, 因牧草无相应的研究成果, 单位面积牧草增产率参照小麦的增产幅度, 取11.0%。牧草按苜蓿计算, 单位面积产量根据市场调查取 1200 kg·亩–1。苜蓿单价取 1.20 元·kg–1,沙尘清理费用 230.8 元·t–1。

根据《荒漠生态系统服务评估规范》(LY/T2006—2012)和《一类森林资源调查报告数据技术规定》, 将梭梭林按盖度划分为三个监测水平。见表1。

表1 不同盖度梭梭林划分Tab. 1 Division of H. ammodendron forest with different coverage

3 研究方法

根据《规范》, 结合国内外森林定位研究成果,运用生态学及经济学原理, 以新疆12个地、州和市为主要研究区域, 定量评估和分析梭梭林保育土壤,固碳释氧, 积累营养物质, 生物多样性保护, 净化大气及防风固沙等生态功能的物质量。

生态系统服务功能价值评价方法有市场价值法、造林成本法、机会成本法、影子工程法、影子价格法和生产成本法[21]。本文充分考虑新疆梭梭林荒漠生态系统的特点, 确定其生态服务功能的评估方法。梭梭林林产品、防护的牧草增产的价值、生物多样性保护计算使用市场价值法, 保育土壤使用机会成本法和影子价格法, 固碳释氧、净化空气、固沙的价值使用影子价格法计算。

利用 Excel进行相关数据的统计与计算, 使用Origin9.0, ArcGIS10.0软件进行绘图。

4 结果与分析

4.1 新疆梭梭林面积统计

新疆梭梭林总面积为1390408.46 hm2, 不同地州市梭梭林面积在1.42 hm2和395470.39 hm2之间。12个地州中梭梭林面积大小顺序为塔城地区＞昌吉州＞阿勒泰地区＞博州＞克拉玛依市＞哈密地区＞乌鲁木齐市＞巴州地区＞吐鲁番地区＞阿克苏地区＞伊犁州＞喀什地区, 从图1中可以看出新疆梭梭林分布很不均匀, 主要集中在北疆地区的塔城地区、昌吉州、阿勒泰地区和克拉玛依市, 而这 4个地区梭梭林面积占到全疆梭梭林面积的85.52%。经计算可得, 新疆梭梭林94.52%分布在北疆,4.24%分布在东疆, 仅有1.24%分布在南疆地区。

4.2 新疆梭梭林生态系统功能的物质量

新疆梭梭林生态系统保育土壤总量为42867940.1 t·a–1,其中固土量占总量的 98.15%, 这说明在新疆梭梭林保育土壤的主要方式是固土, 而减少土壤肥力的所占比例较低。绿色植物通过光合作用固定大气中的碳, 进而转化成有机物质, 本研究中, 梭梭林生态系统每年固碳量为1802866.13 t, 是梭梭林释氧总量的2.38倍。而梭梭林生态系统通过绿色植物光合作用积累的营养物质总量为4496.49 t·a–1。梭梭林生态系统可以通过吸收大气中的有害气体、尘埃、重金属等物质来净化大气, 本文中梭梭林生态系统吸收有害物质的总量为 5294.66 t·a–1, 除此之外, 每年还能提供7.93×1023个负离子。梭梭林生态系统每年的固总量为139158501.2 t占总防风固沙量的98.08%。总体来看, 新疆梭梭林生态系统功能物质量为北疆＞东疆＞南疆, 而各地州大小顺序为塔城地区＞昌吉州＞阿勒泰地区＞博州＞克拉玛依市＞哈密地区＞乌鲁木齐市＞巴州＞吐鲁番地区＞阿克苏地区＞伊犁州＞喀什地区。

图1 新疆不同地州的梭梭林面积Fig. 1 The area of H. ammodendron forest in different cities in Xinjiang

表2 新疆梭梭林生态系统功能物质量 (a)Tab. 2 Ecosystem functional matter quantity of H. ammodendron forest in Xinjiang (a)

4.3 新疆梭梭林生态系统服务价值

综合分析新疆梭梭林生态系统中保育土壤, 固碳释氧, 增加营养物质, 净化大气, 防风固沙, 生物多样性保护6项生态系统的总价值为4839546.23 万元·a–1。不同地州市中, 生态服务价值最高的地区是塔城为 1380557.61 万元·a–1, 最小值是喀什为 4.83万元·a–1。地州市大小依次为塔城地区＞昌吉州＞阿勒泰地区＞博州＞克拉玛依市＞哈密地区＞乌鲁木齐市＞巴州＞吐鲁番地区＞阿克苏地区＞伊犁州＞喀什地区(图 2)。

表3 新疆梭梭林生态系统功能物质量 (b)Tab. 3 Ecosystem functional matter quantity of H. ammodendron forest in Xinjiang (b)

表4 新疆梭梭林生态服务价值(单位: 万元·a–1)Tab. 4 Ecosystem service value of H. ammodendron forest in Xinjiang (unit: ten thousand Yuan·a–1)

新疆梭梭林生态系统的各种生态服务价值中,防风固沙功能产生的价值量最大, 为3475546.33 万元·a–1, 该功能对新疆梭梭生态系统整体生态服务功能价值的贡献率最大, 占 71.82%; 生物多样性功能价值排在第二位, 为 687248.37 万元·a–1, 占全疆的14.20%; 其次为保育土壤功能 385775.54 万元·a–1,占7.97%; 接下来是固碳释氧功能占5.80%, 生态服务价值量为280925.12 万元·a–1; 新疆梭梭林生态系统的净化大气环境和积累营养物质的生态服务功能较小, 产生的价值仅为 491.33 万元·a–1和 9559.53万元·a–1, 占全疆的 0.01%和 0.20%。

由图4A, B, C中可知, 低中高盖度梭梭林中均以防风固沙价值最大, 这说明防风固沙是梭梭最主要的生态服务功能。不同盖度梭梭林中, 低盖度的梭梭林 6项生态服务功能价值之和最大, 为4308105.22 万元·a–1, 占全疆的 89.02%(图 4, D); 中等盖度林地为 337256.13 万元·a–1, 占全疆的 6.97%;高盖度林地为的194184.89 万元·a–1, 占全疆的4.01%。

5 结论与讨论

图2 新疆不同地州的梭梭林生态系统服务价值Fig. 2 Ecosystem service value of H. ammodendron forest in different cities in Xinjiang

图3 新疆梭梭林不同生态服务价值比较Fig. 3 Different ecosystem service for H. ammodendron forest in Xinjiang

新疆梭梭林生态系统保育土壤, 固碳释氧, 增加营养物质, 净化大气, 防风固沙, 生物多样性保护所提供的生态服务总价值高达 4839546.23万元·a–1,单位面积价值量为 3.48 万元·hm–2·a–1, 任晓旭研究得到额济纳旗荒漠生态系统的单位面积价值量为3.66 万元·hm–2·a–1[21], 与本文结果相近。2013 年新疆 GDP总值为 8718.9 亿元, 梭梭林生态服务价值占到了新疆GDP的5.55%。梭梭林生态系统功能中防风固沙和生物多样性保护的价值占有总价值的86.02%, 且防风固沙功能这一项就占到了 71.82%,新疆是我国沙漠化面积最大的省区, 全国沙漠 2/3在新疆, 沙漠化严重制约着新疆社会经济发展和生态安全, 梭梭作为新疆最主要的防风固沙植物, 对绿洲的稳定起着至关重要的作用。梭梭林荒漠生态系统特有的气象条件和地理条件为动植物的繁衍和栖息提供了良好的生境, 成为荒漠动物、植物的栖息乐园, 增加了生物多样性的生态价值, 特别是孑遗物种的保存更是具有不可估计的价值。综上, 在新疆, 梭梭林生态系统具有重要的生态经济价值,人们应重视梭梭林的保护和管理, 相关部门应对梭梭林生态系统进行一定的补偿。

就全疆三大区域比较而言, 北疆梭梭林生态系统服务价值显著高于南疆和东疆, 究其原因, 可能是因地域气候的差异和物种长期演替进化, 北疆更适宜于梭梭的生长和分布, 天然林分面积明显高于南疆和北疆, 同时北疆梭梭人工林面积也远高于南疆和东疆。其次, 在工业、农业等支柱产业更发达的天山北坡经济带, 梭梭林的各项生态服务价值也更大, 尤其是防风固沙价值, 北疆梭梭林仅防风固沙这一项生态服务价值就占去全疆梭梭林生态服务价值的70.57%, 可见北疆的梭梭林为全疆梭梭林生态服务价值做出了巨大贡献。因此呼吁相关管理部门及社会各界, 应增强北疆梭梭林的关注和保育,同时, 维护南疆、东疆梭梭林健康发展, 保持其生态系统功能的稳定性。

图4 新疆不同盖度梭梭林生态服务价值Fig. 4 Ecosystem service value for H. ammodendron forest with different coverage in Xinjiang

虽然在单位面积下高盖度梭梭林生态服务价值高于中盖度和低盖度, 但在全球气候变暖的大背景下, 加之干旱区水资源短缺, 梭梭个体竞争自疏而形成较稳定的低盖度林分为新疆梭梭天然林的主体,通过新疆林业二类调查数据可知, 低盖度梭梭林面积占有全疆梭梭林面积的 92.12%, 中盖度占有5.21%, 高盖度仅有 2.67%, 因此维护以低盖度为主的梭梭林的生态系统, 在现阶段显得尤为重要。

梭梭林生态系统所提供的生态功能很多, 但是在统计生态功能中, 受到科学技术水平, 计量方法和测量手段的限制, 导致无法对每一项生态功能进行计算, 所以其价值的计算并不准确, 评价也不是全面的。同时, 在计算单项生态功能时并没有考虑和其他生态功能之间的竞争与重复。例如, 保育土壤功能中的固土量和防风固沙功能中的固沙量, 在计算中可能存在重复计算。即便如此, 本研究结果依然可以解释新疆梭梭林生态系统在社会经济发展和生态环境保护中的重要作用。在今后的工作应该细化各生态功能之间的计算, 同时, 还应加强梭梭直接经济价值的估算。

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Assessment on ecosystem service value of Haloxylon ammodendron forest in Xinjiang

NING Husen*, LUO Qinghong, JI Xiaomin, LEI Chunying
Research Institute of Afforestation and Desertification Prevention and Control, Xinjiang Academy of Forestry Sciences,Urumqi 830063

The ecological service value of Haloxylon ammodendron forest was assessed with secondary forestry survey data n Xinjiang. The results are as follows. (1) The ecological service value of soil conservation, carbon fixation and oxygen elease, increased nutrition, atmosphere purification, wind prevention and sand-fixation, biodiversity protection provided by he whole H. ammodendron forest was 48.395 billion yuan per year in Xinjiang. (2) For three regions in Xinjiang, the ecological service value of H. ammodendron forest decreased from northern, eastern to southern. (3) For 12 cities in Xinjiang,he order of ecological service value of H. ammodendron forest was Tachen ＞ Changji ＞ Altay ＞ Bozhou ＞ Karamay ＞ Hami＞ Urumqi ＞ Bazhou ＞ Turpan ＞ Aksu ＞ Yili ＞ Kashgar. (4) The main ecological service value was sand-fixation and biodiversity conservation for H. ammodendron forest in Xinjiang, which accounted for 86.02% of the total service value. (5)The ecosystem service value of H. ammodendron was mainly provided by the lower coverage forest. It was necessary to trengthen their management to keep the sustainability of ecosystem service.

Haloxylon ammodendron forest; ecosystem service; assessment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.011

S727.23

A

1008-8873(2017)03-074-08

宁虎森, 罗青红, 吉小敏, 等. 新疆梭梭林生态系统服务价值评估[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 74-81.

NING Husen, LUO Qinhong, JI Xiaomin, et al. Assessment on ecosystem service value of Haloxylon ammodendron forest in Xinjiang[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 74-81.

2015-10-18;

2015-12-11

“十二五”国家科技计划课题(2012BAD16B0305), 2012BAD16B0102); 林业科技创新平台运行补助项目(2015-LYPT-DW-121)

宁虎森(1966—), 男, 新疆焉耆人, 教授级高级工程师, 研究方向为生态恢复和荒漠化防治, E-mail: ninghusen@sina.com