长白山森工集团天保工程生态效益动态变化

王慧，王兵,2,3，牛香,2,3,†，宋庆丰

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京；2.国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京；3.北京林业果业生态环境功能提升协同创新中心，102206，北京)

长白山森工集团天保工程生态效益动态变化

王慧1，王兵1,2,3，牛香1,2,3,†，宋庆丰1

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京；2.国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京；3.北京林业果业生态环境功能提升协同创新中心，102206，北京)

基于2000年底和2015年底，长白山森工集团森林资源二类调查数据和森林生态站长期监测数据，利用森林生态系统服务全指标体系，连续观测与清查(简称森林生态连清)体系，采用分布式测算方法，对研究区天然林生态系统，从涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境和生物多样性保护等6项服务进行评估，量化并揭示长白山森工集团天保工程生态效益的动态变化。结果表明：在天保工程实施后，天然林各项生态系统服务物质量和价值量均呈现增加趋势，物质量增加量分别为涵养水源7.78亿t/a、保育土壤2 255.32万t/a、固碳释氧量191.87万t/a、林木积累营养物质6.35万 t/a、释放负离子0.22×1023个/a、吸收污染物量2 879.16万kg/a、吸滞PM10总物质量122.43万kg/a、吸滞PM2.5总物质量18.38万kg/a；价值量增加381.75亿元/a，6项服务的价值量贡献顺序依次为生物多样性保护>涵养水源>保育土壤>净化大气环境>固碳释氧>林木积累营养物质，其中，生物多样性保护和涵养水源为研究区天然林生态系统服务的主导功能。天保工程实施后，保育土壤功能的生态系统服务价值量增加量最大，占总增加量的27%，涵养水源次之，对该区天然林生态效益影响最大。该研究为天保工程的后续开展提供借鉴和参考，为天然林的经营管理提供科学依据和指导。

天然林资源保护工程； 森林生态系统服务； 生态连清体系； 生态效益

1998年洪涝灾害后，国家实施了天然林保护工程，长江和黄河流域工程区全面停止天然林商品性采伐，东北和内蒙古等重点国有林区大幅度调减木材产量，使天然林得以休养生息，逐渐恢复发展，这也标志着我国林业由以木材生产为主，转向以生态建设为主。东北、内蒙古重点国有林区的天然林资源，多集中分布于松花江、嫩江、黑龙江水系及其主要支流、众多湖库的源头和水源涵养区，是维持东北和华北地区农牧业稳产高产、生态安全的天然屏障，在涵养水源、保育土壤、林木积累营养物质、固碳释氧、生物多样性保护和净化大气环境等方面，发挥着重要作用[1]。

吉林省是我国重点的林业大省和重要的木材生产基地，其中天保工程区总面积400.58万hm2，包括长白山森工集团、吉林森工集团和吉林省保护经营局。天保工程实施后，森工企业调整森林经营方案，由原来单一的经营采伐，转变为以保护天然林为主，而通过森林区划，划定商品林经营区，发展速生丰产用材林、短周期工业原料林和经济林等，缓解木材供需矛盾[1-2]。长白山森林工业集团(以下简称“长白山森工集团”)位于长白山林区核心区域，地处中、韩、俄3国交界，是我国重要的商品材基地、林业产业基地和木材战略储备基地，同时也是图们江、松花江、牡丹江和鸭绿江的发源地，与大小兴安岭、张广才岭、老爷岭和完达山脉的森林相连，维系东北地区的生态平衡，生态区位重要，森林资源富集，生物多样性丰富。从2015年4月起，全面停止商业性采伐，长白山森工集团进入以“采伐经营变监管经营、森林经济功能变森林生态功能、林区变社区”的林业转型发展阶段,森林资源培育加强，森林生态功能明显增强。

天然林是森林资源的精华，是结构最复杂、群落最稳定、生物量最大、生物多样性最丰富和生态功能最强的森林生态系统，在保障林区社会稳定、国土生态安全和国民经济持续稳定发展中，具有十分重要的地位。天保工程共涉及17个省、实施期长达50年，目前总投资近2 000亿元，是我国6大林业重点工程之一，也是我国迄今为止，规模最大的生态资源保护工程；但天保工程效益评价工作，尚处于起步发展阶段，对天保工程产生的价值及其生态效益的评估，研究较少。

笔者以长白山森工集团国有林区为研究区，以区域生态系统服务的连续观测与清查体系数据为基础，采用分布式测算方法，从物质量和价值量2个方面，对研究区天然林生态系统服务进行评价，探讨天保工程实施以来，研究区天然林生态效益及动态变化，为天保工程的效益监测和天然林的经营管理，提供参考依据和指导。

1 研究区概况

长白山森工集团位于吉林省东部长白山区(E 127°27′～131°18′，N 41°59′～44°30′)，所辖10户国有森工企业、1户森林经营局和3户林产工业加工企业，其中包含有9个自然保护区和12处森林和湿地公园，总经营面积406.6万hm2，有林地面积326.3万hm2，有林地蓄积3亿8 900万m3，森林覆盖率80.8%。研究区境内山峦起伏，丘谷交错；属于中温带湿润季风气候，年平均气温为2～6 ℃，无霜期为125 d左右；年均降水量600～800 mm左右；土壤类型以暗棕壤为主；形成以温带针阔混交林为主的森林植被类型，针叶林以红松(Pinuskoraiensis)、落叶松(Larixdahurica)等为主，阔叶林以蒙古栎(Quercusmongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、白桦(Betulaplatyphylla)、黑桦(Betuladavurica)、山杨(Populusdavidiana)、水曲柳(Fraxinusmandsshurica)和榆类(Ulmus)等为主[2-5]，阔叶混交林和针阔混交林面积比例均较大。天保工程实施后，工程区不同树种组面积和蓄积总体呈增加趋势，也有部分树种面积和蓄积有少量程度减少，其中，阔叶混交林面积增加最多，为26.38万hm2，其次为针叶混交林面积，增加了8.35万hm2。

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究数据主要来自吉林省现有的中国森林生态系统国家定位观测研究网络(CFERN)下属观测站和其他辅助观测点，依据LY 1952—2011《森林生态系统长期定位观测方法》[6]和LY 2241—2014《森林生态系统生物多样性监测与评估规范》[7]所测得，森林资源数据来自研究区天然林资源二类调查数据，社会公共数据集采用我国国家或地方权威机构公布的社会公共数据。

2.2 流程与方法

基于生态系统服务连续观测与清查体系[5]，采用2000和2015年的森林资源二类调查数据和实测数据，依据国家林业行业标准《森林生态服务功能评估规范》[8]，选取涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境和生物多样性保护等服务，采用分布式测算方法(图1)，将长白山森工集团资源划分为黄泥河林业局、珲春林业局、汪清林业局、大石头林业局、敦化林业局、白河林业局、大兴沟林业局、天桥岭林业局、和龙林业局和八家子林业局10个一级测算单元；每个一级测算单元，按照优势树种组成分成冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、落叶松、红松、樟子松(Pinussylvestri)、其他松类、栎类、桦木、榆树、其他硬阔类、椴树、杨树、其他软阔、针叶混、阔叶混和针阔混16个二级测算单元；每个二级测算单元，按照林龄组划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5个三级测算单元，再结合不同立地条件的对比观测，最终确定800个相对均质化的生态服务评估单元，进行尺度转换、计算和整合，以及天然林生态系统服务评估。

在评估过程中，遵循“等效替代法则”和“权重当量平衡”2条原则[9]，引入森林生态功能修正系数，以更真实地反映研究区天然林的生态质量状况[10]，进一步提升研究结果的准确性。其中生物多样性保护功能的计算，采用Shannon-Wiener指数法，该指数不能全面的体现濒危物种和特有种的保育价值，引入濒危指数、特有种指数和古树年龄指数，修正Shannon-Wiener指数的评估结果，更加充分反映研究区内天然林的生态质量状况。

3 结果与分析

3.1森林生态系统服务物质量的变化

通过评估得出，2000和2015年研究区天然林生态系统涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质和净化大气环境的服务物质量(表1)。涵养水源、保育土壤、固碳释氧量、林木积累营养物质、释放负离子、吸收污染物量、吸滞TSP总物质量、吸滞PM10总物质量、吸滞PM2.5总物质量等各项生态系统服务的增加量和增长幅度，分别为7.78亿t/a和15.96%、2 255.32万t/a和19.50%、191.87万t/a和10.30%、6.35万t/a和30.00%、0.22×1023个/a和7.01%、2 879.16万kg/a和12.38%、53.45亿kg/a和6.88%、122.43万kg/a和18.81%、18.38万kg/a和7.61%。

图1 长白山森工集团森林生态服务分布式测算方法Fig.1 Forest ecosystem service distributed calculation method by Changbai Forest Industry Group

3.2森林生态系统服务价值量的变化

根据评估规范及相关计算方法[11-19]得出，研究区2000和2015年天然林生态系统服务总价值量分别为1 172.24和1 553.99亿元/a，增加了381.75亿元/a(表2)。研究区内，6项森林生态系统服务价值量的贡献顺序依次为生物多样性保护>涵养水源>保育土壤>净化大气环境>固碳释氧>林木积累营养物质；其森林生态系统服务价值量所占比例，2000年分别为30%、24%、17%、14%、13%和2%，2015年分别为27%、23%、19%、15%、13%和3%。天保工程实施后，研究区天然林生态系统所提供的诸项服务中，保育土壤价值量所占比例增加量最多，生物多样性价值量所占比例呈负增长，减少最多。其中保育土壤、净化大气环境和林木积累营养物质等服务价值量所占比例分别增加2%、1%和1%，固碳释氧的服务价值量所占比例基本不变，生物多样性保护和涵养水源的服务价值量所占比例减少3%和1%。

由图2可知，研究区6项森林生态系统服务价值量增加量所占比例中，保育土壤、涵养水源、生物多样性保护、净化大气环境、固碳释氧和林木积累营养物质分别占27%、20%、19%、18%、13%和3%。

表明天保工程实施后，各项服务价值量变化不等，保育土壤功能的服务价值量增加量所占比例最大，为总增加量的27%；其次，涵养水源、生物多样性保护和净化大气环境的服务价值量增加量所占比例相近，分别占总增加量的20%、19%和18%，所占比例相差不大；固碳释氧的服务价值量所占比例较少，为总增加量的13%；林木积累营养物质的价值量增加量所占比例最低，为3%，价值量增加也最少。除林木积累营养物质外，其他的保育土壤、涵养水源、生物多样性保护、净化大气环境和固碳释氧5项功能的服务价值增加量所占比例相差不太大，表明天保工程的实施，对各项生态系统功能的服务价值量变化均有影响。

表1长白山森工集团天然林生态系统服务物质量评估结果(2000—2015年)

Tab.1Material quality of natural forest ecosystem services in Changbai Forest Industry Group between 2000 and 2015

功能项Function功能分项Suboption天保工程实施前BeforetheNFPP天保工程实施后AftertheNFPP增量Increment涵养水源Waterconserva-tion调节水量Regulationwater/(108t·a-1)40.9748.757.78固土Soil-reinforcement/(104t·a-1)8746.0710828.322082.25固氮Nitrogenfixation/(104t·a-1)24.5129.565.06保育土壤Soilconservation固磷Phosphorusfixation/(104t·a-1)12.6814.581.90固钾Kaliumfixation/(104t·a-1)147.12186.2339.11有机质Organicmatter/(104t·a-1)379.99506.99127.00固碳释氧Carbonfixationand固碳Carbonfixation/(104t·a-1)461.63528.5566.91oxygenrelease释氧Oxygenrelease/(104t·a-1)1209.471334.43124.96林木积累营养物质N/(102t·a-1)13.5919.205.60Forestnutrientaccumula-tionP/(102t·a-1)0.400.620.23K/(102t·a-1)0.841.350.52释放负离子Negativeionssupply/(1023个·a-1)2.923.140.22吸收SO2AbsorptionofSO2/(104kg·a-1)14776.7217055.022278.30净化大气环境Atmospheric吸收氟氧化物AbsorptionofHF/(104kg·a-1)2057.512104.8847.37environmentpurification吸收氮氧化物AbsorptionofNOX/(104kg·a-1)3534.744088.24553.49TSP/(108kg·a-1)723.15776.5953.45滞尘RetentionofdustPM10/(104kg·a-1)528.36650.79122.43PM2.5/(104kg·a-1)223.26241.6418.38

Note: NFPP=nature forest protection project. The same below.

表2长白山森工集团天然林生态系统服务价值量评估结果(2000—2015年)

Tab.2Result of natural forest ecosystem service value of Changbai Forest Industry Group between 2000 and 2015

对比项Contrastitem涵养水源Waterconservation保育土壤Soilconservation固碳释氧Carbonfixationandoxygenrelease林木积累营养物质Forestnutrientaccumulation净化大气环境Atmosphericenvironmentpurification生物多样性保护Biodiversityconservation合计Total天保工程实施前BeforetheNFPP276.82196.54156.6827.73164.47350.001172.24天保工程实施后AftertheNFPP354.57300.37204.9239.35231.91422.871553.99增量Increment77.75103.8348.2411.6267.44381.7577.75

图2 不同森林生态服务功能价值量增量百分比例图Fig.2 Proportion of increment of forest ecosystem service value

4 结论与讨论

4.1 天然林生态系统服务物质量变化

天保工程实施后，在长白山森工集团天保工程区内，虽然部分树种面积和蓄积有所减少，但是不同树种组的面积和蓄积总体呈增加趋势，其天然林生态系统服务物质量增加，生态系统服务增强。吉林省水资源总量为607.41亿m3，其中大中型水库蓄水量为171.40亿m3[11]。至2015年，研究区天然林生态系统涵养水源量为48.75亿t/a，相当于吉林省水资源总量的8.03%，大中型水库蓄水量的28.44%。吉林省水土流失面积4万8 273.34 km2，占全省总面积的25.76%，其中水力侵蚀和风力侵蚀面积分别为3万4 743.89 和1万3 529.45 km2，分别占全省水土流失面积的72%和28%[12]。据测算，全省平均每年流失土壤1.3亿t[13]，2015年研究区天然林生态系统，固土量为10 828.32万t/a，相当于其平均每年侵蚀量的83.29%。说明天然林生态系统保育土壤的功能较强，在减少水土流失方面起到很好的保护作用。

吉林省能源的消耗总量是9 606万t标准煤，经碳排放转换系数换算得出，2013年碳排放量为7 182.45万t[13-14]，2015年研究区天然林生态系统固碳量为528.55万t/a，相当于吸收了2013年全省碳排放量的7.36%，与工业减排相比，森林固碳投资少、代价低，且综合效益大，更具经济可行性和现实操作性。吉林省工业二氧化硫排放量为38.15万t、氮氧化物排放量为56.05万t[14]，2015年研究区森林生态系统二氧化硫和氮氧化物吸收量分别为1万7 055.02和4 088.24万kg/a，分别相当于2013年吉林省工业二氧化硫和氮氧化物排放量的44.71%和7.29%。因此，研究区天然林可吸收一定量的大气污染物和滞纳空气颗粒物，起到净化大气环境的作用。

4.2 天然林生态系统服务价值量变化

截至2015年，研究区森林生态系统所提供的诸项服务中，价值量的贡献顺序依次为生物多样性保护>涵养水源>保育土壤>净化大气环境>固碳释氧>林木积累营养物质。研究区各项森林生态系统服务价值量所占比例，反映了天然林生态系统服务及其森林资源结构的特点。生物多样性保护、涵养水源和保育土壤3项的服务价值量比例占绝大部分，为69%，高于其他生态系统服务，成为研究区天然林生态系统服务主导功能，在研究区天然林生态系统所提供的诸项服务中，发挥重要作用。其中以生物多样性保护的服务价值量所占比例最高，说明生物多样性保护服务价值量最高，这与研究区的现有资源状况密切相关。长白山林区拥有最完整的寒温带山地垂直植被带，从山体自下而上，可分为次生夏绿阔叶林带(蒙古栎林带)、针阔混交林带、针叶林带(红松云冷杉针叶林亚带、云冷杉针叶林亚带)、岳桦林带、高山苔原带和高山荒漠带5个植被带，生物资源总量丰富，尚存着部分较为完整的红松林，蕴藏着许多我国北方区系种类和多种珍贵和稀有树种，是森林树种资源的宝库；另外，还与研究区所处的地理位置相关，该区位于暖温带和温带交接处，纬度水平地带性植被属于温带针阔叶混交林，优势树种组中，阔叶混交林、针阔混交林和针叶混交林分布面积较大，植被类型复杂、生物多样性丰富，保存着大批珍贵、稀有及濒危动物和植物物种资源[3,20]。已有研究表明，神农架地区森林生态系统服务中，生物多样性功能价值量最高，这与该地位于我国南北植物种类过渡区域和众多动物繁衍生息的交叉地带有关，具有极高的生物多样性[21]，生物多样性保护功能与生物多样性丰富度呈正相关关系，生物多样性丰富的地区其生物多样性保育功能高，从而该区天然林生态系统服务表现为生物多样性保护功能的服务价值量最高。

涵养水源的服务价值量所占比例较高，对维护吉林省地区用水安全起到了重要作用。近年来，吉林省在大型水库上游实施水源涵养人工林[22]，使得森林涵养水源功能发挥更大功效。截至2015年，研究区天然林群落中，阔叶混交林和针阔混交林的面积分别增加了26.38万和8.35万hm2。阔叶混交林、针阔混交林和针叶混交林为研究区优势树种组的重要组成部分，林分特点表现为生物多样性丰富和蓄积量大。优势树种的林分特点对生态系统服务起决定作用，其生态系统服务价值对总价值影响较大，且林分的面积和蓄积又是影响森林生态系统服务的主要因素。张志旭[23]对河北雾灵山自然保护区的研究得出，阔叶混交林面积和总蓄积量最大，对森林生态系统服务的价值贡献也最多，为8.797×104元/(a·hm2)。落叶阔叶混交林树种组成丰富、林下灌草盖度较高、枯落物储量较多，因而，水源涵养和土壤保持能力优于单一的阔叶林和针叶林[24]，林分蓄积量越大，其林下凋落物的储存量越多，使得凋落物层水土保持能力越强；同时，研究区为松花江、图们江、鸭绿江和牡丹江4江之源，河网密度大，流水侵蚀作用对其地貌及土壤的影响较大，独特的生态区位、地形和地貌特征，决定了研究区天然林生态系统涵养水源和保育土壤的生态系统服务，高于其他生态系统服务对该区生态系统服务的作用，成为该区天然林生态系统服务的主导功能。

4.3天然林生态系统服务中保育土壤价值量变化

研究表明，在天保工程实施后，保育土壤价值量增加最多，涵养水源次之，这2项服务价值的增加量占研究区生态系统服务价值量总增加量的47%，凸显了研究区天然林在保育土壤和涵养水源方面发挥的作用，表明天保工程的实施，对研究区天然林生态系统服务价值量影响较大。天保工程的宗旨是以保护生态环境和生物多样性为目的，以追求改善生态环境、保持水土和涵养水源为主要经营目标，从而使得天保工程实施期间，研究区天然林的涵养水源和保育土壤等功能的价值量增加量最大。

森林生态系统服务是在林木生长过程中产生的，其生长速度会对生态系统服务带来相应的影响，从而影响其物质量和价值量。相对于幼龄林而言，中龄林能够更好的减少地表径流量和土壤流失量，减少表层土壤砂粒质量分数，增加粗粉粒和物理性黏粒质量分数[25]，从而使得中龄林保育土壤和涵养水源的能力强于幼龄林。随着林龄的增长，林木冠幅、枝干和根系等也逐渐增加，使得森林的林冠截留、枯落物蓄水、土层蓄水和土壤入渗等方面的能力也得到提高，其涵养水源功能逐渐增强。吴金卓等[26]认为，不同演替阶段，林分最大持水量和最大持水率与蓄积量相关，即蓄积量越大，凋落物持水量和持水率越高，森林凋落物持水能力越强。郝娇娇等[27]研究表明，水源涵养能力的大小，与枯落物厚度成正比，枯落物越厚，水源涵养能力越强。随着天保工程的实施，研究区天然林面积和蓄积持续增长，生态状况逐步好转，涵养水源和保育土壤功能的服务价值量的增加量最大，对该区天然林生态系统服务影响最大。

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DynamicchangeofnaturalforestecologicalbenefitinChangbaiForestIndustryGroupsinceimplementationofnaturalforestprotectionproject

WANG Hui1，WANG Bing1,2,3，NIU Xiang1,2,3，SONG Qingfeng1

(1.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，Chinese Academy of Forestry，100091,Beijing, China;2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment，State Forest Administration， 100091, Beijing, China;3.Beijing Collaborative Innovation Center for Eco-environmental Improvement with Forestry and Fruit Trees，102206，Beijing, China)

BackgroundIn 1998, after the flood disaster, the state implemented Natural Forest Protection Project (NFPP). This indicates that China’s forestry transferred from wood production to ecological construction. NFPP is one of the six key forestry projects in China, but its ecological benefit assessment is less.MethodsBased on forest resource inventory data and the field measurement database of long-term observation data in Changbai Forest Industry Group by the end of 2000 and 2015, combining the distributed calculation method, the continuous observation and periodical inventory of complete index system of forest ecosystem services (known as forest ecology continuous investigation) were applied to assess six services, including water conservation, soil conservation, carbon fixation and oxygen release, trees’ nutrient accumulation, atmosphere purification, biodiversity conservation, and their characteristics were analyzed to quantify and reveal the dynamic changes of the ecological benefits of the NFPP in Changbai Forest Industry Group.ResultsThe results showed that the quantity and value of services showed an increasing trend during the implementation of the NFPP. The increase and the growth rate of the five forest ecosystem services were: water conservation, 7.78×108t/a； soil conservation, 2 255.32×104t/a; carbon fixation and oxygen release, 191.87×104t/a; trees’ nutrient accumulation, 6.35×104t/a, 0.22×1023negative ions/a; pollutant absorption, 2 879.16×104kg/a; PM10adsorption, 122.43×104kg/a; PM2.5adsorption, 18.38×104kg/a. During the implementation of natural forest protection project, the results showed that the total value of natural forest ecosystem services of Changbai Forest Industry Group increased by 381.75 billion/a. The order of values of the six service functions was as: biodiversity conservation, water conservation, soil conservation, atmosphere purification, carbon fixation and oxygen release order trees’ nutrient accumulation. The value of biodiversity conservation and water conservation were more than 50%, which was the main ecosystem service function.ConclusionsDuring the implementation of NFPP, the growth rate of soil conservation value was the largest, and water conservation was the second，which account for 27% and 20%, respectively. The study provides reference for the development of natural forest protection project, and provides scientific basis and guidance for the management of natural forest.

nature forest protection project; forest ecosystem services; ecology continuous investigation system; ecological benefit

S718.5

A

2096-2673(2017)05-0086-08

10.16843/j.sswc.2017.05.011

2017-03-02

2017-07-03

项目名称： 林业公益性行业科研专项“东北森林生态要素全指标体系观测技术研究”(201404303)；北京市科技创新服务能力建设项目“协同创新中心-林业果业生态环境功能提升协同创新中心(2011协同创新中心)(市级)” (PXM2017_014207_000043)

王慧(1989—)，女，博士研究生。主要研究方向：森林生态系统服务。E-mail:wh244828129@sina.com

†

牛香(1982—)，女，博士，副研究员。主要研究方向：森林生态效益监测与评估. E-mail: niuxiang@caf.ac.cn