基于生物量的塔里木河下游胡杨生态经济价值变化特征初探

王希义，徐海量，凌红波，潘存德



基于生物量的塔里木河下游胡杨生态经济价值变化特征初探

王希义1，徐海量2,*，凌红波2，潘存德1

1. 新疆农业大学，乌鲁木齐 830052 2. 中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011

以塔里木河下游的胡杨为研究对象, 探讨了胡杨生物量以及经济价值的变化趋势。基于2001—2016年塔里木河下游胡杨的调查及模拟资料, 借鉴生物量估算方法, 首先对胡杨生物量变化进行了模拟; 其次, 依据胡杨生物量变化特征和价值评估方式, 定量评价了塔里木河下游胡杨的经济价值。结果如下: ①建立了胡杨胸径与年龄间关系模型=12.711/(1+3.339× e–0.208D) 和胡杨单株生物量模型=128.09(Dh)0.6318（2=0.892;=285.35）。②估算了生态输水以来各年份胡杨总生物量, 起始年份2001年胡杨总生物量约为21.029×104t, 平均生物量约为2.401 t·hm–2。③胡杨年际新增价值量最大值出现在2006年为6.746×108元, 2009年、2011年、2014年胡杨新增价值量均小于0.08×108元, 并且新增价值量与输水量呈极显著正相关关系。

生态经济价值；生物量；胡杨；塔里木河下游

1 前言

森林是陆地生物光合产量的主体, 其层次结构与生命周期比其他生态系统更为复杂[1-2]。森林生物量是森林生态系统的重要指标之一, 反映了系统中个体、种群或群落生物质数量的多少, 并且综合体现了森林环境质量[3-4]。生物量不仅是植被固碳能力的重要标志, 而且也是评估植被生态经济价值的重要参数[5]。森林生态系统在维持和改善生态环境方面起着不可替代的作用, 其不仅可以为人类的生产生活提供木材以及林副产品等物质资源, 还具有净化空气、调节气候、涵养水源、防风固沙、固土保肥等生态功能[6-7]。因此, 估测森林生物量、评估其生态经济价值可以提高人们的环保意识, 对于正确处理经济发展与环境保护间的关系具有重要意义。

20世纪50年代以来, 前苏联、美国、德国等国家先后进行了森林生态服务价值的研究, 并在森林规划中加以应用[8-10]。国内针对森林生态系统服务功能的评估工作始于20世纪80年代, 在研究中大都采用国外的研究方法, 将服务功能分成若干方面进行评估[11-13]。此种方法的研究并不深入, 指标体系和计算方法不同使结果之间无法比较。一般而言, 生物量越大, 生态系统服务功能越强[14-15], 但是目前依据生物量对森林生态经济价值进行评估的研究相对少见。

胡杨是塔里木河下游的植被建群种, 对于区域内环境保护和植被恢复程度具有最直接的指示作用[16-17]。针对塔里木河下游胡杨的研究主要集中于胡杨与生态输水的关系[18-19]、胡杨生态分布[20-21]与胡杨生理特征[22-23]等方面, 而利用生物量评估生态经济价值的研究未见报道。本研究利用野外调查资料, 通过查询胡杨生物量模拟方法, 对2001-2016年塔里木河下游胡杨总生物量进行了估算, 并对各年份胡杨生态经济价值与新增经济价值进行了评估, 以便于人们对胡杨在生活和生产中的作用有一个恰当认识, 为塔里木河下游植被保护和恢复以及生态输水的效益评估提供科学依据。

2 研究区概况

塔里木河下游是指从大西海子水库至台特玛湖河段(图1)。本河段位于库鲁克沙漠与塔克拉玛干沙漠之间, 区域内的荒漠河岸林形成了南北长约400 km的绿色走廊。

塔里木河下游属温带干旱荒漠气候, 年降水量仅为20—50 mm, 而潜在蒸发量却高达2500—3000 mm[24]。由于受到地下水以及河水补给, 河漫滩以及河道两侧低阶地内形成了大片乔灌草带[25]。乔木主要是胡杨(), 灌木主要是柽柳()、黑刺()、铃铛刺()等, 草本植物包括芦苇()、鹿角草(Cass)、骆驼刺(olia)、花花柴()、盐生草()等。

3 资料来源与研究方法

3.1 资料来源

于2016年6月上中旬-7月上旬在塔里木河下游进行胡杨样地调查。选取塔里木河下游英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻4个断面。对于每一个监测断面, 选择具有代表性、未受人类破坏的地段, 延垂直于河道方向设置一个长2000 m、宽100 m的样带, 然后将此样带平均分成20个100 m×100 m的大样方进行监测。首先统计各个大样方内胡杨的数量, 对每个大样方内的胡杨进行每木检尺(DBH≥4 cm), 记录其胸径、树高、冠幅等, DBH≤4 cm的幼苗及幼树的数量、高度。

图1 塔里木河下游各监测断面状况

由于在以前没有对胡杨进行生物量的测量工作, 因此在2016年野外调查时, 在所设定的样带内选取了60株幼中龄的、长势良好的标准木, 在离地面1.3 m处钻取树芯, 以获得树木年轮; 然后在地面根基部位锯断伐倒并称重, 记录这60株胡杨的地上生物量。

3.2 研究方法

3.2.1 胡杨不同年份胸径估算

本研究用树木年轮推算胡杨树龄, 然后计算树龄与胸径()的关系。首先利用2016年获取的胡杨标准木数据和年轮数据, 选取线性方程、Logistic方程、对数方程、指数方程、幂函数方程(表1), 确定胡杨胸径与年龄间的最优关系模型。

3.2.2 不同年份胡杨树高模拟

2000—2015年胡杨树高模拟: 利用陈加利[26]建立的树高与胸径间的关系方程进行计算。

= 12.8737/[1+e(1.4228-0.1781D)] (1)

式中,为树高,为胸径。

本研究所用的软件为SPSS 16.0与EXCEL 2003.

4 结果与分析

4.1 胡杨单株生物量模型

4.1.1 胡杨胸径与年龄间关系模型

在所选定的60棵胡杨中, 任意选取30棵胡杨为样本。首先利用树木年轮确定其年龄大小; 其次, 依据所测量的胡杨胸径数据, 建立胡杨胸径与树龄间的关系模型。

由表2可知, 在本研究所选取的5个函数中, 以Logistic函数精度最高, 即树龄与胸径的最优关系模型为:

=12.711/(1+3.339×e-0.208D) (2)

用剩余30株胡杨对模型进行T检验, 结果表明实测值与模拟值之间没有显著差异(> 0.05)。

4.1.2 胡杨单株生物量模拟

采用唐守正[27]建立的生物量回归模型计算胡杨单株生物量。

B = a(Dh)(为胸径,为树高)

首先用30株伐倒胡杨数据对a与b进行参数拟合, 并用另外30株检验模型精度。根据伐倒30株胡杨建立回归模型, 效果显著。

=128.09(Dh)0.6318(2=0.892;=285.35) (3)

用剩余30株胡杨对模型进行验证, 结果表明实测值与模拟值之间没有显著差异(> 0.05)。

4.2 塔里木河下游胡杨林地面积与总生物量变化特征

本研究首先利用胡杨树龄与胸径的关系式(2), 计算出所选取的胡杨在2000—2015年的胸径大小, 而后利用公式(1)估算出不同年份的胡杨树高, 最后利用公式(3)估算出单株生物量。然后计算样方内胡杨总生物量, 进而可以推算胡杨单位面积生物量, 最后结合胡杨总面积计算总生物量。

表1 五种关系方程

Tab.1 Five relation equations

注:为树龄,为胸径。

表2 胸径与年龄模型参数拟合结果

Tab.2 Fitting results of model parameters between DBH and age

注: A为树龄, D为胸径。

塔里木河下游生态输水工程始于2000年[28], 而胡杨生长对输水的响应表现在2001年, 因此本研究以2001年为起始年份。根据所统计的胡杨地上数据, 通过计算得出2001年胡杨地上总生物量约为21.029×104t, 平均生物量约为2.401 t·hm-2。不同年份胡杨总生物量变化特征如图2所示。

由图2可知, 胡杨总生物量一直处于不断的变化之中; 随着输水量的逐渐增加, 在2006年出现一个小高峰; 2007—2009年输水量减少, 胡杨总生物量增加缓慢; 2010年以来, 生态输水方式逐渐合理, 胡杨总生物量缓慢上升, 2016年最高, 约为49.257× 104t, 单位面积生物量约为3.076 t·hm-2。

4.3 胡杨经济价值变化特征

4.3.1 总生物量经济价值变化特征

本研究中借鉴杨柳春等[29]的计算结果, 生物量直接经济价值为0.110元·kg-1, 间接经济价值为9.06元·kg-1, 总经济价值为9.17元·kg-1。2001—2016年塔里木河下游胡杨生态经济价值变化如图3所示。

4.3.2 新增生物量经济价值变化趋势

本研究中, 以2002表示2001—2002年的新增值, 2003表示2002—2003年的新增值, 以此类推, 2016表示2015—2016年的新增值, 则胡杨年际新增价值量如图4所示。

图2 塔里木河下游不同年份胡杨总生物量

图3 不同年份胡杨经济价值总量变化趋势

图4 胡杨年际新增价值量

由图4可以看出, 胡杨新增价值量最大值出现在2006年, 为6.746×108元。2009年、2011年、2014年胡杨新增生物量均很小, 小于0.08×108元, 以2011年最小, 仅为0.018×108元。由于2002年新增价值量主要受到2001年输水量的影响, 2003年主要受到2002年水量的影响, 依次类推, 2016年主要受2015年输水量的影响, 因此本研究提取了2001- 2015年的输水量, 对新增价值量与输水量进行了Pearson相关性检验, 得出=0.871**, Sig=0.000。因此, 胡杨新增价值量与输水量呈极显著正相关关系。

5 讨论

塔里木河下游地区极度干旱, 区域内的荒漠河岸林形成一条连绵不断的绿色走廊。这是经历长期严酷环境中生存适应而造就的类群, 适应性极为独特。尽管胡杨林植物种类少, 盖度低, 但是在如此恶劣的环境中顽强生存, 形成一定规模的群落结构, 构建了荒漠生态系统的骨骼, 因此在低于风沙、稳定环境方面起着不容忽视的作用[30]。塔里木河下游荒漠河岸林以胡杨为建群种, 因此研究胡杨的生态特征具有重要意义。胡杨生物量是胡杨种群最直观的体现, 反映了胡杨在河岸林生态系统中的地位和作用[31]。本研究建立了胡杨生物量模型, 对胡杨总生物量进行了评估, 至2016年胡杨单位面积生物量约为3.076 t·hm-2。相比而言, 我国东部的贡嘎山区[32]森林单位面积生物量高达568 t·hm-2; 又如, 浙江省[33]森林单位面积生物量远低于全国水平, 但是依然高于塔里木河下游地区等。这些都表明了塔里木河下游胡杨生物量较低, 同时也说明区域内胡杨具有很大的恢复潜力。

森林生态系统服务是地球对人类福利的重要组成部分, 因此人们在生活和生产过程中需要对森林的存量给予足够的权重[34]。在本研究中, 塔里木河下游胡杨在2015年的生态经济价值为45.065×108元, 而塔里木河下游流经的尉犁县和若羌县在2015年的GDP总量为111.288×108元, 塔里木河下游胡杨的生态经济价值占流域GDP的40.5%。因此, 森林的生态服务价值是巨大的。但是现有的国民经济核算体系以国内生产总值(GDP)为中心, 过于注重森林的直接经济价值而忽视其巨大的生态效益[35]。这不仅导致森林生产力低下、木材质量下降以及病虫害蔓延等后果, 而且也会对整个系统的长远发展产生不利影响。因此, 应尽快将环境资源纳入国民经济核算范围, 计算经济成果的环境成本, 建立绿色国民经济核算体系。

干旱半干旱地区的水资源是植被生存和繁衍的重要资源, 其变化会引起地下水位的变动, 而地上植被的生态经济价值也会随之发生变化。在本研究中, 每一年度胡杨的新增价值量与生态输水量呈现显著正相关, 这与安红燕等[36]的研究结果相一致, 都表明了生态输水对胡杨的新增量影响显著, 这可以为生态输水效益的评估提供科学依据。胡杨生态经济价值清楚地说明了其在维系和促进流域社会经济可持续发展中的巨大作用, 而且由于塔里木河下游特殊地理位置以及今后经济的发展需要, 其生态系统服务功能将会发挥更大的作用[37]。另外, 受到研究水平、取样方式、计算方法的限制, 本研究的评价结果与实际值存在一定差异。但是与机械样地监测法、典型选样调查法等方法相比, 精度最高[38]。因此, 在以后的研究中, 应深入分析误差范围、来源及影响因素, 提高计算过程中各环节的精度。

6 结论

(1)建立了胡杨胸径与年龄间关系模型=12.711/ (1+3.339×e–0.208D) 和胡杨单株生物量模型=128.09 (Dh)0.6318(2=0.892;=285.35), 并且模拟值与实测值之间均没有显著差异(>0.05)。

(2)依据估算结果, 起始年份2001年胡杨总生物量约为21.029×104t, 平均生物量约为2.401 t·hm–2; 2016年胡杨总生物量约为49.257×104t, 单位面积生物量约为3.076 t·hm–2。

(3)胡杨年际新增价值量最大值出现在2006年, 为6.746×108元; 2011年胡杨新增价值量最小, 为0.018×108元, 2009年与2014年的新增价值量也都小于0.08×108元; 并且胡杨年际新增价值量与生态输水量呈现极显著正相关关系。

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王希义, 徐海量, 凌红波, 等. 基于生物量的塔里木河下游胡杨生态经济价值变化特征初探[J]. 生态科学, 2017, 36(6): 83-88.

WANG Xiyi, XU Hailiang, LING Hongbo, et al. Primary investigation of ecological economic value ofbased on the biomass in the lower reaches of Tarim river[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 83-88.

Primary investigation of ecological economic value ofbased on the biomass in the lower reaches of Tarim river

WANG Xiyi1, XU Hailiang2,*, LING Hongbo2, PAN Cunde1

1. Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052, China2.Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China

in the lower reaches of Tarim River was took as the research object, and the variation trend of biomass and economic value ofwas discussed. Based on investigated and simulated data ofin the lower reaches of Tarim river from 2001 to 2016, with the estimated methods referenced, change ofbiomasswassimulated firstly. Secondly, according to the characteristics of biomass and the pattern of value assessment, ecological value ofwas assessed quantitatively. The results are as follows.①The relational model=12.711/(1+3.339×e–0.208D) which between DBH and age ofwas established, so as the biomass model of single plant that=128.09(Dh)0.6318(2=0.892;=285.35). ②The total biomass offorest in every year was estimated since the starting of ecological water transport. Total biomass was 21.029×104t in 2001, with the average biomass about 2.401t·hm–2. ③The biggest interannual new increased value was 6.746×108yuan in 2006; however, the new increased values in 2009, 2011 and 2014 were all below 0.08×108yuan. What’s more, there was a significantly positive correlation between new increased value and water carrying capacity.

ecological economic value; biomass;; lower reaches of Tarim river

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.012

Q948

A

1008-8873(2017)06-083-06

2016-10-02;

2016-12-07

国家自然科学基金(31370551, 41471099, 31400466); 中国科学院“西部之光”人才培养计划(XBBS-2014-13); 中国科学院特色研究所主要服务项目2课题2(TSS-2015-014-FW-2-2)

王希义(1987—), 男, 山东滨州人, 博士研究生, 主要从事生态需水与恢复生态学研究, E-mail:binzhouwxy@163.com.

徐海量(1971—), 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事恢复生态学研究, E-mail: xuhl@ms.xjb.ac.cn.