湖南省公益林生态系统服务功能价值量关键驱动力因子甄别

马丰丰，邓 楠，黄 勇，王育坚，田育新，宋庆安，吴小丽

1. 湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2. 湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站，湖南 慈利 427200 ； 3. 湖南省林业局，湖南 长沙 410004 )

生态系统是维持人类社会存在和发展的基础，但随着全球工业化进程的加快、人口的持续增加，人类社会对自然资源的需求急剧增加。在此过程中过度干预和消耗生态系统，造成全球2/3的生态系统持续恶化，导致了气候变化、水资源短缺、生物多样性骤减、自然灾害频发等全球性问题[1-2]。维持生态系统可持续性，调整生态系统服务的供给与人类需求的平衡成为当前必须面对的挑战。自1970年生态系统服务功能首次被提出后[3]，自然环境的生态系统服务功能开始受到更多的关注和重视。生态系统的服务功能直接影响人类社会的发展，是在各种驱动力系统下产生的，因此，驱动力的研究是生态系统服务功能研究不可或缺的组成部分，对于揭示生态系统服务功能的演变、作用机制和预测具有重要意义[4-5]。近年来，部分学者开展了一些生态系统服务功能价值的分析[6-8]，极大地推动了生态系统服务功能价值研究的发展，但关于生态系统服务功能价值驱动力方面的研究较少[9]。因此，本文基于2019年度湖南省公益林六大生态系统服务功能(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、生物多样性保护)价值量评估结果，从自然环境驱动因素、社会经济驱动因素及政策驱动因素等三个方面进行分析，以揭示其对湖南省公益林生态系统服务功能价值的作用机制。

1 数据来源与研究方法

数据来源于2019年度湖南省公益林六大生态系统服务功能价值量的评估结果。分别统计湘东(长沙市、株洲市、湘潭市)、湘南(郴州市、永州市)、湘西(湘西土家族苗族自治州、怀化市、张家界市)、湘北(常德市、岳阳市、益阳市)、湘中(衡阳市、娄底市、邵阳市)等不同地理区域的公益林生态系统服务功能价值量。湖南省区域气候数据来源于世界气候数据库(http://www.wordclim.org/)。数据库采用插值法利用气象站点的数据生成气候栅格数据，包含19个生物气候变量(见表1)。

表1 19个生物气候变量[10]Tab. 1 19 bioclimatic variables变量编码变量描述变量编码变量描述Bio 1年平均气温Bio 11最冷季平均气温Bio 2平均气温日较差/(月平均最高气温-月平均最低气温)Bio 12年降水量Bio 3等温性/(BIO2/BIO7) (×100)Bio 13最湿月降水量Bio 4气温季节性/ (标准差×100)Bio 14最旱月降水量Bio 5最热月最高气温Bio 15降水量的季节性(变异系数)Bio 6最冷月最低气温Bio 16最湿润季降水量Bio 7气温年较差/ (BIO5-BIO6)Bio 17最干燥季降水量Bio 8最湿润季平均气温Bio 18最热季降水量Bio 9最干燥季平均气温Bio 19最冷季降水量Bio 10最热季平均气温

基于R语言的相关性模块，通过分析不同地理区域单位面积公益林生态系统服务功能价值量与气候要素的相关性，甄别自然环境要素的驱动力指标。

同时，基于历史资料、相关统计年鉴、行业年鉴及森林资源清查数据，选择社会经济要素、政策要素中具有典型代表性的驱动力指标(如表2所示)，采用主成分分析自然环境、社会经济、政策等三大要素中的关键驱动力对湖南省公益林生态系统服务功能价值量的影响。

表2 社会经济要素、政策要素典型驱动力指标Tab. 2 Socio-economic and policies driving force factor 驱动力因素驱动力指标单位数据来源1 人均纯收入元·人-1湖南省统计年鉴2019年2 森林旅游总收入万元湖南林业发展报告2019年社会经济因素3 林业产值万元4 竹材采伐量万根湖南省统计年鉴2019年5 木材采伐量万m31 公益林面积万hm2湖南省2017年公益林完善落界成果政策因素2 中央财政补偿资金万元湖南省2018年度中央和省级森林生态效益补偿管护补助支出计划表3 省级财政配套补偿资金万元注: 森林旅游总收入只计公益林范围内森林公园、自然保护区和风景名胜区的森林旅游总收入。

2 结果与分析

2.1 不同地理区域公益林生态系统服务功能价值量

湖南省公益林的生态系统服务功能价值总量(以下简称为价值总量)为5 165.79亿元·a-1，是湖南省2019年GDP(39 752.10亿元)的0.13倍(数据来源于湖南省2019年国民经济和社会发展公报)。从图1可以看出：在空间上，价值总量呈现出非均匀分布的特征，即公益林面积越大、质量越好、水热条件越好的区域，其价值总量越大;全省公益林价值总量和面积的空间格局均表现为湘西>湘中>湘南>湘北>湘东。但是，单位面积公益林价值量空间分布表现为湘西(10.88万元·hm-2·a-1)>湘东(10.52万元·hm-2·a-1)>湘北(10.47万元·hm-2·a-1)>湘南(10.38万元·hm-2·a-1)>湘中(9.91万元·hm-2·a-1)，说明，湘西地区不仅公益林面积最大，而且公益林质量最好。同时，水热条件好的区域，单位面积的价值量也较大，如常德市的公益林面积(35.14万hm2)比衡阳市的(35.40万hm2)略小，但是，由于常德市的多年平均降水量(1 489.9 mm)远远大于衡阳市的(1 109.0 mm)，年平均气温(17.2℃)小于衡阳市的(19.2℃)，良好的水热条件使得常德市公益林不论是价值总量还是单位面积的价值量均大于衡阳市的。

图1 公益林生态系统服务功能价值总量及面积空间分布格局Fig. 1 Spatial distribution pattern of ecosystem service total value and area in ecological public welfare forest

2.2 自然环境要素对湖南省公益林生态系统服务功能价值量的驱动力甄别

自然环境要素对公益林生态效益地理区域分异性的驱动作用较为复杂，是不同地理区域自然环境要素的差异及公益林群落结构相互作用的过程。湖南省不同自然地理区域自然环境要素对公益林价值量的驱动作用结果如图2所示。

从图2中可以看出：年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量、最热季降水量是影响湖南省不同自然地理区域公益林单位面积生态系统服务功能价值量的主要驱动要素，其差异十分显著(P<0.01)，相关系数均达到了0.2以上。其中，年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量与湖南省不同自然地理区域公益林单位面积生态系统服务功能价值量均呈极显著负相关，最热季降水量与之呈极显著正相关(P<0.01)。同时，气温季节性、最冷月最低气温、气温年较差、最干燥季平均气温、最冷季平均气温、最旱月降水量、最冷季降水量与单位面积生态系统服务功能价值量均呈显著负相关，降水量的季节性与之呈显著正相关(P<0.05)。这与湖南省水热不均、年际变化大的气候特点有直接关系。湖南省春季乍寒乍暖，天气变化剧烈，一般年份，3—4月每月有3～4次冷空气入侵，日平均气温一般下降10℃以上，有时甚至超过15℃；5月有2～3次冷空气入侵，日平均气温可下降7℃以上。夏秋少雨，干旱几乎年年都有；常年6月下旬到7月上旬，除湘西北外，湖南省大部分地区雨季结束，雨日和降雨量都显著减少；7—9月各地总降雨量多为300 mm上下，不足雨季降雨量的1/2，加之南风高温，蒸发量大，常常发生干旱。

2.3 湖南省公益林生态系统服务功能价值量驱动力因素主成分分析及其与各指标的相关性

基于2.2节的结果，选取年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量、最热季降水量作为自然环境因素的驱动力指标，结合社会经济因素和政策因素的驱动力指标(见表3)，利用主成分分析这三大类共计14项具有典型代表性的驱动力指标对公益林价值量的影响(见表4)。

表3 公益林生态系统服务功能价值量驱动力指标Tab. 3 Driving force factor of ecosystem service value of ecological public welfare forest驱动力因素驱动力指标单位数据来源1 X1年平均气温℃2 X2最热月最高气温℃自然环境因素3 X3最热季平均气温℃世界气候数据库(http://www.wordclim.org/)4 X4最干燥季降水量mm5 X5最热季降水量mm6 X6林分密度株·hm-2湖南省2017年公益林完善落界成果1 X7人均纯收入元·人-1湖南省统计年鉴2019年2 X8森林旅游总收入万元湖南林业发展报告2019年社会经济因素3 X9林业产值万元4 X10竹材采伐量万根湖南省统计年鉴2019年5 X11木材采伐量万m31 X12公益林面积万hm2湖南省2017年公益林完善落界成果政策因素2 X13中央财政补偿资金万元湖南省2018年度中央和省级森林生态效益补偿管护补助支出计划表3 X14省级财政配套补偿资金万元价值量1 Y1单位面积价值量亿元·hm-22019年公益林监测评价测算结果

湖南省公益林价值量驱动力因素主成分分析结果(表4)表明，前3个因子的贡献率占总方差的95.439%，其中第一主成分解释了62.343%的贡献率，第二主成分解释了21.096%的贡献率，第三主成分解释了12.000%的贡献率。

表4 主成分分析方差解释表Tab.4 Variance interpretation table of principal compo-nent analysis主成分主成分得分的方差方差百分比/%方差累计值/%18.72862.34362.34322.95321.09683.43931.68012.00095.439

从表5可以看出：第一主成分中年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量、最热季降水量、森林旅游总收入、公益林面积、中央财政补偿资金、省级财政配套补偿资金与公益林生态系统服务功能价值量的相关性均达到了0.85以上，其中，最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量、最热季降水量、森林旅游总收入、公益林面积、中央财政补偿资金与之的相关性均达到了0.9以上，说明第一主成分主要以自然环境因素和政策因素为主，且在自然环境因素中，最干燥季降水量、最热季降水量均属于正向驱动力，最热月最高气温、最热季平均气温、年平均气温均属于反向驱动力；公益林面积、中央财政补偿资金是政策因素中的主要驱动因素。

表5 主成分与各指标的相关性Tab.5 Correlation between principal components and in-dicators序号指标主成分1231年平均气温-0.876-0.361-0.2922最热月最高气温-0.9790.0700.0353最热季平均气温-0.9540.1900.0904最干燥季降水量0.9130.0850.2405最热季降水量0.9130.0850.2406乔木林林分密度-0.6310.7110.2707人均纯收入-0.368-0.3130.8758森林旅游总收入0.9740.1050.1539林业产值-0.243-0.712-0.56710竹材采伐量-0.4080.886-0.21911木材采伐量0.0150.917-0.32612公益林面积0.9730.058-0.12513中央财政补偿资金0.9870.130-0.02414省级财政配套补偿资金0.8910.000-0.342

第二主成分中木材采伐量、竹材采伐量与公益林生态效益均有较高的相关性，其相关系数均达到了0.85以上，说明社会经济因素在第二主成分上载荷较大。

在第三主成分中人均纯收入与公益林生态效益具有较高的相关性，为0.875，说明社会经济因素在第三主成分上载荷较大。

3 结论与讨论

生态服务功能价值量受到自然、人为等多种因素的影响。对生态服务功能价值量驱动分析有助于提高对其变化规律的认识[11-12]。本研究利用2019年度湖南省公益林已有生态价值研究成果的数据，通过相关性和主成分分析，对自然环境、社会经济和政策因素分别进行了深入分析。相关性分析表明，年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量、最热季降水量是影响湖南省不同自然地理区域公益林单位面积生态系统服务功能价值量的主要驱动要素，其中，年平均气温、最热月最高气温、最热季平均气温、最干燥季降水量均与之呈极显著负相关，最热季降水量与之呈极显著正相关(P<0.01)。这反映了湖南省水热不均且年际变化大的气候特点。众多研究表明，气候特点对于森林植物的生长发育、物种多样性等具有较大影响[13-15]，印证了以气候为主的自然因素对于生态系统服务功能价值量的驱动力。此外，主成分分析表明，公益林面积、中央财政补偿资金、省级财政配套补偿资金是政策因素中的主要驱动力，其解释贡献率略高于自然因素，表明湖南省公益林生态系统服务功能价值的驱动力以政策因素和自然环境因素为主。

综上所述，政策因素、自然环境因素是公益林生态服务功能价值量(生态效益)的主要驱动力，社会经济因素是次要驱动力。

政策驱动力在公益林生态效益变化中发挥了举足轻重的作用。自2001年实施公益林保护建设工程，建立森林生态效益补偿制度以来，全省累计直接获得中央财政和省级财政森林生态效益补偿资金达130亿元，有450万户林农直接受益，户平获得补助资金约2 900元，成为湖南省继退耕还林工程后第二大财政投入的生态建设项目和民生工程，带动了生态旅游业和林下经济的发展，实现了生态保护与经济发展的双赢。随着地方各级政府对公益林保护建设的逐步重视，公益林相关法规政策的不断完善，社会经济水平的不断提高，从2013年开始，湖南省省级财政逐步提高了对中央财政国有国家级公益林的补偿和配套标准。对国有国家级公益林的补偿标准从2015年之前的75元·hm-2·a-1，提高到2015年的90元·hm-2·a-1，再提高到2016年的120元·hm-2·a-1和2017年的150元·hm-2·a-1。对国有国家级公益林的配套标准，从2013年的15元·hm-2·a-1，提高到2014年的30元·hm-2·a-1和2015年的60元·hm-2·a-1，再到2016年的75元·hm-2·a-1；2016年长株潭城市群生态绿心地区实施公益林分类分区域补偿试点，直接将长株潭绿心地区国家级、省级公益林的生态效益补偿标准由之前的255元·hm-2·a-1提高到了试点年限的750～870元·hm-2·a-1和2019年的900～1 020元·hm-2·a-1。这些政策的实施，都不同程度地促进了湖南省公益林保护建设的发展。

总的来说，湖南省公益林保护建设经过20年(2001—2020年)的实施，产生了显著的生态效益，使得生态效益与社会、经济效益同步增长，同时，有效改善了林业的产业结构，由第一产业为主，向第二产业、第三产业转移。从中国林业统计年鉴2001年、2010年以及中国林业和草原统计年鉴2018年的数据中可以清楚地看到这种变化：林业第一产业、第二产业、第三产业产值比由2001年的82.3∶5.5∶12.2，到2010年的37.22∶44.7∶18.1，再到2018年的31.6∶35.3∶33.1，尤其是近10年，第三产业的快速崛起，充分体现了林业产业从以木材生产为主向以生态建设为主的发展转型的成功，也从侧面说明了公益林保护建设由过去以保护为主，向保护和建设并举转变，促进了公益林生态、社会、经济三大效益的协同发展。