森林生态效益似乎不相关模型及其应用1)

刘硕 马建章 宗诚 戎可

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

随着社会经济的发展以及对森林资源的开发利用，森林生态环境的价值越来越大，对国民经济的影响越来越广。国内外许多学者对此进行了广泛的研究，但是计量的方法多种多样，估计的数值相差悬殊，争议较大。欧阳志云[1]等首次使用生态系统服务功能的“Service”一词，20世纪末对生态系统服务功能进行一系列研究的是美国的Costanza研究团队。影响最大的是Costanza R et al.[2]提出全球生态系统服务与自然资本价值的估算。但也有不少学者并不接受该论文的估计值，因为它比全球的GDP还要大。

国内开始的研究比较晚。周晓峰[3]用假想市场法评价了黑龙江省森林的生态价值。郎奎建[4]等首次对10种森林生态效益进行了全面、系统的定义和计量。后来有许多学者对较小的地域范围进行了森林生态效益的计量，如宋彩平[5]以黑龙江省林业科学研究院江山娇实验林场为对象进行了研究，之后国内掀起了研究森林生态效益的高潮[7-12]。

Looy V K et al.[13]在大地理尺度下河岸林对水生生态系统的效益进行了评价。Pedro H et al.[14]文化生态系统服务对巴西大西洋森林生态恢复项目效益的影响提出了看法。Rudo F S et al.[15]对生态系统恢复投资的效益进行了分析。

本文将以唐守正等[16]在近代统计模型中推导出的似乎不相关模型为理论基础，根据森林特有的生物特性定义各种经典的森林生态效益概念，加上影响森林生长的林分、气象因素、地理位置因子等比较容易取得的自变量集，以森林的各种生态效益为因变量，构造出复杂的森林生态效益的似乎不相关模型，然后估算帽儿山国家森林公园涵养水源、固土、吸收二氧化碳、净化大气、抑制风沙等森林生态效益。

1 研究区概况

黑龙江帽儿山国家森林公园位于东经127°30′～127°34′，北纬45°20′～45°25′，南北长30 km，东西宽26 km，总面积26 291 hm2，共划分10个森林经营施业区，156个林班和3 818个小班。

2 试验方法

本文将利用2016年帽儿山国家森林公园第5次森林经理调查最新数据库，其森林资源见表1。

表1 帽儿山国家森林公园森林资源

(1)似乎不相关模型：假设一组随机变量Y1，…，Yq，与一些因素之间满足线性统计关系，即：

(1)

它的一般形式是：

(2)

式中：ei·=(ei1,…,eiq)。

(2)称为似乎不相关线性模型[16]

森林生态效益似乎不相关模型：将森林生态效益因变量和自变量集联合起来就可以写成方程组。

(3)

式中：yi1表示森林树冠截留水的年生态效益量(hm2·a-1)；yi2表示森林枯落物持水量(hm2·a-1)；yi3表示森林土壤非毛细管孔隙的贮水量的年生态效益量(hm2·a-1)；yi4表示森林固土量的年生态效益量(hm2·a-1)；yi5表示森林保肥量的年生态效益量(hm2·a-1)；yi6表示森林吸收二氧化碳的年生态效益量(m3·a-1)；yi7表示森林释放氧气的年生态效益量(m3·a-1)；yi8表示森林抑制风沙的年生态效益量(hm2·a-1)。

F为定性变量，林分类反应值：红松林为1、针叶林为2、混交林为3、硬阔叶林为4、珍贵硬阔叶林为5、软阔叶林为6；Z为定性变量，龄组反应值：幼龄林为1、中龄林为2、成过熟林为3；Y为降水量(mm)；B为郁闭度(0，0.1，0.2，…，1)；D为经度(°)；W为纬度(°)；H为海拔高(m)；其他为待估常数[17]。

(3)由整体扩散模型得到生态效益物理量：由森林生态效益的特性可知其测定难度较大，因此它的计量必须由样本来估计总体，这个样本可以不是随机的，往往用的是生态定位站观测值。其抽样比要比森林资源小的多。

各种森林生态效益都存在多个因变量和多个自变量的相关关系，用这种多对多线性模型进行森林生态效益计量，满足整体上相容、且具有独立变量的模型称为整体扩散模型。根据此定义分别建立了树冠截留量、枯落物持水量、土壤毛细管孔隙贮水量、固土量、保肥量、吸收二氧化碳、净化大气、抑制风沙的整体扩散模型。

其中：涵养水源的效益=树冠截留量+枯落物持水量；固土效益=壤毛细管孔隙贮水量+固土量。

本文利用孙继华[18]等建立的整体扩散模型，计算得到了帽儿山各施业区的森林生态效益物理量。

(4)森林生态效益货币模型。近年来，森林生态效益有进一步向社会学方向发展，它是森林生态效益向森林的选择价值和存在价值上拓广。例如：森林野生生物保护存在价值，无物理量；森林改善小气候效益不好明确它是哪一种物理量；森林减轻水旱灾的效益不存在物理量，森林游憩效益和森林削减噪声效益等找不到替代商品。

表2 帽儿山各施业区的森林生态效益物理量

森林在大气环流的作用下，森林对生命和环境组成的地球生物圈提供间接的有利于人类的森林的选择价值和存在价值，一般不具有可测定生态效益物理量、或物理量太多，找不到“替代商品”特征的森林野生生物保护，森林改善小气候效益等公益效能称为广义的森林生态效益。

第一类货币量构造模型：

Ei(t)=∑Pj×Rj×Cj×Yij(t)×Sij(t)，i=1，2，…，6。

(4)

式中：Ei为森林涵养水源、固土、保肥、吸收二氧化碳、净化大气、森林抑制风沙的货币量；Pi为有效面积系数；Ri为市场逼近系数；Ci为替代商品价格；Yij为森林生态效益因变量(物理量)；Sij为某森林资源向量；t为时间；∑为指按林分小班j求和[19]。

森林生态效益的第一类货币量构造模型参数见表3。

表3 森林生态效益的第一类货币量构造模型参数

第二类货币量构造模型：产生的原因是它的森林生态效益物理量不存在或不好找替代商品。包括森林改善小气候、坚强水旱灾、游憩资源、野生动植物保护、减少噪声等。第二类货币量构造模型见表4。

表4 森林生态效益的第二类货币量构造模型参数

3 结果与分析

利用2016年帽儿山国家森林公园第5次森林经理调查数据库计算得到的森林生态效益货币量见表5。

由表5可知：黑龙江帽儿山国家森林公园的森林生态效益货币量每年为18 827万元人民币，涵养水源为4 446万元，固土为1 755万元，保土为1 583万元、吸收二氧化碳为4 377万元，净化大气为5 176万元，抑制风沙为379万元。广义生态效益包括改善小气候、减轻水旱灾、游憩、野生生物保护、削减噪声的效益分别是160、335、59、528、29万元。

表5 帽儿山国家森林公园森林生态效益货币量

作者还分别计算了凉水国家自然保护区和黑龙江松花江林管局国有林的森林生态效益[20]。帽儿山国家森林公园的面积是22 720 hm2，森林生态效益货币量每年为18 827万元人民币，松花江管局国有林的面积是2 056 544 hm2，森林生态效益货币量每年为1 021 183万元人民币,而凉水国家自然保护区的面积只有6 334 hm2，每年总的森林生态效益是9 431万元人民币。按单位面积计算，每公顷每年的森林生态效益由大到小为凉水国家自然保护区(1.488 9万元)、帽儿山国家森林公园(0.828 6万元)、松花江林管局(0.496 5万元)。这些数据也说明森林生态效益的大小和森林的质量紧密相关。

续(表5)

4 结论与讨论

本文首次明确提出了经典森林生态效益、广义森林生态效益的概念。把森林涵养水源、森林保持水土、森林吸收二氧化碳、森林净化大气、森林抑制风沙等有明确物理量的森林生态效益称为经典的森林生态效益，把没有明确的或没有物理量，或没有市场替代产品的森林改善小气候、森林游憩、森林野生生物保护和森林削减噪声等效益扩充后称为广义森林生态效益。

首次利用森林经理调查的数据进行森林生态效益的计量，先确定森林生态效益的系数，然后分别小班计算森林生态效益的物理量，然后利用物理量转换系数得到经典的森林生态效益，再使用第二类货币量模型估算广义森林生态效益，最后累加各个小班的森林生态效益。

把“整体扩散”的概念引入到森林生态效益模型建立中，把多种森林生态效益统一到一个系统中。并用市场逼近系数、有效面积系数、物理量转换系数等分别构造了第一类货币量模型和第二类货币量模型，进行了森林生态环境效益的估算，大大降低了国内外有争议学者的估计过高的数值。

和国内外同类研究相比，首次对森林生态效益分成了两大类。即经典森林生态效益和广义森林生态效益。许多学者只给出了一个总的森林生态效益货币量值，我们用森林经理调查的数据一个一个的小班计算累加得到，这样的科学推测应该更可信。技术路线上，我们采取以现代统计学的似乎不相关模型为基础，然后推出森林生态效益似乎不相关模型，把“整体扩散”概念引入，最后进行森林生态效益货币量的估算。