西部干旱半干旱地区森林生态系统服务功能价值研究——以四子王旗国家级公益林为例

董峥嵘，马海龙，周连生，杨福俊*，于宝勒，东明，张磊

（1.四子王旗林业和草原局公益林管理站，四子王旗 011800；2.呼和浩特市林木种苗站，呼和浩特 010030；3.内蒙古自治区林业和草原监测规划院，呼和浩特 010020）

生态系统服务是指人类从生态系统获得的各种惠益[1]。森林除了直接产出丰富林产品外，更具有固炭释氧、调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙、改良土壤、减少污染、美化环境等多种服务功能[2]。生态服务功能的价值评估是将生态服务功能进行货币化的过程，对国家级公益林进行生态服务功能价值评估，能以更直观的方式体现公益林为当地居民以及周边区域带来的各种益处。公益林生态服务功能价值评估，对提高公众环境保护意识、助力传统国民经济核算体系走向环境与经济一体化核算体系、减少资源的过度消耗与生态破坏、促进森林生态系统可持续发展，都能起到相当的作用。随着社会对生态系统服务功能认识的深入与相关研究与应用的不断发展，生态系统服务功能也已成为公益林效益评价指标体系中重要的组成部分。

公益林生态系统服务功能价值评估，还可以为生态补偿制度的设计与利益分配的公平性提供基础。生态补偿也已成为保护生态系统服务功能的重要经济手段之一[3]，通过政策制度保护，使生态系统持续提供上述的服务功能，是开展生态补偿的最终目的，因此，在生态补偿制度设计时，应以生态系统提供的服务功能作为其科学基础[2]。

内蒙古西部地区自然条件相对恶劣，气候干旱，风沙大、降水少、植被覆盖度低，荒漠化与水土流失情况较重，属于生态状况脆弱地区。在这些地区，国家级公益林在维护国家生态安全、国防安全，改善区域生态状况，保障人居环境质量方面起着至关重要的作用。国家级公益林以灌木林地为主，其国家级公益林资源结构，在内蒙古西部地区具有一定典型性。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗，该旗位于大青山北麓，乌兰察布草原西北部，地理坐标为北纬40°20′～42°40′，东经110°20′～113°00′，总面积25 513 km2该区域地处中温带，属大陆性季风气候区，年降水量110～350 mm，且分布不均，年际变幅大，年蒸发量2 300～2 400 mm。年平均气温1～6 ℃，年平均风速3.6 m/s，年平均无霜期为78～142 d。该区域植被特征从南向北可分为山地半干旱草原植被类型、丘陵半干旱草原植被类型、高原干旱荒漠草原植被类型、草甸植被类型等。

1.2 国家级公益林概况

四子王旗国家级公益林均被列入中央财政森林生态效益补偿范围，其面积为164 146.67 hm2，占全旗林地面积的16.06 %，占全旗土地面积的6.43%。研究区国家级公益林主要群落类型有柠条灌木林、杨树人工林、榆树人工林、落叶松人工林，另有红砂、驼绒藜、白刺等天然灌木林。柠条灌木林面积占比在85%以上，人工柠条主要分布于研究区南部，天然柠条灌木林主要分布于中部与北部；杨树人工林、榆树人工林、落叶松人工林面积占比仅2.73%，且分布集中。详见表1。

表1 四子王旗国家级重点公益林面积统计表

2 研究方法

2.1 样地布设与样品采集

本研究采用样地调查与国家级公益林落界成果数据、森林资源规划设计调查（二类调查）数据结合的方式，从典型样地与相关数据库中提取所需的参数，测算四子王旗国家级公益林生态系统服务功能物质量与价值量。

根据研究区国家级公益林资源分布特点，以起源、优势树种为主要因子，采用典型抽样法选取并布设调查样地，规格为60 m×10 m。共布设样地33块，其中人工乔木林样地12块，优势树种为杨树、榆树、落叶松；人工灌木林地样地15块，优势树种为柠条；天然灌木林地样地6块，优势树种为柠条、红砂。在样地内，沿对角线设置3个5 m×5 m的灌木样方，每个灌木样方中各设置一个1 m×1 m的草本样方，用于灌木生物量与灌木、草本生物多样性调查。

2017 年8 月进行生物多样性调查；乔木层调查因子包括树种、起源、林龄、胸径、树高；灌木调查因子包括种名（或优势种）、平均高、盖度、冠幅、株数；草本调查种名、株（丛）数、平均高、盖度。2018 年8月采集土壤样品，进行土壤理化指标分析；土壤采用土壤剖面法进行分层采集环刀样品与土壤分析样品。土壤容重测定采用环刀法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法[4]；全N 采用高氯酸—硫酸消化，开氏定氮仪法；全P 采用高氯酸—硫酸消化，分光光度计法[4]；全K 采用氢氟酸—高氯酸熔融，原子吸收仪法[5]。2019 年8 月进行生物量调查。乔木林生物量采用生物量拓展因子法与含碳率法，灌木生物量测定采用收获法。灌木采样时首先根据灌木样方调查结果，分别确定不同灌木树种、等级的样株3～5株，在样方外围进行取样，分别干、枝、叶、果、根称重，取样并带回实验室烘干。

2.2 计算方法

2.2.1 生物量与固碳释氧功能计算方法

乔木生物量计算方法，采用样地调查结合二类调查数据的方式，根据各优势树种（组）面积与材积，利用基本木材密度（D）和生物量扩展因子（BEF）将林木树干材积转化为林木地上生物量。利用林木生物量含碳率将林木生物量转化为碳含量[6]。

式中：Bi=树种i的生物量；t d.m.；Ci=树种i的生物质碳储量；t C；Vi=树种i的蓄积；m3；Di=树种i的基本木材密度（带皮）；t d.m·m-3；BEFi=树种i的生物量扩展因子，用于将树干材积转化为林木地上生物量；无量纲；CFi=树种i的含碳率；t C(t.d.m.)-1；i=1,2,3……树种。

灌木层生物量计算方法，根据调查样方灌木株（丛）数、样品鲜重、标准灌木鲜重数据，根据下式计算灌木单位面积生物量。

式中：Mshrub—样方灌木生物量（干重），kg；pshrub—灌木干鲜比；Mstandard_wet—每株平均标准灌木鲜重，g；N—样方灌木总株数；Mshrub_sum—单位面积灌木生物量，t·hm-2；Nplot—样方数；Splot—样方面积，m2。

植被碳库计算公式如下：

式中，Ci为第i类固碳量（t），Mi为第i类生物量（t），Fi为第i类含碳率。

采用碳税法对森林固碳价值进行估算[7]。依据计算出的植被碳储量推算植被释氧量，释氧价格采用国家权威部门公布的氧气商品价格进行估算。

2.2.2 其他生态系统服务功能计算

采用水量平衡法计算森林涵养水源的能力及对其涵养水源价值进行评估[8]，森林涵养水源价值核算采用影子工程法[7]。生态系统土壤保持量由潜在土壤侵蚀量与现实土壤侵蚀量进行估算[9-11]，森林固土功能价值量评价采用机会成本法[7]，根据森林固土量与研究区测定的土壤有机质、全N、全P、全K含量，折算成磷酸二铵和氯化钾的价值来体现保肥价值[7]。采用面积—吸收能力法计算降解SO2、NOX与滞尘能力，价值量采用吸收量乘以治理价格进行估算[7]。物种保育价值采用单位面积年物种损失的机会成本估算[7]。

3 结果与分析

3.1 公益林固碳释氧功能

森林的固碳释氧功能是指森林生态系统通过森林植被、土壤动物和微生物固定碳素、释放氧气的功能。森林生态系统具有强大的碳吸收能力，与大气进行CO2与O2的交换，减少大气中的CO2，提高大气中的O2含量，这不仅减轻了温室效应，而且有效地维持了大气中CO2和O2的动态平衡，为人类提供了适宜的生存环境。经测算，四子王旗国家级重点公益林有林地与灌木林地生物量分别为38 331.47 t 和959 978.64 t，国家级重点公益林植物固碳量为99.83 万吨，植物固碳功能的经济价值为91 986.29 万元。国家级重点公益林释氧量为196.21 万吨，释放O2的经济价值为196 204.74 万元。

四子王旗公益林固碳释氧功能的总经济价值为288 191.03 万元。由于此次研究中未包含森林年净生长量调查，所以，该计算结果为公益林固碳释氧存量价值。详见表2。

表2 四子王旗国家级重点公益林固碳释氧功能物质量与价值量

3.2 公益林生态系统服务功能

经测算，四子王旗国家级重点公益林在支持、调节、供给等三个方面所发挥的服务功能价值量为159 873.35万元/a。支持服务功能包括固土保肥功能，四子王旗国家级重点公益林年固土量为20.92万吨，年保肥量为8.26 万吨，固土保肥价值量为27 629.78万元，占总服务功能价值量的17.28%；调节服务功能包括涵养水源、净化大气环境、森林防护等功能，四子王旗国家级重点公益林年调节水量为8 203.98 万立方米，净化水质量8 203.98 万立方米，涵养水源总价值量为28 221.68 万元，占17.65%；公益林每年在净化大气环境方面所发挥的价值为16 939.91万元，占总价值的10.60%；研究区国家级重点公益林每年防风固沙面积4.42万公顷，每年在森林防护方面所发挥的价值为8 957.98 万元；供给服务功能包括生物多样性保护功能，四子王旗国家级公益林，在物种保育方面所发挥的价值达到了78 124.00 万元，占总价值量的48.87 %。详见表3。

表3 四子王旗国家级重点公益林生态系统服务功能物质量与价值量

3.3 分析

国家级公益林区各森林类型固碳释氧功能差异明显，其中，乔木林的单位面积固碳量与释氧量最高，明显高于其他林型，而单位面积杨树纯林的固碳释氧功能最弱。森林植被固碳释氧功能的好坏与植被生物量之间有直接关系，研究区乔木林单位面积生物量高于灌木林，但由于研究区气候干旱，土壤水分条件较差等原因，导致当地公益林区乔木林质量不高，所起到的生态功能有限；作为主导四子王旗国家级重点公益林生态系统生产力的主要部分，灌木林生物量占公益林总生物量的96.16 %，在固碳释氧方面发挥着主要功能。在研究中发现，其中，人工灌木林单位面积生物量高于天然灌木林，天然红砂灌木层生产力较低，盖度在30%～40%间时仅为天然柠条的1/3，人工建设的公益林发挥的固碳释氧功能相当可观。

森林生态系统在生物多样性维护方面起到非常重要的作用，生物多样性与生态服务功能之间的关系复杂[3]。根据样地调查结果可知，研究区不同森林类型香农指数差别较大，乔木林中，人工杨树林香农指数小于1，人工榆树林与人工落叶松林香农指数大于1；灌木林中，人工灌木林香农指数大于1，天然灌木林小于1。总体来说，研究区国家级公益林区植被香农指数大部分在1～1.5 之间，相对较低。尽管如此，研究区国家级公益林所具有的物种保育价值也达到了78 124.00 万元，并占总价值的将近一半。森林涵养水源的能力与森林的面积与区域降水量、蒸发量有很大的关系，研究区年平均降水量较少，森林年蒸散量大，气候条件制约了公益林涵养水源的能力与其发挥的价值，研究区乔木林比重很低，所以，限制了乔木林分调节水量的能力与价值。

对四子王旗所在的区位而言，防风固沙功能是非常重要的区域需求，通过价值评估可知，其每年防护面积达到4.42万公顷，年滞尘量达到112.92万吨，每年可以固定土壤20.92万吨。

通过森林生态系统服务功能价值评估过程可以看出，森林的面积与质量直接关系到服务功能的质量与价值，因此，通过公益林补偿机制的实施，对公益林资源进行保护与合理的营造能有效地提高森林的面积以及质量，进而提高公益林的生态服务价值。

4 结论

总体来说，研究区国家级公益林的生态系统服务功能价值量是相当可观的，但由于地理环境与植被特征等因素影响，研究区单位面积服务功能价值仍处于较低水平，尤其针对以灌木群落为主的干旱半干旱区森林生态系统而言，碳储量与固碳释氧、涵养水源等能力均相对较弱。灌木作为干旱、半干旱区重要的森林资源组成部分，通过合理的保护措施，提高其质量无疑对提高干旱、半干旱地区的森林生态功能的更好发挥具有重要意义。国家级公益林的区划界定与建设以及生态效益补偿机制的实施对处于生态区位极为脆弱地区森林资源的保护发挥着重要作用。