甘肃祁连山国家自然保护区生态系统效益评价研究

苏军德, 蒲济林, 李国霞, 赵晓冏

甘肃祁连山国家自然保护区生态系统效益评价研究

苏军德1, *, 蒲济林1, 李国霞1, 赵晓冏2, 3

1. 甘肃有色冶金职业技术学院, 金昌 737100 2. 甘肃省生态环境科学设计研究院, 兰州 730000 3. 中国科学院, 西北生态环境资源研究院, 兰州 730000

为了对甘肃祁连山国家自然保护区生态系统效益进行定量评估, 分别运用替代工程法、历史比较法、碳税法、市场经济法对研究区内水源涵养、固土保肥、固碳释氧、净化大气等生态服务价值和森林直接经济价值进行了计算。结果表明, 甘肃祁连山国家自然保护区内不同植被生态服务价值具有明显的差异, 其中草地最高, 达426.80亿元, 疏林地最低, 为6.31亿元, 但乔木林单位面积生态服务功能价值最高; 固土保肥和固碳释氧是甘肃祁连山国家自然保护区生态系统的主要功能, 它们的生态服务价值占总价值的95.13%, 净化大气贡献比例较低, 占总价值的0.31%; 总体来看, 生态服务价值(789.28亿元)明显高于直接经济价值, 二者之比约为16:1。研究成果将会为区域自然资源和生态经济的可持续发展提供一定的技术保障。

祁连山; 生态服务功能; 森林生态系统; 经济价值

0 前言

森林生态系统作为一个结构复杂, 物种多样的巨大系统, 在调节区域气候和维持区域平衡方面有重要的意义[1]。但近年来, 随着人类活动的加剧和全球气候的变化, 森林生态系统面临着诸如水源涵养能力变差、抗干扰性变弱、生物多样性降低等各种问题和压力, 直接影响着人类社会经济的高速发展[2], 同时也引起了全社会和科学界的高度关注。为此, 对森林生态系统的服务价值进行客观评价, 对于加强人们对森林生态效益的保护意识, 协调经济发展和环境保护之间的关系都具有重要的现实意义。

祁连山地处青藏高原东北部, 位于西北干旱半干旱地区, 是河西走廊主要河流的发源地和绿洲的水源地, 其特殊的地理位置和气候条件, 形成了与湿地、山地冰川、高寒草甸等共生的复合生态系统, 在维护我国西北生态安全和促进区域社会经济发展方面起着十分重要的作用。由此可见, 对祁连山生态系统效益进行科学合理的评价, 对了解祁连山生态系统的动态变化、服务功能特征及其驱动机制具有重要的作用, 同时也可为制定区域内森林补偿机制奠定理论基础, 进而实现区域内自然资源与社会经济的可持续发展。近年来, 众多学者对祁连山区生态服务功能进行了评价研究, 如汤萃文等运用能值理论分析法评估了祁连山北坡东段的哈溪林区的生态系统服务功能[3]; 苏泓宇对祁连山中部的祁连县生态系统服务功能和生态敏感性进行了评价[4]; 赵宇豪基于InVEST模型评价了祁连山中段天涝池流域的生态系统服务功能[5]。但上述研究只针对祁连山部分域内的生态系统服务功能进行了评价, 对甘肃祁连山国家自然保护区生态系统的评价研究还相对较少。本文将运用第九次全国森林资源调查数据, 从生态、经济等方面对甘肃祁连山国家自然保护区的生态系统效益进行评价研究, 进而分析和掌握甘肃祁连山国家自然保护区森林资源的动态变化, 为区域内经济的可持续发展提供对策建议, 为区域内科学合理的制定森林生态效益补偿标准奠定坚实的理论基础和提供一定的技术保障。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃祁连山国家自然保护区位于甘肃省境内祁连山北坡的中、东地段, 介于97°23′34″—103°45′49″ E、36°29′57″—39°43′ 39″N之间, 总面积为198.72万hm2, 功能区划分为核心区50.41万hm2, 缓冲区38.74万hm2, 试验区109.57万hm2。现有林地87.4万hm2, 其中乔木林16.86万hm2, 疏林地1.41万hm2, 灌木林地57.49万hm2, 其余为未成年林地、无立木林地和宜林地[6]。研究区具有典型的大陆性气候特征, 年均温为6 ℃, 年降水量约为300—700 mm, 集中分布在5—9月, 年蒸发量为1234.2 mm, 无霜期为110 d[7]。区域内森林主要分布在海拔2300—3300 m之间, 主要由青海云杉林、灌木林和少量的祁连圆柏、桦木和山杨林。草原有草甸草原、荒漠草原和高寒草原, 区域内植被生长良好, 森林覆盖率达28.8%。土壤以山地森林灰褐土、草原栗钙土、亚高山灌丛草甸土为主。社会经济方面, 研究区内共有8个县(区), 53个乡镇, 耕地面积约4.8万hm2, 农业人口约14.1万人, 农业总产值为1.16×106万元, 占总产值的68.7%[8]。

1.2 研究方法

森林生态系统服务包括直接价值和间接经济价值, 直接价值为木材价值, 间接经济价值包括涵养水源、固土保肥、固碳释氧和净化大气四个方面。

1.2.1 森林间接价值

1.2.1.1 涵养水源价值量计算

调节水量和净化水质是涵养水源功能价值的主要体现, 其分别用水库工程的需水量成本和城市居民用水的平均价格进行计算[9], 其方法如下:

1.2.1.2 固土保肥价值量计算

森林的固土主要体现在对土壤的固定及减少土壤侵蚀的能力, 保肥主要是提高或保持土壤肥力的能力, 通常用土壤中肥料三要素及有机质含量来表示。本文采用如下方法进行计算:

1.2.1.3 固碳释氧价值量计算

本文采用碳税法对固碳和工业制氧法对释氧进行评估, 其计算方法如下:

1.2.1.4 净化空气、阻滞粉尘的价值评估

土壤环境价值量主要体现在森林生态系统对氮氧化物、二氧化硫的吸收以及对空气中尘埃物质的阻滞, 本文将从林分对氮氧化物、二氧化硫的吸收以及对尘埃物质的阻滞三方面进行计算, 其计算方法如下[12]:

1.2.2 森林直接经济价值评估方法

森林经济价值, 也称为直接价值, 一般用立木价值进行评估, 计算方法如下:

2 结果与分析

2.1 甘肃祁连山国家自然保护区生态系统价值估算分析

2.1.1 涵养水源价值估算 甘肃祁连山国家自然保护区不同植被涵养水源功能价值有明显的差异(表1), 其中灌木林最大, 为17.06×108m3·a–1, 每年产生的价值为22.65×108元, 占涵养水源总价值的62.93%; 疏林地最小, 为0.57×108m3·a–1, 每年产生的价值为0.55×108元, 占涵养水源总价值的1.53%。但由于不同植被在研究区内分布面积有所差异, 其单位面积涵养水源的价值也有所不同, 草地分布面积最广, 为12.52×105hm2, 但单位每公顷涵养水源价值最小, 为414.88元; 乔木林分布面积相对较小, 但单位每公顷涵养水源价值最高, 为4491.42元; 灌木林和疏林地单位每公顷涵养水源价值分别为3937.80元和3921.43元。这充分说明植物涵养水源的功能与植被根系和土壤层密切相关, 其中草地在涵养水源方面所起的作用不大, 乔木林虽涵养水源能力较强, 但由于在研究区分布面积较小, 涵养水源的功能远不如灌木林。

2.1.2 保育土壤价值估算 甘肃祁连山国家自然保护区不同植被的固土保肥能力有明显的差异(表1), 在固土方面, 灌木林的固土能力最强, 疏林地的固土能力最差, 固土量分别为2.43×108t·a–1和0.08× 108t·a–1, 产生的经济价值分别为15.18×108元和0.30×108元; 具体表现为灌木林＞乔木林＞草地＞疏林地。在保肥方面, 每年固定的氮量、钾量、磷量和有机质含量分别为74.39×104t、48.40×104t、602.33×104t和2367.49×104t, 产生的经济价值为498.10×108元。总体来看, 研究区每年固土保肥量为4.48×108t, 产生的经济价值为520.85×108元。

2.1.3 固氮释氧价值估算 甘肃祁连山国家自然保护区生态系统每年的固碳量和释氧量分别为42.27× 104t和808.02×104t, 产生的经济价值分别为136.12×108元和93.88×108元(表1)。乔木和灌木的固碳能力较强, 每年的固碳量分别为21.02×104t和14.60×104t, 但草地由于分布面积较大, 其固碳产生的经济价值较高, 为111.84×108元; 与固碳所不同的是草地释氧能力较强, 每年释放氧气604.69×104t, 其次是乔木、灌木和疏林地, 释氧量分别为170.23× 104t、27.20×104t和5.90×104t。

表1 甘肃祁连山国家自然保护区生态系统价值估算

2.1.4 净化大气价值估算 植被净化大气功能主要包括吸收空气污染物和滞尘两个方面, 甘肃祁连山国家自然保护区生态系统吸收空气污染物和滞尘量分别为2.07×108t·a–1和0.14×108t·a–1, 产生的经济价值分别为2.45×108元和0.02×108元。不同植被间, 草地对空气污染物的吸收量较大, 为0.87×108t·a–1, 其次是灌木林、乔木林和疏林地, 对空气污染物的吸收量分别为0.72×108t·a–1、0.46×108t·a–1和0.02×108t·a–1(表1); 与其他评价指标相比, 所有林分的滞尘能力都相对较弱, 产生的经济价值也相对较低。

2.2 祁连山自然保护区森林直接经济价值估算分析

森林生态系统的直接经济价值通常以森林立木林价计算, 甘肃祁连山国家自然保护区森林每年的直接经济价值为49.97×108元, 但不同树种的直接经济价值存在明显的差异(表2), 相比阔叶树种, 针叶树种直接经济价值较高, 为48.53×108元, 占总价值的97.11%。从单个树种来看, 云杉的蓄积量最高, 为22.96×105m3, 产生的直接经济价值为44.89×108元, 占总价值的89.83%; 柳树、榆树、落叶松和四旁树, 由于年净生长量较小, 木材蓄积量较少, 产生的直接经济价值也较低, 分别为1.5×104元、0. 7×103元、3.2×105元和6.8×105元。

表2 甘肃祁连山国家自然保护区森林直接经济价值估算

3 讨论

3.1 不同植被生态服务功能价值特征

不同植被类型由于具有不同的生态学特征, 对外界环境的应对方式也各有差异, 进而产生的生态服务价值也明显不同。甘肃祁连山国家自然保护区生态系统每年的生态服务功能总价值为789.28亿元, 单位面积提供的生态服务价值为39.26亿元/hm2, 是其直接经济价值的15.79倍。相比其他植被, 草地生态服务价值最高, 占研究区生态服务功能价值总量的54.07%。草地较高的生态服务价值除与分布面积较广外, 还因为草本植物根系与土壤固结性较好, 可以使土壤免受水分侵蚀的同时改良土壤, 刘树华等[14]研究表明, 草地可使地表径流量减少47%, 冲刷量减少77%; 王根绪和程国栋等[15]的研究也发现, 当草地覆盖度从90%下降到30%时, 草地土壤的有机质将流失1.45×104kg·hm–2, 氮素损失5.51× 103kg·hm–2, 这充分说明草地比其他植被具有更强的固土保肥能力(表1)。乔木虽生态服务总价值低于草地, 但其单位面积生态服务价值最高, 这表明不同植被在生态服务功能特征上具有较大的差异。观测表明, 5—9月, 尤其是8月是研究区地表径流和营养元素流失最严重的季节[16], 如能合理的搭配树种进行种植, 将可有效的提高土壤保育能力。值得一提的是, 研究区周边多为居民, 每年的林地凋落物多被当地农民用作薪柴, 加强林地内凋落物的保护, 可有效的改善土壤理化性质, 增加土壤有机质含量, 进而提高土壤的水源涵养和固碳保肥能力。

3.2 不同类型生态服务功能价值特征

祁连山地处干旱半干旱地区, 与沙漠戈壁、盐碱荒地以及中部绿洲构成了河西走廊陆地生态系统[17], 保育土壤和固碳释氧是甘肃祁连山国家自然保护区生态系统重要的生态服务功能, 占生态服务价值总量的95.13%(图1)。涵养水源生态服务价值虽占研究区生态服务价值总量的4.56%, 但对于干旱半干旱地区的生态系统来说, 其对于维系区域内绿洲的生态平衡和社会经济发展具有十分重要的作用。据调查, 发源于祁连山区的石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河储水量约72.6亿m3, 可灌溉良田70多万hm2,按照农业用水价格0.06元·m–3计算, 可产生农业灌溉用水价值4.32×108元[18]; 其次, 祁连山区现有冰川2859条, 总面积达1972 km2, 储存水量约811.2亿m3, 为河西地区400多万人民及近千家工矿企业提供了生活和生产用水, 同时减缓或阻挡了库木塔格、巴丹吉林和腾格里三大沙漠的汇合与前移, 保障了北方地区的生态安全。

图1 不同类型生态服务功能价值量

Figure 1 Different types of ecological service function value

3.3 保护生物多样性及森林游憩

祁连山地理位置特殊, 具有独特而典型的自然生态系统和生物区系, 因其物种丰富, 成为我国生物多样性保护的优先区域, 也是西北地区重要的生物物种资源库和野生动物迁徙的重要廊道[19]。据不完全统计, 甘肃祁连山国家自然保护区现有国家一级重点保护野生动物14种, 维管束植物1311种, 昆虫988种, 鸟类196种, 兽类58种, 菌类12种[20], 已成为生态资源保护和学术研究的重要场所, 甘肃祁连山国家自然保护区每年保护生物多样性的价值为1.51亿元[21]。除此之外, 祁连山区由于物种多样, 地形地貌复杂, 是天然的森林游憩之地, 现已开放的祁连山旅游区有马蹄寺和天祝三峡森林公园, 还有10多个旅游区待开发, 按照祁连山森林游憩地的环境容量15万人次/a计算, 甘肃祁连山国家自然保护区每年的森林景观游憩价值约为1700万元[22]。因此, 加强对祁连山生态资源的保护, 不仅能够保持和促进社会稳定, 而且在促进科学研究的同时能够为一带一路的发展奠定良好的基础。

4 结论

甘肃祁连山国家自然保护区不同植被间生态服务价值存在明显的差异, 乔木单位面积生态服务功能最大, 草地最小。但由于草地的分布面积较广, 产生的生态服务价值最高, 为426.80亿元, 具体表现为草地＞灌木林＞乔木林＞疏林地。在不同类型生态服务上, 固土保肥和固碳释氧在总价值上的贡献较大, 约占总价值95.13%, 而净化大气功能所产生的生态服务价值较小。总体来说, 甘肃祁连山国家自然保护区生态服务价值明显高于直接经济价值, 二者之比约为16:1。

[1] 秦湘赛, 彭司礼. 树立可持续发展理念加快林业建设步伐[J]. 湖南林业, 2001, 7(6): 3–4.

[2] 赵玉田. 脆弱生态系统下西北干旱区农业水资源利用策略研究[M]. 北京: 中国财政经济出版社, 2016: 75-82.

[3] 汤萃文, 杨莎莎, 刘丽娟, 等. 基于能值理论的东祁连山森林生态系统服务功能价值评价[J]. 生态学杂志, 2012, 31(2): 433–439.

[4] 徐亚男, 刘学录, 李晓丹, 等. 祁连山东段生态敏感性对景观动态变化的响应[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 160– 167.

[5] 赵宇豪. 基于 InVEST 模型的流域生态系统服务功能评价[D]. 兰州：兰州大学, 2017.

[6] 郭生祥, 王善举, 王零, 等. 甘肃祁连山国家级自然保护区林地利用现状调查及保护利用综合分析[J]. 林业科技通讯, 2019 (7): 35–40.

[7] 苏军德, 李国霞. 基于 GIS 的祁连山区植被 NDVI 时空变化特征研究[J]. 矿山测量, 2019, 5(4): 33–38.

[8] 赵晓冏, 苏军德. 基于 RS 和 GIS 的祁连山地区生态保护红线划定方法研究[J]. 中国水土保持, 2019, 4(8): 33– 36.

[9] 高亚鸣, 孙慧兰. 基于土地分类利用下伊犁河谷地区的生态服务价值研究[J]. 生态科学, 2017, 36(1): 193–200.

[10] 牛云, 葛军元, 潘爱华, 等. 祁连山森林生态效能与经济价值评估[J]. 甘肃科技, 2003, 19(2): 66–68.

[11] 李坦, 李慧, 张颖. 国家级公益林生态效益价值核算[J]. 资源开发与市场, 2013, 29(2): 122–126.

[12] 王方. 祁连山自然保护区生态资产价值评估研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2012.

[13] 翁海晶. 祁连山自然保护区森林生态效益评价与补偿机制研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2012.

[14] 刘树华. 半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟[J]. 气象学报, 1996, 54(3): 303–311.

[15] 王根绪, 程国栋, 沈永平. 土地覆盖变化对高山草甸土壤特性的影响[J]. 科学通报, 2002, 47(23): 1771–1777.

[16] 王雅琼, 张建军, 李梁, 等. 祁连山区典型草地生态系统土壤抗冲性影响因子[J]. 生态学报, 2018, 38(1): 122– 131.

[17] 徐亚男, 刘学录, 李晓丹, 等. 祁连山东段生态敏感性对景观动态变化的响应[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 160– 167.

[18] 孙飞翔, 吕一河, 胡健. 祁连山大野口小流域生态系统水文调节服务的尺度特征[J]. 生态与农村环境学报, 2015, 31(3): 273–279.

[19] 袁杰, 曹广超, 曹生奎, 等. 祁连山南坡不同植被类型枯落物及其土壤持水特性分析[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 180–190.

[20] 薛亚东, 李佳, 胡杨, 等. 利用红外相机调查祁连山国家公园 (青海片区) 兽类和鸟类多样性[J]. 兽类学报, 2019, 39(4): 466–472.

[21] 靳芳, 张振明, 余新晓, 等. 甘肃祁连山森林生态系统服务功能及价值评估[J]. 中国水土保持科学, 2005, 3 (1): 53–57.

[22] 黄海霞. 祁连山水源涵养林可持续经营标准与指标体系的研究[D]. 兰州: 甘肃农业大学林学院, 2002.

Study on ecosystem benefit evaluation of Qilian Mountains National Nature Reserve of Gansu Province

SU Junde1,*, PU Jilin1, LI Guoxia1, ZHAO Xiaojiong2,3

1. Gansu Vocational & Technical College Of Nonferrous Metallurgy, JinChang 737100, China 2. Gansu Academy of Ecological environment design and Research, LanZhou 730000, China 3. Nourthwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, LanZhou 733000, China

In order to quantitatively evaluate the ecosystem benefits of Qilian Mountains National Nature Reservein Gansu Province, the values of forest direct economic value and forest ecological services such as water conservation, solid soil and fertilizer conservation, carbon-releasing oxygen and purifying atmosphere in the study area were estimated by using alternative engineering method, historical comparison method, carbon tax law and market economic law. The results show that there are obvious differences in ecological service value among different stands in the Qilian Mountains National Nature Reserveof Gansu Province, among which the highest grassland is 42.68 billion, the lowest sparse forest land is 6.31 billion, but the ecological service value per unit area of Arbor forest is the highest; the main function of soil conservation fertilizer and carbon sequestration is the main function of Qilian Mountains National Nature Reservein Gansu Province, whose ecological service value is 95.13% of the total value, and the proportion of atmospheric purification contribution is low, accounting for 0.31% of the total value. In general, the value of ecological services (78.928 billion yuan) is significantly higher than the direct economic value, with a ratio of about 16:1. The research results will provide a certain technical guarantee for the sustainable development of regional natural resources and ecological economy.

Qilian Mountains; ecological services; forest ecosystem; economic value

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.011

S718.56

A

1008-8873(2021)05-089-06

2020-02-21;

2020-03-14

国家自然科学基金项目(41661016); 甘肃省哲学社会科学规划项目(19YB155); 甘肃省社会科学规划项目(20ZZ11); 甘肃省青年科技基金计划项(18JR3RC420); 2019年度陇原创新创业青年人才(个人)项目(2019012); 金昌市一般科技计划项目(2018KJJH); 甘肃省高等学校科研项目(2017A-290)

苏军德(1986—), 男, 甘肃金昌人, 硕士, 副教授, 主要从植物地理学、遥感生态学等方面的研究, E-mail: sujd2009@163.com

通信作者:苏军德(1986—), 男, 甘肃金昌人, 硕士, 副教授, 主要从植物地理学、遥感生态学等方面的研究, E-mail: sujd2009@163.com陈文(1963—), 男, 副研究员, 主要从事地理环境与生态学研究, E-mail: cyw1018@sina.com

苏军德, 蒲济林, 李国霞, 等. 甘肃祁连山国家自然保护区生态系统效益评价研究[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 89–94.

SU Junde, PU Jilin, LI Guoxia, et al. Study on ecosystem benefit evaluation of Qilian Mountains National Nature Reserve of Gansu Province[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 89–94.