长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统服务功能评估

罗 佳， 周小玲， 黎 蕾， 牛艳东， 徐佳娈， 吴小丽， 姚 敏， 王 勇，张之浩， 陈 波， 陈 利， 杨海军， 颜 贝， 吴周旭， 王 安

(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.长沙环境保护职业技术学院， 湖南 长沙 410004； 4.北京市农林科学院林业果树研究所, 北京 100093；5.湖南省农林工业勘察设计研究总院, 湖南 长沙 410007； 6.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

国外对森林生态服务功能价值核算的研究开展较早，在20世纪60年代，一些学者分析和评估生态系统为人类提供的多种利益就备受学术界的关注。对森林生态服务功能价值的核算堪称是一项开创历史新局面的研究，引领了生态学研究方向的新发展，但仍然处在探索阶段。研究学者Daily、Costanza、DeGroot以及千年生态系统评估系统(Millennium Ecosystem Assessment，简称MA)针对生态系统内涵对生态系统服务定义分别从不同角度进行了界定。Costanza和MA从管理学和社会学角度对生态系统服务的定义进行了分析论述，Costanza[1]明确了生态系统服务与功能的内涵，强调了选择估价方法应该基于消费者对生态系统服务的“支付意愿”，并形成了较为完整的评估框架。在Costanza研究的基础上，2001年联合国发起了千年生态系统评估(MA)[2]，MA对生态系统进行了分类，将生态系统服务划分为4类：支持服务、调节服务、供给服务、文化服务。其中，支持服务是其它3类生态系统服务的支撑，主要包括初级生产、氧气生产、养分循环、土壤形成与维持、水循环及提供栖息地等。DeGroot[3]也对生态系统进行了定义，提出了不同于MA的分类系统，将生态系统功能被定义为自然过程及其组成部分提供产品及服务从而满足人类直接或间接，此定义是从生态效益角度来考虑生态系统的服务[4]，强调生态系统服务条件及过程，在往后关于生态学研究方面被广泛应用。

从国内来看，我国从20世纪80年代开始介绍日本的水源林价值核算方法，到90年代开展包括森林资源在内的自然资源核算，核算对象与国外的森林核算对象基本保持一致。2004年，国家林业局和国家统计局联合开展的“中国森林资源核算及纳入绿色国民经济核算体系研究”，构建了我国森林生态系统服务价值量核算框架；2013年，国家林业局和国家统计局联合启动了新一轮的中国森林资源核算工作，此次森林资源核算研究，借鉴了SEEA-2012等国际上最新研究成果，提出了我国森林生态系统服务价值量核算的理论框架及基本方法，并完成了森林生态系统服务核算。2018年，在前两期项目研究成果基础上，国家林业和草原局和国家统计局再次联合组织开展了“中国森林资源核算”三期研究，主要包括林地林木价值核算、森林生态服务价值核算、森林文化价值评估，以及林业绿色经济评价指标体系等4部分内容。

森林生态系统不仅有生产木材的直接功能，还有间接的生态功能与社会功能，如水源涵养、净化大气、固碳释氧、游憩休闲以及生物多样性等[5]。现阶段，森林生态服务功能评价已成为行业的研究热点，我国大量专家学者也开展了相关的科学研究，逐步形成了系统的理论研究体系，并从不同区域尺度陆续对森林生态系统服务功能开展了计量评价研究。然而对森林生态服务功能评价的研究还远远不够，必须深入的研究森林生态价值，逐步完善森林生态功能的评价方法，构建完善的评价指标体系，定量评价分析森林生态服务价值实现资源社会的可持续发展。现在森林生态系统服务功能评估指标体系国际上还并没有统一，各国使用的体系都存在着一定差异。

国内外规划并建立了越来越多的城市绿心地区，从荷兰斯塔德绿心被称为“生态大都市”开始，“绿心”一词便开始被沿用。1857年美国将纽约曼哈顿岛原始山石沼泽改造成了城市中央公园，1971年莫斯科建设了围绕城市中心，向城市绿地渗入的绿色空间。国内也建立了四川乐山绿心、上海崇明生态岛及浙江绍兴绿心等绿心地区。国内外对城市绿心的生态系统服务功能方面的研究也在不断深入。赵运林等[6]建立了绿心地区生态系统服务功能评价的模型，根据评价结果划分了4类生态服务的重要性区域。黄田[7]也借助GIS软件对绿心地区生态服务功能重要性进行了较为系统综合评价。

自2003年长株潭城市群生态绿心概念提出以来，其绿心地区在生态环境保护与社会经济发展两方面都取得了令人瞩目的成就。2011年3月，习近平总书记在视察长株潭城市群生态绿心地区建设时曾作出重要指示：“湖南保护好这个生态绿心，50年后将在全国、全世界都有重要影响”、“建设生态绿心，是保值增值的，是长株潭与其他城市群的一个重要区别”，为生态绿心的保护和发展指明了方向，为长株潭生态绿心建设提供了总原则、总方针。本研究以长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统为研究对象，选取涵养水源、保育土壤等6项功能20个指标，对森林生态系统服务功能进行定量评估，以直观的货币形式可以展示绿心地区森林生态系统为人们提供的服务价值，充分反映了绿心地区生态建设成果[8]，有助于推动生态绿心地区生态效益科学量化补偿，对于提高林业在绿心地区社会经济发展中的地位有着重要作用。

1 研究区概况

绿心地区地处长沙、株洲和湘潭三市交汇地区，形状近似于三角形，112°53′27″—113°07′41″E，27°43′22″—28°05′52″N，北至长沙绕城线及浏阳河，西至长潭高速西线，东至浏阳镇头镇，南至湘潭县易俗河镇。涉及长沙、株洲、湘潭3市10个县级行政单位的9个乡镇、12个街道办事处，总面积约528.32km2。其中，长沙306.00km2，占57.92%；株洲83.87km2，占15.87%；湘潭138.45km2，占26.21%。海拔在45～270m，全年平均气温约17.5℃，光热充足，年日照时数达1796h。降雨充沛，年均降水量达1440mm，年均相对湿度为80%。地貌以丘陵为主，坡度在10°～35°之间，土壤类型包括砂岩、第四纪红土土壤与板页岩风化形成的红壤，土层厚度约在35～100cm之间。森林植被种类丰富，植被类型以常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林和针叶林为主，杉木、马尾松、樟树、枫香树种所占比例较高。

2 研究方法

依据中华人民共和国国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T 38582—2020)[9]和《森林生态系统长期定位观测方法》(GB/T 33027—2016)[10]，运用森林生态系统连续观测与清查体系，采用分布式测算方法，选用供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四大服务类别，选取生物多样性保护、涵养水源、净化大气环境、固碳释氧、保育土壤和林木养分等6项功能20个指标，开展长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统服务功能评估。

2.1 数据来源

森林生态连清评估分为物质量和价值量两部分。物质量评估所需数据来源于长株潭城市群森林生态连清数据集和长株潭城市群生态绿心地区统计的森林资源调查数据集；价值量评估所需数据除以上两个来源外还包括社会公共数据集。主要的数据来源包括以下三部分：

2.1.1 森林生态连清数据集 森林生态连清数据主要来源于长株潭及周边森林生态站以及辅助观测点的监测结果，还有部分现场调查的数据。其中，森林生态站以国家林业和草原局森林生态站为主体。同时依据中华人民共和国国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T 38582—2020)[9]和《森林生态系统长期定位观测方法》(GB/T 33027—2016)[10]等获取绿心地区森林生态连清数据。

2.1.2 森林资源数据集 根据中华人民共和国森林资源调查管理办法，一类资源数据是国家尺度上使用的资源数据，是省级层面总体资源情况的反映；而二类资源数据是以小班为单元，可以按照行政区域或管理权限进行统计的资源数据。本次森林生态效益评估采用的是长株潭城市群生态绿心地区统计的森林资源数据。

2.1.3 社会公共数据集 社会公共数据来源于我国权威机构所公布的社会公共数据，主要包括《中国水利年鉴》、《中华人民共和国水利部水利建筑工程预算定额》、中华人民共和国卫生健康委员会网站(http://www.nhfpc.gov.cn/)、中华人民共和国国家发展和改革会第四部委2003 年第31号令《排污费征收标准及计算方法》、中华人民共和国环境保护税法中《环境保护税税目税额表》、湖南省物价局网站(http://www.priceonline.com.cn/index.html)等。

将上述三类数据源耦合集成，应用于评估公式中，最终获得森林生态系统服务功能评估结果。

2.2 森林生态系统服务功能评估指标及测算方法

依据中华人民共和国国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T 38582—2020)[9]及湖南省森林生态系统服务功能评估相关文献[11]，结合长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统实际情况，在满足代表性、简明性、全面性、可操作性以及适用性等原则的基础上，通过总结近些年研究经验，选用供给服务、调节服务和支持服务三大类，并选择生物多样性保护、涵养水源、净化大气环境、固碳释氧、保育土壤和林木养分固持6项功能20个指标。由于降低噪音等指标计算方法尚未成熟，因此本研究未涉及降低噪音的功能评估。基于相同原因，在吸收污染物指标中不涉及吸收重金属的功能评估。

3 结果与分析

3.1 森林生态系统服务功能物质量

绿心地区森林生态系统服务功能物质量评估结果(见表1)，森林生态系统涵养水源总物质量为1.01亿m3·a-1；森林固土总物质量为59.29万t·a-1；减少土壤氮、磷、钾和有机质流失量分别为928.64t·a-1、368.12t·a-1、7671.60t·a-1和14981.80t·a-1；固碳总物质量为9.29万t·a-1，释氧总物质量为18.83万t·a-1；林木氮、磷、钾固持量分别为878.26t·a-1、91.98t·a-1和381.69t·a-1；提供负离子总物质量为40.64×1022个·a-1，吸收污染物总物质量为5995.80t·a-1(吸收二氧化硫总物质量为5526.9t·a-1，吸收氟化物总物质量为182.90t·a-1，吸收氮氧化物总物质量为286.10t·a-1)，滞尘总物质量为722927.90t·a-1(滞纳PM10总物质量为361.50t·a-1，滞纳PM2.5总物质量为144.60t·a-1)。

表1 各区(县)森林生态系统服务功能物质量Tab.1 Quality of forest ecosystem services in each district (county)地区(县)级市支持服务固土保肥固土/(万t·a-1)保肥/(t·a-1)减少氮流失减少磷流失减少钾流失减少有机质流失林木养分固持/(t·a-1)氮固持磷固持钾固持天心区2.3838.1511.50327.75562.2418.323.4111.29雨花区19.21295.8795.612 542.744 199.56211.0921.76108.51长沙市岳麓区3.2146.5511.79552.82900.307.121.385.59浏阳市7.49121.6865.99872.592 245.13184.7913.3465.77合计32.29502.25184.894 295.907 907.24421.3239.89191.15占总量百分比/%54.4754.0850.2256.0052.7847.9743.3750.08荷塘区2.2136.5023.64242.62759.5171.588.2324.89石峰区9.30149.9172.891 101.112 538.98204.0829.1786.62株洲市天元区1.3622.068.84193.42385.1221.631.327.80合计12.87208.47105.371 537.153 683.60297.2938.73119.32占总量百分比/%21.7122.4528.6220.0424.5933.8542.1031.26雨湖区1.2118.30岳塘区11.69180.5364.121 509.172 772.80134.5211.6260.72湘潭市湘潭县1.2219.098.21161.77337.0217.801.436.79合计14.12217.9277.871 838.553 390.96159.6613.3671.22占总量百分比/%23.8223.4721.1523.9722.6318.1814.5318.66绿心地区合计 59.29928.64368.127 671.6014 981.80878.2691.98381.69调节服务调节水量/ 亿m3·a-1 固碳释氧/(万t·a-1)固碳释氧净化大气环境生产负离子/ ×1022个·a-1 吸收气体污染物/(万kg·a-1)滞尘/(万kg·a-1)吸收二氧化硫吸收氟化物吸收氮氧化物滞尘PM10PM2.50.050.490.962.1725.850.991.443 313.131.660.660.434.017.7617.43206.578.2211.7525 950.6312.985.190.020.280.561.4726.220.531.103 813.321.910.760.100.801.673.4253.411.562.617 140.603.571.430.605.5810.9524.49312.0411.3116.9040 217.6920.118.0459.5160.0358.1360.2656.4661.8459.0855.6355.6355.630.020.100.250.4810.510.190.431 492.780.750.300.141.172.415.0771.762.403.749 257.084.631.850.010.100.220.469.870.180.401 387.760.690.280.161.372.876.0092.142.784.5612 137.626.072.4316.2314.7615.2414.7616.6715.1915.9516.7916.7916.790.211.984.208.53122.473.626.0116 261.868.133.250.020.160.360.7211.850.250.511 694.200.850.340.242.345.0210.15148.514.207.1419 937.479.973.9924.2625.2126.6324.9726.8722.9724.9727.5827.5827.581.019.2918.8340.64552.6918.2928.6172 292.7936.1514.46

3.2 森林生态系统服务功能价值量

绿心地区森林生态系统服务功能总价值量评估结果为18.39亿元·a-1(见表2)，保育土壤、林木养分固持、涵养水源、固碳释氧、净化大气环境、生物多样性保护功能的价值量分别为9426.72万元·a-1、1820.61万元·a-1、70020.24万元·a-1、19070.38万元·a-1、23769.76万元·a-1和59771.54万元·a-1，其价值量排序为涵养水源功能>生物多样性保护功能>净化大气环境功能>固碳释氧功能>保育土壤功能>林木养分固持功能，所占总价值量比重分别为38.08%、32.51%、12.93%、10.37%、5.13%和0.99%。在空间分布上，长沙市绿心地区森林生态系统服务功能总价值量最大，其次为湘潭市和株洲市，所占绿心地区森林生态系统服务功能总价值量的比重分别为59.11%、24.92%和15.98%。

表2 绿心地区各区(县)生态系统服务价值量评估结果Tab.2 Evaluation results of ecosystem service value of each district (county) in ecological green center area(×104元·a-1)地级市区(县)支持服务调节服务供给服务保育土壤林木养分固持涵养水源固碳释氧净化大气环境生物多样性保护合计天心区380.0841.833474.62974.641 094.243 115.969 081.37雨花区2 980.77444.4129 997.347 860.598 587.5327 429.4977 300.14长沙市岳麓区558.6916.871 471.33564.611 238.021 217.855 067.37浏阳市1 215.26367.056 727.851 689.372 338.164 900.6317 238.32合计5 134.80870.1641 671.1411 089.2213 257.9436 663.94108 687.19占总量百分比/%54.4747.7959.5158.1555.7861.3459.11荷塘区367.57146.821 112.46250.03484.30472.722 833.91石峰区1 480.23434.619 520.562 435.073 045.327 442.0024 357.78株洲市天元区229.2542.63732.50220.89450.61508.852 184.73合计2 077.06624.0511 365.522 905.993 980.228 423.5729 376.41占总量百分比/%22.0334.2816.2315.2416.7414.0915.98雨湖区191.0214.711 387.51463.90646.261 218.963 922.36岳塘区1 824.82275.9114 457.504 247.645 334.1012 571.0138 710.98湘潭市湘潭县199.0335.781 138.56363.63551.24894.063 182.30合计2 214.87326.4016 983.575 075.176 531.6014 684.0345 815.64占总量百分比/%23.5017.9324.2626.6127.4824.5724.92绿心地区合计 9 426.721 820.6170 020.2419 070.3823 769.7659 771.54183 879.25

4 结论与讨论

(1)本研究基于长株潭及周边森林生态站以及辅助观测点的监测结果，采用生态连清与遥感技术相结合的方法获取生态数据，以中华人民共和国国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T 38582—2020)[9]和《森林生态系统长期定位观测方法》(GB/T 33027—2016)[10]为依据，选取涵养水源、保育土壤等6项功能20个指标，对长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统服务功能进行定量评估，2020年绿心地区森林生态系统服务功能物质量为涵养水源总物质量为1.01亿m3·a-1；森林固土总物质量为59.29万t·a-1；减少土壤氮、磷、钾和有机质流失量分别为928.64t·a-1、368.12t·a-1、7671.60t·a-1和14981.80t·a-1；固碳总物质量为9.29万t·a-1，释氧总物质量为18.83万t·a-1；林木氮、磷、钾固持量分别为878.26t·a-1、91.98t·a-1和381.69t·a-1；提供负离子总物质量为40.64×1022个·a-1，吸收污染物总物质量为5995.80t·a-1，滞尘总物质量为722927.90t·a-1。

(2)绿心地区森林生态系统服务功能价值量总计18.39亿元·a-1，在6项森林生态系统服务价值的贡献之中，其从大到小的顺序为：涵养水源、生物多样性保育、净化大气环境、固碳释氧、保育土壤和林木养分固持。6项森林生态功能的价值量和所占比率分别为：涵养水源70020.24万元·a-1，38.08%；生物多样性保育：59771.54万元·a-1，32.51%；净化大气环境：23769.76万元·a-1，12.93%；固碳释氧：19070.38万元·a-1，10.37%；保育土壤：9426.72万元·a-1，5.13%；林木养分固持1820.61万元·a-1，0.99%。各项森林生态系统服务价值量所占总价值量的比例，能够充分体现出该区域森林生态系统以及森林资源结构的特点。

(3)城市森林生态系统服务是人类从城市森林生态系统中直接或间接获取的福利与惠泽，核心作用是连接森林生态系统、城市生态系统与人类社会系统。城市森林生态系统能为实现区域的可持续发展提供供给、调节、支持与文化等多个服务，满足人类社会系统所需物质、生态、文化需求，有效推动适宜的服务消费[12]。生态服务功能价值受区域气候、地形地貌、土壤与植物等自然因素影响较大[13]。本研究结果表明，森林生态系统服务功能价值量评估中，以涵养水源功能和生物多样性保护功能价值量最大，这是因为绿心地区林种结构中，水源涵养林面积最大，占有林地面积39.37%，研究结果充分表明水源涵养林能充分发挥其生态作用。另外，绿心地区森林资源中，天然林也占比较大，几乎占据了全部森林资源面积的50%，这也是涵养水源功能和生物多样性保护功能发挥较强的主要原因。广州市城市森林生态系统服务功能价值评估研究表明，固碳释氧功能的价值量最大，其次为涵养水源功能和生物多样性功能[14]，主要因为广州市地理位置属于南亚热带季风气候，树木生长速率较高，所以其固碳释氧功能价值量较大；上海市城市森林生态服务价值量研究结果同样是固碳释氧功能价值量大于涵养水源功能和生物多样性保护功能[15]，这主要是因为其城市森林资源主要为人工林(或者说园林景观林)，树木生长速度同样较快。根据全国第九次森林资源清查数据显示，上海市森林资源全部为人工林。兰州市南北两山环境绿化工程区全部为人工林，但是其生态系统服务价值量中，固碳释氧功能价值量明显低于涵养水源功能和滞尘功能[16]，这是因为兰州市处于半干旱区，降雨量成为了树木生长的限制性因素，影响了其固碳释氧功能的发挥。

(4)生态系统服务功能的可持续关乎人类生存和发展，近年来人类不断加剧的社会经济活动使得生态环境污染逐渐严重，资源过度消耗和浪费，导致生态系统提供服务功能的能力也在不断衰退。如何科学的经营生态系统，维护其稳定与平衡，实现人与自然的和谐共处是人类发展必须正视及解决的主要问题。绿心地区森林生态系统服务功能评估，得到的结果具有重要的参考价值，可以为政府建立科学的森林生态系统以及合理的绿色GDP核算制度提供科学依据，为实现区域社会经济与生态环境的可持续发展提供宝贵的量化数据。