西藏公益林森林生态系统服务功能价值评估研究*

达娃扎西，李小双，聂峰

(1.西藏自治区林业调查规划研究院，西藏 拉萨 850001；2.云南省林业和草原科学院，云南 昆明 650201)

森林是陆地生态系统的主体，人类赖以生存的必要条件[1]。森林资源是我国重要的生态资源，森林生态系统对我国生态环境起着重要作用[2-3]。生态公益林是以保护和改善人类生存环境、保持生态平衡、保存物种资源、科学实验、森林旅游、国土保安等需要为主要经营目标的森林和灌木林，是维护国家生态安全与生态可持续的重要组成部分[4]。积极推进生态公益林建设是我国为解决生态问题而采取的重大举措[4]。西藏自治区森林资源丰富，是我国重要的国家安全屏障和生态安全屏障。西藏自治区公益林由自然植被和栽培植被组成，全区共有公益林植被类型20个，落叶阔叶灌丛面积最大，其次为寒温性针叶林和常绿革叶灌丛，其他各类植被类型所占比例均较小。

生态系统服务功能是生态系统与生态过程所形成的维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[5]。根据知网检索结果，目前环境科学、农业经济、林学是国内生态系统服务研究的主要学科，三者占总研究领域的65.09%。生态系统服务功能价值是生态系统服务的主要研究内容，其研究多以中观尺度区域结合时空变化，目前较普遍的研究包括地方生态补偿[6-7]、土地利用[8-9]、景观格局[10]等。生态系统服务研究对象集中于湿地[11]、流域[12-13]。国家林业局编制的《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)[14](以下简称《规范》)提出了森林生态系统服务功能的评估指标体系，将其划分为8个类别和15个评估指标。纵观森林生态服务功能评价领域，该评估指标体系综合各家之长、涉及层面较广，基本覆盖了目前森林生态服务功能所能定量化分析的内容，是目前较完善的评估体系。已有利用此评估体系对不同空间尺度研究的成功案例[15-18]。

西藏公益林的研究主要侧重于天然林的研究[19]，多围绕西藏森林资源特点提出资源保护建议和生态补偿体系建设策略[20]，以公益林为研究对象从定量分析的角度进行全区生态现状研究的未见报道。本研究使用森林生态系统服务功能评估指标体系[14]，以西藏自治区生态公益林为研究对象，进行全区森林生态系统服务功能的研究，以期为掌握西藏公益林的生态状况，保护森林资源提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西藏自治区位于我国西南边陲(26°50′～36°29′N、78°15′～99°07′E，)，国土面积120.223×104km2，约占我国陆地面积的1/8。其地势由西北向东南倾斜，平均海拔在4 000 m以上，是世界上海拔最高的高原。受地形地貌及中低纬度地理位置和高空大气环流影响，气候复杂，形成了垂直地带性分异明显与地域差异大的气候特点。西藏地处泛北极区系和古热带区系的交汇处，区系的迁移演化复杂，孕育了北半球从热带直到寒极的各种主要植被类型的代表，以及本区特有的植被类型。西藏自治区公益林地面积1 057.46×104hm2，占公益林成效监测区(65个县)林地面积的76.46 %。公益林森林面积1 026.55×104hm2，占公益林地面积的97.08%，其中森林自然植被占各类型植被面积99.48%，其中包括针叶林、阔叶林、灌丛和灌草等3个植被型组，面积分别为367.22×104hm2、61.25×104hm2和592.71×104hm2，分别占自然植被的35.96%、6.00%、58.04%；栽培植被只有木本类型1个植被型组，面积为5.37 ×104hm2，占栽培植被的100%。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与指标体系

本研究利用西藏自治区2013—2018年1 244个1 000 m×1 000 m固定样地(其中30个有林县1 000 m×1 000 m大样地762个，35个宜林县1 000 m×1 000 m大样地482个)调查结果，按照《森林生态系统服务功能评估规范》[14]中评估指标体系，构建西藏生态公益林生态系统服务功能价值评估指标体系，分为8个一级指标，包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护、森林游憩，在此基础上划分15个二级指标，其中保肥、林木营养积累和吸收污染物3个二级指标分别包含4个、3个和4个三级指标(表1)。

表1 西藏生态公益林森林生态服务功能价值评估指标体系Tab.1 Xizang ecological public welfare forest forest ecological service function value evaluation index system

由于森林类型不同，在生态服务功能的表现方面也各有侧重，加之现有的基础指标评估参数的可得性，有部分参数无法直接获得，本研究区域参考2004年西藏自治区国家公益林区划界定和2008年地方重点公益林区划界定资料确定。公益林数据采用2013—2018年西藏公益林建设材料(矢量化小班与数据库)，并参考了大量已出版的科研文献资料中的公共引用文献和公共数据。因此，评估结果可能与西藏自治区的实际情况会存在一定偏差，但公共数据的使用也在一定程度上方便与全国及各地森林生态服务功能评估结果进行比较。

本研究主要根据天然林的更新演替阶段进行年龄的划分，即分为原生林和次生林，原生林为自然度I级和II级的林分，结构合理稳定，林分年龄大致在60 a以上；次生林则为自上世纪采伐后热带天然林更新起来的林分，林龄大致在60 a以下。对于人工林，因其所占比例不大，统一按照中龄林阶段进行评估。

西藏公益林森林生态状况部分从群落结构和树种结构两方面分析公益林森林结构。森林自然度根据《国家森林资源连续清查技术规定》中森林自然度划分的5个等级进行计算[21-22]。森林健康根据林木的生长发育、外观表象特征及受灾情况，从森林生产力、组织结构、抵抗力和土壤状况4个要素进行综合评估[23]。森林生态功能参考《全国森林资源规划设计调查技术规程》等规范，选取森林蓄积量、群落结构、树种结构、植被总覆盖度(郁闭度)、树高和枯枝落叶厚度等计算得出[24-25]、森林景观通过森林群落类型、层次结构、古树、森林色彩等因子调查。

1.2.2 指标计算方法

涵养水源是森林的重要生态功能。森林涵养水源功能主要表现在截留降水、涵蓄土壤水分、补充地下水、调节河川流量、缓和地表径流等。森林涵养水源实物量计算公式如下[14]。

G涵=10A(P-E-C)

式中：G涵为林分调节水量功能(m3/a)；A为林分面积(hm2)。其余字母所代表涵义及相应单位参看《规范》。

森林涵养水源价值量包括调节水量价值量和净化水质价值量两部分。调节水量价值量计算公式如下[14]。

U调=10C库A(P-E-C)

式中：字母代表及相应单位参照参考文献[14]，下同。

净化水质价值量计算公式如下[14]。

U水质=10KA(P-E-C)

保育土壤由保肥和固土两个指标来衡量其功能，保肥实物量计算公式如下[14]。

Gi=ANi(X2-X1)

保肥价值量计算公式如下[14]。

U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)

固土实物量计算公式如下[14]。

G固土=A(X2-X1)

固土价值量计算公式如下[14]。

U固土=AC土(X2-X1)/ρ

固碳释氧中，固碳实物量根据生物量乘以系数0.501 8计算得出碳储量，包括乔木、灌木林、枯落物、灌木层、草本层等5部分的生物量计算。

乔木生物量根据乔木林小班平均树高、平均胸径，利用生物量模型计算小班单位蓄积生物量，将单位蓄积生物量(Bio)乘以小班蓄积量(V)得出小班乔木生物量。不同树种类生物量计算可采用两类模型计算，公式如下。

Bio=A×D2×HB

式中：Bio为生物量(kg/m3)；D为平均胸径(cm)；H为平均树高(m)；A、B为模型参数表。

灌木林生物量根据公益林小班灌木的平均高度和覆盖度，利用生物量模型计算单位面积生物量，然后乘以小班面积得出小班灌木生物量。灌木林生物量统一采用此模型计算。

Bio=0.0569 28G1.254 37H0.662 068

式中：Bio为生物量(t/m3)；G为灌木盖度(%)；H为灌木平均树高(m)。

枯落物生物量模型根据2017年度西藏自治区生态公益林资源清查结果，按照乔木林优势树种面积蓄积比例确立需要建立枯落物生物量模型的树种(组)。按面积比例计算，冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、高山松(Pinusdensata)、云南松(Pinusyunnanensis)、阔叶混、针阔混所占比例分别为30.97%、26.41%、3.14%、5.03%、3.89%、1.31%。以上6个树种(组)分别作为建模单元；其它针叶林、针叶混交林统一作为建模单元；针阔混交林统一作为建模单元(表2)。

表2 不同树种(组)林分枯落物建模方程Tab.2 Modeling equations for forest litter of different tree species(groups)

灌木层生物量：灌木层生物量与乔木林样地蓄积量之间的拟合函数计算，两者存在显著相关性。

y=-1.774ln(x)+11.314,R=0.56,n=25,P<0.05

式中：y为灌木层单位面积生物量(t/hm2)，x为单位面积蓄积量(m3/hm2)。

在草本层生物量中，草本层单位面积生物量分布与乔木林蓄积、生物量、灌木层生物量等因子之间没有显著的相关关系，且各龄组之间草本层生物量相差不大，因此以1 244个固定样地计算草本层单位面积生物量的平均值(1.286 t/hm2)乘以乔木林面积换算得到全区乔下草本层生物量。

碳储量价值量 固碳价格采用瑞典的碳税率150美元/t(折合人民币为1 035 元/t)，然后计算。

释氧实物量计算公式如下[14]。

G氧=1.19AB年

释氧价值量计算公式如下[14]。

U氧=1.19C氧AB年

林木营养积累实物量由氮、磷、钾三者实物量计算得出，计算公式如下[14]。

G氮=AN营养B年

G磷=AP营养B年

G钾=AK营养B年

积累营养物质价值量计算公式如下[14]。

U营养=AB年(N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3)

滞尘实物量计算公式如下[14]。

G滞尘=Q滞尘A

滞尘价值量计算公式如下[14]。

U滞尘=K滞尘Q滞尘A

降噪价值量计算公式如下[14]。

U噪音=K噪音A噪音

吸收二氧化硫实物量计算公式如下[14]。

G二氧化硫=Q二氧化硫A

吸收二氧化硫价值量计算公式如下[14]。

U二氧化硫=K二氧化硫Q二氧化硫A

吸收氟化物实物量计算公式如下[14]。

G氟化物=Q氟化物A

吸收氟化物价值量计算公式如下[14]。

U氟=K氟化物Q氟化物A

吸收氮氧化物实物量计算公式如下[14]。

G氮氧化物=Q氮氧化物A

吸收氮氧化物价值量计算公式如下[14]。

U氮氧化物=K氮氧化物Q氮氧化物A

吸收重金属实物量计算公式如下[14]。

G重金属=Q重金属A

吸收重金属价值量计算公式如下[14]。

U重金属=K重金属Q重金属A

提供负离子实物量计算公式如下[14]。

G负离子=5.256×1 015×Q负离子AH/L

提供负离子价值量计算公式如下[14]。

U负离子=5.256×1015×AHK负离子(Q负离子-600)/L

年森林防护实物量计算，可将农田防护林森林防护的实物量折算为农作物产量(t/a)；防风固沙林可折算为牧草产量(t/a)。

年森林防护价值量计算公式如下[14]。

U防护=AQ防护C防护

物种保育价值量计算公式如下[14]。

U生物=S生A

森林游憩价值量用森林旅游活动的直接收益衡量，其计算公式如下[14]。

U游=P游M游Y游

2 结果与分析

2.1 西藏自治区公益林森林生态状况

2.1.1 森林结构

(1)群落结构 在西藏自治区1 026.55×104hm2的公益林森林面积中，具有乔木、灌木和草本3个植被层的完整结构森林面积294.49×104hm2，占公益林森林面积的28.69%；具有乔木、灌木或草本两个植被层的较完整结构森林面积604.08×104hm2，占58.84%；仅有乔木一个植被层的简单结构森林面积127.98×104hm2，占12.47%。公益林森林群落结构以较完整结构为主，其次为完整结构。公益林森林按起源各群落结构面积见表3。

表3 公益林不同森林起源的各群落结构面积Tab.3 The area of each community structure in the origin of the public welfare forest

(2)树种结构 全区公益林中，乔木林面积432.96×104hm2，以针叶纯林为主，占比73.47%。其中，天然乔木林以针叶纯林为主，占天然乔木面积的74.06%；人工乔木林阔叶纯林为主，占人工乔木林面积的74.27%。全区乔木林中针叶纯林(含相对纯林)、阔叶纯林(含相对纯林)和混交林面积分别占82.97%、10.18%和6.85%，比例为83︰10︰7。反映出西藏公益林乔木树种呈现以天然、顶级群落的纯林为主。公益林乔木林面积按树种结构统计结果见表4。

表4 公益林不同林型的乔木林面积Tab.4 Statistical table of public welfare forest arbor forest area according to tree species structure

2.1.2 森林自然度

在1 026.55×104hm2公益林森林面积中，森林自然度Ⅰ级的原始或接近原始的天然森林占56.92%；自然度较高的次生林(自然度为Ⅱ级和Ⅲ级)面积占38.00%；残次林和第一代次生林(自然度为Ⅳ级)及各种人工森林类型所占比例很小，面积只占5.08%；森林类型以地带性原始顶极森林类型居多。总体而言，公益林大都处于演替的高级阶段，受人为干扰较小，需要重点保护。按自然度级划分的面积分布情况见表5。

表5 不同自然度级的公益林森林面积Tab.5 Statistical table of forest area distribution of public welfare forests according to natural degree levels

2.1.3 森林健康

在公益林森林面积1 026.55×104hm2中，健康森林面积1 012.61×104hm2，占98.64%；亚健康森林面积13.51×104hm2，占1.32%；中健康森林面积3 087.48 hm2，占0.03%；不健康森林面积为1 117.30 hm2，占0.01%。公益林森林以健康森林占绝对主体，这表明西藏公益林森林生态系统处于高效、稳定状态。

2.1.4 森林生态功能

在公益林森林面积1 026.55×104hm2中，森林群落结构完整、植被覆盖度高的高等级生态功能区域面积158.55×104hm2，占总面积的15.44%；森林群落结构较完整、植被覆盖度一般的中等森林生态功能面积861.07×104hm2，占83.88%；森林群落结构不完整、植被覆盖度低的区域为低等森林生态功能区域，其面积为6.93×104hm2，占0.68%。公益林森林生态功能以高等、中等面积为主，占99.32%，整体森林生态功能属于中上水平。

2.1.5 森林景观

森林群落完整、层次结构丰富、古树分布集中和森林色彩丰富程度等4个维度结果叠加得出森林景观评价，由高到低分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。其中公益林森林景观等级Ⅰ级的面积202.49×104hm2，占19.73%；景观等级Ⅱ级的面积309.81×104hm2，占30.18%；景观等级Ⅲ级的面积298.65×104hm2，占29.09%；景观等级Ⅳ级的面积215.60×104hm2，占21.00%。森林景观Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的面积占79.00%，全区公益林以原始林或原始次生林占优势，林相和季相色彩丰富，四季绚丽缤纷，景观特色多样。

2.2 公益林森林生态效益系统服务价值评估

2.2.1 生物量、碳储量

全区公益林(有林地、疏林地和灌木林地)总生物量108 621.5×104t，总碳储量5.45×104t。

2.2.2 年生态服务功能实物量

全区公益林生态服务功能实现涵养水源、固土保肥、固碳释氧、净化大气、滞尘减噪和生物多样性保护等的年实物量共4 966 986.1×104t。生态公益林年生态服务功能实物量详见表6。

表6 生态公益林年生态服务功能的实物量Tab.6 Physical scale of annual ecological service functions of ecological public welfare forests ×104t

2.2.3 年生态服务功能价值量

全区公益林生态服务功能折算为价值共为65 780 044.9×104元/a。生态公益林年生态服务功能价值量详见表7。

表7 生态公益林年生态服务功能的价值量Tab.7 Annual ecological service function value scale of ecological public welfare forests ×104元/a

3 讨论与结论

本研究采用森林生态系统服务功能评估的理论和方法，以西藏自治区全区公益林本底调查、抽样调查、年度更新调查成果为基础，辅以森林生态系统定位研究站的长期观测数据集及社会公共数据，综合运用生态学、水土保持学、经济学等理论方法，以遥感、地理信息系统等为工具，采用产量-价格法、直接市场法等方法，测算森林生态效益实物量和价值量。

通过分析西藏自治区公益林森林生态状况和公益林生态系统服务价值，综合得出以下结论。

(1)全区公益林总体森林生态状况较好，主要体现在森林群落结构整体完整性较高；树种结构上天然顶级纯乔木林有主导优势；森林自然度高的天然森林占比达一半以上；健康森林面积占绝对主导地位。

(2)西藏自治区公益林的年生态服务功能实物量较大，其中公益林的固水量实物量最大，占总体实物量的95%以上。

(3)全区公益林年生态系统服务价值量高，总价值量达到6 578×108元，尤其在固水、净化水质和森林防护3个方面的价值量在全区总价值量中的占比尤为突出，为全区的经济和社会发展提供了坚实的生态基础。

(4)全区公益林的碳储量高，说明全区公益林森林具有较高的碳汇价值和碳汇潜力。

随着国家森林生态效益补偿机制的建立，有关公益林建设与管理的法律、条例和办法逐步建立和完善，我国公益林建设步入快速健康发展的轨道。西藏自治区公益林森林整体生态状况良好，生态系统服务价值总量较大，对促进西藏的生态文明建设，保障区域经济社会可持续发展具有重要的现实意义，对确保我国的国土安全、生态安全有不可替代的重要作用。推进公益林持续监测、加强公益林管理，加快构建稳定的森林生态系统、充分发挥公益林的服务功能，为建设国家生态安全屏障和建设美丽西藏服务。