湖南省公益林生态系统服务功能评估

罗 佳， 田育新， 朱 昕， 王育坚， 李典军， 徐佳娈，吴小丽， 姚 敏， 杨 蕊

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004；2.湖南省林业局， 湖南 长沙 410004；3.湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 慈利 427200)

生态系统服务功能是说自然生态系统的结构和功能的维持会生产出对人类的生存和发展有支持和满足作用的产品、资源和环境，称之为生态系统服务[1]。而森林生态系统服务功能是指森林生态系统与生态过程所形成及所维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[2]。从复生生态系统的角度来看，它不仅包括该系统为人类提供食品、医药和其他工农业生产的原料，更重要的是支撑与维持地球的生命支持系统，维持生命物质的生物地化循环与水文循环，维持生物物种与遗传多样性，净化环境，维持大气化学的平衡与稳定[3-4]。森林生态系统为人类带来了巨大的物质财富和精神财富，森林生态系统的兴衰不仅直接影响生态环境，同时也影响着经济和社会的发展[5-7]。评估测算不同区域森林生态系统的服务价值，促进生态补偿机制的建立，尽快将自然资源和环境纳入国民经济核算体系及正确处理社会经济发展与生态环境保护之间的关系具有重要的现实意义[5]。然而长期以来对森林资源的破坏，使生态环境问题日益突显，最终使得人类生存环境面临越来越严峻的挑战。因此，如何加强林业生态建设，最大限度发挥森林生态系统服务功能已成为人们最关注的热点问题之一。我国对森林生态系统服务功能的研究起步较晚，但经过近30年的发展，森林生态系统服务功能评估的方法和规范已经形成[8-9]，并且在国家[10-11]、省级[12-13]、市级[14-15]和县级[16]以及重点林业生态工程[17]、自然保护区[18]和国有林场[19]等不同尺度得到了应用。

党的十八大以来，习近平总书记经常谈及生态文明和林业改革发展，系统、全面、科学的阐明了生态保护的重要性；“生态兴则文明兴、生态衰则文明衰”，人类已经进入生态文明时代，生态文明建设是当今世界发展的主题；“绿水青山就是金山银山”的生态文明理念已经深入人心，这都为湖南省省级以上公益林建设指明了方向，提供了根本遵循。湖南省省级以上公益林面积较大，达到了494.5319万hm2，其中国家级公益林392.5509万hm2、省级公益林101.981万hm2，覆盖湖南省14个市(州)，累计总投入达130亿元，巨大的投入到底产生了多少生态价值，投入和产出比是多少至今无人精确回答。因此，对湖南省省级以上公益林生态系统服务功能进行全面监测评价，以全面、客观、科学评估湖南省省级以上公益林生态系统发挥的生态效益，客观反映湖南省省级以上公益林对湖南省生态文明建设和生态强省建设做出的巨大贡献，用数据回应社会各界对公益林建设的热切关注，提高林业在湖南省国民经济和社会发展中的地位有着重要作用。

1 研究区概况

湖南省地理坐标位于108°47′—114°15′E，24°38′—30°08′N之间，处云贵高原向江南丘陵和南岭山脉向江汉平原过渡的地带；总体上呈西高东低、南高北低，三面环山、朝北开口的特征；属中亚热带季风性湿润气候区，年平均气温在16～18℃之间，多年平均年降水量为1450mm。湖南省境内河流众多，河网密布，其中“一湖四水”流域面积占湖南省国土总面积的96.6%。土壤类型以红壤和黄壤为主。湖南省生物资源丰富多样，是全国乃至世界珍贵的生物基因库之一，有种子植物约5000种，国家一级重点保护植物16种，国家二级重点保护植物48种。湖南省属亚热带常绿阔叶林区，主要自然生态系统类型为森林和湿地生态系统。森林生态系统拥有5个森林类型、12个植被型组、23个植被型亚组、63个群组、143个群系。

2 数据来源与研究方法

2.1 湖南省公益林资源数据来源

根据湖南省2017年公益林完善落界成果，湖南省省级以上公益林面积494.5319万hm2，覆盖湖南省14个市(州)118个县(市、区)，目前仅长沙市的芙蓉区和开福区、衡阳市的石鼓区和蒸湘区等4个区没有公益林分布。每个县(市、区)按照公益林资源统计结果，划分为柏木、混交林、檫木、其它软阔类、樟树、栎类、木荷、其它硬阔类、枫香、马尾松、其它松杉类、国外松、杉木、毛竹、灌木组15个优势树种(组)。

2.2 公益林生态系统服务功能评估指标及测算方法

湖南省公益林生态系统服务功能评估数据采用地面监测和遥感监测相结合的方法，并结合湖南省及周边森林生态站以及辅助观测点的监测结果；其中，森林生态站以国家林业局和草原局森林生态站为主体。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/T33027-2016)[20]等获取湖南省公益林评估的生态数据集。选取涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保育、森林游憩和森林防护8项森林生态系统功能分别开展测算，指标体系及相关计算公式详情参照[21]。

2.3 社会公共数据来源

采用等效替代的方法对2019年湖南省公益林生态系统服务功能评估进行价值转换，需使用国家相关部门和湖南省相关机构发布的社会公共数据[15-16](表1)。

表1 湖南省公益林生态系统服务功能评估所需的社会公共数据Tab.1 Social public data needed for evaluation of public welfare forest ecosystem service function in Hunan Province编号名称单位出处值2019年数值来源及依据1水库建设单位库容投资元·t-18.449.79根据1993—1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价为2.17元·t-1,国家统计局公布的2012年原材料、燃料、动力类价格指数为3.725,即得到2012年单位库容造价为8.44元·t-1,再根据贴现率转换为2019年的现价。2水的净化费用元·t-13.073.56采用网格法得到2012年全国各大中城市的居民用水价格的平均值,为3.07元·t-1,再根据贴现率转换至2019年现价为3.56元·t-1。3挖取单位面积土方费用元·m-363.0073.08根据2002年黄河水利出版社出版的《中华人民共和国水利部水利建筑工程预算定额》(上册)中人工挖土方Ⅰ和Ⅱ类土类每100 m3需42个工时,按十二五末每个人工150元·d-1计算为63.0元·m-3,贴现至2019年为73.08元·m-3。4磷酸二铵含氮量%14.0014.00化肥产品说明。5磷酸二铵含磷量%15.0115.01化肥产品说明。6氯化钾含钾量%50.0050.00化肥产品说明。7磷酸二铵化肥价格元·t-13 300.003 828.00磷酸二铵、氯化钾化肥价格根据中国化肥网(http://www.fert.cn)十二五末春季平均价格再贴现至2019年的现价;有机质价格根据中国农资网(www. ampcn. com)十二五末鸡粪有机肥的春季平均价格再贴现至2019年的现价。8氯化钾化肥价格元·t-12 800.003 248.009有机质价格元·t-1800.00928.0010固碳价格元·t-11 281.001 485.96采用2013年瑞典碳税价格:136美元·t-1二氧化碳,人民币兑美元汇率按照2013年平均汇率6.289 7计算,再根据贴现率转换为2019年的现价。11制造氧气价格元·t-11 299.071 506.92采用中华人民共和国卫生部网站(http://www.nhfpc.gov.cn)2007年春季氧气平均价格(1 000元·t-1),再根据贴现率转换为2019年的现价为1 506.92元·t-1。

续表1 湖南省公益林生态系统服务功能评估所需的社会公共数据Continued Tab.1 Social public data needed for evaluation of public welfare forest ecosystem service function in Hunan Province编号名称单位出处值2019年数值来源及依据12负离子生产费用元·10-18 个9.4610.97根据企业生产的适用范围30 m2(房间高3 m)、功率为6 W、负离子浓度1 000 000个·m-3、使用寿命为10年、价格每个65元的KLD-2000型负离子发生器而推断获得,其中负离子寿命为10 min,十二五末电费为0.65元·kWh-1,求得生产负离子费用为9.46元·10-18 个;贴现至2019年价格为10.97元·10-18 个。13二氧化硫治理费用元·kg-11.852.15采用中华人民共和国国家发展和改革委员会等四部委2003年第31号令《排污费征收标准及计算方法》中北京市高硫煤二氧化硫排污费收费标准,为1.20元·kg-1;氟化物排污费收费标准为0.69元·kg-1;氮氧化物排污费收费标准为0.63元·kg-1;一般性粉尘排污费收费标准为0.15元·kg-1。将上述价格贴现至2019年。14氟化物治理费用元·kg-11.061.2315氮氧化物治理费用元·kg-10.971.1316降尘清理费用元·kg-10.230.2717PM10清理费用元·kg-12.032.03结合大气污染物当量值中炭黑尘污染当量值和湖南省应税污染物应税额度计算得到。18PM2.5清理费用元·kg-12.032.0319农作物、牧草价格元·kg-12.002.32农作物、牧草价格根据新农业农资网(www.xnynews.com/quote/list-297.html)十二五末平均价格贴现至2019年。20生物多样性保护价值元·hm-2·a-1根据Shannon-Wiener指数计算生物多样性保护价值,采用2008年价格参数,即:Shannon-Wiener指数<1时, S生为3 000元·hm2·a-1;1≤Shannon-Wiener指数<2, S生为5 000元·hm2·a-1;2≤Shannon-Wiener指数<3,S生为10 000元·hm2·a-1;3≤Shannon-Wiener指数<4,S生为20 000元·hm2·a-1;4≤Shannon-Wiener指数<5,S生为30 000元·hm2·a-1;5≤Shannon-Wiener指数<6,S生为40 000元·hm2·a-1;指数≥6时,S生为50 000元·hm2·a-1。通过贴现率(d)贴现为2019的价格参数,贴现率计算公式为:d=(1+tn+1) (1+tn+2)…(1+tm),其中,t为存贷款均衡利率。

3 结果与分析

3.1 湖南省公益林生态系统服务功能总物质量

湖南省省级以上公益林生态系统服务功能物质量评估结果如表2所示，涵养水源总物质量为193.99亿m3·a-1；固土总物质量为22449.18万t·a-1；固定土壤氮、磷、钾和有机质总物质量分别为23.88万t·a-1、5.69万t·a-1、218.65万t·a-1和407.34万t·a-1；固碳总物质量为992.09万t·a-1，释氧总物质量为2386.94万t·a-1；林木积累氮、磷和钾总物质量分别为7.45万t·a-1、3.18万t·a-1和3.88万t·a-1；生产负离子总物质量为4.84×1025个·a-1，吸收污染物总物质量为89.46万t·a-1(吸收二氧化硫总物质量为85.39万t·a-1，吸收氟化物总物质量为1.26万t·a-1，吸收氮氧化物总物质量为2.80万t·a-1)，滞尘总物质量为1457.17万t·a-1(滞纳PM10总物质量为24.04万t·a-1，滞纳PM2.5总物质量为3.65万t·a-1)。

3.2 湖南省公益林生态系统服务功能物质量空间分布格局及特征

以单位面积表征湖南省公益林生态系统服务功能物质量空间分布格局特征(图1)，年单位面积涵养水源量在3468.44～4146.93m3·hm-2之间，长沙市最大，衡阳市最小；年单位面积保育土壤量在43.97～48.95t·hm-2之间，益阳市最大，衡阳市最小；年单位面积固碳释氧量在6.01～8.03t·hm-2之间，益阳市最大，衡阳市最小；年单位面积林木积累营养物质量在0.025～0.035t·hm-2之间，益阳市最大，衡阳市最小；年单位面积生产负离子量在9.18×1018～10.45×1018个·hm-2之间，湘潭市最大，永州市最小；年单位面积吸收污染物(吸收氟化物、氮氧化物和二氧化硫)量在0.159～0.202t·hm-2之间,湘潭市最大，常德市最小；年单位面积滞尘量在2.44～3.42t·hm-2之间，长沙市最大，常德市最小。可见，长沙市的涵养水源和滞尘能力最强，湘潭市的生产负离子和吸收污染物能力最强，益阳市的保育土壤、固碳释氧和林木积累营养物质能力最强；衡阳市的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质能力最弱，永州市的生产负离子能力最弱，常德市的吸收污染物和滞尘能力最弱。

表2 湖南省公益林生态系统服务功能总物质量Tab.2 Total quality of service function of public welfare forest ecosystem in Hunan Province行政区划涵养水源/(亿m3·a-1)保育土壤/(万t·a-1)固碳释氧/(万t·a-1)固土固N固P固K固有机质固碳释氧湖南省193.99 22 449.18 23.88 5.69 218.65 407.34 992.09 2 386.94长沙市6.24 714.64 0.76 0.18 7.37 13.30 34.00 81.94株洲市10.49 1 229.65 1.31 0.31 11.59 22.17 55.61 132.54湘潭市4.28 496.30 0.53 0.13 5.02 9.11 22.58 55.03衡阳市12.28 1 517.64 1.55 0.35 12.10 24.72 62.36 150.23邵阳市22.26 2 587.31 2.72 0.63 25.14 46.07 115.97 279.37岳阳市9.01 1 067.34 1.13 0.25 10.24 19.08 49.26 118.69常德市13.89 1 621.13 1.76 0.46 16.59 31.45 68.30 164.91张家界市14.02 1 588.88 1.76 0.47 16.53 31.08 64.73 157.59益阳市10.35 1 221.14 1.34 0.26 11.18 22.22 61.34 144.62郴州市18.84 2 151.04 2.29 0.56 21.69 40.04 99.09 237.31永州市19.75 2 295.16 2.38 0.55 20.94 39.43 99.65 237.62怀化市24.85 2 803.39 3.00 0.72 28.78 51.63 126.16 303.56娄底市8.97 1 045.05 1.08 0.25 10.05 18.17 46.61 113.12湘西土家族苗族自治州18.76 2 110.50 2.26 0.57 21.43 38.88 86.41 210.40 行政区划林木积累营养物质/(万t·a-1)净化大气环境积累N积累P积累K提供负离子/(×1022个·a-1)吸收污染物/(万t·a-1)滞尘/(万t·a-1)吸收二氧化硫量吸收氟化物量吸收氮氧化物量TSPPM10PM2.5湖南省7.45 3.18 3.88 4 842.64 85.39 1.26 2.80 1 457.17 24.04 3.65 长沙市0.25 0.08 0.13 152.27 2.91 0.04 0.09 50.57 0.80 0.12 株洲市0.42 0.18 0.22 258.80 4.47 0.07 0.15 76.87 1.20 0.19湘潭市0.16 0.06 0.09 110.32 2.05 0.02 0.06 34.56 0.58 0.09 衡阳市0.46 0.20 0.24 345.22 5.53 0.09 0.18 89.02 1.43 0.21邵阳市0.86 0.35 0.45 543.10 9.87 0.13 0.31 173.92 2.86 0.43 岳阳市0.36 0.14 0.19 235.93 4.18 0.05 0.13 72.40 1.11 0.16 常德市0.54 0.25 0.27 367.04 5.25 0.12 0.21 84.06 1.34 0.22 张家界市0.49 0.24 0.25 366.81 5.97 0.11 0.21 95.67 1.71 0.26 益阳市0.46 0.20 0.24 238.68 4.31 0.06 0.14 80.57 1.22 0.18郴州市0.75 0.30 0.39 457.17 8.24 0.13 0.28 140.42 2.27 0.36永州市0.76 0.36 0.39 484.04 8.61 0.13 0.28 145.24 2.40 0.37怀化市0.94 0.41 0.49 599.24 11.38 0.14 0.36 196.49 3.27 0.49 娄底市0.34 0.13 0.18 224.43 4.16 0.05 0.13 72.95 1.21 0.18 湘西土家族苗族自治州0.65 0.28 0.34 459.61 8.47 0.12 0.27 144.44 2.64 0.39

3.3 湖南省公益林生态系统服务功能总价值量

湖南省省级以上公益林生态系统服务功能总价值量评估结果为5165.79亿元·a-1(表3)，其中，涵养水源2589.82亿元·a-1(其中，调节水量1899.20亿元·a-1、净化水质690.62亿元·a-1)、保育土壤423.71亿元·a-1(其中，固土164.41亿元·a-1、固氮65.30亿元·a-1、固磷14.51亿元·a-1、固钾142.04亿元·a-1、固有机质37.80亿元·a-1)、固碳释氧507.11亿元·a-1(其中，固碳147.42亿元·a-1、释氧359.69亿元·a-1)、林木积累营养物质30.99亿元·a-1(其中，积累氮20.36亿元·a-1、积累磷8.11亿元·a-1、积累钾2.52亿元·a-1)、净化大气环境69.11亿元·a-1(其中，生产负离子5.31亿元·a-1、吸收二氧化硫18.36亿元·a-1、吸收氟化物0.16亿元·a-1、吸收氮氧化物0.32亿元·a-1、吸滞TSP39.34亿元·a-1、吸滞PM104.88亿元·a-1、吸滞PM2.50.74亿元·a-1)、生物多样性保护的价值为815.61亿元·a-1、森林防护的价值为3.63亿元·a-1、森林游憩的价值为725.82亿元·a-1。

图1 湖南省公益林生态系统服务功能物质量空间分布

续图1 湖南省公益林生态系统服务功能物质量空间分布 Continued Fig.1 Spatial distribution of service function material quality of public welfare forest ecosystem in Hunan Province

3.4 湖南省公益林生态系统服务功能价值量空间分布格局及特征

湖南省公益林生态系统服务功能物质量空间分布格局特征以单位面积的大小进行表征阐明(图2)，年单位面积涵养水源价值量在4.63万～5.54万元·hm-2之间，长沙市最大，衡阳市最小；年单位面积保育土壤价值量在0.75万～0.92万元·hm-2之间，长沙市最大，衡阳市最小；年单位面积固碳释氧价值量在0.90万～1.20万元·hm-2之间，益阳市最大，衡阳市最小；年单位面积林木积累营养物质价值量在0.05万～0.075万元·hm-2之间，益阳市最大，衡阳市最小；年单位面积净化大气价值量在0.118万～0.157万元·hm-2之间，长沙市最大，常德市最小；年单位面积生物多样性保育价值量在1.18万～2.04万元·hm-2之间，张家界市最大，益阳市最小；年单位面积森林游憩价值量在1.26万～2.37万元·hm-2之间，张家界市最大，衡阳市最小；根据湖南省2017年公益林完善落界成果，区划有农田防护林的有常德市和娄底市，常德市和娄底市年单位面积森林防护价值量分别为0.10万元t·hm-2和0.0001万元t·hm-2之间。湖南省公益林生态系统服务功能单位面积价值量在9.38万～11.68万元·hm-2之间，排序为张家界市>常德市>长沙市>湘西土家族苗族自治州>郴州市>怀化市>湘潭市>株洲市>益阳市>永州市>邵阳市>岳阳市>娄底市>衡阳市。可见，张家界市的公益林生态系统服务功能最强，衡阳市公益林生态系统服务功能最弱，二者相差2.30万元·hm-2。

表3 湖南省公益林生态系统服务功能价值量Tab.3 Service function value of public welfare forest ecosystem in Hunan Province亿元·a-1行政区划涵养水源保育土壤固碳释氧林木积累营养物质净化大气环境生物多样性保护森林游憩森林防护合计湖南省2 589.82423.71507.1130.9969.11815.61725.82 3.63 5 165.79 长沙市83.3113.8017.400.972.3619.5125.06 0.00 162.41 株洲市140.0322.9428.241.753.6344.9341.99 0.00 283.50 湘潭市57.189.5111.650.651.6414.5115.58 0.00 110.73 衡阳市163.9026.3831.911.934.3459.1244.62 0.00 332.19 邵阳市297.1548.5559.333.538.1376.2677.78 0.00 570.73 岳阳市120.3119.9725.211.463.3927.0131.04 0.00 228.39 常德市185.4531.5235.002.304.1667.5751.21 3.63 380.83 张家界市187.1231.2233.372.124.7172.6384.46 0.00 415.64 益阳市138.2322.5830.911.933.6730.1936.76 0.00 264.27 郴州市251.5841.2250.483.056.6578.1963.48 0.00 494.66 永州市263.6741.9450.623.246.91103.0168.68 0.00 538.07 怀化市331.7754.0364.493.939.23106.5478.70 0.00 648.69 娄底市119.7219.4523.971.393.4128.4928.81 <0.01225.25 湘西土家族苗族自治州250.3940.5944.552.726.8987.6577.64 0.00 510.43

图2 湖南省公益林生态系统服务功能价值量空间分布

续图2 湖南省公益林生态系统服务功能价值量空间分布

4 结论与讨论

(1)本研究基于湖南省2017年省级以上公益林资源面积数据，采用地面监测和遥感监测相结合的方法获取生态数据、以国家权威部门发布的公共数据和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)为依据，选取涵养水源、保育土壤等8项功能指标，对湖南省公益林生态系统服务功能进行定量评估，2019年湖南省公益林生态系统服务功能物质量为涵养水源193.99亿m3·a-1、固土2.24亿t·a-1、保肥655.56万t·a-1、固碳992.09万t·a-1、释氧2386.94万t·a-1、林木积累营养物质14.51万t·a-1、提供空气负离子4842.64×1022个·a-1、吸收污染物89.46万t·a-1、滞尘1484.85万t·a-1。从不同地市(州)公益林生态系统服务功能单位面积物质量来看，长沙市的涵养水源和滞尘能力最强，湘潭市的生产负离子和吸收污染物能力最强，益阳市的保育土壤、固碳释氧和林木积累营养物质能力最强；衡阳市的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质能力最弱，永州市的生产负离子能力最弱，常德市的吸收污染物和滞尘能力最弱。

(2)湖南省公益林生态系统服务功能价值量总计5165.79亿元·a-1，涵养水源价值最大，其次是生物多样性保育，森林游憩排第三，森林防护价值最小。表明湖南省公益林生态系统服务功能以涵养水源、生物多样性保育和森林游憩为主。这与刘胜涛等[5]对泰山森林生态系统服务功能、王兵等[23]对辽宁森林系统服务功能和黄龙生等[24]对济南市森林生态系统服务功能的研究结果一致，也均以涵养水源价值最大、森林防护价值最小。为保障湖南省公益林的水源涵养功能，全省加大了公益林资源的保护力度。坚持造林绿化，提高水源涵养功能。强化江河两岸、湖库周围等水源涵养林区生态公益林保护、管护。以“裸露山地”造林绿化等为重点，大力推进植树造林，实施退耕还林工程。水源涵养价值量所占比例最高，达50.13%，这对于湖南省的用水安全和维持区域水资源平衡起到了非常重要的作用。湖南省生物物种极其丰富，由9大生态系统构成其独特的森林生态系统，自然保护地、森林公园等。湖南省众多的自然保护区，使公益林的森林游憩功能进一步加强，公益林生态系统森林游憩价值相当于湖南省2018年旅游业总收入的8.69%。公益林生态系统森林防护价值量仅为湖南省公益林生态系统价值量的0.07%，虽然这一比值严重的低于其他生态功能，但公益林生态系统对于农田防护发挥着不可或缺的作用，大大提高了农民收入，为解决“三农”问题提供了坚实的基础。

(3)湖南省14个市(州)单位面积价值量在9.38万～11.68万元·hm-2之间，排序为张家界市>常德市>长沙市>湘西土家族苗族自治州>郴州市>怀化市>湘潭市>株洲市>益阳市>永州市>邵阳市>岳阳市>娄底市>衡阳市，张家界市的公益林生态系统服务功能最强，衡阳市公益林生态系统服务功能最弱，二者相差2.30万元·hm-2。表明各市(州)公益林生态系统服务功能空间变化特征之间差异显著。这是因为张家界市位于澧水中上游，属武陵山区腹地，张家界因旅游建市，是中国最重要的旅游城市之一，是湘鄂渝黔革命根据地的发源地和中心区域，也是著名的风景名胜区；张家界市有多个国家森林公园、地质公园、国家级自然保护区和省级自然保护区，被授予“国家森林城市”荣誉称号，其森林质量较高，促进了生物多样性的增加和森林旅游的发展，单位面积的生物多样性保育价值和森林游憩价值均位列8大服务功能的首位。