构建广西沙塘林场生态系统服务功能指标体系

(一)指标体系的重要性

要准确评估广西沙塘林场生态系统服务功能,必须构建广西沙塘林场森林生态系统服务功能指标体系。本书构建评价指标体系的重要性体现在三个方面。

(1)将广西沙塘林场的生态环境、社会条件、自然条件、经济条件以及现状形成一套指标体系,对其进行了量化分析。

(2)选取指标体系作为代表性因子,对广西沙塘林场的生态系统服务功能进行评估,摸清林场的生态价值,为后续的林产开发及绿色GDP核算提供依据。

(3)根据计算结果,为广西沙塘林场森林经营提供决策依据,为广西区及柳州市林业发展和环境保护提供科学参考,为小尺度森林生态系统的规划提供参考。

(二)指标选取原则

1.科学性原则

科学地构建指标体系,能较客观和真实地反映森林生态系统的发展现状及了解其未来发展趋势,涵盖森林生态系统的生态—社会—环境—经济四个层面,能较好地完成森林生态系统的评估。

2.代表性原则

由于森林生态系统是一个复杂的、组成因子较多且因子间的作用形式多种多样的复杂的综合系统,因此,本书只从中选取最具有代表性、最能反映服务功能本质特征的因子构建指标体系。

3.全面性原则

由于森林生态系统服务功能是一个生态—社会—环境—经济组成的复杂综合系统,因此选取指标要尽可能地覆盖服务功能各个方面。

4.整体性和可操作性原则

指标体系必须能够全面地反映森林生态系统评估的各个方面,既要有反映森林经济发展的指标,又要有反映环境生态功能因素的指标,每个方面都应得到同样的重视,并相对完备;同时指标的选取要注意可操作性。

5.简明性原则

选取有代表性的指标和主要指标,使指标体系全面而不累赘,指标选取以能解决问题为目的,选择针对性强的指标,评估方法要尽可能简单。

6.适应性原则

指标选择应尽可能解决全国的普遍问题,易于借鉴参考。指标的选取应具有广泛的时空适用性,对不同尺度的研究对象都适用。

(三)指标体系的选取依据

(1)依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)中的指标。

(2)基于广西沙塘林场实际及森林生态系统研究的现状,因森林防护功能、降低噪声功能性指计算方法还不成熟且研究较少,所以本书不涉及其生态功能及价值估算。

(四)指标体系及释义

依据前文指标体系选择原则及标准,本书筛选出广西沙塘林场森林生态系统服务功能指标体系,包括涵养水源、固碳释氧、保育土壤、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护、森林游憩7项功能13个功能性指标,其中保肥指标由减少N损失、减少P损失、减少K损失、减少有机质损失等4个分指标组成,林木营养积累由积累N、积累P、积累K等营养3个分指标组成,吸收污染物指标由吸收SO2、吸收氟化物、吸收NOx 3个分指标组成。具体指标体系框架如图9-2所示。

图9-2　广西沙塘林场森林生态系统服务功能评估指标体系

具体指标含义及计算公式如下。

1.涵养水源功能

森林涵养水源功能主要是指森林对降水进行截留、吸收和贮存,将地表水转为地表径流或地下径流的作用。主要功能表现在增加可利用水资源、净化水质和调节径流三个方面。本书选用调节水量指标和净化水质指标,以反映森林的涵养水源功能。

(1)调节水量指标。

①年调节水量。

式中:G调——森林年调节水量(m3·a-1);

A——林分面积(hm2);

P——林外降水量(mm·a-1);

E——林分蒸散量(mm·a-1),为各林分的蒸散率与年降雨量的乘积,本书各林分的蒸散率参考李少宁(2007)对江西大岗山森林涵养水源功能的研究,杉木类(0.773)、松类(0.66)、桉类(0.589)、其他阔(因林场软阔较多,故取其他软阔的数值0.589)、经济林(0.659);

C——地表快速径流量(mm·a-1),总量很小,忽略不计。

②年调节水量价值。

森林生态系统年调节水量价值采样替代工程法,根据水库工程的蓄水成本来计算确定,具体公式为:

式中:U调——森林年调节水量价值(元·a-1);

C库——水库库容造价(元·m-3),为了避免由于市场价格波动而带来的评估结果的不稳定性,增强其可比性,本书统一采用《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)中的数值,下文中规范中已有数值就不再说明。

(2)净化水质指标。

①年净化水质量。

森林生态系统年净化水质量的计算公式同年调节水量计算公式。

②年净化水质价值。

森林生态系统年净化水质价值根据净化水质工程的成本(替代工程法)来确定,具体公式为:

式中:U净——林分净化水质价值(元·a-1);

K水——水的净化费用(元·t-1)。

2.保育土壤功能

森林凭借上层树冠、中层枝干、下层枯枝落叶层及底层根系截留大气降水,减少大气降水对土壤表层的直接冲击,降低了地表径流对土壤的侵蚀,降低水土流失量。同时森林的新陈代谢及其产物不断地沉积在土壤中或与其成分发生一系列的作用,参与土体成分的能量交换与物质循环,提高土壤肥力,因此,森林也是土壤养分的主要来源之一,因此,本书选用固土和保肥2项指标,以反映森林保育土壤的功能。

(1)固土指标。

①年固土量。

式中:G固土——森林年固土量(t·a-1);

X1——有林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1),本书采用袁建平(1999)对不同坡度、不同林草覆盖度下(覆盖度用郁闭度代替)土壤侵蚀强度分级研究结果,最终确定不同林分类型的侵蚀模数,根据广西沙塘林场各林分类型的二类调查数据确定主要林分类型土壤侵蚀模数如表9-3所示;

X2——无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1),用植被覆盖度为23%的土壤侵蚀模数值代替,即50 t·hm-2·a-1。

表9-3　广西沙塘林场2014年桉树林土壤侵蚀模数

②年固土价值。

由于土壤侵蚀造成的水土流失的泥沙淤积于地势较低的水库中,减少了水库蓄水能力,因此,本书根据蓄水成本(替代工程法)计算森林年固土价值,公式为:

式中:U固土——林分年固土价值(元·a-1);

C土——单位体积土方所需费用(元·m-3);

ρ——土壤容重(g·m-3),经实验室实测沙塘林场的土壤容重(g·m-3)为:松类(1.49)、桉树类(1.56),杉木类、其他阔与经济林数据参见李少宁(2007)。

(2)保肥指标。

①年保肥量。

式中:GN,GP,GK——森林因固持土壤而减少的氮磷钾流失量(t·a-1);

N,P,K——森林土壤平均含氮、磷、钾量(%),将实验室测得的马尾松与桉树氮磷钾数据带入进行计算,杉木类、其他阔、经济林的氮磷钾数据本书采取替代补缺法,即采用与研究地相近经纬度相似生境条件下同种林型的数值进行计算(韩春子,2009)。

②年保肥价值。

年固土量中氮、磷、钾的数量换算成化肥的价值即为林分年保肥价值。本书以年固土量中氮、磷、钾的数量折合成磷酸二铵和氯化钾化肥的价值来体现,具体公式为:

式中:U肥——林分年保肥价值(元·a-1);

R1——磷酸二铵化肥含氮量(%);

R2——磷酸二铵化肥含磷量(%);

R3——氯化钾化肥含钾量(%);

C1,C2,C3——磷酸二铵、氯化钾、有机质价格(元·t-1);

M——森林土壤有机质含量(%),有机质为实验室实测数据,杉木类(1.865)、松类(2.395)、桉类(1.519)、其他阔(1.275)、经济林(3.367)。

3.固碳释氧功能

森林中的绿色植物通过光合作用吸收并减少大气中的CO2,释放并提高O2,维持了大气中的是CO2和O2动态平衡,对减少温室效应有巨大和不可替代的作用。本书选用固碳、释氧2个指标反映森林固碳释氧功能。

(1)固碳指标。

①植被和土壤年固碳量。

式中:G碳——年固碳量(t·a-1);

F土壤碳——单位面积森林土壤年固碳量(t·hm-2·a-1),本书选取经纬度接近的相似地形条件下数值(黄英,2012);

B年——林分净生产力(t·hm-2·a-1),本书选取全国平均数值(方精云,1996)。

②年固碳价值。(www.xing528.com)

式中:U碳——林分年固碳价值(元·a-1);

C碳——固碳价格(元·t-1)。

(2)释氧指标。

①年释氧量。

式中:G氧——年释氧量(t·a-1)。

②年释氧价值。

式中:U氧——林分年释氧价值(元·a-1);

C氧——制氧价格(元·t-1)。

4.积累营养物质功能

森林在其新陈代谢过程中需要不断地从周围环境吸收氮、磷、钾等营养物质,以有机成分形式固定在植物体中,是地球生物圈物质循环的一大环节,因此,本书选用林木营养积累指标反映森林积累营养物质功能。

(1)林木营养积累量。

式中:G氮,G磷,G钾——林分固氮、磷、钾量(t·a-1);

N营养、P营养、K营养——林木含氮、磷、钾量(%),本书选取经纬度接近的相似地形条件下数值(李少宁,2007)。

(2)林木营养积累价值。

式中:U营养——林分营养年增加价值(元·a-1);

C1,C2——磷酸二铵、氯化钾价格(元·t-1)。

5.净化大气环境功能

大气中的有害物质按其存在形式划分,可以分为分子态的污染物和颗粒态的污染物。其中分子态的有害物质又以二氧化硫、氟化物、氮氧化物等最为常见。森林能有效吸收这些有害气体并阻滞粉尘,还能释放氧气和萜烯类化合物,从而起到净化大气的作用。因此,本书选取提供负离子、吸收污染物和滞尘、释放萜烯类物质4个指标反映森林净化大气环境能力。

(1)提供负离子指标。

①年提供负离子量。

式中:G负离子——林分提供负离子量(个·a-1);

H——林分高度(m);

Q负——林分负离子浓度(个·cm-3),本书桉树选取实验室实测均值4800,其他林分选取经纬度接近的相似地形条件下数值(李少宁,2007);

L——负离子寿命(min)。

②年提供负离子价值。

研究证明有益人体健康的负离子浓度必须大于600个·cm-3,因此采用下面公式计算森林年提供负离子价值:

式中:U负离子——林分年提供负离子价值(元·a-1);

K负——负离子生产费用(元·个-1)。

(2)吸收污染物指标

①吸收污染物量。

式中:G污染物——吸收污染物的量(kg·a-1);

Q污染物——森林污染物吸收量(kg·hm-2·a-1),参见中国生物多样性国情研究报告(1998)。

②吸收污染物价值。

式中:U污染物——林分年吸收污染物的价值(元·a-1);

K污染物——治理费用(元·kg-1)。

(3)滞尘指标。

森林有阻挡、过滤和吸附粉尘的作用,可提高空气质量。

①年滞尘量。

式中:G滞尘——林分年滞尘量(kg·a-1);

Q滞尘——森林年滞尘量(kg·hm-2·a-1),参见中国生物多样性国情研究报告(1998)。

②年滞尘价值。

式中:U滞尘——森林年滞尘价值(元·a-1);

K滞尘——降尘费用(元·kg-1)。

(4)释放萜烯类物质指标。

萜烯类物质是芳香气味的重要载体,对人体健康有一定的医疗作用,研究认为森林具有释放萜烯类物质的功能,对改善人居环境具有非常重要的作用。森林释放萜烯类物质的量,是根据林分的面积、树高、萜烯类物质的浓度等指标来计算的。萜烯类物质的浓度本书选取中数值。为了得到全年的数据,还要结合林木生长周期进行分析。

①年释放萜烯类物质量。

式中:G萜烯——林分年释放萜烯类物质量(kg·a-1);

H——林分平均树高(m);利用二调数据计算每种林分的平均树高;

S——林分面积(hm2);

EF——林地空气中萜烯类物质的平均浓度(μg·m-3),其中杉木及松类针叶林萜烯类物质浓度为1.45×10-2,阔叶林的萜烯类物质浓度为1.16×10-2,经济林取比较接近的草本数值0.26×10-2;

n——迭代次数,每小时的迭代次数为60(次·h-1);

D——萜烯类物质实际排放并发挥作用时间(h)。

②年释放萜烯类物质价值。

式中:U萜烯——森林年释放萜烯类物质价值(元·a-1);

P萜烯——市场价格(元·kg-1),据市场调查,精油的价格在1800～33000元·kg-1,本书取市场平均价8000元·kg-1来计算。

6.生物多样性保护功能

地球上的一半物种来自森林。森林是陆地上最大最理想的物种基因库,在生物多样性保护方面有着举足轻重的作用。为此,我们选用物种保育指标反映森林的生物多样性保护功能。

物种保育价值公式:

式中:U生物——林分年物种保育价值(元·a-1);

S生——单位面积年物种损失的机会成本(元·hm-2·a-1),获取广西地区各林分的S-W指数(王兵,2008),再根据公式(式9-26)计算得出沙塘林场森林生态系统的生物多样性指数,如表9-4所示。

表9-4　广西沙塘林场不同林分类型Shannon-Wiener生物多样性指数

7.森林游憩功能

森林生态系统为人类提供休闲和娱乐场所,满足人们生活需要,森林以其特有的魅力,吸引着众多的人来到林区观光、游憩、野营、避暑、度假、疗养、登山、摄影、考察等。因此,本书选用森林游憩指标。为了体现由于森林游憩产生的效益和直接价值,国内相关研究采用了TCM法(旅行费用法)估算森林游憩价值。

森林游憩价值公式:

式中:U游憩——森林游憩价值(元·a-1);

F——门票直接收入(元·a-1);

P——占游憩价值比重(元·a-1)。

8.森林生态系统服务功能价值评估

森林生态系统服务功能总价值为上述各功能指标价值之和,公式为:

式中:U总——森林生态系统服务功能年总价值(元·a-1);

Ui——森林生态系统服务分项年价值(元·a-1)。