生态连清理论在森林生态系统服务功能评估中的实践

2016-06-18 07:12
中国水土保持科学 2016年1期
关键词:观测森林评估

王 兵

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,100091,北京)



生态连清理论在森林生态系统服务功能评估中的实践

王兵

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,100091,北京)

摘要:当前,国际上生态系统服务功能研究体系框架已相对完善,但缺少一套针对森林生态系统服务功能评估体系。中国森林生态连清体系创建及完善,填补了这一空白。该体系巧妙地将森林资源清查体系和森林生态系统定位观测研究网络(CFERN)有机结合,通过森林资源清查体系直接获取森林资源信息,CFERN生态站获取生态系统各个生态过程的机制及参数,实现了森林生态系统服务功能的科学化评估。通过CFERN生态站连续观测对生态参数的纠偏,森林生态系统服务各项指标评估过程中所需的生态参数得以实时更新,使森林生态连清体系对森林生态系统服务评估具备了连续监测的功能。这一体系已在国家、林业重点工程、省级及地区等层面广泛应用,将森林生态系统服务功能评估工作推进了一大步,为我国森林经营管理、森林水土保持功能评估、生态恢复等提供科学的数据支撑。

关键词:森林生态系统; 生态系统服务功能; 生态连清体系; 全指标体系; 连续观测; 定期清查; 服务价值; 技术体系

自然界本身的遗传与进化速度,已经远远落后于人类活动对生态系统影响的变化速度,几乎所有的生态系统都受到不同程度的改变[1]。森林生态系统是陆地生态系统的主体,具有多种功能和多重效益,不仅提供人类生产和生活中所必需的物质资源,而且支撑与维持着地球的生命系统,发挥涵养水源、固碳释氧、保护生物多样性等生态功能。例如,森林生态系统通过林冠层、落叶层和根部土壤层对降水进行截留、吸收、削弱能量、增加入渗时间、减少地表径流量,发挥着优良的水土保持功能,减少灾害的同时避免经济损失,量化这些生态服务功能的效益,将为林业经营管理和政策制定提供科学的数据支撑。人类所依赖的森林生态系统所提供的产品和服务,也是社会经济发展的基础,对这些服务功能效益的科学评估,是当前世界范围内研究的一项重要课题。

1森林生态系统服务功能评估研究进展

1.1国外森林生态系统服务研究现状

自20世纪70年代初以来,“生态系统服务”(ecosystem services)开始成为一个科学术语及生态学与生态经济学研究的分支。1970年,联合国大学“关键环境问题研究小组”首次提到“环境服务”概念,并列举出洪水控制、水土保持、土壤形成、气候调节、传粉等多项环境服务[2]。1974年,J.P.Holdren等在《人口与全球环境》这篇文章中提出了“全球环境服务”和“公共服务”的概念[3]。1977年,Westman提出了“自然的服务”概念及其价值评估问题[4]。1981年,P. R. Ehrlich等在结合“环境服务”“自然服务”等相关概念基础之上,首次提出了“生态系统服务”并被广泛认可和使用[5]。

20世纪90年代,生态系统服务价值的框架研

究日趋完善。联合国组织编写的《综合环境经济核算体系》(SEEA-1993)是对环境资产的全面核算,其中就包括林地林木资产价值。2002年,欧盟编写的《欧洲森林环境经济核算框架》是首个专门针对森林资产核算的版本,主要为解决和森林有关资产的实物量和货币价值描述[6]。2004年联合国粮农组织编写的《林业环境经济核算指南》也专门针对森林的环境经济核算框架,就如何将森林核算应用于分析部门间或产业间的相互影响而提供思路[7]。《欧洲森林环境经济核算框架》和《林业环境经济核算指南》仅对森林生态系统服务功能评估进行框架研究,就森林生态系统而言主要实现林木、林地等经济价值的核算,对生态系统的生态服务功能未进行深入研究。2005年,联合国发布的千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment,MA)是以面向决策者为目标的全球生态系统服务的评价研究[8],虽列出森林生态系统生态服务的框架和指标,但并未实际去量化核算。基于MA,英国完成对4个地区3大生态系统8种生境类型的25项生态系统服务功能的评估,但对部分指标只进行定性的描述,能够量化的生态系统服务指标有限[9]。SEEA-2012专门针对生态系统及其服务的核算方法,特别编制《SEEA试验性生态系统核算》[10],其核算框架主要包含揭示生态系统及生态系统服务。R. Costanza等于1997年首次对全球生物圈生态系统服务价值进行分类和评估[11],逐项估计不同生态系统类型的各项服务功能价值,为森林生态系统服务评估提供可参考的方法,推动大尺度森林生态系统服务及其价值评估的研究与应用。此外,日本专门针对森林,完成了3次生态系统效益评估[12]。

1.2国内外森林生态系统服务功能研究中的主要问题及热点

从国内外的研究发现,森林生态系统服务功能研究体系框架已相对完善;但还没有一套独立的森林生态系统服务功能评估体系,评估指标难以获取和量化一直是困扰评估工作的主要因素。中国在这一方面的研究尽管起步较晚,但已步入世界领先行列。王兵[13]在借鉴国内外森林生态系统服务研究成果基础上,结合中国国情和林情,提出一套森林生态系统服务评估技术体系——森林生态连清体系,弥补了这一领域的空白。这一体系巧妙地将中国森林资源清查体系和CFERN有机结合在一起,通过森林资源清查体系直接获取森林资源信息,通过CFERN生态站获取生态系统结构、功能之间、生态过程及功能发挥间的机制及参数[14]。框架化、过程化、节点化的指标选取,不但使评估效果更加科学和稳定,还使评估具备实时监控的功能。对参数获取途径、方法、过程的标准化建设,实现效益评估的可比性及多尺度评估转化的可能性。经过多年实践应用,这一评估体系得到了国内外同行专家的首肯,被国家林业局采纳及推广,应用到多项国家重点工程(如退耕还林工程)及省、市森林生态系统服务功能评估工作中,为世界各国森林生态系统服务功能评估研究提供典型案例,为生态系统服务功能评估进一步深入研究提供了重要参考。

2中国森林生态连清体系特征分析

2.1评估技术体系的构建

森林生态连清体系是森林生态系统服务全指标体系连续观测与定期清查的简称,指以生态地理区划为单位,依托CFERN生态站,采用长期定位观测技术和分布式测算方法,定期对森林生态效益进行全指标体系观测与清查[13]。森林生态连清体系与国家森林资源连续清查相耦合,评估一定时期内森林生态系统服务功能及动态变化。森林生态连清体系由野外观测体系和分布式测算评估体系2部分组成(图1[13]),其中野外观测体系是海量数据提供的保证;分布式测算方法保证评估的精确性,同时解决森林生态系统服务评估中不同尺度间的转化难题。相比目前国内外森林生态系统服务研究体系框架中生态研究和经济核算的相对独立,森林生态连清体系将森林资源清查、生态参数观测调查、指标体系和价值评估方法集于一套框架中,即通过合理布局来实现评估区域森林生态系统特征的代表性,又通过标准体系来规范从观测、分析、测算评估等各阶段工作。这一套体系是在耦合森林资源数据、生态学参数和社会经济价格数据的基础上,在统一规范的框架下完成对森林生态系统服务功能的评估。

图1 森林生态连清技术体系Fig.1 System of ecological continuous inventory technology

2.2标准体系的制定和评估指标的选取

2.2.1标准体系的制定通过对森林生态系统定位观测和生态系统服务评估的研究,制订从森林生态站建设、观测指标、观测方法到数据管理、应用等系列标准,构建科学合理的标准体系,提升我国森林生态系统服务评估的水平。野外观测方面,2003年我国发布LY/T 1606—2003《森林生态系统定位观测指标体系》[15],随后陆续以行业标准文件形式规范了寒温带、暖温带、热带、干旱半干旱区的观测指标体系[16-19]。森林生态系统服务评估方面,国家林业局于2008年发布LY/T1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》[20],之后又专门针对森林生物多样性评估制定LY/T 2241—2014《森林生态系统生物多样性监测与评估规范》[21]。为使评估指标体系化、过程化、节点化,王兵等[23]参与制定LY/T 1952—2011《森林生态系统长期定位观测方法》。这一标准打破以往以单个指标或类别指标的标准制定方法,为森林生态系统结构、过程及功能间相互关系研究提供科学依据,使森林生态系统服务功能评估指标向标准化、动态化、科学化推进了一大步。

2.2.2指标体系的选取森林生态连清体系在评估指标选择中,克服以往间断性、独立性评估指标的选取方法,更加注重系统性、过程性和节点性,最终选取8大类14项评估指标(表1[13]),基本涵盖中国森林生态系统服务类型。

生态系统服务功能研究践中指标的选取往往主观性较大,这是国内外评估指标选取中共同存在的问题。R. Costanza等[11]在评估全球生态系统服务价值时,所涉及的17个指标按照生态系统类型和生境进行划分。MA首先将生态系统服务分为供给服务、调解服务、文化服务和支持服务4大类型,每一类又包含多项二级指标,该指标体系被SEEA、英国等多个组织和国家所采用;但其中有相当一部分的指标由于当前技术手段的限制无法进行评估,只能定性描述。日本在最新一次森林公益机能价值评估时,采用8项指标,对于无法评估的指标并未列出。中国在进行国家尺度森林生态系统服务评估时所采用的指标体系类似于日本,列出8大类14项。与国外指标体系相比,中国森林生态系统服务指标体系没有按照供给、调节、文化、支持4种类型划分,而是按照涵养水源、保育土壤等功能大类,然后再分二级指标评估;在名称和含义上也与国外的有所区别,例如森林涵养水源指标包括调节水量和净化水质,而日本则分为缓和洪水、蓄水和净化水质3类。此外,中国森林生态系统服务评估指标不包含食物、薪材等传统概念上的供给服务,这样避免与森林资产核算工作中重复计算的问题,更重要的是这些指标进一步体现了森林的重要性。

表1 中国森林生态系统服务功能评估指标

2.3评估方法

中国森林生态系统服务的测算评估是一项非常庞大、复杂的系统工程,因此森林生态连清体系引入分布式测算方法[23-24]:依次将中国森林生态系统按照行政区、优势树种组、起源、林龄划分为相对均质化的单元进行评估(图2[13])。分布式测算虽然已经将测算单元尽量分隔均质化;但在实际野外观测中,为得到无法实地观测到的生态学参数,引入森林生态功能修正系数,通过计算林分生物量和实测林分生物量的比值,评估森林的生态质量状况及生态功能的变化。评估指标计算方面也在逐渐进步和完善:如通过增加濒危指数、特有种指数以及古树年龄指数对生物多样性保护价值评估进行修正,客观地体现出某些特定物种在特定环境中的特殊价值;又如碳汇价值评估中要求采用初级净生产力实测(NPP)法,这种方法不仅技术简单,而且避免系统误差和人为误差,实现精确测算;同时还克服材积源生物量(BEF)法由于模型影响因子考虑过于简单且样本数量较少、净生态系统碳交换(NEE)法受限于地形和数据处理技术、遥感法对森林的垂直结构难以估计而无法精确测算的弊端。针对物质量向价值量转化又提出“等效替代法则”和“权重当量平衡”2条原则,认为森林生态系统服务价值转换不仅仅从经济学和商品市场角度入手,更要等效于生态系统服务产生原理和过程,根据不同评价对象的特点,权衡各项服务之间的比例关系,反映森林生态系统实际情况,这又将生态系统服务价值评估工作向前推进一大步。

3森林生态连清体系的实践与应用

3.1国家层面森林生态系统服务评估

基于第7次全国森林资源清查数据,利用森林生态连清体系对我国森林生态系统服务评估得出,森林生态系统每年能够提供价值10.01万亿元的服务[25]。在进一步改进和完善评估方法,丰富野外观测数据的基础上,基于第8次全国森林资源清查结果评估出我国森林生态系统平均每年提供的主要生态服务价值12.68万亿元[26],首次从国家层面连续反映森林生态系统服务价值。森林生态系统的涵养水源功能相当于一座天然的“绿色水库”;固碳过程发挥着“碳库”作用;通过净化大气环境,将空气中的颗粒物吸附滞纳,成为一座“滞尘库”;对生物多样性的保护如同良好的“基因库”。以我国中西部地区省份为例,森林生态系统服务“四库”示意图(图3~6)形象化、数据化地将森林生态系统与民生紧密相连,为完善我国国民经济核算体系和编制自然资源资产负债表提供重要参考。

图2 森林生态系统服务评估分布式测算方法Fig.2 Distributed measurement method of evaluation for forest ecosystem services

3.2重大林业工程及省级层面森林生态系统服务评估

国家重大林业工程方面,2014年国家林业局通过生态连清体系对我国退耕还林工程6个重点监测省份退耕还林工程生态效益进行评估,得出价值量总和为4 502.39亿元/a[27],已超过政府对工程的总投资。2015年对我国长江、黄河中上游流经省份退耕还林工程生态效益进行评估。分别得出2条大河流经省份退耕还林工程每年的生态效益总价值达10 071.50亿元,流域地区的生态系统服务价值为8 503.58亿元/a[28]。长江、黄河中上游流经省份退耕还林各功能生态效益价值之间比例以及各评估省份退耕地还林模式各功能生态效益价值比例分别如图7和图8所示,直观的展现出退耕还林工程所发挥的各种生态效益。

此外,还利用该套评估技术体系进行多个省份森林生态系生态统服务评估[29-34],例如广东省森林生态系生态统服务总价值为7 263.01亿元/a,黑龙江省森林生态系统生态服务总价值为12 684.04亿元/a,吉林省森林生态系统生态服务总价值为5 934.49亿元/a等。这些评估结果都在本地区林业经营管理、政策规划制定等方面起到

重要参考作用。

4结论与展望

森林生态连清体系是中国森林生态系统服务评估在多年的实践中探索出的一套完整的生态效益评估理论方法体系。该体系指标明确、标准完备,先后已完成不同尺度的森林生态系统服务评估的任务。森林生态连清体系中的分布式测算方法的应用、定位观测和评估标准体系的全面制定、评估模型的修正和完善以及通过生态站连续观测数据对生态参数的纠偏,使各指标生态参数得以实时更新,使评估结果更加准确、科学和实用,实现森林生态系统服务功能连续监测和评估。森林生态连清体系得到学术界普遍认可,且达成高度共识,也被国家相关部门广泛推广应用,已成为多层面国家政策、计划和规划制定的重要参考依据。中国森林空间跨度大,森林生态系统多样性十分复杂,对大尺度森林生态系统生态服务功能的科学评估,是一项极其复杂而又巨大的工程。为更深入地推进这一工作,今后应加强以下几方面的研究:首先,依托森林生态站,开展全面系统的生态系统定位观测,加强基础研究,紧密集合大数据理论和物联网技术,实现效益监测的自动化、实时化;其次,将生态产品和经济价格合理的对接,将潜在价值转变为现实价值,非市场价值转变为市场价值,形成一套普遍认可的理论体系;第三,开展生态系统功能向生态系统服务转化的研究;第四,推进将生态系统服务价值评估结果纳入国民经济核算体系,促使“生态GDP”和“生态补偿制度”的实施。

图3 森林生态系统“绿色水库”示意图Fig.3 Schematic diagram of forest ecosystem as “green reservoir”

图4 森林生态系统“碳库”示意图Fig.4 Schematic diagram of forest ecosystem as “carbon sink”

图5 森林生态系统“滞尘库”示意图Fig.5 Schematic diagram of forest ecosystem as “dust bank”

图6 森林生态系统生物多样性保护“基因库”示意图Fig.6 Schematic diagram of forest ecosystem as “biodiversity conservation gene bank”

图7 长江、黄河中上游流经省份退耕还林各功能生态效益价值比例Fig.7 Value proportion of each ecological function benefit of grain for green for the provinces through which the upper and middle of Yangtze River and Yellow River flows

图8 省级尺度退耕地还林各功能生态效益价值比例Fig.8 Value proportion of each ecological function benefit of grain for green on provincial scale

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(责任编辑:程云郭雪芳)

Practice of theory of ecological continuous inventory system in the evaluation of forest ecosystem service function

Wang Bing

(Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration, 100091, Beijing, China)

Abstract:[Background] Ecosystem service function is formed by ecosystem, ecological process, environment condition and utility to maintain the survival of humans, benefits that human beings can obtain from the ecological system, and the well-being they enjoy. Based on the domestic and international systematic analysis of ecosystem services foundation assessment researches, we analyzed the hot and difficult problems of it, introduced the latest research achievements in the field of the study. This paper pointed out that current international ecosystem services function research has been relatively well developed, but there is still a lack of system regarding forest ecosystem service function evaluation. Quantitative gain of evaluation indexes is always a main factor of perplexing the evaluation work. Creating and perfecting the technology of continuous observation and periodical inventory of complete index system of forest ecosystem services, filled the gap of this issue. [Methods] This system will be able to be a combination of national forest resources inventory and Chinese forest ecosystem research network (CFERN). By achieving forest resource information through forest resource inventory and mechanisms as well as parameters of ecosystem processes from research stations of CFERN, the system realized scientific evaluation of forest ecosystem service function. By means of correcting ecological parameters during the continuous observation in forest research stations, the ecological parameters in each evaluation indicator are updated, and thus the system of forest ecological continuous inventory has the function of continuous monitoring in the evaluation of forest ecosystem service function. The standardized construction of approach of achieving, methods and process of the parameters realizes comparability of the benefit of forest ecosystem service function evaluation and the possibility of multi-scale transformation. The technology of continuous observation and inventory of complete index system of forest ecosystem services consists of two subsystems: continuous investigation of field observation and distributed measurement evaluation. The former ensures the data of ecology continuous investigation system, and its basic requirement is unified measure and metering describing; the latter is precision guarantee system, and is the key of solving the assessment and scale transformation of forest ecosystem diversity. Comprehensive formulated positioning observation and evaluation criteria of the forest ecology continuous investigation evaluation system, revision and consummation of the evaluation model, and rectification of ecological parameters through the forest ecological station continuous observation, make the real-time updating of the index process ecological parameters feasible, and realize continuous monitoring and evaluation of the forest ecosystem service function. [Results & conculsions] Currently this system has been widely applied at national, provincial and regional scales as well as in forestry key projects and promoted the researches on forest ecosystem service function evaluation. More importantly, the system will also provide data supports for forest management and conservation, forest water and soil conservation evaluation and ecological restoration. By the end of the article, respectively the future development of ecosystem services from four aspects are pointed out: the research of mechanism and the application of data management, valued scientific implementation, transformation from ecosystem function to ecosystem services and the application of evaluation results in the national policy.

Keywords:forest ecosystem; ecosystem services function; ecological continuous inventory system; complete index system; continuous observation; periodical inventory; service value; technology system

收稿日期:2015-11-16修回日期: 2016-01-12

作者简介:王兵(1965—),男,博士,研究员。主要研究方向:森林生态系统关键过程长期观测与模拟。E-mail:wangbing@caf.ac.cn

中图分类号:S718.5

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)01-0001-11

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.001

项目名称: 林业公益性行业科研专项“森林生态服务功能分布式定位观测与模型模拟”(201204101);林业公益性行业科研专项“东北森林生态要素全指标体系观测技术研究”(201404303)

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