湖南省国家级公益林生态效益监测与评价研究
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摘要
国家级公益林对国土生态安全、生物多样性保护和经济社会可持续发展具有重要作用。根据湖南省国家级公益林的分布格局与森林类型等基本特征,选取江河源头、江河两岸、大型水库、国家级自然保护区等四种生态区位的国家级公益林为研究对象,以生态学、林学、土壤学、生态经济学等多学科理论为指导,运用森林生态野外观测、试验分析、统计分析与基于层次分析法的综合评价等方法,对其水源涵养、固土保肥、固碳释氧、生物多样性及林木营养物质积累等主要生态效益进行了连续4年(2007～2010年)的定位监测,并运用实测数据对其进行计量,在此基础上对湖南省国家级公益林生态效益进行了综合评价,主要研究结果如下：
(1)连续4年对国家级公益林生态效益监测结果表明：
①公益林土壤水源涵养效益：江河源头型为411.13～489.07t·hm-2,江河两岸型为423.68～460.51t·hm-2,大型水库型为311.06～436.38t·hm-2,国家级自然保护区型为273.70～354.53t.hm2。
②公益林固土保肥效益：土壤肥力指标含量表现为有机质>全K>全N>全P,且有机质含量占到80%以上,土壤有机质含量随土壤深度增加而减小,平均含量25.08-34.32g·kg～1,0～15cm范围含量为41.40～55.10g·kg-1,15～30cm范围含量为21.94～39.43g·kg-1,30-45cm范围含量为9.16～11.90g·kg-1；全K含量随土壤深度增加而增加,平均含量3.08～4.34g·kg-1；全N随土壤深度增加而减小,平均含量1.28～2.39g·kg-1,全P随土壤深度增加而减小,平均含量0.26～0.46g·kg-1。
③固碳释氧效益：阔叶混交林固碳效益为1.87～7.45t·hm-2,其中马尾松林固碳效益为3.09t·hm-2,杉木林固碳效益为0.99-3.16t·hm-2；植被释氧效益为2.62～20.11t·hm-2,其中阔叶混交林释氧效益为5.04～20.11t·hm-2,马尾松林释氧效益为2.62～4.98t·hm-2,杉木林释氧效益为2.68～8.52t·hm2。公益林生态系统固碳释氧效益由于植被类型的不同存在一定差异,土壤固碳效益明显大于非公益林植被固碳效益。
④林木营养物质积累效益：公益林乔木树种各器官中,树叶营养元素(N、P、K、Ca、Mg)含量最高,叶中5种元素平均含量为0.598%～0.923%,树干营养元素含量最低,树干中5种元素平均含量为0.079%～0.151%。营养元素总积累量为48.92～174.31kg·hm-2,阔叶混交林营养物质年平均积累量为75.08～174.31kg·hm-2马尾松林为48.92kg·hm-2,杉木林为55.77～89.36kg·hm-2。
⑤生物多样性保护效益：从Margalef指数、Simpson指数及Shannon-Wiener指数对公益林乔木及灌草多样性水平进行分析,由于样地森林类型差异较大,乔木多样性水平差异也较大。
(2)四种生态区位类型国家级公益林2010年的生态效益物质量和价值量计量结果表明：
①林木营养物质积累量：大型水库型公益林为115.04kg·hm-2、国家级自然保护区型公益林为81.54kg·hm-2、江河源头型公益林为75.08kg·hm-2、江河两岸型公益林为64.14kg·hn-2。其对应的价值量分别为：1079.46元·hm-2、717.52元·hm-2、1262.40元·hm-2、561.56元·hm-2。
②水源涵养效益物质量：江河源头型为539.79t·hm-2、江河两岸型为515.45t·hm-2、大型水库型为411.28t·hm-2、国家级自然保护区型为379.55t·hm-2。其对应的价值量分别为：4156.38元·hm-2、3968.97元·hm-2、3166.86元·hm-2、2922.54元·hm-2。
③固土效益物质量：江河源头型为44.96t·hm-2、大型水库型为43.35t·hm-2、国家级自然保护区型为42.23t·hm-2、江河两岸型为42.10t·hm-2。保肥效益物质量表现为：国家级自然保护区为40.05g·kg-1、江河源头型为38.73g·kg-1、大型水库型为37.06g·kg-1、江河两岸型为33.97g·kg-1。固土保肥效益总价值为：大型水库型公益林为3063.46元·hm-2、江河源头型为2964.42元·hm-2、国家级自然保护区型为2902.80元·hm-2、江河两岸型为2859.40元·hm-2。
④固碳释氧量：大型水库型为56.59t·hm-2、江河源头型为50.22t·hm-2、国家级自然保护区型为43.78t·hm-2、江河两岸型公益林为42.18t·hm-2。其对应的价值量分别为：18918.05元·hm-2、13807.08元·hm-2、14555.95元·hm-2、12283.88元·hm-2。
⑤生物多样性保护效益价值表现为：江河源头型公益林10000元·hm-2、大型水库型公益林8000元·hm-2、国家级自然保护区型公益林7000元·hm-2、江河两岸型公益林5500元·hm-2。
(3)国家级公益林2007～2010年生态效益的动态监测结果表明：
①水源涵养效益总体呈增大趋势,2007年水源涵养量为320.73～434.81t·hm-2,2010年为362.20～513.91t·hm-2,江河源头型和国家级自然保护区型公益林受冰雪灾害影响,其水源涵养效益2008年出现波动现象。
②固土保肥效益均表现出随年度增大趋势,江河源头型公益林固土保肥效益2007年为36.57g·kg-1,2010年为38.12g·kg-1；江河两岸型公益林2007年为32.43g·kg-1,2010年为34.28g·kg-1；大型水库型2007年为34.56g·kg-1,2010年为36.77g·kg-1；国家级自然保护区型2007年为37.86g·kg-1,2010年为39.65g·kg-1。
③林木生物量随时间均呈增加趋势,但由于各年林木生长快慢不同,生物量增加幅度存在一定差异,使固碳释氧效益动态变化规律不明显,江河源头型公益林固碳释氧效益随年度从10.79t·hm-2,增加到10.92t·hm-2,再减小到10.29t·hm-2；江河两岸型公益林固碳释氧效益随年度从7.36t·hm-2,先减小到5.25t.hm-2,随后又增加到7.63t·hm-2；大型水库型公益林固碳释氧效益随年度从11.31t·hm-2增大到16.54t·hm-2；国家级自然保护区型公益林固碳释氧效益随年度从6.35t·hm-2,一直增加到11.26t·hm-2。
④不同生态区位类型公益林Shannon-Wiener指数从2007年到2010年呈上升趋势,表明公益林建设的生物多样性保护效益在逐步增强。
(4)国家级公益林与非公益林生态效益比较研究结果表明：
四大生态区位国家级公益林土壤有机质平均为30.55%,略小于全省公益林土壤有机质平均值(31.22g·kg-1),而大于非公益林(27.86g·kg-1),全N、全P、全K含量均高于全省公益林与非公益林的平均值。四大生态区位国家级公益林年平均固碳释氧量为9.92t·hm-2,是全省森林生态系统年固碳释氧量6.69t·hm-2的1.48倍；林木营养元素N、P、K的年平均积累量分别为25.87kg·hm-2、3.24kg·hm-2、21.17kg·km-2,分别是全省森林林木营养元素N、P、K积累量(分别为14.68kg·hm-2、2.95kg·hm-2、9.13kg·hm-2)的1.76、0.90和2.32倍。湖南省四大生态区位国家级公益林单位面积水源涵养效益为1873.10t～hm-2,是全省主要森林类型水源涵养效益的0.54～0.59倍。
(5)湖南省国家级公益林生态效益综合评价结果表明：
不同生态区位公益林综合生态效益贡献度存在一定的差异性,表现为：江河源头型>国家级自然保护区型>江河两岸型>大型水库型。
单项生态效益评价中：水源涵养效益在四种生态区位类型的排序依次是江河源头型>江河两岸型>大型水库型>国家自然保护区型；固土保肥效益在四种生态区位类型的排序依次是大型水库型>江河源头型>国家自然保护区型>江河两岸型；固碳释氧效益在四种生态区位类型的排序依次是大型水库型>国家自然保护区型>江河源头型>江河两岸型；林木营养物质积累效益在四种生态区位类型的排序依次是江河源头型>大型水库型>国家自然保护区型>江河两岸型；生物多样性保护效益在四种生态区位类型的排序依次是国家级自然保护区型>江河源头型>大型水库型>江河两岸型。
该研究成果为进一步完善国家级公益林生态补偿制度建立补偿机制提供了基础数据,可以作为政府及相关部门制定公益林提质改造、充分发挥公益林多功能效益等决策的理论依据。
National non-commercial forest plays crucial role to the land ecological security, biodiversity protection and the sustainable development of the economy and society. According to the layout and forest types in Hunan Province, four types of national non-commercial forest are taken into consideration in this dissertation exemplified by the source of Li River, the banks of Xiang River, the Dongjiang Reservoir in Chen Zhou in combination with the important wetlands in Hunan, and lastly the National Nature Reserve. Based on the disciplines and theories of ecology, forestry, soil science, and ecological economics, the purposes of the paper are to explore the water conservation, soil fixing and fertilizer protecting, carbon fixing and oxygen releasing, ecological diversity and the nutrition matter accumulation in these areas mentioned above. The methods adopted in the study are the forest ecological field observation, test analysis, statistical analysis and analytic hierarchy process (ahp) based on the comprehensive evaluation. After4consecutive years (2007-2010) research by positioning monitoring, measurement and evaluation of the ecological benefit, the main results are as follows:
(1) The ecological benefit monitoring and test results about Hunan national non-commercial forest are:
①Water conservation benefit:The river-source type is411.13～489.07t·hm-2, the river-bank type is423.68～460.51t·hm-2, important wetlands with large reservoir type is311.06～436.38t·hm-2, and National Nature Reserve type is273.70～354.53t·hm-2.
②Soil fixing and fertilizer protecting are as follows:organic matter> all K> all N> all P, organic content account for more than80%, with soil depth increases,the soil organic matter content decreases, and the average content of25.08～34.32g·kg-1,0～15cm range content is41.40～55.10g·kg-1, to30cm range content is21.94-39.43g·kg-1,30to45cm range content is9.16～11.90g·kg-1; All K content with soil depth increasing, it also increased, the average content of3.08～4.34g·kg-1; With soil depth increasing; All N decreases, and the average content of1.28～2.39g·kg-1, with soil depth increasing, all P decreases, and the average content of0.26～0.46g·kg-1.
②The carbon fixing and oxygen releasing benefit:solid carbon benefit about broadleaf mixed forest as6.76～10.19t·hm-2, horsetail pine solid carbon benefit as the3.09t·hm-2, fir LinGu carbon benefit as4.32～5.75t·hm-2; Non-commercial forest vegetation and releasing oxygen benefit as8.34～27.52t·hm-2, the broadleaf mixed forest and releasing oxygen benefit as18.25～27.52t·hm-2, horsetail pine forest and releasing oxygen benefit as the8.34t·hm-2, fir forest and releasing oxygen benefit as11.66～15.52t·hm-2. Because of different vegetation types of the non-commercial forest ecological system there are some differences in fixing carbon and oxygen releasing. Therefore the non-commercial forest has significantly better performance than the commercial.
④The nutrition matter accumulation benefit:of the non-commercial forest tree species, different organs have different nutrition element contents. Leaves get the highest content of the elements (N, P, K, Ca, Mg), and the average content is0.598%～0.923%; while the trunk gets the minimum nutrient element content, and the average content is0.079%～0.151%. The average annual accumulation about broadleaf mixed forest nutrients is127.69～170.95kg·hm-2, The average annual accumulation about horsetail pine forest nutrients is75.47kg·hm-2, The average annual accumulation about fir forest nutrients is124.82～140.07kg·hm-2.
⑤The ecological diversity protection:from the analysis of Margalef index, Simpson index and Shannon-Wiener index of forest tree and shrub and herb diversity level, it was found that diversity level of the arbor forest increases with the difference of the forest types.
(2) The2010ecological benefit quality and the interest statistics of the four ecological niche types of the national non-commercial forest show the following:
①Nutrient accumulation:important wetland forest and large reservoir forest is115.04kg·hm-2, National Nature Reserve-forest is81.54kg·hm-2, the river-source type forest is75.08kg·hm-2, the river type forest for64.14kg·hm-2. The corresponding values are as follows:1079.46yuan·hm-2,717.52yuan·hm-2,1262.40yuan·hm-2,561.56yuan·hm-2.
②The water conservation benefit of quality:the river-source type is539.79t·hm-2,the river banks is515.45t·hm-2, important wetlands and large reservoir type is 411.28t·hm-2, and the National Nature Reserve is379.55t·hm-2. The corresponding values are as follows:4156.38yuan·hm-2,3968.97yuan·hm-2,3166.86yuan·hm-2,2922.54yuan·hm-2.
③The soil quality benefits:the river-source type is44.96t·hm-2, the river banks type is42.10t·hm-2, important wetlands and large reservoir type is43.35t·hm-2, and the National Nature Reserve for42.23t·hm-2. Quality performance and fertilizer benefit is:the National Nature Reserve is40.05g·kg-1, the river-source is type38.73g·kg-1, important wetlands and large reservoir type is37.06g·kg-1, and the river type is33.97g·kg-1. Soil conservation benefit the total value:important wetlands and large reservoir forest is3063.46yuan·hm-2, the river-source type is2964.42yuan·hm-2, the National Nature Reserve is2902.80yuan·hm-2, and the river type is2859.40yuan·hm-2.
④The carbon fixing and oxygen releasing:important wetlands and large reservoir type is58.64t·hm-2, the river-source type is54.00t·hm-2, the National Nature Reserve is52.82t·hm-2, and the river type forest is44.81t·hm-2. The corresponding values are as follows:16760.38yuan·hm-2,15968.95yuan·hm-2,15423.05yuan·hm-2,12610.87yuan·hm-2.
⑤The biodiversity protection benefit value shows:the river-source type forest10000is yuan·hm-2, important wetlands and large reservoir forest is8000yuan·hm-2, the National Nature Reserve forest is7000yuan·hm-2, and the river banks type Forest is5500yuan·hm-2.
(3) The2007～2010dynamic monitoring results of the ecological benefit of the non-commercial forest show the following:
①Overall, the water conservation benefit showed an increasing tendency. In2007, the water conservation was320.73～434.81t·hm-2, in2010,362.20-513.91t·hm-2. Due to the ice and snow disasters, the2008water conservation benefits of the river-source and the National Nature Reserve appeared fluctuation phenomena.
②The soil conservation benefit all showed increasing trend with the year. The river-source type forest soil conservation benefits in2007was36.57g·kg-1, in2010was38.12g·kg-1; the river banks type forest in2007was32.43g·kg-1, in2010was34.28g·kg-1; important wetlands and large reservoir in2007was34.56g·kg-1, in 2010was36.77g·kg-1; and the National Nature Reserve type in2007was37.86g-kg"!, while in2010it was2007years for39.65g·kg-1.
③The tree biomass increased over time, while the biomass increased differently in amplitude because of the different speed of annual tree growth so that the carbon fixing and oxygen releasing variation of dynamic benefit is not obvious, the river-source type forest varies with the annual value of10.79t·hm-2, increased to10.92t·hm-2, and then decrease to10.29t·hm-2; the river banks type forest with the annual value from7.36t·hm-2, decreased to5.25t·hm-2, then increased to7.63t·hm-2; important wetlands and large reservoir forest with the annual value from11.31t·hm-2to16.54t·hm-2; and the National Nature Reserve type forest with the annual value increased from6.35t·hm-2to11.26t·hm-2.
④Different ecological type of non-commercial forests Shannon-Wiener index upward trend from2007to2010, shows that the construction of non-commercial forest biodiversity conservation benefits are increasing.
(4) Comparison of the ecological benefits between the national non-commercial forests and the commercial forests show the following:
The average soil organic matter of the selected four ecological location national non-commercial forest is30.55%, slightly less than the average values (31.22g, kg-1)organic matter in province-wide non-commercial forest, but larger than that of the commercial forest(27.86g·kg-1), the average value of total N, total P, total K content were higher than other non-commercial and commercial forests in Hunan Province. For the four selected ecological niches, the average annual carbon fixing and oxygen releasing is9.92t·hm-2, which is1.48times higher than that of the province's forest ecosystems with the value of6.69t·hm-2; forest nutrient elements N, P, K average annual accumulation were25.87kg·hm-2,3.24kg·hm-2,21.17kg·hm-2, respectively, which is3.20,1.77and4.12times higher than the respective province's forest nutrient elements N, P, K accumulation (14.68kg·hm-2,2.95kg·hm-29.13kg·hm-2). The water conservation benefit per unit the selected four ecological niches is1873.10t·hm-2, which is0.54-0.59times of the main forest types in Hunan Province.
(5) The comprehensive evaluation of ecological benefits of national non-commercial forest in Hunan province:
Different degrees of comprehensive ecological benefit of non-commercial forest in the region contribute certain differences, i.e. rivers-source type> National Nature Reserve type> river-bank type> important wetlands and large reservoirs type.
In the individual ecological benefits evaluation:the sequence of water conservation benefits in four species ecological niches type is river-source type> river-bank type> important wetland type> National Nature Reserve type; The sequence of solid soil insurance fertilizer benefits in four species ecological location type is important wetland type> river-source type> National Nature Reserve type> river-bank type; The sequence of solid carbon fixing and oxygen releasing benefits in four species ecological location type is important wetland type> National Nature Reserve type> river-source type> river-bank type; The sequence of nutrients accumulated benefits ecological niches of in four types is the river-source type>important wetland type> National Nature Reserve type> river-bank type.
The research results provide basic data to further improve the level of forest ecological compensation system of the state compensation mechanism, it also has attempted to establish theoretical basis for the government and relevant departments in multifunctional benefits forest decision-making, in forest reforming for the public welfare.
(1)连续4年对国家级公益林生态效益监测结果表明：
①公益林土壤水源涵养效益：江河源头型为411.13～489.07t·hm-2,江河两岸型为423.68～460.51t·hm-2,大型水库型为311.06～436.38t·hm-2,国家级自然保护区型为273.70～354.53t.hm2。
②公益林固土保肥效益：土壤肥力指标含量表现为有机质>全K>全N>全P,且有机质含量占到80%以上,土壤有机质含量随土壤深度增加而减小,平均含量25.08-34.32g·kg～1,0～15cm范围含量为41.40～55.10g·kg-1,15～30cm范围含量为21.94～39.43g·kg-1,30-45cm范围含量为9.16～11.90g·kg-1；全K含量随土壤深度增加而增加,平均含量3.08～4.34g·kg-1；全N随土壤深度增加而减小,平均含量1.28～2.39g·kg-1,全P随土壤深度增加而减小,平均含量0.26～0.46g·kg-1。
③固碳释氧效益：阔叶混交林固碳效益为1.87～7.45t·hm-2,其中马尾松林固碳效益为3.09t·hm-2,杉木林固碳效益为0.99-3.16t·hm-2；植被释氧效益为2.62～20.11t·hm-2,其中阔叶混交林释氧效益为5.04～20.11t·hm-2,马尾松林释氧效益为2.62～4.98t·hm-2,杉木林释氧效益为2.68～8.52t·hm2。公益林生态系统固碳释氧效益由于植被类型的不同存在一定差异,土壤固碳效益明显大于非公益林植被固碳效益。
④林木营养物质积累效益：公益林乔木树种各器官中,树叶营养元素(N、P、K、Ca、Mg)含量最高,叶中5种元素平均含量为0.598%～0.923%,树干营养元素含量最低,树干中5种元素平均含量为0.079%～0.151%。营养元素总积累量为48.92～174.31kg·hm-2,阔叶混交林营养物质年平均积累量为75.08～174.31kg·hm-2马尾松林为48.92kg·hm-2,杉木林为55.77～89.36kg·hm-2。
⑤生物多样性保护效益：从Margalef指数、Simpson指数及Shannon-Wiener指数对公益林乔木及灌草多样性水平进行分析,由于样地森林类型差异较大,乔木多样性水平差异也较大。
(2)四种生态区位类型国家级公益林2010年的生态效益物质量和价值量计量结果表明：
①林木营养物质积累量：大型水库型公益林为115.04kg·hm-2、国家级自然保护区型公益林为81.54kg·hm-2、江河源头型公益林为75.08kg·hm-2、江河两岸型公益林为64.14kg·hn-2。其对应的价值量分别为：1079.46元·hm-2、717.52元·hm-2、1262.40元·hm-2、561.56元·hm-2。
②水源涵养效益物质量：江河源头型为539.79t·hm-2、江河两岸型为515.45t·hm-2、大型水库型为411.28t·hm-2、国家级自然保护区型为379.55t·hm-2。其对应的价值量分别为：4156.38元·hm-2、3968.97元·hm-2、3166.86元·hm-2、2922.54元·hm-2。
③固土效益物质量：江河源头型为44.96t·hm-2、大型水库型为43.35t·hm-2、国家级自然保护区型为42.23t·hm-2、江河两岸型为42.10t·hm-2。保肥效益物质量表现为：国家级自然保护区为40.05g·kg-1、江河源头型为38.73g·kg-1、大型水库型为37.06g·kg-1、江河两岸型为33.97g·kg-1。固土保肥效益总价值为：大型水库型公益林为3063.46元·hm-2、江河源头型为2964.42元·hm-2、国家级自然保护区型为2902.80元·hm-2、江河两岸型为2859.40元·hm-2。
④固碳释氧量：大型水库型为56.59t·hm-2、江河源头型为50.22t·hm-2、国家级自然保护区型为43.78t·hm-2、江河两岸型公益林为42.18t·hm-2。其对应的价值量分别为：18918.05元·hm-2、13807.08元·hm-2、14555.95元·hm-2、12283.88元·hm-2。
⑤生物多样性保护效益价值表现为：江河源头型公益林10000元·hm-2、大型水库型公益林8000元·hm-2、国家级自然保护区型公益林7000元·hm-2、江河两岸型公益林5500元·hm-2。
(3)国家级公益林2007～2010年生态效益的动态监测结果表明：
①水源涵养效益总体呈增大趋势,2007年水源涵养量为320.73～434.81t·hm-2,2010年为362.20～513.91t·hm-2,江河源头型和国家级自然保护区型公益林受冰雪灾害影响,其水源涵养效益2008年出现波动现象。
②固土保肥效益均表现出随年度增大趋势,江河源头型公益林固土保肥效益2007年为36.57g·kg-1,2010年为38.12g·kg-1；江河两岸型公益林2007年为32.43g·kg-1,2010年为34.28g·kg-1；大型水库型2007年为34.56g·kg-1,2010年为36.77g·kg-1；国家级自然保护区型2007年为37.86g·kg-1,2010年为39.65g·kg-1。
③林木生物量随时间均呈增加趋势,但由于各年林木生长快慢不同,生物量增加幅度存在一定差异,使固碳释氧效益动态变化规律不明显,江河源头型公益林固碳释氧效益随年度从10.79t·hm-2,增加到10.92t·hm-2,再减小到10.29t·hm-2；江河两岸型公益林固碳释氧效益随年度从7.36t·hm-2,先减小到5.25t.hm-2,随后又增加到7.63t·hm-2；大型水库型公益林固碳释氧效益随年度从11.31t·hm-2增大到16.54t·hm-2；国家级自然保护区型公益林固碳释氧效益随年度从6.35t·hm-2,一直增加到11.26t·hm-2。
④不同生态区位类型公益林Shannon-Wiener指数从2007年到2010年呈上升趋势,表明公益林建设的生物多样性保护效益在逐步增强。
(4)国家级公益林与非公益林生态效益比较研究结果表明：
四大生态区位国家级公益林土壤有机质平均为30.55%,略小于全省公益林土壤有机质平均值(31.22g·kg-1),而大于非公益林(27.86g·kg-1),全N、全P、全K含量均高于全省公益林与非公益林的平均值。四大生态区位国家级公益林年平均固碳释氧量为9.92t·hm-2,是全省森林生态系统年固碳释氧量6.69t·hm-2的1.48倍；林木营养元素N、P、K的年平均积累量分别为25.87kg·hm-2、3.24kg·hm-2、21.17kg·km-2,分别是全省森林林木营养元素N、P、K积累量(分别为14.68kg·hm-2、2.95kg·hm-2、9.13kg·hm-2)的1.76、0.90和2.32倍。湖南省四大生态区位国家级公益林单位面积水源涵养效益为1873.10t～hm-2,是全省主要森林类型水源涵养效益的0.54～0.59倍。
(5)湖南省国家级公益林生态效益综合评价结果表明：
不同生态区位公益林综合生态效益贡献度存在一定的差异性,表现为：江河源头型>国家级自然保护区型>江河两岸型>大型水库型。
单项生态效益评价中：水源涵养效益在四种生态区位类型的排序依次是江河源头型>江河两岸型>大型水库型>国家自然保护区型；固土保肥效益在四种生态区位类型的排序依次是大型水库型>江河源头型>国家自然保护区型>江河两岸型；固碳释氧效益在四种生态区位类型的排序依次是大型水库型>国家自然保护区型>江河源头型>江河两岸型；林木营养物质积累效益在四种生态区位类型的排序依次是江河源头型>大型水库型>国家自然保护区型>江河两岸型；生物多样性保护效益在四种生态区位类型的排序依次是国家级自然保护区型>江河源头型>大型水库型>江河两岸型。
该研究成果为进一步完善国家级公益林生态补偿制度建立补偿机制提供了基础数据,可以作为政府及相关部门制定公益林提质改造、充分发挥公益林多功能效益等决策的理论依据。
National non-commercial forest plays crucial role to the land ecological security, biodiversity protection and the sustainable development of the economy and society. According to the layout and forest types in Hunan Province, four types of national non-commercial forest are taken into consideration in this dissertation exemplified by the source of Li River, the banks of Xiang River, the Dongjiang Reservoir in Chen Zhou in combination with the important wetlands in Hunan, and lastly the National Nature Reserve. Based on the disciplines and theories of ecology, forestry, soil science, and ecological economics, the purposes of the paper are to explore the water conservation, soil fixing and fertilizer protecting, carbon fixing and oxygen releasing, ecological diversity and the nutrition matter accumulation in these areas mentioned above. The methods adopted in the study are the forest ecological field observation, test analysis, statistical analysis and analytic hierarchy process (ahp) based on the comprehensive evaluation. After4consecutive years (2007-2010) research by positioning monitoring, measurement and evaluation of the ecological benefit, the main results are as follows:
(1) The ecological benefit monitoring and test results about Hunan national non-commercial forest are:
①Water conservation benefit:The river-source type is411.13～489.07t·hm-2, the river-bank type is423.68～460.51t·hm-2, important wetlands with large reservoir type is311.06～436.38t·hm-2, and National Nature Reserve type is273.70～354.53t·hm-2.
②Soil fixing and fertilizer protecting are as follows:organic matter> all K> all N> all P, organic content account for more than80%, with soil depth increases,the soil organic matter content decreases, and the average content of25.08～34.32g·kg-1,0～15cm range content is41.40～55.10g·kg-1, to30cm range content is21.94-39.43g·kg-1,30to45cm range content is9.16～11.90g·kg-1; All K content with soil depth increasing, it also increased, the average content of3.08～4.34g·kg-1; With soil depth increasing; All N decreases, and the average content of1.28～2.39g·kg-1, with soil depth increasing, all P decreases, and the average content of0.26～0.46g·kg-1.
②The carbon fixing and oxygen releasing benefit:solid carbon benefit about broadleaf mixed forest as6.76～10.19t·hm-2, horsetail pine solid carbon benefit as the3.09t·hm-2, fir LinGu carbon benefit as4.32～5.75t·hm-2; Non-commercial forest vegetation and releasing oxygen benefit as8.34～27.52t·hm-2, the broadleaf mixed forest and releasing oxygen benefit as18.25～27.52t·hm-2, horsetail pine forest and releasing oxygen benefit as the8.34t·hm-2, fir forest and releasing oxygen benefit as11.66～15.52t·hm-2. Because of different vegetation types of the non-commercial forest ecological system there are some differences in fixing carbon and oxygen releasing. Therefore the non-commercial forest has significantly better performance than the commercial.
④The nutrition matter accumulation benefit:of the non-commercial forest tree species, different organs have different nutrition element contents. Leaves get the highest content of the elements (N, P, K, Ca, Mg), and the average content is0.598%～0.923%; while the trunk gets the minimum nutrient element content, and the average content is0.079%～0.151%. The average annual accumulation about broadleaf mixed forest nutrients is127.69～170.95kg·hm-2, The average annual accumulation about horsetail pine forest nutrients is75.47kg·hm-2, The average annual accumulation about fir forest nutrients is124.82～140.07kg·hm-2.
⑤The ecological diversity protection:from the analysis of Margalef index, Simpson index and Shannon-Wiener index of forest tree and shrub and herb diversity level, it was found that diversity level of the arbor forest increases with the difference of the forest types.
(2) The2010ecological benefit quality and the interest statistics of the four ecological niche types of the national non-commercial forest show the following:
①Nutrient accumulation:important wetland forest and large reservoir forest is115.04kg·hm-2, National Nature Reserve-forest is81.54kg·hm-2, the river-source type forest is75.08kg·hm-2, the river type forest for64.14kg·hm-2. The corresponding values are as follows:1079.46yuan·hm-2,717.52yuan·hm-2,1262.40yuan·hm-2,561.56yuan·hm-2.
②The water conservation benefit of quality:the river-source type is539.79t·hm-2,the river banks is515.45t·hm-2, important wetlands and large reservoir type is 411.28t·hm-2, and the National Nature Reserve is379.55t·hm-2. The corresponding values are as follows:4156.38yuan·hm-2,3968.97yuan·hm-2,3166.86yuan·hm-2,2922.54yuan·hm-2.
③The soil quality benefits:the river-source type is44.96t·hm-2, the river banks type is42.10t·hm-2, important wetlands and large reservoir type is43.35t·hm-2, and the National Nature Reserve for42.23t·hm-2. Quality performance and fertilizer benefit is:the National Nature Reserve is40.05g·kg-1, the river-source is type38.73g·kg-1, important wetlands and large reservoir type is37.06g·kg-1, and the river type is33.97g·kg-1. Soil conservation benefit the total value:important wetlands and large reservoir forest is3063.46yuan·hm-2, the river-source type is2964.42yuan·hm-2, the National Nature Reserve is2902.80yuan·hm-2, and the river type is2859.40yuan·hm-2.
④The carbon fixing and oxygen releasing:important wetlands and large reservoir type is58.64t·hm-2, the river-source type is54.00t·hm-2, the National Nature Reserve is52.82t·hm-2, and the river type forest is44.81t·hm-2. The corresponding values are as follows:16760.38yuan·hm-2,15968.95yuan·hm-2,15423.05yuan·hm-2,12610.87yuan·hm-2.
⑤The biodiversity protection benefit value shows:the river-source type forest10000is yuan·hm-2, important wetlands and large reservoir forest is8000yuan·hm-2, the National Nature Reserve forest is7000yuan·hm-2, and the river banks type Forest is5500yuan·hm-2.
(3) The2007～2010dynamic monitoring results of the ecological benefit of the non-commercial forest show the following:
①Overall, the water conservation benefit showed an increasing tendency. In2007, the water conservation was320.73～434.81t·hm-2, in2010,362.20-513.91t·hm-2. Due to the ice and snow disasters, the2008water conservation benefits of the river-source and the National Nature Reserve appeared fluctuation phenomena.
②The soil conservation benefit all showed increasing trend with the year. The river-source type forest soil conservation benefits in2007was36.57g·kg-1, in2010was38.12g·kg-1; the river banks type forest in2007was32.43g·kg-1, in2010was34.28g·kg-1; important wetlands and large reservoir in2007was34.56g·kg-1, in 2010was36.77g·kg-1; and the National Nature Reserve type in2007was37.86g-kg"!, while in2010it was2007years for39.65g·kg-1.
③The tree biomass increased over time, while the biomass increased differently in amplitude because of the different speed of annual tree growth so that the carbon fixing and oxygen releasing variation of dynamic benefit is not obvious, the river-source type forest varies with the annual value of10.79t·hm-2, increased to10.92t·hm-2, and then decrease to10.29t·hm-2; the river banks type forest with the annual value from7.36t·hm-2, decreased to5.25t·hm-2, then increased to7.63t·hm-2; important wetlands and large reservoir forest with the annual value from11.31t·hm-2to16.54t·hm-2; and the National Nature Reserve type forest with the annual value increased from6.35t·hm-2to11.26t·hm-2.
④Different ecological type of non-commercial forests Shannon-Wiener index upward trend from2007to2010, shows that the construction of non-commercial forest biodiversity conservation benefits are increasing.
(4) Comparison of the ecological benefits between the national non-commercial forests and the commercial forests show the following:
The average soil organic matter of the selected four ecological location national non-commercial forest is30.55%, slightly less than the average values (31.22g, kg-1)organic matter in province-wide non-commercial forest, but larger than that of the commercial forest(27.86g·kg-1), the average value of total N, total P, total K content were higher than other non-commercial and commercial forests in Hunan Province. For the four selected ecological niches, the average annual carbon fixing and oxygen releasing is9.92t·hm-2, which is1.48times higher than that of the province's forest ecosystems with the value of6.69t·hm-2; forest nutrient elements N, P, K average annual accumulation were25.87kg·hm-2,3.24kg·hm-2,21.17kg·hm-2, respectively, which is3.20,1.77and4.12times higher than the respective province's forest nutrient elements N, P, K accumulation (14.68kg·hm-2,2.95kg·hm-29.13kg·hm-2). The water conservation benefit per unit the selected four ecological niches is1873.10t·hm-2, which is0.54-0.59times of the main forest types in Hunan Province.
(5) The comprehensive evaluation of ecological benefits of national non-commercial forest in Hunan province:
Different degrees of comprehensive ecological benefit of non-commercial forest in the region contribute certain differences, i.e. rivers-source type> National Nature Reserve type> river-bank type> important wetlands and large reservoirs type.
In the individual ecological benefits evaluation:the sequence of water conservation benefits in four species ecological niches type is river-source type> river-bank type> important wetland type> National Nature Reserve type; The sequence of solid soil insurance fertilizer benefits in four species ecological location type is important wetland type> river-source type> National Nature Reserve type> river-bank type; The sequence of solid carbon fixing and oxygen releasing benefits in four species ecological location type is important wetland type> National Nature Reserve type> river-source type> river-bank type; The sequence of nutrients accumulated benefits ecological niches of in four types is the river-source type>important wetland type> National Nature Reserve type> river-bank type.
The research results provide basic data to further improve the level of forest ecological compensation system of the state compensation mechanism, it also has attempted to establish theoretical basis for the government and relevant departments in multifunctional benefits forest decision-making, in forest reforming for the public welfare.
引文
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