森林生态系统服务功能是森林生态系统与生态过程所形成及维持人类赖以生存的自然环境条件与效用，对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循环，维持生物物种与遗传多样性，维持大气化学的平衡与稳定具有重要作用^[1]。随着国际上对森林生态系统的研究越来越重视，不同学者从森林生态系统过程、生态系统服务功能维持及提高、生态系统经济价值等多个方面开展了大量研究^{[2, 3, 4]}。近年来，我国生态系统服务研究取得了较快进展^[5]。许多学者在借鉴国外理论与方法的基础上，探索和尝试不同方法对国家级尺度、省级尺度、区域尺度、流域尺度的不同类型森林生态系统服务及其价值评估的研究^{[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。但是，由于评估指标体系多样、评估方法不统一、评估地点不同、评估结果之间差异较大，难以彼此之间进行比较。同时，这些研究大多集中在对某一个时间点的特定区域的森林，而从时间跨度上对国家巨额投资支持的林业工程的研究更少。为此，本文以天然林资源保护工程(以下简称天保工程)为切入点，以长白山典型林业局为研究对象，评估天然林保护工程一期实施10年来对林区带来的生态系统服务功能变化，旨在为天保工程更好的实施提供参考。

研究区位于长白山林区西南麓之间的吉林省三岔子林业局，经营面积223438 hm²，森林覆盖率92.9%，具有典型的长白山植被类型特征，是长白山重点国有林区之一。从1998年天保工程开始试点，到2010年一期正式结束。研究区森林资源得到了有效保护和恢复，面积和蓄积呈现增加趋势。有林地面积从201367 hm²增加到207484 hm²蓄积从23173683 m³增加到24744445 m³。由于工程要求全面停止天然林资源商品性采伐，将采伐对象转向人工林，所以人工林的面积和蓄积呈现下降趋势，而天然林资源的面积和蓄积大幅上升(图 1)，林分质量逐渐提高，近成熟林、过熟林比例增大(图 2)。

图 1 1998年和2010年有林地面积、蓄积变化图 Fig. 1 Changes of forest area and forest growing stock in 1998,2000

图选项

图 2 1998年和2010年天然林林龄结构变化图 Fig. 2 Changes of natural forest′s forest age in 1998 and 2000

图选项

本文按照2008年国家林业局颁布《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)，分析和评价研究区森林生态系统服务功能的物质量及价值量^[14]，包括涵养水源功能、保育土壤功能、固碳释氧功能、积累营养物质功能和净化大气环境功能。

涵养水源功能是森林通过对降水的截留、吸收和下渗，对降水进行再分配，减少无效水，增加有效水。主要通过调节水量和净化水质两个指标进行评价，其中净化水量采用年调节水量公式。

(1)年调节水量指标

年调节水量公式为：

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年调节水量价值公式为：

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(2)净化水质指标

年调节水量的公式为：

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年净化水质价值：

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式中,G_调为林分年调节水量(m³/a)；U_调为林分年调节水量价值(元/a)；C_库为水库库容造价(元/m³)；U_水质为林分年净化水质价值(元/a)；K_水为水的净化费用(元/t)；P为林外降水量(mm/a)；E为林分蒸散量(mm/a)；C为地表径流量(mm/a)；A为林分面积(hm²)；10为降水量转化为t/hm的单位换算系数；

保育土壤功能是森林中凋落物层层截留降水，减少或降低水滴对土壤表层的直接冲击，有效地固持土体，降低地表径流对土壤的冲蚀，使土壤流失量大大降低。同时，森林的生长发育及其代谢产物不断对土壤长生物理及化学影响，参与土壤内部的能量转换与物质循环，提高土壤肥力，改善土壤结构的功能。主要通过森林固土和森林保肥两个指标进行评价。

(1)固土指标

林分年固土量公式为：

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年固土价值公式为：

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(2)保肥指标

年保肥量公式为：

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年保肥价值公式为：

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式中,G_固土为林分固土量(t/a)；U_固土为林分固土量价值(元/a)；U_肥为林分年保肥价值(元/a)；G_N为森林固持土壤而减少的氮流失量(t/a)；G_P为森林固持土壤而减少的磷流失量(t/a)；G_K为森林固持土壤而减少的钾流失量(t/a)；X₁为有林地土壤侵蚀模数(t hm^-2 a^-1)；X₂为无林地土壤侵蚀模数(t hm^-2 a^-1)；A为林分面积(hm²)；ρ为林地土壤容重(t/m³)；N为土壤含氮量(%)；P为土壤含磷量(%)；K为土壤含钾量(%)；R₁为磷酸二铵化肥含氮量(%)；R₂为磷酸二铵化肥含磷量(%)；R₃为氯化钾化肥含钾量(%)；C₁为磷酸二铵化肥价格(元/t)；C₂为氯化钾化肥价格(元/t)；C₃为有机质价格(元/t)。

固碳释氧功能是通过森林植被、土壤动物和微生物固定碳素、释放氧气。为此，根据光合作用化学反应公式，森林植被每积累1.0 g干物质，可以吸收1.63 g CO₂，释放1.19 g O₂。主要通过森林固碳和释氧两个指标进行评价。

(1)固碳指标

植被和土壤年固碳量公式为：

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年固碳价值计算公式为：

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(2)释氧指标

年释氧量的计算公式为：

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年释氧价值采用以下公式计算：

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式中,G_碳为年固碳量(t/a)；B_年为林分净生产力(t hm^-2 a^-1)；F_土壤碳为单位面积林分土壤年固碳量(t hm^-2 a^-1)；R_碳为CO₂中碳含量，为27.27%；A为林分面积(hm²)；U_碳为林分年固碳价值(元/aFQB)；C_碳为固碳价格(元/t)；G_氧为林分年释氧量(t/a)；U_氧为林分年释氧价值(元/aFQB)；C_氧为氧气价格(元/t)。

积累营养物质功能是森林植被在其生长过程中不断地从周围环境中吸收氮、磷、钾等营养物质，并储存在体内各器官，这些营养元素一部分通过生物地球化学循环以枯枝落叶形式归还土壤，一部分以树干淋洗和地表径流等形式流入江河湖泊，一部分以林产品形式输出生态系统，再以不同形式释放到周围环境中^[15]。为此，选用林木营养积累指标反映森林积累营养物质功能。

(1)林木营养年积累量

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(2)林木营养年积累价值

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式中,G_氮为林分固氮量(t/a)；G_磷为林分固磷量(t/a)；G_钾为林分固钾量(t/a)；N_营养为林分氮元素含量(%)；P_营养为林分磷元素含量(%)；K_营养为林分钾元素含量(%)；B_年为林分净生产力(t hm^-2 a^-1)；A为林分面积(hm²)；U_营养为林分营养物质年积累价值(元/aFQB)；R₁为磷酸二铵化肥含氮量(%)；R₂为磷酸二铵化肥含磷量(%)；R₃为氯化钾化肥含钾量(%)；C₁为磷酸二铵化肥价格(元/t)；C₂为氯化钾化肥价格(元/t)。

净化大气环境功能就是森林生态系统通过吸收、过滤、阻隔、分解等过程将大气中的有毒物质讲解和净化，从而起到净化大气的作用。为此，选取吸收二氧化硫(SO₂)、氟化物、氮氧化物和滞尘4个指标评价森林净化大气环境能力。

(1)吸收二氧化硫

年吸收二氧化硫量公式为：

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年吸收二氧化硫价值公式为：

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(2)吸收氟化物

年吸收氟化物量公式为：

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年吸收氟化物价值：

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(3)吸收氮氧化物

年吸收氮氧化物量公式为：

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年吸收氮氧化物价值公式为：

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(4)滞尘指标

年滞尘量公式为：

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年滞尘价值公式为：

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式中, G_二氧化硫为林分年吸收二氧化硫量(t/a); Q_二氧化硫为单位面积林分吸收二氧化硫量(kg hm^-2 a^-1); U_二氧化硫为林分年吸收二氧化硫价值(元/aFQB); K_二氧化硫为二氧化硫的治理费用(元/kg); G_氟化物为林分年吸收氟化物量(t/a); Q_氟化物为单位面积林分吸收氟化物量(kg hm^-2 a^-1); U_氟化物为林分年吸收氟化物价值(元/aFQB); K_氟化物为氟化物的治理费用(元/kg); G_氮氧化物为林分年吸收氮氧化物量(t/a); Q_氮氧物为单位面积林分吸收氮氧化物量(kg hm^-2 a^-1); U_氮氧化物为林分年吸收氮氧化物价值(元/aFQB); K_氮氧化物为氮氧化物的治理费用(元/kg); G_滞尘为林分年滞尘量(t/a); Q_滞尘为单位面积林分年滞尘量(kg hm^-2 a^-1); U_滞尘为林分年滞尘价值(元/aFQB); K_滞尘为降尘清理费用(元/kg); A为林分面积(hm²)。

森林生态系统服务功能总价值为各个功能指标之和，具体公式为：

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式中,U为森林生态系统服务功能年总价值(元/aFQB); U_i为森林生态系统服务功能各分项年价值(元/aFQB)。

研究区年平均降水年平均降水量为767 mm，由于长白山森林生态系统多年平均耗散水量占多年平均降水量的35%，径流系数为65%，地下径流量高达86%，直接径流量仅占14%^[16]，可以得出蒸散量和地表径流量分别为268.45 mm、69.797 mm。根据公式(1)，得出1998年和2010年，森林生态系统调节水量分别为88302.11×10⁴ m³，88959.39×10⁴ m³，增加了657.28×10⁴ m³，年均增加量达到50.56×10⁴ m³。

根据1993—1999年，《中国水利年鉴》平均水库库容造价2.17元 t/m³，2010年价格指数6.064，得出建设单位库容投资为2.17×6.064=13.16 元/t^[17]。水的净化费用(居民用水价格)：1998年全国各大中城市的居民平均用水价格平均值为0.86 元/t^[18]，2010年全国大中城市的居民用水终端价格平均值为2.6 元/t。根据公式(2)、(3)，得出1998年和2010年，调节水量价值和净化水质价值分别为26.75 亿元、140.20 亿元，增长了4.24倍。

有林地与无林地土壤侵蚀模数差值30 t hm^-2 a^-1，ρ=1.03 t/m^3[19]。根据《森林生态系统服务功能评估规范》，人工挖土方每100 m³需42个工时^[17]。1998年，每个人工每天30 元计算，获得挖取单位面积土方费用为12.60 元/m³。2010年，当前每个人工每天100元计算，获得挖取单位面积土方费用为42 元/m³。根据公式(4)、(5)计算，得到1998年和2010年，固土量分别为617.85×10⁴ t、622.45×10⁴ t，增加了4.6×10⁴ t，固土价值分别为0.76 亿元、2.54 亿元，增加了1.78 亿元。

对于保肥指标，该林分年保肥价值以年固土量中N、P、K的数量这和成磷酸二铵化肥和氯化钾化肥的价值来体现。R₁R₁=14%；R₂=15.01%；R₃R₃=50.00%^[17]；N=0.37%，P=0.108%，K=0.239%，M=3.7%^[20]。2010年，磷酸二铵价格为3020 元/t，氯化钾价格为：2650 元/t，草炭土价格为220 元/t，草炭土中含有机质62.5%，折合为有机质价格为：320 元/t。1998化肥价格均为2549 元/t^[21]，草炭土价格为180 元/t，草炭土中含有机质62.5%，折合为有机质价格为：288 元/t。根据公式(6—8)计算，得到1998年和2010年，森林固持土壤减少的氮流失量分别为2.28×10⁴ t和2.30×10⁴ t，累计减少量为0.02×10⁴ t。减少的磷流失量分别为0.67×10⁴ t和0.68×10⁴ t，累计减少量为0.01×10⁴ t。减少的钾流失量分别为1.48×10⁴ t和1.49×10⁴ t，累计减少量为0.01×10⁴ t。根据公式(9)，得到1998年和2010年保肥价值分别为6.71 亿元和7.85 亿元，增加了1.14 亿元。

植被年固碳量方面，针阔混交林、暗针叶林、明亮针叶林和阔叶林年净生产力分别为20.19、13.45、9.5、14.19 t hm^-2 a^-1[22]。土壤年固碳量方面，阔叶林和针叶林年固碳量分别为1.17、0.8 t/a^[23]。由于1998年，国际上没有碳排放交易，因此，1998年和2010年的固碳价格均按照《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)采用的瑞典碳税率150 美元/t，折合人民币为1200 元/t。同时，由于1998年制造氧气价格无法查证，因此与2010年相同，均采用中华人民共和国卫生部公布的2007年春季氧气平均价格1000 元/t^[17]。根据公式(10)、(11)，计算得到1998年和2010年，固碳量分别为81.76×10⁴，82.40×10⁴ t，增加了0.64×10⁴ t。固碳价值为9.81 亿元，9.89 亿元，增加了0.08 亿元。根据公式(12)、(13)计算得到，1998年和2010年，释氧量分别为47.05×10⁴ t，47.41×10⁴ t，增加了0.36×10⁴ t，释氧量价值分别为4.71 亿元，4.74 亿元，增加了0.03 亿元。

森林生态系统养分积累取决于森林生态系统养分持留量和化肥价格。其中，林分净持留养分参照表 1。R₁、R₁R₂、R₃、C₁C₁、C₂C₂参照保育土壤功能指标，B_年参照固碳释氧功能指标。根据公式(14—17)计算得到，1998年和2010年，林木固氮量分别为0.76×10⁴ t和0.77×10⁴ t，固磷量分别为0.07×10⁴ t和0.08×10⁴ t，固钾量分别为0.32×10⁴ t和0.33×10⁴ t。1998—2010年固氮量、固磷量、固钾量均增加0.01×10⁴ t。根据公式(18)计算得到，1998年和2010年，林木营养年积累价值分别为1.68 亿元和1.98 亿元，增加了0.3 亿元。

针叶树平均吸收SO₂、氟化物、氮氧化物和滞尘能力分别为:215.60，0.5，6.0，33200 kg/hm²。阔叶树平均吸收SO₂、氟化物、氮氧化物和滞尘能力分别为88.65，4.65，6.0，10110 kg/hm^2[25]。1998年，SO₂、氟化物、氮氧化物、降尘清理费用分别为0.2 元/kg^[26]，0.04，0.04，0.04 元/kg^[27]。2010年，二氧化硫、氟化物、氮氧化物、降尘清理费用分别为1.20，0.69，0.63，0.15 元/kg^[28]。

根据公式(18—25)计算得出，1998年和2010年，吸收SO₂量分别为2304.18×10⁴ kg和2328.89×10⁴ kg，吸收SO₂价值为0.05 亿元和0.28 亿元，二者增量分别为24.71×10⁴ kg和0.23 亿元。吸收氟化物量分别为57.10×10⁴g、57.74×10⁴ kg，吸收氟化物价值分别为0.0002，0.0039 亿元，二者增量分别为0.64×10⁴ kg和0.0037 亿元。吸收氮氧化物量分别为124.49×10⁴g、125.57×10⁴ kg，吸收氮氧化物价值分别为0.0005 、0.0078 亿元，二者增量分别为1.08×10⁴ kg和0.0073 亿元。滞尘量分别为438533.18×10⁴ 、440495.94×10⁴ kg，滞尘价值分别为1.75 、6.61 亿元，二者增量分别为1962.76×10⁴ kg和4.86 亿元。

可以看到与1998年相比，森林生态系统服务功能物质量也都呈现增加趋势，增幅达到0.45%—14.29%。根据公式(26)计算得到，研究区森林生态系统服务功能总价值由1998年的52.22 亿元提高到2010年的174.09 亿元，增加了2.22 倍。从2010年各服务功能价值量来看，涵养水源功能价值达到140.20 亿元，保育土壤功能价值达到10.39 亿元，固碳释氧功能达到14.63 亿元，积累物质营养功能达到1.98 亿元，净化大气功能达到6.89 亿元。天保工程实施前后研究区森林生态系统服务功能价值量次序大小均是：涵养水源功能＞固碳释氧功能＞保育土壤功能＞净化大气功能＞积累营养物质功能(表 2)。

(1)天保工程的实施，对于增加森林生态系统服务功能物质量和价值量具有重要作用。2010年，研究区森林生态系统价值量比1998年增加了121.87 亿元，平均每年增加约10 亿元。这部分价值增量，一方面是由于物质量增加造成的，另一方面由于人工费增加、排污费增加、部分商品价值指数变动等原因造成的。由于研究区仅仅是长白山林区的典型区域之一，对于大多数都是工程区的长白山林区而言，天保工程将带来更大物质量和价值量增加，而森林生态系统产生的物质量只有一部分为当地享用，其余都贡献于全国乃至全球。也就是说，工程区为保护生态、恢复生态、发展生态付出了巨大的努力和牺牲，但其为全国乃至世界所提供的生态服务却是无偿的，这显然是不公平的。人们只看到了森林生态系统服务功能提供者与享用者之间巨大的经济发展差距，却没有或不愿看到其背后的巨大牺牲与无偿占用，虽然国家通过相关政策进行了一定程度的调节，但并不能体现生态服务的真正价值，这对于国家、地区、林区并非长远之计，还需要国家、地方以及各级林业主管部门制定和启动生态补偿等一系列政策和措施。只有这样，才能更好的实施天保工程，实现林区的可持续发展。

(2)天保工程实施，有效地保护了长白山林区宝贵的森林资源，改善生态环境。1998—2010年，天保工程研究区森林资源净增长量达到157.0762 万m³，如按13年间平均72.3%的出材率和2010年平均木材售价1045.18 元计算，应折合成118697.01 万元。同时，工程要求大幅度调减木材产量，研究区累计完成调减量21.4 万m³，按照平均蓄积产生的服务功能价值计算，研究区森林资源净增加量和调减量产生的价值分别达到13.17 亿元和1.80 亿元，不仅为社会经济建设提供了后备资源，也对林区的生态系统服务功能产生重要影响。

(3)本研究是针对林业工程实施前后，对森林生态系统服务功能及其价值进行的评估。其结果有利于更直观的认识和了解林业工程对森林生态系统服务功能的影响，可以为评价其他林业工程所产生的生态效益提供参考和借鉴。天保工程天保工程但是，受基础资料的限制，无法对森林的每项生态系统功能计量，所以本文核算的森林生态系统服务功能总价值低估了实际结果，其价值体现仍然是不完全的。同时，在评价固碳释氧价值的过程中，由于1998年国际上没有碳交易，更没有固碳价格，氧气价格也采用和2010年相同的系数值，导致其结果高于实际价值。但这并不影响我们的研究，从结果可以看出，天保工程的实施，对森林生态系统服务功能的物质量和价值量产生了巨大的影响，这对加强森林生态系统的保护和管理，合理开发森林资源具有重要的指导意义。