第32卷 第5期 2010年5月 2010，32（5）：831-837Resources ScienceVol.32，No.5 May，2010

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文章编号：1007-7588（2010）05-00831-07

森林生态系统服务流量过程研究——以江西省千烟洲人工林为例

李士美 1，2，谢高地 1，张彩霞 1，2，盖力强 1，2（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；

2.中国科学院研究生院，北京 100049）

摘 要：生态系统服务研究是生态学和生态经济学研究的热点和前沿，但迄今为止对生态系统服务流量过程

的研究在世界范围内仍处于薄弱环节。本文以千烟洲中亚热带人工林生态系统为例，以2005年-2007年3年的定

位监测数据为基础，研究了4类典型生态系统服务的流量过程。研究表明，千烟洲森林生态系统的年均生物量生

产、气体调节、水源涵养和土壤保持服务价值的范围分别为（497.48±33.66）元/（hm2·a）、（2189.21±247.18）元/（hm2·a）、（1432.40±454.32）元/（hm2·a）和（224.55±8.82）元/(hm2·a)。4类典型生态系统服务流量均表现出显著的季

节变化，生物量生产、气体调节和水源涵养服务表现为连续性实现，而土壤保持服务为离散型实现。年内某些日，

森林生态系统产生负的气体调节和水源涵养流量。就各月平均流量而言，水源涵养和土壤保持服务的最大流量

发生在6月份，分别为274.74 元/（hm2·month）和47.89元/（hm2·month），生物量生产的最大流量出现在8月，为65.19元/（hm2·month），最大的气体调节服务流量出现在7月，为303.67元/（hm2·month）。对于生物量生产、气体调节、水

源涵养和土壤保持服务，夏季产生的相应服务价值分别占38.11%、37.15%，25.67%和42.53%。本研究有助于增进

对生态系统服务形成机理与强度的认知，同时能为生态系统服务的保育提供依据。

关键词：流量；生态系统服务；森林；经济价值；千烟洲

1 引言生态系统服务是指自然生态系统及其所属物种

支撑和维持的人类赖以生存的条件和过程[1]。20世纪90年代以来，生态系统服务研究进入一个崭新的

阶段，并成为生态学和生态经济学的热点和前沿[2]。

目前，生态系统服务研究已经涵盖全球[3，4]、国家[4，5]、

局地[4，6，7]等多种生态系统。在陆地生态系统中，森

林具有最复杂的生态系统结构和生态过程，森林的

生态系统服务功能体现的也最为典型。因此，在生

态系统服务功能研究过程中，研究最早、最多的就

是森林生态系统[8-11]。

生态系统为人类提供的生态系统服务流量，随

着时间而呈动态变化。然而，迄今为止对生态系统

服务功能的价值评价多是基于静态的评价，即只考

虑生态系统每年产生的服务价值，忽略了生态系统

服务年内的动态差异。Chan等 [12]指出在局地和区

域尺度上对生态系统服务流量过程的认知不足，导

致无法形成一套系统方法来规划生态系统服务。

究其原因，主要是由于在局地和区域尺度上缺少足

够的观测资料。因而，建立在定位观测基础之上的

生态系统服务流量过程曲线研究是解决上述问题

的关键。

本研究以千烟洲亚热带人工林生态系统为例，

以定位观测数据为基础，厘定生物量生产、气体调

节、水源涵养和土壤保持等 4类典型生态系统服务

流量过程特征，揭示森林生态系统服务的形成过程

与强度。这一研究将有助于增进对生态系统服务形

成的认知，同时为森林生态系统服务保育提供依据。

收稿日期：2009-02-01；修订日期：2010-04-14基金项目：国家重点基础研究发展计划（编号：2009CB421106）；国家自然科学基金（编号：30770410）。作者简介：李士美，男，山东郓城人，博士生，主要从事资源生态与生态系统服务研究。E-mail：li_shimei@163.com通讯作者：谢高地，E-mail:xiegd@igsnrr.ac.cn

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2 研究区概况千烟洲红壤丘陵区综合开发试验站位于江西

省泰和县境内，地处26°44′48″N，115°04′13″E，海拔

高度在60～115m之间，相对高差20～50m。试验区

具有典型的亚热带季风气候特征，年降雨量

1461mm，年均温 17.8 ℃，>10 ℃积温 6523℃，年日

照量 1785h，年太阳总辐射量 448.99 kJ/cm2。

试验区主要土壤类型包括红壤、水稻土、潮土、

草甸土等，成土母质多为红色砂岩、砂砾岩或泥岩，

以及河流冲积物。现有林分基本为 1985年前后营

造的人工林，主要树种有马尾松（Pinus massoni⁃ana）、湿地松（Pinuse elliottii）、杉木（Cunninghamialanceolata），除此以外，还夹杂有木荷（Schima crena⁃ta）、柑橘（Citrus reticulata）等，林分基本郁闭，林下

植被有小灌木、蕨类和草本层。

人工林通量观测塔建立于 2002年 8月。站点

下垫面坡度在 2.8°～13.5°之间，塔四周的森林覆盖

率在 90%以上。观测塔的西边主要是成片的湿地

松，东南以马尾松为主，东北以杉木为主，平均树高

12 m。观测塔主要观测高度设计为 23m，次要高度

为3倍于冠层高度的39 m位置。

3 数据来源与研究方法3.1 数据来源

本研究的主要基础数据由中国生态系统研究

网络（CERN）提供，数据生成者为千烟洲红壤丘陵

区综合开发试验站。碳通量和潜热通量数据由中

国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）提供。根据生态系统服务类型的典型性和观测数据

的完备性，本研究选取4类典型的生态系统服务。

3.2 生物量生产服务计算方法

净第一性生产力（NPP）是反应生物量生产功能

的重要指标，因此可以用NPP和单位质量有机物质

的价值来换算得到生物量生产价值[13-15]。

3.2.1 NPP 的计算 在生态系统尺度上，可认为

（总生态系统生产力）与总初级生产力（GPP）相等。

在GPP中，一部分通过植物自养呼吸重新释放到大

气中，另一部分形成NPP。因此，森林生态系统NPP的流量可以采用下式估算：

N=G× f ×10 （1）式中N为森林生态系统植被净第一性生产力（kg C/（hm2·d））；G为总初级生产力（gC/（m2·d））；f为碳利

用效率，即总初级生产力转化为净初级生产力的系

数。据测算，千烟洲人工林生态系统的碳利用效率

为35.81%[16]。

3.2.2 生物量生产价值估算 对于生物量生产价值

计算采用能量替代法，即把森林生态系统固定的碳

转化为相等能量的标准煤质量，由标准煤价格间接

估算生物量生产价值，计算公式如下：

（2）式中Vb 为生物量生产的经济价值（元/（hm2·d））；Cc

为碳的热值（0.036 MJ/g）；Cs 为标准煤的热值

（0.0297MJ/g）；Ps为标准煤价格（0.354 元/kg）[15]；r为贴现率（6%）；n 为贴现年限，取森林轮伐年限（30年）。

3.3 气体调节服务计算方法

涡度相关法由于可连续、直接地测定生态系统

尺度上植被与大气之间的CO2通量，即生态系统净

碳交换量（NEE）。根据光合作用和呼吸作用方程

可知，生态系统每固定 1 g C，将吸收 3.67 g CO2，释

放2.67 g O2。因而可通过光合作用和呼吸作用方程

计算森林生态系统固定CO2和释放O2的物质量，森

林生态系统气体调节服务的流量可用下式计算：

（3）式中 Vg 为森林生态系统气体调节服务价值（元/（hm2·d））；NEP为生态系统净生产力（g C/（m2·d）），与NEE大小相等，符号相反；Pc和Po分别为CO2吸收和

O2释放的单位价格，取22.9 US$/t C [17]和100 元/t [18]。

3.4 水源涵养服务计算方法

森林生态系统的水源涵养量等于降水量减去

蒸散量，二者差值为潜在的可利用的水量[12，19]：

（4）式中 Vw为水源涵养服务价值（元/（hm2·d））；P为降

水量（mm）；E为蒸散量（mm），由涡度相关系统直接

观测；Pw为水资源费价格（元/m3），取0.20 元/m3 1）。

3.5 土壤保持服务计算方法

运用通用土壤流失方程（USLE）估算潜在土壤

侵蚀量和现实土壤侵蚀量，二者之差为土壤保持

量。

（5）式中Ac为森林生态系统土壤保持量（t/（hm2·d））；R为降雨侵蚀力（MJ·mm/（hm2·h·d）），根据日雨量模

1）http://wjj.nc.gov.cn/default.aspx?newsid=4594.

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型[20]计算求得；K为土壤可蚀性因子（t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）），通过Williams和Arnold[21]的计算公式求

得；LS为坡长坡度因子，采用江忠善等 [22]的计算公

式；C为植被覆盖和经营管理因子，综合运用江忠善

等[22]和蔡崇法等[23]的模型求得；P为土壤保持措施因

子，因试验区受外界干扰较少，因此水土保持措施

因子取1.00。3.5.1 保持土壤养分价值估算 保持土壤养分的经

济价值主要指生态系统保持土壤中氮、磷、钾营养

元素的经济价值，根据土壤养分的平均含量，计算

生态系统保持土壤营养物质的经济价值：

（6）式中 Vx为保持土壤养分价值（元/（hm2·d））；CN、CP、

CK分别为土壤中碱解氮、有效磷、速效钾含量；PN、

PP、PK分别为氮、磷、钾肥市场价格（元/t）。TN、TP、TK

分别为碱解氮、有效磷和速效磷折算成碳酸氢氨、

过磷酸钙和氯化钾的系数，分别为 5.882、3.373和

1.667。3.5.2 减少土地废弃价值估算 根据土壤保持量和

土壤厚度来推算因土壤侵蚀而造成的废弃土地面

积，再用机会成本法计算得因土地废弃而失去的经

济价值[24，25]：

（7）式中Vy为减少土地废弃的经济价值（元/（hm2·d））；ρ为土壤容重（t/m3）；h为土壤厚度（m）；B为土地年均

收益（元/hm2）。

3.5.3 减少泥沙淤积的价值估算 按照泥沙运动

规律，亚热带土壤流失的泥沙淤积于水库、江河、湖

泊的比例分别为 15%[26]，根据库容成本计算生态系

统减少泥沙淤积灾害的价值：

（8）式中Vz为减少泥沙淤积经济效益（元/（hm2·d））；f为泥沙淤积于水库、江河、湖泊的比例（%）；Ac为土壤

保持量（t/d）；μ为水库工程费用（元/m3）；ρ为土壤容

重（t/m3）。

3.5.4 土壤保持服务价值 森林生态系统土壤保持

服务价值为保持土壤养分价值、减少土地废弃价值

和减少泥沙淤积的价值之和：

（9）式中 Vs 为森林生态系统土壤保持服务价值（元/（hm2·d））。

4 结果与分析4.1 生物量生产服务流量过程

千烟洲森林生态系统生物量生产服务流量呈

现显著的季节变化（图 1）。2005年-2007年其产生

的生物量生产价值分别为 458.61元/hm2、516.55元/hm2和517.28元/hm2，对应的流量变化范围为（（0.14~3.37）元/（hm2·d））。5月-10月，水热条件适宜，植

被生长旺盛，生物量生产流量在日平均流量之上波

动，而其余月份生物量生产流量较低且变动较小。

就生物量生产季节分配而言，夏季对全年生物量生

产服务的贡献率最大，分别为 38.22%、39.67%和

36.44%。3年平均生物量生产流量的最大值出现在

8月，为65.19 元/（hm2·month）。4.2 气体调节服务流量过程

对于森林生态系统气体调节服务，大多研究案

例 [27，28]是基于森林生产力调查数据或模拟NPP，估算的气体调节服务实际上是森林植被的气体调节

服务，未考虑到土壤呼吸，因而高估了森林生态系

统的气体调节服务价值。千烟洲森林生态系统在

年尺度上均表现为正向的气体调节服务价值，即为

CO2的净吸收和O2的净释放（图2），每年产生的气体

调节服务价值为（2189.21±247.18）元/hm2。气体调

节服务具有显著的季节变化，2005年-2007年流量

变化范围为（-22.64~28.77）元/（hm2·d）。在日尺度

上，千烟洲人工林产生正向气体调节服务价值的日

数均大于280d。而在月尺度上，各月均产生正向的

气体调节服务价值，其中 7月的平均气体调节服务

流量最大，为（303.67 ±55.87）元/（hm2·month）。就

季节分配而言，夏季对全年气体调节服务流量的贡

献率为25.77%~43.67%。

4.3 水源涵养服务流量过程

2005年-2007年千烟洲的降水量和蒸散量分别

为 1370.13±90.34mm和 653.93±160.23mm。根据公

式（4）得到人工林生态系统的水源涵养服务价值为

（1432.40±454.32）元/hm2。水源涵养服务流量具有

显著的季节性变化（图3）。图3所示，在1年内森林

生态系统的产生正向水源涵养服务价值的日数仅

100 d左右，而其余日数多产生微弱的负向水源涵养

服务价值。森林生态系统的正向水源涵养服务流

量的最大值为（142.24±8.51）元/（hm2·d），而最大的

负向水源涵养服务流量为（-10.14±2.69）元/（hm2·d）。在月尺度上，最大的水源涵养服务流量出现在

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6月，为（274.74±8.66）元/（hm2·d），而在 7月份却产

生负向的水源涵养服务，因为7月份温度较高，发生

伏旱天气。此外，就季节而言，春季和夏季对水源

涵养服务的贡献率较高，分别为45.30%和25.67%。

4.4 土壤保持服务流量过程

千烟洲年均侵蚀性降雨量为 1017.60±62.50mm，相应的潜在土壤侵蚀量和现实土壤土壤侵蚀

量分别为（340.69±13.39）t/（hm2·a）和（0.44±0.02）t/（hm2·a），因而森林生态系统的土壤保持量为

（340.26±13.36）t/（hm2·a）。中国水利部颁布的强制

性标准《土壤侵蚀分类分级标准》规定，南方红壤丘

陵区的土壤容许流失量为 500 t/（km2·a），显然千烟

洲森林生态系统的现实土壤流失量低于该标准，这

说明该区人工林土壤肥力基本稳定，森林生态系统

发挥了重要的土壤保持服务功能。与以上3类生态

系统服务不同，千烟洲森林生态系统的土壤保持服

务流量过程为离散型实现（图 4），即土壤保持服务

仅在土壤侵蚀条件具备的情形下发生。根据公式

（5）-公式（9），计算得到 2005年-2007年的土壤保

持服务价值变化范围为（224.54±8.82）元/hm2，而产

生土壤保持服务的日数则分别为39 d、45 d和38 d，对应的最大土壤保持服务流量为（24.47~28.92）元/（hm2·d），约占全年土壤保持服务价值的 10%左

右。在月尺度上，土壤保持服务的最大流量发生在

6月，为（47.89±4.59）元/（hm2·month）。此外，夏季产

生的土壤保持服务价值约占全年累积土壤保持服

务价值的43%。在土壤保持服务价值构成中，保持

土壤养分、减少土地废弃和减少泥沙淤积的比例分

别为46.48%、8.89%和44.63%。

5 结论与讨论生物量生产是最基本的生态系统服务功能，同

时也是生态系统物质循环和能量流动的重要环

节。众多生态系统服务功能评价案例都包含生物

量生产服务的评价，如木材生产、薪柴和其他林产

品、林副产品，然而这些研究多是基于森林资源清

查资料和统计数据。本研究采用能量替代法来估

图1 2005年-2007年千烟洲森林生态系统

生物量生产服务流量过程

Fig.1 Flow process of biomass production servicedelivered by Qianyanzhou forest ecosystem

图2 2005年-2007年千烟洲森林生态系统

气体调节服务流量过程

Fig.2 Flow process of gas regulation servicedelivered by Qianyanzhou forest ecosystem

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2010年5月 李士美等：森林生态系统服务流量过程研究

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算生物量生产的经济价值，其优越性在于：①更多

地反映了生物量的自然属性而非社会偏好，即其对

于生物量的所有构成（树干、枝条、叶、根）通用而不

管其效用如何；②有利于不同生态系统生物量生产

服务的比较分析。

关于森林生态系统释放O2的服务价值估算存

在分歧，一种认为释放O2与固定CO2为同一过程，O2为一种额外产品，或者认为O2不是稀缺资源，只计

算固定CO2的服务价值[10，29]；另一研究则对固定CO2和释放O2的价值累计计算[30，31]。实际上，近几年国

内外氧吧市场已经兴起，越来越多的森林公园打出

了“天然氧吧”的标签，这说明O2的市场已经显现，

这也意味着随着人们对环境状况和自身健康的日

益关注，越来越多的生态系统物品和服务将会被人

类所认知。

森林拦蓄降水功能的计量方法有土壤蓄水能

力法、水量平衡法、年径流量法和多因子回归法等[32]，其中应用最广的为水量平衡法[9，10，12，30]。水量平

衡法是将森林生态系统视为一个“黑箱”，以水量的

输入和输出为着眼点，从水量平衡的角度，降水量

与森林蒸散量以及其他消耗的差即为水源涵养量，

但其局限性在于森林蒸散量多为模拟值或粗略估

算值，本研究采用涡度相关系统的实测蒸散值（潜

热通量），因而结果更为准确可信。千烟洲森林生

态系统水源涵养价值低于湖北兴山县[9]和北京[33]森

林生态系统，而高于长白山森林生态系统[10]，这主要

是由于自然条件的差异，此外，不同地区的经济状

况也存在差异，如北京市的水资源费征收标准为1.1元/m3，而本研究采用的水资源费价格为0.20 元/m3。

本文运用通用土壤流失方程（USLE）估算了森

林生态系统的土壤保持服务价值，然而土壤流失方

程仅是测算坡面上的片状侵蚀和细沟侵蚀，不能反

映沟状侵蚀、风蚀和耕作侵蚀，因而现实的土壤保

持服务价值应大于本研究估算的土壤保持价值。

本研究得出千烟洲人工林生态系统的平均土壤保

持价值为 224.54 元/（hm2·a），这一结果与已经报道

图3 2005年-2007年千烟洲森林生态系统

水源涵养服务流量过程

Fig.3 Flow process of water conservation servicedelivered by Qianyanzhou forest ecosystem

图4 2005年-2007年千烟洲森林生态系统

土壤保持服务流量过程

Fig.4 Flow process of soil conservation servicedelivered by Qianyanzhou forest ecosystem

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的土壤保持价值变化范围基本一致[3，24，25，34]。通常，

在地理区确定的情况下，侵蚀动力因素基本确定，

植被状况成为影响土壤保持服务的关键因素，由于

C和P因子都等于或小于1，其相对变化范围较其他

因子大，因而维持良好的植被状况对于土壤保持服

务的保育和发挥尤为关键。

森林生态系统是一个动态系统，所以其提供的

生态系统服务也具有动态性，对其进行动态研究有

助于揭示生态系统服务的形成机制且有助于探讨

可能的调控机制。本研究以样地为空间尺度，基于

定位站监测数据，探讨了典型生态系统服务流量过

程，然而对于较大尺度的流量过程研究，监测数据

尚难以满足要求。可以预期，建立在生态系统联网

监测基础之上的生态系统服务流量过程研究将增

进对生态系统服务形成机制的认知，进而促进生态

系统服务的保育。

致谢：本研究的主要数据来源于中国生态系统研

究网络（CERN）、中国陆地生态系统通量观测研究

网络（ChinaFLUX）和千烟洲红壤丘陵农业综合开发

试验站，特此致谢。

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FlowProcesses of Forest EcosystemServices:ACase Studyon Qianyanzhou Plantation, Jiangxi Province

LI Shimei1，2，XIE Gaodi1，ZHANG Caixia1，2，GE Liqiang1，2

(1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract：Ecosystem services have become a hot topic in the ecological and ecological economicscommunity. Still, few studies have been performed to explore flow processes through which annualeconomic value of ecosystem services are delivered; inadequate observations at local and regionalscales significantly limit the studies. In the present paper, the authors estimated the flow processesof four typical ecosystem services delivered by Qianyanzhou plantation ecosystems based on3-year observational data obtained from Chinese Ecosystem Research Network (CERN) andChinese Terrestrial Ecosystem Flux Research Network (ChinaFLUX) by means of simulations.Results showed that economic value of biomass production, gas regulation, water conservation,soil conservation were 497.48 ± 33.66 yuan/(hm2·a), 2189.21 ± 247.18 yuan/(hm2·a), 1432.40 ±454.32 yuan/(hm2·a) and 224.55±8.82 yuan/(hm2·a), respectively. There existed apparent seasonalvariation trends in the flows of the four ecosystem services. It was found that the flow processes ofbiomass production service, gas regulation service and water conservation service appeared to becontinuous curves, whereas the flow processes of soil conservation services exhibited a discretedistribution. The flows of biomass production service generally ranged from 0.14 yuan/(hm2·d) to3.37 yuan/(hm2·d), the flow of gas regulation service ranged from -22.64 yuan/(hm2·d) to 28.77yuan/(hm2·d), and the ecosystems delivered positive gas regulation services for more than 280 dayswithin a year. The forest ecosystems delivered both positive and negative water conservationservices, showing a mean minimum and maximum flow of -10.14 yuan/(hm2·d) and 142.24 yuan/(hm2·d), respectively. It was also found that within a year, there was only about 40 days when theforest ecosystems delivered soil conservation services, with suggesting a peak flow of soilconservation of 28.92 yuan/(hm2·d). At the monthly scale, the mean maximum flows of biomassproduction service occurred in August, while that of water conservation services and soilconservation services occurred in June, being equal to 274.74 yuan/(hm2·month) and 47.89 yuan/(hm2·month), respectively. The gas regulation services peaked in July, showing a mean maximumflow of 303.67 yuan/(hm2·month). Furthermore, the proportions of value accumulated in summerfor biomass production ranged from 36.44% in 2007 to 39.67% in 2006, and that of gas regulationranged from 25.77% in 2007 to 43.67% in 2006. The mean proportions of value accumulated insummer for water conservation and soil conservation were 25.67% and 42.53%, respectively. Thestudy would provide an insight into the mechanisms of ecosystem services delivery and theirdynamic variations as well as ecosystem services nursery.

Key words: Flow; Ecosystem service; Forest; Economic value; Qianyanzhou

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