Ecosystem service functions of rubber plantations in Hainan Island and their value analysis

海南省陆地主体海南岛地处北回归线以南，位于18°10′～20°10′N，108°37′～111°03′E，光照时间较长，干湿两季分明，属热带季风海洋性气候，拥有独立热带海岛水系，岛内水系有南渡江、昌化江和万泉河，三大流域的积水面积都超过3 000 km^2[15]。海南岛地势概况为中间高、四周低，岛内中部向四周依次为山地、丘陵、台地和平原等。海南岛大部分地区的年平均气温处于22.5～25.6 ℃，而年极端最高气温，北部地区可达39 ℃，中部地区则为37～39 ℃，西部地区及沿海温度较低，通常低于36 ℃^[16]。与世界上的同纬度地区相比，如越南、泰国和老挝等地区，海南岛是降雨量最多的地区之一，年均降水量约达1 640 mm，降水量较为丰富，水汽来源较为充足，但也具有时空分配不均的特点，呈现东部地区降水量多于西部地区，山区的降水量多于平原地区，降水量随着海拔的增加而增加。本研究只统计海南岛内18个市县的橡胶林种植面积，其他区域由于数据局限性不计入。

海南岛橡胶林生态系统服务功能评估依照《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T 1721-2008）^[17]，并参考了《海南生态公益林生态服务功能价值评估研究》^[18]一书中的部分生态参数，构建评估指标体系。

本研究的基础数据和公共参数依照中华人民共和国林业行业标准（LY/T 1721-2008）^[17]和《森林生态系统服务功能评估规范》（GB/T 38582-2020）^[32]以及我国权威部门发布的社会公共数据^{[33 − 34]}。海南岛不同林龄橡胶林种植面积数据引用Chen 等^[35]对海南岛橡胶林林龄识别算法基础之上计算而得，该算法通过估计橡胶园种植年份，并使用高频时间序列Landsat数据识别。

在森林生态系统中，固碳释氧被视为一项重要的服务功能，大约占总服务价值的18.5%～32.59%。将生态系统净生产力视为森林最终固碳量，橡胶树生物量推算固碳量的转换系数仍采用50%。计算公式如下：

其中，式（1）、式（2）计算橡胶林固定碳和二氧化碳的物质量，单位为t·hm⁻²，式（3）计算橡胶林制造氧气的物质量，单位为t·hm⁻²；A为不同林龄橡胶林面积，单位为hm²，NPP为不同林龄橡胶净初级生产力，单位为t·hm⁻²；$ {G}_{\mathrm{C}} $为固定碳的物质量，单位为t；$ {G}_{{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $为橡胶林固定二氧化碳量，单位为t；$ {M}_{{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}}\cdot {M}_{{\mathrm{C}}^{-1}} $为碳转化为二氧化碳的系数，即固碳量除以44乘以12。

其中，式（4）和式（5）分别采用碳税法工业制氧成本法^[30]计算出海南岛橡胶林生态系统固定碳和释放氧气价值。本研究选用瑞典碳税价格和工业制氧价格^[36]，固碳价格为150 美元·t⁻¹，按照2025年年均美元汇率折算成1 008.92 元·t⁻¹，制造氧气的价格为1 000 元·t⁻¹。

生态系统涵养水源功能通常使用水量平衡法计算，而水量平衡方程的计算原理是在一定时空内，生态系统中的水分是质量守恒的。计算公式如下：

其中，式（6）为橡胶林涵养水源物质量，式（7）、式（8）为涵养水源价值量，单位为元·a⁻¹，参考全国平均水库库容造价^[37]和CPI系数修正^[38]计算而定，将水库建设单位库容投资设置为6.5元·m⁻³。参考海南省水资源交易价格^[39]和CPI系数修正^[38]计算而定，并根据贴现率得到用水价格为2.09 元·t⁻¹。通过收集公开文献数据进行分析，得出海南岛橡胶林地表径流占年降雨量的6.87%^{[39 − 40]}。据海南省水务厅公布数据^[37]显示，2022年海南省年均降水量为2 068.6 mm。

森林生态系统的土壤保持功能是通过林冠层、枯落层和根系等减缓降雨对土壤的侵蚀程度，保护土壤、增加土壤的抗蚀性，从而减少土壤流失，为土壤的良好发育提供有利条件。而土壤保持主要包括固土和保肥两方面。计算公式如下：

其中，式（9）和式（10）计算橡胶林固土和保肥价值量，单位元·a⁻¹；N、P、K、M为土壤氮、磷、钾和有机质平均含量，单位为%；R₁、R₂、R₃分别为磷酸二铵和氯化钾化肥的N、P、K含量，单位为%；C₁（磷酸二铵）、C₂（氯化钾）、C₃（有机质）代表各自价格，单位为元·t⁻¹。

橡胶林空气净化功能指橡胶林生态系统吸收、过滤、阻隔并分解大气中的污染物，其中包括二氧化硫、氟化物、氮氧化物和颗粒物等，具有净化空气污染物，改善橡胶种植地的大气环境的功能。计算公式如下：

其中，式（11）和式（12）计算橡胶林产生负离子和吸收污染物的价值量，单位为元·a⁻¹；二氧化硫、氮氧化物、氟化物、滞尘的收费价格按照国家发改委排污费征收标准^[42]及计算方法，并根据CPI系数修正^[38]计算而定；二氧化硫治理费用为1.20 元·kg⁻¹；氮氧化物治理费用为0.63 元·kg⁻¹；氟化物治理费用为0.69 元·kg⁻¹；滞尘的治理费用为0.15元·kg⁻¹；负离子的生产费用按照林业行业标准^[17]推荐价格。

营养物质积累功能定义为橡胶林在生长过程中所积累的营养元素，大多为氮、磷和钾等三个大量元素的积累。不同林龄的橡胶林初级净生产力存在显著差异，通过对不同林龄的橡胶树评估其营养物质积累物质量。计算公式如下：

其中，式（13）计算橡胶林林木营养积累价值量，单位为元·a⁻¹；N_营养、P_营养、K_营养为橡胶林氮、磷和钾的年净积累量，单位为%，数值分别为0.872 7%、0.083 6%和0.694 1%^[15]。

橡胶林防护价值则通过假定由于橡胶林的存在，海南省农作物增产的价值，计算公式如下式所示。

其中，式（14）计算橡胶林农田防护价值量，单位为元·a⁻¹；U_农田防护为橡胶林林分农田防护功能的价值，单位为元·a⁻¹；K_a为平均1 hm²橡胶林能实现农田防护面积19 hm²；V_a为农作物的价格，单位为元·kg⁻¹，这里取水稻国家保护价2.7 元·kg^−1[18]；m_a为农作物平均增产量，单位为kg·hm⁻²·a⁻¹。

根据生物多样性指数评估法，衡量橡胶林物种保育价值，计算公式如下：

公式根据Shannon-Wiener指数评估法^[28]计算。参考《海南生态公益林生态服务功能价值评估研究》^[18]一书中参数，橡胶林Shannon-Wiener指数<1，推荐指数对应的单价为600元·hm⁻²·a⁻¹。

根据评估公式计算出海南岛橡胶林生态系统服务功能物质量主要集中在7个方面。在固碳和释氧方面，年固碳量为1357.65 万t，释氧量为987.38 万t；在水源涵养方面，年涵养水源量39460.34 万m³·a⁻¹；在土壤保持方面，其中固土量为383.65 万t·a⁻¹，保肥量为13.75 万t·a⁻¹，其中年固定N、K和P分别为0.34 万t、0.14 万t、6.98 万t；在营养物质积累方面，林木积累氮、磷和钾的量分别为6.46 万t、0.62 万t、5.14 万t；在净化空气方面，年提供负离子14 005.58×10²²个负离子，吸收污染物总量4.56 万t，吸纳滞尘总量为1 523 万t。

由于不同林龄的橡胶树的净初级生产力（NPP）存在差异，根据生态系统服务功能计算公式，不同的净初级生产力计算得到的固碳和释氧、林木营养积累功能的物质量也存在较大差异。因此，本次评估引用橡胶林龄识别算法计算得到以5年为步长对橡胶树林龄的划分，以期更精确评估这两个功能的物质量。得到计算结果如下表2和表3的结果。其中，A1-A5和A6-A10为橡胶树幼龄林，A11-A15和A16-A20为橡胶树成熟林，A21-A25和A26-A30为橡胶树近熟林，A>30为橡胶树老龄林。由表2和表3结果可知，橡胶树的固碳量和二氧化碳量随着林龄的增大而增大，海南岛橡胶树的A16-A20林龄段分布面积较多，此时，固碳量、二氧化碳物质量和营养物质积累物质量达到顶峰。根据表3结果可以看出，橡胶树对大量元素的吸收，尤其是氮元素的量较多，氮元素对橡胶树的生长发育和胶乳的产量和质量起着关键性的作用。

如图2所示，海南岛橡胶林生态系统服务功能中，固碳释氧、空气净化、涵养水源、营养物质积累、土壤保持、森林防护和保育生物多样性分别占比为70.90%、10.40%、10.20%、4.64%、1.72%、1.20%和0.94%，其中固碳和释氧的比重较大。比重从大到小顺序为：固碳释氧、 空气净化、 水源涵养、 林木营养物质积累、 土壤保持、森林防护、保育生物多样性。

根据橡胶林龄识别算法计算得知，海南岛橡胶林在A16-A20林龄段种植面积较为广泛。基于学者的研究结果得出，A16-20林龄段的橡胶林净初级生产力是最大的^[20]，同时海南岛橡胶林在A16-20林龄段的种植面积也是最大的，因而，计算得出A16-20林龄段蕴含的生态系统服务功能价值占比较重。不同林龄橡胶树生态系统服务功能价值之间的差异主要为固碳和释氧、营养物质积累两个功能的物质量不同，而导致计算得到的价值量也随之存在较大的差异。其中，A16-A20林龄段的橡胶林年营养物质积累功能价值量为4.11 亿元，其次为A>30林龄段为2.83 亿元，价值量最小的林龄段为处于幼龄的A1-A5，主要原因在于近几年海南岛幼龄橡胶树更新数量较少和橡胶林幼龄段的净初级生产力较低。海南岛不同林龄橡胶林生态系统服务价值分布格局由高到低排序为A16-A20、A>30、A11-A15、A6-A10、A21-A25、A26-A30、A1-A5。

由图3可见，在海南岛18个市县的橡胶林生态系统服务功能价值中，儋州市价值量最大，为105.93 亿元·a⁻¹，占全岛的21.11%，其次为琼中县、白沙县和澄迈县，分别为66.35亿元·a⁻¹，62.85亿元·a⁻¹，55.58亿元·a⁻¹。在近30年这4个市县一直是海南岛内橡胶林种植面积较大的区域，并且这4个市县的橡胶林处于A16-A20林龄段的面积最多，因此，也是海南岛橡胶林生态系统服务功能价值的主要区域。较小的为海口市、东方市、陵水县和文昌市，其中文昌市的价值量最小，仅占总价值量的0.21%。海南岛橡胶林生态系统服务功能价值量的空间分布格局有大到小顺序为西北部、中部、西南部、东南部、东北部。

本文以海南岛橡胶林生态系统服务功能为研究对象，构建了评估海南岛橡胶林生态系统服务功能的指标体系，对其进行物质量和价值量的评估。海南岛橡胶林生态系统服务功能包括固碳释氧、涵养水源、土壤保持、净化空气、营养物质积累、森林防护和生物多样性保育七个方面，其中固碳释氧、涵养水源和空气净化占较大的比重。从生态系统服务功能物质量和价值量来看，海南岛橡胶林生态系统服务功能有着较大的价值，这与陈伟等^[43]的研究结果有着较大的差异。陈伟等^[43]将物质量法和价值量法相结合对海南农垦橡胶林部分生态系统评估价值为59.52×10⁸ 元，本研究的评估结果远远大于陈伟等^[43]的评估结果，原因是本研究选取了7个指标，相比较于陈伟等^[41]的评估指标多了固碳和释氧功能，并且陈伟等^[43]只考虑了海南农垦橡胶林，没有覆盖到海南全岛的橡胶林。本次评估考虑了不同林龄的橡胶生物量而导致生态系统服务功能价值存在差异，根据不同林龄橡胶林的净初级生产力计算得固碳释氧价值和营养物质积累价值。另一原因是，陈伟等^[43]的研究对象为2005年的海南农垦橡胶林，相较于2005年，海南岛橡胶林的面积、林龄的变化和参考的社会公共数据有差异，导致了与本次评估海南岛橡胶林生态系统服务功能价值的差异较大。其中，本文的水源涵养功能的价值是陈伟等^[43]评估结果水源涵养价值的4～5倍，原因是陈伟等^[43]只考虑橡胶林调节水量，未考虑净化水质的价值。而土壤保持是陈伟等^[43]评估结果的8倍，主要在于陈伟等^[43]引用的数据只考虑了固土而未考虑保肥价值。而空气净化功能价值是陈伟等^[41]评估结果的3～4倍，原因在于陈伟等^[43]未计算橡胶林产生负离子的价值。而陈伟等^[43]的保育生物多样性功能价值评估结果大于本研究中生物多样性价值，原因在于两者选用的评估方法和参数存在差异，陈伟等^[43]选取的参数大于本研究所用参数。由于不同林龄橡胶林生物量存在显著差异，本研究团队引用橡胶林林龄识别算法获得海南岛不同林龄的橡胶林种植面积，以得到更精准的海南岛橡胶林生态系统服务功能的评估结果。

从生态系统服务功能物质量分布特征来看，A16-20林龄段的物质量和价值量最大，因此导致形成了橡胶林A16-20林龄段种植面积较多的区域，价值量越高的时空分布格局特征，林龄段和林分面积是影响生态系统服务功能的主要因素，这与朱美玲等^[23]和宋清海等^[22]计算A16-20林龄段橡胶林净初级生产力最大的研究结果一致。分析结果表明，林分面积和A16-20林龄段不同的区域，生态系统服务价值也不尽相同。本次评估仍存在不足需进一步对参数进行优化，由于数据可获得性存在限制，部分参数选择采用平均值，林龄大于30年的橡胶林由于树龄范围较大，采用近似值进行评估，在一定程度上影响评估结果的精准度。评估橡胶林生态系统服务功能所用数据通过引用公开发表文献中的结果，相比较于实地调研采样存在一定的误差。虽然存在以上不足，但本文对于海南岛橡胶林生态系统服务功能进行了初步探索，对其生态系统服务功能进行物质量和价值量的评估，对海南岛橡胶林探索生态补偿机制和生态修复提供参考依据。

本研究构建了海南岛橡胶林生态系统服务功能评估指标体系，为进一步衡量天然橡胶产业在海南省的重要地位，并为回应橡胶种植存在悖论及质疑提供理论依据及数据支撑，橡胶林带来的生态问题主要取决于橡胶种植和管理过程是否违反栽培规程。通过评估结果得出，海南岛橡胶林具有较强的生态系统服务功能，因此，不能否定橡胶林产生的积极作用以及橡胶林带来的生态、经济和社会效益。本次评估从生态经济学视角，重新审视天然橡胶产业的重要性，对保证国家用胶安全，保障战略物资供给，有着重要的意义。同时本文也为其他人工林生态系统服务功能提供评估模板，各地区应结合研究区域森林资源状况进行调整评估体系指标，提高核算技术，形成研究区域的地方规范和参数本地化。橡胶林碳汇具有较大的潜力，未来应对橡胶林具有的碳汇价值进行更具体探讨。海南岛各市县的每项橡胶林生态系统服务功能以及橡胶林生态系统服务功能总价值量的空间分布格局，与海南岛各市县的橡胶林种植面积和不同林龄段的橡胶林净初级生产力有关。细化不同林龄段的橡胶林生态系统服务功能价值量，更精确评估橡胶林生态系统服务功能价值，缩小因不同林龄的净初级生产力存在差异而产生的计算误差，对橡胶树的种植规划、胶林抚育、胶林更新和改善低效胶林的生长环境等措施提供理论依据。在橡胶林经营管理过程中，加强幼龄和成熟胶林的保护管理，同时也要对近熟和老龄胶林的开发和更新。

经过测算，海南岛橡胶林生态系统服务功能总价值为353.04 亿元，其单位面积生态系统服务功能价值为67 478.91 元·hm⁻²，具有较大的生态系统服务功能价值。其中固碳释氧功能价值占比较大，约占天然橡胶产业生态总价值的70.90%。此次评估结果显示，海南岛橡胶林对海南省的减排、维持大气中碳氧平衡起着重要的作用，为未来开展橡胶林碳交易提供理论依据和数据支撑，对促进天然橡胶产业可持续发展和对推动橡胶种植地的农业农村发展以及提高胶农收入有着重要的意义。