森林生态系统是陆地生态系统的重要组成，承载着多种生态服务功能，为人类社会和自然界提供着不可或缺的支持和保障，包含调节服务功能（涵养水源、保育土壤、净化大气环境、固碳释养）、支持服务功能（保护生物多样性等）和供给服务功能（林木资源等）等多种生态系统服务功能^［1-3］，从中可以获得直接或间接、有形或无形的多种红利，这些红利对于生态平衡和社会经济的可持续发展至关重要^［4］。但近年来全球极端天气频发及对森林生态系统功能缺乏了解和林业经营管理上的失误，导致森林生态系统服务功能严重损害^［5-6］，使其价值被低估和忽视。因此，客观科学评估和预测分析森林生态系统服务功能价值，对生态建设规划、森林生态系统可持续健康发展、森林管理者和决策者政策的制定具有重要意义，同时，可对提高人们生态环境意识、推进生态补偿机制建立及加快绿色国内生产总值（GDP）引入国民经济的核算体系具有重要贡献^［7］，是当前生态学、生态经济学以及社会学领域的热点问题。

20世纪末，Daily^［8］和Costanza等^［9］对全球生物圈生态系统服务功能价值进行估算，明确了生态系统不可替代的服务价值，从此生态系统服务功能价值被国内外学者从不同角度进行了评估与分析。在2005年千年生态系统评估项目（MA，The Millennium Ecosystem Assessment）开始后，有更多的学者对不同生态系统、区域、流域、尺度和不同生态系统服务功能价值及其功能指标进行了核算和评估^［10-16］，梳理了一套较为系统的生态系统服务功能评估规范^［17］，为后面此类研究进行参考。而森林生态系统服务（碳汇、水源涵养、生物多样性维持等）由于受气候波动、林龄结构演替、病虫害暴发、人为干扰等因素驱动而动态变化，静态评估（如单一时间点的价值核算）已无法准确反映其功能价值^［18-20］，且国内外学者对森林生态系统服务功能价值的研究大多处于静态评估^［21-23］，对动态预测相对较少。

本研究区域宁夏罗山国家级自然保护区是宁夏三大天然次生林区之一，处于鄂尔多斯高原西部与黄土高原北部的干旱半干旱地带，被誉为荒漠翡翠、瀚海明珠^［24］。罗山自然保护区是宁夏中部干旱带重要的绿色生态屏障和水源涵养区，在宁夏经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位。保护区也是宝贵的生物基因库，有各类脊椎动物221种，各类无脊椎动物1 008种，其中国家重点保护动物32种；昆虫纲973种；野生维管植物418种，其中，蕨类植物3种，裸子植物7种，被子植物408种，其生物多样性在生物资源开发和科学研究中有很高的价值^［24-25］。因此，在宁夏罗山自然保护区开展森林生态系统服务功能价值的评估与预测具有重要意义。国内外学者对森林生态系统服务功能价值的研究大多处于静态评估，而动态预测分析缺乏，这样很难实现对森林生态系统可持续健康、科学的管理。因此，本文根据中华人民共和国林业行业标准LY/T1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》（简称《规范》）和运用系统动力学仿真模拟的方法^{［17，26］}，对2016—2030年宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能进行评估和动态仿真分析，以便能够更直观地了解宁夏罗山森林生态系统的服务功能价值，提高人们绿水青山就是金山银山生态环境意识，对当地生态环境和经济综合体系建设以及林业可持续发展政策的制定提供科学依据^［1，27］。

宁夏罗山国家级自然保护区（37°11′—37°25′N，106°04′—106°24′E）位于宁夏回族自治区吴忠市，南北长36 km，东西宽18 km，区域海拔1 560~2 624.5 m，总面积33 710 hm²。地处宁夏中部干旱区，在典型草原与荒漠生态过渡带上，属于中温带干旱大陆性气候，年日照时数为2 881.5 h，气温年、日较差大，年降水量少而集中，多年平均为262.5 mm，年平均相对湿度为49%。植被类型以森林、灌丛、草甸和草原为主，主要森林类型有青海云杉（Picea crassifolia）、油松（Pinus tabuliformis）、山杨（Populus davidiana）、白桦（Betula platyphylla）、榆树（Ulmus pumila）、山杏（Prunus sibirica）等，林下植被有虎榛子（Ostryopsis davidiana）、柠条（Caragana korshinskii）、沙枣（Elaeagnus angustifolia）、藜（Chenopodium album）、升麻（Actaea cimicifuga）、水栒子（Cotoneaster multiflorus）、委陵菜（Potentilla chinensis）、蒙古扁桃（Prunus mongolica）、斜茎黄芪（Astragalus laxmannii）等，土壤主要为灰褐土和灰钙土^［28］。

据最新统计，宁夏罗山国家级自然保护区总面积33 710 hm²，有林地1 973.68 hm²，疏林地322 hm²，灌木林地4 140.04 hm²，未成林造林地7 539.29 hm²，宜林荒山荒地19 670.42 hm²，苗圃地11.93 hm²，林业生产辅助用地52.15 hm²。森林面积为6 113.71 hm²，森林覆盖率18.13%，活立木总蓄积220 434.82 m³。

2016年林地资源更新调查、《宁夏罗山森林资源》和《宁夏罗山国家级自然保护区综合科学考察》^{［24，28］}。宁夏统计年鉴2022和宁夏第二次全国污染源普查公报^［29-30］。中国权威机构公布的社会公共数据和公开发表的文献数据、资料以及标准样地调查、取样、测定的数据^［31-33］。

本研究采用中华人民共和国林业行业标准LY/T1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》（简称《规范》）^［17］中的方法和公式，对宁夏罗山自然保护区森林生态系统保育土壤、保护生物多样性、涵养水源、固碳释养、净化大气环境和林木资源6项服务功能进行评估，分木材、固定CO₂、释放O₂、吸收SO₂、吸收NO _X 、吸收氟化物、滞尘、调节水量、净化水质、固土、保肥（N、P、K、有机质）和物种保护14项功能指标进行计算^{［17，34］}，由于本保护区采取封育禁牧管理，森林游憩价值则并未归纳到评估体系中。

（1） 保育土壤

式中：G_固土表示林分年固土量（t·a^-1）；U_固土表示林分年固土价值（元·a^-1）；G_N表示林分固持土壤而减少的年全氮流失量（t·a^-1）；G_P表示林分固持土壤而减少的年全磷流失量（t·a^-1）；G_K表示林分固持土壤而减少的年全钾流失量（t·a^-1），G_M表示林分固持土壤而减少的年有机质流失量（t·a^-1）；U_肥表示林分年保肥价值（元·a^-1）；A指林分面积（hm²）；X₂为无林地土壤侵蚀模数（t·hm^-2·a^-1）；X₁为有林地土壤侵蚀模数（t·hm^-2·a^-1）；C_土为挖去和运输单位体积土方所需费用（元·cm^-3）；ρ为土壤容重（g·cm^-3）；N、P、K、M分别指土壤平均氮、磷、钾及有机质的含量（g·kg^-1）；C₁为磷酸二胺化肥价格（元·t^-1）；R₁为磷酸二胺化肥含氮量（%）；R₂为磷酸二胺化肥含磷量（%），C₂为氯化钾化肥价格（元·t^-1），R₃为氯化钾化肥含钾量（%）；C₃为有机质价格（元·t^-1）。

（2） 保护生物多样性

式中：U_生表示生物多样性维持价值（元·a^-1）；S_生表示单位面积生物多样性维持价值（元·hm^-2·a^-1）；A指林分面积（hm²）。

（3） 涵养水源

式中：G_调表示林分年调节水量（m³·a^-1）；G_净表示林分年净化水量（m³·a^-1）；U_调表示林分年调节水量价值（元·a^-1）；U_净表示林分年净化水质价值（元·a^-1）；A指林分面积（hm²）；P指林外降水量（mm）；E指林分蒸散量（mm）；C_库指修筑水库工程造价（元·t^-1）；K_水指水的净化费用（元·t^-1）。

（4） 固碳释养

式中：G_固碳表示林分年固碳量（t·a^-1）；G_释氧表示林分年释氧量（t·a^-1）；U_固碳表示林分年固碳价值（元·a^-1）；U_释氧表示林分年释氧价值（元·a^-1）；R_碳表示CO₂中C的含量（%）；A指林分面积（hm²）；B_年表示林分年净生产力（t·hm^-2·a^-1）；C_碳指固碳的市场价格（元·t^-1）；C_氧指氧气的市场价格（元·t^-1）。

（5） 净化大气环境

式中：G_二氧化硫表示林分年吸收SO₂量（t·a^-1）；G_滞尘表示林分年滞尘量（t·a^-1）；Q_二氧化硫表示单位面积林分年吸收SO₂量（kg·hm^-2·a^-1）；Q_滞尘表示单位面积林分年滞尘量（kg·hm^-2·a^-1）；A指林分面积（hm²）；U_二氧化硫表示林分年吸收SO₂价值（元·a^-1）；U_滞尘表示林分年滞尘价值（元·a^-1）；K_二氧化硫表示SO₂治理费用（元·kg^-1）；K_滞尘表示降尘治理费用（元·kg^-1）。

（6） 林木资源

式中：U表示活立木价值（元·a^-1）；V指活立木蓄积量（m³）；N指森林年净增长率（%）；T指林业平均出材率（%）；C指单位面积的木材价格（元·m^-3）。

系统动力学（System Dynamic）是研究社会、经济、生态等多领域较为复杂的反馈系统动态行为的科学^［35］。而森林生态系统是动态变化的复杂系统，生态系统服务功能价值容易受到气候、土壤、林分类型、服务种类、人为破坏等多种因素的影响而发生变化，因此科学地把握森林生态系统服务价值变化的规律，需要对整个生态系统进行动态仿真模拟，以便更好地理解森林生态系统的变化趋势和对外界影响的响应^［36］。本研究采用系统动力学仿真模拟的方法，对宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能价值进行动态分析。运用Windows系统下的Vensim PLE软件，根据存量、流量和辅助变量的基本元素进行系统模型的构建，包括森林面积、林分类型、各项服务功能和指标等来完成^［37］。设时间步长值为1年，对宁夏罗山2016—2030年乔木林、灌木林以及森林生态系统服务功能总价值进行预测和分析^{［36，38］}。

本文将宁夏罗山自然保护区森林分为乔木和灌木两部分进行仿真。由于研究涉及各林型的服务功能相同，则各林型系统仿真流程图也相同^［39］，加上仿真模型流程图较庞大，本研究则以乔木林为例，给出了乔木林生态系统各项服务功能价值和总价值随着森林面积变化的流程图进行说明。建模过程中一共选取了2个状态变量（乔木林面积和灌木林面积）、2个流量（自然受损和迹地更新）、78个辅助变量（森林生态系统服务功能的物质量与价值量等）和70个常量（林副产品单价等经济参数、蒸散量、化肥单价、土壤容重等）对宁夏罗山自然保护区2016—2030年森林生态系统服务功能价值进行仿真预测和分析，如图1所示。其中，状态变量（存量）、流量和变量决定了系统的动态性，迹地更新和自然受损决定了存量（森林面积）的增加和减少。

采用敏感性分析（SI）来验证该仿真模型是否可以准确地应用于宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务价值的预测。计算如下^［40-41］：

式中：SI为生态系统的敏感性指数；ESV_max和ESV_min表示调整前后模型输出的生态系统服务总价值的最大值与最小值；ESV_b为基准值；VC_max和VC_min分别表示调整前后的变量因子；VC_b为基准值。如果SI>1，表明核算的ESV对于VC是有弹性且高敏感性的，即模型不太准确；相反SI<1时，表明VC对于ESV时缺乏弹性且敏感性低，即模型可信度较高，且越小越可信。

根据前人研究，本文将VC上、下调50%用于计算SI值，结果显示SI（0.046）小于1，即该系统动力学模型用于该区域结果可信。

通过评估得出宁夏罗山自然保护区涵养水源功能、保育土壤功能、固碳释养功能和净化大气环境功能等4项服务功能12项功能指标生态效益的物质量（表1）。宁夏罗山森林生态系统年涵养水源物质量为164.46万m³；年固土物质量为0.27万t；年保氮、磷、钾和有机质物质量分别为0.68万、0.12万、0.04万、13.65万t；年固碳和释氧物质量分别为0.30万t和0.82万t，乔木林优于灌木林；年吸收二氧化硫、氮氧化物、氟化物、滞尘的物质量分别为0.04万、0.08万、0.02万、6.12万t。在涵养水源功能和保育土壤功能上，总体上灌木林优于乔木林；固碳释养功能和净化大气环境功能上，乔木林优于灌木林。根据2022年宁夏统计年鉴和宁夏第二次全国污染源普查公报^［22-23］显示，全区工业二氧化硫排放总量67 861 t，工业氮氧化物排放总量77 974 t，工业颗粒物（粉尘）排放总量24.36万t。二氧化硫、氮氧化物、滞尘的物质量分别相当于可以吸收全区工业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物的0.60%、1.03%、25.12%，而保护区森林面积仅占全自治区总面积的0.12%，因此，罗山森林生态系统在净化大气环境方面有重要作用。

宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能年总价值为28 934万元，约为宁夏回族自治区2021年林业总产值（11.38亿元）的25.48%，且灌木林的生态服务价值高于乔木林（表2）。其中保育土壤21 025万元·a^-1，保护生物多样性3 858万元·a^-1，涵养水源1 670万元·a^-1，固碳释养1 128万元·a^-1，净化大气环境1 033万元·a^-1，林木资源220万元·a^-1。宁夏罗山森林生态系统服务功能的价值以保育土壤价值最大，保护生物多样性价值次之，最小为林木资源价值。

保育土壤、保护生物多样性和涵养水源价值在生态系统服务功能价值的比例分别为72.67%、13.33%和5.77%（图2），这3种价值占到宁夏罗山森林生态系统服务功能总价值的91.77%，占有绝对优势，是主要的生态系统服务功能。宁夏罗山森林生态系统服务功能价值保育土壤价值>保护生物多样性价值>涵养水源价值>固碳释养价值>净化大气环境价值>林木资源价值。

利用Vensim软件对宁夏罗山国家级自然保护区森林生态系统服务功能的价值进行模拟分析，模拟出2016—2030年乔木林、灌木林的保育土壤、保护生物多样性、涵养水源、固碳释养、净化大气环境、林木资源各项服务价值以及宁夏罗山国家级自然保护区森林生态系统服务功能的总价值（图3）。2016—2030年宁夏罗山国家级自然保护区森林生态系统服务功能总价值逐年增加，从2016年的2.9亿元上升到2030年的4.5亿元，增加了1.6亿元，提高了约55.17%。

乔木林和灌木林的森林保育土壤、保护生物多样性、涵养水源、固碳释养、净化大气环境、林木资源各项的服务价值如图4所示。在2016—2030年，灌木林和乔木林的保育土壤价值分别增加了0.7亿元和4 211万元，提高了约53.85%和54.10%；生物多样性保护价值分别增加了1 147万^{元和1 094万元，提高了约55.41%和55.42%；涵养水源价值分别增加了628万元和299万元，提高了约55.53%和55.47%；固碳释养价值分别增加了204万元和419万元，提高了约55.28%和55.42%；净化大气环境分别增加了112万元和460万元，提高了约55.72%和55.42%；林木资源价值分别增加了41万元和82万元，提高了约56.94%和56.16%。2种林型在未来15年服务功能价值变化规律类似，整体呈上升趋势。未来15年中，保育土壤价值、生物多样性保护价值和涵养水源价值，灌木林上升速率高于乔木林；而固碳释养价值、净化大气环境价值和林木资源价值，乔木林上升速率高于灌木林。}

在宁夏罗山自然保护区森林生态系统提供的保育土壤、生物多样性保护、涵养水源、固碳释养、净化大气环境和林木资源等6项服务功能价值中，以保育土壤、生物多样性保护和涵养水源价值为主，共占到了总价值的91.77%。这与赵欣等^［31］在黑龙江丰林国家级自然保护区做的生态系统服务价值评估结果类似，以及赵玉堂^［33］对云南普达措国家公园森林生态系统服务价值评估的结果一致，都是以生物多样性保护价值、保育土壤价值和涵养水源价值为主。这可能是因为宁夏罗山自然保护区森林根系丰富，林下凋落物较厚，可以涵养更多的水源和防治更多的水土流失，以及养分归还量较多，保肥效用较大^［42］；另一方面此保护区实施围栏封禁的政策，使得人为破坏和干扰较少，生物多样性保护突出，得到有效的保护^［7］。而固碳释养价值、净化大气环境价值和林木资源价值较低，可能是因为保护区位于宁夏中部干旱区，降雨量较少，森林覆盖率较低（仅有18.13%）而造成。但此保护区森林生态系统服务功能总价值明显，宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能年总价值为2.8934亿元，约为宁夏回族自治区2021年林业总产值（11.38亿元）的25.48%。宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能的物质量也有相似的规律，即以涵养水源和保育土壤物质量为主，固碳释养和净化大气环境物质量次之，表明宁夏罗山自然保护区森林生态系统在涵养水源和保育土壤功能这两方面贡献最大。虽然净化大气环境物质量较小，但作用不能忽视，因为净化大气环境的物质量相当于可以吸收全自治区工业大气污染物的16.07%，而保护区森林面积仅占全自治区总面积的0.12%。

系统动力学是通过分析各变量之间的关系来研究复杂的反馈系统动态行为的科学，适用于动态复杂变化的系统，因此经常被用来对系统行为结果的预测分析^［43］。周洋等^［36］运用系统动力学的方法对2010—2025年四川省森林生态系统服务功能价值进行了动态分析，并根据实际情况制定了提升森林生态系统服务功能价值提升的方法；李泓莹等^［43］对未来至2035年5种不同发展路径下林场的可持续发展水平进行预测，分析出更优的发展路径。本文得出2016—2030年宁夏罗山国家级自然保护区森林生态系统服务功能总价值逐年增加，呈上升趋势，到2030年增加了1.6亿元，提高了约55.17%。其中，保育土壤价值、保护生物多样性价值和涵养水源价值中，灌木林上升速率高于乔木林；而在固碳释养价值、净化大气环境价值和林木资源价值中，乔木林上升速率高于灌木林。这可能是因为一方面乔木林的林分净生产力和单位面积吸收污染物的量高于灌木林，且乔木林凋落物因高C/N比和木质素导致分解缓慢，进而形成稳定腐殖质层，赋予其长期碳储存优势，致使固碳释养价值和净化大气环境价值乔木高于灌木^［3］；另一方面灌木林森林面积、凋落物厚度大于乔木林，且灌木林的浅层须根系（0.5~2 m）具有高密度细根，显著增强表层土壤固持能力，使其水土保持效能比乔木林高；同时，灌木林更高的根冠比促进土壤有机碳积累，且灌木凋落物由于低C/N比和木质素含量快速分解进而促进土壤肥力，支持高频次生物周转，导致生物多样性保护、涵养水源和保育土壤价值灌木高于乔木^{［27，44］}。因此在水土流失等敏感区域可以优先补植灌木，选择根系固土能力强的物种（如胡枝子、沙棘）；在生态过渡带（如林草交错区）可以构建灌-乔镶嵌结构，利用灌木（如绣线菊）为乔木幼苗提供遮荫保湿环境，提高幼苗存活率等^［45-46］。

宁夏罗山自然保护区森林生态系统服务功能年总价值为28 934万元，不同服务功能价值量从大到小为：保育土壤>保护生物多样性>涵养水源>固碳释养>净化大气环境>林木资源，从排序可知宁夏罗山自然保护区森林生态系统以保育土壤、保护生物多样性和涵养水源价值为主。这说明该保护区在保育土壤、保护生物多样性和涵养水源方面具有重要作用。

2016—2030年宁夏罗山国家级自然保护区森林生态系统服务功能总价值逐年增加，预计到2030年增加到4.5亿元。

宁夏罗山自然保护区提供的各项服务功能价值在乔木和灌木2种林型中逐年增加，呈上升趋势。其中，保育土壤、生物多样性保护和涵养水源价值中，灌木林上升速率高于乔木林；而在固碳释养、净化大气环境和林木资源价值中，乔木林上升速率高于灌木林。宁夏罗山自然保护区森林生态系统在当地有巨大的生态服务价值，且在未来15年呈上升趋势。在宁夏罗山森林经营管理中，建议将灌木林保护纳入宁夏生态补偿机制，以最大化保育土壤和生物多样性价值，同时应加强对灌木林和乔木林生长情况的保护和动态监测（如耦合多源遥感与地面验证），保证森林各林分良性比例和森林生态系统各功能的稳定。