浙江省森林生態(tài)服務(wù)價值估算及其空間變異分析

劉東，李艷

(南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，南京 21009)

1 引 言

生態(tài)系統(tǒng)與人類的福祉息息相關(guān)，自然生態(tài)系統(tǒng)通過自身循環(huán)為人類提供源源不斷的淡水、食品、木材、營養(yǎng)物質(zhì)，同時還有助于控制疾病傳播、廢棄物處理、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)等。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和發(fā)展的搖籃，森林生態(tài)系統(tǒng)能為人類提供生存物質(zhì)和良好的生存環(huán)境[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)不僅可以通過植被的光合作用向人類提供食物、藥材、建筑原材料，還具有防止水土流失、保持土壤肥力、吸收空氣有害物質(zhì)、分解廢棄物、防風(fēng)固沙等功能，同時也能夠為人類提供旅游休憩和文化研究的場所[1-2]，等。

環(huán)境的惡化、生態(tài)系統(tǒng)的重要性和科學(xué)研究的深入促使人們重新認識生態(tài)系統(tǒng)對人類的作用和價值。1981年，Ehrlich等在對“自然服務(wù)”和“環(huán)境服務(wù)”等相關(guān)概念進行了統(tǒng)一、歸納后，提出了“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services)”的概念[3]。1991年，國際科學(xué)聯(lián)合環(huán)境問題委員會(Scientific Committee on Problems of the Environment，SCOPE)召開會議討論生物多樣性價值的定量研究，該會議的召開不僅促進了生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究，同時也推動了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟價值評估方法的發(fā)展。1997年，美國學(xué)者Robert Costanza在Nature雜志上發(fā)表Thevalueoftheworld’secosystemservicesandnaturalcapital一文，定量地計算了全球16種生態(tài)系統(tǒng)類型的17種生態(tài)服務(wù)功能的貨幣價值[4-6]。此后，越來越多的學(xué)者開始了對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的定量化研究，并提出了越來越多的關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算方法[7-11]。此外，還有學(xué)者提出國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product，GDP)表示經(jīng)濟發(fā)展水平的局限，并提出綠色GDP的概念，即：用GDP和生態(tài)服務(wù)價值(Ecosystem Services Value，ESV)的總和來表示區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平[12]。

浙江省位于中國東部沿海，屬于丘陵地帶，氣候溫潤，年平均氣溫為15℃～18℃；雨量豐沛，年均降雨量為980mm～2000mm；光照充足，年均日照時數(shù)為1710h～2100h。這樣的氣候、地形條件非常適合植被的生長、森林生態(tài)系統(tǒng)的形成，從而使得浙江省的地貌呈現(xiàn)“七山一水兩分田”的特征[13]，即：浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)面積占浙江省總面積約70%。因此，估算浙江省森林生態(tài)服務(wù)價值對于構(gòu)建綠色GDP、從生態(tài)經(jīng)濟的角度評價地區(qū)發(fā)展有十分重要的意義。此外，森林生態(tài)系統(tǒng)的功能存在空間不連續(xù)，不同的市縣有著不同的森林生態(tài)系統(tǒng)類型、森林面積等[14-16]；因此，對森林生態(tài)服務(wù)價值的空間變異進行研究，有助于了解森林生態(tài)服務(wù)價值的空間分布特征，進而為科學(xué)管理提供依據(jù)[17-18]。

2 數(shù) 據(jù)

本文參照靳芳等人對森林生態(tài)服務(wù)價值的分類體系[19]，估算了浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)2010年的固碳釋氧價值、有機物生產(chǎn)價值、營養(yǎng)物循環(huán)價值、水土保持價值和水源涵養(yǎng)價值，并對浙江省森林2010年ESV的構(gòu)成、空間變異進行了相關(guān)分析。本文技術(shù)流程圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

圖1中，NPP的估算使用CASA模型[20]；降雨量、平均溫度來源于浙江省及其周邊省市86個氣象站點空間插值；總太陽輻射來源全國99個輻射站點空間插值；土地覆被圖利用中科院碳專項子課題“生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀、速率、機制和潛力項目”生產(chǎn)的“浙江省2010年土地覆被圖”；NDVI來源于USGS數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載得到的MOD13A1產(chǎn)品數(shù)據(jù)。土壤侵蝕量的估算采用Wischmeier等提出的通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，USLE)[21]；降雨量、NDVI來源同上；集水長度、坡度由DEM計算得到；全國土壤圖來源于“西部數(shù)據(jù)共享中心”。蒸散量來源于863子課題“地表覆蓋數(shù)據(jù)在陸面生態(tài)水文模型中的應(yīng)用示范及示范系統(tǒng)開發(fā)”的研究成果。

3 森林ESV估算原理與方法

3.1 固碳釋氧價值的估算

森林生態(tài)系統(tǒng)中的綠色植物能進行光合作用、呼吸作用，光合作用吸收CO2并生產(chǎn)O2，呼吸作用消耗O2并產(chǎn)生CO2，光合作用、呼吸作用是兩個互逆過程。綠色植物光合作用、呼吸作用的化學(xué)方程式如式(1)所示[11]。

12H2O+能量

(1)

其中，C6H12O6可用NPP代替，根據(jù)1990年不變價及造林成本法，固定CO2和釋放O2的成本分別為71.15元/噸、352.93元/噸[22]。結(jié)合式(1)和C、H、O的相對原子量，可用式(2)估算森林固碳釋氧價值(VCO)。

VCO=VCO2+VO2=1.202×10-3NPP

(2)

其中，VCO為固碳釋氧價值(元/(m2·月))；VCO2為固定CO2的價值(元/(m2·月))；VO2為釋放O2的價值(元/(m2·月))，NPP為CASA模型輸出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.2 有機物生產(chǎn)價值的估算

森林生態(tài)系統(tǒng)能夠通過光合作用將無機物CO2和H2O合成有機物，植物合成有機物的價值即為有機物生產(chǎn)價值。植物合成有機物的干重可由NPP計算得到，而有機物生產(chǎn)價值可通過能量替代法得到，森林有機物生產(chǎn)價值的估算式如式(3)所示[23]。

(3)

其中，Vorg為有機物生產(chǎn)價值(元/(m2·月))；Mc為植物合成碳的質(zhì)量(g)；Pcoal為標準煤的價格(元/g)，1990年標準煤不變價為3.54×10-4元/g；Ec為碳的熱值，等于0.036(MJ/g)[23]；Ecoal為標準煤的熱值，等于0.02927(MJ/g)[23]；NPP為CASA模型輸出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.3 水源涵養(yǎng)價值的估算

森林水源涵養(yǎng)總量是森林對降水的持有、蒸發(fā)、蒸騰綜合作用的結(jié)果，森林對降水持有量可用一段時間內(nèi)的區(qū)域降水量(mm)來表示，蒸發(fā)與蒸騰總量可用蒸散量(mm)來表示。森林水源涵養(yǎng)價值可采用替代工程法(影子工程法)進行估算，1999年增容1m3的價格為0.67元/m3 [11]，按照固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)得到1990年增容1m3的價格為0.667元/m3，從而得到森林水源涵養(yǎng)價值估算式如式(4)所示。

Vwater=Hwater*Pwater=10-3*(Hpre-Het)*Pwater

(4)

其中，Vwater為水源涵養(yǎng)價值(元/(m2·月))；Hwater為水源涵養(yǎng)總量(mm)；Pwater為涵養(yǎng)1m3的水源的價值，等于0.667元/m3；Hpre為降雨量(mm)；Het為蒸散量(mm)。

3.4 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值的估算

森林綠色植被體內(nèi)除了存貯C(碳)、H(氫)、O(氧)等元素外，還存儲有大量的N(氮)、P(磷)、K(鉀)營養(yǎng)元素，綠色植被還能夠通過生態(tài)過程與外界環(huán)境進行元素交換，從而實現(xiàn)N、P、K營養(yǎng)元素的循環(huán)。森林營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)功能使得森林具有營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值，森林營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值可通過影子價格法進行估算。根據(jù)Kimmins J.P.等人的研究，森林綠色植被每固定1g碳，則可積累0.03g氮、0.004g磷、0.02g鉀；按1990年不變價，化肥的平均價格為2549元/噸[24]；則，森林營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值估算式如式(5)所示。

(5)

其中，Vnutri為營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值(元/(m2·月))；NPP為CASA模型輸出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.5 水土保持價值的估算

森林水土保持價值包括3方面：減少表土損失價值、保持土壤肥力價值、減輕泥沙淤積價值。森林減少表土損失的價值可用機會成本法估算，本文取1990年不變價2.82元/m2[25]；森林表土平均厚度取0.6m；森林表土密度取值1.18g/cm3 [11]。其估算公式如式(6)所示。

(6)

其中，V1為減少表土損失價值(元/年)；Ac為土壤保持量(噸/年)；P為林地的平均收益(2.82元/m2)；H為表土平均厚度(m)；ρ為表土密度(g/cm3)。

根據(jù)呂曉男等人的實驗測量結(jié)果，浙江省土壤N、P、K的含量(g/kg)分別1.005、0.321、0.456[26]；按1990年不變價，化肥的平均價格為2549元/噸。則，用機會成本法來估算森林保持土壤肥力的價值，其估算公式如式(7)所示[27]。

V2=(1.005+0.321+0.456)*10-3*2549*Ac=4.542Ac

(7)

其中，V2為保持土壤肥力價值(元/年)；Ac為土壤保持量(噸/年)。

森林減輕泥沙淤積的價值可用替代工程法估算。按1990年不變價，江河清淤的成本為2.5元/噸。據(jù)統(tǒng)計，流失的土壤中只有24%淤積于江河、水庫。因此，森林減輕泥沙淤積的價值可用式(8)計算[28]。

V3=20%*Ac*2.5=0.6Ac

(8)

其中，V3為減輕泥沙淤積的價值(元/年)；Ac為土壤保持量(噸)。

由式(6)～式(8)可得森林水土保持的價值，計算如式(9)所示。

Vwsc=V1+V2+V3=9.125Ac

(9)

其中，Vwsc為水土保持價值(元/年)；V1為減少表土損失價值(元/年)；V2保持土壤肥力價值(元/年)；V3為減輕泥沙淤積價值(元/年)。

4 森林ESV空間變異分析

4.1 各市森林ESV構(gòu)成分析

為了解浙江省各市2010年的森林生態(tài)服務(wù)價值，本研究統(tǒng)計了浙江省共11個市的各種生態(tài)服務(wù)價值(VCO表示固碳釋氧價值；Vorg表示有機物生產(chǎn)價值；Vwater表示水源涵養(yǎng)價值；Vnutri表示營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值；Vsoil表示水土保持價值)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 各市各種生態(tài)服務(wù)價值統(tǒng)計表

注：嘉興市的Vsoil為38728.31元，不為0。

由表1可得：各市固碳釋氧價值、有機物生產(chǎn)價值、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值總量排序與森林覆蓋面積完全一致；各市水源涵養(yǎng)價值總量排序與森林覆蓋面積基本一致，只有總量最小的舟山市和嘉興市排序不一致；各市水土保持價值總量排序與森林覆蓋面積差異較大，但是整體趨勢大致一樣。因此，各市各種生態(tài)服務(wù)價值總量主要受森林覆蓋面積的影響：森林覆蓋面積越大，生態(tài)服務(wù)價值總量越大；此外，由于森林ESV還受降水、月均氣溫、森林生長狀況等因素的影響，使得浙江省森林ESV大小排序不完全和面積大小排序一致。

4.2 單位面積森林ESV與植被類型相關(guān)性分析

森林固碳釋氧價值、有機物生產(chǎn)價值、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值由NPP計算而得到。由單位面積NPP的統(tǒng)計關(guān)系(常綠闊葉林(1026.15gC/m2)>落葉闊葉林(722.67 gC/m2)>針闊混交林(631.70 gC/m2)>落葉針葉林(480.21gC/m2)>灌叢(413.11gC/m2)>常綠針葉林(382.12gC/m2))可得不同植被類型單位面積(1hm2)固碳釋氧價值、有機物生產(chǎn)價值、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值的關(guān)系：常綠闊葉林>落葉闊葉林>針闊混交林>落葉針葉林>灌叢>常綠針葉林。

統(tǒng)計單位面積(1hm2)森林水源涵養(yǎng)價值與植被類型的關(guān)系，得到：落葉闊葉林(8718.62元/hm2)>針闊混交林(8439.67元/hm2)>落葉針葉林(6433.01元/hm2)>常綠闊葉林(8085.63元/hm2)>常綠針葉林(7878.28元/hm2)。森林水源涵養(yǎng)價值由降水量和蒸散量共同決定；落葉林在春季和冬季葉片較少、蒸散小，因此落葉針葉林水源涵養(yǎng)價值高于常綠針葉林，落葉闊葉林水源涵養(yǎng)價值高于常綠闊葉林和常綠闊葉林；浙江省針葉林大部分為松樹，葉片表面積與體積的比值小、蒸散小，因此針葉林的水源涵養(yǎng)價值高于闊葉林。

統(tǒng)計單位面積(1hm2)森林水土保持價值與植被類型的關(guān)系，得到：常綠針葉林(1550.23元/hm2)>針闊混交林(1449.31元/hm2)>常綠闊葉林(936.10元/hm2)>落葉針葉林(926.87元/hm2)>落葉闊葉林(751.86元/hm2)。單位面積森林水土保持的價值主要受降水、NDVI、坡度等影響，由于落葉林在冬天NDVI較低，因此落葉林單位面積的水土保持價值低于常綠林；浙江省常綠針葉林年均NDVI等于0.734，而常綠闊葉林年均NDVI等于0.733，因此單位面積常綠針葉林水土保持價值大于常綠闊葉林。

4.3 單位面積森林ESV與GDP相關(guān)性分析

為研究生態(tài)服務(wù)價值與GDP的關(guān)系，本文計算了浙江省共11個市的單位面積森林ESV(元/hm2)(每個市森林生態(tài)服務(wù)價值總和除以森林面積)與各市單位面積GDP(元/hm2)(每個市2010年GDP除以各市的面積)，結(jié)果如表2所示。

表2中，單位面積ESV參照1990年的價格，而單位面積GDP參照的是2010的價格，兩者的最小倍數(shù)都在192.86倍(舟山市)以上。因此，單位面積ESV明顯高于單位面積GDP，提高森林覆蓋率將能有效增加綠色GDP。進一步分析單位面積GDP與單位面積ESV的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)：隨著單位面積GDP的減少，單位面積ESV呈增加趨勢。單位面積GDP與單位面積ESV的散點圖如圖2所示。

表2 各市單位面積森林ESV(1990年)與單位面積GDP(2010年)

圖2 單位面積GDP與單位面積ESV散點圖

分析圖2發(fā)現(xiàn)，單位面積GDP與單位面積ESV呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，負相關(guān)關(guān)系可用直線y=-177.82x+23812來描述，兩者負相關(guān)性明顯，R2=0.7526。在一定程度上表明：GDP的增長是以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價的。

4.4 單位面積森林ESV與高程相關(guān)性分析

為進一步研究生態(tài)服務(wù)價值與高程的關(guān)系，本文計算了浙江省共11個市的單位面積森林ESV(元/hm2)(同上)與各市森林的平均高程(m)(據(jù)統(tǒng)計，浙江省各市最低海拔均為0m，因此平均高程的計算均是以海平面為基準的)。各市單位面積ESV與平均高程的散點圖如圖3所示。

圖3表明，浙江省單位面積ESV與平均高程存在明顯負相關(guān)關(guān)系，兩者的負相關(guān)關(guān)系可用對數(shù)關(guān)系式(y=-2842ln(x)+20574)表示，相關(guān)性顯著，R2=0.7872。分析可知，森林單位面積ESV隨著高程的減小呈增加的趨勢，可能主要是因為低高程常位于山腳，水平坡長(即集水長度)較大，從而使低高程處的森林的水體保持價值偏大；而其他價值的變化與高程關(guān)系不顯著；兩者綜合的結(jié)果使單位面積ESV隨著平均高程的增加呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 單位面積ESV與平均高程散點圖

5 結(jié)束語

本文以氣象站點、輻射站點、MOD13A1、土地覆被圖、蒸散量等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，充分利用GIS、RS技術(shù)，估算了浙江省森林2010年的固碳釋氧價值、有機物生產(chǎn)價值、水源涵養(yǎng)價值、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價值、水土保持價值，分析了各市的森林ESV構(gòu)成，并對單位面積森林ESV與植被類型、GDP、高程的關(guān)系進行了分析。研究表明：

①各市各種生態(tài)服務(wù)價值總量主要受森林覆蓋面積的影響：森林覆蓋面積越大，生態(tài)服務(wù)價值總量越大；此外，森林ESV還受降水、月均氣溫、森林生長狀況等因素的影響。

②單位面積的不同植被類型所能提供的不同類型生態(tài)服務(wù)價值大小存在差異，即單位面積森林生態(tài)服務(wù)價值與植被類型相關(guān)。

③單位面積森林ESV與單位面積GDP呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，且該關(guān)系可用線性關(guān)系式描述；單位面積森林ESV與平均高程也呈負相關(guān)關(guān)系，且該關(guān)系可用對數(shù)關(guān)系式描述。

通過本文研究，雖得到了一系列有意義的結(jié)論，但仍存在諸多不足，主要表現(xiàn)在兩方面：其一，對森林ESV的估算精度取決于NPP、蒸散量等數(shù)據(jù)精度，估算精度有待進一步提高；其二，對森林的生物多樣性價值等方面缺乏考慮，估算體系有待進一步擴展。

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