基于三維綠量的林分生態(tài)效益測(cè)算與分析
——以上海浦江郊野公園為例

董艷杰, 萬福緒

(南京林業(yè)大學(xué), 南京 210037)

工業(yè)化、城市化的發(fā)展帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如熱島效應(yīng)、大氣污染、土壤污染、水污染[1]等，綠地作為城市公共設(shè)施的重要組成部分，不僅為居民提供美學(xué)景觀和休閑娛樂場(chǎng)所，而且具有明顯的固碳釋氧、凈化環(huán)境、降溫增濕等生態(tài)效益[2-4]，能明顯改善人居環(huán)境和維護(hù)生態(tài)安全[5]。大量研究表明，生態(tài)效益的好壞與三維綠量具有明顯的相關(guān)性[6]。三維綠量，作為一項(xiàng)衡量綠地質(zhì)量的新興綠化指標(biāo)，可比傳統(tǒng)的平面綠量指標(biāo)(綠化覆蓋率等)更好地評(píng)價(jià)城市公園綠地的生態(tài)效益[7-8]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)效益及價(jià)值評(píng)估的研究，研究尺度大多著眼于區(qū)域[9-10]、省[11]、市[12-13]等大尺度，而本研究限于郊野公園的幾種典型林分類型，研究區(qū)域更小，研究?jī)?nèi)容更加細(xì)致、精確。郊野公園在國(guó)內(nèi)屬于新興概念，因此國(guó)內(nèi)對(duì)郊野公園生態(tài)效益及其價(jià)值的研究較少，從生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度定量評(píng)估其生態(tài)效益價(jià)值的研究更不多見。對(duì)上海浦江郊野公園不同林分類型的生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，能夠從貨幣角度讓人很直觀的看到林分的生態(tài)效益及其價(jià)值，提高人們的環(huán)保意識(shí)，促進(jìn)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的建立[14]，為公園的經(jīng)營(yíng)管理和生態(tài)保護(hù)方案提供指導(dǎo)，為可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供幫助，為全國(guó)生態(tài)GDP核算提供科學(xué)依據(jù)[15]。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

上海市地處東經(jīng)120°52′—122°12′，北緯30°40′—31°53′，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國(guó)南北海岸中心點(diǎn)，長(zhǎng)江和黃浦江入海匯合處。上海屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。上海氣候溫和濕潤(rùn)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。年平均氣溫16.5℃。冬季1月最冷，月平均氣溫3.3℃，較同緯度內(nèi)陸溫和；夏季7月最熱，月平均氣溫27.8℃，又不如同緯度內(nèi)陸炎熱。日照條件較為充足，年日照時(shí)間2 000 h左右。全年無霜期241 d，年降雨量1 200 mm，雨日多達(dá)132 d。降雨的季節(jié)分配較均勻，夏季約占40.1%，冬季占13.0%，約有70%的降雨集中在4—9月。降雨強(qiáng)度多以中小雨為主，春季始于3月，夏季自梅雨開始，進(jìn)入盛夏后，高溫干燥，形成伏旱；秋季金風(fēng)送爽，時(shí)有連綿陰雨；冬季晴朗少雨，北方冷空氣陣陣南下，偶有寒潮侵襲。

上海浦江郊野公園位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)黃浦江東側(cè)、大治河以北，其規(guī)劃總面積為15.29 km2，以“森林游憩、濱水休閑”為主要功能。公園匯集“郊野、藝術(shù)、秋景”三大理念的復(fù)合型功能，園內(nèi)河網(wǎng)水系發(fā)達(dá),杜行老街、自然村落點(diǎn)綴其中，古樹和村莊交相輝映[16]。建設(shè)郊野公園是上海貫徹落實(shí)中央生態(tài)文明戰(zhàn)略、全面提升生態(tài)環(huán)境的重大舉措。選擇上海浦江郊野公園為研究區(qū)，因?yàn)樗巧虾Ｊ心壳伴_放的4個(gè)郊野公園中，距離市中心最近的一個(gè)，是市民最易達(dá)的郊野公園，故對(duì)其典型林分進(jìn)行生態(tài)效益及其價(jià)值研究顯得極為迫切，對(duì)整個(gè)郊野公園的后期運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)地調(diào)查 選取上海浦江郊野公園的5種典型林分：香樟、欒樹、桂樹、無患子、池杉，采用實(shí)際調(diào)查的方法，收集5種林分的林分基本情況和樹種基本情況。林分基本情況包括林分面積、郁閉度(樹冠相對(duì)穩(wěn)定的夏季)、株行距、株數(shù)(表1)；樹種基本情況包括生長(zhǎng)型、樹冠形狀、樹高、胸徑、冠下高、冠高、冠幅(表2)。

林分面積采用實(shí)際測(cè)量繪圖近似計(jì)算所得；郁閉度采用樣點(diǎn)法；株行距、冠幅通過皮尺測(cè)量；樹高和冠下高采用CGQ-1 型測(cè)高儀；胸徑測(cè)定采用測(cè)樹鋼圍尺測(cè)量距地面1.3 m處樹干的直徑；冠形按樹冠立體幾何模型[7]分為：卵形、球形、半球形、圓錐形、圓柱形、球扇形、球缺形。

表1 林分基本情況

表2 樹種基本情況

1.2.2 綠量的計(jì)算 綠化三維量(三維綠量，簡(jiǎn)稱綠量)是指綠色植物的莖、葉所占據(jù)的空間體積[2](單位一般用m3)，綠量的計(jì)算方法比較多，本文采用“以平面量模擬立體量”的方法[17]，選用該方法計(jì)算綠量操作相對(duì)簡(jiǎn)單，誤差小。此種方法源于上海園林綠地調(diào)查研究時(shí)所得出的，該計(jì)算方法相對(duì)誤差一般不大于7%，最大不大于10%[18]。根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況對(duì)植物冠形分類，然后按照相對(duì)應(yīng)冠形的綠量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，不同冠形的三維綠量計(jì)算公式見表3。

1.2.3 生態(tài)效益的計(jì)算 生態(tài)效益的計(jì)算，根據(jù)綠量計(jì)算結(jié)果，結(jié)合“上海市綠化三維量遙感調(diào)查”課題組研究得出的基于綠量的綠化環(huán)境效益標(biāo)準(zhǔn)換算量[19](表4),換算出植物的產(chǎn)氧量、吸收二氧化碳量、吸收二氧化硫量、滯塵量、蒸騰量,從這幾個(gè)方面來評(píng)價(jià)5種典型林分的生態(tài)效益。

表3 三維綠量計(jì)算公式

注：x為冠幅(m)；y為冠高(m)。

表4 基于綠量的綠化環(huán)境效益標(biāo)準(zhǔn)換算量

1.2.4 生態(tài)效益價(jià)值的估算 本研究根據(jù)《中國(guó)生物多樣性國(guó)情研究報(bào)告》[20]中森林固定CO2和釋放O2的成本，我國(guó)分別為273.3元/t和369.7元/t，計(jì)算各林分每年固定CO2和釋放O2的價(jià)值；參照國(guó)家林業(yè)局《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[21]，采用治理成本法[22-23]，治理SO2的費(fèi)用是1 200元/t，清理降塵的費(fèi)用是150元/t，分別估算各林分吸收SO2，滯塵的價(jià)值；按照效益費(fèi)用分析法[24]，蒸騰增濕量根據(jù)灑水車噴灑等量水的成本進(jìn)行估算，參照上海市水務(wù)局公布的居民用水價(jià)格表中自來水價(jià)格1.92元/t，分別估算各林分夏季的蒸騰增濕量的價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種林分的綠量狀況

根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況對(duì)樹種冠形分類，然后按照相對(duì)應(yīng)冠形的綠量計(jì)算公式計(jì)算植物的單株綠量。其中，由于香樟樹形較大、株行距較小，且綠量與胸徑關(guān)系極顯著[25](p<0.01)，故選用胸徑方程計(jì)算單株綠量最為合適，即

Y=0.234X12.134

其中：Y為三維綠量(m3)；X1為胸徑(cm)；

由于桂樹側(cè)枝分叉位置接近地面，樹冠發(fā)達(dá)，故在本研究中視桂樹為灌木。因密植導(dǎo)致枝葉交叉掩映，整體林分樹冠呈立方體，故計(jì)算其三維綠量時(shí)，按照立方體計(jì)算，即用林分面積乘以樹冠平均高度，這種計(jì)算灌木綠量的方法與其他學(xué)者[4,26-27]所用方法一致。

欒樹、無患子、池杉的單株綠量按照表3中三維綠量計(jì)算公式。

結(jié)合各林分株數(shù)或林分面積計(jì)算各林分整體綠量。

綜合上述，各林分單株綠量及整體綠量狀況見表5。

表5 各林分綠量情況

由表5可得，在郁閉度屬于同一等級(jí)[9](0.7以上)的情況下，不同樹種、冠形中，香樟的單株綠量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余4個(gè)樹種，無患子最小，其余幾個(gè)樹種單株綠量相當(dāng)，各林分單株綠量排序?yàn)橄阏?池杉>欒樹>桂樹>無患子，各林分總綠量排序?yàn)橄阏?池杉>桂樹>欒樹>無患子。

2.2 5種林分的生態(tài)效益狀況

根據(jù)以上計(jì)算的綠量結(jié)果，按照表4對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目計(jì)算綠化環(huán)境效益，換算出各林分的產(chǎn)氧量、吸收CO2，吸收SO2，滯塵量、夏季蒸騰量的效益，結(jié)果見表6。

由各林分總生態(tài)效益(表6)可以看出香樟林提供的生態(tài)效益最多，無患子提供的最少，這是因?yàn)橄阏恋臉涔诰G量較其他4個(gè)樹種大很多。在產(chǎn)氧量和吸收CO2量方面，各林分排序?yàn)橄阏?桂樹>池杉>欒樹>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序?yàn)橄阏?池杉>桂樹>欒樹>無患子。

由各林分單位面積生態(tài)效益(表7)可以看出，單位面積產(chǎn)生的生態(tài)效益，香樟依然是最高，無患子也是最小。在產(chǎn)氧量和吸收CO2量方面，各林分排序?yàn)橄阏?欒樹>桂樹>池杉>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序?yàn)橄阏?欒樹>池杉>桂樹>無患子。由于桂樹是常綠樹種，故出現(xiàn)了桂樹單位面積的固碳釋氧量大于池杉，而吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量卻小于池杉的情況。雖然桂樹是灌木，但其單位面積生態(tài)效益卻是無患子的2.7～5倍，這是因?yàn)楣饦鋯挝幻娣e綠量較無患子大。同樣地，雖然欒樹和無患子都屬于無患子屬，且就樹高和胸徑而言，無患子甚至還略大于欒樹，但是欒樹的單位面積生態(tài)效益卻是無患子的6.08倍，這也是因?yàn)闊o患子單位面積綠量太小。

表6 各林分總生態(tài)效益

表7 各林分單位面積生態(tài)效益

表8 各林分總生態(tài)效益價(jià)值

注：年蒸騰日數(shù)，常綠植物按365 d計(jì)算，落葉植物按照180 d計(jì)算。

2.3 5種林分的生態(tài)效益的價(jià)值狀況

按照上述生態(tài)效益的價(jià)值估算方法，計(jì)算得出的各林分的年生態(tài)效益價(jià)值見表8。

由表8可以看出各林分總生態(tài)效益價(jià)值，香樟最高、無患子最小，這是因?yàn)榱址挚偩G量和總生態(tài)效益香樟最大、無患子最小。各個(gè)林分總生態(tài)效益價(jià)值的貢獻(xiàn)主要來源于產(chǎn)氧量、吸收CO2量、滯塵量(TSP)和夏季蒸騰量，吸收SO2量的生態(tài)效益價(jià)值很小，幾乎可以忽略不計(jì)，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是空氣中SO2含量較少，樹木只能吸收林分附近有限距離內(nèi)的少量SO2，且樹木吸收SO2的能力有限。5個(gè)林分在總面積不到1 hm2的情況下，總生態(tài)效益價(jià)值高達(dá)23.07萬元。香樟對(duì)總生態(tài)效益的貢獻(xiàn)率高達(dá)81%，這是因?yàn)橄阏恋膯沃昃G量最大，且林分面積較大。各林分總生態(tài)效益價(jià)值排序?yàn)橄阏?桂樹>池杉>欒樹>無患子。同一林分的各生態(tài)效益價(jià)值排序相同，均為吸收CO2量>產(chǎn)氧量>夏季蒸騰量>滯塵量(TSP)>吸收SO2量。

由各林分單位面積生態(tài)效益價(jià)值(圖1)可以看出，各林分單位面積的生態(tài)效益價(jià)值，香樟最高、無患子最小，這是因?yàn)閱挝幻娣e的綠量和生態(tài)效益都是香樟最大、無患子最小。各個(gè)林分單位面積吸收SO2量的生態(tài)效益價(jià)值很小，幾乎可以忽略不計(jì)。各林分的單位面積總生態(tài)效益價(jià)值排序?yàn)橄阏?欒樹>桂樹>池杉>無患子。總體來講，產(chǎn)氧量和吸收CO2量產(chǎn)生的生態(tài)效益價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種生態(tài)效益產(chǎn)生的價(jià)值，說明在所研究的5種生態(tài)效益中，林木光合作用為環(huán)境提供重要價(jià)值；吸收SO2量的生態(tài)效益價(jià)值小到幾乎可以忽略不計(jì)；桂樹、池杉單位面積綠量和生態(tài)效益接近，故5種生態(tài)效益的價(jià)值也都相差無幾。單位面積的生態(tài)效益價(jià)值不同林分排序相同，均為吸收CO2量>產(chǎn)氧量>夏季蒸騰量>滯塵量(TSP)>吸收SO2量。

圖1 各林分單位面積生態(tài)效益價(jià)值

3 結(jié)論與討論

本次研究所選5個(gè)典型林分的5種生態(tài)效益，在總面積0.648 5 hm2的情況下，創(chuàng)造的生態(tài)效益價(jià)值為23.07萬元，合35.57萬元/hm2，整個(gè)郊野公園占地15.29 km2，按照我國(guó)公園設(shè)計(jì)規(guī)范，綠地率必須達(dá)到65%以上，考慮到本研究未選擇草本類植物，按照最低標(biāo)準(zhǔn)65%進(jìn)行核算，浦江郊野公園林分產(chǎn)生的生態(tài)效益價(jià)值約為3.54億元，綠地產(chǎn)生的生態(tài)效益價(jià)值是不可估量的。單位面積產(chǎn)生的生態(tài)效益，香樟最高，無患子最??；在產(chǎn)氧量和吸收CO2量方面，各林分排序?yàn)橄阏?欒樹>桂樹>池杉>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序?yàn)橄阏?欒樹>池杉>桂樹>無患子；各林分的單位面積總生態(tài)效益價(jià)值排序?yàn)橄阏?欒樹>桂樹>池杉>無患子。

三維綠量，作為一項(xiàng)衡量綠地質(zhì)量的新興綠化指標(biāo)，打破了傳統(tǒng)的平面綠化指標(biāo)(綠化覆蓋率等)的局限性[7]，能更好地反映綠地的空間結(jié)構(gòu)[28]，對(duì)量化城市綠地的生態(tài)效益具有重要意義。本研究通過結(jié)合三維綠量對(duì)上海浦江郊野公園典型林分的生態(tài)效益測(cè)算與分析，結(jié)果表明：

(1) 生態(tài)效益、生態(tài)效益價(jià)值均與綠量成正比例關(guān)系，綠量越大，其對(duì)應(yīng)的生態(tài)效益和生態(tài)效益價(jià)值也越大，這與王萍[15]、陳翠玉等[23]研究結(jié)果相符。影響綠量的因素有很多，樹種類型、生長(zhǎng)型、樹冠形狀、林齡、郁閉度、林分面積、株行距等。就生態(tài)效益和生態(tài)效益的價(jià)值而言，常綠樹種>落葉樹種；喬木>灌木>草本。郊野公園今后的樹種配置要考慮這些因素，將能產(chǎn)生更大的效益和價(jià)值。

(2) 香樟作為常綠喬木，對(duì)總生態(tài)效益價(jià)值的貢獻(xiàn)率高達(dá)81%，單位面積生態(tài)效益價(jià)值，香樟分別是欒樹、桂樹、無患子、池杉的2.1，2.7，12.9，3.4倍，這是由于其單株綠量和單位面積綠量較大，故對(duì)生態(tài)效益和生態(tài)效益價(jià)值的貢獻(xiàn)也最為突出。這與張艷麗[29]對(duì)成都沙河廊道植物群落及生態(tài)效益的研究結(jié)果相符。在浦江郊野公園的后期規(guī)劃中，種植香樟等綠量較大的常綠喬木樹種，能在有限的土地上產(chǎn)生更大的生態(tài)環(huán)境效益和價(jià)值。

(3) 雖然桂樹作為灌木，長(zhǎng)勢(shì)較無患子矮很多，但其單位面積生態(tài)效益和價(jià)值卻是無患子的2.7～5.5倍，這是因?yàn)楣饦鋯挝幻娣e綠量較無患子大。同樣地，雖然欒樹和無患子都屬于無患子屬，且就樹高和胸徑而言，無患子甚至還略大于欒樹，但是欒樹的單位面積生態(tài)效益卻是無患子的6倍，這也是因?yàn)闊o患子單位面積綠量太小。綜合以上，在園林綠化的樹種配置上選擇常綠灌木比選擇樹冠體積較小的喬木能提供更多的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

綠地作為城市公共設(shè)施的一部分，具有明顯的生態(tài)效益，如改善小氣候、凈化空氣等[2-4]。本文對(duì)上海浦江郊野公園典型林分的生態(tài)效益進(jìn)行貨幣化估算，結(jié)果表明：

(1) 5個(gè)林分香樟、欒樹、桂樹、無患子、池杉的單位面積固碳釋氧量的價(jià)值占總生態(tài)效益價(jià)值比重較大，分別為83%、80%，83%、80%和80%。李英[30]等人對(duì)伊春林區(qū)生態(tài)效益價(jià)值的研究結(jié)果中固碳釋氧價(jià)值占總生態(tài)效益價(jià)值的比重較大，這與筆者研究結(jié)果一致。說明林木具有極強(qiáng)的固碳釋氧能力，更說明其作為天然氧吧的重要性和為居住環(huán)境帶來的巨大的生態(tài)效益。郊野公園的后期活動(dòng)項(xiàng)目策劃在林中布置，能使人舒緩身心、放松自我，極大的發(fā)揮郊野公園的野趣效果。

(2) 林分單位面積吸收SO2產(chǎn)生的價(jià)值占總生態(tài)效益價(jià)值的比重為0.1%～0.2%，說明僅僅通過種樹來改善空氣中的SO2含量，效果不佳，可以在人工治理的基礎(chǔ)上通過種樹來輔助治理改善空氣中的SO2濃度。

(3) 近年來，夏季高溫酷暑對(duì)人們工作學(xué)習(xí)的影響也愈加明顯，城市綠地的夏季蒸騰降溫增濕效應(yīng)研究得到重視[1]，本研究中5個(gè)林分在總面積0.648 5 hm2的情況下，夏季日蒸騰增濕量43.43 t，相當(dāng)于灑水車灑43.43 t水產(chǎn)生的增濕效果。從中不難看出，林分的降溫增濕價(jià)值很高，所以，夏季在林中舉行各種游樂項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)更為明顯，能明顯提高人體舒適度，符合國(guó)家節(jié)能減排，低碳環(huán)保的綠色理念。