浙江省森林生態服務價值估算及其空間變異分析

劉東，李艷

(南京大學國際地球系統科學研究所，南京 21009)

1 引 言

生態系統與人類的福祉息息相關，自然生態系統通過自身循環為人類提供源源不斷的淡水、食品、木材、營養物質，同時還有助于控制疾病傳播、廢棄物處理、營養物質循環、氣候調節等。其中，森林生態系統是人類生存和發展的搖籃，森林生態系統能為人類提供生存物質和良好的生存環境[1]。森林生態系統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、分解廢棄物、防風固沙等功能，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。

環境的惡化、生態系統的重要性和科學研究的深入促使人們重新認識生態系統對人類的作用和價值。1981年，Ehrlich等在對“自然服務”和“環境服務”等相關概念進行了統一、歸納后，提出了“生態系統服務(Ecosystem Services)”的概念[3]。1991年，國際科學聯合環境問題委員會(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、生態系統服務功能的研究，同時也推動了生態系統服務經濟價值評估方法的發展。1997年，美國學者Robert Costanza在Nature雜志上發表Thevalueoftheworld’secosystemservicesandnaturalcapital一文，定量地計算了全球16種生態系統類型的17種生態服務功能的貨幣價值[4-6]。此后，越來越多的學者開始了對生態系統服務價值的定量化研究，并提出了越來越多的關于生態系統服務價值的估算方法[7-11]。此外，還有學者提出國內生產總值(Gross Domestic Product，GDP)表示經濟發展水平的局限，并提出綠色GDP的概念，即：用GDP和生態服務價值(Ecosystem Services Value，ESV)的總和來表示區域經濟發展水平[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、森林生態系統的形成，從而使得浙江省的地貌呈現“七山一水兩分田”的特征[13]，即：浙江省森林生態系統面積占浙江省總面積約70%。因此，估算浙江省森林生態服務價值對于構建綠色GDP、從生態經濟的角度評價地區發展有十分重要的意義。此外，森林生態系統的功能存在空間不連續，不同的市縣有著不同的森林生態系統類型、森林面積等[14-16]；因此，對森林生態服務價值的空間變異進行研究，有助于了解森林生態服務價值的空間分布特征，進而為科學管理提供依據[17-18]。

2 數 據

本文參照靳芳等人對森林生態服務價值的分類體系[19]，估算了浙江省森林生態系統2010年的固碳釋氧價值、有機物生產價值、營養物循環價值、水土保持價值和水源涵養價值，并對浙江省森林2010年ESV的構成、空間變異進行了相關分析。本文技術流程圖如圖1所示。

圖1 技術流程圖

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“生態系統固碳現狀、速率、機制和潛力項目”生產的“浙江省2010年土地覆被圖”；NDVI來源于USGS數據共享網下載得到的MOD13A1產品數據。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“西部數據共享中心”。蒸散量來源于863子課題“地表覆蓋數據在陸面生態水文模型中的應用示范及示范系統開發”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

森林生態系統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O2，呼吸作用消耗O2并產生CO2，光合作用、呼吸作用是兩個互逆過程。綠色植物光合作用、呼吸作用的化學方程式如式(1)所示[11]。

12H2O+能量

(1)

其中，C6H12O6可用NPP代替，根據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 有機物生產價值的估算

森林生態系統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，而有機物生產價值可通過能量替代法得到，森林有機物生產價值的估算式如式(3)所示[23]。

(3)

其中，Vorg為有機物生產價值(元/(m2·月))；Mc為植物合成碳的質量(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 水源涵養價值的估算

森林水源涵養總量是森林對降水的持有、蒸發、蒸騰綜合作用的結果，森林對降水持有量可用一段時間內的區域降水量(mm)來表示，蒸發與蒸騰總量可用蒸散量(mm)來表示。森林水源涵養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]，按照固定資產投資價格指數得到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為水源涵養價值(元/(m2·月))；Hwater為水源涵養總量(mm)；Pwater為涵養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 營養物質循環價值的估算

森林綠色植被體內除了存貯C(碳)、H(氫)、O(氧)等元素外，還存儲有大量的N(氮)、P(磷)、K(鉀)營養元素，綠色植被還能夠通過生態過程與外界環境進行元素交換，從而實現N、P、K營養元素的循環。森林營養物質循環功能使得森林具有營養物質循環價值，森林營養物質循環價值可通過影子價格法進行估算。根據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，森林營養物質循環價值估算式如式(5)所示。

(5)

其中，Vnutri為營養物質循環價值(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)。

根據呂曉男等人的實驗測量結果，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。據統計，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構成分析

為了解浙江省各市2010年的森林生態服務價值，本研究統計了浙江省共11個市的各種生態服務價值(VCO表示固碳釋氧價值；Vorg表示有機物生產價值；Vwater表示水源涵養價值；Vnutri表示營養物質循環價值；Vsoil表示水土保持價值)，統計結果如表1所示。

表1 各市各種生態服務價值統計表

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、有機物生產價值、營養物質循環價值總量排序與森林覆蓋面積完全一致；各市水源涵養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，各市各種生態服務價值總量主要受森林覆蓋面積的影響：森林覆蓋面積越大，生態服務價值總量越大；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與植被類型相關性分析

森林固碳釋氧價值、有機物生產價值、營養物質循環價值由NPP計算而得到。由單位面積NPP的統計關系(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、有機物生產價值、營養物質循環價值的關系：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。

統計單位面積(1hm2)森林水源涵養價值與植被類型的關系，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價值高于常綠針葉林，落葉闊葉林水源涵養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價值高于闊葉林。

統計單位面積(1hm2)森林水土保持價值與植被類型的關系，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相關性分析

為研究生態服務價值與GDP的關系，本文計算了浙江省共11個市的單位面積森林ESV(元/hm2)(每個市森林生態服務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的關系可發現：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發現，單位面積GDP與單位面積ESV呈明顯的負相關關系，負相關關系可用直線y=-177.82x+23812來描述，兩者負相關性明顯，R2=0.7526。在一定程度上表明：GDP的增長是以犧牲生態環境為代價的。

4.4 單位面積森林ESV與高程相關性分析

為進一步研究生態服務價值與高程的關系，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)(據統計，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關系，兩者的負相關關系可用對數關系式(y=-2842ln(x)+20574)表示，相關性顯著，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系不顯著；兩者綜合的結果使單位面積ESV隨著平均高程的增加呈現下降趨勢。

圖3 單位面積ESV與平均高程散點圖

5 結束語

本文以氣象站點、輻射站點、MOD13A1、土地覆被圖、蒸散量等為基礎數據，充分利用GIS、RS技術，估算了浙江省森林2010年的固碳釋氧價值、有機物生產價值、水源涵養價值、營養物質循環價值、水土保持價值，分析了各市的森林ESV構成，并對單位面積森林ESV與植被類型、GDP、高程的關系進行了分析。研究表明：

①各市各種生態服務價值總量主要受森林覆蓋面積的影響：森林覆蓋面積越大，生態服務價值總量越大；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服務價值大小存在差異，即單位面積森林生態服務價值與植被類型相關。

③單位面積森林ESV與單位面積GDP呈現負相關關系，且該關系可用線性關系式描述；單位面積森林ESV與平均高程也呈負相關關系，且該關系可用對數關系式描述。

通過本文研究，雖得到了一系列有意義的結論，但仍存在諸多不足，主要表現在兩方面：其一，對森林ESV的估算精度取決于NPP、蒸散量等數據精度，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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