舟山海域生態系統服務能值價值評估

趙 晟，李夢娜，吳常文

國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江海洋學院, 舟山 316000

舟山海域生態系統服務能值價值評估

趙 晟*，李夢娜，吳常文

國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江海洋學院, 舟山 316000

能值作為一種以生態系統為中心的量化方法，其核心建立在對生態系統的各種輸入分析基礎之上，是一種典型的供給者方法。而生態系統服務屬于系統的輸出，是人類獲得的福祉，辨別及量化生態系統服務(生態系統輸出)的方法稱之為使用者方法。以海域生態系統的供給、調節、文化和支持四類服務體系框架為基礎，以生態系統的輸出(生態系統服務)為出發點，計算了舟山海域生態系統服務的能值貨幣價值，為運用能值方法(供給者方法)來量化生態系統服務(使用者方法)提供一種新的思路。結果表明：舟山海域生態系統服務單位面積年能值貨幣價值為1.1297 能值元/m2。在所評價的四類生態系統服務價值中，支持服務占總價值的55.00%，其次是文化服務占總價值的20.82%，調節服務占總價值的20.08%，供給服務最小，僅占總價值的4.09%。研究結果為開發、利用、管理舟山海域生態系統提供了重要的信息。

海域生態系統; 生態系統服務; 能值評估; 舟山

We present a possible approach to using the emergy method (a donor-side approach) by valuing the ecosystem services (a user-side approach). This paper classifies the ecosystem goods and services provided by the Zhoushan marine area into four categories: production services, regulating services, cultural services, and supporting services. We performed this study on the valuation of eight marine ecosystem services: food provision, climate regulation, gas regulation, water quality purification, education and science research, biological control and biodiversity maintenance.

Using the method of emergy analysis, this paper estimated the emergy value of ecosystem services in the Zhoushan marine area. Emergy synthesis is viewed as a “donor-side” evaluation approach because it values items based on energetic inputs, as opposed to consumer preferences. The use of the emergy synthesis method to value ecosystem services provides a stronger basis for management policies as it ensures that the global dynamics of the biosphere are taken into proper account from a “donor-side” perspective. The concept of the “donor-side” is based on the analysis of ecosystems by considering inputs. Emergy synthesis identifies the value of the natural resource in terms of its “donor-side” value. This value then can be used to understand the environmental work needed directly or indirectly to generate a resource, goods, or flow of an economic product.

Ecosystem services are the conditions and processes through which natural ecosystems, and the species that comprise them, sustain and fulfill human life. These "outputs" of the ecosystem provide the goods and services to be directly or indirectly used, or to provide benefits for humans and other species. An ecosystem services approach is a “user-side” approach that has recently been developed and describes ecosystems in terms of their useful outputs. In such “user-side” approaches it is important to define the user, mainly to identify which outputs to consider and the criteria that guide this consideration. Taking this approach, the outputs of systems are related to ecosystem functions, which provide services to be used by humans. This view of the use of ecosystems means that services are valued by means of environmental economic methodologies. These approaches most often assess only non-renewable resources, depending on what human technologies are able to extract from them (a user-side view). In contrast, emergy synthesis is a “donor-side” value approach, and our approach here attempts to combine the two. The calculation of value is related to the work done by ecosystems to produce goods and services that support the economy. The emergy synthesis approach is not an alternative method used to value the ecosystem services. Instead, it is a supplementary and systemic approach to highlight the mechanisms through which services are produced by different systems.

Starting with energy and matter flowing out of an ecosystem (user-side), we present our method in a very schematic way. We use the emergy evaluation (donor-side) approach to quantify marine ecosystems services (output, user-side) in the Zhoushan marine area. The emergy method has been established as a way to properly value ecosystem services. As a “donor-side” approach, the emergy method provides an eco-centric value based on the input that supports a system, rather than the output (ecosystem services) that is useful for humans. The latter approach has been criticized as possibly being erroneous for valuing ecosystem services.

In this paper, the mass or the matter that is related to the ecosystem services (output) was translated to a common unit using the emergy method. The results indicated that the total emergy economic value of ecosystem services in the Zhoushan marine area was 1.1297 Em￥/m2. These indicative results from the valuation of a few services in the Zhoushan marine ecosystem suggest that the marine area is of significant importance to humans.

近年來，隨著社會經濟的發展、人口的增長以及人口向海岸帶地區集中的大趨勢使近岸海域生態系統承受的壓力日益增大，許多生態系統服務正在銳減，直接影響到人類的生活和社會發展[1]。從學術界看，了解并恰當估價生態系統服務已成為研究熱點之一[2- 11]。從政府部門來看，對于海域生態系統服務的質量與可持續性也越來越重視，生態系統服務理論將成為指導海域生態建設和生態規劃的重要理論之一[12]。認識到生態系統服務的重要性后，就需要尋找適合的量化方法。通過貨幣來衡量生態系統服務的價值，其結果比較容易被決策者和普通大眾所接受，能夠為政府部門決策提供科學的依據。但對貨幣評估的合理性還存在很多爭議[13- 15]。主要原因是大多數生態系統服務或產品缺少市場價格，即使有，也不是生態系統服務價值的真實反映[16]。因此，H.T. Odum[17]認為貨幣僅僅支付的是人類活動的貢獻，而生態系統的貢獻并未在貨幣價值中體現，他認為最佳的評價方式是以能量作為共同的評價標準。

H.T. Odum[18- 20]利用能量系統理論發展了一套完整的生態經濟系統評價方法，即能值綜合方法，以能值為共同單位為評估系統中不同類型的能量與物質流動提供一種有效的工具。能值是“一種流動或儲存的能量所包含的另一種類別能量的數量，即產品或勞務過程形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能的總量，單位是太陽能值焦耳(seJ)”[20]。能值轉換率用來表示系統中不同能量類別的能量的品質，即產生一單位能量所需要的另一種類型的能量的量，即單位某種能量所含能值之量[19]。實際應用中常使用太陽能值轉換率，即單位某種能量所含太陽能值之量，單位為太陽能焦耳/焦耳，太陽能焦耳/克(seJ/J，seJ/g)。一旦某種能量類型的能值轉換率知道了，就可以用下式來計算其能值：能值=能量(J)×能值轉換率(seJ/J)。能值也可以表示為公眾熟悉的貨幣價值，即能值貨幣價值(Em$, 或Em￥)。其計算方法是將輸入經濟系統或經濟生產活動的某種能值的量除以能值貨幣比率。能值貨幣價值是系統真正財富的衡量，不僅包括支付給人類勞動的價值，還包括了生態系統提供的各種服務。有關能值綜合分析方法詳細論述見[20- 25]。本文以Millennium Ecosystem Assessment (MA)[26]，Beaumont等人[6]和Hein等人[27]有關生態系統服務框架為基礎，通過能值分析方法，評估了舟山海域生態系統服務的能值貨幣價值。

1 方法

能值方法的出發點是將系統看成是由外界各種能量和物質不斷輸入來維持其正常運作的一個等級系統，各種外界輸入的能量或物質的數量和質量可通過能值轉換率轉變成統一的能值單位——能值(seJ)，然后以能值為共同單位來對系統進行描述、分析。因此，能值分析是一種建立在對系統各種輸入進行評估的方法，稱之為供給者方法[28- 30]。生態系統功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[31]，這些功能可以為人類直接或間接提供各種產品和服務，人類獲得的這些產品和服務是生態系統的輸出，各種量化生態系統服務(生態系統輸出)的方法稱之為使用者方法。很多學者認為能值是評估生態系統服務的一種非常有效的方法[32- 34]；同時，一些學者認為[35- 36]，能值評估生態系統服務時是建立在對生態系統的各種輸入分析的基礎上，而生態系統服務屬于系統的輸出，是人類從中獲得的福祉(或者說人們愿意為此服務進行支付)。因此，他們認為能值評估實際上并沒有對人類從生態系統服務(系統輸出)中獲得的各種效益進行評估，用能值來評估生態系統服務可能并不是一個正確的選擇[37]。本文，以生態系統輸出端(即生態系統服務)為出發點，構建了以能值方法為基礎的生態系統服務價值評估方法(圖1)。

圖1 基于能值綜合方法的生態系統服務價值評估框架圖Fig.1 The schematic valuation of ecosystem services based on emergy

首先確定人類從海域生態系統中獲得的各種服務的種類及數量。因為每一種生態系統服務總是會同某種(一個或多個)生態系統過程或功能相聯系，而這種過程總是同一定的物質、能量、信息流相聯系，所以這些物質、能量或信息的具體數量(比如當衡量供給服務時，用人們獲得的產品的產量來衡量)就可以作為量化生態系統服務的數據基礎。其次，將這些收集到的數據與各自的能值轉換率相乘，就可以將這些不同類型的數據轉換成相同的單位——能值，能值除以能值貨幣比率，得到能值貨幣價值，并以此數值作為生態系統服務的價值。下面以海域生態系統的供給、調節、文化和支持四類服務為基礎，構建了生態系統服務的能值貨幣價值評估方法。

(1)食品生產(供給服務)

食品生產是指海域生態系統為人類提供可食用產品的服務。食品生產服務具體包括提供各種海產魚類、貝類、蟹類、蝦類、頭足類、棘皮類、大型和微型藻類以及其它可食用的海產食品。

其計算公式為：

(1)

式中，Vf為單位面積海域食品生產服務的能值貨幣價值(能值元，Em￥)；Q為研究海域海產品的產量；Ts為海產品的能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(2)氣候調節(調節服務)

海域生態系統對氣候的調節服務主要體現對大氣中溫室氣體含量的調節，全球眾多的研究均表明，CO2對全球氣溫升高的貢獻居各種溫室氣體之首[38]。Melillo等[39]的研究顯示CO2的這一貢獻高達70%。所以在評估海域生態系統的氣候調節服務時，考慮海域生態系統對大氣中CO2含量的調節服務。

其計算公式：

(2)

式中，VC為單位面積海域氣候調節服務的能值貨幣價值(能值元，Em￥)；C為研究海域CO2的固定數量；Tc為CO2的能值轉換率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(3)氣體調節(調節服務)

該服務的評估主要考慮海域生態系統對CO2的吸收和初級生產者通過光和作用產生O2對維持大氣化學組分穩定的價值。其中對CO2吸收的價值在氣候調節服務中已經計算，故在此只考慮產生氧氣的能值價值。其計算公式為：

(3)

式中，Va為單位面積海域氣體調節服務的能值貨幣價值(能值元，Em￥)；QO2為研究海域產生的氧氣量；TO2為氧氣的能值轉化率。Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(4)生物控制(調節服務)

海域生態系統的生物控制服務正常發揮作用時，人們不易察覺。只有當這一服務被削弱或受損時，才會有明顯的感受(例如赤潮發生等)。通過漁業資源最大可持續產量來評估這一服務的價值[40]。在海域生態系統物質循環和能量流動中，各營養級生物存在“上行效應”和“下行效應”。此方法正是利用較低營養級生物對漁業資源發揮的調控作用，來評估整個海域生態系統的生物控制服務價值。這一方法的基礎是基于漁業的資源量評估，較低營養級生物對漁業資源所發揮的調控作用價值至少是潛在漁業資源量價值的30%[4]。具體計算公式為：

(4)

式中，Vbc為單位面積海域生物控制服務的能值貨幣價值(能值元，Em￥)；Qpc為研究海域潛在漁業資源量；Tf為漁獲物的能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(5)教育科研(文化服務)

海域生態系統的教育科研價值體現在通過開展海洋科學研究、普及海洋知識、培養海洋人才等教育科研活動所帶來的國民經濟的增長和人民福利的提高。從海洋基礎理論研究和軟科學研究和海洋教育兩個方面來評估海域生態系統的教育科研價值。

1)海洋基礎理論研究

海洋基礎理論研究以發表科技論文為主要的成果體現形式。具體計算公式：

(5)

式中，Vp為單位面積海域基礎研究能值貨幣價值(能值元，Em￥)；Qp為涉及研究海域的論文數量；Tp為論文的能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

2)海洋教育

廣義地講，海洋教育包括學校教育、公眾宣傳等不同類型。在本評估中，僅考慮海洋相關專業的普通高等學校教育，用它來代表海域生態系統在海洋教育方面的價值。具體計算公式：

(6)

式中，Vs為單位面積海域海洋教育能值貨幣價值(能值元，Em￥)；Qs為研究海域高校海洋相關專業在校學生人數；Ts為學生能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(6)廢棄物處理(支持服務)

海域生態系統的廢棄物處理功能主要是指其對各種排海廢棄物的降解、轉化和消除的能力。這些廢棄物主要是人類活動產生的各種排海廢水。根據我國多年的海洋環境質量公報，均表明無機氮和活性磷酸鹽始終是我國海域的主要污染物。海域生態系統中的浮游藻類，在初級生產的同時，可以吸收固定海水中的氮和磷，對處理氮、磷等污染物發揮作用。因此，這里考慮浮游植物吸收氮磷的量作為計算基礎數據。具體計算公式：

(7)

式中，Vw為單位面積海域廢棄物處理服務的能值貨幣(能值元，Em￥)價值；Qw為研究海域浮游植物吸收氮(磷)的數量；Tw為氮(磷)的能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

(7)物種多樣性維持(支持服務)

海域生態系統通過其組分與生態過程維持物種多樣性水平的服務。這一服務主要包括海域生態系統維持自身物種組成、數量的穩定，為系統內物質循環和能量流動提供生物載體，并對其它服務的供給提供支撐。具體計算公式：

(8)

式中，Vd為單位面積海域物種多樣性維持的能值貨幣價值(能值元，Em￥)；Qd為研究海域物種種類數量；Td為物種的能值轉化率；Emr為能值貨幣比率；S0為研究海域的面積。

2 結果——案例研究

舟山海域(行政區屬舟山市)位于我國海岸線的中部，浙江省的東北部，長江、錢塘江、甬江三江入海口，是江海聯運和長江流域走向世界的主要海上門戶。地理位置介于29°32′—31°04′N，121°30′—123°25′E之間，海域面積20800km2，海岸線漫長，總長度達2448km。海域內盛產魚、蝦、貝、藻類等海水產品500多種，是全國最大的漁場。根據第2節的公式(1—8)，對舟山海域的食品生產、氣候調節、氣體調節、生物控制、教育科研、廢棄物處理和物種多樣性等服務的能值貨幣價值進行了計算(表1)。

(1)食品生產(供給服務)

2007年舟山市海水養殖總產量為115861t(舟山2008年統計年鑒)，海產品能值轉換率3.35×106seJ/J[42]，根據公式(1)計算得到單位面積海域食品生產的能值貨幣價值為0.0462Em￥/m2。

(2)氣候調節(調節服務)

根據李國勝等人[43]關于東海初級生產力研究，舟山海域的年平均初級生產力大于400gm-2a-1，本文采用400gm-2a-1作為舟山海域初級生產力的最低保守值，則每年單位面積固定CO2量為400gm-2a-1，CO2能值轉換率8.85×107seJ/g[44]，根據公式(2)計算氣候調節的能值價值為3.96×108元，單位面積海域氣候調節的能值貨幣價值為0.0191Em￥/m2。

表1 舟山海域生態系統服務能值價值Table 1 Emergy valuation of ecosystem services in Zhoushan marine area

能值貨幣比率：1.2080×1013seJ/$[41],人民幣美元匯率：1$=6.5￥

(3)氣體調節(調節服務)

根據李國勝[43]的研究結果，舟山海域的年平均初級生產力大于400 g m-2a-1，本文采用400g m-2a-1作為舟山海域初級生產力的最低保守值，則每年單位面積釋放氧氣292g m-2a-1，氧氣能值轉換率8.65×107seJ/g[45]，根據公式(3)計算氣體調節的能值貨幣價值為2.83×108Em￥，單位面積海域氣體調節能值貨幣價值為0.0136 Em￥/m2。

(4)生物控制(調節服務)

根據倪海兒等[46]研究結果，舟山海域最大可持續漁業資源量為48.6678×104t/a，海產品能值轉換率3.35×106seJ/J[42]，根據公式(4)計算生物控制的能值貨幣價值為4.04×109Em￥，單位面積海域生物控制能值貨幣價值為0.1942 Em￥/m2。

(5)教育科研(文化服務)

在中國期刊文獻數據庫(http://www.edu.cnki.net/newweb/)中，以舟山海域為主題詞檢索2006年到2010年5年期間發表的學術論文，檢索結果共計2466篇，平均每年493.2篇，以這些學術論文的能值貨幣價值作為海洋基礎理論研究的服務價值，論文的能值轉換率1.17×1018seJ/篇[47]，根據公式(5)單位面積海域的海洋基礎研究能值貨幣價值為0.0150 Em￥/m2。

根據舟山市統計年鑒，2007年舟山高校海洋相關專業在校學生人數為17783人，學生的能值轉換率4.79×1017seJ/人[42]，根據公式(6)計算海洋教育的能值貨幣價值為4.58×109Em￥，單位面積海域的海洋教育能值貨幣價值為0.2203 Em￥/m2。

上述2項代表了教育科研的服務價值，小計為4.89×109Em￥，單位面積海域能值貨幣價值為0.2352 Em￥/m2。

(6)廢棄物處理(支持服務)

Redfield等的研究發現，浮游植物是按一定比例從海水中吸收氮、磷等生源要素的[48]。這一比例為C∶N∶P=106∶16∶1，即浮游植物固定l mol C的同時還吸收了16 mol的N和l mol的P。根據舟山海域初級生產固定碳量400 g m-2a-1，即可得出浮游植物吸收的氮、磷量分別為70.44 g m-2a-1和9.75 g m-2a-1。氮、磷的能值轉換率分別為1.51×109seJ/g和1.36×1010seJ/g[49]，根據公式(7)計算廢物處理的能值貨幣價值為2.67×109Em￥，單位面積海域廢物處理的能值貨幣價值為0.1285 Em￥/m2。

(7)物種多樣性維持(支持服務)

舟山海域海洋生物種類共1163種(《舟山海域海洋生物志》)，海洋生物能值轉換率1.64×1019seJ/種[50]，根據公式(8)計算得到物種多樣性維持的能值貨幣價值為1.03×1010Em￥，單位面積海域的物種多樣性維持的能值貨幣價值為0.4929 Em￥/m2。

從表1中可見，舟山海域單位面積生態系統服務的能值貨幣價值為1.1297 Em￥/m2。其中，支持服務最大，其值為0.6214 Em￥/m2，占總價值的55.00%，說明支持服務是舟山海域最主要的生態系統服務。其次是文化服務為0.2352 Em￥/m2，占總價值的20.82%，調節服務0.2269 Em￥/m2，占總價值的20.08%，供給服務相對比較小，只有0.0462 Em￥/m2，只占總價值的4.09%。

3 結論

近年來，舟山市初步形成了以臨港工業、港口物流、海洋旅游、現代海洋漁業等以“海”為核心的開放型經濟體系。2011年舟山群島國家級新區獲國務院批準，其定位為海洋經濟發展的先導區、海洋綜合開發試驗區和長江三角洲地區經濟發展的重要增長極。可以預見，未來舟山海域生態系統將面臨更多的來自人類經濟系統的壓力，對其服務價值進行量化，可以使人們充分認識和理解海域生態系統服務對人類發展的重要性，為海洋資源可持續利用、政府管理決策和舟山群島新區海洋經濟發展提供有價值信息。從宏觀角度來說，服務價值量化可以讓我們進一步認識到海域生態系統對于人類發展的重要性，在制定區域經濟社會發展規劃中(比如人類活動造成的生態系統服務價值的損失、自然資本的退化等引入區域環境經濟綜合核算體系)認識到海洋環境問題的重要性。從微觀角度來說，可以使我們更好地了解具體的涉海工程實施所帶來的全部成本(包括海域生態系統損失)和效益。對生態系統服務價值進行全面的量化，可以促進決策者更好的管理生態系統使其不斷地提供有價值的產品和服務。

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Emergy valuation of ecosystem services in the Zhoushan marine area

ZHAO Sheng*, LI Mengna, WU Changwen

Nationalengineeringresearchcenterofmarinefacilitiesaquaculture,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316000,China

Marine ecosystems provide a variety of ecological functions that directly or indirectly translate to economic services and values to humans in the Zhoushan marine area. These ecological functions support fish populations that constitute a significant source of protein, sustain ecosystem stability by conserving biodiversity and mitigating climate change through carbon sequestration, act as sinks for byproducts of industrial or agricultural production, and provide recreational and aesthetic benefits. However, ecosystem services have not been fully recognized or adequately quantified in past accounts of economic or social development. Rapid population growth and human development, such as reclaiming land from the sea and over-exploitation of marine resources, have resulted in degradation of resources, which in turn affects delivery of ecosystem functions and services.

marine ecosystems; ecosystem services; emergy valuation; Zhoushan

國家自然科學基金(40971295, 41001001, 41206088); 浙江省科技廳項目(2009C33083); 國際科技合作項目(2009DFB20290, 2010DFA32920)

2013- 04- 08;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201304080629

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaosh@zjou.edu.cn

趙晟，李夢娜，吳常文.舟山海域生態系統服務能值價值評估.生態學報,2015,35(3):678- 685.

Zhao S, Li M N, Wu C W.Emergy valuation of ecosystem services in the Zhoushan marine area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):678- 685.