基于森林生態服務價值的流域生態補償標準研究

趙佳奇，卯昌書，張 劍，付意成

(1. 寧夏大學，銀川 750021; 2. 云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021; 3.中國水利水電科學研究院，北京100038)

0 引 言

生態系統服務價值作為益于人類發展的服務功能，其供應影響所有制度層面的利益相關者。流域生態服務價值(ES)測算過程中的主要問題為價值不被識別，數據不能具體支持當地環境決策的制定。ES在空間上并非均勻分布，并且以不同的速率流動，導致生態服務與其受益者在時空層面存在不匹配現象[1,2]。學者根據生態服務類別和水資源綜合管理的理念，對流域層面的生態系統服務進行評價[3-5]。生態系統變化的間接和直接驅動因素可能會削弱流域上游的生態服務提供量。驅動因素包括人口、經濟、社會政治、技術、物理或生物因素。因服務價值提升或退化與特定的土地所有者或土地管理機制相關，環境服務提供者、受益者和價值流動在環境政策中被識別和承認可以促進資源的空間再分配，實現生態景觀有形。制定生態服務功能貨幣價值評價方法在環境政策實施中的作用至關重要。支持所有ES利益相關者(用戶和提供者)參與評估是維護生態系統服務功能、平等分配供需預算的成本和收益的重要環節。

基于流域層面，森林生態系統通常是一系列環境服務的主要提供者，如供水調節、土壤保育和固定、氣候調節、棲息地供應、糧食生產和娛樂服務[6-8]。以往研究表明，河流下泄水量的增加與小流域(<1 km2)和較大流域(>700 km2)的森林砍伐或森林價值轉換有關；下游用水戶應補償上游森林保護地區的涵養水源功能和調節水量的成本付出[9,10]。學者在飲用水處理成本和森林覆蓋率間建立量化的對應關系，處理成本的變化很大程度上受制于水源區中森林覆蓋率百分比變化。森林和濕地覆蓋率較高的流域在減少和延遲徑流、凈化水質方面特別有效。世界各地對森林生態系統服務功能從不同的尺度進行研究[11-13]。

森林生態系統不僅為民眾生存提供各種原料、產品，還具有凈化污染、調節氣候、保持水土、涵養水源等多種生態服務價值，對流域及周邊區域民眾生存和社會活動有所貢獻的所有森林生態系統提供的產品和服務統稱為森林生態系統服務。森林生態服務價值評估本質上是對外溢于傳統市場之外的成本和效益的測度，并通過相應的補償方式將外部性納入經濟行為人的決策之中，從而實現社會不同主體生態友好的行為方式。但就當前的實際情況來看，由于采用的指標、價值的估算尚缺乏統一的標準，并且按照現有的計算理論和方法所得出的生態效益計算結果往往偏大，難以為社會所接受。因此，生態服務價值的合理測算是確定生態補償標準限值的前提。生態系統及其服務功能的特征尺度決定了生態補償問題的空間尺度。本文以流域水生態服務價值種類及計算方法為依據，在綜合比較多種計算方法適用范圍和計算成果可靠性的基礎上，給出流域森林生態系統價值評估方法。結合流域森林生態系統服務價值與流域生態補償標準間的對應關系，在考慮到研究區下游受益區的支付能力和支付意愿，合理確定流域生態補償上限。

1 研究區概況

珊溪水庫截飛云江干流而成，位于文成縣珊溪鎮，集水面積為1 529 km2，總庫容18.24 億m3，正常庫容12.91 億m3，珊溪(趙山渡)庫區有玉泉溪、泗溪、峃作口溪、黃坦坑、三插溪、洪口溪、莒江溪等14條主要支流。珊溪水庫水系分布，見圖1。

圖1 珊溪水庫水系圖Fig.1 The river system of Shanxi reservoir

飛云江流域上游森林覆蓋率高，森林覆蓋率達73.25%，2015年，珊溪水庫降水量為2 068.2 mm，年蒸發量為1 643.1 mm(約為年降水量的79%)，庫區森林總面積為16.638 9 萬hm2，具有水源涵養功能的林地面積為13.99 萬hm2。草地、濕地資源分布較小，并且多分布在森林區域邊緣或河岸帶周邊。珊溪水庫上游水源保護區，行政區涉及泰順縣、文成縣和瑞安市，所在地區的各鄉鎮經濟特征以農業經濟為主，工業基礎薄弱；水庫下游為溫州市區。溫州市近年來加大對珊溪水庫上游庫區流域生態保護力度，2011年出臺《溫州市生態補償專項資金使用管理辦法》，設立專項資金重點支持珊溪水庫集雨區生態補償，將庫區群眾生活補償逐步納入生態補償專項資金使用范圍。

2 森林生態服務價值測算

2.1 測算方法

筆者借助遙感技術對森林生態系統類型進行劃分，綜合利用數字化分析技術，評估珊溪水利樞紐庫區森林生態服務價值，評估內容包括氣候調節、營養物質循環、凈化環境、提供產品、涵養水源、保育土壤、保護生物多樣性、文化旅游、森林防護9方面。珊溪水庫森林生態系統具有供給、調節、文化和支持服務4 種服務功能，由此衍生出的評估指標體系及方法見表1。

表1 珊溪水庫庫區森林生態系統服務功能價值評估計算方法Tab.1 Evaluation method of forest ecosystem service value in Shanxi reservoir

(1)水源涵養。森林涵養水源指通過林冠、地被物及土壤截留降水、緩和地表徑流、增強下滲、削減洪峰等調整森林水量的“時空”分布格局。公益林通過林冠截留、枯枝落葉層截持、林地土壤對水分調節3個過程發揮生態防護效能。本文利用有林地和無林地蓄水能力的差異情況對珊溪庫區公益林調蓄水功能進行評價，以調蓄水量衡量公益林凈水能力[14,15]。綜合蓄水能力法即綜合考慮林冠層、枯枝落葉層和土壤層對降水的截留和貯存，此方法能較為全面地反映森林的水源涵養功能，計算公式如下：

w=∑(Ci+Li+si)Ai

(1)

式中：w為森林調節水量，t；Ai為不同森林類型面積，hm2；Ci為不同森林類型林冠截留量，t/hm2；Li為森林枯枝落葉層的飽和持水量，t/hm2；Si為森林土壤蓄水量，t/hm2。

對公益林涵養水源效益采用《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721-2008)中的影子工程法進行計算[16]。公益林涵養水源的功能價值主要從調水效益和改良水質效益兩方面進行測算。計算公式為：

Vw=w(P1+P2)

(2)

式中：Vw為公益林涵養水源價值，元；w為公益林調蓄水量，m3；P1為調蓄水效益影子價格，6.11 元/m3；P2為凈水效益影子價格，2.65 元/m3。

(2)提供產品。森林生態系統服務功能的直接經濟價值主要是林產品、林副產品，包括木材、藥材、水(干)果、筍竹等方面的產品。采用市場價值法按照如下公式進行計算：

Vp=∑SiViPi

(3)

式中：Vp為森林生態系統提供產品總價值，元；Si為第i種森林類型或果品的分布面積，hm2；Vi為第i種森林類型單位面積凈生長量或產量，m3/hm2；Pi為第i種森林類型木材或果品的市場價格，元/m3；i為不同的森林類型。

(3)保育土壤。珊溪水庫庫區森林固土保肥和改良土壤效益的評價，從森林固土效益、森林保肥效益和森林改良土壤效益3方面進行衡量。森林固土能力用特定面積的森林固土量來表示；森林固土量通過該面積森林減少同等面積的無林地土壤侵蝕的量來衡量，計算公式為：

Di=Ai(Sw-Si)

(4)

式中：Di為林型i的固土量，t/a；Sw為無林地土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)；Si為林型i林地土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)。

庫區森林固土的生態效益為：

(5)

式中：Vg為森林的年固土價值，元/a；Cr為水庫庫容造價，元/m3；ρi為泥沙的平均密度，t/m3。

本文以等價于森林固定土壤中純N、P、K量的碳酸氫銨、過磷酸鈣和硫酸鉀的貨幣化價值計量森林保肥效益[17]。計算公式為：

式中：Vs為森林每年保育土壤的價值，元/a；Kn為挖掘泥沙的費用，12.6 元/m3；ρi為林型i的土壤密度，t/m3；Ns、Ps、Ks分別為森林土壤中氮、磷、鉀含量，%；m為森林土壤中有機質含量，%；R1為磷酸氫二銨含氮量，%；R2為磷酸氫二銨含磷量，%；R3為氯化鉀含鉀量，%；C1為市場上磷酸氫二銨平均價格，2 400 元/t；C2為氯化鉀平均價格，2 200 元/t；C3為有機質平均價格，320 元/t。

(4)大氣調節。珊溪水庫庫區周邊植被的納碳吐氧作用，能有效地增加大氣中游離態氧離子含量，改善空氣環境質量，易于民眾安居樂業。本文主要依據市場價值法[18]，對庫區森林固碳釋氧的經濟價值進行估算：

Vair=VC+VO=∑QC(i)PC+∑QO(i)PO

(7)

式中：Vair為森林固碳釋氧總價值，元/a；VC為森林固碳總價值，元/a；VO為森林釋氧總價值，元/a；QC(i)為第i類林木的碳固定量，t/a；QO(i)為第i類林木的氧氣釋放量，t/a；PC為碳固定量的單位價值，元/t；PO為釋氧氣釋放量的單位價值，元/t。

研究表明，植物每生產162 g干物質可固定264 g CO2，并釋放出193 g O2：即植物每生產1 g的干物質需要吸收1.63 g的CO2，并釋放1.19 g的O2。鑒此，項目依據物料平衡法進行固碳、釋氧量的計算：

(8)

式中：QC為森林固碳量，t/a；QO為森林釋氧量，t/a；Bi為森林年凈生長生物量，t/a。

(5)凈化大氣環境。森林凈化大氣環境的生態效益主要從吸收污染氣體、滯塵、提供負離子價值3個方面進行計算。

吸收二氧化硫生態價值計算公式：

USO2,i=KSO2QSO2,iAi

(9)

式中：USO2,i為i類森林植被每年吸收SO2的價值，元/a；KSO2,i為治理SO2污染的費用，元/kg；QSO2,i為單位面積森林每年吸收SO2，kg/(hm2·a)；Ai為i類森林面積，hm2。

吸收氟化物生態價值計算公式：

UHF,i=KHFQHF,iAi

(10)

式中：UHF,i為i類森林植被每年吸收氟化物的價值，元/a；KHF,i為治理氟化物污染的費用，元/kg；QHF,i為單位面積森林每年吸收氟化物，kg/(hm2·a)。

吸收氮氧化物生態價值計算公式：

UNO,i=KNOQNO,iAi

(11)

式中：UNO,i為i類森林植被每年吸收氮氧化物的價值，元/a；KNO,i為治理氮氧化物污染的費用，元/kg；QNO,i為單位面積森林每年吸收氮氧化物，kg/(hm2·a)。

滯塵生態價值計算公式：

US,i=KSQS,iAi

(12)

式中：US,i為i類森林植被每年阻滯降塵的價值，元/a；KS,i為清理降塵費用，元/kg；QS,i為單位面積森林的年滯塵量，kg/(hm2·a)。

提供負離子生態價值計算公式：

(13)

式中：Uf為森林每年提供的負離子價值，元/a；Hi為林型i高度，m ；Km為負離子的價值，元/個；Qm為負離子濃度，個/cm3；Lm為負離子壽命，min。

(6)營養積累。珊溪水庫庫區森林植被不斷從環境中吸收各種營養物質，并貯存在自身器官內。本文選取林木營養積累(氮、磷、鉀)指標來反映此項功能。計算公式為：

(14)

式中：Vm為森林植被年積累營養物質價值，元/a；Ai為i類型的森林面積，hm2；Bi年為i類型森林植被的年凈生產力，t/(hm2·a)。

(7)生物多樣性維持。珊溪水庫庫區森林生態系統的年保護生物多樣性價值計算公式為：

Ub=∑SbiAi

(15)

式中：Ub為森林年保護生物多樣性價值，元；Sbi為單位面積森林年保護物種資源價值，元/hm2。

(8)森林防護。本文以公益林降低水災、旱災等自然災害的發生和相應損失(直接和間接損失)來衡量公益林森林防護效益。生態公益林森林防護效益評價公式為：

Ur=Kz∑Ai

(16)

式中：Ur為森林每年的防護價值，元/a；Kz為單位面積森林的減輕災害價值，元/hm2，通過溫州市歷年水庫直接經濟損失、泥沙損失量以及江河湖庫引起的庫容損失換算。

(9)文化旅游。隨著社會發展，森林生態旅游越來越受到人們的歡迎，森林提供休閑娛樂的功能也越來越強。針對珊溪水庫庫區的實際情況，生態旅游產業比較發達，筆者對森林游憩功能的價值通過旅游人次及其消費水平來進行評估[19]。森林游憩價值計算公式為：

Ut=∑Nciρi

(17)

式中：Ut為庫區森林游憩的價值，元；N為年庫區森林參觀人次，人；ci為游客平均消費，元/人；ρi為第i類游客所占比例，%。

珊溪水庫作為溫州的水源保護區，其生態服務價值較大，文教科研價值較小，研究中暫不考慮。

2.2 計算結果

在對珊溪水庫森林生態系統生態價值進行計算的過程中，采用的數據主要來源于：珊溪水庫庫區泰順縣、文成縣、瑞安市3縣(市)2015年森林資源年度更新數據；公開發表的文獻資料；泰順縣、文成縣、瑞安市3縣(市)的統計年鑒、水資源公報、環境質量公報；泰順縣、文成縣、瑞安市3縣(市)的林業局、氣象局、水利局、統計局職能部門的相關統計數據；珊溪水庫生態站歷年觀測數據以及權威機構公布的社會公共數據。計算過程中，相關參數的取值主要依據現行的規范及科研公布的數據：單位調節水價值參考《森林生態系統服務功能評估規范》(LYT_1721-2008)；凈化水質價值量計算參考溫州市居民、工業用水價格的平均值(2.65 元/t)；公益林負離子生產費用采用《森林生態系統服務功能評估規范》推薦的5.818 5×10-18元/個；單位面積生態系統的平均科研價值采用Costanza 等對全球森林生態系統科研文化功能價值的平均值為197.8 元/hm2。

依據2015年珊溪水庫庫區森林生態服務功能的評價結果，在綜合比較珊溪水利樞紐庫區森林生態服務價值與以往研究數值的基礎上，本文確定森林生態系統服務功能價值為70.62 億元/a。珊溪水利樞紐庫區森林生態服務價值匯總見表2。各生態服務功能總效益大小排序依次為: 水源涵養效益(69.84%)>大氣調節效益(9.12%)>凈化大氣效益(8.33%)>文化旅游效益(5.94%)>森林防護效益(3.37%)>提供產品效益(2.12%)>保育土壤效益(1.16%)>生物多樣性保護效益(0.07%)>營養物質積累效益(0.04%)。筆者給出的研究成果與相關研究人員對浙江省森林生態服務功能評估結果大致相同[14,15,19]，符合地區生態服務功能特點，可為珊溪水庫庫區森林生態保護、生物多樣性維持、生態價值發揮提供依據。

表2 珊溪水庫森林生態服務功能價值匯總Tab.2 The forest ecosystem service value of Shanxi Reservoir

3 流域生態補償標準計算

生態補償最初源于自然生態補償，指自然生態系統對干擾的敏感性和恢復能力，后來逐漸演變為促進生態環境保護的經濟手段和機制。當前，流域水生態補償主要以生態、經濟學理論為基礎，環境外部成本內部化原理和公共物品理論為理論依據。

珊溪水庫森林生態補償的主要目標是為溫州市區提供更多的清潔用水，保證水量與水質。因此，本文選擇淡水供給和水質凈化兩項生態系統服務進行核算，其增加值作為庫區上游民眾經濟、物力投入給下游居民增加的生態系統服務收益，是生態補償的上限標準[20]。珊溪庫區森林生態服務價值構成中的涵養水源、凈化環境、減少土壤廢棄功能價值的發揮均需庫區上游民眾的成本投入，同時下游地區對于上游的投入尚沒有反饋行為。依據珊溪水庫庫區水生態價值內涵與生態補償標準計算涵蓋內容的對應關系，珊溪水庫庫區基于生態價值的補償標準(上限)計算結果見表3。

表3 珊溪水庫庫區基于森林生態價值的補償標準計算結果 億元/a

根據上游生態保護投入水平、下游經濟發展能力、區域資源協調分配能力、民眾的支付意愿、社會公平發展需求、溫州市對庫區生態補償的定位、飛云江水資源豐富程度、珊溪庫區生態現狀和保護力度，本文確定基于基于生態保護占優層面的庫區森林生態補償標準為14.98 億元/a。

4 結 語

本文計算珊溪水庫庫區森林生態系統供給、調節、文化和支持服務4 種服務功能的生態價值為70.62億元/a。為實現流域整體公平、協調、可持續發展，流域下游生態服務價值受益方應向上游生態保護付出方補償14.98億元/a，約為生態服務價值的21%。生態補償標準方案應在庫區上下游實現區域一體化發展，水量充足(供水保障率100%)，河道生態水量滿足需求，上游生態良好，庫區非水域區實現森林全覆蓋等經濟發展良好、水生態系統可持續發揮功能的前提下實施。本文給出的基于森林生態服務價值測算的流域生態補償標準計算方法具有一定的普適性，可推廣到南方豐水區的生態服務價值計算中。鑒于生態補償標準計算過程的復雜性和應用性強的特點，筆者在后續研究中將加強對生態服務價值數字化研究方法的探索，提高測算結果的精度，并將經濟優化理論用于補償標準確定過程，拓展流域生態補償標準研究領域。

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