面向城市空氣污染的森林生態功能評估研究

宋海彬，武富慶，于翠芳

(黑龍江科技大學 管理學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

森林生態功能[1]即森林生態系統與生態階段生成的自然環境條件與作用，包含水土、養分、空氣、生物等多個方面.隨著森林生態建設步伐的跨越式前進，森林的地位與作用逐漸被人們全面地認識與評價，特別是在可持續發展的戰略目標提出后，森林資源防護意識得到加強，同時也為經濟社會可持續發展賦予了重要意義.只有通過價值形式[2]將生態功能體現出來，方可讓人們更清晰地了解到森林的生態效用，并為維護良好的生態環境作出有力的貢獻.張瑜等[3]與鄒文濤等[4]為合理、準確地評估森林生態功能，分別引入投影尋蹤分類技術與InVEST模型，為科學調整區域功能提供依據，為生態功能充分發揮提供保障.

近幾年，工業的無序化發展與汽車數量暴增造成的尾氣指標上揚，加劇了大氣環境的污染，令空氣污染問題面臨前所未有的挑戰.因此，本文基于森林生態系統服務功能評估規范，擬建立針對城市空氣污染問題的森林生態功能評估指標體系；并結合森林生態系統屬性以及森林生態站長期的定位監測結果，對研究區域的森林生態功能開展系統評估分析.

1 森林生態功能評估指標體系

常規森林生態功能主要分為：保育水源、保育土壤、保護生物多樣性、凈化空氣、累積營養等5類.本文針對城市空氣污染的森林生態功能評價，選取凈化空氣生態功能中的吸收、過濾、阻隔、分解大氣污染物以及提供負離子等子功能[5]展開研究.此外，本文還基于森林生態系統服務功能評估規范[6]，結合研究區森林生態系統屬性以及森林生態站長期的定位監測結果，建立適用于研究區域的森林生態功能評估指標體系，如圖1所示.

圖1 森林生態功能評估指標體系

2 研究區域概況

本文選取位于某省東南邊陲的某市作為研究對象，其地理信息如圖2所示.該區域屬溫帶大陸性氣候，地勢多為平原，南高北低，低山丘陵較多，年降雨量如圖3所示.區域內森林資源較為豐富，覆蓋面積高達84.3%，且樹種繁多，達到150余種.

圖2 研究區域地理信息

圖3 研究區域年降水量

本文利用定位監測方法調查研究區域，將采集的森林資源數據作為功能評估的基礎數據，分析與處理操作通過Excel軟件實現.本文通過分析研究區域資源數據，選取水曲柳、樺樹、紅松、椴樹、黃波欏等5種優勢樹組，按照幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林以及過熟林等不同齡組分類，結合評估指標體系，針對該區域森林生態功能，展開實物量與價值量評估.具體流程如下：

1)研究區域劃分：依據表1所示6個不同的樹種齡組將研究區域劃分為6個標準樣地，6個標準樣地之間相互獨立，經累計所有區塊的森林生態功能評估數據，即可取得整個研究區域的評估結果.

表1 樹種齡組分類標準

2)凈化空氣樹種情況調查：在表2所示的25個標準樣地區塊內，展開為期一年的負氧離子濃度等與空氣狀況相關數據采集與觀測，由于植物生長緩慢，因此，采集和觀測的頻率均設為每月的5號、15號和25號.

表2 標準樣地信息參數

續表2

3 森林生態功能評估方法

3.1 森林生態功能實物量評估

3.1.1 負離子提供功能評估

本文采用森林年提供負離子濃度[7-8]反映負離子提供指標的實物量，假設群落地段占地A公頃，平均高度是H米，所提供負離子濃度是每立方厘米Qf個，每年可提供Gf個負離子，空氣媒介中負離子的壽命為L，因只有當負離子濃度超過600個/cm3時才有益于人體，故該指標實物量計算公式如下：

(1)

3.1.2 城市污染物吸收功能評估

污染物吸收指標針對二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等3種主要空氣污染物，并采用面積吸收能力[9]法計算森林年污染物吸收的實物量，數學表達式分別如下：

Gs=Qs×A

(2)

GF=QF×A

(3)

Gd=Qd×A

(4)

其中，Gs、GF、Gd分別表示該群落地段每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的實物量，單位是噸；Qs、QF、Qd分別表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的吸收濃度，單位是mg/m3.

3.1.3 阻滯降塵功能評估

同理，在計量阻滯降塵的實物量時，可由下列公式解得

Gz=Qz×A

(5)

式中，Gz、Qz分別表示該群落地段每年的阻滯降塵實物量與阻滯降塵濃度.

3.2 森林生態功能價值量評估

3.2.1 負離子提供功能價值評估

本文基于市場化的負離子產生費用成本，通過折算森林年提供負離子的貨幣價值，計量出該指標的價值量.假設產生負離子需要Kf元，則森林年提供負離子價值量Uf的計算公式如下：

(6)

本文利用中國科學院3H科技公司與沈陽柏森醫療器械有限公司研產結合的亞馬遜牌負離子發生器制造負離子，其費用成本Kf為6.29元/(1018個負離子).

3.2.2 城市污染物吸收功能價值評估

本文分別測定、估算出森林年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物濃度，將其與對應污染物治理成本相乘，即可取得各污染物的年吸收價值量.計算公式分別如下：

Us=A×Qs×Ks

(7)

UF=A×QF×KF

(8)

Ud=A×Qd×Kd

(9)

其中，Us、UF、Ud分別表示森林每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的價值量；Ks、KF、Kd分別表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的治理成本.根據排污費征收標準[10]可知，二氧化硫、氟化物和氮氧化物的排污費用分別為1.2元/kg、0.69元/kg以及0.63元/kg.

3.2.3 阻滯降塵功能價值評估

同理，推導出群落地段每年阻滯降塵的價值量Uz計算公式如下：

Uz=A×Qz×Kz

(10)

其中，Kz表示阻滯降塵的清理成本.滯塵作為一般性粉塵，其排污費用為0.15元/kg.

3.3 森林生態功能指數量評估

本文歸一化處理森林數量、質量以及空間分布等指標值，取得森林生態功能指數量P.假設森林數量指數、質量指數以及空間均衡指數分別是P1、P2、P3，則指數量評估結果通過下式解得

(11)

其中，森林數量指數P1為森林覆蓋率；森林質量指數P2綜合考慮了自然度、生物量、植株結構、均高、落葉厚度、郁閉度、群落結構等因素的質量指數均值，計算公式如下：

(12)

其中，第i個評價因子的權重與專家給定分值分別是wi、xi.

空間均衡指數P3為研究區域中森林的分布情況.本文利用arcMap軟件將樣地分類為多個相同規格的空間單元，測算各單元的樣地占地比例后，由下式得到該指數值：

(13)

4 森林生態功能評估結果分析

本文面向城市空氣污染的研究區域，基于評估指標體系，采用定量、定性融合的分析策略，全面評估空氣污染方向的森林生態功能.

本文根據污染物吸收量、阻滯降塵量、提供負離子量、森林覆蓋率、樣地占地比例的觀測值以及專家給出的權值與質量評價分值，計算所選區域不同樣地中的實物量、價值量以及指數量等數值，經分析后，取得森林生態功能的整體評估結果.

4.1 基于實物量的森林生態功能評估

本文根據采集到的提供負離子量、污染物吸收量、阻滯降塵相關濃度值，統計出各指標的對應實物量，通過表3中數據結果可以看出：城市5類優勢樹組在相互作用下，不僅產生了龐大的負離子量，吸收了空氣中大量的二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等污染物，且較大程度地實現了阻滯降塵，使森林生態功能的凈化空氣作用得到了極大程度提升.

表3 森林生態功能實物量結果

4.2 基于價值量的森林生態功能評估

表4中的價值量數據是將提供負離子、污染物吸收、阻滯降塵等指標的實物量折算成了貨幣價值，據此可以看出：研究區域所種植的5種優勢樹組為凈化城市空氣環境創造了巨大的功能價值，這說明該樹種的群落結構具有較為理想的森林生態功能效用.

表4 森林生態功能價值量值結果

4.3 基于指數量的森林生態功能評估

由于指數量是從大小相同的空間單元角度進行評估的，無法以區塊樣地為單位，因此，本文根據近一年各因素指數值的月變化情況(見圖4)，評估區域的森林生態功能.

圖4 森林生態功能指數量值結果

由圖4中森林數量指數、森林質量指數、空間均衡指數以及森林生態功能指數的數值可以看出：所有數據均呈上升趨勢，1月時各指數量分別是0.540 9、0.477 4、0.640 2、0.552 8，12月各指數量達到0.549 6、0.488 3、0.649、0.562 3，年增加量分別為0.008 7、0.010 9、0.008 8、0.009 5，其中，森林質量指數增幅最大.這表明區域中的樹種具有顯著的生態優勢，盡管森林生態功能在一定程度上受到了覆蓋率的限制，但整體表現依舊良好.

5 結論

在陸地生態系統中，森林效益不再局限于材料與林副產品供應，其功能早已發揮出生態、經濟以及社會價值的作用.森林生態功能利用森林的群落效應影響著人類的生存環境乃至發展前景，其中以大氣環境最為顯著.為此，本文針對城市空氣污染的問題，對森林生態工程進行評估，使無形的生態功能轉化為有形的指標，凸顯其現實價值.為進一步優化評估性能，本文對生態功能展開系統監測，增加降雨、風、大氣湍流、溫度結層等評估因子；結合面積吸收能力法和歸一化法等建立一種評估技術，提升數據分析與管理能力，完善評估指標體系.