生態系統凈化空氣服務研究進展

張欣，尤春赫，李詩菁，田美榮，馮朝陽，張璐*

1.河北師范大學地理科學學院，河北省環境變化遙感識別技術創新中心，河北省環境演變與生態建設實驗室

2.蘭州大學生命科學學院，草地農業生態系統國家重點實驗室

3.中國環境科學研究院，國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室

生態系統服務作為連接自然生態系統與人類福祉的橋梁，已經成為自然、社會與經濟等多學科交叉研究的熱點。凈化空氣服務作為生態系統服務的主要類型之一，具有維持人類良好大氣環境、提升人居環境質量、提高人類福祉等作用，對其研究進展進行梳理具有重要理論與現實意義。工業革命前，人類生產生活方式對環境影響較小，大氣環境質量較好，擴散稀釋、雨水沖洗、重力沉降等自然過程能使大氣環境得到凈化，人們對自然生態系統凈化空氣服務的認識不充分，意識不到大自然對人類生存的巨大作用。工業革命后，大氣環境問題越來越嚴峻，人們開始關注自然生態系統對人類社會的影響，尤其是認識到自然生態系統對人類生存環境質量改善的重要作用，凈化空氣服務相關研究越來越受到關注[1-5]。

國際上，很多全球研究計劃或平臺涉及生態系統凈化空氣服務。如聯合國全球尺度的“生態系統服務與人類福祉”的千年生態系統評估計劃（MA）[6]、國際地圈生物圈計劃（IGBP）的核心項目之一全球大氣化學（IGAC）[7]、生態系統與生物多樣性經濟學（TEEB）[8]、聯合國環境規劃署（UNEP）的生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺（IPBES）等。在上述研究計劃或平臺進行生態系統服務評估過程中，凈化空氣服務均是重要指標，國際上不同尺度凈化空氣服務相關研究成果越來越多。國內學者參考國際上先進理念與方法，對凈化空氣服務研究進行跟進，如侯元兆等[9-10]提出凈化和調節空氣等7 種生態系統服務類型。歐陽志云等[11-13]也將凈化空氣作為生態系統調節服務開展研究。國內實踐研究多側重自然生態系統凈化空氣價值評估[14-21]，或對城市綠地或森林生態系統凈化空氣服務進行估算[22-28]。當前，國內外凈化空氣服務研究多包含于生態系統服務評估體系內，專門研究凈化空氣服務的成果較少。

筆者系統梳理生態系統凈化空氣服務相關概念及內涵，針對當前凈化空氣服務價值評估的方法與應用成果進行總結，分析當前凈化空氣服務研究中存在的問題，提出未來發展方向，有利于完善凈化空氣服務相關理論與方法，有助于提升人居環境質量與推進區域生態文明建設等實踐。

1 概念與內涵

有關生態系統凈化空氣服務的概念與內涵，不同的學者雖有不同的表述，但對基本內涵已達成共識。1970 年，關鍵環境問題研究小組（Study of Critical Environment Problems，SCEP）首次使用“service”，并列舉了“environment service”（環境服務），該研究小組首次提出了與凈化空氣服務相關的生態系統調節大氣組成的功能[29]。1997 年Daily[1]的《自然的服務：社會對自然生態系統的依賴》和Costanza 等[2]的《全球生態系統服務與自然資本價值核算》使生態系統服務成為生態學和經濟學等相關領域的研究熱點，Daily[1]將生態系統服務進行分類，提到空氣的凈化和廢物的去毒和降解功能，同年Constanza 等[2]提出生態系統的環境效益時，論述了生態系統對大氣組成的調節作用和廢物處理能力。Wallace 等[3-5]按照不同的分類依據，將凈化空氣服務相關指標劃分到不同的生態系統服務分類系統中，MA 中將空氣質量調節劃分到調節服務中，并描述了其對人類福祉的作用以及與其他各類生態系統服務之間的關系[6]。歐陽志云等[11-12]參考了國外學者對生態系統服務的定義，認為生態系統服務包括環境凈化與有害有毒物質的降解。在生態系統服務分類體系中，被廣泛接受和使用的方案是MA 的分類體系，該體系將空氣凈化、氣體調節、空氣質量調節等統一稱為凈化空氣服務。

當前，國內關于凈化空氣服務的概念，主要集中在森林、城市綠地生態系統。國家林業局2008 年發布并于2020 年更新的GB/T 38582—2020《森林生態系統服務功能評估規范》（簡稱《規范》）[30]中指出，凈化空氣服務是指森林生態系統對各種污染物的吸收、吸附、過濾、阻擋以及減少噪聲、提供負離子、優化環境等功能。《規范》提出，凈化空氣服務主要內容包括吸收氣體污染物和滯塵，其中吸收的氣體污染物包括SO2、氟化物、氮氧化物，滯塵的污染物包括總懸浮顆粒物、PM10、PM2.5。張三煥等[31]認為，森林生態系統凈化空氣服務是指森林植被通過葉片上的氣孔進行光合作用，吸收并凈化空氣中的有毒有害物質的能力。城市綠地生態系統凈化空氣服務[22-23]是指植被吸收稀釋、分解轉化空氣中的污染氣體，并通過植被光合作用轉化為無毒無害有機物，轉害為利，從而提高空氣質量。王玉芹[32]認為，城市森林凈化空氣是指植被通過吸收、吸附、阻滯和過濾等形式，將氣體污染物轉移到對人類不產生危害的地方。

也有學者針對生態系統給出凈化空氣服務的概念與內涵。如施曉清等[33]認為，生態系統凈化空氣服務就是在生態系統的物質循環和能量流動的過程中，運用物理、化學和生物作用，吸收、處理、轉化人類向大氣中排放的污染物，使之排放量不超過環境承載閾值，并將生態系統凈化空氣服務分為吸收CO2放出O2、吸收SO2、凈化降塵和飄塵3 個指標。康文星[34]認為，生態系統凈化空氣服務是指生態系統中的生物群落或種群通過自身新陳代謝、自養或異養方式吸收、吸附、轉移大氣中的污染物，使之濃度和毒性不斷降低直至消失的過程。

筆者認為，生態系統凈化空氣服務是指各類生態系統吸收空氣中的污染物，降低大氣中污染物濃度、調節大氣成分、改善大氣環境質量等作用。凈化空氣服務是生態系統服務的重要組成部分，只要各種污染物的排放量在生態系統自我調節能力限度內，生態系統就可以通過自身作用調節并凈化大氣環境。生態系統凈化空氣服務的內涵主要是各類生態系統通過吸收、過濾、分解、阻滯大氣污染物，從而達到凈化空氣的效果，其中凈化空氣效果最好的是綠色植被，其凈化空氣主要體現在3 個方面：1）吸收CO2釋放O2，維持碳氧平衡；2）植被吸收、過濾空氣中各類污染物，凈化大氣；3）通過植物葉片分散、反射、過濾等作用降低各種能量污染，如放射性污染、噪聲污染等。

2 凈化空氣服務價值評估方法研究

生態系統凈化空氣服務價值評估的方法大多使用價值量評估法，主要依據生態學、經濟學和社會學等原理與方法，從功能量和價值量的角度對生態系統凈化空氣服務進行價值化評估[35]。經濟學中的市場價值理論是開展凈化空氣服務價值評估研究的基礎。此外，隨著人們對生態系統調節服務重要性認識的加深，遙感定量監測、模型模擬等技術手段得到發展，為凈化空氣服務定量研究方法的進步與完善提供了支撐。本研究主要對市場理論法和生態模型法進行分析，比較其優缺點，并介紹通過試驗測算生態系統凈化空氣服務的方法。

2.1 市場理論法

市場理論法是以統計學和市場價值理論為基礎開展生態系統服務價值評估的方法，是使用較早的傳統評估方法，也是目前所有生態系統服務價值的定價基礎[35]。目前常用的市場理論法主要分為直接市場估算法和替代市場估算法[36-38]，其中用來計算生態系統凈化空氣服務價值的方法主要有市場價值法、影子工程法、替代消費法等（表1）。

表1 凈化空氣服務價值評估方法Table 1 Evaluation methods for the value of air purification services

2.2 生態模型法

21 世紀初期，國外學者研發出大量生態系統模型，其主要基于生態系統組成、結構與過程原理，體現生態系統服務的復雜性和分布不均勻性，實現評估動態化、精確化。由于生態模型種類豐富、數據獲取方便、操作簡單、評估精度較高，不僅可以評估生態系統服務效益，還可以定量測算各類生態系統凈化空氣的物質量，進而成為生態系統服務評估的主流方法之一。

國內外對不同類型生態系統凈化空氣服務的物質量和價值量研究，主要有城市綠地（CITYgreen）模型和i-Tree 模型測算法。CITYgreen 模型包括凈化空氣模型和固碳釋氧模型2 個模塊，其中凈化空氣服務主要表現在吸收、過濾、分解和阻滯大氣中的污染物量，污染物類型包括二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、臭氧等，首先計算植物對大氣污染物的年消減量，再根據凈化不同污染物需要的成本，測算相應的凈化空氣服務價值量[39]。該模型操作簡單，考慮了樹冠的覆蓋面積、大氣污染物濃度和污染物沉積速率等多種因素，需要使用高分辨率的航片，研究結果的數字化精度較高。i-Tree 模型主要包括城市森林生態價值評估(UFORE)和行道樹管理分析（STRATUM）2 個模塊，該模型作為將城市生態效益以貨幣形式呈現的評價模型，量化的景觀績效主要為城市森林對固碳和空氣質量的影響[40]，該模型使用時要采集精確的樣地數據，獲得基本的樹種、樹高、樹冠等數據，然后結合研究區具體的環境條件估算其凈化空氣的價值。這些生態模型克服了早期生態統計學方法中以點代面的不足，使得凈化空氣服務評估結果能夠在空間上展示出來，i-Tree 模型比CITYgreen 模型研究的樹種類型更豐富，評估結果準確性更高。但上述生態模型都有一定的適用范圍和局限性。CITYgreen 模型適用于城市綠地及大型公園的規劃管理與生態效益分析，該模型只是簡單考慮樹冠、樹高等因素，不能針對不同樹種設定參數；i-Tree 模型適用范圍較CITYgreen 模型廣，然而數據庫中的樹種類別不全面，在使用STRATUM 模塊處理數據時需要傳送至美國林務局進行長時間的分析。此外，這2 個模型的內置數據（包括氣象數據和空氣污染濃度數據等）的選取和參數的設定主要適用于美國地區，因此具有一定的地域性，在使用模型時將會產生一定的誤差（表2）。

表2 凈化空氣服務價值評估生態模型的比較Table 2 Comparison of ecological models for evaluating the value of air purification services

2.3 其他方法

除以上方法外，研究方法還包括野外調查和試驗測算。針對污染物吸收方面，研究人員采用比濁法[46]、人工熏氣試驗和現場調查法[47]等估算大氣中的含硫量、氟化氫含量和含氮量，探討森林和城市綠地對大氣污染物的凈化作用。在滯塵方面，部分學者采用干洗法、面積-吸收能力法[18]等估算植被的滯塵效益。在中國，多數學者采用《中國生物多樣性國情研究報告》[48]中單位面積森林對污染物的吸收能力評估凈化空氣服務價值。自《規范》[30]出臺以來，自然森林、城市森林生態系統凈化空氣服務價值的評估主要采用以下方法：首先，利用森林資源各類調查數據測算凈化空氣的物質量；其次，采用分布式測算方法[27]以及2.1 節中相關方法，將凈化空氣的物質量價值化；最后，綜合評估凈化空氣總價值。評估過程中所涉及的各項指標及評價參數參考《規范》進行取值。

3 凈化空氣服務實踐應用研究進展

3.1 國外實踐應用研究

隨著信息技術的發展與創新，國外相繼研發了多種評估生態系統服務的生態模型，美國芝加哥、休斯頓、亞特蘭大等多個城市利用CITYgreen 模型對生態系統凈化空氣服務凈化空氣模塊進行生態效益分析[49]。Brack[50]運用模型法評價了澳大利亞城市森林消除污染物，降低溫度及固碳的能力。Solecki[51]使用CITYgreen 模型探討城市綠地與熱島效應的關系，認為城市植被能夠吸收、過濾大氣污染物和緩解熱島效應。Nowak 等[52]收集美國數十個城市每個小時氣溫、降水和污染氣體濃度數據，利用i-Tree 模型中的UFORE 模塊估算和分析其凈化空氣的價值。智利政府為治理城市空氣污染，提出通過城市森林吸收各類大氣污染物以降低污染物的排放量[53]。Currie等[54]也使用UFORE 模塊對綠色植物和綠色屋頂凈化空氣的能力進行定量評估。Song 等[55]將人口密度作為評估韓國森林生態系統凈化空氣服務價值的主要因素，并模擬其在污染物濃度和人口密度方面的差異。Zoulia 等[56]研究監測雅典國家公園城市綠地對于改善城市小氣候、降低城市熱島的作用。此后，Dunn-Johnston 等[57-58]利用i-Tree 模型研究城市森林對大氣污染物的凈化作用，主要包括生物源揮發性有機物排放量、植被清除大氣中臭氧、二氧化氮和可吸入顆粒物的速率等。Jayasooriya 等[59]利用i-Tree Eco 模型凈化空氣模塊研究6 種不同綠色基礎設施對大氣污染物的吸收能力，結果發現街道綠化植被對大氣污染物的吸收能力強于綠色屋頂和綠色墻面。

國際上對于生態系統凈化空氣服務及其價值化研究已經取得一定的進展，不同的學者針對不同尺度不同生態系統類型凈化空氣服務研究做出了論述，為決策者提供政策支持。但相關研究成果多采用市場理論法或者CITYgreen 模型、i-Tree 模型等進行評估，研究方法多樣性方面不足。

3.2 國內實踐應用進展

中國對于生態系統服務及其價值化研究起步略晚，起始于20 世紀80 年代初。生態系統凈化空氣服務研究主要集中在森林和城市綠地生態系統。侯元兆等[9-10]首次對中國森林資源凈化空氣服務及其價值進行了定量估算；歐陽志云等[11]參照《中國國土資源數據第一卷》指出植被對各種大氣污染物的吸收系數和滯塵能力。肖寒等[14]結合海南建峰嶺地區的生態環境及其特征，選用替代消費法對森林生態系統凈化空氣服務中吸收氣體污染物的能力和滯塵能力進行定量評價。吳鋼等[15]將物質量和價值量方法相結合，動態評估及分析長白山森林生態系統凈化空氣服務價值。在中國森林生態系統類型劃分的基礎上，靳芳等[17]根據《中國生物多樣性國情研究報告》中的相關公式，計算森林不同植被凈化SO2和滯塵的價值。周月明等[20-22]分別對天山北坡、廣州市森林生態系統凈化大氣價值進行了評估。李曉閣[23]選擇2 個城市市區分別作為試驗組和對照組，測算SO2、氮氧化物、總懸浮顆粒物3 種大氣污染物的濃度，監測其動態變化，并對城市森林凈化、吸附氣體污染物的能力進行比較，評估其凈化空氣的價值。柳云龍等[24]運用市場價值法計算出上海城市綠地凈化空氣價值占生態系統服務總價值的比例。張緒良等[25]利用替代消費法對青島市11 年間城市綠地生態系統凈化空氣服務中的吸收氣體污染物和滯塵能力進行研究。近年來，隨著遙感技術、全球定位系統、地理信息系統等技術的快速發展，國外學者研發的生態模型在中國得到應用與推廣。陳莉等[39]利用CITYgreen 模型中的凈化空氣模塊計算深圳市4 個年份景觀生態功能區綠地系統的凈化空氣服務價值。i-Tree 模型目前運用于青島[43]、杭州[44]等城市的凈化空氣生態效益評估。馬寧等[43]討論了在城市生態系統中利用i-Tree 模型研究凈化空氣服務的應用前景和存在的問題。

總體而言，我國在生態系統凈化空氣服務研究方面，相關理論體系和研究方法正在逐步完善，針對不同尺度、不同生態系統類型生態系統凈化空氣服務實踐探索越來越多，研究成果的可靠性逐步提高，為實現生態系統有效管理提供了科學依據。但是相關研究原創性方法和成果較少，多是沿用國外的研究思路或生態模型，對森林和城市綠地之外的生態系統類型重視不足，研究方法和實踐均有待深入。

4 相關研究存在的問題

大氣污染是現階段突出的環境問題之一，大氣環境質量直接決定著人居環境質量。生態系統凈化空氣服務研究是生態學、地理學和經濟學共同關注的熱點，研究者對凈化空氣服務的認識越來越深入，評估方法在不斷完善。但由于生態系統自身的復雜性和人類認識的局限性，凈化空氣服務研究還存在許多問題亟待解決。

（1）凈化空氣服務研究理論探索較少，多包含于生態系統服務理論體系內。在過去的30 年中，對生態系統服務（包括凈化空氣在內）及其價值研究是相關研究領域最重要和發展最快的方向，國內外對生態系統服務研究成果較多，理論與方法體系正在逐步成熟。但專門針對凈化空氣服務理論與方法的探索較缺乏，已有研究對生態系統自身的復雜性、凈化空氣服務價值產生過程掌握不準確，導致研究成果多側重于凈化空氣服務的價值核算，缺乏統一的凈化空氣服務理論體系。

（2）凈化空氣服務研究方法體系不完善，研究深度不夠。主要表現在：1）已有研究多側重靜態評估，缺乏動態評估。生態系統結構與功能的變化導致了生態系統服務的產生與變化。生態系統凈化空氣服務應具有時空動態變化的特征。然而，過去的研究主要集中在靜態評估上，凈化空氣服務動態研究的成果較少。雖然國內外學者在生態系統服務評估體系中新增了動態因子，一定程度上實現了凈化空氣服務的動態評估，然而其評估結果可靠性與準確性仍需驗證。2）現有研究多直接套用國外模型，與研究區契合度有待完善。隨著大數據的發展和生態評估模型的開發，國內學者也開始使用CITYgreen、i-Tree 等生態模型進行凈化空氣服務價值估算，但模型使用過程中存在具有地域性、處理范圍較窄、操作條件受限、結果準確性和可視性差等不足，評估過度依賴于土地利用和植被分類，對植被每年生長質量重視不足。通過實地監測、試驗對比研究凈化空氣服務物質量的文獻不多，尤其缺乏自主研發的適合我國國情的生態系統凈化空氣服務評估模型，評估結果的科學性、可比性和應用性需要進一步增強。

（3）研究多集中在森林、城市綠地生態系統，研究尺度比較單一。主要表現在：1）涉及生態系統類型單一。當前，國內外凈化空氣服務多側重森林生態系統和城市綠地開展研究，很多研究者直接套用《規范》[30]中的公式計算凈化空氣服務，城市綠地相關研究也多是側重城市森林的凈化空氣服務物質量和價值量測算，而針對其他生態系統類型，比如草地、濕地、農田等生態系統的凈化空氣服務研究成果較少。2）研究時空尺度融合不足。國外凈化空氣服務研究主要集中在全球和以國家為主的宏觀尺度，或城市、流域等中尺度，國內凈化空氣服務研究主要集中在城市、自然保護區等中小尺度。當前，大尺度凈化空氣研究與中小尺度相關研究缺少交叉融合，同樣生態系統在不同的空間尺度上研究結果不一致，研究成果的尺度整合需要加強。

5 展望

隨著生態系統凈化空氣服務研究的不斷深入，評估方法的模型化、精準化、動態化是主要研究方向，研究技術方法的集成與空間可視化表達也正在加強，相關研究亟需在以下幾個方面取得進步。

（1）加強生態系統結構、功能與凈化空氣服務的關系研究，構建生態系統凈化空氣服務理論體系。在完善森林、城市綠地生態系統的相關研究基礎上，充分理解凈化空氣服務中物質循環、能量流動過程，逐步明確不同類型生態系統凈化空氣服務機理或原理，使凈化空氣服務研究工作理論依據逐步得到強化。

（2）增加凈化空氣服務動態研究，完善評估方法。第一，加強凈化空氣服務時空動態變化研究，基于生態系統類型的數量、面積、質量等動態因子，測算生態系統凈化空氣服務物質量或價值量的變化。第二，在引進國外先進生態模型的基礎上，修正適用范圍和技術參數，采用情景分析和動態模型的方法對凈化空氣服務及其價值變化做出預測與響應。第三，自主研發適合我國國情和特有生態系統類型的凈化空氣服務價值時空動態模型，在模型中增加多元地球空間參數，如大氣CO2濃度分布、大氣污染空間格局等，提高凈化空氣服務評估結果的準確性。

（3）重視不同類型、不同尺度凈化空氣服務的整合與關聯研究。第一，加強森林、草地、湖泊濕地、荒漠、海洋與農田等不同生態系統，以及不同地域、不同社會發展特征生態系統的凈化空氣服務研究，全面掌握生態系統與大氣環境質量的關系。第二，強化大尺度與中小尺度相關研究的交叉融合，推進研究尺度之間耦合或融合。在總結中小尺度研究經驗基礎上，開展更大尺度的復合生態系統凈化空氣服務評估，逐步增強研究成果的適用性。