浙江省森林生态服务价值估算及其空间变异分析

刘东，李艳

(南京大学国际地球系统科学研究所，南京 21009)

1 引 言

生态系统与人类的福祉息息相关，自然生态系统通过自身循环为人类提供源源不断的淡水、食品、木材、营养物质，同时还有助于控制疾病传播、废弃物处理、营养物质循环、气候调节等。其中，森林生态系统是人类生存和发展的摇篮，森林生态系统能为人类提供生存物质和良好的生存环境[1]。森林生态系统不仅可以通过植被的光合作用向人类提供食物、药材、建筑原材料，还具有防止水土流失、保持土壤肥力、吸收空气有害物质、分解废弃物、防风固沙等功能，同时也能够为人类提供旅游休憩和文化研究的场所[1-2]，等。

环境的恶化、生态系统的重要性和科学研究的深入促使人们重新认识生态系统对人类的作用和价值。1981年，Ehrlich等在对“自然服务”和“环境服务”等相关概念进行了统一、归纳后，提出了“生态系统服务(Ecosystem Services)”的概念[3]。1991年，国际科学联合环境问题委员会(Scientific Committee on Problems of the Environment，SCOPE)召开会议讨论生物多样性价值的定量研究，该会议的召开不仅促进了生物多样性、生态系统服务功能的研究，同时也推动了生态系统服务经济价值评估方法的发展。1997年，美国学者Robert Costanza在Nature杂志上发表Thevalueoftheworld’secosystemservicesandnaturalcapital一文，定量地计算了全球16种生态系统类型的17种生态服务功能的货币价值[4-6]。此后，越来越多的学者开始了对生态系统服务价值的定量化研究，并提出了越来越多的关于生态系统服务价值的估算方法[7-11]。此外，还有学者提出国内生产总值(Gross Domestic Product，GDP)表示经济发展水平的局限，并提出绿色GDP的概念，即：用GDP和生态服务价值(Ecosystem Services Value，ESV)的总和来表示区域经济发展水平[12]。

浙江省位于中国东部沿海，属于丘陵地带，气候温润，年平均气温为15℃～18℃；雨量丰沛，年均降雨量为980mm～2000mm；光照充足，年均日照时数为1710h～2100h。这样的气候、地形条件非常适合植被的生长、森林生态系统的形成，从而使得浙江省的地貌呈现“七山一水两分田”的特征[13]，即：浙江省森林生态系统面积占浙江省总面积约70%。因此，估算浙江省森林生态服务价值对于构建绿色GDP、从生态经济的角度评价地区发展有十分重要的意义。此外，森林生态系统的功能存在空间不连续，不同的市县有着不同的森林生态系统类型、森林面积等[14-16]；因此，对森林生态服务价值的空间变异进行研究，有助于了解森林生态服务价值的空间分布特征，进而为科学管理提供依据[17-18]。

2 数 据

本文参照靳芳等人对森林生态服务价值的分类体系[19]，估算了浙江省森林生态系统2010年的固碳释氧价值、有机物生产价值、营养物循环价值、水土保持价值和水源涵养价值，并对浙江省森林2010年ESV的构成、空间变异进行了相关分析。本文技术流程图如图1所示。

图1 技术流程图

图1中，NPP的估算使用CASA模型[20]；降雨量、平均温度来源于浙江省及其周边省市86个气象站点空间插值；总太阳辐射来源全国99个辐射站点空间插值；土地覆被图利用中科院碳专项子课题“生态系统固碳现状、速率、机制和潜力项目”生产的“浙江省2010年土地覆被图”；NDVI来源于USGS数据共享网下载得到的MOD13A1产品数据。土壤侵蚀量的估算采用Wischmeier等提出的通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，USLE)[21]；降雨量、NDVI来源同上；集水长度、坡度由DEM计算得到；全国土壤图来源于“西部数据共享中心”。蒸散量来源于863子课题“地表覆盖数据在陆面生态水文模型中的应用示范及示范系统开发”的研究成果。

3 森林ESV估算原理与方法

3.1 固碳释氧价值的估算

森林生态系统中的绿色植物能进行光合作用、呼吸作用，光合作用吸收CO2并生产O2，呼吸作用消耗O2并产生CO2，光合作用、呼吸作用是两个互逆过程。绿色植物光合作用、呼吸作用的化学方程式如式(1)所示[11]。

12H2O+能量

(1)

其中，C6H12O6可用NPP代替，根据1990年不变价及造林成本法，固定CO2和释放O2的成本分别为71.15元/吨、352.93元/吨[22]。结合式(1)和C、H、O的相对原子量，可用式(2)估算森林固碳释氧价值(VCO)。

VCO=VCO2+VO2=1.202×10-3NPP

(2)

其中，VCO为固碳释氧价值(元/(m2·月))；VCO2为固定CO2的价值(元/(m2·月))；VO2为释放O2的价值(元/(m2·月))，NPP为CASA模型输出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.2 有机物生产价值的估算

森林生态系统能够通过光合作用将无机物CO2和H2O合成有机物，植物合成有机物的价值即为有机物生产价值。植物合成有机物的干重可由NPP计算得到，而有机物生产价值可通过能量替代法得到，森林有机物生产价值的估算式如式(3)所示[23]。

(3)

其中，Vorg为有机物生产价值(元/(m2·月))；Mc为植物合成碳的质量(g)；Pcoal为标准煤的价格(元/g)，1990年标准煤不变价为3.54×10-4元/g；Ec为碳的热值，等于0.036(MJ/g)[23]；Ecoal为标准煤的热值，等于0.02927(MJ/g)[23]；NPP为CASA模型输出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.3 水源涵养价值的估算

森林水源涵养总量是森林对降水的持有、蒸发、蒸腾综合作用的结果，森林对降水持有量可用一段时间内的区域降水量(mm)来表示，蒸发与蒸腾总量可用蒸散量(mm)来表示。森林水源涵养价值可采用替代工程法(影子工程法)进行估算，1999年增容1m3的价格为0.67元/m3 [11]，按照固定资产投资价格指数得到1990年增容1m3的价格为0.667元/m3，从而得到森林水源涵养价值估算式如式(4)所示。

Vwater=Hwater*Pwater=10-3*(Hpre-Het)*Pwater

(4)

其中，Vwater为水源涵养价值(元/(m2·月))；Hwater为水源涵养总量(mm)；Pwater为涵养1m3的水源的价值，等于0.667元/m3；Hpre为降雨量(mm)；Het为蒸散量(mm)。

3.4 营养物质循环价值的估算

森林绿色植被体内除了存贮C(碳)、H(氢)、O(氧)等元素外，还存储有大量的N(氮)、P(磷)、K(钾)营养元素，绿色植被还能够通过生态过程与外界环境进行元素交换，从而实现N、P、K营养元素的循环。森林营养物质循环功能使得森林具有营养物质循环价值，森林营养物质循环价值可通过影子价格法进行估算。根据Kimmins J.P.等人的研究，森林绿色植被每固定1g碳，则可积累0.03g氮、0.004g磷、0.02g钾；按1990年不变价，化肥的平均价格为2549元/吨[24]；则，森林营养物质循环价值估算式如式(5)所示。

(5)

其中，Vnutri为营养物质循环价值(元/(m2·月))；NPP为CASA模型输出的像元月NPP值(gC/(m2·月))。

3.5 水土保持价值的估算

森林水土保持价值包括3方面：减少表土损失价值、保持土壤肥力价值、减轻泥沙淤积价值。森林减少表土损失的价值可用机会成本法估算，本文取1990年不变价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为减少表土损失价值(元/年)；Ac为土壤保持量(吨/年)；P为林地的平均收益(2.82元/m2)；H为表土平均厚度(m)；ρ为表土密度(g/cm3)。

根据吕晓男等人的实验测量结果，浙江省土壤N、P、K的含量(g/kg)分别1.005、0.321、0.456[26]；按1990年不变价，化肥的平均价格为2549元/吨。则，用机会成本法来估算森林保持土壤肥力的价值，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为保持土壤肥力价值(元/年)；Ac为土壤保持量(吨/年)。

森林减轻泥沙淤积的价值可用替代工程法估算。按1990年不变价，江河清淤的成本为2.5元/吨。据统计，流失的土壤中只有24%淤积于江河、水库。因此，森林减轻泥沙淤积的价值可用式(8)计算[28]。

V3=20%*Ac*2.5=0.6Ac

(8)

其中，V3为减轻泥沙淤积的价值(元/年)；Ac为土壤保持量(吨)。

由式(6)～式(8)可得森林水土保持的价值，计算如式(9)所示。

Vwsc=V1+V2+V3=9.125Ac

(9)

其中，Vwsc为水土保持价值(元/年)；V1为减少表土损失价值(元/年)；V2保持土壤肥力价值(元/年)；V3为减轻泥沙淤积价值(元/年)。

4 森林ESV空间变异分析

4.1 各市森林ESV构成分析

为了解浙江省各市2010年的森林生态服务价值，本研究统计了浙江省共11个市的各种生态服务价值(VCO表示固碳释氧价值；Vorg表示有机物生产价值；Vwater表示水源涵养价值；Vnutri表示营养物质循环价值；Vsoil表示水土保持价值)，统计结果如表1所示。

表1 各市各种生态服务价值统计表

注：嘉兴市的Vsoil为38728.31元，不为0。

由表1可得：各市固碳释氧价值、有机物生产价值、营养物质循环价值总量排序与森林覆盖面积完全一致；各市水源涵养价值总量排序与森林覆盖面积基本一致，只有总量最小的舟山市和嘉兴市排序不一致；各市水土保持价值总量排序与森林覆盖面积差异较大，但是整体趋势大致一样。因此，各市各种生态服务价值总量主要受森林覆盖面积的影响：森林覆盖面积越大，生态服务价值总量越大；此外，由于森林ESV还受降水、月均气温、森林生长状况等因素的影响，使得浙江省森林ESV大小排序不完全和面积大小排序一致。

4.2 单位面积森林ESV与植被类型相关性分析

森林固碳释氧价值、有机物生产价值、营养物质循环价值由NPP计算而得到。由单位面积NPP的统计关系(常绿阔叶林(1026.15gC/m2)>落叶阔叶林(722.67 gC/m2)>针阔混交林(631.70 gC/m2)>落叶针叶林(480.21gC/m2)>灌丛(413.11gC/m2)>常绿针叶林(382.12gC/m2))可得不同植被类型单位面积(1hm2)固碳释氧价值、有机物生产价值、营养物质循环价值的关系：常绿阔叶林>落叶阔叶林>针阔混交林>落叶针叶林>灌丛>常绿针叶林。

统计单位面积(1hm2)森林水源涵养价值与植被类型的关系，得到：落叶阔叶林(8718.62元/hm2)>针阔混交林(8439.67元/hm2)>落叶针叶林(6433.01元/hm2)>常绿阔叶林(8085.63元/hm2)>常绿针叶林(7878.28元/hm2)。森林水源涵养价值由降水量和蒸散量共同决定；落叶林在春季和冬季叶片较少、蒸散小，因此落叶针叶林水源涵养价值高于常绿针叶林，落叶阔叶林水源涵养价值高于常绿阔叶林和常绿阔叶林；浙江省针叶林大部分为松树，叶片表面积与体积的比值小、蒸散小，因此针叶林的水源涵养价值高于阔叶林。

统计单位面积(1hm2)森林水土保持价值与植被类型的关系，得到：常绿针叶林(1550.23元/hm2)>针阔混交林(1449.31元/hm2)>常绿阔叶林(936.10元/hm2)>落叶针叶林(926.87元/hm2)>落叶阔叶林(751.86元/hm2)。单位面积森林水土保持的价值主要受降水、NDVI、坡度等影响，由于落叶林在冬天NDVI较低，因此落叶林单位面积的水土保持价值低于常绿林；浙江省常绿针叶林年均NDVI等于0.734，而常绿阔叶林年均NDVI等于0.733，因此单位面积常绿针叶林水土保持价值大于常绿阔叶林。

4.3 单位面积森林ESV与GDP相关性分析

为研究生态服务价值与GDP的关系，本文计算了浙江省共11个市的单位面积森林ESV(元/hm2)(每个市森林生态服务价值总和除以森林面积)与各市单位面积GDP(元/hm2)(每个市2010年GDP除以各市的面积)，结果如表2所示。

表2中，单位面积ESV参照1990年的价格，而单位面积GDP参照的是2010的价格，两者的最小倍数都在192.86倍(舟山市)以上。因此，单位面积ESV明显高于单位面积GDP，提高森林覆盖率将能有效增加绿色GDP。进一步分析单位面积GDP与单位面积ESV的关系可发现：随着单位面积GDP的减少，单位面积ESV呈增加趋势。单位面积GDP与单位面积ESV的散点图如图2所示。

表2 各市单位面积森林ESV(1990年)与单位面积GDP(2010年)

图2 单位面积GDP与单位面积ESV散点图

分析图2发现，单位面积GDP与单位面积ESV呈明显的负相关关系，负相关关系可用直线y=-177.82x+23812来描述，两者负相关性明显，R2=0.7526。在一定程度上表明：GDP的增长是以牺牲生态环境为代价的。

4.4 单位面积森林ESV与高程相关性分析

为进一步研究生态服务价值与高程的关系，本文计算了浙江省共11个市的单位面积森林ESV(元/hm2)(同上)与各市森林的平均高程(m)(据统计，浙江省各市最低海拔均为0m，因此平均高程的计算均是以海平面为基准的)。各市单位面积ESV与平均高程的散点图如图3所示。

图3表明，浙江省单位面积ESV与平均高程存在明显负相关关系，两者的负相关关系可用对数关系式(y=-2842ln(x)+20574)表示，相关性显著，R2=0.7872。分析可知，森林单位面积ESV随着高程的减小呈增加的趋势，可能主要是因为低高程常位于山脚，水平坡长(即集水长度)较大，从而使低高程处的森林的水体保持价值偏大；而其他价值的变化与高程关系不显著；两者综合的结果使单位面积ESV随着平均高程的增加呈现下降趋势。

图3 单位面积ESV与平均高程散点图

5 结束语

本文以气象站点、辐射站点、MOD13A1、土地覆被图、蒸散量等为基础数据，充分利用GIS、RS技术，估算了浙江省森林2010年的固碳释氧价值、有机物生产价值、水源涵养价值、营养物质循环价值、水土保持价值，分析了各市的森林ESV构成，并对单位面积森林ESV与植被类型、GDP、高程的关系进行了分析。研究表明：

①各市各种生态服务价值总量主要受森林覆盖面积的影响：森林覆盖面积越大，生态服务价值总量越大；此外，森林ESV还受降水、月均气温、森林生长状况等因素的影响。

②单位面积的不同植被类型所能提供的不同类型生态服务价值大小存在差异，即单位面积森林生态服务价值与植被类型相关。

③单位面积森林ESV与单位面积GDP呈现负相关关系，且该关系可用线性关系式描述；单位面积森林ESV与平均高程也呈负相关关系，且该关系可用对数关系式描述。

通过本文研究，虽得到了一系列有意义的结论，但仍存在诸多不足，主要表现在两方面：其一，对森林ESV的估算精度取决于NPP、蒸散量等数据精度，估算精度有待进一步提高；其二，对森林的生物多样性价值等方面缺乏考虑，估算体系有待进一步扩展。

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