肖 強(qiáng),肖 洋,歐陽志云,*,徐衛(wèi)華,向 軾,李勇志
(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085;2.重慶文理學(xué)院非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究中心,重慶 402160;3.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院水庫水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400714)
自1997年Costanza等對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行定量評價以來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科研究的熱點(diǎn)和前沿[1]。20世紀(jì)90年代以后,一些學(xué)者將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念、內(nèi)涵和價值評價方法介紹到國內(nèi),探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其與可持續(xù)發(fā)展研究的關(guān)系[2-3]。近年來國內(nèi)外學(xué)者圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)國內(nèi)該領(lǐng)域的研究在以下5個方面蓬勃發(fā)展:(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法比較,如對條件價值法、費(fèi)用支出法與市場價值法的比較等[4-5]。(2)對不同區(qū)域和不同自然地理區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估[6-7]。(3)對森林、海洋、森林、草地、湖泊等不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估[8]。(4)對生物多樣性保護(hù)、土壤保持、環(huán)境凈化等生態(tài)系統(tǒng)的單項(xiàng)服務(wù)價值評估[9]。(5)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng)區(qū)域土地利用或景觀格局變化的研究[10-11]。國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究已從對國外研究的簡單模仿逐漸轉(zhuǎn)向?qū)υu估模型參數(shù)的修正、對技術(shù)方法的適應(yīng)性集成與發(fā)展,研究對象從大尺度和單一生態(tài)系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向中尺度區(qū)域,并開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的動態(tài)變化及其驅(qū)動機(jī)制[12]。
森林作為地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一,為人類的生產(chǎn)和生活提供各種產(chǎn)品和服務(wù)。長期以來,由于人們對森林資源的重要性認(rèn)識不夠,對森林資源采取了大量掠奪式的開采和粗放型的管理方式,導(dǎo)致了森林面積逐漸減少,森林質(zhì)量隨之下降,森林生態(tài)系統(tǒng)提供的各種服務(wù)功能減弱[13-14]。隨著對環(huán)境資源可持續(xù)性發(fā)展機(jī)制研究的深入,人們逐漸意識到維持和保育生態(tài)系統(tǒng)的重要性,尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一,但是,由于對生態(tài)系統(tǒng)的大部分服務(wù)功能缺乏深入的生態(tài)學(xué)理解,致使能夠?yàn)闆Q策提供依據(jù)的生態(tài)學(xué)信息非常少,直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保育和管理[15]。本文對重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行定量評價,評價重慶市近幾年來森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值,旨在使人們清楚認(rèn)識到重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要價值,這不僅有助于生態(tài)環(huán)境保護(hù),也有利于政府部門進(jìn)行產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策制定,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的和諧發(fā)展有著重要意義。
重慶地形地貌復(fù)雜,地形大勢由南北向長江河谷傾斜,地貌明顯受地質(zhì)構(gòu)造控制,背斜成山,向斜成谷,山脈走向大致與地質(zhì)構(gòu)造線一致。屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候,具有夏熱冬暖、無霜期長、雨量充沛、溫潤多陰、雨熱同季等特點(diǎn),但輻射、光照不足,災(zāi)害氣候頻繁。重慶具有大城市、大農(nóng)村的特殊市情,隨著城鄉(xiāng)統(tǒng)籌力度的不斷加大,城鎮(zhèn)化率逐年提高,城鎮(zhèn)人口數(shù)量激增,帶來環(huán)境污染加劇、熱島效應(yīng)增強(qiáng)、大氣顆粒物污染、水土流失嚴(yán)重,生態(tài)承載力降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題。近年來,重慶市開展了大量的生態(tài)修復(fù)工程,而定量評估這項(xiàng)生態(tài)工程顯得十分必要。
根據(jù)模型需要,一部分?jǐn)?shù)據(jù)從2006年和2011年重慶市統(tǒng)計年鑒獲取,其他數(shù)據(jù)分別從環(huán)保局等相關(guān)部門購買。本研究采用野外調(diào)查和遙感影像處理相結(jié)合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?;A(chǔ)地理信息采用重慶1∶50000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫信息,主要利用邊界層、居民層和水系層等。野外調(diào)查的主要目的是了解評價區(qū)內(nèi)不同的土地利用和植被覆蓋狀況,并將分類系統(tǒng)中各生態(tài)系統(tǒng)類型的實(shí)際情況與遙感影像作對照,研究實(shí)際各類型在圖像上的成像規(guī)律和影像特征,包括顏色、形狀、結(jié)構(gòu)、陰影等。在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)項(xiàng)目區(qū)遙感影像的特點(diǎn),在面向?qū)ο蠓诸愜浖钠脚_上對項(xiàng)目區(qū)兩個時期的8景遙感影像進(jìn)行土地利用分類,擬采用了監(jiān)督分類法、專家知識決策分類系統(tǒng)、光譜響應(yīng)特征閾值計算方法進(jìn)行分類。
生態(tài)效益評價主要通過生態(tài)服務(wù)功能價值化的方法來進(jìn)行評估,包括產(chǎn)品提供、支持功能、調(diào)節(jié)功能和文化功能四個方面評估內(nèi)容(表1)。
表1 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評價指標(biāo)體系Table 1 Indexes System of Forest Ecosystem Services
(1)產(chǎn)品提供
森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的直接經(jīng)濟(jì)價值主要是林產(chǎn)品、林副產(chǎn)品,包括木材、藥材、水(干)果、筍竹、花椒、桑蠶等方面的產(chǎn)品。采用市場價值法[16],用如下公式進(jìn)行評價:
式中,Vp為森林生態(tài)系統(tǒng)提供產(chǎn)品總價值;Sj為第j種森林類型或果品的分布面積;Vj為第j種森林類型單位面積凈生長量或產(chǎn)量;Pj為第j種森林類型木材或果品的市場價格;j表示不同的森林類型。
(2)碳固定
基于森林生態(tài)系統(tǒng)生物量估算碳庫,進(jìn)而評價生態(tài)系統(tǒng)碳固定功能[17]:
式中,Vq是碳固定的價值量;NPPj為第j類森林類型的凈初級生產(chǎn)力;Pc為市場固定CO2的價格。
(3)水源涵養(yǎng)
采用InVEST產(chǎn)水量模型,通過徑流調(diào)節(jié)量的大小進(jìn)行評估。InVEST產(chǎn)水量模型是基于Budyko曲線和年均降雨量的數(shù)學(xué)模型,其中,水徑流量等于降水量減去蒸散量,公式如下:
式中,AETxj是j類土地利用類型中像元x的年實(shí)際蒸散量,Px為像元 x的年降雨量。AETxj/Px是Budyko曲線的一個近似值。
調(diào)節(jié)徑流為潛在徑流量與實(shí)際徑流量之差。通過InVEST產(chǎn)水量模型,估算不同植被覆蓋程度的流域年度產(chǎn)水量(徑流量)及其空間分布特征。
(4)土壤保持
采用通用水土流失方程USLE進(jìn)行評價[18-19],包括自然因子和管理因子兩類,降雨、坡度坡長、植被、土壤和土地管理等5個因素:
式中,USLEx表示柵格x的土壤侵蝕量;Rx為降雨侵蝕力;Kx為土壤可蝕性;LSx為坡度-坡長因子;Cx為植被覆蓋因子;Px為管理因子。
保持土壤養(yǎng)分價值
式中,Va為保持土壤養(yǎng)分價值;Th為土壤保持量;i為土壤中養(yǎng)分種類;Ci為土壤中第i類養(yǎng)分含量;Pi為第i類養(yǎng)分的市場價格。
(5)生物多樣性保護(hù)
采用InVEST模型中的生境質(zhì)量指數(shù)來進(jìn)行評價,計算公式如下:式中,Qxj是土地利用與土地覆蓋j中柵格x的生境質(zhì)量;Hj為土地利用與土地覆蓋j的生境適合性;Dxj是土地利用與土地覆蓋或生境類型j柵格x的生境脅迫水平,K是為半飽和常數(shù)[20]。
(6)氣候調(diào)節(jié)
氣候價值計算公式為[21]:
式中,V為森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣候價值;E為森林蒸騰量,L為蒸發(fā)耗熱系數(shù),P為現(xiàn)行電價,α為空調(diào)能效比。
(7)文化旅游
按照投入產(chǎn)出原理,游客在重慶市的消費(fèi)支出,可被視為最終消費(fèi)增量的一部分。在既定產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)的格局下,最終需求的變動將引起國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)部門產(chǎn)值的變動。則由產(chǎn)業(yè)間的波及效果所激發(fā)的全部生產(chǎn)額可由公式求得:
式中,H=(H1,H2,…,Hn)T,H 為最終旅游需求向量,(I-A)-1是列昂惕夫逆矩陣,A為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的直接消耗系數(shù)矩陣,I為單位矩陣,U為由最終旅游需求所激發(fā)的生產(chǎn)額:旅游經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。
(8)森林生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)功能
式中,Vij為第j類森林類型的第i中服務(wù)功能價值。
重慶森林提供產(chǎn)品的價值主要是森林活立木的價值和林果、藥材等林副產(chǎn)品的價值,各種森林產(chǎn)品如表2所示。
從各地統(tǒng)計年鑒查得森林產(chǎn)品提供年產(chǎn)量,從2006年至2011年,森林產(chǎn)品提供功能由35.14億元增加至51.24億元,提高了45.82%,其中中藥與干果類產(chǎn)品所占比重較大。
表2 重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品提供/億元Table 2 Products provided by the forest ecosystem of Chongqing
采用市場價值法估算,重慶市2006年提供的木材收入達(dá)到10.24億元,2011年提供的木材收入達(dá)到12.37億元,在這5a累計增加2.13億元。重慶市2006年中藥材年產(chǎn)量4130噸,中藥的收入為7.12億元,2011年產(chǎn)量達(dá)5207t,收入為11.23億元,增加收入4.11億元。2006年水(干)果、花椒產(chǎn)量91.1萬t,價值是11.54億元。2011年水(干)果、花椒的產(chǎn)量為110.4萬 t,價值為 18.27億元,5年間,水(干)果、花椒累計增加6.73億元。從產(chǎn)品提供的大小來看,水(干)果的增幅最大,其次為藥材的增幅,木材增長最少。
根據(jù)2011年重慶市林業(yè)局地面觀測數(shù)據(jù)計算獲得158個森林樣地生物量數(shù)據(jù),利用70%的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建生物量模型,其余的用于檢驗(yàn)?zāi)P途?。本研究選擇5個常用植被指數(shù),利用SPSS 17.0軟件,將植被指數(shù)作為因變量,與對應(yīng)的地面調(diào)查點(diǎn)生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。利用70%的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建生物量模型,其余的用于檢驗(yàn)?zāi)P途龋x擇方法為隨機(jī)抽取,最后確定110個建模樣點(diǎn),48個驗(yàn)證樣點(diǎn)。各類植被指數(shù)進(jìn)行回歸分析結(jié)果見表3。
表3 植被指數(shù)與地面調(diào)查生物量相關(guān)結(jié)果分析Table 3 The correlation coefficients between aboveground forest biomass and vegetation indexes
根據(jù)分析結(jié)果,選擇相關(guān)性最高的指數(shù)MSAVI構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。?jīng)驗(yàn)?zāi)P桶ň€性、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、雙曲線函數(shù)、多項(xiàng)式等多種模型形式。本研究按照“相關(guān)系數(shù)最大,標(biāo)準(zhǔn)差最小,兼顧F檢驗(yàn)最優(yōu)”的原則挑選最佳回歸方程,得到重慶市森林地上生物量遙感估算模型。
2011年重慶市的碳儲量總量為6290.2萬t,平均單位面積碳儲量為22.65 t/hm2。與2006年相比,重慶市2011年森林碳儲量增長了近100萬t。最后評價引用Fankhauser等人的研究成果進(jìn)行估算[22],得到森林碳累積的總生態(tài)經(jīng)濟(jì)價值為72.3億元。
潛在產(chǎn)水量與實(shí)際產(chǎn)水量之差為調(diào)節(jié)徑流量,基于前述方法得到2006年徑流量,2006年重慶生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)徑流量為394.82億m3,平均單位面積調(diào)節(jié)徑流量為50.49萬m3km-2a-1)。森林生態(tài)系統(tǒng)類型2006年調(diào)節(jié)徑流量為159.92億m3,占年徑流調(diào)節(jié)量的38.73%。同理得到重慶市2011年調(diào)節(jié)徑流量為412.89億m3,平均單位面積調(diào)節(jié)徑流量為 52.8萬m3km-2a-1,其中森林生態(tài)系統(tǒng)的總調(diào)節(jié)徑流量為169.61億m3,占年徑流調(diào)節(jié)量的41.08%。
與2006年相比,2011年生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)量提高了18.07億m3,森林生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量由159.92億 m3增加至169.61 億m3,提高了9.69 億m3。利用替代成本法,以水庫建造成本來進(jìn)行功能價值量評價,取單位庫容造價6.11元/m3估算,重慶市2006年森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價值為977.11億元,2011年價值為1036.32億元,2006至2011年增加了59.21億元。
土壤保持量即潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量的差值就是因植被覆蓋和實(shí)施土地管理措施而減少的土壤侵蝕量。本研究從減少土壤肥力損失方面評價森林土壤保持的價值。森林各種類型土壤保持量利用通用水土流失方程進(jìn)行估算。
與2006年相比,森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力與保持總量都有所提高,2011年森林生態(tài)系統(tǒng)土壤能力增加了 33.94 t km-2a-1,總土壤保持量由 14.36億t/a增加至14.69億t/a。根據(jù)近年來國產(chǎn)化肥平均價格,以尿素為2000元/t,過磷酸鈣為500元/t,氯化鉀為2000元/t計算,2006年重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力保持價值為63.70億元,2011年增至64.33億元。
基于土地利用圖、與土地利用相關(guān)的生境可持續(xù)性和生境受威脅密度,用Invest生物多樣性模型模擬了重慶2006年和2011年的生境質(zhì)量空間分布?;贜atural Breaks法將重慶市生境質(zhì)量等級空間分布劃分為10等級。對比分析結(jié)果,2011年相對2006年重慶生境質(zhì)量有所提高,生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)變好趨勢,最高生境質(zhì)量面積(等級10)從2006年的 59290.21 km2增加到 60722.67km2。參照Costanza等人的研究成果,2006年生物多樣性服務(wù)功能的生態(tài)價值為72.4億元,2011年價值為99.8億元,生物多樣性服務(wù)功能的生態(tài)效益增加了27.4億元。
由蒸散量遙感反演結(jié)果可知重慶市森林蒸騰耗水量290.24 億 t/a,蒸騰吸熱 7.11x1016kJ/a。用空調(diào)降溫來換算森林生態(tài)系統(tǒng)的吸熱降溫效果,根據(jù)熱當(dāng)量換算公式,則蒸騰吸熱為1.98×1013kWh/a。如果按0.4元/(kW/h),夏季長達(dá)約100d,空調(diào)每天連續(xù)工作6 h,空調(diào)效率為2.8,那么重慶市2011年森林生態(tài)系統(tǒng)降溫的年經(jīng)濟(jì)效益為959.30億元。
基于同樣的方法計算得出重慶市2006年森林蒸騰耗水量273.65億t/a,蒸騰吸熱6.70×1016kJ/a。則蒸騰吸熱為1.86×1013kWh/a,估算得到重慶市2006年森林生態(tài)系統(tǒng)降溫的年經(jīng)濟(jì)效益為913.44億元。從2006年至2011年,重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)氣候調(diào)節(jié)價值由913.44億元增加至959.30億元,凈增加了45.86億元。
本研究采用產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)來判斷森林重慶工程對旅游業(yè)的收入帶來多大的影響。2006年重慶景觀旅游總價值為450.6億元,2011年重慶景觀旅游總價值為702.0億元,同比增長了251.4億元。其中,2006年森林工程本身引發(fā)旅游業(yè)收入增加2.53億元,占旅游業(yè)總產(chǎn)值的0.56%,2011年森林工程引發(fā)旅游業(yè)收入增加68.34億元,占旅游業(yè)總產(chǎn)值的9.74%,可見,森林重慶工程自身直接創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)價值有限,但森林重慶工程對旅游業(yè)的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用
由上述分析可以得出,2006年重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值是2579.91億元。從具體的服務(wù)功能指標(biāo)來看,如圖1所示,其中提供林產(chǎn)品價值為35.14億元(占1%),氣候調(diào)節(jié)功能價值為913.44億元(占35%),水源涵養(yǎng)價值為977.11億元(占38%),生物多樣性72.4億元(占3%),碳固定價值為59.2億元(占2%)。所占比例最大的是水源涵養(yǎng)功能,其次是氣候調(diào)節(jié)功能,最小的是林產(chǎn)品供給功能。從不同森林服務(wù)功能類型增長變化來看,如圖2所示,服務(wù)功能價值大小順序依次景觀旅游功能、水源涵養(yǎng)功能、氣候調(diào)節(jié)功能、生物多樣性、林產(chǎn)品提供、碳固定和土壤保持功能,增長最快的是文化旅游功能,其次為水源涵養(yǎng),增長最小的是土壤保持功能。
圖1 2006年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價格構(gòu)成Fig.1 Composition of value of ecosystem service in 2006
圖2 2006—2011年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化價值構(gòu)成Fig.2 Composition of changed value of ecosystem services from 2006 to 2011
本研究參照千年生態(tài)系統(tǒng)評估框架,建立了重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評價指標(biāo)體系,在分析重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)提供的各項(xiàng)服務(wù)功能價值的基礎(chǔ)上,計算了重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能價值并對其總價值進(jìn)行了分析。從提供的各種服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)價值來看,重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)以氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、景觀旅游和生物多樣性的價值為主,分別占總價值的35%、38%、17%和3%,說明它們提供主要的服務(wù)功能。以氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和土壤保持為主要服務(wù)功能類型,說明森林生態(tài)系統(tǒng)不僅提供各種林產(chǎn)品和林副產(chǎn)品,而且在氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等間接服務(wù)方面具有更重要的經(jīng)濟(jì)價值,因此,在資源開發(fā)和管理過程中要注意合理的利用森林資源。
因資料的限制,本研究對于重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的評價也不全面,但從評價結(jié)果中還是可以看出:重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值。2006年至2011年重慶市森林面積增加了為2305.9km2,僅占重慶市總面積的2.79%,但森林生態(tài)系統(tǒng)所提供的產(chǎn)品和服務(wù)的價值增量相當(dāng)于GDP的3.13%,這充分表明了森林生態(tài)系統(tǒng)對于人類財富的重要貢獻(xiàn)及人類社會對于森林生態(tài)系統(tǒng)的依賴性,這給政策管理者和決策者提供了森林保護(hù)的經(jīng)濟(jì)依據(jù),對于森林的保護(hù)和有效的管理起到了重要的作用。
本文評估了重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,但依然存在一些弱項(xiàng)。與國內(nèi)進(jìn)行的大多數(shù)森林服務(wù)功能評價一樣,本研究僅對森林服務(wù)功能進(jìn)行了兩個時期的評價,并沒有反映出服務(wù)功能價值動態(tài)變化和時空分布的差異性。首先,本文通過幾項(xiàng)常見且影響較大的指標(biāo)來進(jìn)行比較,事實(shí)上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能還遠(yuǎn)不止這些。其次,遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、其他地理底圖和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的獲取與處理過程中不可避免存在誤差,比如遙感數(shù)據(jù)處理、氣象數(shù)據(jù)插值、地理底圖數(shù)字化和生態(tài)參數(shù)反演等。最后,土地利用變化通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),而這些影響是非線性的,因而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能會造成的影響也無法評估,因此,為了更好地反映重慶市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值,以便更好地為重慶市森林資源的可持續(xù)有效利用、管理提供科學(xué)依據(jù),構(gòu)建合理的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間異質(zhì)性,模擬、預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化應(yīng)是下一步研究的重點(diǎn)。
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