基于森林生态服务价值的流域生态补偿标准研究

赵佳奇，卯昌书，张 剑，付意成

(1. 宁夏大学，银川 750021; 2. 云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021; 3.中国水利水电科学研究院，北京100038)

0 引 言

生态系统服务价值作为益于人类发展的服务功能，其供应影响所有制度层面的利益相关者。流域生态服务价值(ES)测算过程中的主要问题为价值不被识别，数据不能具体支持当地环境决策的制定。ES在空间上并非均匀分布，并且以不同的速率流动，导致生态服务与其受益者在时空层面存在不匹配现象[1,2]。学者根据生态服务类别和水资源综合管理的理念，对流域层面的生态系统服务进行评价[3-5]。生态系统变化的间接和直接驱动因素可能会削弱流域上游的生态服务提供量。驱动因素包括人口、经济、社会政治、技术、物理或生物因素。因服务价值提升或退化与特定的土地所有者或土地管理机制相关，环境服务提供者、受益者和价值流动在环境政策中被识别和承认可以促进资源的空间再分配，实现生态景观有形。制定生态服务功能货币价值评价方法在环境政策实施中的作用至关重要。支持所有ES利益相关者(用户和提供者)参与评估是维护生态系统服务功能、平等分配供需预算的成本和收益的重要环节。

基于流域层面，森林生态系统通常是一系列环境服务的主要提供者，如供水调节、土壤保育和固定、气候调节、栖息地供应、粮食生产和娱乐服务[6-8]。以往研究表明，河流下泄水量的增加与小流域(<1 km2)和较大流域(>700 km2)的森林砍伐或森林价值转换有关；下游用水户应补偿上游森林保护地区的涵养水源功能和调节水量的成本付出[9,10]。学者在饮用水处理成本和森林覆盖率间建立量化的对应关系，处理成本的变化很大程度上受制于水源区中森林覆盖率百分比变化。森林和湿地覆盖率较高的流域在减少和延迟径流、净化水质方面特别有效。世界各地对森林生态系统服务功能从不同的尺度进行研究[11-13]。

森林生态系统不仅为民众生存提供各种原料、产品，还具有净化污染、调节气候、保持水土、涵养水源等多种生态服务价值，对流域及周边区域民众生存和社会活动有所贡献的所有森林生态系统提供的产品和服务统称为森林生态系统服务。森林生态服务价值评估本质上是对外溢于传统市场之外的成本和效益的测度，并通过相应的补偿方式将外部性纳入经济行为人的决策之中，从而实现社会不同主体生态友好的行为方式。但就当前的实际情况来看，由于采用的指标、价值的估算尚缺乏统一的标准，并且按照现有的计算理论和方法所得出的生态效益计算结果往往偏大，难以为社会所接受。因此，生态服务价值的合理测算是确定生态补偿标准限值的前提。生态系统及其服务功能的特征尺度决定了生态补偿问题的空间尺度。本文以流域水生态服务价值种类及计算方法为依据，在综合比较多种计算方法适用范围和计算成果可靠性的基础上，给出流域森林生态系统价值评估方法。结合流域森林生态系统服务价值与流域生态补偿标准间的对应关系，在考虑到研究区下游受益区的支付能力和支付意愿，合理确定流域生态补偿上限。

1 研究区概况

珊溪水库截飞云江干流而成，位于文成县珊溪镇，集水面积为1 529 km2，总库容18.24 亿m3，正常库容12.91 亿m3，珊溪(赵山渡)库区有玉泉溪、泗溪、峃作口溪、黄坦坑、三插溪、洪口溪、莒江溪等14条主要支流。珊溪水库水系分布，见图1。

图1 珊溪水库水系图Fig.1 The river system of Shanxi reservoir

飞云江流域上游森林覆盖率高，森林覆盖率达73.25%，2015年，珊溪水库降水量为2 068.2 mm，年蒸发量为1 643.1 mm(约为年降水量的79%)，库区森林总面积为16.638 9 万hm2，具有水源涵养功能的林地面积为13.99 万hm2。草地、湿地资源分布较小，并且多分布在森林区域边缘或河岸带周边。珊溪水库上游水源保护区，行政区涉及泰顺县、文成县和瑞安市，所在地区的各乡镇经济特征以农业经济为主，工业基础薄弱；水库下游为温州市区。温州市近年来加大对珊溪水库上游库区流域生态保护力度，2011年出台《温州市生态补偿专项资金使用管理办法》，设立专项资金重点支持珊溪水库集雨区生态补偿，将库区群众生活补偿逐步纳入生态补偿专项资金使用范围。

2 森林生态服务价值测算

2.1 测算方法

笔者借助遥感技术对森林生态系统类型进行划分，综合利用数字化分析技术，评估珊溪水利枢纽库区森林生态服务价值，评估内容包括气候调节、营养物质循环、净化环境、提供产品、涵养水源、保育土壤、保护生物多样性、文化旅游、森林防护9方面。珊溪水库森林生态系统具有供给、调节、文化和支持服务4 种服务功能，由此衍生出的评估指标体系及方法见表1。

表1 珊溪水库库区森林生态系统服务功能价值评估计算方法Tab.1 Evaluation method of forest ecosystem service value in Shanxi reservoir

(1)水源涵养。森林涵养水源指通过林冠、地被物及土壤截留降水、缓和地表径流、增强下渗、削减洪峰等调整森林水量的“时空”分布格局。公益林通过林冠截留、枯枝落叶层截持、林地土壤对水分调节3个过程发挥生态防护效能。本文利用有林地和无林地蓄水能力的差异情况对珊溪库区公益林调蓄水功能进行评价，以调蓄水量衡量公益林净水能力[14,15]。综合蓄水能力法即综合考虑林冠层、枯枝落叶层和土壤层对降水的截留和贮存，此方法能较为全面地反映森林的水源涵养功能，计算公式如下：

w=∑(Ci+Li+si)Ai

(1)

式中：w为森林调节水量，t；Ai为不同森林类型面积，hm2；Ci为不同森林类型林冠截留量，t/hm2；Li为森林枯枝落叶层的饱和持水量，t/hm2；Si为森林土壤蓄水量，t/hm2。

对公益林涵养水源效益采用《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721-2008)中的影子工程法进行计算[16]。公益林涵养水源的功能价值主要从调水效益和改良水质效益两方面进行测算。计算公式为：

Vw=w(P1+P2)

(2)

式中：Vw为公益林涵养水源价值，元；w为公益林调蓄水量，m3；P1为调蓄水效益影子价格，6.11 元/m3；P2为净水效益影子价格，2.65 元/m3。

(2)提供产品。森林生态系统服务功能的直接经济价值主要是林产品、林副产品，包括木材、药材、水(干)果、笋竹等方面的产品。采用市场价值法按照如下公式进行计算：

Vp=∑SiViPi

(3)

式中：Vp为森林生态系统提供产品总价值，元；Si为第i种森林类型或果品的分布面积，hm2；Vi为第i种森林类型单位面积净生长量或产量，m3/hm2；Pi为第i种森林类型木材或果品的市场价格，元/m3；i为不同的森林类型。

(3)保育土壤。珊溪水库库区森林固土保肥和改良土壤效益的评价，从森林固土效益、森林保肥效益和森林改良土壤效益3方面进行衡量。森林固土能力用特定面积的森林固土量来表示；森林固土量通过该面积森林减少同等面积的无林地土壤侵蚀的量来衡量，计算公式为：

Di=Ai(Sw-Si)

(4)

式中：Di为林型i的固土量，t/a；Sw为无林地土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；Si为林型i林地土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)。

库区森林固土的生态效益为：

(5)

式中：Vg为森林的年固土价值，元/a；Cr为水库库容造价，元/m3；ρi为泥沙的平均密度，t/m3。

本文以等价于森林固定土壤中纯N、P、K量的碳酸氢铵、过磷酸钙和硫酸钾的货币化价值计量森林保肥效益[17]。计算公式为：

式中：Vs为森林每年保育土壤的价值，元/a；Kn为挖掘泥沙的费用，12.6 元/m3；ρi为林型i的土壤密度，t/m3；Ns、Ps、Ks分别为森林土壤中氮、磷、钾含量，%；m为森林土壤中有机质含量，%；R1为磷酸氢二铵含氮量，%；R2为磷酸氢二铵含磷量，%；R3为氯化钾含钾量，%；C1为市场上磷酸氢二铵平均价格，2 400 元/t；C2为氯化钾平均价格，2 200 元/t；C3为有机质平均价格，320 元/t。

(4)大气调节。珊溪水库库区周边植被的纳碳吐氧作用，能有效地增加大气中游离态氧离子含量，改善空气环境质量，易于民众安居乐业。本文主要依据市场价值法[18]，对库区森林固碳释氧的经济价值进行估算：

Vair=VC+VO=∑QC(i)PC+∑QO(i)PO

(7)

式中：Vair为森林固碳释氧总价值，元/a；VC为森林固碳总价值，元/a；VO为森林释氧总价值，元/a；QC(i)为第i类林木的碳固定量，t/a；QO(i)为第i类林木的氧气释放量，t/a；PC为碳固定量的单位价值，元/t；PO为释氧气释放量的单位价值，元/t。

研究表明，植物每生产162 g干物质可固定264 g CO2，并释放出193 g O2：即植物每生产1 g的干物质需要吸收1.63 g的CO2，并释放1.19 g的O2。鉴此，项目依据物料平衡法进行固碳、释氧量的计算：

(8)

式中：QC为森林固碳量，t/a；QO为森林释氧量，t/a；Bi为森林年净生长生物量，t/a。

(5)净化大气环境。森林净化大气环境的生态效益主要从吸收污染气体、滞尘、提供负离子价值3个方面进行计算。

吸收二氧化硫生态价值计算公式：

USO2,i=KSO2QSO2,iAi

(9)

式中：USO2,i为i类森林植被每年吸收SO2的价值，元/a；KSO2,i为治理SO2污染的费用，元/kg；QSO2,i为单位面积森林每年吸收SO2，kg/(hm2·a)；Ai为i类森林面积，hm2。

吸收氟化物生态价值计算公式：

UHF,i=KHFQHF,iAi

(10)

式中：UHF,i为i类森林植被每年吸收氟化物的价值，元/a；KHF,i为治理氟化物污染的费用，元/kg；QHF,i为单位面积森林每年吸收氟化物，kg/(hm2·a)。

吸收氮氧化物生态价值计算公式：

UNO,i=KNOQNO,iAi

(11)

式中：UNO,i为i类森林植被每年吸收氮氧化物的价值，元/a；KNO,i为治理氮氧化物污染的费用，元/kg；QNO,i为单位面积森林每年吸收氮氧化物，kg/(hm2·a)。

滞尘生态价值计算公式：

US,i=KSQS,iAi

(12)

式中：US,i为i类森林植被每年阻滞降尘的价值，元/a；KS,i为清理降尘费用，元/kg；QS,i为单位面积森林的年滞尘量，kg/(hm2·a)。

提供负离子生态价值计算公式：

(13)

式中：Uf为森林每年提供的负离子价值，元/a；Hi为林型i高度，m ；Km为负离子的价值，元/个；Qm为负离子浓度，个/cm3；Lm为负离子寿命，min。

(6)营养积累。珊溪水库库区森林植被不断从环境中吸收各种营养物质，并贮存在自身器官内。本文选取林木营养积累(氮、磷、钾)指标来反映此项功能。计算公式为：

(14)

式中：Vm为森林植被年积累营养物质价值，元/a；Ai为i类型的森林面积，hm2；Bi年为i类型森林植被的年净生产力，t/(hm2·a)。

(7)生物多样性维持。珊溪水库库区森林生态系统的年保护生物多样性价值计算公式为：

Ub=∑SbiAi

(15)

式中：Ub为森林年保护生物多样性价值，元；Sbi为单位面积森林年保护物种资源价值，元/hm2。

(8)森林防护。本文以公益林降低水灾、旱灾等自然灾害的发生和相应损失(直接和间接损失)来衡量公益林森林防护效益。生态公益林森林防护效益评价公式为：

Ur=Kz∑Ai

(16)

式中：Ur为森林每年的防护价值，元/a；Kz为单位面积森林的减轻灾害价值，元/hm2，通过温州市历年水库直接经济损失、泥沙损失量以及江河湖库引起的库容损失换算。

(9)文化旅游。随着社会发展，森林生态旅游越来越受到人们的欢迎，森林提供休闲娱乐的功能也越来越强。针对珊溪水库库区的实际情况，生态旅游产业比较发达，笔者对森林游憩功能的价值通过旅游人次及其消费水平来进行评估[19]。森林游憩价值计算公式为：

Ut=∑Nciρi

(17)

式中：Ut为库区森林游憩的价值，元；N为年库区森林参观人次，人；ci为游客平均消费，元/人；ρi为第i类游客所占比例，%。

珊溪水库作为温州的水源保护区，其生态服务价值较大，文教科研价值较小，研究中暂不考虑。

2.2 计算结果

在对珊溪水库森林生态系统生态价值进行计算的过程中，采用的数据主要来源于：珊溪水库库区泰顺县、文成县、瑞安市3县(市)2015年森林资源年度更新数据；公开发表的文献资料；泰顺县、文成县、瑞安市3县(市)的统计年鉴、水资源公报、环境质量公报；泰顺县、文成县、瑞安市3县(市)的林业局、气象局、水利局、统计局职能部门的相关统计数据；珊溪水库生态站历年观测数据以及权威机构公布的社会公共数据。计算过程中，相关参数的取值主要依据现行的规范及科研公布的数据：单位调节水价值参考《森林生态系统服务功能评估规范》(LYT_1721-2008)；净化水质价值量计算参考温州市居民、工业用水价格的平均值(2.65 元/t)；公益林负离子生产费用采用《森林生态系统服务功能评估规范》推荐的5.818 5×10-18元/个；单位面积生态系统的平均科研价值采用Costanza 等对全球森林生态系统科研文化功能价值的平均值为197.8 元/hm2。

依据2015年珊溪水库库区森林生态服务功能的评价结果，在综合比较珊溪水利枢纽库区森林生态服务价值与以往研究数值的基础上，本文确定森林生态系统服务功能价值为70.62 亿元/a。珊溪水利枢纽库区森林生态服务价值汇总见表2。各生态服务功能总效益大小排序依次为: 水源涵养效益(69.84%)>大气调节效益(9.12%)>净化大气效益(8.33%)>文化旅游效益(5.94%)>森林防护效益(3.37%)>提供产品效益(2.12%)>保育土壤效益(1.16%)>生物多样性保护效益(0.07%)>营养物质积累效益(0.04%)。笔者给出的研究成果与相关研究人员对浙江省森林生态服务功能评估结果大致相同[14,15,19]，符合地区生态服务功能特点，可为珊溪水库库区森林生态保护、生物多样性维持、生态价值发挥提供依据。

表2 珊溪水库森林生态服务功能价值汇总Tab.2 The forest ecosystem service value of Shanxi Reservoir

3 流域生态补偿标准计算

生态补偿最初源于自然生态补偿，指自然生态系统对干扰的敏感性和恢复能力，后来逐渐演变为促进生态环境保护的经济手段和机制。当前，流域水生态补偿主要以生态、经济学理论为基础，环境外部成本内部化原理和公共物品理论为理论依据。

珊溪水库森林生态补偿的主要目标是为温州市区提供更多的清洁用水，保证水量与水质。因此，本文选择淡水供给和水质净化两项生态系统服务进行核算，其增加值作为库区上游民众经济、物力投入给下游居民增加的生态系统服务收益，是生态补偿的上限标准[20]。珊溪库区森林生态服务价值构成中的涵养水源、净化环境、减少土壤废弃功能价值的发挥均需库区上游民众的成本投入，同时下游地区对于上游的投入尚没有反馈行为。依据珊溪水库库区水生态价值内涵与生态补偿标准计算涵盖内容的对应关系，珊溪水库库区基于生态价值的补偿标准(上限)计算结果见表3。

表3 珊溪水库库区基于森林生态价值的补偿标准计算结果 亿元/a

根据上游生态保护投入水平、下游经济发展能力、区域资源协调分配能力、民众的支付意愿、社会公平发展需求、温州市对库区生态补偿的定位、飞云江水资源丰富程度、珊溪库区生态现状和保护力度，本文确定基于基于生态保护占优层面的库区森林生态补偿标准为14.98 亿元/a。

4 结 语

本文计算珊溪水库库区森林生态系统供给、调节、文化和支持服务4 种服务功能的生态价值为70.62亿元/a。为实现流域整体公平、协调、可持续发展，流域下游生态服务价值受益方应向上游生态保护付出方补偿14.98亿元/a，约为生态服务价值的21%。生态补偿标准方案应在库区上下游实现区域一体化发展，水量充足(供水保障率100%)，河道生态水量满足需求，上游生态良好，库区非水域区实现森林全覆盖等经济发展良好、水生态系统可持续发挥功能的前提下实施。本文给出的基于森林生态服务价值测算的流域生态补偿标准计算方法具有一定的普适性，可推广到南方丰水区的生态服务价值计算中。鉴于生态补偿标准计算过程的复杂性和应用性强的特点，笔者在后续研究中将加强对生态服务价值数字化研究方法的探索，提高测算结果的精度，并将经济优化理论用于补偿标准确定过程，拓展流域生态补偿标准研究领域。

□

[1] Fisher B, Turner K, Zylstra M, et al. Ecosystem services and economic theory: integration for policy-relevant research [J]. Ecol. Appl., 2008,(18):2 050-2 067.

[2] Costanza R. Ecosystem services: multiple classification systems are needed[J]. Biol. Conserv., 2008,41:350-352.

[3] Cosman D, Schmidt R, Harrison-Cox J, et al. How water utilities can spearhead natural capita accounting [J]. Solutions,2012,(2):28-31.

[4] 王友生, 余新晓, 贺康宁.基于土地利用变化的怀柔水库流域生态服务价值研究[J].农业工程学报,2012,28(5):246-251.

[5] 姜翠红,李广泳,程 滔,等. 青海湖流域生态服务价值时空格局变化及其影响因子研究[J].资源科学,2016,38(8):1 572-1 584.

[6] Quine CP, Cahalan C, Hester A Woodlands. The UK national ecosystem assessment technical report[C]∥ Cambridge:UK National Ecosystem Assessment, UNEP-WCMC, Regione Emilia Romagna,2011.

[7] 郑江坤,余新晓,夏 兵,等.潮白河流域林地转化及森林生态服务价值动态分析[J].农业工程学报,2010,26(S1):308-314.

[8] 张桂莲.上海市森林生态服务价值评估与分析[J].中国城市林业,2016,14(3):33-38.

[9] Zhao FF, Zhang L, Xu ZX. Effects of vegetation cover change on stream-flow at a range of spatial scales[M]. Australia:Proceedings of 18th World IMACS/MODSIM Congress, Cairns, 2009.

[10] 朱 敏,李 丽,吴巩胜,等.森林生态价值估算方法研究进展[J]. 生态学杂志,2012,31(1):215-221.

[11] Pi～na CM, Guevara A, Torres JM. Paying for the hydrological services of Mexico’s forests: analysis, negotiations and results [J]. Ecol. Econ., 2008,65:725-736.

[12] Scolozzi R, Morri E, Santolini R. Delphi-based change assessment in ecosystem service values to support strategic spatial planning in Italian landscapes [J]. Ecol. Indicat., 2012,21:134-144.

[13] 吴 霜,延晓冬,张丽娟.中国森林生态系统能值与服务功能价值的关系[J].地理学报,2014,69(3):334-342.

[14] 李克恩,林文华,徐文成.温州珊溪水利枢纽工程水源区森林生态效益研究[J].浙江林业科 技,2004,24(3):55-58.

[15] 刘 东.浙江省森林生态服务价值估算及其时空变异分析[D]. 南京：南京大学,2013.

[16] 冯继广,丁陆彬,王景升,等. 基于案例的中国森林生态系统服务功能评价[J].应用生态学报, 2016,27(5):1 375-1 382.

[17] 徐成立,王雄宾,余新晓,等.北京山地森林生态服务功能评估[J].东北林业大学学报,2010,38(7):79-82.

[18] 付意成,阮本清,张春玲.永定河流域生态补偿标准测算[J].中国水利水电科学研究院学报,2011,9(4):283-291.

[19] 姚鸿文,陶吉兴,杜 群,等. 浙江省森林生态服务功能评估与分析[J].南京林业大学学报(自然科学版),2012,36(4):13-17.

[20] 李 琪,温武军,王兴杰.构建森林生态补偿机制的关键问题[J].生态学报,2016,36(6):1 481-1 490.