苏州西山仰坞生态园城市半自然生态系统服务功能与价值的定量评估

刘洋洋,杨悦,王倩,刘影,邹萌萌,李建龙,*

1.南京大学生命科学学院生态学系,南京 210093

2.环境保护部南京环境科学研究所,南京 210042

0 引言

近年来,随着生态环境问题的日益加剧及自然灾害的频繁发生,人类的生命财产安全不断受到威胁[1]。作为生态系统中的主要成员,人类渐渐认识到生态系统服务在人类生存及发展中的重要性[2]。生态系统服务是指在生态系统、生态过程及功能中能够直接或者间接获得的福利,主要包括人类所获得的诸如木材、食品等物质产品和自然方面的生态服务功能两大部分[3-5]。生态系统中的物质产品及生态服务功能是人类生存与发展的基础,对生态系统服务价值进行定量评估,可以通过货币价值尺度评价生态系统为人们带来的福利,同时也可以为生态系统的保护提供指导性意见[6-8]。1997年Costanza 等关于世界生态系统服务价值研究的首次发表,使广大学者不断重视生态系统服务价值的定量评估,同时也使生态系统服务价值研究逐渐成为生态学及生态经济学的研究焦点[9]。然而,生态系统服务价值的定量评估不能毫无准则的进行,而应当基于完善的评估体系,主要包括确认生态服务内涵、服务内涵分类、明确评估指标及指标核算四个步骤[10-12]。

国内外部分学者已对不同区域范围内的特定生态系统类型的服务价值进行定量评估。如对于森林生态系统,Kibria A S M G[13]等对柬埔寨的森林生态系统服务价值进行了货币价值和非货币价值的定量评估,认为森林的主要价值为木材价值,而非木材价值占总效益的1.36%,且森林具有文化重要性;Li T[14]选取2009—2014年安徽省森林生态系统服务价值评估数据集,利用空间异质性系数、稀缺资源系数和社会发展系数,建立动态评价模型,对不同尺度的森林服务价值进行比较研究。草地生态系统方面,刘兴元等[15]通过选择生态价值贡献率较高的12项指标,评估了那曲地区高寒草地的生态服务价值;闵庆文等[16]基于Constanza 等的评估策略,采用替代市场及市场价值法对内蒙古地区典型草地生态系统的服务价值进行定量评估,表明该地的草地生态服务总价值高达3325.9×108元·年-1。另也有学者曾对湿地生态系统[17]、城市生态系统[18]、绿洲生态系统的[19]生态服务价值进行了定量评估。

纵观以上研究,多是针对区域内单一生态系统服务价值的开展评价,很少对半人工生态系统的典型生态园区进行生态服务价值的定量评估。西山仰坞生态园是苏州市吴中区下的重要生态园区,生态资源种类丰富,盛产农副产品及茶叶等经济作物,并对当地水源涵养及水土保持功能具有重要意义。然而由于基础设施配置传统、监管能力薄弱且规模化高效农业措施尚未落实等原因,制约了现代化及高效农业的发展,进而影响着该地的生态系统服务功能价值。鉴于此,为了准确定量评估该地的生态系统服务价值,充分体现其生态价值的精度及可靠性,本文首先基于遥感数据对该生态园的植被覆被状况进行分析,并基于实地调研和官方统计数据,依据该地实际生态资源构建生态服务价值综合评估体系,对苏州市吴中区西山仰坞生态园的生态系统服务价值进行定量评估,不仅利于实现生态资源的可持续发展,也可为当地的生态补偿、环境保护及生态经济建设提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于苏州古城西南40 公里左右的太湖西山岛中部,占地面积约为1500 多亩。气候类型为北亚热带湿润性季风气候,该地光照充足,年均日照时数为2000 小时左右。四季分明且无霜期较长,同时在太湖水体的调节作用下,研究区具有温暖湿润且降水丰沛的气候特点。年降水量为1300 mm 左右,且年降水日数高达125 天左右。霜期日数为80 天左右,无霜期约为280 天。年最高气温通常为39 ℃,最低气温多为-8 ℃,年均气温为15℃左右。仰坞生态园地处西山岛上的低山丘陵地带,平均海拔在30—60 m 之间,土壤类型为地带性黄棕壤(属名红黄土),主要通过石英砂岩基质的风化而形成。该地的山坡、山坞主要分布着果园和茶园,同时夹种了枇杷、柑桔及杨梅等亚热带特色果品,山顶则主要分布着杉木林、马尾松及其它灌木等经济林。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文的数据主要包括遥感数据和社会经济发展数据。遥感数据主要采用空间分辨率为30 m×30 m的陆地卫星 Landsat-5 TM,Landsat-7 ETM+及Landsat-8 OLI 传感器影像,进而计算苏州市吴中区西山仰坞的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[20]。关于植被覆盖变化的分析,我们主要采用一元线性回归分析的方法计算NDVI 的动态趋势[21]。社会经济发展数据则主要源于《苏州市统计年鉴》,气象及水文数据则主要来源于吴中区气象局(http://www.sz121.com/qxj/index.html)及环保部南京环境科学研究所;相关价格数据源于苏州市物价局(http://www.szwjj.suzhou.gov.cn/ web);其他部分数据则主要通过实地观测与调查获取。数据通过Excel 进行统计分析,采用Sigmaplot 10.0 进行制图。

2.2 生态服务价值评价体系

在Costanza 等提出的生态服务价值分类标准的基础之上,我们对苏州市吴中区西山仰坞的植被类型、土地类型概况进行了实地考察,根据当地的实地生态资源概况将该地的生态资源价值类型划分为物质产品价值、自然生态服务价值及社会价值三大部分,进而确定各个部分的具体评估指标,并构建出苏州市吴中区西山仰坞生态服务价值的综合评价体系[20,22],具体如表1所示。生态价值总资本计算公式如下:

式中:E表示苏州吴中区西山仰坞的总体生态价值;EP、ES及EK分别表示物质产品生产价值、生态系统服务价值以及观光旅游价值。

2.3 生态价值评估方法

2.3.1 物质产品价值

物质产品价值主要指研究区内的森林生态系统所产生的物质产品价值以及水域生态系统的物质产品价值。根据苏州市吴中区西山仰坞的生态系统构成,其物质产品价值主要为森林生态系统的物质产品价值,具体包括木材以及经济林的产出等价值[23]。该部分物质产品价值通常按照市场价值法来进行评估,即木材数量乘以当年市场上所交易的木材价格,具体见表2所示,该部分的数据来源以及单价均根据苏州西山仰坞生态园的实地调研及当地的实际交易价格获得。

2.3.2 生态服务价值

(1)涵养水源价值

苏州吴中区西山仰坞水源的水源涵养价值主要表现在该地区的森林生态系统对于降水的调节能力,主要包括调节水量及净化水质等价值。本文主要通过影子工程法来评估苏州西山仰坞的水源涵养价值,通过水库对水的载畜能力来反映植被的涵养水源能力,并根据水库修建的造价来估算植被的水源涵养价值,具体表示如下[24]:

表1 苏州吴中区西山仰坞生态服务价值评估体系 Table1 Evaluation system of ecological service value of Xishan Yangwu Ecological Park in Wuzhong District of Suzhou

式中:W为苏州市吴中区西山仰坞的水源涵养价值(元·a-1);Um为林分年调节水量价值(元·a-1);Uwq为林分年净化水质价值(元·a-1)。

调节水量价值及净化水质价值计算方法如下:

式中:Cv为水库建设单位库容投资,根据以往的研究取6.11 元·m-3[24];K为水的净化费用,根据苏州市物价局取2.09 元·t-1;A为林分面积(hm2);P为降水量(mm·a-1);E为林分蒸散量(mm·a-1);C为地表径流量(mm·a-1),该部分气象和水文数据主要来源于吴中区气象局。

(2)保育土壤价值

苏州市吴中区西山仰坞生态园的植被分布主要以森林为主,而森林生态系统中因凋落物层以及活地被层的存在,对于降水造成的土壤侵蚀及冲刷具有明显的削弱作用,因而在水土保持方面具有重要意义,主要体现在固土功能以及保持土壤肥力两个方面[3]。本文采用影子工程法及替代市场法,通过计算人工修建拦蓄泥沙工程价值来估算西山仰坞的森林固土价值,同时根据不同元素化肥的市场价格估算森林的保肥价值,具体如下[1]:

式中:S为苏州吴中区西山仰坞的保育土壤价值(元·a-1);Usm为林分年固土价值(元·a-1);Uf为林分年保肥价值(元·a-1)。

固土价值及保肥价值计算方法如下:

式中:A为林分面积(hm2) ;Ca为挖取和运输单位体积土方所需费用,取12.6 元·m-3;X1为林地土壤侵蚀模数(t·hm-2a-1);X2为无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2a-1);P为林地土壤密度(t·m-3)。C1为磷酸二铵化肥价格,取2400 元·t-1;C2为氯化钾化肥价格2200 元·t-1;C3为有机质价格(元·t-1) ;R1为磷酸二铵化肥含氮质量分数(%);R2为磷酸二铵化肥含磷质量分数(%);R3为氯化钾化肥含钾质量分数(%);N为林分土壤含氮质量分数(%);Ps为林分土壤含磷质量分数(%);Ks为林分土壤含钾质量分数(%);Ms为林分土壤含有机质质量分数(%);关于价格数据主要来源于物价局统计,部分数据由西山仰坞生态园及南京环科所提供。

(3)固碳释氧价值

森林生态系统具有较强的光合作用能力,森林在进行光合作用的过程中,生产162 g 干物质则吸收264 g CO2,且同时能够产生192 g O2[8]。本研究中以吨为单位衡量森林的干物质生产量,即每生产一吨干物质则吸收的CO2量为1.63 t,氧气产生量为1.2 t,因而评价指标可以分为固碳及释氧2 个指标[12]。本文主要采用造林成本法、碳税法以及替代法对苏州吴中区西山仰坞的固碳释氧价值进行估算,具体计算如下:

式中:O为苏州吴中区西山仰坞的固碳释氧价值(元·a-1);Uc为林分年固碳价值(元·a-1);Uo为林分年释氧价值(元·a-1)。

固碳价值及释氧价值计算方法如下:

式中:A为林分面积(hm2) ;Cc为固碳价格,采用造林成本法和碳税法成本价的平均值 753 元·t-1;Rc为CO2中含碳质量分数,为27.27%;Ba为林分净生产力(t·hm-2a-1);Co为氧气价格,采用造林成本法和工业制氧法成本价的平均值 330 元·t-1[15,26]。

(4)积累营养物质价值

森林生态系统在其生长的过程中能够将土壤及其他环境中的N,P和K 等营养元素固定在自身的器官之中,本研究采用替代市场法,通过森林营养物质(N,P 和K)的积累状况评估积累营养物质价值[15]。具体为:

式中:Un为林分年营养物质积累价值(元·a-1);Nt为林木含氮质量分数(%);Pt为林木含磷质量分数(%);Kt为林木含钾质量分数(%);其它指标同上。

(5)气候调节

气候调节主要体现为吸热降温,其价值可以从植物蒸腾方面考虑:

式中:H为植物蒸腾的价值(元·a-1);A为林分面积(hm2);Wt表示该地单位林地面积所吸收的热量,根据龚溪等的研究[15],西山仰坞生态园的Wt取7.68× 106kJ·km-2,β为常数,设为1 kW·h· (3600 kJ)-1;Pe表示该地平均电价,元· (kW·h)-1。

(6)生物多样性保护

基于当量因子法评估苏州西山仰坞生态园的生物多样性保护价值,计算公式为[15]:

式中,Us为生物多样性保护价值 (元·a-1);Si为单位面积各生态系统生物多样性保护的价值当量,本研究则主要针对森林生态系统;β为当量因子价值(元·hm-2);Ai为A 为林分面积(hm2)。

2.3.3 旅游观光价值

苏州西山仰坞生态园作为半天然的生态系统,能够为人类提供休闲旅游服务,该部分价值的计算方法具体如下[15]:

V:旅游价值;ε:人均休闲旅游费用(元·a-1);Rt:观察年份休闲旅游人数;Cs:休闲旅行的消费者剩余;Tc:人均每年出游费用;Ct:人均旅行时间成本;f (x):按照旅游费用和旅行人数构建指数曲线模型,本部分数据来源均依据吴中区统计年鉴获得。

3 结果与分析

3.1 苏州市吴中区西山仰坞NDVI 动态

由图1可以看出,2000年NDVI 的高值区主要分布在仰坞地区以北的一小块区域,而中部和东部地区,南部和中北部NDVI 值较低。2016年该地区植被覆盖明显好转,NDVI 值总体较高,而南部地区属太湖水域部分,无植被覆盖,因而处于低值区。通过统计分析,2000年西山仰坞的NDVI 均值为0.35,最大值及最小值分别为0.48 和0.14。而2016年NDVI 的最大值、最小值和平均值分别为0.53、0.05和0.4,均明显均要高于2000年。表明近年来苏州市吴中区西山仰坞的植被覆盖程度较高。

图2为苏州市吴中区西山仰坞2000—2016年的NDVI 整体空间分布,NDVI 的均值为0.36。根据该地区NDVI 的实际分布范围将其划分为4 个等级。其中,多数地区的NDVI 处于0.3—0.4 之间,该部分面积占总面积的84.67%。NDVI 值大于0.4 的区域占总面积的11.76%,主要分布在该地区的中部及东部地区,而北部地区也有少量分布。NDVI 值小于0.2 的地区所占比重较小,主要分布在仰坞的南部区域。

图3为苏州市吴中区西山仰坞2000—2016年植被NDVI 的变化率。由图可知除了南部和中部少部分区域NDVI 呈减少趋势外,其余地区呈增加趋势。区域内仅有少部分地带的NDVI 呈现减少趋势,该部分所占总区域面积的7.30%,且平均减少速率为0.03/年;相对而言,NDVI 呈增加趋势的面积占到总区域的92.7%,平均增加速率为0.04/年。原因主要是近年来,人类活动主要介入到生产之中,大力种植果园和经济作物,从而使该地区的植被覆盖度不断增高。

图1 不同年份西山仰坞NDVI 空间分布 Figure1 Spatial distribution of NDVI of Xishan Yangwu in different years

图2 2000—2016年西山仰坞NDVI 空间分布 Figure2 Spatial distribution of NDVI of Xishan Yangwu from 2000 to 2016

图3 西山仰坞2000—2016年NDVI 变化 Figure3 Changes of NDVI from 2000 to 2016 in Xishan Yangwu

3.2 苏州市吴中区西山仰坞的物质产品生产价值

通过实地调查统计西山仰坞的经济林种植情况,并对经济林产值进行计算。由表2可以看出,西山仰坞的植被类型主要为茶园和果园。其中茶园以碧螺春茶树为主,种植面积高达600 亩,在山坡及山坞均为成片种植;而果园主要分布着柑桔、料红桔、等果品树种,其中柑桔和料红桔种植面积较多,属成片种植品种,面积共计250 余亩,而枇杷、杨梅和板栗等树种则分布较少,均为茶园中零星分布种植品种。通过市场价格对各个经济林价值进行计算,可以看出茶园的经济产值高达720 万元,而果园的经济产值相对较低,共计215 万元,其中柑桔产值占据较大比例。综上所述,苏州吴中区西山仰坞的经济林产值共计935 万元。

3.3 苏州市吴中区西山仰坞的生态系统服务及旅游观光价值

通过上文的研究方法,计算6 种生态服务功能的生态服务价值,结果如表3所示:基于水库建设单位库容投资6.11 元·m-3,水的净化费用2.09 元·t-1,并统计降水量与林分蒸散量及地表径流量的差值为247.64 mm·a-1,计算出西山仰坞森林生态系统的调节水量价值及净化水质价值,分别为175.54 及60.04 万元,进而得到该地森林生态系统的水源涵养价值为235.58 万元。保育土壤价值则主要通过计算固土及保肥两个指标。本文依据挖取和运输单位体积土方所需费用为12.6 元·m-3,统计分析林地土壤侵蚀模数与无林地土壤侵蚀模数之差为22.6 t·hm-2a-1,计算得出固土价值为3.3 万元。基于土壤含氮、磷、钾、有机质质量分数,以及磷酸二铵化肥价格(2400 元·t-1)、氯化钾化肥价格(2200 元·t-1)进而计算得到保肥价值为34.75 万元,因此西山仰坞森林生态系统的保育土壤价值为38.05 万元;固碳释氧价值计算中,固碳价格及氧气价格分别为753 元·t-1及330 元·t-1,统计分析得西山仰坞森林生态系统的固碳释氧价值为51.19 万元,其中氧气释放价值占据较大比例;积累营养物质价值相对较低为6.38 万元;西山仰坞生态园林地面积为116 hm2,而植被因蒸腾作用被吸收的热量约为8.9×108kJ,因而我们计算出西山仰坞森林生态系统的气候调节价值为24.7 万元;利用谢高地等[15]提出的当量因子法评估苏州西山仰坞生态园的生物多样性保护价值,其中定义1当量因子表示1 hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值。由《中国统计年鉴2016》获得1 当量因子的价值为0.35 万元,而西山仰坞地区的林分面积为116 hm2,且林地生态系统价值当量为2.41[15],因而根据公式(18)计算该地的生物多样性保护价值为97.85 万元。综合以上分析,西山仰坞的生态系统服务总价值为453.75 万元(表3)。同时,依据公式(19)求得2016年苏州市吴中区西山仰坞的旅游业产值高达1647 万元。

表2 西山仰坞经济林种植情况及年经济产值 Table2 Economic forest planting and annual economic output value in Xishan Yangwu

3.4 苏州吴中区西山仰坞生态园不同类型生态系统服务价值对比分析

通过计算苏州西山仰坞的6 项生态服务价值,该地区的生态服务价值共计453.75 万元。对不同类型生态价值进行统计可知(图4),苏州西山仰坞不同类型的生态系统服务价值存在较大差异。其中涵养水源价值最高为235.58 万元,所占比例高达54.76%,而积累营养物质的价值最少为6.38 万元,所占比例为1.48%。其余4 种生态服务价值中,生物多样性保护价值及固碳释氧价值相对较高,分别为97.85 及51.19 万元,而气候调节和保育土壤价值所占比例较小。以上表明苏州吴中区西山仰坞生态园对于当地的水源涵养具有重要意义。

综上所述,通过对苏州市吴中区西山仰坞进行生态服务价值评估体系的构建,并对西山仰坞的物质产品价值及生态系统服务价值进核算,进而获得该地2017年的生态价值总额为:E=Ep+Es+Ek=经济林产出价值+生态系统服务价值+旅游观光价值= 935.00 万元+453.75 万元+1647 万元= 3035.75 万元。

4 讨论

通过对仰坞生态园的植被动态进行分析,我们发现从2000—2016年期间,植被NDVI 呈增加趋势的面积占到总区域的92.7%,平均增加速率为0.04 /年,表明近年来该地区的植被覆盖度不断增高,进一步提高了该地生态资源的潜在经济价值。为了充分显化该地的生态系统服务功能和价值,定量评估体系的构建则具有重要意义。基于对苏州市吴中区西山仰坞生态园的实际情况进行实地考察,在前人的研究基础之上构建了西山仰坞地区的生态价值定量评估体系,通过定量评估,核算出2016年苏州西山仰坞的生态价值总量为3035.75 万元,其中观光旅游价值占据比重较大,因此该地在后期的生态经济建设中应大力发展第三产业,并将生态旅游业推向主导产业的地位。经济林产出价值及其生态服务功能价值共计高达1390.09 万元,表明该地区的生态系统价值除了为人类的生产提供原材料之外还具有生态服务效益。综上所述,苏州吴中区西山仰坞生态园在经济发展的过程中应该将放远眼界,不能仅仅局限于物质产品价值,应综合该地生态系统多方面的生态资源及经济效益,进而充分发挥其生态价值效益。另外,进一步加强对仰坞生态园的完善和提升,使其集休闲旅游、林业生产、环境美化等多项功能于一体,并对产业结构进行系统优化,从而为该地区的经济建设做出重大贡献,同时实现生态环境保护与经济发展建设双赢。

表3 西山仰坞生态服务价值统计 Table3 Statistics of ecological service value of Xishan Yangwu

图4 西山仰坞不同生态服务价值及其所占比例 Figure4 Ecological service value and its proportion in Xishan Yangwu

5 结论

苏州市吴中区西山仰坞的植被空间分布表现为中部及东部地区植被覆盖程度较高,而南部区域植被覆盖较低。与2000年的植被覆盖相对比,趋势分析表明近年来苏州西山仰坞的植被覆盖程度明显增高,原因可能是大力种植果园和经济作物的增加,从而使该地区的植被覆盖度不断增高。同时,经济林的大面积种植及植被覆盖度的增高也进一步提高了该地区的林地生态系统的服务功能和价值。

通过定量评估,苏州市吴中区西山仰坞的物质产品价值即经济林产出价值为935 万元;而该地的生态系统服务价值为453.75 万元,其中水源涵养价值所占比例高达54.76%,为235.58 万元,而积累营养物质价值相对较低为6.38 万元,所占总价值比例的1.48%;经过计算得出,2016年苏州市吴中区西山仰坞的旅游总收入为 1647 万元。通过进一步核算,西山仰坞生态园的生态价值总额高达3035.75 万元,也同样表明西山仰坞生态园对于苏州市吴中区的经济发展具有较大贡献。

通过对不同类型生态服务价值进行对比分析,苏州西山仰坞的生态服务价值由大到小排序为:涵养水源＞生物多样性保护＞固碳释氧＞保育土壤＞气候调节＞积累营养物质,以上表明森林生态系统对于该地的水源涵养具有重要的意义。

对苏州市吴中区西山仰坞生态园的生态系统服务价值进行定量评估,以货币的形式充分显化了该地生态资源的经济价值,该评估精度与结果与西山仰坞生态园的实际经济价值相符,同时对于苏州市吴中区的经济发展以及西山仰坞生态园的后续开发及提升具有重要意义。