北京市4种城市功能区森林植被涵养水源功能评价及价值估算

毛 军,田 赟,谢军平,赵 菁,马 莉,查天山,*

1 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083 2 北京市园林审计工程有限公司, 北京 100012

城市绿化是生态文明建设的重要载体和表现形式,是城市生态系统初级生产者和城市生态平衡的调控者,执行若干生态功能,具有稳定、持续的生态环境效应,是现代城市建设中不可缺少的重要内容[1- 2]。城市绿化的生态环境包括净化城市环境、改善空气质量[3]、缓解城市热岛效应[4]、调节“小气候”[5]、防风固沙,保持水土,减少自然灾害等生态效益[6]。城市森林建设并非简单的植树造林,更不是单一的追求景观绿化,应根据城市各功能区自身的特殊性以及生态功能为导向实施城市绿化工作[7]。以往研究常以公共绿地、道路绿地、单位附属绿地、居住区绿地为单元目标进行城市水源涵养功能研究[8- 9],多伴有景观倾向,而基于城市功能区开展植被配置的研究相对还较少。目前,城市区域被功能化分区后引起的城市生态系统服务功能变化尚不明确。在经济、生态与环境共同需求发展趋势下,如何科学合理、有针对性地制定城市生态管理政策对促进城市生态、社会、经济发展具有重要现实意义。

关于水资源的利用和保护一直是国内外学者开展生态研究的重要科学问题[10- 13],城市是人口高度聚集的自然区域,水资源的利用和保护显得尤为重要[14- 15]。森林植被是保护和调节水资源的重要调控层[16],随着生态文明建设的持续推进,当前“碳中和”的生态重要性逐渐被人们高度关注,以水源涵养功能为导向的城市森林植被迫切得到更加完善、合理、高效的管理政策,以提高城市森林碳源收支平衡过程[17]。关于提高森林生态主导功能的植被配置优化研究,先前学者得到较为系统的研究理论。喻阳华等人[18]对赤水河上游主要森林类型水源涵养功能评价,提出低持水、中低持水、中持水和高持水等四种类型,并强调恢复森林水源涵养功能的核心是调整林冠组成和结构。侯贵荣等人[19]对黄土高原典型林分研究结果表明单一树种纯林向多树种混交林改造能提高森林植被的水源涵养功能。孟楚等人[20]对北京八达岭林场水源涵养林研究结果表明具有起源为天然,异龄,混交林,郁闭度在0.6—0.8的水源涵养林的生态功能最优。Schneider[21]研究结果表明植被恢复方式、生长年限、土壤类型、气候条件、地形等对生态系统功能影响均较为显著。可见,先前国内外研究学者对非人口高密度聚集区域的森林植被如何发挥水源涵养功能已开展了较为全面的研究[22],而关于城市森林水源功能的研究相对还不够全面,特别是随着社会的发展,大型城市被功能区划分后,开展城市森林对人口水资源利用和保护政策将极为重要,也具有非常重要的现实指导意义。北京市作为国际一流城市,常住人口超过两千万,可见水资源的利用和保护对北京市非常重要,而目前北京市森林水源涵养功能的分析和评估尚未得到足够的关注。

相应地,本文研究目标为：(1)以北京市2009年、2014年的两期森林资源二类清查数据和2009、2014年的遥感影像数据为基础,阐明2009年和2014年4种城市功能区典型林分面积变化的时空分布特征；(2)以森林生态系统水源涵养功能为评价目标,以森林调节水量和净化水质为评价指标,分析2009年和2014年不同功能区林分水源涵养功能变化特征；(3)计算2009年和2014年4种城市功能区典型林分水源涵养功能的实物量和价值量,评估其环境效应的发展趋势。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区北京市位于华北平原的北端(E115°25′―117°30′,N39°28′―41°05′),城市总面积为16807.8 km2,其中山区面积为10418 km2,占总面积62%；平原面积为6390 km2,占全市面积38%。北京市平均海拔43.5 m,年均温度11.5℃,属暖温带半湿润季风型大陆性气候,年无霜期为180—200 d,年平均降水量为630 mm,汛期降雨约占85%。北京市主要土壤类型有山地草甸土、山地棕壤、褐土、潮土、沼泽土、水稻土和风沙土。北京地区野生被子植物中以菊科、禾本科、豆科、蔷薇科为主,其次是百合科、莎草科、伞形料、毛莨科、十字花科和石竹科等,常见植被如蒺藜(TribulusterrestrisL.)、猪毛菜脚(SalsolacollinaPall.)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、云杉(PiceaasperataMast.)、臭椿(AilanthusaltissimaMill.)、栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)等。

1.2 研究方法

1.2.1水源涵养功能评价指标实物量计算

根据森林生态系统服务功能评估规范(GB/T 38582—2020),本研究将北京市各功能区城市绿化水源涵养功能分为调节水量和净化水质两个主要部分,水源涵养功能的调节水量的实物量采用计算公式(1)进行计算：

G调=10×A×(P-E-C)

(1)

式中,G调为评估林分年调节水量(m3/a)；A为林分面积(hm2)；P为降雨量(mm/a),降雨量分别采用2009和2014年中国气象数据共享网所公布的数据；E为林分蒸散量(mm/a)；C为地表径流量(mm/a)。水源涵养功能的净化水质的实物量采用计算公式(2)进行计算：

G净=10×A×(P-E-C)

(2)

式中,G净为评估林分年净化水质量(m3/a)；A、P、E、C单位水文意义同公式(1)。

1.2.2水源涵养功能评价指标价值量计算

根据森林生态系统服务功能评估规范(GB/T 38582—2020),计算降雨量与林分蒸散量和地表径流量差值与林分面积相乘得到水量容积,再与水库建设单位库容投资相乘得到林分年调节水量价值,具体按照计算公式(3)计算：

U调=G调×C库

(3)

式中,U调为评估林分年调节水量价值(元/a)；G调为林分年调节水量(m3/a)；C库为水资源市场交易价格(元/m3),北京市居民用水价格采用2018年平均值7元·t-1；排除水量损失后的水的净化费用得到林分净化水质价值按照计算公式(4)计算：

U净=G净×K水

(4)

式中,U净为评估林分净化水质价值(元/a)；G净为林分年净化水质量(m3/a)；K为水的净化费用(元/m3)。

1.2.3NDVI提取

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)称为归一化差值植被指数,常用于表征植被生长状况,被广泛应用在植被覆盖空间分析、变化监测等方面,NDVI按照计算公式(5)计算：

(5)

式中,NIR为近红外波段,R为红光波段。

本文采用Excel 2010处理数据,ArcGIS 10.0软件对北京市城市绿地的时空分布特征进行制图和分析,Origin 2018软件进行北京市各区城市绿化和水源涵养功能进行制图。

1.3 数据获取来源

遥感影像来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/),选取研究区植被生长季对应影像,数据见表1。影像云量较低,满足研究需求。

表1 研究区遥感影像信息

本论文所有森林资源二类清查数据来源于北京市林业勘察设计院。

2 结果与分析

2.1 2009年至2014年北京市森林资源时空变化

本文根据国家统计局统计年鉴中的行政区划将北京16个区分为首都功能核心区(东城区和西城区)、城市功能拓展区(朝阳区、丰台区、石景山区和海淀区)、城市发展新区(房山区、通州区、顺义区、昌平区和大兴区)和生态涵养发展区(门头沟区、怀柔区、平谷区、密云区和延庆区)(表2)。

北京市功能区分及其绿化面积统计分析结果表明,首都功能核心区(东城区和西城区)在2009年和2014年的主要林地类型均为混交林,并无纯林(针叶林和阔叶林)存在,城市功能拓展区、城市发展新区、生态涵养发展区在2009年和2014年的主要林地类型包括针叶林和阔叶林以及混交林三种。其中,朝阳区、丰台区、海淀区、房山区、通州区、昌平区、大兴区、门头沟区、怀柔区、密云区和延庆区均表现为在2014年的林地总面积大于2009年,而石景山区、顺义区和平谷区林地总面积变化趋势反之。整体上,2014年北京市森林植被面积较2009年呈增加趋势。

北京市2009年和2014年NDVI空间分布(图1)统计结果表明,2009年NDVI平均值为0.331,2014年平均值为0.708。从2009年和2014年北京市NDVI空间分布统计可以看出,2009年城市用地中的植被覆盖较少,而北京市生态建设到了2014年时城市用地中的植被覆盖显著增加。

2.2 北京市不同功能区绿地差异

北京市2009年和2014年不同功能区绿地空间分布如图2所示,结果表明2014年总林地绿地面积(4.59×105hm2)较2009年(4.00×105hm2)显著增加了14.59%。不同林分类型面积均有所增加,针叶林增加35.44%,阔叶林增加0.04%,混交林增加32.06%。对比两期调查数据(图2),首都功能核心区混交林面积约增加了63.96%；城市功能拓展区针叶林面积约减少了13.29%,而阔叶林和混交林面积分别增加了19.19%和6.67%,林分面积分别为阔叶林>混交林>针叶林；城市发展新区针叶林、阔叶林和混交林面积分别增加了67.97%、2.30%和50.43%,林分面积变化趋势表现为阔叶林>针叶林≈混交林；生态涵养发展区针叶林和混交林面积分别增加了29.20%和24.91%,阔叶林面积减少了3.40%,林分面积分别为阔叶林>针叶林>混交林。

从空间分布上看,在首都功能核心区中主要分布阔叶林；混交林、针叶林、阔叶林3种林分混合集中分布在密云区、平谷区、昌平区和怀柔区南部；顺义区、朝阳区、通州区、大兴区分布的阔叶林较为离散。

表2 北京市不同功能区分及其绿化面积统计

图1 2009年和2014年北京市NDVI空间分布Fig.1 The spatial distribution of normalized differential vegetation index in Beijing in 2009 and 2014, respectively

图2 北京市不同功能区绿地空间分布Fig.2 The green spatial distribution of different functional areas in Beijing

2.3 北京市不同功能区林地水源涵养功能特征及价值估算

2.3.1水源涵养功能实物量

北京市各功能区水源涵养功能实物量统计如表3所示,北京市首都功能核心区2014年混交林水源涵养功能实物量(8.23×105m3)较2009年(1.28×106m3)降低35.7%,城市功能拓展区2014年森林植被水源涵养功能实物量(3.09×107m3)较2009年(4.81×107m3)降低35.81%,生态涵养发展区2014年森林植被水源涵养功能实物量(1.91×108m3)较2009年(3.85×108m3)降低50.57%。城市发展区森林植被在2014年水源涵养功能实物量(1.78×108m3)较2009年(1.66×108m3)增加7.6%。结果还表明：生态涵养发展区(2.88×108m3/a)>城市发展新区(1.72×108m3/a)>城市功能拓展区(3.95×107m3/a)>首都功能核心区(1.05×106m3/a)。整体上,2014年林地绿化调节水量为4.01×108m3,较2009年降低了近1/3。

表3 北京市各功能区水源涵养功能实物量统计

2.3.2水源涵养功能价值量

北京市各功能区水源涵养功能价值量估算结果(图3)表明,2009年各功能区涵养水源功能总价值量为：阔叶林(4.32×109元/a)>针叶林(2.13×109元/a)>混交林(1.42×109元/a),2014年为：阔叶林(2.81×109元/a)>混交林(1.49×109元/a)>针叶林(9.48×108元/a)。各功能区森林植被水源涵养功能价值量表现为：阔叶林(3.57×109元/a)>混交林(1.45×109元/a)>针叶林(1.54×108元/a),各区森林植被水源涵养功能价值变化结果表明混交林水源涵养功能价值量呈增加趋势(5.13%),阔叶林和针叶林水源涵养功能价值量呈下降趋势,且针叶林降低速率(-55.55%)较阔叶林(-34.93%)快。2014年由于林地绿化调节水、净化水质而产生的价值量较2009年分别减少了22.08%和8.24%。

图3 北京市各功能区水源涵养功能价值量估算Fig.3 Estimation of the value of water conservation function in Beijing′s functional areasa:调节水量的价值 b.净化水质的价值

3 讨论

本文对北京市不同功能区绿地时间分布分析,结果表明整体上2014年北京市森林植被面积较2009年呈增加趋势(表1),我们对北京市2009年和2014年NDVI进行空间分布统计分析,结果也证实了2014年(0.708)北京市森林植被面积较2009年(0.331)呈增加趋势。北京市不同功能区绿地空间分布表明四个功能区林地面积呈增加趋势(图1),且各区阔叶林面积占比最多。这与北京市林业部门正确的营林决策具有密切的关系,主要采取营造阔叶林为主,针叶林为辅。北京市森林植被面积呈增加趋势与北京市正确的城市生态规划发展也具有密切联系[23],同时,受到人类生产活动的显著影响[5]。随着近年社会经济的快速发展,人类活动等会影响局部地区的降雨环境因素,而城市绿化的林地可以缓解这种变化,改善人们的生活环境,以利于城市健康发展。本文研究结果表明北京市各区森林植被面积变化趋势与北方黄土高原丘陵区[24- 25]和残塬区[26]和南方土石山区[27]营林研究建议一致。

本文结果显示北京市森林植被水源涵养功能实物量整体上在2014年较2009年减少近1/3。分析原因,首先随着北京市年降雨量整体表现为增加趋势[28],林地水分补给来源也随之增多,林地环境得到改善,林木根系的生长、周转等活力得到显著良性调节,最终改善林分生长状况[29-30]。第二,在气候暖干旱影响下,植被的生长和发育会受到影响。近年来北京市空气温度逐年增加造成林地蒸发散总量增加[31]。大气―植被―土壤连续体会影响生态系统物质循环,也会制约生态系统能量流动[32]。第三是受气候和植被变化的影响,土壤水分和土壤养分含量以及土壤微环境也会发生变化[33-34],通过微生物影响土壤环境,土壤微生物和动物丰富度随之提高[35],对枯枝落叶的分解活动明显提高,将会影响植被蓄积量、凋落物量、土壤有机质量和土壤物理性质[36],最终影响森林植被林冠、枯落物和土壤作用层水源涵养机制[37]。

本文结果表明北京市4个城市功能区森林植被水源涵养功能价值量呈增加趋势,而纯林与之相反,且针叶林降低速率大于阔叶林,这与实际情况相符。以往研究从森林生态系统功能的角度揭示混交林生态功能优于纯林,在森林经营中宜考虑多营造混交林的重要结论[38],而本研究的结论从经济价值方面进一步证实森林经营应该多考虑营造混交林,这与传统的森林经营研究结论相同。本文认为提高北京市森林植被水源涵养功能,充分发挥森林植被水土保持功能,在森林管理中应重点关注3个方面,第一,注重森林植被类型多样化,多营造混交林提高森林生态系统稳定性；第二,充分考虑气候条件暖干旱影响下的土壤水分植被承载力,调控适宜林分密度,间接优化林分结构；第三,建立森林经营管理制度,加强营林技术,提高林分质量,抑制森林植被过早进入衰退期,提升森林植被水源涵养生态主导功能。

根据本文的分析结果,结合北京市的实际发展情况,对北京市的城市绿化建设提出以下几点相关建议：①提升城市林地绿地质量,以生态文明建设为主线,注重林地绿地的养护管理,提高资源的利益效率及环境的改善效率。②扩大混交林的种植面积,发挥林地的生态调节功能,提高其林分的稳定性,确保林地能发挥更大的社会效益及经济效益,最终为人类提供更加健康的城市生活环境。③增加北京市的城市绿化面积,美化城市人居环境。以经济发展促进生态文明建设的发展,又以良好的生态环境以及城市绿地对环境的改善作用,促进北京市的经济发展。④加强首都的生态环境保护建设的力度,完善相关的法律法规,加强对污染企业的管制,从源头控制人为因素对环境造成的破坏。⑤北京市的各个功能区的核心功能不同,适当增加首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区的林地绿化面积,以生态涵养发展区为核心,增强北京市的生态文明建设,改善北京市的环境问题。

4 结论

(1)北京市森林植被面积2014年(4.59×105hm2)较2009年(4.00×105hm2)呈增加趋势,北京市NDVI平均值也表明从2009年(0.331)至2014年(0.708)北京市绿化面积显著增加。北京市2014年林地绿化调节水量为4.01×108m3,较2009年降低了近1/3,2014年由于林地绿化调节水、净化水质而产生的价值量较2009年分别减少了22.08%和8.24%。

(2)北京市四个城市功能区森林植被水源涵养功能表现为混交林产生的水源涵养功能价值量呈现增加趋势(5.13%),而阔叶林和针叶林产生的水源涵养功能价值量呈下降趋势,且针叶林降低速率(-55.55%)较阔叶林(-34.93%)更快。

(3)北京市的人居生态环境近年来稳步提升,经过植树造林后,北京市的生态环境、城市人居环境都有了明显提升。林地改善环境而带来的经济价值逐年增长,林地很好地发挥了涵养水源功能,也产生了相应的经济价值,总体发展趋势较好。