面向城市空气污染的森林生态功能评估研究

宋海彬，武富庆，于翠芳

(黑龙江科技大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引言

森林生态功能[1]即森林生态系统与生态阶段生成的自然环境条件与作用，包含水土、养分、空气、生物等多个方面.随着森林生态建设步伐的跨越式前进，森林的地位与作用逐渐被人们全面地认识与评价，特别是在可持续发展的战略目标提出后，森林资源防护意识得到加强，同时也为经济社会可持续发展赋予了重要意义.只有通过价值形式[2]将生态功能体现出来，方可让人们更清晰地了解到森林的生态效用，并为维护良好的生态环境作出有力的贡献.张瑜等[3]与邹文涛等[4]为合理、准确地评估森林生态功能，分别引入投影寻踪分类技术与InVEST模型，为科学调整区域功能提供依据，为生态功能充分发挥提供保障.

近几年，工业的无序化发展与汽车数量暴增造成的尾气指标上扬，加剧了大气环境的污染，令空气污染问题面临前所未有的挑战.因此，本文基于森林生态系统服务功能评估规范，拟建立针对城市空气污染问题的森林生态功能评估指标体系；并结合森林生态系统属性以及森林生态站长期的定位监测结果，对研究区域的森林生态功能开展系统评估分析.

1 森林生态功能评估指标体系

常规森林生态功能主要分为：保育水源、保育土壤、保护生物多样性、净化空气、累积营养等5类.本文针对城市空气污染的森林生态功能评价，选取净化空气生态功能中的吸收、过滤、阻隔、分解大气污染物以及提供负离子等子功能[5]展开研究.此外，本文还基于森林生态系统服务功能评估规范[6]，结合研究区森林生态系统属性以及森林生态站长期的定位监测结果，建立适用于研究区域的森林生态功能评估指标体系，如图1所示.

图1 森林生态功能评估指标体系

2 研究区域概况

本文选取位于某省东南边陲的某市作为研究对象，其地理信息如图2所示.该区域属温带大陆性气候，地势多为平原，南高北低，低山丘陵较多，年降雨量如图3所示.区域内森林资源较为丰富，覆盖面积高达84.3%，且树种繁多，达到150余种.

图2 研究区域地理信息

图3 研究区域年降水量

本文利用定位监测方法调查研究区域，将采集的森林资源数据作为功能评估的基础数据，分析与处理操作通过Excel软件实现.本文通过分析研究区域资源数据，选取水曲柳、桦树、红松、椴树、黄波椤等5种优势树组，按照幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林以及过熟林等不同龄组分类，结合评估指标体系，针对该区域森林生态功能，展开实物量与价值量评估.具体流程如下：

1)研究区域划分：依据表1所示6个不同的树种龄组将研究区域划分为6个标准样地，6个标准样地之间相互独立，经累计所有区块的森林生态功能评估数据，即可取得整个研究区域的评估结果.

表1 树种龄组分类标准

2)净化空气树种情况调查：在表2所示的25个标准样地区块内，展开为期一年的负氧离子浓度等与空气状况相关数据采集与观测，由于植物生长缓慢，因此，采集和观测的频率均设为每月的5号、15号和25号.

表2 标准样地信息参数

续表2

3 森林生态功能评估方法

3.1 森林生态功能实物量评估

3.1.1 负离子提供功能评估

本文采用森林年提供负离子浓度[7-8]反映负离子提供指标的实物量，假设群落地段占地A公顷，平均高度是H米，所提供负离子浓度是每立方厘米Qf个，每年可提供Gf个负离子，空气媒介中负离子的寿命为L，因只有当负离子浓度超过600个/cm3时才有益于人体，故该指标实物量计算公式如下：

(1)

3.1.2 城市污染物吸收功能评估

污染物吸收指标针对二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等3种主要空气污染物，并采用面积吸收能力[9]法计算森林年污染物吸收的实物量，数学表达式分别如下：

Gs=Qs×A

(2)

GF=QF×A

(3)

Gd=Qd×A

(4)

其中，Gs、GF、Gd分别表示该群落地段每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的实物量，单位是吨；Qs、QF、Qd分别表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的吸收浓度，单位是mg/m3.

3.1.3 阻滞降尘功能评估

同理，在计量阻滞降尘的实物量时，可由下列公式解得

Gz=Qz×A

(5)

式中，Gz、Qz分别表示该群落地段每年的阻滞降尘实物量与阻滞降尘浓度.

3.2 森林生态功能价值量评估

3.2.1 负离子提供功能价值评估

本文基于市场化的负离子产生费用成本，通过折算森林年提供负离子的货币价值，计量出该指标的价值量.假设产生负离子需要Kf元，则森林年提供负离子价值量Uf的计算公式如下：

(6)

本文利用中国科学院3H科技公司与沈阳柏森医疗器械有限公司研产结合的亚马逊牌负离子发生器制造负离子，其费用成本Kf为6.29元/(1018个负离子).

3.2.2 城市污染物吸收功能价值评估

本文分别测定、估算出森林年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物浓度，将其与对应污染物治理成本相乘，即可取得各污染物的年吸收价值量.计算公式分别如下：

Us=A×Qs×Ks

(7)

UF=A×QF×KF

(8)

Ud=A×Qd×Kd

(9)

其中，Us、UF、Ud分别表示森林每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的价值量；Ks、KF、Kd分别表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的治理成本.根据排污费征收标准[10]可知，二氧化硫、氟化物和氮氧化物的排污费用分别为1.2元/kg、0.69元/kg以及0.63元/kg.

3.2.3 阻滞降尘功能价值评估

同理，推导出群落地段每年阻滞降尘的价值量Uz计算公式如下：

Uz=A×Qz×Kz

(10)

其中，Kz表示阻滞降尘的清理成本.滞尘作为一般性粉尘，其排污费用为0.15元/kg.

3.3 森林生态功能指数量评估

本文归一化处理森林数量、质量以及空间分布等指标值，取得森林生态功能指数量P.假设森林数量指数、质量指数以及空间均衡指数分别是P1、P2、P3，则指数量评估结果通过下式解得

(11)

其中，森林数量指数P1为森林覆盖率；森林质量指数P2综合考虑了自然度、生物量、植株结构、均高、落叶厚度、郁闭度、群落结构等因素的质量指数均值，计算公式如下：

(12)

其中，第i个评价因子的权重与专家给定分值分别是wi、xi.

空间均衡指数P3为研究区域中森林的分布情况.本文利用arcMap软件将样地分类为多个相同规格的空间单元，测算各单元的样地占地比例后，由下式得到该指数值：

(13)

4 森林生态功能评估结果分析

本文面向城市空气污染的研究区域，基于评估指标体系，采用定量、定性融合的分析策略，全面评估空气污染方向的森林生态功能.

本文根据污染物吸收量、阻滞降尘量、提供负离子量、森林覆盖率、样地占地比例的观测值以及专家给出的权值与质量评价分值，计算所选区域不同样地中的实物量、价值量以及指数量等数值，经分析后，取得森林生态功能的整体评估结果.

4.1 基于实物量的森林生态功能评估

本文根据采集到的提供负离子量、污染物吸收量、阻滞降尘相关浓度值，统计出各指标的对应实物量，通过表3中数据结果可以看出：城市5类优势树组在相互作用下，不仅产生了庞大的负离子量，吸收了空气中大量的二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等污染物，且较大程度地实现了阻滞降尘，使森林生态功能的净化空气作用得到了极大程度提升.

表3 森林生态功能实物量结果

4.2 基于价值量的森林生态功能评估

表4中的价值量数据是将提供负离子、污染物吸收、阻滞降尘等指标的实物量折算成了货币价值，据此可以看出：研究区域所种植的5种优势树组为净化城市空气环境创造了巨大的功能价值，这说明该树种的群落结构具有较为理想的森林生态功能效用.

表4 森林生态功能价值量值结果

4.3 基于指数量的森林生态功能评估

由于指数量是从大小相同的空间单元角度进行评估的，无法以区块样地为单位，因此，本文根据近一年各因素指数值的月变化情况(见图4)，评估区域的森林生态功能.

图4 森林生态功能指数量值结果

由图4中森林数量指数、森林质量指数、空间均衡指数以及森林生态功能指数的数值可以看出：所有数据均呈上升趋势，1月时各指数量分别是0.540 9、0.477 4、0.640 2、0.552 8，12月各指数量达到0.549 6、0.488 3、0.649、0.562 3，年增加量分别为0.008 7、0.010 9、0.008 8、0.009 5，其中，森林质量指数增幅最大.这表明区域中的树种具有显著的生态优势，尽管森林生态功能在一定程度上受到了覆盖率的限制，但整体表现依旧良好.

5 结论

在陆地生态系统中，森林效益不再局限于材料与林副产品供应，其功能早已发挥出生态、经济以及社会价值的作用.森林生态功能利用森林的群落效应影响着人类的生存环境乃至发展前景，其中以大气环境最为显著.为此，本文针对城市空气污染的问题，对森林生态工程进行评估，使无形的生态功能转化为有形的指标，凸显其现实价值.为进一步优化评估性能，本文对生态功能展开系统监测，增加降雨、风、大气湍流、温度结层等评估因子；结合面积吸收能力法和归一化法等建立一种评估技术，提升数据分析与管理能力，完善评估指标体系.