调水工程防护林生态环境效益评估

刘 莹，王富强，2，张红璐，赵 衡，2

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，河南 郑州 450046）

0 引言

生态环境效益是指生态系统通过发挥自身生态功能对生态和环境产生的效用及影响。“生态环境效益”概念的提出源于20 世纪后期“生态系统服务”概念的出现， Constanza 等明确了相关概念、分类及评估方法［1-2］。此后，生态环境效益评估成为生态学、地理学和经济学等多学科的热点研究课题。日本、美国等国家相继开展了森林生态环境效益定量评估工作。 Constanza 将全球森林划分为热带林和温带（北方）林两类，分别进行生态环境效益评估［3］；Adger 和Tobias 等采用旅行费用法等方法评估了热带雨林和巴拿马森林生态系统的生态环境效益［4-5］。经过不断探索，生态环境效益评估体系日趋成熟。2005 年，千年生态系统评估 （Millennium Ecosystem Assessment，简称MA）从全球尺度建立了多维度的生态系统评估框架，将生态系统服务划分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，这是当前被广泛认可并应用的分类方法［6］。基于国外的研究进展，中国林学会率先对我国森林资源进行效益核算， 标志着国内生态环境效益评估工作的开始。 李金昌将现存的评估方法重新分类［7］；谢高地则根据中国生态现状，修正了当量因子表， 实现了评估体系和计算方法中国化［8-10］；中国林业和草原局制定并修正了《森林生态系统服务功能评估规范》，为国内的生态环境效益评估工作建立了统一标准［11-12］。 近期，欧阳志云提出了生态系统生产总值（GEP）核算制度等创新性概念［13-15］。

迄今为止， 生态环境效益评估研究成果丰硕，但以调水工程防护林为对象的研究较少，致使社会缺乏对其重要性的认知。南水北调中线工程是中华民族发展史上一项具有里程碑意义的战略性跨流域调水工程，而干渠防护林作为其重要组成部分，是确保一渠清水永续北送的绿色生态保障工程，改变了原有土地覆被类型，提高了森林覆被率，提升了生态环境质量，具有涵养水源、 固土保肥和调节大气组分等功能，产生了生态环境效益。 在南水北调中线工程受水区中，郑州市是主要受水城市之一，一渠丹江水改善了其用水问题。南水北调中线工程郑州段干渠防护林对工程安全和输水安全发挥了重要保护作用。 基于此，本研究构建了调水工程防护林生态环境效益评估指标体系， 并以南水北调中线郑州段干渠防护林为典型实例，进行了具体计算和分析。

1 评估方法

1.1 构建评估指标体系

本研究基于MA 和Costanza 理论以及对调水工程防护林生态系统服务概念和内涵的理解［16］，遵循指标选取原则， 构建调水工程防护林生态环境效益评估指标体系（详见图1）。 由于调水工程防护林不以提供木材等产品供给服务为主， 因此本研究重点量化其调节服务、 支持服务和文化服务所产生的生态环境效益。

图1 调水工程防护林生态环境效益评估指标体系Fig.1 Evaluation index system of ecological and environmental benefits of shelterbelt for water transfer project

本研究以调水工程防护林生态环境效益评估为目标层，以调节服务、支持服务和文化服务3 项为准则层，将准则层细化为7 项作为功能层，针对每项功能，筛选相应的代表性指标，最终确定15 项指标作为指标层。 调节服务准则层主要考虑防护林对大气组分、气候条件、空气中有害物质以及水量水质的调节作用； 支持服务准则层主要从防止水土流失和保护生物多样性两方面考虑； 文化服务准则层主要考虑防护林的建设创造了“林水相映” 的美好景观格局，增加了美学价值。

1.2 生态环境效益计算

生态环境效益评估方法主要包括价值量评估法、物质量评估法和能值分析法。 本研究采用价值量评价法进行调水工程防护林生态环境效益定量评估。 该方法是将生态环境效益以货币的形式表示，直接反映人类的支付意愿，使不同生态产品可以相加、比较。

1.2.1 调节服务

（1）大气调节。防护林生态系统通过光合作用耗碳释氧，能有效降低大气中CO2浓度，调节大气中O2含量，延缓温室效应。 固碳、释氧效益分别采用式（1）和式（2）计算。

式中：VCO2为固碳效益，万元／a；S 为防护林面积，hm2；M 为防护林年均固碳量，t／hm2；PCO2为中国造林成本，元／t。

式中：VO2为释氧效益，万元／a；M2为防护林年均释氧量，t／hm2；PO2为工业制氧成本，400 元／t［6］。

《中华人民共和国林业行业标准》 中确定CO2的含碳量为27.27%，结合光合作用原理，计算出防护林的年均固碳量为2.60t／hm2，年均释氧量为6.69t／hm2。本研究以造林成本代替固定CO2的市场价格。 相关研究表明， 中国的平均造林成本为260.17 元／t，工业制氧成本为400 元／t［17-18］。

（2）气候调节。林木通过自身蒸腾作用消耗空气中的热量并产生水汽，但林内风速较小，热量和水汽不易交换和扩散，因此蒸腾作用使林内温度降低、湿度增加。本研究以空调机、加湿器的工作成本替代防护林的降温、增湿效益。 降温、增湿效益分别采用式（3）和式（4）计算。

式中：Vjw为降温效益，万元／a；ρ 为常数，等于1 kWh／3 600 kJ；Q 为成熟期防护林每年吸收的热量，kJ／hm2；Pd为电价，元／kWh。

式中：Vzs为增湿效益， 万元／a；β 为加湿器蒸发1m3水体的耗电量 （参考市场普通规格加湿器功率），取125 kWh；W 为成熟期防护林的年均蒸腾水量，t／hm2。

据测算［19-20］，单位面积成熟期防护林平均每年约可从环境中吸收8.11×106kJ／hm2热量，向空气中蒸腾的水量为18.10 t／hm2。

（3）环境净化。防护林生态系统对环境的净化作用主要包括3 个方面。 首先，防护林能通过吸收、阻滤并分解大气中SO2、NOx和粉尘等污染物， 提升空气质量。其次，它的冠木和枝叶也可使声波不定向反射或将声波吸收，使噪声降低5～40 dB，比空旷地的自然衰减效果多5～25 dB。 最后，林内高浓度的负氧离子和防护林自然状态下分泌的杀菌素、 精气和臭氧等物质具有杀菌杀虫作用， 能有效降低林内空气含菌量。 净化空气、降噪、杀菌抑菌效益分别采用式（5）、式（6）和式（7）计算。

式中：Vkq为净化空气效益，万元／a；MSO2为防护林年均SO2净化量，kg／hm2；PSO2为SO2的工业处理成本，元／kg；MNOx为防护林年均NOx 净化量，kg／hm2；PNOx为NOx 工业处理成本，元／kg；Mfc为防护林年均粉尘净化量，kg／hm2；Pfc为粉尘处理成本，元／kg。

根据《中国生物多样性国情报告》《排污费征收标准及计算方法》及现有研究［21］，确定防护林平均每年对SO2、NOx 和粉尘的净化量分别为152.13 kg／hm2、6 kg／hm2和10110kg／hm2，处理成本分别为1.2 元／kg、0.69 元／kg 和0.63 元／kg。

式中：Vzy为降噪效益， 万元／a；Pj为降噪成本（以中国平均造林成本的15%计［22-23］），取39.03 元／m3；N 为成熟期防护林的年均蓄积量 （下同）［24］，取80 m3／hm2。

式中：Vsj为杀菌抑菌效益，万元／a；Ps为杀菌成本，以中国平均造林成本的10%计［25］，取26.02 元／m3；其他符号定义同上。

（4）水源涵养。 一方面，防护林能促进降水渗入地下，减少雨后地表径流，有效调节流量。另一方面，防护林的林冠层、枯落物层具有特殊的结构和性质，能改变降水、径流成分，改善降水水质。 调节水量和净化水质的效益分别用式（8）和式（9）计算。

式中：Vsl为水量调节效益，万元／a；Pk为替代工程成本，元／m3；P 为降水量，mm／a；E 为蒸散发量，mm／a。

式中：Vsz为水质净化效益，万元／a；Pz为自来水净化费用，元／t。

本研究采用国家林业和草原局提出的涵养水源效益评估方法， 以水库蓄水成本替代防护林调节水量的效益， 以自来水的净化成本替代防护林净化水质效益，以单位库容造价作替代工程成本［26］。

1.2.2 支持服务

（1）土壤保育。 防护林的林冠层能截留降水，减少雨水对下垫面的冲刷， 加之防护林根系呈多层交错分布，能有效固持土体。 同时，它又能将从外界积累的养分的60%～70%以枯落物的形式归还土壤，实现森林自肥。固土效益按式（10）计算，保肥效益按式（11）计算。

式中：Vgt为固土效益，万元／a；Cg为防护林防止土壤剥蚀的能力，取11.11 t／hm2；I 为防护林年均收益（以我国林业的年平均收益计），取263.58 元／hm2；ρ为土壤容重，取1.39 t／m3；h 为土壤的平均厚度（以我国土壤平均厚度计），取0.5 m［27］。

式中：Vbf为保肥效益，万元／a；Cb为防护林的养分维持能力［28］，取0.45 t／hm2；Ph为土壤养分的影子价格（参考《统计年鉴》，以我国化肥市场均价计），取2 549 元／t。

（2） 保护物种多样性。 防护林生态系统层次错落，资源丰富，营养结构复杂，生境适宜，是林内生物多样性、 生态系统多样性和营养物质丰富的重要原因。 保护生物多样性和积累营养物质效益分别采用式（12）和式（13）计算。

式中：Vsw为保护生物多样性效益 （万元／a）；Pt为防护林的生态环境效益系数 （以自然林的60%计［29］），取2 884.60 元／hm2。

式中：Vyy为积累营养物质效益，万元／a；B 为防护林的净生产力，取6.31 t／hm2；Mn、Mp、Mk为防护林中N、P、K 的平均质量分数，分别取0.58%、0.05%和0.36%［18，30］；C1、C2分别为（NH4）2HPO4、KCl 的市场价格（参考《统计年鉴》，以我国市场化肥均价计），分别取3300 元／t 和2800 元／t；R1、R2和R3分别为（NH4）2HPO4中N、P 元素含量和KCl 中K 元素含量，分别取14.0%、15.1%和50.0%［26］。

1.2.3 文化服务

休闲娱乐功能是文化服务的主要表现形式，调水工程防护林主要通过改变原有土地覆被类型，与干渠灰色硬质建筑物形成了鲜明对比， 发挥了防护林生态系统的文化服务功能，提高了生态环境质量，创造了休闲娱乐场所，促使沿线楼盘产生增值效益，由此产生了休闲游憩效益和景观欣赏价值， 其计算式分别为式（14）和式（15）。

式中：Vxx为休闲游憩效益，万元／a；Px为防护林的年休闲价值［19，29］，取1 132.60 元／hm2。

式中：Vjg为楼盘因防护林附生的景观效益，万元／a；P1为观景房平均价格， 元／m2；P2为平均房价，元／m2；Sg为观景房面积，hm2。

1.3 生态环境效益特征计算

1.3.1 生态环境效益贡献率

生态环境效益贡献率是指某项生态环境效益占该系统整体生态环境效益的比例， 代表防护林各项生态功能对当前自然现状的影响程度， 计算式为式（16）。 某项服务的贡献程度与其效益值密切相关，即效益值越大，贡献率越大，贡献程度越高。

式中：Crb为各项生态功能的生态环境效益贡献率，%；Vi为各项生态环境效益，万元；∑Vi为各项生态环境效益之和，万元。

1.3.2 防护林生态系统年均成本

调水工程防护林是人工生态系统， 不同于其他自然生态系统，它存在一定的建设资本投入，若以生态环境总效益进行分析，存在缺陷，但生态环境净效益（效益减去成本）是评估其生态环境效益的依据［31］。采用式（17）计算防护林的年均成本。

式中：C 为防护林的年均成本， 万元／a，T 为防护林的建设投资，万元；R 为社会资本年均收益率，%；A 为防护林的日常管理费、维护费，万元／a。

1.3.3 生态环境净效益

生态环境效益是指生态系统通过生态结构、过程产生的对人类社会、生态环境有价值的成果。调水工程防护林生态环境净效益是指生态环境效益总和扣除政府年均建设费用、管理和维护成本后的结果，如式（18）所示。

式中：L 为防护林生态环境净效益， 万元／a；V为防护林生态环境总效益，万元／a；C 为防护林生态系统年均成本，万元／a。

2 实例分析

2.1 分析对象

郑州市作为河南省省会、国家中心城市，经济发展迅速，城市需水量大，是南水北调中线工程的主要供水城市之一，市内渠线全长129 km。 自南水北调中线通水以来， 一渠丹江水代替黄河水成为郑州市居民生活用水的主要水源。为保护输水水源、维护工程安全，市政府沿渠建设了集水源保护、生态涵养、休闲游憩于一体的干渠防护林工程。

南水北调中线郑州段干渠防护林建设于南水北调带状生态文化公园内，属于一级水源保护区，全长61.70 km，面积1 574 hm2。 其以生态建设为主，遵循生态优先、生物多样性原则，采用水源保护林与景观生态林相结合的种植结构，形成了稳定的多层次、复合型干渠防护林生态系统，创造了“林水相映，绿茎繁花”的景观格局，是保护输水水源、维护工程安全、提升生态环境质量的主体力量。

2.2 数据来源

南水北调中线工程郑州段干渠防护林面积自工程建设至今基本无变化， 故本文的分析结果为年均生态环境效益。 评估方法、参数主要参考《森林生态系统服务功能评估规范》（GB／T 38582-2020）、相关年鉴和公报以及政府官网数据， 不足部分参考国内外相关研究成果（详见表1）。

表1 郑州市南水北调中线干渠防护林生态环境效益评估参数表Tab.1 Evaluation parameters of ecological and environmental benefits of shelterbelt of main canal of the middle line of South-to-North Water Transfer Project in Zhengzhou city

2.3 评估结果

2.3.1 生态环境效益

通过公式（1）～（15）计算南水北调中线郑州段干渠防护林的生态环境效益，结果如表2 所示。

表2 郑州市南水北调中线干渠防护林生态环境效益表（万元／a）Tab.2 Ecological and environmental benefits of shelterbelt of main canal of the middle line of South-to-North Water Transfer Project in Zhengzhou city （Unit：10000 yuan／a）

从准则层分析， 产生主导作用的是调节服务，其次为支持服务，最后为文化服务。 从功能层分析，7 项功能的效益值由大至小依次为：环境净化＞涵养水源＞保育土壤＞保护物种多样性＞大气调节＞气候调节＞休闲娱乐。 从指标层分析，15 项指标的效益值由大至小依次为：净化空气＞固土＞调节水量＞降噪＞保护生物多样性＞释氧＞杀菌抑菌＞净化水质＞增湿＞降温＞保肥＞休闲游憩＞积累营养物质＞固碳＞景观欣赏。

综上所述， 防护林对生态环境的效用主要体现在对大气、气候、环境和水源的调节作用，其次是对防护林下垫面性质和林内物种多样性的保护作用，最后是由景观格局变化而附生的美学价值。

2.3.2 生态环境效益贡献率

通过公式（16）计算各项生态系统服务的贡献率（详见表3、图2）。 从指标层分析，净化空气、固土和调节水量的生态环境效益贡献率最大， 均超过10%，分别为19.22%、12.36%和12.13%，是防护林生态系统的重要功能。从功能层分析，休闲娱乐功能的生态环境效益贡献率最小，为3.56%，但防护林工程是南水北调中线工程范围内的审美源泉， 故休闲游憩和景观欣赏是最直观的生态环境效益。

图2 防护林生态环境效益贡献率分布图Fig.2 Contribution rate distribution of ecological and environmental benefits of shelterbelt

表3 郑州市南水北调中线干渠防护林生态环境效益贡献率Tab.3 Contribution rate of ecological and environmental benefits of shelterbelt of main canal of the middle line of South-to-North Water Transfer Project in Zhengzhou city

本研究将防护林对生态环境的作用划分为两类， 一是防护林对南水北调中线工程范围内土壤和水源的保护作用，这种良性作用又反作用于防护林，促进防护林生长，达到维护工程安全的目的，称之为生态工程性作用；二是防护林对气候、大气和环境的调节作用， 这种调节作用直接作用于人类的生存环境，称之为社会环境性作用。

南水北调中线郑州段干渠防护林的社会环境性效益大于生态工程性效益。 生态工程性效益共包括4 项指标，总贡献率为32.62%，其中固土和调节水量为主要部分，贡献率分别为12.36%和12.13%，其余2 项为净化水质和保肥， 贡献率分别为4.77%和3.36%。 社会环境性效益共包括11 项指标，总贡献率为67.38%， 其中净化空气的效益贡献率最大，为19.22%。

2.3.3 生态环境净效益

通过式（17）和式（18）计算防护林的年均成本和生态环境净效益。计算结果显示，南水北调中线郑州段干渠防护林生态环境总效益为5 367.67 万元／a，年均成本为805.42 万元／a，年生态环境净效益为4 562.25 万元／a。

现有研究表明， 南水北调中线水源地生态环境总效益为1 796 亿元／a，其中气体调节效益最显著［18］；南水北调中线工程水土保持林草措施生态环境效益为37 766.70 万元， 其中固碳释氧效益贡献率最大［22］；南水北调东线一期工程的生态环境效益为4 113.12万元／a，其中固碳释氧效益最大［23］；南水北调东线水源地保护区森林生态环境效益约为7 780.93 万元／a，其中气体调节效益居首位［32］。

与本研究综合对比分析， 各调水工程防护林的生态环境效益显著， 它们对生态环境的影响主要体现在对大气组分的调节作用上， 由此提高生态环境质量，满足人类对美好生态环境的追求。

3 结语

调水工程防护林能有效防止输水水质污染、维护工程安全，并改变原有景观格局，使其不仅具有经济效益，也具有调节效益、支持效益和文化效益等生态环境效益，是一项收益大于成本的优质生态工程。本研究基于MA 和Costanza 理论， 以及对调水工程防护林生态环境效益概念的理解， 遵循指标选取原则，构建了涵盖固碳释氧、净化水质、固土保肥以及休闲娱乐等15 项指标的调水工程防护林生态环境效益评估指标体系，明确了各项指标的计算方法，并通过指标贡献率、 年均成本和生态环境净效益3 项效益特征指标反映各项生态功能的影响程度。 经计算，南水北调中线郑州段干渠防护林工程实施后，每年增加生态环境效益达5 367.67 万元，投入成本年均为805.42 万元， 生态环境净效益为4 562.25 万元／a。该防护林生态系统中净化空气、固土和调节水量是其热点生态功能，效益贡献程度最高，贡献率分别为19.22%、12.36%和12.13%；休闲游憩和景观欣赏是防护林最直接的生态功能， 体现了防护林对空间格局的美化程度，贡献率分别为3.32%和0.24%。