基于三維綠量的林分生態效益測算與分析
——以上海浦江郊野公園為例

董艷杰, 萬福緒

(南京林業大學, 南京 210037)

工業化、城市化的發展帶來了一系列的生態環境問題，如熱島效應、大氣污染、土壤污染、水污染[1]等，綠地作為城市公共設施的重要組成部分，不僅為居民提供美學景觀和休閑娛樂場所，而且具有明顯的固碳釋氧、凈化環境、降溫增濕等生態效益[2-4]，能明顯改善人居環境和維護生態安全[5]。大量研究表明，生態效益的好壞與三維綠量具有明顯的相關性[6]。三維綠量，作為一項衡量綠地質量的新興綠化指標，可比傳統的平面綠量指標(綠化覆蓋率等)更好地評價城市公園綠地的生態效益[7-8]。

目前國內對生態效益及價值評估的研究，研究尺度大多著眼于區域[9-10]、省[11]、市[12-13]等大尺度，而本研究限于郊野公園的幾種典型林分類型，研究區域更小，研究內容更加細致、精確。郊野公園在國內屬于新興概念，因此國內對郊野公園生態效益及其價值的研究較少，從生態經濟學角度定量評估其生態效益價值的研究更不多見。對上海浦江郊野公園不同林分類型的生態效益及經濟價值進行評估，能夠從貨幣角度讓人很直觀的看到林分的生態效益及其價值，提高人們的環保意識，促進生態補償機制的建立[14]，為公園的經營管理和生態保護方案提供指導，為可持續發展與生態環境建設提供幫助，為全國生態GDP核算提供科學依據[15]。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

上海市地處東經120°52′—122°12′，北緯30°40′—31°53′，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國南北海岸中心點，長江和黃浦江入海匯合處。上海屬北亞熱帶季風性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。上海氣候溫和濕潤，春秋較短，冬夏較長。年平均氣溫16.5℃。冬季1月最冷，月平均氣溫3.3℃，較同緯度內陸溫和；夏季7月最熱，月平均氣溫27.8℃，又不如同緯度內陸炎熱。日照條件較為充足，年日照時間2 000 h左右。全年無霜期241 d，年降雨量1 200 mm，雨日多達132 d。降雨的季節分配較均勻，夏季約占40.1%，冬季占13.0%，約有70%的降雨集中在4—9月。降雨強度多以中小雨為主，春季始于3月，夏季自梅雨開始，進入盛夏后，高溫干燥，形成伏旱；秋季金風送爽，時有連綿陰雨；冬季晴朗少雨，北方冷空氣陣陣南下，偶有寒潮侵襲。

上海浦江郊野公園位于上海市閔行區浦江鎮黃浦江東側、大治河以北，其規劃總面積為15.29 km2，以“森林游憩、濱水休閑”為主要功能。公園匯集“郊野、藝術、秋景”三大理念的復合型功能，園內河網水系發達,杜行老街、自然村落點綴其中，古樹和村莊交相輝映[16]。建設郊野公園是上海貫徹落實中央生態文明戰略、全面提升生態環境的重大舉措。選擇上海浦江郊野公園為研究區，因為它是上海市目前開放的4個郊野公園中，距離市中心最近的一個，是市民最易達的郊野公園，故對其典型林分進行生態效益及其價值研究顯得極為迫切，對整個郊野公園的后期運營具有重要意義。

1.2 研究方法

1.2.1 實地調查 選取上海浦江郊野公園的5種典型林分：香樟、欒樹、桂樹、無患子、池杉，采用實際調查的方法，收集5種林分的林分基本情況和樹種基本情況。林分基本情況包括林分面積、郁閉度(樹冠相對穩定的夏季)、株行距、株數(表1)；樹種基本情況包括生長型、樹冠形狀、樹高、胸徑、冠下高、冠高、冠幅(表2)。

林分面積采用實際測量繪圖近似計算所得；郁閉度采用樣點法；株行距、冠幅通過皮尺測量；樹高和冠下高采用CGQ-1 型測高儀；胸徑測定采用測樹鋼圍尺測量距地面1.3 m處樹干的直徑；冠形按樹冠立體幾何模型[7]分為：卵形、球形、半球形、圓錐形、圓柱形、球扇形、球缺形。

表1 林分基本情況

表2 樹種基本情況

1.2.2 綠量的計算 綠化三維量(三維綠量，簡稱綠量)是指綠色植物的莖、葉所占據的空間體積[2](單位一般用m3)，綠量的計算方法比較多，本文采用“以平面量模擬立體量”的方法[17]，選用該方法計算綠量操作相對簡單，誤差小。此種方法源于上海園林綠地調查研究時所得出的，該計算方法相對誤差一般不大于7%，最大不大于10%[18]。根據實際調查情況對植物冠形分類，然后按照相對應冠形的綠量計算公式進行計算，不同冠形的三維綠量計算公式見表3。

1.2.3 生態效益的計算 生態效益的計算，根據綠量計算結果，結合“上海市綠化三維量遙感調查”課題組研究得出的基于綠量的綠化環境效益標準換算量[19](表4),換算出植物的產氧量、吸收二氧化碳量、吸收二氧化硫量、滯塵量、蒸騰量,從這幾個方面來評價5種典型林分的生態效益。

表3 三維綠量計算公式

注：x為冠幅(m)；y為冠高(m)。

表4 基于綠量的綠化環境效益標準換算量

1.2.4 生態效益價值的估算 本研究根據《中國生物多樣性國情研究報告》[20]中森林固定CO2和釋放O2的成本，我國分別為273.3元/t和369.7元/t，計算各林分每年固定CO2和釋放O2的價值；參照國家林業局《森林生態系統服務功能評估規范》[21]，采用治理成本法[22-23]，治理SO2的費用是1 200元/t，清理降塵的費用是150元/t，分別估算各林分吸收SO2，滯塵的價值；按照效益費用分析法[24]，蒸騰增濕量根據灑水車噴灑等量水的成本進行估算，參照上海市水務局公布的居民用水價格表中自來水價格1.92元/t，分別估算各林分夏季的蒸騰增濕量的價值。

2 結果與分析

2.1 5種林分的綠量狀況

根據實際調查情況對樹種冠形分類，然后按照相對應冠形的綠量計算公式計算植物的單株綠量。其中，由于香樟樹形較大、株行距較小，且綠量與胸徑關系極顯著[25](p<0.01)，故選用胸徑方程計算單株綠量最為合適，即

Y=0.234X12.134

其中：Y為三維綠量(m3)；X1為胸徑(cm)；

由于桂樹側枝分叉位置接近地面，樹冠發達，故在本研究中視桂樹為灌木。因密植導致枝葉交叉掩映，整體林分樹冠呈立方體，故計算其三維綠量時，按照立方體計算，即用林分面積乘以樹冠平均高度，這種計算灌木綠量的方法與其他學者[4,26-27]所用方法一致。

欒樹、無患子、池杉的單株綠量按照表3中三維綠量計算公式。

結合各林分株數或林分面積計算各林分整體綠量。

綜合上述，各林分單株綠量及整體綠量狀況見表5。

表5 各林分綠量情況

由表5可得，在郁閉度屬于同一等級[9](0.7以上)的情況下，不同樹種、冠形中，香樟的單株綠量遠遠大于其余4個樹種，無患子最小，其余幾個樹種單株綠量相當，各林分單株綠量排序為香樟>池杉>欒樹>桂樹>無患子，各林分總綠量排序為香樟>池杉>桂樹>欒樹>無患子。

2.2 5種林分的生態效益狀況

根據以上計算的綠量結果，按照表4對應的項目計算綠化環境效益，換算出各林分的產氧量、吸收CO2，吸收SO2，滯塵量、夏季蒸騰量的效益，結果見表6。

由各林分總生態效益(表6)可以看出香樟林提供的生態效益最多，無患子提供的最少，這是因為香樟的樹冠綠量較其他4個樹種大很多。在產氧量和吸收CO2量方面，各林分排序為香樟>桂樹>池杉>欒樹>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序為香樟>池杉>桂樹>欒樹>無患子。

由各林分單位面積生態效益(表7)可以看出，單位面積產生的生態效益，香樟依然是最高，無患子也是最小。在產氧量和吸收CO2量方面，各林分排序為香樟>欒樹>桂樹>池杉>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序為香樟>欒樹>池杉>桂樹>無患子。由于桂樹是常綠樹種，故出現了桂樹單位面積的固碳釋氧量大于池杉，而吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量卻小于池杉的情況。雖然桂樹是灌木，但其單位面積生態效益卻是無患子的2.7～5倍，這是因為桂樹單位面積綠量較無患子大。同樣地，雖然欒樹和無患子都屬于無患子屬，且就樹高和胸徑而言，無患子甚至還略大于欒樹，但是欒樹的單位面積生態效益卻是無患子的6.08倍，這也是因為無患子單位面積綠量太小。

表6 各林分總生態效益

表7 各林分單位面積生態效益

表8 各林分總生態效益價值

注：年蒸騰日數，常綠植物按365 d計算，落葉植物按照180 d計算。

2.3 5種林分的生態效益的價值狀況

按照上述生態效益的價值估算方法，計算得出的各林分的年生態效益價值見表8。

由表8可以看出各林分總生態效益價值，香樟最高、無患子最小，這是因為林分總綠量和總生態效益香樟最大、無患子最小。各個林分總生態效益價值的貢獻主要來源于產氧量、吸收CO2量、滯塵量(TSP)和夏季蒸騰量，吸收SO2量的生態效益價值很小，幾乎可以忽略不計，產生這種結果的原因可能是空氣中SO2含量較少，樹木只能吸收林分附近有限距離內的少量SO2，且樹木吸收SO2的能力有限。5個林分在總面積不到1 hm2的情況下，總生態效益價值高達23.07萬元。香樟對總生態效益的貢獻率高達81%，這是因為香樟的單株綠量最大，且林分面積較大。各林分總生態效益價值排序為香樟>桂樹>池杉>欒樹>無患子。同一林分的各生態效益價值排序相同，均為吸收CO2量>產氧量>夏季蒸騰量>滯塵量(TSP)>吸收SO2量。

由各林分單位面積生態效益價值(圖1)可以看出，各林分單位面積的生態效益價值，香樟最高、無患子最小，這是因為單位面積的綠量和生態效益都是香樟最大、無患子最小。各個林分單位面積吸收SO2量的生態效益價值很小，幾乎可以忽略不計。各林分的單位面積總生態效益價值排序為香樟>欒樹>桂樹>池杉>無患子。總體來講，產氧量和吸收CO2量產生的生態效益價值遠遠大于其他3種生態效益產生的價值，說明在所研究的5種生態效益中，林木光合作用為環境提供重要價值；吸收SO2量的生態效益價值小到幾乎可以忽略不計；桂樹、池杉單位面積綠量和生態效益接近，故5種生態效益的價值也都相差無幾。單位面積的生態效益價值不同林分排序相同，均為吸收CO2量>產氧量>夏季蒸騰量>滯塵量(TSP)>吸收SO2量。

圖1 各林分單位面積生態效益價值

3 結論與討論

本次研究所選5個典型林分的5種生態效益，在總面積0.648 5 hm2的情況下，創造的生態效益價值為23.07萬元，合35.57萬元/hm2，整個郊野公園占地15.29 km2，按照我國公園設計規范，綠地率必須達到65%以上，考慮到本研究未選擇草本類植物，按照最低標準65%進行核算，浦江郊野公園林分產生的生態效益價值約為3.54億元，綠地產生的生態效益價值是不可估量的。單位面積產生的生態效益，香樟最高，無患子最小；在產氧量和吸收CO2量方面，各林分排序為香樟>欒樹>桂樹>池杉>無患子；在吸收SO2量、滯塵量(TSP)、夏季蒸騰量方面，各林分排序為香樟>欒樹>池杉>桂樹>無患子；各林分的單位面積總生態效益價值排序為香樟>欒樹>桂樹>池杉>無患子。

三維綠量，作為一項衡量綠地質量的新興綠化指標，打破了傳統的平面綠化指標(綠化覆蓋率等)的局限性[7]，能更好地反映綠地的空間結構[28]，對量化城市綠地的生態效益具有重要意義。本研究通過結合三維綠量對上海浦江郊野公園典型林分的生態效益測算與分析，結果表明：

(1) 生態效益、生態效益價值均與綠量成正比例關系，綠量越大，其對應的生態效益和生態效益價值也越大，這與王萍[15]、陳翠玉等[23]研究結果相符。影響綠量的因素有很多，樹種類型、生長型、樹冠形狀、林齡、郁閉度、林分面積、株行距等。就生態效益和生態效益的價值而言，常綠樹種>落葉樹種；喬木>灌木>草本。郊野公園今后的樹種配置要考慮這些因素，將能產生更大的效益和價值。

(2) 香樟作為常綠喬木，對總生態效益價值的貢獻率高達81%，單位面積生態效益價值，香樟分別是欒樹、桂樹、無患子、池杉的2.1，2.7，12.9，3.4倍，這是由于其單株綠量和單位面積綠量較大，故對生態效益和生態效益價值的貢獻也最為突出。這與張艷麗[29]對成都沙河廊道植物群落及生態效益的研究結果相符。在浦江郊野公園的后期規劃中，種植香樟等綠量較大的常綠喬木樹種，能在有限的土地上產生更大的生態環境效益和價值。

(3) 雖然桂樹作為灌木，長勢較無患子矮很多，但其單位面積生態效益和價值卻是無患子的2.7～5.5倍，這是因為桂樹單位面積綠量較無患子大。同樣地，雖然欒樹和無患子都屬于無患子屬，且就樹高和胸徑而言，無患子甚至還略大于欒樹，但是欒樹的單位面積生態效益卻是無患子的6倍，這也是因為無患子單位面積綠量太小。綜合以上，在園林綠化的樹種配置上選擇常綠灌木比選擇樹冠體積較小的喬木能提供更多的生態效益和經濟價值。

綠地作為城市公共設施的一部分，具有明顯的生態效益，如改善小氣候、凈化空氣等[2-4]。本文對上海浦江郊野公園典型林分的生態效益進行貨幣化估算，結果表明：

(1) 5個林分香樟、欒樹、桂樹、無患子、池杉的單位面積固碳釋氧量的價值占總生態效益價值比重較大，分別為83%、80%，83%、80%和80%。李英[30]等人對伊春林區生態效益價值的研究結果中固碳釋氧價值占總生態效益價值的比重較大，這與筆者研究結果一致。說明林木具有極強的固碳釋氧能力，更說明其作為天然氧吧的重要性和為居住環境帶來的巨大的生態效益。郊野公園的后期活動項目策劃在林中布置，能使人舒緩身心、放松自我，極大的發揮郊野公園的野趣效果。

(2) 林分單位面積吸收SO2產生的價值占總生態效益價值的比重為0.1%～0.2%，說明僅僅通過種樹來改善空氣中的SO2含量，效果不佳，可以在人工治理的基礎上通過種樹來輔助治理改善空氣中的SO2濃度。

(3) 近年來，夏季高溫酷暑對人們工作學習的影響也愈加明顯，城市綠地的夏季蒸騰降溫增濕效應研究得到重視[1]，本研究中5個林分在總面積0.648 5 hm2的情況下，夏季日蒸騰增濕量43.43 t，相當于灑水車灑43.43 t水產生的增濕效果。從中不難看出，林分的降溫增濕價值很高，所以，夏季在林中舉行各種游樂項目的優勢更為明顯，能明顯提高人體舒適度，符合國家節能減排，低碳環保的綠色理念。