蘇州西山仰塢生態園城市半自然生態系統服務功能與價值的定量評估

劉洋洋,楊悅,王倩,劉影,鄒萌萌,李建龍,*

1.南京大學生命科學學院生態學系,南京 210093

2.環境保護部南京環境科學研究所,南京 210042

0 引言

近年來,隨著生態環境問題的日益加劇及自然災害的頻繁發生,人類的生命財產安全不斷受到威脅[1]。作為生態系統中的主要成員,人類漸漸認識到生態系統服務在人類生存及發展中的重要性[2]。生態系統服務是指在生態系統、生態過程及功能中能夠直接或者間接獲得的福利,主要包括人類所獲得的諸如木材、食品等物質產品和自然方面的生態服務功能兩大部分[3-5]。生態系統中的物質產品及生態服務功能是人類生存與發展的基礎,對生態系統服務價值進行定量評估,可以通過貨幣價值尺度評價生態系統為人們帶來的福利,同時也可以為生態系統的保護提供指導性意見[6-8]。1997年Costanza 等關于世界生態系統服務價值研究的首次發表,使廣大學者不斷重視生態系統服務價值的定量評估,同時也使生態系統服務價值研究逐漸成為生態學及生態經濟學的研究焦點[9]。然而,生態系統服務價值的定量評估不能毫無準則的進行,而應當基于完善的評估體系,主要包括確認生態服務內涵、服務內涵分類、明確評估指標及指標核算四個步驟[10-12]。

國內外部分學者已對不同區域范圍內的特定生態系統類型的服務價值進行定量評估。如對于森林生態系統,Kibria A S M G[13]等對柬埔寨的森林生態系統服務價值進行了貨幣價值和非貨幣價值的定量評估,認為森林的主要價值為木材價值,而非木材價值占總效益的1.36%,且森林具有文化重要性;Li T[14]選取2009—2014年安徽省森林生態系統服務價值評估數據集,利用空間異質性系數、稀缺資源系數和社會發展系數,建立動態評價模型,對不同尺度的森林服務價值進行比較研究。草地生態系統方面,劉興元等[15]通過選擇生態價值貢獻率較高的12項指標,評估了那曲地區高寒草地的生態服務價值;閔慶文等[16]基于Constanza 等的評估策略,采用替代市場及市場價值法對內蒙古地區典型草地生態系統的服務價值進行定量評估,表明該地的草地生態服務總價值高達3325.9×108元·年-1。另也有學者曾對濕地生態系統[17]、城市生態系統[18]、綠洲生態系統的[19]生態服務價值進行了定量評估。

縱觀以上研究,多是針對區域內單一生態系統服務價值的開展評價,很少對半人工生態系統的典型生態園區進行生態服務價值的定量評估。西山仰塢生態園是蘇州市吳中區下的重要生態園區,生態資源種類豐富,盛產農副產品及茶葉等經濟作物,并對當地水源涵養及水土保持功能具有重要意義。然而由于基礎設施配置傳統、監管能力薄弱且規模化高效農業措施尚未落實等原因,制約了現代化及高效農業的發展,進而影響著該地的生態系統服務功能價值。鑒于此,為了準確定量評估該地的生態系統服務價值,充分體現其生態價值的精度及可靠性,本文首先基于遙感數據對該生態園的植被覆被狀況進行分析,并基于實地調研和官方統計數據,依據該地實際生態資源構建生態服務價值綜合評估體系,對蘇州市吳中區西山仰塢生態園的生態系統服務價值進行定量評估,不僅利于實現生態資源的可持續發展,也可為當地的生態補償、環境保護及生態經濟建設提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于蘇州古城西南40 公里左右的太湖西山島中部,占地面積約為1500 多畝。氣候類型為北亞熱帶濕潤性季風氣候,該地光照充足,年均日照時數為2000 小時左右。四季分明且無霜期較長,同時在太湖水體的調節作用下,研究區具有溫暖濕潤且降水豐沛的氣候特點。年降水量為1300 mm 左右,且年降水日數高達125 天左右。霜期日數為80 天左右,無霜期約為280 天。年最高氣溫通常為39 ℃,最低氣溫多為-8 ℃,年均氣溫為15℃左右。仰塢生態園地處西山島上的低山丘陵地帶,平均海拔在30—60 m 之間,土壤類型為地帶性黃棕壤(屬名紅黃土),主要通過石英砂巖基質的風化而形成。該地的山坡、山塢主要分布著果園和茶園,同時夾種了枇杷、柑桔及楊梅等亞熱帶特色果品,山頂則主要分布著杉木林、馬尾松及其它灌木等經濟林。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文的數據主要包括遙感數據和社會經濟發展數據。遙感數據主要采用空間分辨率為30 m×30 m的陸地衛星 Landsat-5 TM,Landsat-7 ETM+及Landsat-8 OLI 傳感器影像,進而計算蘇州市吳中區西山仰塢的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[20]。關于植被覆蓋變化的分析,我們主要采用一元線性回歸分析的方法計算NDVI 的動態趨勢[21]。社會經濟發展數據則主要源于《蘇州市統計年鑒》,氣象及水文數據則主要來源于吳中區氣象局(http://www.sz121.com/qxj/index.html)及環保部南京環境科學研究所;相關價格數據源于蘇州市物價局(http://www.szwjj.suzhou.gov.cn/ web);其他部分數據則主要通過實地觀測與調查獲取。數據通過Excel 進行統計分析,采用Sigmaplot 10.0 進行制圖。

2.2 生態服務價值評價體系

在Costanza 等提出的生態服務價值分類標準的基礎之上,我們對蘇州市吳中區西山仰塢的植被類型、土地類型概況進行了實地考察,根據當地的實地生態資源概況將該地的生態資源價值類型劃分為物質產品價值、自然生態服務價值及社會價值三大部分,進而確定各個部分的具體評估指標,并構建出蘇州市吳中區西山仰塢生態服務價值的綜合評價體系[20,22],具體如表1所示。生態價值總資本計算公式如下:

式中:E表示蘇州吳中區西山仰塢的總體生態價值;EP、ES及EK分別表示物質產品生產價值、生態系統服務價值以及觀光旅游價值。

2.3 生態價值評估方法

2.3.1 物質產品價值

物質產品價值主要指研究區內的森林生態系統所產生的物質產品價值以及水域生態系統的物質產品價值。根據蘇州市吳中區西山仰塢的生態系統構成,其物質產品價值主要為森林生態系統的物質產品價值,具體包括木材以及經濟林的產出等價值[23]。該部分物質產品價值通常按照市場價值法來進行評估,即木材數量乘以當年市場上所交易的木材價格,具體見表2所示,該部分的數據來源以及單價均根據蘇州西山仰塢生態園的實地調研及當地的實際交易價格獲得。

2.3.2 生態服務價值

(1)涵養水源價值

蘇州吳中區西山仰塢水源的水源涵養價值主要表現在該地區的森林生態系統對于降水的調節能力,主要包括調節水量及凈化水質等價值。本文主要通過影子工程法來評估蘇州西山仰塢的水源涵養價值,通過水庫對水的載畜能力來反映植被的涵養水源能力,并根據水庫修建的造價來估算植被的水源涵養價值,具體表示如下[24]:

表1 蘇州吳中區西山仰塢生態服務價值評估體系 Table1 Evaluation system of ecological service value of Xishan Yangwu Ecological Park in Wuzhong District of Suzhou

式中:W為蘇州市吳中區西山仰塢的水源涵養價值(元·a-1);Um為林分年調節水量價值(元·a-1);Uwq為林分年凈化水質價值(元·a-1)。

調節水量價值及凈化水質價值計算方法如下:

式中:Cv為水庫建設單位庫容投資,根據以往的研究取6.11 元·m-3[24];K為水的凈化費用,根據蘇州市物價局取2.09 元·t-1;A為林分面積(hm2);P為降水量(mm·a-1);E為林分蒸散量(mm·a-1);C為地表徑流量(mm·a-1),該部分氣象和水文數據主要來源于吳中區氣象局。

(2)保育土壤價值

蘇州市吳中區西山仰塢生態園的植被分布主要以森林為主,而森林生態系統中因凋落物層以及活地被層的存在,對于降水造成的土壤侵蝕及沖刷具有明顯的削弱作用,因而在水土保持方面具有重要意義,主要體現在固土功能以及保持土壤肥力兩個方面[3]。本文采用影子工程法及替代市場法,通過計算人工修建攔蓄泥沙工程價值來估算西山仰塢的森林固土價值,同時根據不同元素化肥的市場價格估算森林的保肥價值,具體如下[1]:

式中:S為蘇州吳中區西山仰塢的保育土壤價值(元·a-1);Usm為林分年固土價值(元·a-1);Uf為林分年保肥價值(元·a-1)。

固土價值及保肥價值計算方法如下:

式中:A為林分面積(hm2) ;Ca為挖取和運輸單位體積土方所需費用,取12.6 元·m-3;X1為林地土壤侵蝕模數(t·hm-2a-1);X2為無林地土壤侵蝕模數(t·hm-2a-1);P為林地土壤密度(t·m-3)。C1為磷酸二銨化肥價格,取2400 元·t-1;C2為氯化鉀化肥價格2200 元·t-1;C3為有機質價格(元·t-1) ;R1為磷酸二銨化肥含氮質量分數(%);R2為磷酸二銨化肥含磷質量分數(%);R3為氯化鉀化肥含鉀質量分數(%);N為林分土壤含氮質量分數(%);Ps為林分土壤含磷質量分數(%);Ks為林分土壤含鉀質量分數(%);Ms為林分土壤含有機質質量分數(%);關于價格數據主要來源于物價局統計,部分數據由西山仰塢生態園及南京環科所提供。

(3)固碳釋氧價值

森林生態系統具有較強的光合作用能力,森林在進行光合作用的過程中,生產162 g 干物質則吸收264 g CO2,且同時能夠產生192 g O2[8]。本研究中以噸為單位衡量森林的干物質生產量,即每生產一噸干物質則吸收的CO2量為1.63 t,氧氣產生量為1.2 t,因而評價指標可以分為固碳及釋氧2 個指標[12]。本文主要采用造林成本法、碳稅法以及替代法對蘇州吳中區西山仰塢的固碳釋氧價值進行估算,具體計算如下:

式中:O為蘇州吳中區西山仰塢的固碳釋氧價值(元·a-1);Uc為林分年固碳價值(元·a-1);Uo為林分年釋氧價值(元·a-1)。

固碳價值及釋氧價值計算方法如下:

式中:A為林分面積(hm2) ;Cc為固碳價格,采用造林成本法和碳稅法成本價的平均值 753 元·t-1;Rc為CO2中含碳質量分數,為27.27%;Ba為林分凈生產力(t·hm-2a-1);Co為氧氣價格,采用造林成本法和工業制氧法成本價的平均值 330 元·t-1[15,26]。

(4)積累營養物質價值

森林生態系統在其生長的過程中能夠將土壤及其他環境中的N,P和K 等營養元素固定在自身的器官之中,本研究采用替代市場法,通過森林營養物質(N,P 和K)的積累狀況評估積累營養物質價值[15]。具體為:

式中:Un為林分年營養物質積累價值(元·a-1);Nt為林木含氮質量分數(%);Pt為林木含磷質量分數(%);Kt為林木含鉀質量分數(%);其它指標同上。

(5)氣候調節

氣候調節主要體現為吸熱降溫,其價值可以從植物蒸騰方面考慮:

式中:H為植物蒸騰的價值(元·a-1);A為林分面積(hm2);Wt表示該地單位林地面積所吸收的熱量,根據龔溪等的研究[15],西山仰塢生態園的Wt取7.68× 106kJ·km-2,β為常數,設為1 kW·h· (3600 kJ)-1;Pe表示該地平均電價,元· (kW·h)-1。

(6)生物多樣性保護

基于當量因子法評估蘇州西山仰塢生態園的生物多樣性保護價值,計算公式為[15]:

式中,Us為生物多樣性保護價值 (元·a-1);Si為單位面積各生態系統生物多樣性保護的價值當量,本研究則主要針對森林生態系統;β為當量因子價值(元·hm-2);Ai為A 為林分面積(hm2)。

2.3.3 旅游觀光價值

蘇州西山仰塢生態園作為半天然的生態系統,能夠為人類提供休閑旅游服務,該部分價值的計算方法具體如下[15]:

V:旅游價值;ε:人均休閑旅游費用(元·a-1);Rt:觀察年份休閑旅游人數;Cs:休閑旅行的消費者剩余;Tc:人均每年出游費用;Ct:人均旅行時間成本;f (x):按照旅游費用和旅行人數構建指數曲線模型,本部分數據來源均依據吳中區統計年鑒獲得。

3 結果與分析

3.1 蘇州市吳中區西山仰塢NDVI 動態

由圖1可以看出,2000年NDVI 的高值區主要分布在仰塢地區以北的一小塊區域,而中部和東部地區,南部和中北部NDVI 值較低。2016年該地區植被覆蓋明顯好轉,NDVI 值總體較高,而南部地區屬太湖水域部分,無植被覆蓋,因而處于低值區。通過統計分析,2000年西山仰塢的NDVI 均值為0.35,最大值及最小值分別為0.48 和0.14。而2016年NDVI 的最大值、最小值和平均值分別為0.53、0.05和0.4,均明顯均要高于2000年。表明近年來蘇州市吳中區西山仰塢的植被覆蓋程度較高。

圖2為蘇州市吳中區西山仰塢2000—2016年的NDVI 整體空間分布,NDVI 的均值為0.36。根據該地區NDVI 的實際分布范圍將其劃分為4 個等級。其中,多數地區的NDVI 處于0.3—0.4 之間,該部分面積占總面積的84.67%。NDVI 值大于0.4 的區域占總面積的11.76%,主要分布在該地區的中部及東部地區,而北部地區也有少量分布。NDVI 值小于0.2 的地區所占比重較小,主要分布在仰塢的南部區域。

圖3為蘇州市吳中區西山仰塢2000—2016年植被NDVI 的變化率。由圖可知除了南部和中部少部分區域NDVI 呈減少趨勢外,其余地區呈增加趨勢。區域內僅有少部分地帶的NDVI 呈現減少趨勢,該部分所占總區域面積的7.30%,且平均減少速率為0.03/年;相對而言,NDVI 呈增加趨勢的面積占到總區域的92.7%,平均增加速率為0.04/年。原因主要是近年來,人類活動主要介入到生產之中,大力種植果園和經濟作物,從而使該地區的植被覆蓋度不斷增高。

圖1 不同年份西山仰塢NDVI 空間分布 Figure1 Spatial distribution of NDVI of Xishan Yangwu in different years

圖2 2000—2016年西山仰塢NDVI 空間分布 Figure2 Spatial distribution of NDVI of Xishan Yangwu from 2000 to 2016

圖3 西山仰塢2000—2016年NDVI 變化 Figure3 Changes of NDVI from 2000 to 2016 in Xishan Yangwu

3.2 蘇州市吳中區西山仰塢的物質產品生產價值

通過實地調查統計西山仰塢的經濟林種植情況,并對經濟林產值進行計算。由表2可以看出,西山仰塢的植被類型主要為茶園和果園。其中茶園以碧螺春茶樹為主,種植面積高達600 畝,在山坡及山塢均為成片種植;而果園主要分布著柑桔、料紅桔、等果品樹種,其中柑桔和料紅桔種植面積較多,屬成片種植品種,面積共計250 余畝,而枇杷、楊梅和板栗等樹種則分布較少,均為茶園中零星分布種植品種。通過市場價格對各個經濟林價值進行計算,可以看出茶園的經濟產值高達720 萬元,而果園的經濟產值相對較低,共計215 萬元,其中柑桔產值占據較大比例。綜上所述,蘇州吳中區西山仰塢的經濟林產值共計935 萬元。

3.3 蘇州市吳中區西山仰塢的生態系統服務及旅游觀光價值

通過上文的研究方法,計算6 種生態服務功能的生態服務價值,結果如表3所示:基于水庫建設單位庫容投資6.11 元·m-3,水的凈化費用2.09 元·t-1,并統計降水量與林分蒸散量及地表徑流量的差值為247.64 mm·a-1,計算出西山仰塢森林生態系統的調節水量價值及凈化水質價值,分別為175.54 及60.04 萬元,進而得到該地森林生態系統的水源涵養價值為235.58 萬元。保育土壤價值則主要通過計算固土及保肥兩個指標。本文依據挖取和運輸單位體積土方所需費用為12.6 元·m-3,統計分析林地土壤侵蝕模數與無林地土壤侵蝕模數之差為22.6 t·hm-2a-1,計算得出固土價值為3.3 萬元。基于土壤含氮、磷、鉀、有機質質量分數,以及磷酸二銨化肥價格(2400 元·t-1)、氯化鉀化肥價格(2200 元·t-1)進而計算得到保肥價值為34.75 萬元,因此西山仰塢森林生態系統的保育土壤價值為38.05 萬元;固碳釋氧價值計算中,固碳價格及氧氣價格分別為753 元·t-1及330 元·t-1,統計分析得西山仰塢森林生態系統的固碳釋氧價值為51.19 萬元,其中氧氣釋放價值占據較大比例;積累營養物質價值相對較低為6.38 萬元;西山仰塢生態園林地面積為116 hm2,而植被因蒸騰作用被吸收的熱量約為8.9×108kJ,因而我們計算出西山仰塢森林生態系統的氣候調節價值為24.7 萬元;利用謝高地等[15]提出的當量因子法評估蘇州西山仰塢生態園的生物多樣性保護價值,其中定義1當量因子表示1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值。由《中國統計年鑒2016》獲得1 當量因子的價值為0.35 萬元,而西山仰塢地區的林分面積為116 hm2,且林地生態系統價值當量為2.41[15],因而根據公式(18)計算該地的生物多樣性保護價值為97.85 萬元。綜合以上分析,西山仰塢的生態系統服務總價值為453.75 萬元(表3)。同時,依據公式(19)求得2016年蘇州市吳中區西山仰塢的旅游業產值高達1647 萬元。

表2 西山仰塢經濟林種植情況及年經濟產值 Table2 Economic forest planting and annual economic output value in Xishan Yangwu

3.4 蘇州吳中區西山仰塢生態園不同類型生態系統服務價值對比分析

通過計算蘇州西山仰塢的6 項生態服務價值,該地區的生態服務價值共計453.75 萬元。對不同類型生態價值進行統計可知(圖4),蘇州西山仰塢不同類型的生態系統服務價值存在較大差異。其中涵養水源價值最高為235.58 萬元,所占比例高達54.76%,而積累營養物質的價值最少為6.38 萬元,所占比例為1.48%。其余4 種生態服務價值中,生物多樣性保護價值及固碳釋氧價值相對較高,分別為97.85 及51.19 萬元,而氣候調節和保育土壤價值所占比例較小。以上表明蘇州吳中區西山仰塢生態園對于當地的水源涵養具有重要意義。

綜上所述,通過對蘇州市吳中區西山仰塢進行生態服務價值評估體系的構建,并對西山仰塢的物質產品價值及生態系統服務價值進核算,進而獲得該地2017年的生態價值總額為:E=Ep+Es+Ek=經濟林產出價值+生態系統服務價值+旅游觀光價值= 935.00 萬元+453.75 萬元+1647 萬元= 3035.75 萬元。

4 討論

通過對仰塢生態園的植被動態進行分析,我們發現從2000—2016年期間,植被NDVI 呈增加趨勢的面積占到總區域的92.7%,平均增加速率為0.04 /年,表明近年來該地區的植被覆蓋度不斷增高,進一步提高了該地生態資源的潛在經濟價值。為了充分顯化該地的生態系統服務功能和價值,定量評估體系的構建則具有重要意義。基于對蘇州市吳中區西山仰塢生態園的實際情況進行實地考察,在前人的研究基礎之上構建了西山仰塢地區的生態價值定量評估體系,通過定量評估,核算出2016年蘇州西山仰塢的生態價值總量為3035.75 萬元,其中觀光旅游價值占據比重較大,因此該地在后期的生態經濟建設中應大力發展第三產業,并將生態旅游業推向主導產業的地位。經濟林產出價值及其生態服務功能價值共計高達1390.09 萬元,表明該地區的生態系統價值除了為人類的生產提供原材料之外還具有生態服務效益。綜上所述,蘇州吳中區西山仰塢生態園在經濟發展的過程中應該將放遠眼界,不能僅僅局限于物質產品價值,應綜合該地生態系統多方面的生態資源及經濟效益,進而充分發揮其生態價值效益。另外,進一步加強對仰塢生態園的完善和提升,使其集休閑旅游、林業生產、環境美化等多項功能于一體,并對產業結構進行系統優化,從而為該地區的經濟建設做出重大貢獻,同時實現生態環境保護與經濟發展建設雙贏。

表3 西山仰塢生態服務價值統計 Table3 Statistics of ecological service value of Xishan Yangwu

圖4 西山仰塢不同生態服務價值及其所占比例 Figure4 Ecological service value and its proportion in Xishan Yangwu

5 結論

蘇州市吳中區西山仰塢的植被空間分布表現為中部及東部地區植被覆蓋程度較高,而南部區域植被覆蓋較低。與2000年的植被覆蓋相對比,趨勢分析表明近年來蘇州西山仰塢的植被覆蓋程度明顯增高,原因可能是大力種植果園和經濟作物的增加,從而使該地區的植被覆蓋度不斷增高。同時,經濟林的大面積種植及植被覆蓋度的增高也進一步提高了該地區的林地生態系統的服務功能和價值。

通過定量評估,蘇州市吳中區西山仰塢的物質產品價值即經濟林產出價值為935 萬元;而該地的生態系統服務價值為453.75 萬元,其中水源涵養價值所占比例高達54.76%,為235.58 萬元,而積累營養物質價值相對較低為6.38 萬元,所占總價值比例的1.48%;經過計算得出,2016年蘇州市吳中區西山仰塢的旅游總收入為 1647 萬元。通過進一步核算,西山仰塢生態園的生態價值總額高達3035.75 萬元,也同樣表明西山仰塢生態園對于蘇州市吳中區的經濟發展具有較大貢獻。

通過對不同類型生態服務價值進行對比分析,蘇州西山仰塢的生態服務價值由大到小排序為:涵養水源＞生物多樣性保護＞固碳釋氧＞保育土壤＞氣候調節＞積累營養物質,以上表明森林生態系統對于該地的水源涵養具有重要的意義。

對蘇州市吳中區西山仰塢生態園的生態系統服務價值進行定量評估,以貨幣的形式充分顯化了該地生態資源的經濟價值,該評估精度與結果與西山仰塢生態園的實際經濟價值相符,同時對于蘇州市吳中區的經濟發展以及西山仰塢生態園的后續開發及提升具有重要意義。