北京市4種城市功能區(qū)森林植被涵養(yǎng)水源功能評價及價值估算

毛 軍,田 赟,謝軍平,趙 菁,馬 莉,查天山,*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083 2 北京市園林審計工程有限公司, 北京 100012

城市綠化是生態(tài)文明建設(shè)的重要載體和表現(xiàn)形式,是城市生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者和城市生態(tài)平衡的調(diào)控者,執(zhí)行若干生態(tài)功能,具有穩(wěn)定、持續(xù)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),是現(xiàn)代城市建設(shè)中不可缺少的重要內(nèi)容[1- 2]。城市綠化的生態(tài)環(huán)境包括凈化城市環(huán)境、改善空氣質(zhì)量[3]、緩解城市熱島效應(yīng)[4]、調(diào)節(jié)“小氣候”[5]、防風(fēng)固沙,保持水土,減少自然災(zāi)害等生態(tài)效益[6]。城市森林建設(shè)并非簡單的植樹造林,更不是單一的追求景觀綠化,應(yīng)根據(jù)城市各功能區(qū)自身的特殊性以及生態(tài)功能為導(dǎo)向?qū)嵤┏鞘芯G化工作[7]。以往研究常以公共綠地、道路綠地、單位附屬綠地、居住區(qū)綠地為單元目標(biāo)進(jìn)行城市水源涵養(yǎng)功能研究[8- 9],多伴有景觀傾向,而基于城市功能區(qū)開展植被配置的研究相對還較少。目前,城市區(qū)域被功能化分區(qū)后引起的城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化尚不明確。在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與環(huán)境共同需求發(fā)展趨勢下,如何科學(xué)合理、有針對性地制定城市生態(tài)管理政策對促進(jìn)城市生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

關(guān)于水資源的利用和保護(hù)一直是國內(nèi)外學(xué)者開展生態(tài)研究的重要科學(xué)問題[10- 13],城市是人口高度聚集的自然區(qū)域,水資源的利用和保護(hù)顯得尤為重要[14- 15]。森林植被是保護(hù)和調(diào)節(jié)水資源的重要調(diào)控層[16],隨著生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),當(dāng)前“碳中和”的生態(tài)重要性逐漸被人們高度關(guān)注,以水源涵養(yǎng)功能為導(dǎo)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過程[17]。關(guān)于提高森林生態(tài)主導(dǎo)功能的植被配置優(yōu)化研究,先前學(xué)者得到較為系統(tǒng)的研究理論。喻陽華等人[18]對赤水河上游主要森林類型水源涵養(yǎng)功能評價,提出低持水、中低持水、中持水和高持水等四種類型,并強(qiáng)調(diào)恢復(fù)森林水源涵養(yǎng)功能的核心是調(diào)整林冠組成和結(jié)構(gòu)。侯貴榮等人[19]對黃土高原典型林分研究結(jié)果表明單一樹種純林向多樹種混交林改造能提高森林植被的水源涵養(yǎng)功能。孟楚等人[20]對北京八達(dá)嶺林場水源涵養(yǎng)林研究結(jié)果表明具有起源為天然,異齡,混交林,郁閉度在0.6—0.8的水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能最優(yōu)。Schneider[21]研究結(jié)果表明植被恢復(fù)方式、生長年限、土壤類型、氣候條件、地形等對生態(tài)系統(tǒng)功能影響均較為顯著。可見,先前國內(nèi)外研究學(xué)者對非人口高密度聚集區(qū)域的森林植被如何發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能已開展了較為全面的研究[22],而關(guān)于城市森林水源功能的研究相對還不夠全面,特別是隨著社會的發(fā)展,大型城市被功能區(qū)劃分后,開展城市森林對人口水資源利用和保護(hù)政策將極為重要,也具有非常重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。北京市作為國際一流城市,常住人口超過兩千萬,可見水資源的利用和保護(hù)對北京市非常重要,而目前北京市森林水源涵養(yǎng)功能的分析和評估尚未得到足夠的關(guān)注。

相應(yīng)地,本文研究目標(biāo)為：(1)以北京市2009年、2014年的兩期森林資源二類清查數(shù)據(jù)和2009、2014年的遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),闡明2009年和2014年4種城市功能區(qū)典型林分面積變化的時空分布特征；(2)以森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能為評價目標(biāo),以森林調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)為評價指標(biāo),分析2009年和2014年不同功能區(qū)林分水源涵養(yǎng)功能變化特征；(3)計算2009年和2014年4種城市功能區(qū)典型林分水源涵養(yǎng)功能的實物量和價值量,評估其環(huán)境效應(yīng)的發(fā)展趨勢。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)北京市位于華北平原的北端(E115°25′―117°30′,N39°28′―41°05′),城市總面積為16807.8 km2,其中山區(qū)面積為10418 km2,占總面積62%；平原面積為6390 km2,占全市面積38%。北京市平均海拔43.5 m,年均溫度11.5℃,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候,年無霜期為180—200 d,年平均降水量為630 mm,汛期降雨約占85%。北京市主要土壤類型有山地草甸土、山地棕壤、褐土、潮土、沼澤土、水稻土和風(fēng)沙土。北京地區(qū)野生被子植物中以菊科、禾本科、豆科、薔薇科為主,其次是百合科、莎草科、傘形料、毛莨科、十字花科和石竹科等,常見植被如蒺藜(TribulusterrestrisL.)、豬毛菜腳(SalsolacollinaPall.)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、云杉(PiceaasperataMast.)、臭椿(AilanthusaltissimaMill.)、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)等。

1.2 研究方法

1.2.1水源涵養(yǎng)功能評價指標(biāo)實物量計算

根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范(GB/T 38582—2020),本研究將北京市各功能區(qū)城市綠化水源涵養(yǎng)功能分為調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)兩個主要部分,水源涵養(yǎng)功能的調(diào)節(jié)水量的實物量采用計算公式(1)進(jìn)行計算：

G調(diào)=10×A×(P-E-C)

(1)

式中,G調(diào)為評估林分年調(diào)節(jié)水量(m3/a)；A為林分面積(hm2)；P為降雨量(mm/a),降雨量分別采用2009和2014年中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)所公布的數(shù)據(jù)；E為林分蒸散量(mm/a)；C為地表徑流量(mm/a)。水源涵養(yǎng)功能的凈化水質(zhì)的實物量采用計算公式(2)進(jìn)行計算：

G凈=10×A×(P-E-C)

(2)

式中,G凈為評估林分年凈化水質(zhì)量(m3/a)；A、P、E、C單位水文意義同公式(1)。

1.2.2水源涵養(yǎng)功能評價指標(biāo)價值量計算

根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范(GB/T 38582—2020),計算降雨量與林分蒸散量和地表徑流量差值與林分面積相乘得到水量容積,再與水庫建設(shè)單位庫容投資相乘得到林分年調(diào)節(jié)水量價值,具體按照計算公式(3)計算：

U調(diào)=G調(diào)×C庫

(3)

式中,U調(diào)為評估林分年調(diào)節(jié)水量價值(元/a)；G調(diào)為林分年調(diào)節(jié)水量(m3/a)；C庫為水資源市場交易價格(元/m3),北京市居民用水價格采用2018年平均值7元·t-1；排除水量損失后的水的凈化費用得到林分凈化水質(zhì)價值按照計算公式(4)計算：

U凈=G凈×K水

(4)

式中,U凈為評估林分凈化水質(zhì)價值(元/a)；G凈為林分年凈化水質(zhì)量(m3/a)；K為水的凈化費用(元/m3)。

1.2.3NDVI提取

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)稱為歸一化差值植被指數(shù),常用于表征植被生長狀況,被廣泛應(yīng)用在植被覆蓋空間分析、變化監(jiān)測等方面,NDVI按照計算公式(5)計算：

(5)

式中,NIR為近紅外波段,R為紅光波段。

本文采用Excel 2010處理數(shù)據(jù),ArcGIS 10.0軟件對北京市城市綠地的時空分布特征進(jìn)行制圖和分析,Origin 2018軟件進(jìn)行北京市各區(qū)城市綠化和水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行制圖。

1.3 數(shù)據(jù)獲取來源

遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/),選取研究區(qū)植被生長季對應(yīng)影像,數(shù)據(jù)見表1。影像云量較低,滿足研究需求。

表1 研究區(qū)遙感影像信息

本論文所有森林資源二類清查數(shù)據(jù)來源于北京市林業(yè)勘察設(shè)計院。

2 結(jié)果與分析

2.1 2009年至2014年北京市森林資源時空變化

本文根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒中的行政區(qū)劃將北京16個區(qū)分為首都功能核心區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))、城市功能拓展區(qū)(朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)和海淀區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(房山區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)和大興區(qū))和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、平谷區(qū)、密云區(qū)和延慶區(qū))(表2)。

北京市功能區(qū)分及其綠化面積統(tǒng)計分析結(jié)果表明,首都功能核心區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))在2009年和2014年的主要林地類型均為混交林,并無純林(針葉林和闊葉林)存在,城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)在2009年和2014年的主要林地類型包括針葉林和闊葉林以及混交林三種。其中,朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、海淀區(qū)、房山區(qū)、通州區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)和延慶區(qū)均表現(xiàn)為在2014年的林地總面積大于2009年,而石景山區(qū)、順義區(qū)和平谷區(qū)林地總面積變化趨勢反之。整體上,2014年北京市森林植被面積較2009年呈增加趨勢。

北京市2009年和2014年NDVI空間分布(圖1)統(tǒng)計結(jié)果表明,2009年NDVI平均值為0.331,2014年平均值為0.708。從2009年和2014年北京市NDVI空間分布統(tǒng)計可以看出,2009年城市用地中的植被覆蓋較少,而北京市生態(tài)建設(shè)到了2014年時城市用地中的植被覆蓋顯著增加。

2.2 北京市不同功能區(qū)綠地差異

北京市2009年和2014年不同功能區(qū)綠地空間分布如圖2所示,結(jié)果表明2014年總林地綠地面積(4.59×105hm2)較2009年(4.00×105hm2)顯著增加了14.59%。不同林分類型面積均有所增加,針葉林增加35.44%,闊葉林增加0.04%,混交林增加32.06%。對比兩期調(diào)查數(shù)據(jù)(圖2),首都功能核心區(qū)混交林面積約增加了63.96%；城市功能拓展區(qū)針葉林面積約減少了13.29%,而闊葉林和混交林面積分別增加了19.19%和6.67%,林分面積分別為闊葉林>混交林>針葉林；城市發(fā)展新區(qū)針葉林、闊葉林和混交林面積分別增加了67.97%、2.30%和50.43%,林分面積變化趨勢表現(xiàn)為闊葉林>針葉林≈混交林；生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)針葉林和混交林面積分別增加了29.20%和24.91%,闊葉林面積減少了3.40%,林分面積分別為闊葉林>針葉林>混交林。

從空間分布上看,在首都功能核心區(qū)中主要分布闊葉林；混交林、針葉林、闊葉林3種林分混合集中分布在密云區(qū)、平谷區(qū)、昌平區(qū)和懷柔區(qū)南部；順義區(qū)、朝陽區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)分布的闊葉林較為離散。

表2 北京市不同功能區(qū)分及其綠化面積統(tǒng)計

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

圖2 北京市不同功能區(qū)綠地空間分布Fig.2 The green spatial distribution of different functional areas in Beijing

2.3 北京市不同功能區(qū)林地水源涵養(yǎng)功能特征及價值估算

2.3.1水源涵養(yǎng)功能實物量

北京市各功能區(qū)水源涵養(yǎng)功能實物量統(tǒng)計如表3所示,北京市首都功能核心區(qū)2014年混交林水源涵養(yǎng)功能實物量(8.23×105m3)較2009年(1.28×106m3)降低35.7%,城市功能拓展區(qū)2014年森林植被水源涵養(yǎng)功能實物量(3.09×107m3)較2009年(4.81×107m3)降低35.81%,生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)2014年森林植被水源涵養(yǎng)功能實物量(1.91×108m3)較2009年(3.85×108m3)降低50.57%。城市發(fā)展區(qū)森林植被在2014年水源涵養(yǎng)功能實物量(1.78×108m3)較2009年(1.66×108m3)增加7.6%。結(jié)果還表明：生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(2.88×108m3/a)>城市發(fā)展新區(qū)(1.72×108m3/a)>城市功能拓展區(qū)(3.95×107m3/a)>首都功能核心區(qū)(1.05×106m3/a)。整體上,2014年林地綠化調(diào)節(jié)水量為4.01×108m3,較2009年降低了近1/3。

表3 北京市各功能區(qū)水源涵養(yǎng)功能實物量統(tǒng)計

2.3.2水源涵養(yǎng)功能價值量

北京市各功能區(qū)水源涵養(yǎng)功能價值量估算結(jié)果(圖3)表明,2009年各功能區(qū)涵養(yǎng)水源功能總價值量為：闊葉林(4.32×109元/a)>針葉林(2.13×109元/a)>混交林(1.42×109元/a),2014年為：闊葉林(2.81×109元/a)>混交林(1.49×109元/a)>針葉林(9.48×108元/a)。各功能區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能價值量表現(xiàn)為：闊葉林(3.57×109元/a)>混交林(1.45×109元/a)>針葉林(1.54×108元/a),各區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能價值變化結(jié)果表明混交林水源涵養(yǎng)功能價值量呈增加趨勢(5.13%),闊葉林和針葉林水源涵養(yǎng)功能價值量呈下降趨勢,且針葉林降低速率(-55.55%)較闊葉林(-34.93%)快。2014年由于林地綠化調(diào)節(jié)水、凈化水質(zhì)而產(chǎn)生的價值量較2009年分別減少了22.08%和8.24%。

圖3 北京市各功能區(qū)水源涵養(yǎng)功能價值量估算Fig.3 Estimation of the value of water conservation function in Beijing′s functional areasa:調(diào)節(jié)水量的價值 b.凈化水質(zhì)的價值

3 討論

本文對北京市不同功能區(qū)綠地時間分布分析,結(jié)果表明整體上2014年北京市森林植被面積較2009年呈增加趨勢(表1),我們對北京市2009年和2014年NDVI進(jìn)行空間分布統(tǒng)計分析,結(jié)果也證實了2014年(0.708)北京市森林植被面積較2009年(0.331)呈增加趨勢。北京市不同功能區(qū)綠地空間分布表明四個功能區(qū)林地面積呈增加趨勢(圖1),且各區(qū)闊葉林面積占比最多。這與北京市林業(yè)部門正確的營林決策具有密切的關(guān)系,主要采取營造闊葉林為主,針葉林為輔。北京市森林植被面積呈增加趨勢與北京市正確的城市生態(tài)規(guī)劃發(fā)展也具有密切聯(lián)系[23],同時,受到人類生產(chǎn)活動的顯著影響[5]。隨著近年社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動等會影響局部地區(qū)的降雨環(huán)境因素,而城市綠化的林地可以緩解這種變化,改善人們的生活環(huán)境,以利于城市健康發(fā)展。本文研究結(jié)果表明北京市各區(qū)森林植被面積變化趨勢與北方黃土高原丘陵區(qū)[24- 25]和殘塬區(qū)[26]和南方土石山區(qū)[27]營林研究建議一致。

本文結(jié)果顯示北京市森林植被水源涵養(yǎng)功能實物量整體上在2014年較2009年減少近1/3。分析原因,首先隨著北京市年降雨量整體表現(xiàn)為增加趨勢[28],林地水分補(bǔ)給來源也隨之增多,林地環(huán)境得到改善,林木根系的生長、周轉(zhuǎn)等活力得到顯著良性調(diào)節(jié),最終改善林分生長狀況[29-30]。第二,在氣候暖干旱影響下,植被的生長和發(fā)育會受到影響。近年來北京市空氣溫度逐年增加造成林地蒸發(fā)散總量增加[31]。大氣―植被―土壤連續(xù)體會影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán),也會制約生態(tài)系統(tǒng)能量流動[32]。第三是受氣候和植被變化的影響,土壤水分和土壤養(yǎng)分含量以及土壤微環(huán)境也會發(fā)生變化[33-34],通過微生物影響土壤環(huán)境,土壤微生物和動物豐富度隨之提高[35],對枯枝落葉的分解活動明顯提高,將會影響植被蓄積量、凋落物量、土壤有機(jī)質(zhì)量和土壤物理性質(zhì)[36],最終影響森林植被林冠、枯落物和土壤作用層水源涵養(yǎng)機(jī)制[37]。

本文結(jié)果表明北京市4個城市功能區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能價值量呈增加趨勢,而純林與之相反,且針葉林降低速率大于闊葉林,這與實際情況相符。以往研究從森林生態(tài)系統(tǒng)功能的角度揭示混交林生態(tài)功能優(yōu)于純林,在森林經(jīng)營中宜考慮多營造混交林的重要結(jié)論[38],而本研究的結(jié)論從經(jīng)濟(jì)價值方面進(jìn)一步證實森林經(jīng)營應(yīng)該多考慮營造混交林,這與傳統(tǒng)的森林經(jīng)營研究結(jié)論相同。本文認(rèn)為提高北京市森林植被水源涵養(yǎng)功能,充分發(fā)揮森林植被水土保持功能,在森林管理中應(yīng)重點關(guān)注3個方面,第一,注重森林植被類型多樣化,多營造混交林提高森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性；第二,充分考慮氣候條件暖干旱影響下的土壤水分植被承載力,調(diào)控適宜林分密度,間接優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)；第三,建立森林經(jīng)營管理制度,加強(qiáng)營林技術(shù),提高林分質(zhì)量,抑制森林植被過早進(jìn)入衰退期,提升森林植被水源涵養(yǎng)生態(tài)主導(dǎo)功能。

根據(jù)本文的分析結(jié)果,結(jié)合北京市的實際發(fā)展情況,對北京市的城市綠化建設(shè)提出以下幾點相關(guān)建議：①提升城市林地綠地質(zhì)量,以生態(tài)文明建設(shè)為主線,注重林地綠地的養(yǎng)護(hù)管理,提高資源的利益效率及環(huán)境的改善效率。②擴(kuò)大混交林的種植面積,發(fā)揮林地的生態(tài)調(diào)節(jié)功能,提高其林分的穩(wěn)定性,確保林地能發(fā)揮更大的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益,最終為人類提供更加健康的城市生活環(huán)境。③增加北京市的城市綠化面積,美化城市人居環(huán)境。以經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展,又以良好的生態(tài)環(huán)境以及城市綠地對環(huán)境的改善作用,促進(jìn)北京市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。④加強(qiáng)首都的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)的力度,完善相關(guān)的法律法規(guī),加強(qiáng)對污染企業(yè)的管制,從源頭控制人為因素對環(huán)境造成的破壞。⑤北京市的各個功能區(qū)的核心功能不同,適當(dāng)增加首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)的林地綠化面積,以生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)為核心,增強(qiáng)北京市的生態(tài)文明建設(shè),改善北京市的環(huán)境問題。

4 結(jié)論

(1)北京市森林植被面積2014年(4.59×105hm2)較2009年(4.00×105hm2)呈增加趨勢,北京市NDVI平均值也表明從2009年(0.331)至2014年(0.708)北京市綠化面積顯著增加。北京市2014年林地綠化調(diào)節(jié)水量為4.01×108m3,較2009年降低了近1/3,2014年由于林地綠化調(diào)節(jié)水、凈化水質(zhì)而產(chǎn)生的價值量較2009年分別減少了22.08%和8.24%。

(2)北京市四個城市功能區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)為混交林產(chǎn)生的水源涵養(yǎng)功能價值量呈現(xiàn)增加趨勢(5.13%),而闊葉林和針葉林產(chǎn)生的水源涵養(yǎng)功能價值量呈下降趨勢,且針葉林降低速率(-55.55%)較闊葉林(-34.93%)更快。

(3)北京市的人居生態(tài)環(huán)境近年來穩(wěn)步提升,經(jīng)過植樹造林后,北京市的生態(tài)環(huán)境、城市人居環(huán)境都有了明顯提升。林地改善環(huán)境而帶來的經(jīng)濟(jì)價值逐年增長,林地很好地發(fā)揮了涵養(yǎng)水源功能,也產(chǎn)生了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價值,總體發(fā)展趨勢較好。