面向城市空氣污染的森林生態(tài)功能評估研究

宋海彬，武富慶，于翠芳

(黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

森林生態(tài)功能[1]即森林生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)階段生成的自然環(huán)境條件與作用，包含水土、養(yǎng)分、空氣、生物等多個方面.隨著森林生態(tài)建設(shè)步伐的跨越式前進(jìn)，森林的地位與作用逐漸被人們?nèi)娴卣J(rèn)識與評價，特別是在可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)提出后，森林資源防護(hù)意識得到加強(qiáng)，同時也為經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展賦予了重要意義.只有通過價值形式[2]將生態(tài)功能體現(xiàn)出來，方可讓人們更清晰地了解到森林的生態(tài)效用，并為維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境作出有力的貢獻(xiàn).張瑜等[3]與鄒文濤等[4]為合理、準(zhǔn)確地評估森林生態(tài)功能，分別引入投影尋蹤分類技術(shù)與InVEST模型，為科學(xué)調(diào)整區(qū)域功能提供依據(jù)，為生態(tài)功能充分發(fā)揮提供保障.

近幾年，工業(yè)的無序化發(fā)展與汽車數(shù)量暴增造成的尾氣指標(biāo)上揚(yáng)，加劇了大氣環(huán)境的污染，令空氣污染問題面臨前所未有的挑戰(zhàn).因此，本文基于森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范，擬建立針對城市空氣污染問題的森林生態(tài)功能評估指標(biāo)體系；并結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)屬性以及森林生態(tài)站長期的定位監(jiān)測結(jié)果，對研究區(qū)域的森林生態(tài)功能開展系統(tǒng)評估分析.

1 森林生態(tài)功能評估指標(biāo)體系

常規(guī)森林生態(tài)功能主要分為：保育水源、保育土壤、保護(hù)生物多樣性、凈化空氣、累積營養(yǎng)等5類.本文針對城市空氣污染的森林生態(tài)功能評價，選取凈化空氣生態(tài)功能中的吸收、過濾、阻隔、分解大氣污染物以及提供負(fù)離子等子功能[5]展開研究.此外，本文還基于森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范[6]，結(jié)合研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)屬性以及森林生態(tài)站長期的定位監(jiān)測結(jié)果，建立適用于研究區(qū)域的森林生態(tài)功能評估指標(biāo)體系，如圖1所示.

圖1 森林生態(tài)功能評估指標(biāo)體系

2 研究區(qū)域概況

本文選取位于某省東南邊陲的某市作為研究對象，其地理信息如圖2所示.該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍貏荻酁槠皆细弑钡停蜕角鹆贻^多，年降雨量如圖3所示.區(qū)域內(nèi)森林資源較為豐富，覆蓋面積高達(dá)84.3%，且樹種繁多，達(dá)到150余種.

圖2 研究區(qū)域地理信息

圖3 研究區(qū)域年降水量

本文利用定位監(jiān)測方法調(diào)查研究區(qū)域，將采集的森林資源數(shù)據(jù)作為功能評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析與處理操作通過Excel軟件實現(xiàn).本文通過分析研究區(qū)域資源數(shù)據(jù)，選取水曲柳、樺樹、紅松、椴樹、黃波欏等5種優(yōu)勢樹組，按照幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林以及過熟林等不同齡組分類，結(jié)合評估指標(biāo)體系，針對該區(qū)域森林生態(tài)功能，展開實物量與價值量評估.具體流程如下：

1)研究區(qū)域劃分：依據(jù)表1所示6個不同的樹種齡組將研究區(qū)域劃分為6個標(biāo)準(zhǔn)樣地，6個標(biāo)準(zhǔn)樣地之間相互獨(dú)立，經(jīng)累計所有區(qū)塊的森林生態(tài)功能評估數(shù)據(jù)，即可取得整個研究區(qū)域的評估結(jié)果.

表1 樹種齡組分類標(biāo)準(zhǔn)

2)凈化空氣樹種情況調(diào)查：在表2所示的25個標(biāo)準(zhǔn)樣地區(qū)塊內(nèi)，展開為期一年的負(fù)氧離子濃度等與空氣狀況相關(guān)數(shù)據(jù)采集與觀測，由于植物生長緩慢，因此，采集和觀測的頻率均設(shè)為每月的5號、15號和25號.

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣地信息參數(shù)

續(xù)表2

3 森林生態(tài)功能評估方法

3.1 森林生態(tài)功能實物量評估

3.1.1 負(fù)離子提供功能評估

本文采用森林年提供負(fù)離子濃度[7-8]反映負(fù)離子提供指標(biāo)的實物量，假設(shè)群落地段占地A公頃，平均高度是H米，所提供負(fù)離子濃度是每立方厘米Qf個，每年可提供Gf個負(fù)離子，空氣媒介中負(fù)離子的壽命為L，因只有當(dāng)負(fù)離子濃度超過600個/cm3時才有益于人體，故該指標(biāo)實物量計算公式如下：

(1)

3.1.2 城市污染物吸收功能評估

污染物吸收指標(biāo)針對二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等3種主要空氣污染物，并采用面積吸收能力[9]法計算森林年污染物吸收的實物量，數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如下：

Gs=Qs×A

(2)

GF=QF×A

(3)

Gd=Qd×A

(4)

其中，Gs、GF、Gd分別表示該群落地段每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的實物量，單位是噸；Qs、QF、Qd分別表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的吸收濃度，單位是mg/m3.

3.1.3 阻滯降塵功能評估

同理，在計量阻滯降塵的實物量時，可由下列公式解得

Gz=Qz×A

(5)

式中，Gz、Qz分別表示該群落地段每年的阻滯降塵實物量與阻滯降塵濃度.

3.2 森林生態(tài)功能價值量評估

3.2.1 負(fù)離子提供功能價值評估

本文基于市場化的負(fù)離子產(chǎn)生費(fèi)用成本，通過折算森林年提供負(fù)離子的貨幣價值，計量出該指標(biāo)的價值量.假設(shè)產(chǎn)生負(fù)離子需要Kf元，則森林年提供負(fù)離子價值量Uf的計算公式如下：

(6)

本文利用中國科學(xué)院3H科技公司與沈陽柏森醫(yī)療器械有限公司研產(chǎn)結(jié)合的亞馬遜牌負(fù)離子發(fā)生器制造負(fù)離子，其費(fèi)用成本Kf為6.29元/(1018個負(fù)離子).

3.2.2 城市污染物吸收功能價值評估

本文分別測定、估算出森林年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物濃度，將其與對應(yīng)污染物治理成本相乘，即可取得各污染物的年吸收價值量.計算公式分別如下：

Us=A×Qs×Ks

(7)

UF=A×QF×KF

(8)

Ud=A×Qd×Kd

(9)

其中，Us、UF、Ud分別表示森林每年吸收二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的價值量；Ks、KF、Kd分別表示二氧化硫、氟化物以及氮氧化物的治理成本.根據(jù)排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)[10]可知，二氧化硫、氟化物和氮氧化物的排污費(fèi)用分別為1.2元/kg、0.69元/kg以及0.63元/kg.

3.2.3 阻滯降塵功能價值評估

同理，推導(dǎo)出群落地段每年阻滯降塵的價值量Uz計算公式如下：

Uz=A×Qz×Kz

(10)

其中，Kz表示阻滯降塵的清理成本.滯塵作為一般性粉塵，其排污費(fèi)用為0.15元/kg.

3.3 森林生態(tài)功能指數(shù)量評估

本文歸一化處理森林?jǐn)?shù)量、質(zhì)量以及空間分布等指標(biāo)值，取得森林生態(tài)功能指數(shù)量P.假設(shè)森林?jǐn)?shù)量指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)以及空間均衡指數(shù)分別是P1、P2、P3，則指數(shù)量評估結(jié)果通過下式解得

(11)

其中，森林?jǐn)?shù)量指數(shù)P1為森林覆蓋率；森林質(zhì)量指數(shù)P2綜合考慮了自然度、生物量、植株結(jié)構(gòu)、均高、落葉厚度、郁閉度、群落結(jié)構(gòu)等因素的質(zhì)量指數(shù)均值，計算公式如下：

(12)

其中，第i個評價因子的權(quán)重與專家給定分值分別是wi、xi.

空間均衡指數(shù)P3為研究區(qū)域中森林的分布情況.本文利用arcMap軟件將樣地分類為多個相同規(guī)格的空間單元，測算各單元的樣地占地比例后，由下式得到該指數(shù)值：

(13)

4 森林生態(tài)功能評估結(jié)果分析

本文面向城市空氣污染的研究區(qū)域，基于評估指標(biāo)體系，采用定量、定性融合的分析策略，全面評估空氣污染方向的森林生態(tài)功能.

本文根據(jù)污染物吸收量、阻滯降塵量、提供負(fù)離子量、森林覆蓋率、樣地占地比例的觀測值以及專家給出的權(quán)值與質(zhì)量評價分值，計算所選區(qū)域不同樣地中的實物量、價值量以及指數(shù)量等數(shù)值，經(jīng)分析后，取得森林生態(tài)功能的整體評估結(jié)果.

4.1 基于實物量的森林生態(tài)功能評估

本文根據(jù)采集到的提供負(fù)離子量、污染物吸收量、阻滯降塵相關(guān)濃度值，統(tǒng)計出各指標(biāo)的對應(yīng)實物量，通過表3中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：城市5類優(yōu)勢樹組在相互作用下，不僅產(chǎn)生了龐大的負(fù)離子量，吸收了空氣中大量的二氧化硫、氟化物以及氮氧化物等污染物，且較大程度地實現(xiàn)了阻滯降塵，使森林生態(tài)功能的凈化空氣作用得到了極大程度提升.

表3 森林生態(tài)功能實物量結(jié)果

4.2 基于價值量的森林生態(tài)功能評估

表4中的價值量數(shù)據(jù)是將提供負(fù)離子、污染物吸收、阻滯降塵等指標(biāo)的實物量折算成了貨幣價值，據(jù)此可以看出：研究區(qū)域所種植的5種優(yōu)勢樹組為凈化城市空氣環(huán)境創(chuàng)造了巨大的功能價值，這說明該樹種的群落結(jié)構(gòu)具有較為理想的森林生態(tài)功能效用.

表4 森林生態(tài)功能價值量值結(jié)果

4.3 基于指數(shù)量的森林生態(tài)功能評估

由于指數(shù)量是從大小相同的空間單元角度進(jìn)行評估的，無法以區(qū)塊樣地為單位，因此，本文根據(jù)近一年各因素指數(shù)值的月變化情況(見圖4)，評估區(qū)域的森林生態(tài)功能.

圖4 森林生態(tài)功能指數(shù)量值結(jié)果

由圖4中森林?jǐn)?shù)量指數(shù)、森林質(zhì)量指數(shù)、空間均衡指數(shù)以及森林生態(tài)功能指數(shù)的數(shù)值可以看出：所有數(shù)據(jù)均呈上升趨勢，1月時各指數(shù)量分別是0.540 9、0.477 4、0.640 2、0.552 8，12月各指數(shù)量達(dá)到0.549 6、0.488 3、0.649、0.562 3，年增加量分別為0.008 7、0.010 9、0.008 8、0.009 5，其中，森林質(zhì)量指數(shù)增幅最大.這表明區(qū)域中的樹種具有顯著的生態(tài)優(yōu)勢，盡管森林生態(tài)功能在一定程度上受到了覆蓋率的限制，但整體表現(xiàn)依舊良好.

5 結(jié)論

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林效益不再局限于材料與林副產(chǎn)品供應(yīng)，其功能早已發(fā)揮出生態(tài)、經(jīng)濟(jì)以及社會價值的作用.森林生態(tài)功能利用森林的群落效應(yīng)影響著人類的生存環(huán)境乃至發(fā)展前景，其中以大氣環(huán)境最為顯著.為此，本文針對城市空氣污染的問題，對森林生態(tài)工程進(jìn)行評估，使無形的生態(tài)功能轉(zhuǎn)化為有形的指標(biāo)，凸顯其現(xiàn)實價值.為進(jìn)一步優(yōu)化評估性能，本文對生態(tài)功能展開系統(tǒng)監(jiān)測，增加降雨、風(fēng)、大氣湍流、溫度結(jié)層等評估因子；結(jié)合面積吸收能力法和歸一化法等建立一種評估技術(shù)，提升數(shù)據(jù)分析與管理能力，完善評估指標(biāo)體系.