重庆市森林生态系统服务功能价值评估

肖 强，肖 洋，欧阳志云，*，徐卫华，向 轼，李勇志

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085;2.重庆文理学院非物质文化遗产研究中心，重庆 402160;3.中国科学院重庆绿色智能技术研究院水库水环境重点实验室，重庆 400714)

自1997年Costanza等对全球生态系统服务价值进行定量评价以来，生态系统服务价值评估已经成为生态学、生态经济学等学科研究的热点和前沿［1］。20世纪90年代以后，一些学者将生态系统服务的概念、内涵和价值评价方法介绍到国内，探讨了生态系统服务及其与可持续发展研究的关系［2-3］。近年来国内外学者围绕生态系统服务国内该领域的研究在以下5个方面蓬勃发展:(1)生态系统服务价值评估方法比较，如对条件价值法、费用支出法与市场价值法的比较等［4-5］。(2)对不同区域和不同自然地理区的生态系统服务价值的评估［6-7］。(3)对森林、海洋、森林、草地、湖泊等不同类型生态系统服务价值的评估［8］。(4)对生物多样性保护、土壤保持、环境净化等生态系统的单项服务价值评估［9］。(5)对生态系统服务价值响应区域土地利用或景观格局变化的研究［10-11］。国内生态系统服务价值研究已从对国外研究的简单模仿逐渐转向对评估模型参数的修正、对技术方法的适应性集成与发展，研究对象从大尺度和单一生态系统逐渐转向中尺度区域，并开始关注生态系统服务价值的动态变化及其驱动机制［12］。

森林作为地球上最重要的陆地生态系统类型之一，为人类的生产和生活提供各种产品和服务。长期以来，由于人们对森林资源的重要性认识不够，对森林资源采取了大量掠夺式的开采和粗放型的管理方式，导致了森林面积逐渐减少，森林质量随之下降，森林生态系统提供的各种服务功能减弱［13-14］。随着对环境资源可持续性发展机制研究的深入，人们逐渐意识到维持和保育生态系统的重要性，尤其是森林生态系统服务功能是实现社会经济可持续发展的基础之一，但是，由于对生态系统的大部分服务功能缺乏深入的生态学理解，致使能够为决策提供依据的生态学信息非常少，直接影响森林生态系统服务功能的保育和管理［15］。本文对重庆市森林生态系统服务功能进行定量评价，评价重庆市近几年来森林生态系统服务功能价值，旨在使人们清楚认识到重庆市森林生态系统的重要价值，这不仅有助于生态环境保护，也有利于政府部门进行产业规划和政策制定，促进经济和环境的和谐发展有着重要意义。

1 研究区简介

重庆地形地貌复杂，地形大势由南北向长江河谷倾斜，地貌明显受地质构造控制，背斜成山，向斜成谷，山脉走向大致与地质构造线一致。属湿润亚热带季风气候，具有夏热冬暖、无霜期长、雨量充沛、温润多阴、雨热同季等特点，但辐射、光照不足，灾害气候频繁。重庆具有大城市、大农村的特殊市情，随着城乡统筹力度的不断加大，城镇化率逐年提高，城镇人口数量激增，带来环境污染加剧、热岛效应增强、大气颗粒物污染、水土流失严重，生态承载力降低等一系列生态环境问题。近年来，重庆市开展了大量的生态修复工程，而定量评估这项生态工程显得十分必要。

2 数据来源与评估方法

2.1 数据来源

根据模型需要，一部分数据从2006年和2011年重庆市统计年鉴获取，其他数据分别从环保局等相关部门购买。本研究采用野外调查和遥感影像处理相结合方式进行数据处理。基础地理信息采用重庆1∶50000基础地理信息数据库信息，主要利用边界层、居民层和水系层等。野外调查的主要目的是了解评价区内不同的土地利用和植被覆盖状况，并将分类系统中各生态系统类型的实际情况与遥感影像作对照，研究实际各类型在图像上的成像规律和影像特征，包括颜色、形状、结构、阴影等。在实地调查的基础上，根据项目区遥感影像的特点，在面向对象分类软件的平台上对项目区两个时期的8景遥感影像进行土地利用分类，拟采用了监督分类法、专家知识决策分类系统、光谱响应特征阈值计算方法进行分类。

2.2 评价方法

生态效益评价主要通过生态服务功能价值化的方法来进行评估，包括产品提供、支持功能、调节功能和文化功能四个方面评估内容(表1)。

表1 森林生态系统服务功能价值评价指标体系Table 1 Indexes System of Forest Ecosystem Services

(1)产品提供

森林生态系统服务功能的直接经济价值主要是林产品、林副产品，包括木材、药材、水(干)果、笋竹、花椒、桑蚕等方面的产品。采用市场价值法［16］，用如下公式进行评价:

式中，Vp为森林生态系统提供产品总价值;Sj为第j种森林类型或果品的分布面积;Vj为第j种森林类型单位面积净生长量或产量;Pj为第j种森林类型木材或果品的市场价格;j表示不同的森林类型。

(2)碳固定

基于森林生态系统生物量估算碳库，进而评价生态系统碳固定功能［17］:

式中，Vq是碳固定的价值量;NPPj为第j类森林类型的净初级生产力;Pc为市场固定CO2的价格。

(3)水源涵养

采用InVEST产水量模型，通过径流调节量的大小进行评估。InVEST产水量模型是基于Budyko曲线和年均降雨量的数学模型，其中，水径流量等于降水量减去蒸散量，公式如下:

式中，AETxj是j类土地利用类型中像元x的年实际蒸散量，Px为像元 x的年降雨量。AETxj/Px是Budyko曲线的一个近似值。

调节径流为潜在径流量与实际径流量之差。通过InVEST产水量模型，估算不同植被覆盖程度的流域年度产水量(径流量)及其空间分布特征。

(4)土壤保持

采用通用水土流失方程USLE进行评价［18-19］，包括自然因子和管理因子两类，降雨、坡度坡长、植被、土壤和土地管理等5个因素:

式中，USLEx表示栅格x的土壤侵蚀量;Rx为降雨侵蚀力;Kx为土壤可蚀性;LSx为坡度-坡长因子;Cx为植被覆盖因子;Px为管理因子。

保持土壤养分价值

式中，Va为保持土壤养分价值;Th为土壤保持量;i为土壤中养分种类;Ci为土壤中第i类养分含量;Pi为第i类养分的市场价格。

(5)生物多样性保护

采用InVEST模型中的生境质量指数来进行评价，计算公式如下:式中，Qxj是土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量;Hj为土地利用与土地覆盖j的生境适合性;Dxj是土地利用与土地覆盖或生境类型j栅格x的生境胁迫水平，K是为半饱和常数［20］。

(6)气候调节

气候价值计算公式为［21］:

式中，V为森林生态系统调节气候价值;E为森林蒸腾量，L为蒸发耗热系数，P为现行电价，α为空调能效比。

(7)文化旅游

按照投入产出原理，游客在重庆市的消费支出，可被视为最终消费增量的一部分。在既定产业关联的格局下，最终需求的变动将引起国民经济各产业部门产值的变动。则由产业间的波及效果所激发的全部生产额可由公式求得:

式中，H=(H1，H2，…，Hn)T，H 为最终旅游需求向量，(I－A)－1是列昂惕夫逆矩阵，A为经济系统的直接消耗系数矩阵，I为单位矩阵，U为由最终旅游需求所激发的生产额:旅游经济产值。

(8)森林生态系统总服务功能

式中，Vij为第j类森林类型的第i中服务功能价值。

3 重庆市主要生态服务功能变化评估

3.1 产品提供

重庆森林提供产品的价值主要是森林活立木的价值和林果、药材等林副产品的价值，各种森林产品如表2所示。

从各地统计年鉴查得森林产品提供年产量，从2006年至2011年，森林产品提供功能由35.14亿元增加至51.24亿元，提高了45.82%，其中中药与干果类产品所占比重较大。

表2 重庆市森林生态系统的产品提供/亿元Table 2 Products provided by the forest ecosystem of Chongqing

采用市场价值法估算，重庆市2006年提供的木材收入达到10.24亿元，2011年提供的木材收入达到12.37亿元，在这5a累计增加2.13亿元。重庆市2006年中药材年产量4130吨，中药的收入为7.12亿元，2011年产量达5207t，收入为11.23亿元，增加收入4.11亿元。2006年水(干)果、花椒产量91.1万t，价值是11.54亿元。2011年水(干)果、花椒的产量为110.4万 t，价值为 18.27亿元，5年间，水(干)果、花椒累计增加6.73亿元。从产品提供的大小来看，水(干)果的增幅最大，其次为药材的增幅，木材增长最少。

3.2 碳固定

根据2011年重庆市林业局地面观测数据计算获得158个森林样地生物量数据，利用70%的样点数据构建生物量模型，其余的用于检验模型精度。本研究选择5个常用植被指数，利用SPSS 17.0软件，将植被指数作为因变量，与对应的地面调查点生物量数据进行相关分析。利用70%的样点数据构建生物量模型，其余的用于检验模型精度，选择方法为随机抽取，最后确定110个建模样点，48个验证样点。各类植被指数进行回归分析结果见表3。

表3 植被指数与地面调查生物量相关结果分析Table 3 The correlation coefficients between aboveground forest biomass and vegetation indexes

根据分析结果，选择相关性最高的指数MSAVI构建经验模型。经验模型包括线性、指数函数、对数函数、幂函数、双曲线函数、多项式等多种模型形式。本研究按照“相关系数最大，标准差最小，兼顾F检验最优”的原则挑选最佳回归方程，得到重庆市森林地上生物量遥感估算模型。

2011年重庆市的碳储量总量为6290.2万t，平均单位面积碳储量为22.65 t/hm2。与2006年相比，重庆市2011年森林碳储量增长了近100万t。最后评价引用Fankhauser等人的研究成果进行估算［22］，得到森林碳累积的总生态经济价值为72.3亿元。

3.3 水源涵养

潜在产水量与实际产水量之差为调节径流量，基于前述方法得到2006年径流量，2006年重庆生态系统调节径流量为394.82亿m3，平均单位面积调节径流量为50.49万m3km－2a－1)。森林生态系统类型2006年调节径流量为159.92亿m3，占年径流调节量的38.73%。同理得到重庆市2011年调节径流量为412.89亿m3，平均单位面积调节径流量为 52.8万m3km－2a－1，其中森林生态系统的总调节径流量为169.61亿m3，占年径流调节量的41.08%。

与2006年相比，2011年生态系统径流调节量提高了18.07亿m3，森林生态系统的调节量由159.92亿 m3增加至169.61 亿m3，提高了9.69 亿m3。利用替代成本法，以水库建造成本来进行功能价值量评价，取单位库容造价6.11元/m3估算，重庆市2006年森林生态系统涵养水源价值为977.11亿元，2011年价值为1036.32亿元，2006至2011年增加了59.21亿元。

3.4 土壤保持

土壤保持量即潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量的差值就是因植被覆盖和实施土地管理措施而减少的土壤侵蚀量。本研究从减少土壤肥力损失方面评价森林土壤保持的价值。森林各种类型土壤保持量利用通用水土流失方程进行估算。

与2006年相比，森林生态系统的土壤保持能力与保持总量都有所提高，2011年森林生态系统土壤能力增加了 33.94 t km－2a－1，总土壤保持量由 14.36亿t/a增加至14.69亿t/a。根据近年来国产化肥平均价格，以尿素为2000元/t，过磷酸钙为500元/t，氯化钾为2000元/t计算，2006年重庆市森林生态系统土壤肥力保持价值为63.70亿元，2011年增至64.33亿元。

3.5 生物多样性保护

基于土地利用图、与土地利用相关的生境可持续性和生境受威胁密度，用Invest生物多样性模型模拟了重庆2006年和2011年的生境质量空间分布。基于Natural Breaks法将重庆市生境质量等级空间分布划分为10等级。对比分析结果，2011年相对2006年重庆生境质量有所提高，生境质量整体呈现变好趋势，最高生境质量面积(等级10)从2006年的 59290.21 km2增加到 60722.67km2。参照Costanza等人的研究成果，2006年生物多样性服务功能的生态价值为72.4亿元，2011年价值为99.8亿元，生物多样性服务功能的生态效益增加了27.4亿元。

3.6 气候调节

由蒸散量遥感反演结果可知重庆市森林蒸腾耗水量290.24 亿 t/a，蒸腾吸热 7.11x1016kJ/a。用空调降温来换算森林生态系统的吸热降温效果，根据热当量换算公式，则蒸腾吸热为1.98×1013kWh/a。如果按0.4元/(kW/h)，夏季长达约100d，空调每天连续工作6 h，空调效率为2.8，那么重庆市2011年森林生态系统降温的年经济效益为959.30亿元。

基于同样的方法计算得出重庆市2006年森林蒸腾耗水量273.65亿t/a，蒸腾吸热6.70×1016kJ/a。则蒸腾吸热为1.86×1013kWh/a，估算得到重庆市2006年森林生态系统降温的年经济效益为913.44亿元。从2006年至2011年，重庆市森林生态系统气候调节价值由913.44亿元增加至959.30亿元，净增加了45.86亿元。

3.7 景观旅游

本研究采用产业关联来判断森林重庆工程对旅游业的收入带来多大的影响。2006年重庆景观旅游总价值为450.6亿元，2011年重庆景观旅游总价值为702.0亿元，同比增长了251.4亿元。其中，2006年森林工程本身引发旅游业收入增加2.53亿元，占旅游业总产值的0.56%，2011年森林工程引发旅游业收入增加68.34亿元，占旅游业总产值的9.74%，可见，森林重庆工程自身直接创造的直接经济价值有限，但森林重庆工程对旅游业的发展起到了良好的促进作用

3.8 服务功能总价值及其特征

由上述分析可以得出，2006年重庆市森林生态系统服务功能总价值是2579.91亿元。从具体的服务功能指标来看，如图1所示，其中提供林产品价值为35.14亿元(占1%)，气候调节功能价值为913.44亿元(占35%)，水源涵养价值为977.11亿元(占38%)，生物多样性72.4亿元(占3%)，碳固定价值为59.2亿元(占2%)。所占比例最大的是水源涵养功能，其次是气候调节功能，最小的是林产品供给功能。从不同森林服务功能类型增长变化来看，如图2所示，服务功能价值大小顺序依次景观旅游功能、水源涵养功能、气候调节功能、生物多样性、林产品提供、碳固定和土壤保持功能，增长最快的是文化旅游功能，其次为水源涵养，增长最小的是土壤保持功能。

图1 2006年生态系统服务价格构成Fig.1 Composition of value of ecosystem service in 2006

4 结论与讨论

图2 2006—2011年生态系统服务变化价值构成Fig.2 Composition of changed value of ecosystem services from 2006 to 2011

本研究参照千年生态系统评估框架，建立了重庆市森林生态系统服务功能价值评价指标体系，在分析重庆市森林生态系统提供的各项服务功能价值的基础上，计算了重庆市森林生态系统各项服务功能价值并对其总价值进行了分析。从提供的各种服务功能经济价值来看，重庆市森林生态系统以气候调节、水源涵养、景观旅游和生物多样性的价值为主，分别占总价值的35%、38%、17%和3%，说明它们提供主要的服务功能。以气候调节、水源涵养和土壤保持为主要服务功能类型，说明森林生态系统不仅提供各种林产品和林副产品，而且在气候调节、水源涵养等间接服务方面具有更重要的经济价值，因此，在资源开发和管理过程中要注意合理的利用森林资源。

因资料的限制，本研究对于重庆市森林生态系统服务功能价值的评价也不全面，但从评价结果中还是可以看出:重庆市森林生态系统具有巨大的生态系统服务功能价值。2006年至2011年重庆市森林面积增加了为2305.9km2，仅占重庆市总面积的2.79%，但森林生态系统所提供的产品和服务的价值增量相当于GDP的3.13%，这充分表明了森林生态系统对于人类财富的重要贡献及人类社会对于森林生态系统的依赖性，这给政策管理者和决策者提供了森林保护的经济依据，对于森林的保护和有效的管理起到了重要的作用。

本文评估了重庆市森林生态系统服务功能，但依然存在一些弱项。与国内进行的大多数森林服务功能评价一样，本研究仅对森林服务功能进行了两个时期的评价，并没有反映出服务功能价值动态变化和时空分布的差异性。首先，本文通过几项常见且影响较大的指标来进行比较，事实上生态系统服务功能还远不止这些。其次，遥感数据、气象数据、其他地理底图和统计数据的获取与处理过程中不可避免存在误差，比如遥感数据处理、气象数据插值、地理底图数字化和生态参数反演等。最后，土地利用变化通过改变生态系统的结构，而这些影响是非线性的，因而对生态系统服务功能会造成的影响也无法评估，因此，为了更好地反映重庆市森林生态系统服务功能的价值，以便更好地为重庆市森林资源的可持续有效利用、管理提供科学依据，构建合理的生态系统服务功能评估模型，揭示生态系统服务功能的空间异质性，模拟、预测生态系统服务功能的变化应是下一步研究的重点。

［1］Ouyang Z Y，Zheng H.Ecologica lmechanism s of ecosystem services.Acta Ecologica Sinica，2009，(11):6183-6188.

［2］Lu Y H，Ma Z M，Fu B J，Gao G Y.Diversity of ecosystem services and landscape multi-functionality:from scientific concepts to integrative assessment.Acta Ecologica Sinica，2013，(4):1153-1159.

［3］Chen N W，Li H C，Wang L H.A GIS-based approach for mapping direct use value of ecosystem services at a county scale:Management implications. Ecological Economics， 2009， 68(11):2768-2776.

［4］Braat L C，de Groot R.The ecosystem services agenda:bridging the worlds of natural science and economics，conservation and development，and public and private policy.Ecosystem Services，2012，1(1):4-15.

［5］Shi L Y，Cui S H，Yin K，Liu J.The Impact of Land Use/Cover Change on Ecosystem Service in Xiamen.Acta Geographica Sinica，2011，(6):708-714.

［6］Li F，Ye Y P，Song B W，Wang R S.Spatial structure of urban ecological land and its dynamic development of ecosystem services:a case study in Changzhou City，China.Acta Ecologica Sinica 2011，(19):5623-5631.

［7］Costanza R，d'Arge R，de Groot R.The value of the world's ecosystem services and natural capital. Nature，1997，387:253-260.

［8］Liu X Y，Long R J，Shang Z H.Evaluation method of ecological services function and their value for grassland ecosystems.Acta Prataculturae sinica，2011，(1):167-174.

［9］Chen X D，Lu F，He G M，OuYang Z Y，Liu JG.Factors affecting land reconversion plans following a payment for ecosystem service program.Biological Conservation，2009，142(8):1740-1747.

［10］Cheng S K，YU G R.Approaches to evaluate the ef fects of hydraulic engineering on river ecosystem services.Chinese Journal of Applied Ecology，2003，(5):803-807.

［11］Christie M，Rayment M.An economic assessment of the ecosystem service benefits derived from the SSSI biodiversity conservation policy in England and Wales.Ecosystem Services，2012，1(1):70-84.

［12］Zhao T Q，OuYang Z Y，Zheng H，Wang X K，Miao H.Forest ecosystem services and their valuation in China.Journal of Natural Resources，2004，(4):480-491.

［13］Xiao Y，Chen S B，Zhang L，Yue P，OuYang Z Y，Liu X C.Designing nature reserve systems based on ecosystem services in Hainan Island.Acta Ecologica Sinica 2011，(24):7357-7369.

［14］ Xiao JW，Kang W X，Yin SH，Yao L H，Guo Q H，Wang W W.Evaluation for Service Functions of Urban Forest Ecosystem in Guangzhou.Chinese Agricultural Science Bulletin，2011，(31):27-35.

［15］Muradian R，Rival L.Between markets and hierarchies:The challenge of governing ecosystem services.Ecosystem Services，2012，1(1):93-100.

［16］Primmer E，Furman E. Operationalising ecosystem service approaches for governance:Do measuring，mapping and valuing integrate sector-specific knowledge systems?Ecosystem Services，2012，1(1):85-92.

［17］Salles J M.Valuing biodiversity and ecosystem services:Why put economic values on Nature?.Comptes Rendus Biologies，2011，334(5):469-482.

［18］Sandhu H S，Crossman N D，Smith F P.Ecosystem services and Australian agricultural enterprises.Ecological Economics，2012，74(1):19-26.

［19］Swift M J，Izac A M N，van Noordwijk M.Biodiversity and ecosystem services in agricultural landscapes—are we asking the right questions?.Agriculture，Ecosystems＆ Environment，2004，104(1):113-134.

［20］Swinton S M，Lupi F，Robertson G P，Hamilton S K.Ecosystem services and agriculture:Cultivating agricultural ecosystems for diverse benefits.Ecological Economics，2007，64(2):245-252.

［21］Tengberg A，Fredholm S，Eliasson I，Knez I，Saltzman K，Wetterberg O.Cultural ecosystem services provided by landscapes:Assessment of heritage values and identity.Ecosystem Services，2012，2(2):14-26.

［22］Fankhauger S，Pearce D W.The social costs of greenhouse gas emissions，In: Organisation for Economic Cooperation and Development International Energy Agency，The Economics of Climate Change，Paris，1994.

参考文献:

［1］欧阳志云，郑华.生态系统服务的生态学机制研究进展.生态学报，2009，(11):6183-6188.

［2］吕一河，马志敏，傅伯杰，高光耀.生态系统服务多样性与景观多功能性——从科学理念到综合评估.生态学报，2013，(4):1153-1159.

［5］石龙宇，崔胜辉，尹锴，刘江.厦门市土地利用/覆被变化对生态系统服务的影响.地理学报，2011，(6):708-714.

［6］李锋，叶亚平，宋博文，王如松.城市生态用地的空间结构及其生态系统服务动态演变——以常州市为例.生态学报，2011，(19):5623-5631.

［8］刘兴元，龙瑞军，尚占环.草地生态系统服务功能及其价值评估方法研究.草业学报，2011，(1):167-174.

［12］赵同谦，欧阳志云，郑华，王效科，苗鸿.中国森林生态系统服务功能及其价值评价.自然资源学报，2004，(4):480-491.

［13］肖燚，陈圣宾，张路，岳平，欧阳志云，刘贤词.基于生态系统服务的海南岛自然保护区体系规划.生态学报，2011，(24):7357-7369.

［14］肖建武，康文星，尹少华，姚利辉，郭清和，王卫文.广州市城市森林生态系统服务功能价值评估.中国农学通报，2011，(31):27-35.