沈阳市2004—2014年城市绿地生态系统变化及生态服务价值差异

许 晶, 陈宏伟,b, 刘 娜, 齐淑艳,b, 洪娇娇, 袁 昊

(沈阳大学 a. 生命科学与工程学院, b. 辽宁省城市有害生物治理与生态安全重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

城市绿地系统巨大的生态经济学效益对城市经济持续发展有着无法取代的重要意义[1].近年来,沈阳作为国家森林城市,城区建设突飞猛进,园林绿化覆盖率有了很大的提高[2].本研究结合沈阳市具体情况选取8项生态服务价值指标构建评价体系,对11年间沈阳市城市绿地系统的服务价值进行量化评估,根据评估结果分析其动态变化,以期通过此次评估探索城市绿地各项生态服务功能差异,分析沈阳城市发展过程中绿地系统功能变化, 为今后定量化研究和绿地系统格局优化提供参考,更好地为城市规划与管理服务.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

沈阳市(41°11′51″～43°02′13″N,122°25′09″～123°48′24″E)位于中国东北地区南部,沈阳地处温带半湿润大陆性气候地区,年降水600～800 mm,年平均气温6.2～9.7 ℃.全市总面积逾12 948 km2,市内面积3 495 km2,下辖10个市辖区、2个县,代管1个县级市(图1).沈阳市区处于

图1 研究区区位图Fig.1 Location map of the research area

长白植物区系、蒙古植物区系和华北植物区系3个植物分布区的交汇地带上,所以植物种类较丰富.沈阳市内公园的树木种类针叶树树种达18种、阔叶乔木树种达63种、灌木达到50种以上.2005年沈阳市被授予“国家森林城市”称号,截至2010年底,林木总面积660万亩,林木覆盖率33.9%,有林地面积486.5万亩,森林覆盖率25%,活立木蓄积量达1 300万立方米[3].

1.2 研究方法

我们根据研究区的特点在Costanza研究成果的基础上,结合沈阳市城市自然生态环境和社会经济特点进行筛选.沈阳市作为东北老工业基地,工业门类齐全,具有重要的战略地位.近年来沈阳城市建设逐步扩展,但城市绿地建设尚未跟上城市建设的步伐,沈阳城市生态环境建设相对落后于经济和社会的发展[4-5].为揭示沈阳市城市绿地生态服务功能的重要性,本研究选取8项评价指标,构建生态服务价值评估系统,包括水源涵养、固碳、释氧、吸收SO2、吸收NOX、滞尘、降低噪音和降低温度,计算综合指标,评估近11年沈阳市绿地系统生态服务功能的变化.

资料数据来自沈阳市统计年鉴(2004—2014年)[6],沈阳市各年年降水量来自《辽宁省水资源公报》[7].生态服务价值评估体系中各重要数据来自公开发表的文献资料,相关指标参数参考了国家统计局及相关权威部门公布的公共数据,具体见本文生态服务价值各项指标计算公式.

(1) 水源涵养的实际价值.采用影子价格法

XW=S×(P-E-C)×FW.

(1)

式中:XW是城市绿地的水源涵养服务的实际价值;S是绿地面积,hm2;P是沈阳市各年年降水量,mm·a-1;E是城市绿地的蒸散量系数,该系数为58.9%;C是地表径流系数,取温带落叶阔叶林该系数的值1.12%;FW是水库工程单位库容造价,取6.110 7元·m-3[8-13].

(2) 固碳的实际价值.目前,碳税法在国际上被广泛应用于固碳价值估算

XC=1.63×S×TC×R碳×B年.

(2)

式中:XC是城市绿地固碳服务的实际价值;S是绿地面积,hm2;TC为碳税率[9], 本文采用国际上被广泛运用的瑞典碳税率150美元/t,碳税率根据美元汇率换算成人民币,不同年份对应不同的汇率(2004—2014年美元兑人民币年平均汇率数据来自国家统计局),因此, 2004—2014年11年间各年度换算为人民币后的数据依次为1 245、1 230、1 185、1 125、1 035、1 020、1 020、945、945、930和1 020元/t;R碳表示CO2包含的碳含量,参照2008年《中华人民共和国林业行业规范》,取值27.27%;B年表示单位面积的绿地净生产力t/(hm2·a-1),本文参考与沈阳市地理自然条件相似的北京地区2010年的植被净生产力,取13.48 t/(hm2·a-1)[13].

(3) 释氧的实际价值.本文采用工业上制造氧气的影子价值法

XO=1.19×S×PO×B年.

(3)

式中:XO是城市绿地释氧服务的实际价值;S是城市绿地面积,hm2;PO是工业上的氧气价格,取近些年我国工业制氧价格均值,700元·t-1;B年是单位面积绿地净生产力t/(hm2·a-1),本文取2010年北京地区植被净生产力13.48 t/(hm2·a-1)[8-13].

(4) 吸收SO2的服务实际价值.本文运用市场价值法估算

XS=S×QS×FS.

(4)

式中:XS是城市绿地吸收SO2服务的实际价值;S是城市绿地面积,hm2;QS是单位面积的绿地年吸收SO2量,t/(hm2·a-1), 本文参考阔叶林对SO2的吸收能力为88.65 kg/(hm2·a-1);FS是SO2治理费用,元·t-1,本研究取工业上治理SO2的费用1 200元·t-1[8-13].

(5) 吸收NOX的实际价值.吸收NOX服务价值的计算

XN=S×QN×FN.

(5)

式中:XN是吸收大气中NOX服务的实际价值,元·a-1;S是城市绿地面积,hm2;QN是单位面积的绿地年吸收NOX量t/(hm2·a-1), 本文取阔叶树林对NOX的年吸收能力0.38 t·hm-2;FN指NOX治理价格,元·t-1,参考《排污费征收标准及计算方法》,取630元·t-1[8-13].

(6) 滞尘的实际价值.该项服务价值计算

XD=S×QD×FD.

(6)

式中:XD是城市绿地滞尘服务的实际价值,元·a-1;S是城市绿地面积,hm2;QD是单位面积的绿地年降尘量t/(hm2·a-1), 本文参考阔叶树降尘能力,平均为10.11 t/(hm2·a-1),FD是降尘清理费用,元·t-1,取我国工业上削减粉尘的费用170元·t-1[8-13].

(7) 降噪的实际价值.本文采用影子工程法评估

(7)

式中:XN是城市绿地降噪服务的实际价值,元·a-1;S是城市绿地面积,hm2;按市场上隔音墙的成本进行计算,据《评估规范》,将城市绿地面积折算成隔音墙千米数的价值;KN取40万元·km-1[8-13].

(8) 降低温度的实际价值.采用等效益替代法货币法计算

XT=0.278×10-6×S×QT×DT×FT.

(8)

式中:XT是城市绿地降低温度服务的实际价值,元·a-1;S是城市绿地面积,hm2;QT是城市绿地夏季每天的蒸腾吸收热量J/(hm2·d-1), 参考草地、乔木、灌-草和乔-灌蒸腾吸热量的均值4.59×108J/(hm2·d-1);DT为城市绿地的夏季的降温天数,d·a-1, 劳动法规定公共场所室内温度超过30 ℃就需要开空调降温,由于沈阳夏季空调开放时间为每年7、8月,按年使用空调60 d计;FT为电价,元·度-1, 按2004—2014年沈阳市电价均值0.5元计算[14].

对城市绿地生态服务价值的评价,本文运用全排列多边形图示指标法,不用专家主观评判,降低了主观随意性[15],一旦确定相关的最大、最小、临界值就能够确定权重系数值,同时体现了单项指标和综合指标.

各项分指数的计算运用以下标准函数公式:

(9)

式中:Si是某项标准化的分指数;Xi是某年的实际价值,元;Ui和Li分别代表Xi的最大、最小值,元;Ti是临界值,依据评估对象相关指标的平均值来确定,元.利用n个指标可以作出一个中心正n边形,n边形的n个顶点为Si= 1时的值,中心点为Si=-1时的值,中心点到顶点的线段为各项指标标准化值所在区间[-1,+1],而Si=0时构成的多边形为指标的临界区.临界区的内部区域表示各指标的标准化值在临界值以下,其值为负;外部区域表示各指标标准化的值在临界值以上,其值为正.

生态服务价值综合指标按以下公式计算:

(10)

式中:C是某年绿地生态服务价值综合指数;Si和Sj代表第i和第j项生态服务价值分指标,根据计算所得的生态服务价值综合指数,结合各项分指数对沈阳市城市绿地系统的生态服务功能进行综合评价[16].

2 结果与分析

2.1 沈阳市城市绿地系统变化分析

2004—2014年沈阳市城市绿化覆盖面积由20 118 hm2增加到29 482 hm2,其中建成区面积由10 603 hm2增加到19 427 hm2,园林绿地面积由19 441 hm2增加到28 724 hm2,其中建成区面积由9 962 hm2增加到17 757 hm2,人均公园绿地面积由8.23 m2增加到14.10 m2,公园建成区的绿地覆盖率由36.44%增加到41.78%,城市对绿地建设也有了足够的重视,公园数量从47个增加到66个(见表1),为市民提供休闲娱乐、锻炼健身等功能.但自2011—2014年这4年来,绿地建设速度相对缓慢(见图2).

表1 2004—2014年沈阳市城市绿地变化特征Table 1 Change characteristics of urban green space in Shenyang from 2004-2014

图2 2004—2014年沈阳市城市绿地面积变化趋势Fig.2 Variation trend of urban green area in Shenyang from 2004-2014

2.2 沈阳市城市绿地系统生态服务的实际价值

根据8项指标评估公式计算得出表2.从表2可以看出,城市绿地服务功能总价值增加了1.74亿元,从2004年的9.116 9亿元增加到2014年的10.852 5亿元,年均增长率1.76%,但远低于沈阳市GDP的年均增长率14.9%.8项指标历年均值由大到小依次为: 水源涵养、释氧、减噪、降低温度、滞尘、固碳、吸收NOX、吸收SO2.2004—2006年这3年间,沈阳市生态服务总价值依次为9.1亿元、9.9亿元、9.4亿元,2007年后沈阳市生态服务总价值均稳超10亿,说明沈阳市加大了城市绿地建设的力度.

表2 2004—2014年沈阳市城市绿地系统生态服务实际价值Table 2 The actual value of urban green space system ecological service in Shenyang from 2004-2014

2.3 沈阳市城市绿地系统生态服务价值的分指数和综合指数

根据标准函数公式处理沈阳市2004—2014年绿地生态系统服务价值实际价值Xi,并通过计算获得各项分指标Si制作图3.利用公式(10)计算出11年间沈阳城市绿地系统生态服务实际价值的综合指数(IESE)分别为0.000、0.007、0.039、0.086、0.123、0.474、0.559、0.417、0.877、0.883、0.750(见图4).计算结果表明,11年间,沈阳市绿地生态系统服务价值整体呈现波动化上升趋势,这主要是由于沈阳市于2005年举办了第二届“中国城市森林论坛”,在2006年承办了中国沈阳世界园艺博览会,在这两年前后全市各区域对绿地建设加大投入,生态服务功能稳步上升;2011小幅度下降后连续递增两年,2013年上升至最大值0.883,2014年又因降水量骤减出现小幅度下降,但整体来看,生态服务功能水平得到一定的提升.

由计算结果可见,2004年水源涵养功能对本年度的生态服务功能贡献最大,但其他7项分指数均为最低值-1.000,这表明2004年的生态服务功能在11年间的贡献力最差;2005年各项分指数最大和最小值分别为水源涵养和吸收SO2,这反映了绿地系统水源涵养功能对该年提高生态系统服务价值具有重要意义,而吸收SO2的效益最弱;2006年固碳、释氧分指数较大,而吸收SO2、水源涵养功能分指数较小,即固碳、释氧这两项功能为这一年供给了更多的生态服务价值,而水源涵养、吸收SO2功能则呈现相反趋势;2007年水源涵养功能所提供的生态服务功能价值贡献值最大,其他7个分指数相差不大;从2008年开始,除水源涵养分指数外,其他各项分指数呈稳定上升态势;2009—2011年,释氧、减噪、降低温度、滞尘、固碳、吸收NOX、吸收SO2这7项分指数数值相同; 2010年的生态服务功能在11年间表现最佳,水源涵养分指标达最大值1.000,表明水源涵养功能在该年达到最佳效果.而到2014年,受极端天气影响,降水量骤减,仅为历年的60%[17],降水量对水源涵养分指标影响严重,使其降低至最小值-1.000,表明此年该指标贡献最弱.2004—2014年绿地系统生态服务功能价值的8个分指数虽有所波动,但整体均呈升高趋势,其中水源涵养受降水量影响波动较大,2004—2014年水源涵养分指数的值依次为-0.43、-0.06、-0.65、-0.23、-0.04、0.05、1、-0.59、0.56、0.57、-1.通过比较过去11年的生态服务功能,2014年除水源涵养外,各项分指数为最大值,2014年的绿地系统生态服务能力得到改善,这说明《沈阳城市结构性绿地控制规划》取得了良好的成绩和效果,进一步提高了城市绿地系统的功能及价值.

图3 2004—2014年绿地生态服务功能价值各项分指数Fig.3 Each sub-index of the ecological service value of urban green space system from 2004-2014

图4 2004—2014年绿地生态服务价值综合指数Fig.4 The ESEI of ecological service values from 2004-2014

3 结 论

(1) 2004—2014年11年间沈阳市在城市绿地建设方面取得了显著成绩,11年间城市绿化覆盖面积由20 118 hm2增加到29 482 hm2,尤其是2006年承办了中国沈阳世界园艺博览会,在筹备期间,全市的绿地面积和公园面积更是大幅度增长.

(2) 11年间沈阳市不断完善城市绿地建设,城市绿地生态服务功能总价值增加了1.74亿元,年平均增长率为1.76%,其中在2013年生态服务功能价值达到最高值,为13.81亿元;但生态服务功能总价值占当年GDP的比重下降,从2004年的0.51%降低至2014年的0.15%,这是因为相对于城市经济总量发展,生态服务功能价值量增长速度却在下降,因此生态服务功能价值增长率明显低于GDP增长率.

(3) 我们根据前面讨论的各指标及综合指标的计算结果进行分析,得出8项指标按贡献价值从大到小依次为:水源涵养、释氧、减噪、降低温度、滞尘、固碳、吸收NOX、吸收SO2.虽然2004—2014年生态服务功能价值综合指数呈波动性变化,但总体趋势良好.

(4) 生态服务功能价值的评价是一个涉及多学科的复杂工程,主要包括经济、社会、文化、生态等.目前相关理论和实践虽取得重大进展,但还是不够成熟和统一.本文构建的城市绿地生态服务评价体系包含了目前学者认为的相对重要的指标,还有一部分重要指标由于目前定量和评价方法缺乏研究未能计算在内,特别是对城市生态系统非常重要的文化功能,如游憩观赏、教育、维持身心健康等[18].

目前沈阳城市绿地生态系统缺少大面积的绿地类型,多以零星分布的公共、道路、附属绿地类型占优势,建议增加包括公园和以风景林为主的大面积绿地类型,并平衡各类型布局.本研究可以反映沈阳市绿地系统的生态服务价值变化,可以为城市规划建设以及管理上提供启示和借鉴,这对于实现城市可持续发展具有重要意义.