生态系统生产总值核算理论在生态文明评价中的应用——以三亚市文门村为例

耿 静,任丙南

1 三亚学院翟明国院士工作站, 三亚 572000 2 三亚学院旅酒学院, 三亚 572000

打造人与自然和谐共生发展的美丽宜居乡村是中国特色社会主义新时代乡村振兴战略的重要内容[1]。当前,乡村生态文明建设已经不仅仅是解决环境卫生状况问题,更重要的是以整体观统筹治理山水林田湖草系统。生态系统综合管理理念是实施山水林田湖草生态保护的核心理论基础[2]。森林、草原、湿地、河流、山脉等环境要素具有多重服务价值,各服务之间存在此消彼长的权衡或彼此增益的协同关系,生态系统综合管理需要进行多目标权衡,维护和提升区域生态系统服务功能[3- 4]。因此,当前生态保护和建设突出强调对生态系统的综合管理与保护,以促进各生态系统全面的生态服务功能充分发挥为目标[5- 6]。已有较多的研究证实,生态系统服务功能的价值评估极大增进了人们对生态服务功能的认识[7- 9],同时为制定管理政策和评估政策提供了参考依据[10- 11]。目前,国家层面已经提出要把生态效益纳入经济社会发展评价体系,建立体现生态文明要求的绩效评价考核和责任追究制度,并在一些重点生态功能选择试点开展了以生态系统生产总值核算理论和方法为依托的评估[12-13]。

海南省1998年在全国率先提出建设生态省,2007年明确实施“生态立省”战略。多年来,环境质量持续全国领先。良好的生态环境成为海南发展的最强优势和最大本钱[14]。乡村生态文明建设是海南生态省建设的主战场,也是海南生态省建设的“细胞工程”。2000年就在全国首先开展文明生态村创建活动。到2017年海南累计创建文明生态村17934个,占全省自然村总数的85%以上[15]。文明生态村建设最突出的成效是改善了村容村貌、乡村道路基础建设和环境卫生状况,持久创建在一定程度上使海南乡村的发展没有付出沉重的资源环境代价,保留了绿水青山、诗意田园。但如何将绿水青山的生态资源优势转化为生态经济优势始终是海南省乡村发展需要解决的突出问题。得利于文明生态村建设的基础和良好的资源环境禀赋,海南在“十三五”期间开展实施“美丽海南百千工程”,计划到2020年重点打造100个特色产业小镇,建设1000个宜业宜居宜游的美丽乡村[16]。同时,海南美丽乡村建设和首个“全国全域旅游示范省”创建相结合,为乡村生态产业化带来了难得的机遇。但生态产业化的过程必将对村民生产和生活方式产生影响,乡村土地利用/覆被也将会带来变化,在一定空间上,就会存在开发利用与保护的冲突,以此产生对生态效益的影响。因此,今后的建设是否能确保生态系统健康和可持续发展,是否能确保生态产品供给和生态服务价值持续提升是当前在统筹山水林田湖草治理理念下美丽宜居乡村生态文明建设的目标。而传统的生态文明建设等级考核方式,不能反应生态资产的存量和流量,生态系统生产总值核算理论及方法可以起到核算生态资产价值的目标,起到客观定量衡量乡村生态文明建设成效的作用[17]。通过生态系统生产总值的增长、稳定或降低既可以反映生态系统对经济社会发展支撑作用的变化趋势[18],同时,又由于生态系统服务存在权衡关系,科学理解有利于实现经济发展和生态保护的“双赢”目标[19- 20]。因此,在海南省乡村生态文明建设进入提质增效的生态产业化阶段,生态系统生产总值核算可以为生态文明绿色发展绩效考核提供方法；其次,在生态产业化的起步阶段,生态系统生产总值可以客观呈现美丽乡村的生态价值,良好的生态环境是农村最宝贵的财富,以此可以吸引更多资本、技术、人才等要素向农村流动,推动绿水青山变成金山银山。

国内研究学者在21世纪初就率先以海南为例,进行区域尺度的生态系统服务功能的空间分析与评价[21-23],以及基于此的生态补偿标准的确立。研究区域主要集中在关系全国生态安全、承担水源涵养和生物多样性等重要生态功能的中部山区。此外,针对典型的森林生态系统[24- 26]、红树林生态系统[27]和特定的生态系统服务功能如土壤保持功能[28]、水源涵养功能[29]、固碳[30]等方面也开展了较丰富的研究,并且探讨了人类活动对自然生态系统服务的压力。但目前,还没有在村域级别基于生态系统生产总值核算理论,使用高分影像和生态系统服务模型刻画反应乡村生态文明建设的研究。本文以海南省生态文明建设示范村三亚市天涯区文门村为例,探讨村域范围内生态系统生产总值核算的方法,估算其2017年的生态系统生产总值。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

文门村隶属于海南省三亚市天涯区,地理坐标为东经109°19′,北纬18°19′。属典型热带海洋季风气候,年平均气温25.5℃,多年平均降雨量为1475.5 mm。村域面积19.6 km2,是一级行政村,下辖13个自然村(分别为上那后村,中那后村,下那后村,上文门村,中文门村,下文门村,加业村,神庭村,龙海村,西风村,拉丁村,东风村,力村),22个村民小组,总户数1282户,人口5845人。

该村庄是一个有一千四百多年历史的纯黎族聚居村庄,文化底蕴深厚,曾是州官朝宦往返崖州的驿站和隐歇之处。村落四周青山环绕,地理雄奇,田间屋后可见大量的肖形巨石,狗尾河和文门水两条河流交汇于村内形成特有的水系流入南海,千亩稻田微风逐浪,百年贡果园古树参天,山水、林木、庭院、果园、奇石构成了文门村独特的自然田园风景。2017年,文门村因其良好的自然生态环境和美丽乡村建设在村庄环境整治的突出成效,被国家住房和城乡建设部列入全国第一批“绿色村庄”名单,2018年又被海南省住建厅授予“海南省五星级美丽乡村”称号。村民目前的经济收入主要以种植水稻、豇豆、苦瓜、芒果等农产品为主,同时有外出务工收入,2016年人均年收入为9015元。

1.2 数据来源

本研究采用2017年4月份高分二号影像为主要数据源来解译文门村各生态系统的面积及空间分布,该影像数据包括4个多光谱波段,空间分辨率为3.24 m；全色影像拥有1个波段(450—900 nm),空间分辨率为0.81 m。使用ENVI5.3软件完成正射校正后,采用Nearest Neighbor Diffusion(NNDiffuse)Pan Sharpening算法进行多光谱影像与全色影像的融合,最终重采样生成空间分辨率为1 m的高空间分辨率多光谱影像。生态系统类型图主要基于处理后的高分二号数据采用面向对象的分类技术[31-32],引入非影像光谱信息强化目标的识别能力,实现快速、高效的分类技术运作。本研究区域分类精度达到90%以上。数字高程模型DEM,空间分辨率为30 m,来源于国际科学数据服务平台。降水与温度数据,基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论[33],气象样点数据来源于中国国家计量信息中心/中国气象局(NMIC/CMA)。实际蒸散发量既包括从地表和植物表面的水分蒸发,也包括通过植物表面和植物体内的水分蒸腾[34]。本研究在监测站点数据的基础上,通过Kriging插值法进行空间内插得到蒸散发栅格图层[35],数据来源于中国国家计量信息中心/中国气象局(NMIC/CMA)。土壤数据来源于中科院南京土壤研究所提供的 1∶25 万数字化土壤图。NPP算法参考朴世龙等[36]、肖洋等[33]选用CASA模型。植被覆盖度数据是基于像元二分模型通过高分影像反演得到[37-38]。大气污染物浓度监测数据来源与海南省三亚市市政府,植被沉降速率及单位面积大气污染物净化量从Yang等[39]文献中获取。负离子浓度数据选用文献[26]提供的海南省次生林负离子浓度进行计算。

2 研究方法

生态系统生产总值是指在一定区域和时间内生态系统为人类提供的最终产品与服务的价值总和[18,40]。本研究结合文门村生态系统产品和服务特征,在进行生态系统生产总值核算时,首先构建了表1所示的生态系统产品和服务核算指标体系,根据该体系计算产品与服务的功能量,其次确定产品与服务的价格,最后通过功能量与价格计算生态系统生产总值。

在时间选取上,本研究将2017年作为研究年份。由于国产高分二号影像数据仅从2015年开始,结合Landsat TM数据及实地调查了解到,文门村是黎族村落,黎族村民奉行自然崇拜,爱护古树、保护林木已经成为文门人的自觉行为,而且乡村没有经历工业化的过程,近十余年该村的生态系统格局变化较小。当前的生态文明建设主要体现在对乡村基础设施的完善和环境卫生的整治,生态产业化还处于起步阶段,因此,文门村的生态系统服务功能的时间变化特征不突出,所以目前在研究时间尺度上仅选择了一期年份做估算。今后随着生态产业化过程的深入实施,可以从动态的角度对生态系统生产总值进行核算,以评价及科学推进生态文明建设。

表1 生态系统生产总值功能量核算指标

2.1 生态系统服务功能

2.1.1水源涵养功能

通过水量平衡方程(1)计算。水量平衡原理是指在一定的时空内,水分的运动保持着质量守恒,或输入的水量和输出的水量之间的差额等于系统内蓄水的变化量[10]。

(1)

式中,Qwaterconservation为水源涵养量(m3/a)；Pi为降雨量(mm/a)；Ri为径流量(mm/a)；ETi为蒸散发量(mm/a)；Ai为i类生态系统的面积(m2)；i为研究区第i类生态系统类型；j为研究区生态系统类型数。

2.1.2洪水调蓄功能

生态系统可以调节水流,并通过临时储存水来缓解洪水。其洪水调蓄量可以基于如下公式(2)计算：

(2)

式中,Cfc为生态系统洪水调蓄能力(m3/a)；Phi为暴雨降雨量(mm/a)；Rfi为暴雨地表径流(mm/a),用径流系数确定；Ai为生态系统的面积(m2)。

2.1.3固碳释氧功能

参考文献[32],依据式(3)计算固碳功能:

NEP=NPP-Rs

(3)

式中,NEP为生态系统森林固碳量(g Cm-2a-1)；NPP为生态系统森林净生产力(g Cm-2a-1)；Rs为森林土壤呼吸损失碳量(g Cm-2a-1),计算方法参考文献1。

依据式(4)计算释氧功能：

Ooxygenproduction=NPP×1.19

(4)

式中Ooxygenproduction为生态系统释氧量(g Cm-2a-1)；NPP为生态系统净初级生产力(g Cm-2a-1)；

2.1.4空气净化功能

空气净化功能主要包括植被吸收大气中的污染物起到大气净化的功能和生产负离子的功能。研究选用生态系统吸收二氧化硫、氮氧化物、阻滞吸收粉尘等指标核算生态系统净化空气的能力。大气中的颗粒污染物主要通过干沉降作用机制被运输到植被的表面而被吸收、过滤、阻隔和分解。

参考文献[39],依据式(5)计算空气污染流：

Fi=Vdi×Ci

(5)

式中,Fi为污染流(g cm-2s-1),Vdi为沉降速率(cm/s),Ci为空气污染物浓度(g/cm3)。i=1表示二氧化硫,i=2表示氮氧化物,和i=3表示总悬浮颗粒物。

参考文献[39],依据式(6)计算被植被所吸收的空气污染流：

Fit=Fi×CA×T

(6)

式中,Fit为植被净化空气污染物量,CA为某一时期栅格的植被覆盖度,T为持续的时间。本研究只关注林地和园地生态系统,不考虑空气污染物在其他土地类型表面的沉降(如建筑用地,街道,水体等)。

累加植被净化的多种污染物得出生态系统大气净化总量,式(7)。

(7)

式中,Qairpurification为生态系统大气净化总量(kg/a)；i为大气污染物类别。

生产负离子量依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721- 2008)提供公式(8)计算[41]：

(8)

式中,Qanion为生态系统提供负离子个数(个/a)；Ci为负离子浓度(个/cm3)；Ai为生态系统的面积(hm2)；Hi为植被高度(m)；L为负离子寿命(min)。本研究主要关注林地生态系统产生负离子量。

2.2 生态系统生产总值核算

进行生态系统价值量核算时,一般采用的方法大致分为实际市场法、替代市场法和模拟市场法[13]。在文门村生态系统生产总值核算中,产品供给功能价值量通过市场价值法进行评估,调节功能产生的价值主要用替代市场法进行评估。对于有当年单价的生态系统产品和服务,根据当年价格核算其当年的价值；对于没有当年单价的生态系统产品和服务,将其在某一时期的价格,通过价格指数折算成当年的名义价格,用名义价格核算这些生态系统产品和服务当年的价值。

水源涵养价值主要表现在蓄水保水的经济价值,此处采用影子工程法,用模拟建设一座蓄水量与生态系统水源涵养量相当的水库,所需要的费用作为生态系统的蓄水保水价值。洪水调蓄价值主要体现在减轻洪水威胁的经济价值,洪水调蓄功能与水库的作用非常相似,运用影子工程法,通过建设水库的费用成本计算生态系统的洪水调蓄价值。固碳释氧的经济价值采用造林成本法和工业制氧成本法评估。生态系统空气净化价值采用防治费用法,通过工业治理大气污染物成本评估生态系统大气净化价值。负离子价值按替代成本法《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721- 2008)的推荐值计算。本研究运用到的价值核算参数信息主要来源于文献[41-43]。

3 结果与分析

3.1 生态系统类型空间特征

文门村生态系统类型以林地为主,森林覆盖面积达到62.6%以上,其次为耕地和园地,分别约占15.5%和11.2%。城镇和交通用地分别占5.8%和1.0%。湿地和人工绿地面积较低,仅为3.4%和0.06%(图1,表2)。

表2 海南省三亚市天涯区文门村不同生态系统面积与比例

图1 2017年海南省三亚市天涯区文门村生态系统类型分布Fig.1 The distribution of the ecosystems in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

图1可以看出,文门村主要村落集中在中部区域,经过实地调查掌握到,该区域内包含12个自然村,有居民住户1224户,聚集了95%村民。文门村的耕地、园地、村镇建筑用地基本均集中在此区域。该区域三面环山,地势呈西高东低的特征。中部村落由北经西向南被锅岭、那后岭、金星岭、布山岭、马岭环绕。北部区域主要以热带山林为主,兼有一座水库,该区域仅有1个自然村力村。海南环岛西线高速公路G98从西向东将文门村中部村落和南部山岭马岭相隔。南部区域马岭和三亚市天涯海角景区相接,成为天涯海角景区重要的景观资源。

3.2 生态系统服务功能量及空间特征

文门村生态系统水源涵养总体上呈现南高北低特征,森林、园地生态系统发挥着重要的涵养功能(图2)。由于南部地区降水丰富,使得南部地区的森林和园地水源涵养量较高；而北部地区由于多年降水相对较少,导致其水源涵养整体偏低,但北部地区的水库涵养量较高。2017年文门村生态系统水源涵养总量为1508.0 万m3,单位面积水源涵养量为0.7 m3/m2。

洪水调蓄总体上呈现北高南低、由北到南逐渐递减特征。由于文门村暴雨降雨集中发生在北部地区,所以北部地区的森林、园地、湿地等生态系系统发挥着重要的洪水调蓄功能(图3)。2017年文门村生态系统洪水调蓄总量为196.7万m3,单位面积洪水调蓄量为0.1 m3/m2。其中,各生态系统中,森林是文门村生态系统洪水调蓄功能的主体,其洪水调蓄量为142.6万m3,约占洪水调蓄总量的72.5%。

生态系统固碳释氧量空间特征总体一致,均呈现北南高中间低、由南北向中部逐渐递减特征(图4和图5)。固碳释氧量较高的区域主要集中在北部和南部的林地,而中部地区的固碳释氧量偏低。由于北部和南部地区植被集中,土壤质地好,生物多样性丰富,所以该地区固碳能力较高。2017年生态系统固碳总量为14228.4 t,单位面积固碳量为699.7 g C/m2。生态系统释氧总量为30957.6 t,单位面积释氧量为1521.8 g/m2。

生态系统大气污染物净化空间特征呈现北高南低特征(图6)。空气净化量较高的区域主要集中在北部的林地和园地,而南部地区的绿地和林地空气净化能力偏低。由于北部地区靠近山区,自然植被集中,植被覆盖度和叶面积较高,对污染物的吸收能力较南边人工植被更高,所以该地区植被能吸收较多的空气污染物特别是悬浮颗粒物,所以该地区空气净化量较高。2017年生态系统空气净化总量为198.2 t,其中SO2净化量为31.7 t,NOx净化量为43.5 t,悬浮颗粒物净化量为122.9 t。2017年生态系统产生负离子量为5024.59×1019个。

图2 文门村生态系统水源涵养量Fig.2 Water conservation of ecosystem in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

图3 文门村生态系统洪水调蓄量Fig.3 Flooding mitigation of ecosystem in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

图4 文门村生态系统固碳量Fig.4 Cfixation of ecosystem in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

图5 文门村生态系统释氧量Fig.5 Oxygen production of ecosystem in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

图6 文门村生态系统空气净化量Fig.6 Air purification of ecosystem in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

3.3 生态系统生产总值

3.3.1生态系统产品价值

文门村生态系统产品主要是水稻种植和冬季蔬菜。水稻种植面积约248 hm2；豇豆种植面积约113 hm2。2017年生态系统产品产值为2567万元,其中农产品产值约2522 万元,水资源价值为45万元(表3)。农产品中豇豆产值贡献最大,其次是苦瓜。水资源价值中尽管农业灌溉用水量远大于生活用水,但由于农业灌溉不收取水资源费,因此在当年度水资源价值量计算中并没有体现出农业灌溉用水的价值。

表3 文门村2017年生态系统产品价值量

3.3.2生态系统服务价值

根据文门村生态系统调节服务功能量,2017年文门村生态系统所产生调节服务价值为7730.80万元,其中水源涵养服务功能的价值量最大,达到3287.44 万元,约占总价值量的42.52%；其次为固碳释氧和洪水调蓄的价值量,分别为2815.32万元和1593.32 万元；空气净化价值占比较低,但其中的负氧离子价值占空气净化价值的67.37%(表4)。

表4 文门村2017年生态系统调节服务价值核算表

对比分析各类型生态系统服务价值,林地对生态系统服务价值贡献作用最大,其服务价值为5378.33万元,约占总服务价值的69.57%；其次为耕地和园地生态系统,约占总服务价值的14.86%和11.66%。文门村湿地和绿地的服务价值占比较低,分别占文门村生态系统总间接价值的3.84%和0.07%(表5)。

3.3.3文门村生态系统生产总值

文门村2017年生态系统生产总值是10297.79万元,生态系统产品价值占24.93%,调节服务价值占75.07%,单位面积生态系统生态总值为5.06万元/hm2。文门村的生态系统调节服务价值远远高于其农业生产价值,说明该地区的自然生态系统对地区可持续发展的作用十分显著,政府应该继续加强对自然生态系统的保护和管理,特别是对该地区的森林生态系统的保护。

表5 文门村2017年各类生态系统调节服务价值

Table 5 Value of ecological regulation services in different ecosystem types in Wenmen Village, Tianya District, Sanya City, Hainan Province (2017)

类型Types水源涵养价值/万元Value of water conservation洪水调蓄价值/万元Value of flooding mitigation固碳释氧价值/万元Value of C fixation and oxygen production空气净化价值/万元Value of air purification小计/万元Subtotal比例/% Percentage林地 Forest2130.911155.702058.0033.725378.3369.57绿化用地 Green spaces2.720.641.620.004.980.07湿地 Wetland131.9870.7494.500.00297.223.84耕地 Farmland613.70180.31355.130.001149.1414.86园地 Orchard408.13185.93306.071.00901.1311.66城镇 Urban village land0.000.000.000.000.000.00交通 Transport land0.000.000.000.000.000.00工矿 Industry land0.000.000.000.000.000.00

4 结论

国家从战略定位上提出把海南建设成为“国家生态文明试验区”,为推动全国生态文明建设探索新经验。以绿色发展为导向的考核评价体系的建立将是海南省生态文明建设体制改革的重要内容。生态系统生产总值核算可以客观呈现海南省美丽乡村的生态优势和生态价值,能充分科学验证绿水青山就是金山银山,用当前的自然生态优势吸引最好的投资,以此实现乡村生态效益最大化。同时在海南美丽乡村进入生态产业化阶段,该方法可以起到精细化、流程化监督、评价乡村生态文明绿色绩效的目的,以其不降低作为约束条件增强可持续发展能力。

本研究首次将生态系统生产总值核算理论应用到乡村生态文明评价中。基于高分辨遥感数据和插值数据,以生态系统服务模型为技术手段,计算出乡村生态系统服务功能量和价值量。2017年海南省三亚市文门村生态系统生产总值约为10297.79 万元,其中生态产品的价值达到2567 万元,生态系统调节服务的价值约为7730.80万元。“天涯苦瓜”和“文门豇豆”是其驰名的农业产品,此两项农产品的价值占总生态产品价值的77.7%。所计算的四类生态系统调节服务的价值按大小排序依次是水源涵养>固碳释氧>洪水调蓄>空气净化,水源涵养价值占总调节服务价值的42.66%。文门村的林地生态系统所贡献的价值最大,其次为耕地和园地。

随着美丽乡村建设的深入和自然资源管理制度的健全,未来文门村的生态系统生产总值将会有较大的变化。在本研究中文门村的农业灌溉主要来自于本村的土壤水库和力村水库,但目前不征收农业灌溉水资源使用费。因此,产品供给价值中这部分价值的当前市场价值为零。但随着国家水资源有偿使用制度改革的推进,农业用水方式由粗放式向精细化转变,农业灌溉的水资源价值将合理体现。此外,生态系统的文化功能价值由于还没有通过生态旅游、生态教育的效应对外显现,本研究中没有计算其产生的价值。但在三亚市天涯区城乡发展规划中,文门村定位为田园特色的高端文化体验和康年养生度假区,确立了“天涯古村,文(彩)绘之乡”的村庄愿景。未来伴随生态农业与乡村旅游的有机融合,同时对文门村历史文化遗迹遗存的发掘,以文门村为依托的黎族非物质文化遗产功能的发挥,以休闲娱乐价值和文化遗产价值构成的文化服务价值将是核算的一个重要组成部分,今后需要增加生态产业化带来的文化服务价值到生态系统生产总值核算内容中。