生态系统净化空气服务研究进展

张欣，尤春赫，李诗菁，田美荣，冯朝阳，张璐*

1.河北师范大学地理科学学院，河北省环境变化遥感识别技术创新中心，河北省环境演变与生态建设实验室

2.兰州大学生命科学学院，草地农业生态系统国家重点实验室

3.中国环境科学研究院，国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室

生态系统服务作为连接自然生态系统与人类福祉的桥梁，已经成为自然、社会与经济等多学科交叉研究的热点。净化空气服务作为生态系统服务的主要类型之一，具有维持人类良好大气环境、提升人居环境质量、提高人类福祉等作用，对其研究进展进行梳理具有重要理论与现实意义。工业革命前，人类生产生活方式对环境影响较小，大气环境质量较好，扩散稀释、雨水冲洗、重力沉降等自然过程能使大气环境得到净化，人们对自然生态系统净化空气服务的认识不充分，意识不到大自然对人类生存的巨大作用。工业革命后，大气环境问题越来越严峻，人们开始关注自然生态系统对人类社会的影响，尤其是认识到自然生态系统对人类生存环境质量改善的重要作用，净化空气服务相关研究越来越受到关注[1-5]。

国际上，很多全球研究计划或平台涉及生态系统净化空气服务。如联合国全球尺度的“生态系统服务与人类福祉”的千年生态系统评估计划（MA）[6]、国际地圈生物圈计划（IGBP）的核心项目之一全球大气化学（IGAC）[7]、生态系统与生物多样性经济学（TEEB）[8]、联合国环境规划署（UNEP）的生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）等。在上述研究计划或平台进行生态系统服务评估过程中，净化空气服务均是重要指标，国际上不同尺度净化空气服务相关研究成果越来越多。国内学者参考国际上先进理念与方法，对净化空气服务研究进行跟进，如侯元兆等[9-10]提出净化和调节空气等7 种生态系统服务类型。欧阳志云等[11-13]也将净化空气作为生态系统调节服务开展研究。国内实践研究多侧重自然生态系统净化空气价值评估[14-21]，或对城市绿地或森林生态系统净化空气服务进行估算[22-28]。当前，国内外净化空气服务研究多包含于生态系统服务评估体系内，专门研究净化空气服务的成果较少。

笔者系统梳理生态系统净化空气服务相关概念及内涵，针对当前净化空气服务价值评估的方法与应用成果进行总结，分析当前净化空气服务研究中存在的问题，提出未来发展方向，有利于完善净化空气服务相关理论与方法，有助于提升人居环境质量与推进区域生态文明建设等实践。

1 概念与内涵

有关生态系统净化空气服务的概念与内涵，不同的学者虽有不同的表述，但对基本内涵已达成共识。1970 年，关键环境问题研究小组（Study of Critical Environment Problems，SCEP）首次使用“service”，并列举了“environment service”（环境服务），该研究小组首次提出了与净化空气服务相关的生态系统调节大气组成的功能[29]。1997 年Daily[1]的《自然的服务：社会对自然生态系统的依赖》和Costanza 等[2]的《全球生态系统服务与自然资本价值核算》使生态系统服务成为生态学和经济学等相关领域的研究热点，Daily[1]将生态系统服务进行分类，提到空气的净化和废物的去毒和降解功能，同年Constanza 等[2]提出生态系统的环境效益时，论述了生态系统对大气组成的调节作用和废物处理能力。Wallace 等[3-5]按照不同的分类依据，将净化空气服务相关指标划分到不同的生态系统服务分类系统中，MA 中将空气质量调节划分到调节服务中，并描述了其对人类福祉的作用以及与其他各类生态系统服务之间的关系[6]。欧阳志云等[11-12]参考了国外学者对生态系统服务的定义，认为生态系统服务包括环境净化与有害有毒物质的降解。在生态系统服务分类体系中，被广泛接受和使用的方案是MA 的分类体系，该体系将空气净化、气体调节、空气质量调节等统一称为净化空气服务。

当前，国内关于净化空气服务的概念，主要集中在森林、城市绿地生态系统。国家林业局2008 年发布并于2020 年更新的GB/T 38582—2020《森林生态系统服务功能评估规范》（简称《规范》）[30]中指出，净化空气服务是指森林生态系统对各种污染物的吸收、吸附、过滤、阻挡以及减少噪声、提供负离子、优化环境等功能。《规范》提出，净化空气服务主要内容包括吸收气体污染物和滞尘，其中吸收的气体污染物包括SO2、氟化物、氮氧化物，滞尘的污染物包括总悬浮颗粒物、PM10、PM2.5。张三焕等[31]认为，森林生态系统净化空气服务是指森林植被通过叶片上的气孔进行光合作用，吸收并净化空气中的有毒有害物质的能力。城市绿地生态系统净化空气服务[22-23]是指植被吸收稀释、分解转化空气中的污染气体，并通过植被光合作用转化为无毒无害有机物，转害为利，从而提高空气质量。王玉芹[32]认为，城市森林净化空气是指植被通过吸收、吸附、阻滞和过滤等形式，将气体污染物转移到对人类不产生危害的地方。

也有学者针对生态系统给出净化空气服务的概念与内涵。如施晓清等[33]认为，生态系统净化空气服务就是在生态系统的物质循环和能量流动的过程中，运用物理、化学和生物作用，吸收、处理、转化人类向大气中排放的污染物，使之排放量不超过环境承载阈值，并将生态系统净化空气服务分为吸收CO2放出O2、吸收SO2、净化降尘和飘尘3 个指标。康文星[34]认为，生态系统净化空气服务是指生态系统中的生物群落或种群通过自身新陈代谢、自养或异养方式吸收、吸附、转移大气中的污染物，使之浓度和毒性不断降低直至消失的过程。

笔者认为，生态系统净化空气服务是指各类生态系统吸收空气中的污染物，降低大气中污染物浓度、调节大气成分、改善大气环境质量等作用。净化空气服务是生态系统服务的重要组成部分，只要各种污染物的排放量在生态系统自我调节能力限度内，生态系统就可以通过自身作用调节并净化大气环境。生态系统净化空气服务的内涵主要是各类生态系统通过吸收、过滤、分解、阻滞大气污染物，从而达到净化空气的效果，其中净化空气效果最好的是绿色植被，其净化空气主要体现在3 个方面：1）吸收CO2释放O2，维持碳氧平衡；2）植被吸收、过滤空气中各类污染物，净化大气；3）通过植物叶片分散、反射、过滤等作用降低各种能量污染，如放射性污染、噪声污染等。

2 净化空气服务价值评估方法研究

生态系统净化空气服务价值评估的方法大多使用价值量评估法，主要依据生态学、经济学和社会学等原理与方法，从功能量和价值量的角度对生态系统净化空气服务进行价值化评估[35]。经济学中的市场价值理论是开展净化空气服务价值评估研究的基础。此外，随着人们对生态系统调节服务重要性认识的加深，遥感定量监测、模型模拟等技术手段得到发展，为净化空气服务定量研究方法的进步与完善提供了支撑。本研究主要对市场理论法和生态模型法进行分析，比较其优缺点，并介绍通过试验测算生态系统净化空气服务的方法。

2.1 市场理论法

市场理论法是以统计学和市场价值理论为基础开展生态系统服务价值评估的方法，是使用较早的传统评估方法，也是目前所有生态系统服务价值的定价基础[35]。目前常用的市场理论法主要分为直接市场估算法和替代市场估算法[36-38]，其中用来计算生态系统净化空气服务价值的方法主要有市场价值法、影子工程法、替代消费法等（表1）。

表1 净化空气服务价值评估方法Table 1 Evaluation methods for the value of air purification services

2.2 生态模型法

21 世纪初期，国外学者研发出大量生态系统模型，其主要基于生态系统组成、结构与过程原理，体现生态系统服务的复杂性和分布不均匀性，实现评估动态化、精确化。由于生态模型种类丰富、数据获取方便、操作简单、评估精度较高，不仅可以评估生态系统服务效益，还可以定量测算各类生态系统净化空气的物质量，进而成为生态系统服务评估的主流方法之一。

国内外对不同类型生态系统净化空气服务的物质量和价值量研究，主要有城市绿地（CITYgreen）模型和i-Tree 模型测算法。CITYgreen 模型包括净化空气模型和固碳释氧模型2 个模块，其中净化空气服务主要表现在吸收、过滤、分解和阻滞大气中的污染物量，污染物类型包括二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、臭氧等，首先计算植物对大气污染物的年消减量，再根据净化不同污染物需要的成本，测算相应的净化空气服务价值量[39]。该模型操作简单，考虑了树冠的覆盖面积、大气污染物浓度和污染物沉积速率等多种因素，需要使用高分辨率的航片，研究结果的数字化精度较高。i-Tree 模型主要包括城市森林生态价值评估(UFORE)和行道树管理分析（STRATUM）2 个模块，该模型作为将城市生态效益以货币形式呈现的评价模型，量化的景观绩效主要为城市森林对固碳和空气质量的影响[40]，该模型使用时要采集精确的样地数据，获得基本的树种、树高、树冠等数据，然后结合研究区具体的环境条件估算其净化空气的价值。这些生态模型克服了早期生态统计学方法中以点代面的不足，使得净化空气服务评估结果能够在空间上展示出来，i-Tree 模型比CITYgreen 模型研究的树种类型更丰富，评估结果准确性更高。但上述生态模型都有一定的适用范围和局限性。CITYgreen 模型适用于城市绿地及大型公园的规划管理与生态效益分析，该模型只是简单考虑树冠、树高等因素，不能针对不同树种设定参数；i-Tree 模型适用范围较CITYgreen 模型广，然而数据库中的树种类别不全面，在使用STRATUM 模块处理数据时需要传送至美国林务局进行长时间的分析。此外，这2 个模型的内置数据（包括气象数据和空气污染浓度数据等）的选取和参数的设定主要适用于美国地区，因此具有一定的地域性，在使用模型时将会产生一定的误差（表2）。

表2 净化空气服务价值评估生态模型的比较Table 2 Comparison of ecological models for evaluating the value of air purification services

2.3 其他方法

除以上方法外，研究方法还包括野外调查和试验测算。针对污染物吸收方面，研究人员采用比浊法[46]、人工熏气试验和现场调查法[47]等估算大气中的含硫量、氟化氢含量和含氮量，探讨森林和城市绿地对大气污染物的净化作用。在滞尘方面，部分学者采用干洗法、面积-吸收能力法[18]等估算植被的滞尘效益。在中国，多数学者采用《中国生物多样性国情研究报告》[48]中单位面积森林对污染物的吸收能力评估净化空气服务价值。自《规范》[30]出台以来，自然森林、城市森林生态系统净化空气服务价值的评估主要采用以下方法：首先，利用森林资源各类调查数据测算净化空气的物质量；其次，采用分布式测算方法[27]以及2.1 节中相关方法，将净化空气的物质量价值化；最后，综合评估净化空气总价值。评估过程中所涉及的各项指标及评价参数参考《规范》进行取值。

3 净化空气服务实践应用研究进展

3.1 国外实践应用研究

随着信息技术的发展与创新，国外相继研发了多种评估生态系统服务的生态模型，美国芝加哥、休斯顿、亚特兰大等多个城市利用CITYgreen 模型对生态系统净化空气服务净化空气模块进行生态效益分析[49]。Brack[50]运用模型法评价了澳大利亚城市森林消除污染物，降低温度及固碳的能力。Solecki[51]使用CITYgreen 模型探讨城市绿地与热岛效应的关系，认为城市植被能够吸收、过滤大气污染物和缓解热岛效应。Nowak 等[52]收集美国数十个城市每个小时气温、降水和污染气体浓度数据，利用i-Tree 模型中的UFORE 模块估算和分析其净化空气的价值。智利政府为治理城市空气污染，提出通过城市森林吸收各类大气污染物以降低污染物的排放量[53]。Currie等[54]也使用UFORE 模块对绿色植物和绿色屋顶净化空气的能力进行定量评估。Song 等[55]将人口密度作为评估韩国森林生态系统净化空气服务价值的主要因素，并模拟其在污染物浓度和人口密度方面的差异。Zoulia 等[56]研究监测雅典国家公园城市绿地对于改善城市小气候、降低城市热岛的作用。此后，Dunn-Johnston 等[57-58]利用i-Tree 模型研究城市森林对大气污染物的净化作用，主要包括生物源挥发性有机物排放量、植被清除大气中臭氧、二氧化氮和可吸入颗粒物的速率等。Jayasooriya 等[59]利用i-Tree Eco 模型净化空气模块研究6 种不同绿色基础设施对大气污染物的吸收能力，结果发现街道绿化植被对大气污染物的吸收能力强于绿色屋顶和绿色墙面。

国际上对于生态系统净化空气服务及其价值化研究已经取得一定的进展，不同的学者针对不同尺度不同生态系统类型净化空气服务研究做出了论述，为决策者提供政策支持。但相关研究成果多采用市场理论法或者CITYgreen 模型、i-Tree 模型等进行评估，研究方法多样性方面不足。

3.2 国内实践应用进展

中国对于生态系统服务及其价值化研究起步略晚，起始于20 世纪80 年代初。生态系统净化空气服务研究主要集中在森林和城市绿地生态系统。侯元兆等[9-10]首次对中国森林资源净化空气服务及其价值进行了定量估算；欧阳志云等[11]参照《中国国土资源数据第一卷》指出植被对各种大气污染物的吸收系数和滞尘能力。肖寒等[14]结合海南建峰岭地区的生态环境及其特征，选用替代消费法对森林生态系统净化空气服务中吸收气体污染物的能力和滞尘能力进行定量评价。吴钢等[15]将物质量和价值量方法相结合，动态评估及分析长白山森林生态系统净化空气服务价值。在中国森林生态系统类型划分的基础上，靳芳等[17]根据《中国生物多样性国情研究报告》中的相关公式，计算森林不同植被净化SO2和滞尘的价值。周月明等[20-22]分别对天山北坡、广州市森林生态系统净化大气价值进行了评估。李晓阁[23]选择2 个城市市区分别作为试验组和对照组，测算SO2、氮氧化物、总悬浮颗粒物3 种大气污染物的浓度，监测其动态变化，并对城市森林净化、吸附气体污染物的能力进行比较，评估其净化空气的价值。柳云龙等[24]运用市场价值法计算出上海城市绿地净化空气价值占生态系统服务总价值的比例。张绪良等[25]利用替代消费法对青岛市11 年间城市绿地生态系统净化空气服务中的吸收气体污染物和滞尘能力进行研究。近年来，随着遥感技术、全球定位系统、地理信息系统等技术的快速发展，国外学者研发的生态模型在中国得到应用与推广。陈莉等[39]利用CITYgreen 模型中的净化空气模块计算深圳市4 个年份景观生态功能区绿地系统的净化空气服务价值。i-Tree 模型目前运用于青岛[43]、杭州[44]等城市的净化空气生态效益评估。马宁等[43]讨论了在城市生态系统中利用i-Tree 模型研究净化空气服务的应用前景和存在的问题。

总体而言，我国在生态系统净化空气服务研究方面，相关理论体系和研究方法正在逐步完善，针对不同尺度、不同生态系统类型生态系统净化空气服务实践探索越来越多，研究成果的可靠性逐步提高，为实现生态系统有效管理提供了科学依据。但是相关研究原创性方法和成果较少，多是沿用国外的研究思路或生态模型，对森林和城市绿地之外的生态系统类型重视不足，研究方法和实践均有待深入。

4 相关研究存在的问题

大气污染是现阶段突出的环境问题之一，大气环境质量直接决定着人居环境质量。生态系统净化空气服务研究是生态学、地理学和经济学共同关注的热点，研究者对净化空气服务的认识越来越深入，评估方法在不断完善。但由于生态系统自身的复杂性和人类认识的局限性，净化空气服务研究还存在许多问题亟待解决。

（1）净化空气服务研究理论探索较少，多包含于生态系统服务理论体系内。在过去的30 年中，对生态系统服务（包括净化空气在内）及其价值研究是相关研究领域最重要和发展最快的方向，国内外对生态系统服务研究成果较多，理论与方法体系正在逐步成熟。但专门针对净化空气服务理论与方法的探索较缺乏，已有研究对生态系统自身的复杂性、净化空气服务价值产生过程掌握不准确，导致研究成果多侧重于净化空气服务的价值核算，缺乏统一的净化空气服务理论体系。

（2）净化空气服务研究方法体系不完善，研究深度不够。主要表现在：1）已有研究多侧重静态评估，缺乏动态评估。生态系统结构与功能的变化导致了生态系统服务的产生与变化。生态系统净化空气服务应具有时空动态变化的特征。然而，过去的研究主要集中在静态评估上，净化空气服务动态研究的成果较少。虽然国内外学者在生态系统服务评估体系中新增了动态因子，一定程度上实现了净化空气服务的动态评估，然而其评估结果可靠性与准确性仍需验证。2）现有研究多直接套用国外模型，与研究区契合度有待完善。随着大数据的发展和生态评估模型的开发，国内学者也开始使用CITYgreen、i-Tree 等生态模型进行净化空气服务价值估算，但模型使用过程中存在具有地域性、处理范围较窄、操作条件受限、结果准确性和可视性差等不足，评估过度依赖于土地利用和植被分类，对植被每年生长质量重视不足。通过实地监测、试验对比研究净化空气服务物质量的文献不多，尤其缺乏自主研发的适合我国国情的生态系统净化空气服务评估模型，评估结果的科学性、可比性和应用性需要进一步增强。

（3）研究多集中在森林、城市绿地生态系统，研究尺度比较单一。主要表现在：1）涉及生态系统类型单一。当前，国内外净化空气服务多侧重森林生态系统和城市绿地开展研究，很多研究者直接套用《规范》[30]中的公式计算净化空气服务，城市绿地相关研究也多是侧重城市森林的净化空气服务物质量和价值量测算，而针对其他生态系统类型，比如草地、湿地、农田等生态系统的净化空气服务研究成果较少。2）研究时空尺度融合不足。国外净化空气服务研究主要集中在全球和以国家为主的宏观尺度，或城市、流域等中尺度，国内净化空气服务研究主要集中在城市、自然保护区等中小尺度。当前，大尺度净化空气研究与中小尺度相关研究缺少交叉融合，同样生态系统在不同的空间尺度上研究结果不一致，研究成果的尺度整合需要加强。

5 展望

随着生态系统净化空气服务研究的不断深入，评估方法的模型化、精准化、动态化是主要研究方向，研究技术方法的集成与空间可视化表达也正在加强，相关研究亟需在以下几个方面取得进步。

（1）加强生态系统结构、功能与净化空气服务的关系研究，构建生态系统净化空气服务理论体系。在完善森林、城市绿地生态系统的相关研究基础上，充分理解净化空气服务中物质循环、能量流动过程，逐步明确不同类型生态系统净化空气服务机理或原理，使净化空气服务研究工作理论依据逐步得到强化。

（2）增加净化空气服务动态研究，完善评估方法。第一，加强净化空气服务时空动态变化研究，基于生态系统类型的数量、面积、质量等动态因子，测算生态系统净化空气服务物质量或价值量的变化。第二，在引进国外先进生态模型的基础上，修正适用范围和技术参数，采用情景分析和动态模型的方法对净化空气服务及其价值变化做出预测与响应。第三，自主研发适合我国国情和特有生态系统类型的净化空气服务价值时空动态模型，在模型中增加多元地球空间参数，如大气CO2浓度分布、大气污染空间格局等，提高净化空气服务评估结果的准确性。

（3）重视不同类型、不同尺度净化空气服务的整合与关联研究。第一，加强森林、草地、湖泊湿地、荒漠、海洋与农田等不同生态系统，以及不同地域、不同社会发展特征生态系统的净化空气服务研究，全面掌握生态系统与大气环境质量的关系。第二，强化大尺度与中小尺度相关研究的交叉融合，推进研究尺度之间耦合或融合。在总结中小尺度研究经验基础上，开展更大尺度的复合生态系统净化空气服务评估，逐步增强研究成果的适用性。