基于能值分析的天宝岩泥炭沼泽生态系统服务价值评估

严雨桐，陈花丹，游巍斌①，刘进山，蔡昌棠，何东进,4②

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建省南方森林资源与环境工程技术研究中心，福建 福州 350002；3.福建天宝岩国家级自然保护区，福建 永安 366032；4.福建农业职业技术学院，福建 福州 350002)

泥炭沼泽是指土壤剖面发育有泥炭层的土地利用类型，是世界湿地类型的主要组成部分[1]。泥炭沼泽生态系统价值极高，它不仅蕴含固碳释氧、节水护源等强大生态功能，而且可以产生积极的经济和社会效益[2]。然而，随着气候变化和人类活动的加剧，加之湿地缺乏精细化的保护与管理，生态系统能量流动与物质循环的平衡遭到严重破坏，湿地生态系统功能退化，严重阻碍了社会经济的可持续发展[3]。因此，开展泥炭沼泽湿地生态系统功能价值评估研究，合理计算生态服务功能价值，对差异化的湿地生态系统保护与管理，维系泥炭沼泽湿地生态系统持续发展具有现实指导意义。

目前，国内外学者主要采用经济学方法计算湿地生态系统服务价值，常用方法包括影子工程法[4]、市场价值法[5]和费用支出法[6]等，且多结合InVEST模型进行货币量计算[7]。这些方法的评价结果可视化，且易于理解，但评价标准相对片面，难以客观地衡量生态系统的生态价值。20世纪80年代，美国学者H. T. Odum开创了能值分析方法，他提出可以将生态系统中不同类别的能量转换成统一的能值，即太阳能值，从而实现对系统结构特征和生态经济效应的定量分析。该方法统一了度量标准，结合了能量与货币价值进行评估，为生态经济学研究提供了新的理论与方法[8]。相比价值评估和物质量评估方法，能值理论依据经济系统与生态系统的有机融合，更适合生态系统服务研究[9]，且被广泛应用于生态系统服务评价[10-11]，但鲜少用于泥炭沼泽湿地生态系统服务价值评估研究中。

天宝岩国家级自然保护区经考察发掘2处大规模泥炭藓沼泽，具有重要的生态服务价值，属我国东南地区山间盆地初次发掘，在中亚热带地区也较为罕见[12]，但目前对天宝岩泥炭沼泽生态系统服务价值评估的研究较为薄弱。因此，笔者以天宝岩国家级自然保护区境内的泥炭沼泽生态系统为研究对象，探讨以下2个方面问题：(1)天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统服务功能年能值量是多少?(2)研究区不同类型泥炭沼泽单位面积生态系统服务价值有何差异？为了解决上述科学问题，笔者运用能值分析法，构建泥炭沼泽生态系统服务价值分类体系，评估天宝岩泥炭沼泽生态系统服务价值，探究不同类型泥炭沼泽服务价值差异，以期为评估泥炭沼泽生态系统服务价值提供有效方法，并为我国差异化的沼泽湿地生态系统保护与管理提供理论指导。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省永安市境内天宝岩国家级自然保护区(25°50′51″～26°01′20″ N，117°28′03″～117°35′28″ E)。境内泥炭藓泥炭沼泽分布在海拔1 110～1 190 m的山间盆地，土壤均是泥炭土，面积约为30.7 hm2，是我国东南地区山间盆地首次发现的泥炭沼泽湿地[13]。保护区沼泽内泥炭层厚度约为15～100 cm，其中泥炭藓层厚度为10～30 cm，包括水竹(Phyllostachysheteroclada)、垂穗石松(Palhinhaeacernua)、灯芯草(Juncuseffusus)和泥炭藓(Sphagnummagellanicum)4种类型沼泽，其地貌、规模、范围和保存状况在我国尚属罕见。泥炭藓沼泽分布地带人迹罕至，人为干扰少，为许多动植物提供了生存环境，具有显著科学研究价值[14]。

1.2 数据来源

天宝岩泥炭沼泽生态系统能值相关数据的收集方式包括资料研究、实地调研和实验分析等。资料研究阶段：通过前人研究成果[15-16]获取价值评估中应用的泥炭沼泽能量流、物质流、信息流和货币流等数据；能值货币转换率统一采取2001年福建省能值货币比率6.75×1012sej·＄-1[17]；能值转换率主要参考ODUM[18]、MEILLAUD等[19]、蓝盛芳等[16]的研究成果。实地调研阶段：根据研究区泥炭沼泽湿地分布情况，分别设置20 m×30 m水竹沼泽样地2块、垂穗石松沼泽样地2块、灯芯草沼泽样地2块和泥炭藓沼泽样地3块，所有样地规模为5 400 m2。采用相邻格子法在每块样地设置6个10 m×10 m样方，在每个样方内设置1个0.5 m×0.5 m小样方，现场取泥炭剖面并测定泥炭层厚度，用收割法对小样方内地上部分植物进行刈割，分离草本层和木本层植物并分别称其鲜重，地下部分采用挖土坯方法取得，分根茎测定木本植物地下生物量，现场称其鲜重，并带回实验室测定生物量和热值。4种泥炭沼泽基本情况见表1。

1.3 生态系统服务功能分类体系

泥炭沼泽作为一种复合生态系统，具有重要的生态服务价值，维系着湿地自然环境的平衡发展。系统中物质生产通常伴随着能量的流动，同时也与外界环境形成能量、物质和信息的交换。泥炭沼泽生态系统各项服务价值的核算结果也因其结构与功能的复杂性而有所差异。主要的能量流动及其相互关系见图1。综合图1和研究区泥炭沼泽结构与功能特征，建立泥炭沼泽生态系统服务功能3级分类体系[20-22](一级分类包括3大类，二级分类包括8小类，三级分类包括16个具体指标)。直接价值指生态系统存量变化提供的相应服务，包括增加净初级生产力(NPP)、涵养水源、储蓄泥炭、固碳释氧及增加生物量；间接价值是生态系统流量变化产生的附加影响，包括净化水质和保持土壤；存在价值是生态系统存量流动对跨尺度生态环境及人类发展需求的贡献价值，包括文化科研、保护生物多样性和调节气候。

表1 天宝岩国家级自然保护区不同类型泥炭沼泽湿地相关数据

图1 天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统能值流动系统图

1.4 生态系统服务功能核算方法

1.4.1直接价值

由于增加生物量、增加NPP和固碳释氧都是光合作用的产物，3者存在交叉，但不完全重叠，为避免重复计算，取3者最大值[22-23]。

(1)增加NPP：用植物光合作用产生的能量减去呼吸损失的能量，得到促进植物生长及繁殖的能量[22]，计算公式为

EmNPP=Max(Ri)。

(1)

式(1)中，EmNPP为增加NPP需要的能值，sej；Ri为研究区生态系统全部可更新能值投入量(该研究不考虑人工投入)，包括太阳能、地热能、潮汐能、风能、雨水化学能和径流势能等，为避免重复计算，Max(Ri)=Max[Sum(太阳能，地热能，潮汐能)，风能，雨水化学能，径流势能]，sej·a-1。考虑天宝岩自然保护区实际情况，仅核算太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能和径流势能，则天宝岩自然保护区仅取太阳能加上其他能量投入的最大值雨水势能作为增加NPP价值。

(2)储蓄泥炭：泥炭沼泽湿地生态系统拥有丰富的泥炭沉积物，并能长期储蓄泥炭沼泽中的营养物质，计算公式为

Emns=Si×Hi×Zi×106。

(2)

式(2)中，Emns为泥炭沼泽的泥炭储量，g；Si为不同类型泥炭沼泽面积，m2，下同；Hi为泥炭厚度，m；Zi为泥炭干容重，g·m-3；106为转换单位，cm3·m-3。

(3)固碳释氧：沼泽湿地与大气交换CO2和O2，具有维系CO2和O2动态平衡的重要价值，这也是沼泽湿地有助于调节气候的重要原因。为避免重复计算，不再核算沼泽湿地调节气候的功能价值。由于固碳与释氧是同一过程的两个部分，故仅核算固碳量来评估该价值，计算公式为

Emcs=Si×Ci×VUEBio。

(3)

式(3)中，Emcs为泥炭沼泽每年固定CO2的能值，sej；Ci为单位面积泥炭沼泽生态系统的年固碳量，g·m-2·a-1；VUEBio为泥炭沼泽生态系统生物量的能值转换率，sej·g-1。

(4)涵养水源：沼泽湿地生态系统具备较强的调蓄水资源功能，能在汛期储蓄大量洪水，以减轻洪峰造成的损失，并在旱季供给水源，起到防止水土流失的作用，计算公式为

Emwc=Si×Xsi×YZi×ρ。

(4)

式(4)中，Emwc为不同类型泥炭沼泽的泥炭地蓄水能，J；Xsi为不同类型泥炭沼泽蓄水深度，m；YZi为水的吉布斯自由能，J·g-1；ρ为水体密度，g·m-3。

(5)增加生物量：生物量是指某一时间单位面积内所含生物体的总量[24]。研究区泥炭沼泽生态系统在一定时间内累积的有机质总量，即草本植物和木本植物所产生的能量，计算公式为

EmBio=Si×Bi×Ri。

(5)

式(5)中，EmBio为泥炭沼泽生物量的能量储量，J；Bi为样方内生物量，g·m-2；Ri为泥炭沼泽生物量对应的热值，J·g-1。

1.4.2间接价值

(1)净化水质：泥炭沼泽生态系统可通过植被等吸收水体污染物，起净化水质的作用，主要核算泥炭沼泽对流入的雨水和径流中重金属污染物的净化[25]。通过单因素对比试验，依次改变泥炭投加量、吸附反应时间、吸附pH值及离子浓度，测定溶液中泥炭吸附重金属离子后的浓度，用原子吸收分析仪测定滤液中重金属离子含量[12]，计算公式为

Ei=(C0-Ce)×(V/W)，

(6)

(7)

式(6)～(7)中，Ei为不同类型泥炭沼泽对重金属(Cu、Zn、Pb和Mn)的吸附量，mg·g-1；C0为溶液初始浓度，mg·L-1；Ce为平衡浓度，mg·L-1；W为试样质量，g；V为试液体积，L；EmQP为泥炭沼泽净化水质的能值，sej；n为重金属种类总数；Qk为第k种重金属年吸收量，g·a-1；VUEk为第k种重金属能值转换率，sej·g-1。

1.4.3存在价值

(1)文化科研：研究区泥炭沼泽生态系统的文教科研服务价值的计算参照MEILLAUD等[19]的方法，以天宝岩自然保护区为关键词，在中国期刊文献数据库中搜索2017—2021年发表的学术论文，计算公式为

(8)

式(8)中，EmcR为泥炭沼泽生态系统文化科研的能值，sej；Pi为每年研究天宝岩泥炭沼泽的各级论文页数；Wi为各级论文重要度所占权重；VUEp为能值转换率，sej·页-1。考虑到研究文献的重要性差异，对不同期刊等级的论文进行加权，具体方法：将SCI Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区，EI，SSCI及一级期刊论文(Ⅰ级论文)赋权为0.5；将SCI Ⅳ区及北大核心期刊论文(Ⅱ级论文)赋权为0.3；将CN期刊论文(Ⅲ级论文)赋权为0.2；每年各级论文的页数与能值转换率的乘积再乘以各级论文对应的权重，最后进行加和得到天宝岩泥炭沼泽每年的文化科研价值。

(2)维持生物多样性：湿地生态系统在自然环境长期生产和累积下产生的生物物种能值[26]，计算公式为

EmB=Wi×VUEi，

(9)

VUEi=(Uj×Si)/Sq。

(10)

式(9)～(10)中，EmB为不同类型泥炭沼泽物种能值，sej；Wi为样方内动物种数；VUEi为物种能值转换率，sej·种-1；Uj为物种平均能值转换率，sej·种-1；Sq为地球表面积，km2。

2 结果与分析

2.1 天宝岩泥炭沼泽湿地生态系统服务价值年能值核算

天宝岩泥炭沼泽生态系统服务功能评价结果见表2[15-16,27]和表3。由表2可知，天宝岩泥炭沼泽生态系统功能年总能值为1.01×1019sej·a-1，宏观经济价值为9.99×106元·a-1。其中，直接价值年总能值为5.45×1017sej·a-1，价值为5.36×105元·a-1；间接价值年总能值为2.73×1018sej·a-1，价值为2.69×106元·a-1；存在价值年总能值为6.86×1018sej·a-1，价值为6.76×106元·a-1。一级服务功能年能值大小排序为存在价值(67.92%)>间接价值(27.03%)>直接价值(5.40%)，由此可见，存在价值占据了天宝岩泥炭沼泽生态系统服务价值的主导地位，对泥炭沼泽生态系统的价值输出具有重要意义。

此外，由表3可见，在二级服务功能中，各服务类型贡献率差异较大。文化科研和净化水质占总太阳能值比例最大，分别为60.28%和27.03%，这与现有研究中泥炭沼泽湿地具有重要科研价值的结论[12-13]相吻合；其次是维持生物多样性(6.65%)和增加生物量(4.27%)；相比较而言，增加NPP(0.81%)、涵养水源(0.74%)和储蓄泥炭(0.39%)和固碳释氧(0.16%)能值比例较小。能值从高到低依次为文化科研、净化水质、维持生物多样性、增加生物量、增加NPP、涵养水源、储蓄泥炭和固碳释氧。天宝岩保护区泥炭沼泽生态系统核心生态价值为文化科研和净化水质，其价值占总价值的87.31%。

表2 天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统服务功能能值分析[15-16,27]

表3 天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统功能能值构成

2.2 天宝岩不同类型泥炭沼泽湿地单位面积服务价值比较分析

不同类型沼泽湿地的服务价值构成各具特色，分别形成了其主要的服务功能价值，且各类沼泽湿地同一生态系统功能价值差异较大。由表4可知，不同类型沼泽湿地单位面积生态系统服务价值总量排序为泥炭藓沼泽>灯芯草沼泽>垂穗石松沼泽>水竹沼泽。单位面积泥炭藓沼泽净化水质价值最高，占其单位面积总服务价值的66.59%，且比其他3种沼泽都高，表明泥炭藓沼泽对于研究区净化湿地重金属污染贡献最大。灯芯草沼泽单位面积服务价值最高的为净化水质，其次为维持生物多样性，分别占其单位面积总服务价值的55.66%和40.83%，且其维护生物多样性价值高于其他3种沼泽，说明灯芯草沼泽的主要服务价值体现为净化湿地重金属污染和维护湿地生物多样性。单位面积垂穗石松沼泽的增加生物量、储蓄泥炭和涵养水源价值均高于其他3类沼泽，这3项价值分别占其单位面积总服务价值的16.99%、15.41%和15.41%，这表明垂穗石松沼泽对于研究区生物量、泥炭资源和水资源的保护具有良好的效应。单位面积水竹沼泽维持生物多样性价值最高，占其单位面积总服务价值的72.05%，但储蓄泥炭价值比其他3类沼泽都低，仅占水竹沼泽单位面积总服务价值的0.03%，说明水竹沼泽具有较强的保护动物栖息地作用和较为薄弱的储蓄泥炭功能。

表4 天宝岩国家级自然保护区单位面积泥炭沼泽生态系统服务价值

2.3 天宝岩泥炭沼泽湿地生态系统与其他沼泽湿地生态系统对比分析

为了进一步揭示和评价天宝岩泥炭沼泽湿地生态系统的价值与潜力，根据当地该年能值货币比率将太阳能值换算为宏观经济价值，并将其与其他类似沼泽湿地生态系统单位面积服务价值进行比较分析，且换算到统一基准年(2001年)，结果见表5[28-29]。

表5 不同沼泽湿地生态系统单位面积服务价值对比[28-29]

通过将笔者研究结果与其他相关研究结果进行比较发现，天宝岩沼泽湿地各项服务价值及总价值与洪河沼泽湿地[28]和鸭绿江口沼泽湿地[29]相比明显要高，这主要是由于选取的研究方法和评价指标存在差异。采用能值分析法计算出的单位面积生态系统服务价值比经济学方法核算值要高，能值方法反映的沼泽湿地单位面积潜在价值也更大(大于15倍)。所比较的文献中还涵盖其他评价指标，例如洪河沼泽湿地研究中估算了洪水调蓄和气候调节服务价值，且占比较大(共占41%)，鸭绿江口沼泽湿地研究中计算了美学价值(占2.3%)，这些不同指标的选取都会对最终服务价值总量造成差异。从各项服务功能占比来看，洪河自然保护区和鸭绿江口自然保护区维护生物多样性价值比例均较高，笔者研究结果与之基本一致，洪河沼泽湿地增加生物量价值比例较低，笔者研究结果与之接近，这表明笔者采用能值分析法计算沼泽湿地服务价值是可行的，计算结果也具有一定代表性。与其他区域沼泽湿地相比，天宝岩沼泽湿地的文化科研价值占比(60.49%)和净化水质价值占比(26.67%)较为突出，这与前文分析结果(表3)相对应，进一步说明天宝岩沼泽湿地生态系统具有较大的文化科研和净化水质潜力。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1生态系统服务货币价值与能值价值比较

将天宝岩泥炭沼泽生态系统服务价值分为直接价值、间接价值和存在价值，并采用能值分析方法进行评估，通过能值货币比将太阳能值与货币价值进行换算，统一了生态系统服务价值评估的衡量指标，且考虑了各服务功能的上下级概念，避免因简单累计相加造成的重复计算问题。虽然货币价值与能值价值在数值上有较大差异，但两者均可实现天宝岩自然保护区泥炭沼泽生态系统不同功能价值的估算。天宝岩自然保护区泥炭沼泽生态系统通过货币价值和能值价值呈现出不同的生态系统价值结构。生态系统货币价值估算偏向于人类感受与支付意愿功能，但货币价值无法代表市场价值或实际支出价格。生态系统能值价值评估可以较真实地核算生态系统服务价值，且能体现出生态系统内部能量间的流动与相互作用关系[30]。根据天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统的货币价值和能值价值结构(表2)，各服务功能的货币价值比例大于其能值价值，表明如果仅根据货币量来判断其价值，可能导致增加生物量等直接价值被低估，而净化水质等间接价值和文化科研等存在价值被扩大。

3.1.2天宝岩泥炭沼泽湿地生态系统服务价值差异的影响因素

评估了天宝岩保护区泥炭沼泽生态系统8项服务价值，各项服务价值的贡献率呈显著差异，其中文化科研价值最高，占总价值的60.28%，这与天宝岩泥炭沼泽的特殊性和稀缺性息息相关[14]。自2001年天宝岩保护区被发掘后，对其的研究报道日渐增多，尤其是2017—2021年相关研究成果较为丰硕，考虑到研究文献的重要性差异，对不同期刊等级文献进行加权，旨在校正评价过程中文化科研价值偏高问题并区分研究成果的重要度，提高评价结果的准确性。其次是净化水质服务价值(2.69×106元·a-1)，占比为27.03%，泥炭沼泽可以吸附水体重金属、保护水源地水质和改善湿地环境，起到保障沼泽湿地生态系统健康发展的作用。维持生物多样性价值占总价值的6.65%，这与保护区位于古热带植物区和泛北极植物区的过渡地带密切相关，该区域良好的生态环境为黑麂(Muntiacuscrinifrons)、云豹(Neofelisnebulosa)和黄腹角雉(Tragopancaboti)等许多珍稀濒危生物提供了栖息地[31]。增加生物量(4.27%)、增加NPP(0.81%)、涵养水源(0.74%)、储蓄泥炭(0.39%)和固碳释氧(0.16%)价值依次递减，这是由于天宝岩自然保护区范围有限，而一些生态系统服务价值在相对较小的尺度上无法明显呈现，所以这几项生态系统服务对天宝岩保护区泥炭沼泽生态系统服务价值的贡献比例较低。

此外，天宝岩4种类型泥炭沼泽服务价值对总服务价值的贡献率也有明显差别。单位面积经济价值排序为泥炭藓沼泽(283 783.93元)>灯芯草沼泽(212 105.15元)>垂穗石松沼泽(209 433.56元)>水竹沼泽(120 192.06元)，这可能与泥炭沼泽样地的结构性质相关。泥炭藓沼泽是生产泥炭的主要来源[32]，在4种沼泽湿地中泥炭厚度较深，泥炭对水体中有害重金属具有强大的净化作用，其吸附水体重金属的价值最大。灯芯草沼泽的木本层覆盖度是影响其服务价值的重要因素，该沼泽内适合多种草本植物生长，故物种数相对较多，维持生物多样性价值较大。垂穗石松沼泽的土壤容量是影响其服务价值的主导因素，其泥炭干容量最大，生产力也最大，泥炭的储蓄速度相对较快，储蓄泥炭的价值最大。水竹沼泽生产力最小，泥炭积蓄速度慢，植物残体分解速度快，不易截留降水[33]，其储蓄泥炭和涵养水源的价值最小。不同类型泥炭沼泽生态系统服务价值的估算都是单独核算每项服务价值的，然而，在实际的湿地生态系统中各项生态系统服务都是紧密相连的。每种类型沼泽湿地蕴含的服务价值，共同构成了天宝岩泥炭沼泽湿地生态系统的显著价值。

3.1.3生态系统服务评价体系的可行性和局限性

基于天宝岩保护区生态环境数据和能值理论，从直接服务、间接服务和存在服务3个方面构建了泥炭沼泽湿地生态系统服务评价体系，增强了评估的有效性。在此基础上对泥炭沼泽生态系统服务评价体系进行3级分类，全面计算了泥炭沼泽各项服务功能的能值价值和货币价值，并完善了泥炭沼泽生态系统服务分类体系。考虑天宝岩保护区4种典型泥炭沼泽的差异性，对4种泥炭沼泽各项服务功能分别进行评价与比较分析。基于宏观经济价值将笔者研究结果与其他类似沼泽湿地生态系统进行对比，换算到同一基准年，能减少经济浮动产生的数据误差，且选取的案例地同为自然保护区，沼泽湿地生态环境具有一定可比性。该评估体系为探索湿地生态系统精细化和差异化的服务价值评估提供了切实可行的途径。

由于受研究区环境条件的限制，笔者研究只评估了天宝岩保护区泥炭沼泽生态系统8项主要功能，未将调节气候、洪水调蓄和美学价值等服务功能纳入评估体系。因此，天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽湿地生态系统服务实际价值应高于该文评估结果。今后的研究可结合多通道动态监测数据，探究不同生态系统服务间的权衡关系，促进湿地生态系统服务价值评估结果在湿地生态系统补偿政策制定中的应用。

3.2 结论

应用能值分析方法，构建了泥炭沼泽湿地生态系统服务价值分类体系，并以天宝岩国家级自然保护区为例核算了水竹沼泽、垂穗石松沼泽、灯芯草沼泽和泥炭藓沼泽4种典型泥炭沼泽类型的生态系统服务价值。研究结果表明，天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统每年产生的总能值为1.01×1019sej，经济价值为9.99×106元，研究区泥炭沼泽生态系统的能值和经济价值均高于其他类似沼泽湿地生态系统，具有较大的价值与发展潜力；单位面积泥炭沼泽生态系统服务价值约为32.53万元·hm-2，其中泥炭藓沼泽经济价值(28.38万元·hm-2)最高，水竹沼泽(12.02万元·hm-2)最低。泥炭藓沼泽对净化水质的价值最大，灯芯草沼泽对维持生物多样性的价值最大，垂穗石松沼泽对增加生物量、储蓄泥炭和涵养水源的价值最大，水竹沼泽对维持生物多样性的价值相对较大。文化科研和净化水质功能年能值占比为87.31%，表明天宝岩国家级自然保护区泥炭沼泽生态系统具有显著科学研究价值和净化重金属污染水体价值。