生态系统服务是生态系统与生态过程所形成的及所维持的人类赖以生存的自然条件与效用。它不仅为人类提供了食物、水源和其他生产生活原料, 更重要的是维持和调节了人类赖以生存的生命支持系统^[1]。生态系统服务价值现已成为生态经济学和环境经济学的研究重点^[2]。1977年, WESTMAN^[3]首次从经济学角度探讨了生态系统服务价值, 关于生态系统服务价值的研究开始萌芽。1999年, COSTANZA等^[4]首次对全球生态系统服务价值进行估算。受文献的启发, 国内也逐渐兴起生态系统服务价值有关理论的研究^[5]。欧阳志云等^[1]首先采用生态系统服务的概念, 初步评估了中国陆地生态系统的6种服务功能及其经济价值。2003年以后, 生态系统服务的理论和方法逐渐得到广泛认识与应用^[5]。2015年, 谢高地等^[6]基于扩展的劳动价值论原理, 利用单位面积生态系统价值当量因子的方法, 对中国的11种生态服务类型价值进行评估。国内多是从区域角度对不同类型生态系统的服务价值进行评估, 不同区域尺度下的森林、草地、水域、农田、海洋生态系统均有涉及^[7]。然而, 生态系统服务价值评估还未形成统一的、科学的理论和方法体系, 选取的评价指标及评价方法仍有很大差异, 但这些研究为生态系统服务价值评估提供了理论基础。

武夷山市地处温带、亚热带交替区域, 有着极为丰富的生态资源。境内的武夷山国家级自然保护区是世界生物多样性的重要保护区之一, 其生态系统多样性、物种多样性和生物遗传多样性均具有典型性和代表性^[8]。近年来, 随着社会经济的不断发展, 森林采伐、湿地开发、交通建设以及旅游范围的延伸, 生态资源的开发利用, 使得武夷山市的生态系统格局发生巨大变化, 对当地生态系统服务造成较大影响。为此，笔者以武夷山市为研究区域, 基于实地调研和官方统计数据, 构建武夷山市生态系统服务评价指标体系, 定量评估该市生态系统服务及其价值。同时, 对武夷山市生态系统服务重要性进行评估, 明确武夷山市生态系统服务重要性的区域空间分布特征。该研究旨在识别武夷山市生态系统服务价值总量与组成结构, 加强政府和人们对当地生态系统服务重要性的认识, 以期为当地生态系统及其服务的保护, 以及生态文明建设提供科学依据。

1 研究区概况

福建省武夷山市(27°27′31″~28°04′49″ N, 117°37′22″~118°19′44″ E), 位于福建省西北部, 闽赣两省交界处, 东连浦城县, 南接建阳市, 西临光泽县, 北与江西省铅山县毗邻。西北部有市内海拔最高的黄岗山, 有着“华东屋脊”的美称, 东南部的兴田镇全市海拔最低, 地势高低相差很大, 达1 993 m。武夷山市总面积为2 813 km², 2015年末全市总人口为24.06万人, 国内生产总值(GDP)为138.88亿元, 人均国民生产总值为5.37万元。该地属中亚热带季风湿润气候区, 气候差异显著。年内平均气温为17~18.4 ℃, 平均降水量为1 600~1 700 mm。境内最典型的植被为主要分布在中低山的常绿阔叶林, 高海拔地带多分布有天然针叶林, 低海拔地带多分布有次生针叶林和人工针叶林; 分布最广的植被为杉木林, 也是人工林中所占比例最大的植被^[9-10]。

2 研究方法 2.1 评估框架

依照生态系统与生物多样性经济学(the economics of ecosystems and biodiversity, TEEB)中的分类标准^[11], 将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务和栖息地服务5类, 利用多种生态经济学方法对武夷山市生态系统服务的价值量进行评估(表 1)。

2.2 价值评估方法 2.2.1 产品供给

武夷山市生态系统的主要产品(除水资源以外)包括农业、林业、畜牧业和渔业产品。农业产品包括谷物、薯类、油料、大豆、甘蔗、烟草、饲料、蔬菜、食用菌、水果、茶叶和中草药材等, 林业产品包括竹木采伐(杉木、松木、毛竹、篱竹、小材竹等)和茅草、竹笋干、松脂、油茶籽以及采集捕猎的野生动植物等, 畜牧业产品包括牛肉、羊肉、猪肉、家禽、禽蛋、兔肉及蜂蜜等, 渔业产品包括鱼、虾蟹、贝类、蛙、珍珠等淡水产品。采用市场价值法, 利用各产业的经济数据评估产品供给服务所产生的直接市场价值。

2.2.2 水源供给

水源供给的物质量通过InVEST模型计算获得^[12]。利用市场价值法, 以生态系统所供给的水量用在农业、工业生产上所需要收取的费用作为水源供给服务的价值:

$ {V_1} = {E_1} {\cdot} \sum {\left( {{B_i} {\cdot} {D_i}} \right)} 。$

(1)

式(1)中, V₁为生态系统水源供给的价值, 元; E₁为产水量, t; B_i为第i种行业用水水价, 元·t^-1; D_i为第i种行业用水所占比例, %。根据《福建省2015年度水资源公报》, 武夷山市农业、工业和居民生活用水比例分别为59%、32%和9%。

2.2.3 水质净化

水质净化的能力表现为生态系统能够截留部分非点源污染物, 生态系统所截留的污染物越多, 输出的污染物越少, 水质净化的功能就越强大。水质净化的物质量通过InVEST模型计算获得^[12]。再利用替代成本法, 以污水处理成本的减少作为水质净化服务的经济效益^[13]:

$ {V_2} = \sum {\left( {{T_i} {\cdot} {P_i}} \right)} 。$

(2)

式(2)中, V₂为生态系统水质净化的价值, 元; T_i为氮(或磷)保留的总量, kg; P_i为氮(或磷)的净化单价, 元·kg^-1。

2.2.4 气候调节

气候调节主要体现为吸热降温, 其价值可以从植物蒸腾和水面蒸发2个方面考虑^[14]:

$ {V_{\rm{t}}} = ({A_{\rm{f}}} + {A_{\rm{g}}}){\cdot}{W_{\rm{t}}}{\cdot}\alpha {\cdot}{P_{\rm{e}}}, $

(3)

$ {V_{\rm{v}}} = {A_{\rm{w}}}{\cdot}{E_{\rm{p}}}{\cdot}{W_{\rm{v}}}{\cdot}{P_{\rm{e}}}。$

(4)

式(3)~(4)中, V_t、V_v分别为植物蒸腾和水面蒸发的价值, 元; A_f、A_g和A_w分别为武夷山市森林、草地和水域面积, km²; W_t为单位绿地面积所吸收的热量, 为8.11×10⁶ kJ·km^-2; α为常数, 取值1 kW·h·(3 600 kJ)^-1; E_p为年平均蒸发量, 武夷山市多年平均水面蒸发量为1 000 mm; W_v为单位面积水蒸发所消耗的能量, kJ·m^-3; P_e为全市平均电价, 元·(kW·h)^-1。

2.2.5 土壤保持

土壤保持的物质量通过InVEST模型计算获得^[12]。根据LY/T 1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》, 土壤保持的价值可从固土和保肥2个方面考虑。

减少土地废弃的价值:采用替代成本法, 计算因土壤保持而减少土地废弃的经济效益^[15]:

$ {V_3} = E{\cdot}B/\left( {0.6{\cdot}10{\rm{ }}000{\cdot}\rho } \right)。$

(5)

式(5)中, V₃为减少土地废弃的经济效益, 元; E为土壤保持量, t; B为土地年均生产价值, 元·hm^-2; ρ为土壤容重, 取武夷山区林地土壤平均容重1.22 t·m^-3; 0.6为土层平均厚度, m。

减少泥沙淤积的价值:采用影子工程法, 计算由于泥沙淤积导致水库蓄水量减少而造成的经济损失^[15]:

$ {V_4} = 0.24{\cdot}E{\cdot}{V_{\rm{g}}}/\rho 。$

(6)

式(6)中, V₄为减少泥沙淤积的经济效益, 元; E为土壤保持量, t; V_g为水库的建设成本, 元·m^-3, 由LY/T 1721—2008得到; ρ为土壤容重, t·m^-3; 0.24为全国平均土壤侵蚀泥沙淤积率^[15]。

减少土壤肥力损失:采用替代成本法, 以市场销售的有机肥、硫酸氨、过磷酸钙和氯化钾的成本价格代替土壤保留肥力的经济效益^[15]。

减少肥力流失价值的计算公式为

$ {V_5} = \sum E{\cdot}\frac{{{D_i}{\cdot}{P_i}}}{{{Q_i}}}。$

(7)

式(7)中, V₅为减少肥力流失的经济效益, 元; E为土壤保持量, t; D_i为土壤中有机质、氮、磷、钾质量含量, %; Q_i为有机质、氮、磷、钾折算为化肥中的养分含量, %; P_i为肥料的市场价格, 元·t^-1。根据中国1:100万土壤数据库, 计算得到武夷山市土壤表层各养分平均质量含量:有机质为2.86%, 全氮为0.14%, 全磷为0.09%, 全钾为1.95%。

2.2.6 固碳释氧

植物每生产1 t干物质可以吸收1.63 t二氧化碳, 同时释放1.19 t氧气。

$ {V_{\rm{C}}} = \sum\limits_{i = 1}^m {{P_{{\rm{NP}}, i}}} {\cdot}1.63{\cdot}{P_{\rm{C}}}, $

(8)

$ {V_{\rm{O}}} = \sum\limits_{i = 1}^m {{P_{{\rm{NP}}, i}}} {\cdot}1.19{\cdot}{P_{\rm{O}}}。$

(9)

式(8)~(9)中, V_C、V_O分别为固碳和释氧价值, 元; P_NP，i为第i种植被类型的净初级生产力, g·m^-2·a^-1; P_C为市场固定二氧化碳价格, 采用造林成本法和碳税法成本价的平均值753元·t^-1; P_O为市场固定氧气价格, 采用造林成本法和工业制氧法成本价的平均值330元·t^-1[14]。

2.2.7 旅游娱乐

使用价值指人类直接或间接从生态系统服务中获得的效益, 旅游娱乐服务正是其中之一。根据旅游业的统计数据评估旅游娱乐服务所产生的市场价值^[16]。

2.2.8 生物多样性

利用谢高地等^{[6, 17-18]}提出的当量因子法评估武夷山市生物多样性保护价值, 计算公式为

$ {V_7} = \sum\limits_{i = 1}^n {({S_i}{\cdot}\beta {\cdot}{A_i})} 。$

(10)

式(10)中, V₇为生物多样性保护的价值, 元; S_i为单位面积各生态系统生物多样性保护的价值当量; β为当量因子价值, 元·hm^-2; A_i为各生态系统面积, hm²。

2.3 数据来源

InVEST模型的水源供给模块需要土地覆被图、降雨量、潜在蒸散量、土壤深度、植被可利用水含量、植被根系深度等数据; 水质净化模块除了以上数据外, 还需要氮磷负载值、氮磷滤除率等; 土壤保持模块需要土地覆被图、数字高程、降雨侵蚀力、土壤可蚀力等数据。

土地覆被图来源于2015年8月的高分一号遥感影像, 空间分辨率为2 m。利用ENVI 5.1软件导入3、4、5这3个波段数据得到合成影像, 经过镶嵌、辐射校正、大气校正、几何校正、裁剪后进行解译。结合野外实测的地表特征参照, 经过监督分类和非监督分类后得到武夷山市2015年土地利用图。根据数据需求将土地覆被分为林地、草地、农田、园地、城镇、水域和裸地7种土地利用类型。

数字高程数据来源于美国地质探测局共享平台(http://earthexplorer.usgs.gov), 数据精度为30 m, 对下载后的数据进行镶嵌、裁剪、填洼等处理。基于数字高程模型的流域数据采用ArcGIS 10.1和ArcSWAT软件生成^[19]。

降雨量数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn), 收集到武夷山市及其周边33个国家气象站点从20世纪80年代到2010年降雨观测点数据, 经过克里格插值后得到栅格数据。降雨侵蚀力由经验公式^[20]计算得到:

$ R = \mu {\cdot}{P^\theta }。$

(11)

式(11)中, R为降雨侵蚀力, MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1; μ值为0.066 8;θ值为1.626 6;P为多年平均降雨量, mm。

潜在蒸散量数据来源于国际农业研究磋商组织发布的全球干旱和潜在蒸散数据库(http://www.cgiar-csi.org/data/global-aridity-and-pet-database)。

土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所提供的中国1:100万土壤数据库。植被可利用含水量由田间持水量减去永久萎焉系数^[12]计算得到。土壤可蚀力由Williams等建立的EPIC模型计算得到^[21]。

氮磷负载值参考研究区域及其周边的非点源污染氮磷输出系数取值^[22]。不同土地覆被的氮磷滤除率选择InVEST模型建议的取值^{[12, 23]}。

净初级生产力(NPP)数据来源于数字地球动态模拟研究组多尺度生态系统功能建模与监测平台提供的MOD17数据(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17)。各产业的社会经济统计数据来源于《武夷山市统计年鉴2016》, 水价、电价和化肥价格信息来源于武夷山市物价局(http://www.fjjg.gov.cn/)。

2.4 重要性评价方法

采用多因子综合评价法, 选取产水量、氮磷输出量和土壤保持量作为评价指标, 对武夷山市生态系统服务重要性进行评价^{[14, 24-26]}。利用ArcGIS 10.1软件对每项评价指标按重要性分为极重要、很重要、重要和一般重要4级。再利用多因子加权求和模型对武夷山市生态系统各项服务重要性进行综合评价^[27-28]:

$ P = \sum\limits_{i = 1}^n {({A_i}{\cdot}{W_i})} 。$

(12)

式(12)中, P为生态系统服务综合评价值; A_i为各评价指标的分级赋值; W_i为各指标的权重, 该文将各指标权重都设为0.25^[14]。

3 结果与分析 3.1 生态系统服务价值

产品供给价值:武夷山市农业产品年产值为27.27亿元, 林业产品年产值为6.98亿元, 畜牧业产品年产值为4.53亿元, 渔业产品年产值为1.37亿元, 则食物与原材料供给的总价值为40.15亿元。

水源供给价值:武夷山市年产水量为4.05×10⁹ t。2015年, 全市农业用水价格为1.70元·t^-1, 工业用水价格为2.45元·t^-1, 居民生活用水价格为1.55元·t^-1, 则水源供给总价值为78.02亿元。

水质净化价值:武夷山市生态系统截留的总氮保留量为1.26×10⁹ kg, 总磷保留量为8.32×10⁷ kg, 总氮净化成本为1.5元·kg^-1, 总磷净化成本为2.5元·kg^-1[29], 则水质净化价值约为20.98亿元。

气候调节价值:武夷山市林地和草地覆盖面积共为2 269.36 km², 全市因植被蒸腾作用被吸收的热量约为1.84×10¹⁰ kJ, 即5.11×10⁶ kW·h。全市水域面积为21.36 km², 蒸发量约为2.14×10⁷ m³, 在气温25 ℃环境下, 单位体积水转化为相同温度的水蒸气需要消耗2.43×10⁶ kJ热量, 则全市因水域蒸发所消耗的热量约为5.19×10¹³ kJ, 即1.44×10¹⁰ kW·h。武夷山市平均电价约为0.6元·(kW·h)^-1, 则气候调节总价值为86.54亿元。

土壤保持价值:武夷山市土壤保持总量为7.83×10⁷ t。参考武夷山市统计年鉴, 将武夷山市单位面积林业产值3 034.35元·hm^-2作为森林每年减少土地废弃的机会成本, 则减少土地废弃的价值为3 245.76万元; 由LY/T 1721—2008可知, 1993—1999年我国水库的库容成本约为2.17元·m^-3, 由统计年鉴得到至2015年物价指数约为8, 即17.36元·m^-3, 则减少泥沙淤积的价值为2.67亿元; 一般有机肥(有机质含量w为45%)市价为800元·t^-1, 尿素(含氮量w为45%)市价为2 000元·t^-1, 过磷酸钙(含磷量w为15%)市价为600元·t^-1, 氯化钾(含钾量w为47%)市价为2 200元·t^-1, 则保持土壤肥力的价值约为118.97亿元。土壤保持的总价值则为121.97亿元。

固碳释氧价值:武夷山市NPP总量为1.50×10⁶ t, 固碳量为2.45×10⁶ t, 释氧量为1.79×10⁶ t, 则固碳释氧的总价值为24.33亿元。

旅游娱乐价值:武夷山市拥有首批国家重点风景名胜区、国家重点自然保护区、国家旅游度假区、国家森林公园、国家重点文物保护单位、中国历史文化名村等称号, 2015年武夷山市接待游客量为975.81万人次, 旅游总收入为158.83亿元。

生物多样性保护价值:1当量因子定义为1 hm²全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值^[18], 参考《中国统计年鉴2016》, 得到1当量因子价值约为3 464元, 计算得到武夷山市生物多样性保护总价值约为19.82亿元(表 2)。

综上, 2015年武夷山市生态系统服务总价值为550.64亿元。其中, 旅游娱乐服务的价值为158.83亿元, 占28.84%;土壤保持服务价值为121.97亿元, 占22.15%;气候调节服务价值为86.54亿元, 占15.72%;水源供给服务价值为78.02亿元, 占14.17%;产品供给服务价值为40.15亿元, 占7.29%;固碳释氧服务价值为24.33亿元, 占4.42%;水质净化服务价值为20.98亿元, 占3.81%;生物多样性服务价值为19.82亿元, 占3.60%(表 3)。武夷山市生态系统除了拥有重要的旅游娱乐、土壤保持、气候调节、水源供给服务外, 产品供给、固碳释氧、水质净化和生物多样性保护服务的价值也不容忽视。

3.2 生态系统服务重要性综合评价

利用ArcGIS 10.1软件将各指标按自然间断点分级法分为4个等级(表 4), 这种方法能够使各级内部方差之和最小^[26]。

对各项指标进行加权和空间叠加分析后, 发现武夷山市生态系统服务重要性空间差异明显(图 1)。极重要区和很重要区的面积分别达399.25和1 005.65 km², 占全市总面积的12.06%和35.75%, 主要分布在武夷山市南部的武夷山国家级风景名胜区、兴田镇和武夷山国家级自然保护区一带。该区域降雨丰富, 植被保存完好, 植被覆盖度较高, 生态系统服务质量较高。重要区和一般重要区的面积分别达933.07和535.03 km², 占全市总面积的33.17%和19.02%, 主要分布在武夷山市东北部的岚谷乡—吴屯乡一带以及东南部的五夫镇附近。该区域采矿业发达, 城市化水平较低, 植被覆盖度较低, 生态系统服务质量较差。

4 讨论

通过对武夷山市生态系统服务的评估, 明确了其经济价值及结构组成, 并在此基础上对生态系统服务重要性综合分区进行评价, 识别各区域的服务功能特征, 更加直观地展现生态系统服务的空间分布格局, 希冀为当地的生态保护及生态系统服务协调发展提供理论依据。武夷山市生态系统有着强大的旅游娱乐功能和土壤保持功能, 其生态系统服务总价值为550.64亿元, 是当年全市GDP的3.96倍, 单位面积生态系统服务价值为1 957万元·km^-2。将武夷山市按生态系统服务重要性分为4个等级。极重要区水源涵养、土壤保持和水质净化的服务质量最高, 应继续注意水土保持, 加强护林、育林措施; 很重要区应注意生态修复与保育, 加强防范山体滑坡和泥石流等自然灾害; 重要区人口密集, 应注意科学合理地发展生态农业经济, 减轻对耕地资源的压力, 保护库区的水质安全; 一般重要区农业、采矿业较发达, 应注意控制人为水土流失。

此前, 也有不少学者开展了武夷山市及其周边地区生态系统服务价值研究(表 5)。比较已有的研究结果不难发现, 由于评价方法、评价指标、评价年份和评价区域的不同, 生态系统服务价值评估结果存在较大区别。为此, 建立一套科学、合理、统一的生态系统服务评价方法和指标体系尤为重要。TEEB是生物多样性与生态系统服务价值评估、示范和政策应用的综合方法体系, 为生物多样性保护和可持续利用提供了新的思路和方法。TEEB在2007年被首次提出, 自2008年以来得到了联合国环境规划署的支持。生态系统服务包括供给服务、调节服务、文化服务和栖息地服务4大类, 价值评估方法多采用市场价值法、显示性偏好法和陈述性偏好法等。目前, TEEB方法体系已在30多个国家得到应用, 被国际社会广泛接受与认可^[11]。笔者采用TEEB评估方法开展武夷山市生态系统服务价值评估研究, 评估方法更合理, 评估内容更全面, 评估结果更可靠。

该文仍存在一些不足:(1)研究只涉及了武夷山市所有生态系统服务功能与价值的一部分。由于研究方法的不完善和研究数据难以获取, 仍有很多生态系统服务未能加以评估。(2)模型法虽然在理论上是比较完善的, 但终归只是对实际情况的模拟。模型所用的各因子数据来源和精度不一, 模型参数采用他人的研究成果, 应用于武夷山市也会不可避免地产生误差。