基于GEP核算的北京市山區森林經營實施效果評價

盤黃穎,孟京輝,溫志勇

(1.北京林業大學 林學院,北京 100083;2.北京林業大學 國家林業和草原局森林經營工程技術研究中心,北京 100083;3.北京市懷柔區園林綠化局,北京 101401)

森林經營技術是指導經營單位提高經營水平的依據,合理有效的經營技術不僅能發揮林地生產力,還能促進森林生態、經濟和社會效益的有機結合[1]。北京市山區森林由于歷史原因森林主體結構單一、森林質量較差,為使山區森林最大限度發揮其效益,近20 a來山區森林經歷了由解決數量問題向解決質量問題的轉變,經營理論和技術也經歷了三大創新進步。21世紀初期,北京開始近自然森林經營探索,旨將結構不合理的森林轉變為接近自然狀態的森林[2];隨著理論技術的發展進步,2010年,經營技術轉變為突出森林服務功能和整體健康穩定的健康經營技術[3];2017年以來,北京市開始實施精準提升森林質量、強化森林生態環境服務功能的協力經營技術。隨著國家發展戰略的調整,以木材生產為主的經營重點逐步轉變為以生態建設為主。系統認識山區森林生態系統服務協同關系,科學衡量經營效果對正確認識森林的多功能效益,全面實踐和優化森林經營技術措施具有非常重要的意義。

2012年,我國學者提出生態系統生產總值(GEP)的概念,即生態系統在一定區域和一定時間內為人類福利和社會經濟可持續發展提供的最終產物與服務的價值總和[4-5]。近幾年多地開展的GEP理論研究和試點將生態系統服務價值貨幣化,為政策管理者掌握生態價值變化,實現區域可持續發展,促進生態服務價值實現提供了重要支撐[6-9]。2022年初,國家發改委和國家統計局聯合出臺《生態產品總值核算規范 (試行)》,規范定義了物質供給、調節服務、文化服務等相關概念,初步確定生態產品功能量和價值量的核算方法,為產品價值實現和總值核算提供依據[10]。

山區森林是北京的生態基底,開展山區森林經營工作有利于增強森林生態系統服務功能。從GEP角度分析經營干預對區域生態系統的影響,評估生態系統服務價值以評估森林經營技術實施效果,給綠水青山“明碼標價”,助力北京市山區森林經營?；诖?以北京市生態系統為研究對象,核算其2000、2010年和2018年的GEP,分析探討生態系統服務價值的動態變化特征以評價山區森林經營效果,為優化森林經營技術提供重要科學依據,進一步推動北京山區森林生態文明建設進入新發展階段。

1 研究區概況

北京市地處華北平原的西北部(115°25-117°30′E、39°25-41°51′N),地勢西北高、東南低,平均海拔43.5 m,山區海拔1 000～1 500 m,平原海拔20～60 m,山區面積約占轄區面積的62%,平原面積約占38%[11]。北京屬于暖溫帶大陸性季風氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年平均降水量約為483.9 mm,是華北地區降雨最多的地區之一[12]。年降水季節分配極不均勻,7、8月的降水量占全年總量的65%～70%,冬春降水最少,春旱嚴重[13]。根據土地利用和植被覆蓋情況(圖1),研究區用地劃分為森林、農田、灌木、草地、水體、裸地和人造地表7個類型,其中森林面積最大,森林覆蓋率約為43.8%。

2 研究方法

2.1 數據來源

土地利用數據采用2000、2010年和2018年PIE平臺中國30 m年度土地覆蓋產品(https://engine.piesat.cn/);數字高層模型DEM來源于地理空間數據云,空間分辨率為30 m[14];降水溫度數據由中國氣象數據網下載;土壤N、P含量數據由中國土壤有機質數據集提供;土壤砂礫、黏粒、粉粒數據來源于HWSD數據集,空間分辨率為1 km;植被數據來源于NASA提供的MODIS產品[15];產品產量和單價等核算數據由北京市2000、2010年和2018年3 a的統計年鑒提供。

2.2 核算指標體系及方法

根據北京市生態過程的特點及其本底特征,以生態系統服務功能價值理論和方法為基礎,參考北京市地方標準《生態產品總值核算技術規范》(以下簡稱《規范》)[16],建立包括生態系統供給服務、調解服務和文化服務3大類14項功能指標的北京市GEP核算體系;考慮各類生態系統產品服務功能及單價缺失情況,結合物價標準利用價格指數折算各項服務指標價格。

2.3 生態系統供給服務價值

北京市生態系統供給服務價值指北京市生態系統為人類直接提供產品的價值。本研究利用產品產量預估生態系統農業(谷類、豆類、經濟作物、水果、蔬菜及食用菌)、林業(林木產品)、畜牧業(動物飼養生產的肉類、禽蛋類產品)、漁業(水產養殖)、生態能源(水能發電)以及其他6類產品的物質量,采用市場價值法核算價值量,計算公式如下。

(1)

式中:Vm為各指標供給產品價值(元);Yi為第i類(i=農、林、畜牧、漁、生態能源、其他)產品的產量(kg);Pi為第i類產品的單價(元·kg-1)[17];在生態能源產品中Pi為電價,2000、2010年和2018年分別為0.351、0.440、0.488元·kw-1·h-1。

2.4 生態系統調解服務價值

2.4.1 水源涵養價值 從水量平衡角度出發,利用水量平衡方程計算北京市生態系統中森林、灌木、農田、草地的水源涵養量[18],采用影子工程法核算其價值量。

(2)

vwr=Qwr×C

(3)

式中:Qwr為各生態系統水源涵養總量(m3);Pi為降雨量(mm);Ri為地表徑流量(mm)[19];ETi為蒸散量(mm);Ai為第i類生態系統面積(km2);vwr為水源涵養總價值(元);C為水利工程單位造價,2000、2010年和2018年分別取5.06、7.59、10.23元·m-3[20]。

2.4.2 土壤保持價值 利用修正后的土壤流失方程計算的潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差為北京市生態系統的土壤保持量[21-23],采用替代成本法從減少泥沙淤積和減少面源削減2個方面核算土壤保持價值量,計算公式如下。

Ac=SRP-SRA

(4)

SRP=R×K×L×S

(5)

SRA=R×K×L×S×P×C

(6)

(7)

(8)

式中:AC為各生態系統土壤保持量(t);SRP為潛在土壤侵蝕量;SRA為實際土壤侵蝕量;VSD為減少泥沙淤積費用(元·a-1);VSR為減少面源污染費用(元·a-1);R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;L、S為坡長、坡度因子(無量綱);P為水土保持因子(無量綱);C為植被覆蓋因子(無量綱)[24];λ為泥沙淤積系數,取24%[25];ρ為土壤容重(t·m-3);PRD為清淤費用[26],2000、2010年和2018年分別取10.39、15.58、21元·m-3;Ci為土壤中N、P的純含量(%);Pi為污染治理成本單價(元·t-1)[27],2000年減少N、P面源污染成本分別為583.33、1 866.67元·t-1,2010年減少N、P面源污染成本分別為875、2 800元·t-1,2018年減少N、P面源污染成本分別為1 179.4、3 774.07元·t-1。

2.4.3 洪水調蓄價值 由于數據獲取限制,按照《規范》選用湖泊和水庫生態系統蓄積的水流量評估洪水調蓄功能量[28],采用影子工程法核算洪水調蓄價值量,計算公式如下。

Cfm=Ccl+Cf

(9)

Ccl=e6.636×A0.678

(10)

Cf=0.35×Ct

(11)

Vfm=Cfm×C

(12)

式中:Cfm為各生態系統洪水調蓄總量(m3);Ccl為湖泊洪水調蓄總量(m3);Cf為防洪庫容(m3);A為湖泊總面積(m3)[29];Ct為總庫容(m3);Vfm為洪水調蓄價值(元)。

2.4.4 空氣凈化價值 利用生態系統對空氣中SO2、氮氧化合物和工業粉塵3種污染物的吸收量來評價空氣凈化能力[30],用替代成本法將空氣污染物治理成本估計為空氣凈化的價值量,計算公式如下。

(13)

(14)

式中:Qap為各生態系統3種空氣污染物凈化總量(t);Qij為生態系統每年各吸收SO2、氮氧化合物及工業粉塵量(t·km-2·a-1)[31-32];Ai為第i類生態系統面積(km2);Vap為空氣凈化總價值(t·a-1);Ci為i類空氣污染物(SO2、氮氧化物、工業粉塵)的治理成本(元·t-1),2000年和2010年各類污染物成本分別為1 200、630、150元·t-1;2018年分別為2 400、1 260、300元·t-1[23]。

2.4.5 水質凈化價值 水體污染物主要包括化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)3項指標。通過計算濕地、湖泊和河流生態系統對水體污染物凈化量以評估水質凈化能力,采用替代成本法核算其價值量,計算公式如下。

(15)

(16)

式中:Qwp為生態系統水質凈化功能量(t);Qi為單位面積化學需氧量、總N、總P水質污染物凈化量(t·km-2·a-1)[33-34];Vwp為水質凈化總價值(t);Ci為i類水體污染物(COD、總氮、總磷)的治理成本(元·t-1),其中2000年各類污染物治理成本分別為466.67、583.33、1 866.67元·t-1,2010年治理成本分別為700、875、2 800元·t-1,2018年治理成本分別為943.48、1 179.4、3 774.07元·t-1[24]。

2.4.6 固碳釋氧價值 選用綠色植物的固碳量和釋氧量評估生態系統固碳釋氧功能,采用替代成本法利用碳固定成本和釋放氧氣成本核算生態系統固碳釋氧價值量,計算公式如下。

NEP=NPP-RS

(17)

RS=0.22×(e0.091 3T+ln(0.034 15×P+1))×30×46.5%

(18)

Qc=NEP×3.67×Pc

(19)

Qo=NEP×3.67×Po

(20)

式中:NEP為凈生態系統生產力,即固碳總量(t);NPP為生態系統凈初級生產力(t)[20];RS為土壤呼吸消耗的碳量(t),其中T為月均溫;P為月均降雨量(mm);Qc為生態系統固碳價值(元);Qo為生態系統釋氧價值(元);Pc為CO2固定成本(元·t-1),2000、2010年和2018年分別為253.33、380、512.17元·t-1;Po為釋放O2成本(元·t-1),2000、2010年和2018年分別為487.67、727、979.87元·t-1。

2.4.7 氣候調節價值 利用生態系統植被蒸騰量和水面蒸發量作為氣候調節的功能量,采用替代工程法核算生態系統氣候調節價值量,計算公式如下。

Qtt=Qpt+Qwe

(21)

(22)

(23)

Vtt=Qtt×Pe

(24)

式中:Qtt為生態系統蒸騰蒸發消耗的總能量(kW·h·a-1)[35];Qpt為植被蒸騰消耗的能量;Qwe為水面蒸發消耗的能量;EPPi為i類生態系統單位面積蒸騰消耗的熱量(kJ·m-2·d-1);Ai為i類生態系統面積(km2);D為空調開放天數,取120 d;r為空調能效比,取3;Ew為水面蒸發的水量(m3·a-1);ρ為水的密度,即1 g·cm-3;Q為揮發潛熱(J·g-1);Pe為電價。

2.5 生態系統文化服務價值

作為生態系統服務的重要組成部分,生態系統文化服務在提升人類福祉方面發揮了無可替代的重要作用[35]。在《規范》中,文化服務主要包含旅游康養、休閑游憩、景觀增值等,本研究選擇休閑游憩這一指標,利用人們在休閑游憩中的消費意愿估算生態旅游價值,按照生態旅游價值占旅游總收入比例的24.6%,運用旅行費用法核算北京市生態休閑游憩的文化服務價值。

3 結果與分析

3.1 生態系統生產總值

北京市2000、2010、2018年的GEP分別為2 572.45、3 961.02、5 603.04億元(表2),GDP分別為3 212.8、14 441.6、30 320億元。2018年,GEP三大服務中,調解服務價值量最大,為3 921.22億元;文化服務價值量次之,為1366.83億元;供給服務價值量最小,為315億元。GEP和GDP呈現雙增長態勢,但GEP漲幅遠落后于GDP漲幅,對應的綠金指數(GEP/GDP)分別為0.80、0.27、0.18。北京市作為中國第二大經濟城市,經濟的飛速發展使得經濟與生態之間的差距愈發明顯,“金山銀山”價值遠大于“綠水青山”。但GEP逐年穩定增長表明北京市生態價值轉換為經濟價值的潛力逐漸增大,森林經營技術的優化不僅促進林木生長,提高森林資源的綜合質量,維持森林生態系統的健康和活力,還滿足了社會經濟發展中人們對森林產品及其生態服務功能的需求。

表2 2000-2018年北京市生態系統服務功能量及價值量

3.2 生態系統生產總值的變化特征

由表3可知,2000-2018年,剔除物價因素(以2018年為基年),北京市生態系統生產總值表現為先快后慢的正增長趨勢。2000-2018年,北京市GEP增幅40.53%,實際增長1 616.10億元;2000-2010年,GEP由3 986.94億元增長到2010年的4 740.15億元,實際增長753.22億元,增幅為18.89%;2010-2018年,GEP由4 740.15億元增長到2018年的5 603.04億元,實際增長862.89億元,增幅為18.20%。

表3 2000年-2018年北京市生態系統生產總值變化

從2000-2010、2010-2018年2個區間看,北京市供給服務價值量增長率呈現先正增長后負增長的趨勢,變化幅度較大。北京市是世界上人口密度最大的城市之一,為迎合快速增長的人口,2000-2010年期間大力發展第一產業,生態供給價值量增幅高達113.28%,由115.82億元增加到345.99億元,實際增加253.86億元;供給價值量在2010-2018年實現34.10%的負增長,價值量實際減少162.97億元,其中林業產品在森林健康和質量精準提升經營技術以及北京市新一輪百萬畝造林工程拉動下實現價值量增長230.63%,而由于傳統農業縮減以及農業內部結構調整,2010年以來小麥等作物以及動物肉類、禽蛋類產品產量下降,農業產品、畜牧業產品以及漁業產品價值量下降明顯。雖然價值量呈現先增加后減少的變化趨勢,但總體而言,北京市生態產品供給能力逐步增強,供給產品充分保障了居民對物質增長的需求。

調解服務價值量呈現穩定正增長趨勢,2000-2010、2010-2018年增長率分別為3.42%、6.97%,實際變化價值量為121.15、255.61億元,雖然調解服務價值量增幅較小,但其基礎價值量較大。水源涵養、土壤保持和固碳釋氧等生態服務價值均表現為穩定增長的趨勢;洪水調蓄和水質凈化價值表現為先負增長后正增長的變化趨勢;空氣凈化和氣候調節價值雖表現為負增長趨勢,但變幅逐漸減小。2010-2018年調解服務指標價值量均有不同程度的增加,體現出山區森林經營優化了森林物種組成及林分結構,提升了北京市核心生態功能,實現了山區森林生態修復?？傮w而言,調解服務價值量變化反映出北京市在優化森林經營技術后山區森林質量顯著提高,生態系統服務功能不斷增強,保障了山區森林生態效益的實現。

文化服務價值量呈先快后慢的正增長趨勢,總體增長率較高。2000-2010、2010-2018年增長率分別為173.19%、129.11%,增幅超過100%;2000-2018年,價值量從218.37億元增加到1 366.83億元,實際增加1148.45億元,增幅525.91%,可見在這期間,休閑游憩對北京市經濟增長的貢獻率越來越大。北京市政府部門能夠結合當地歷史文化、人文資源發展旅游事業,將可持續發展理念深入旅游產業發展過程,使北京逐漸實現由“綠水青山”向“金山銀山”發展。

2000-2018年,調解服務由于其主導地位使北京市生態系統生產總值增長率較穩定,GEP的逐年增大以及各服務指標價值不同程度的增加驗證了山區森林經營技術優化實施提高了林地綜合質量,

生態環境服務功能得到進一步強化,經營效果明顯,使北京森林“綠起來”的同時也收獲了較好的生態效益,綜合效益逐步顯現。

4 討論

科學可行的森林經營方案及效益評價方法是我國林業健康、可持續發展的重要手段[36]。目前以生態系統生產總值評估森林經營技術實施效果的研究較少,本研究用GEP核算的方法對森林經營技術實施效果進行評估,用經濟價值反映經營技術實施產生的生態效益,通過科學評價經營效果不斷優化森林經營技術,為推進北京山區森林生態文明建設、促進可持續發展提供支撐[14]。

北京市是我國經濟核心地區,2000-2018年GEP較GDP低,體現出價值轉化率低,未能將生態價值充分轉化為經濟效益。GDP反映經濟發展實力,GEP反映生態文明水平,北京市需分析其生態系統優劣勢,進一步優化生態系統產品和服務價值結構,實施產業轉型升級,促進GEP向GDP高效轉化,從而推動北京市經濟、生態可持續發展。GEP與GDP的雙增長態勢一定程度上反映森林經營技術優化促進森林多重效益的發揮,實現了首都山區森林資源質量和生態服務功能的穩步提高,生態服務功能能夠推動區域經濟發展[37]。值得注意的是,社會經濟的快速發展以及城市化進程的加快促使人們對城市生態系統生態功能和服務需求激增,導致北京市生態系統發展仍存在一定的隱患,例如林業產品價值以及休閑游憩價值大幅度增加,可能會出現犧牲生態系統功能以獲取短時利益、森林過度采伐等行為。未來,管理者應該執行更加優化合理的森林經營技術,積極響應國家實施天然林保護和退耕還林還草號召,堅持一體化保護和系統化治理,與“雙碳”目標相結合,推動污染減排和綠色發展,從更長遠的維度衡量經濟社會的可持續發展[38]。

由于數據獲取、處理以及參考資料不同使核算結果存在誤差,在今后研究中需進一步深入完善和規范研究方法。雖然核算結果存在一定誤差,但該方法仍可有效反映北京市生態系統的生態效益,并根據核算結果反映出北京市山區森林經營技術實施效果良好,有利于以直觀的方式認識到北京市森林經營的生態效益,為后續森林經營技術進一步優化提供一定的參考依據。

5 結論

探討以GEP核算理論為基礎評價北京市山區森林經營技術對生態服務功能的增強效果,通過生態產品與服務價值實現視角定量評估區域生態產品與服務價值,為科學合理地提高山區森林經營水平提供重要參考,保證北京市經濟效益、生態效益和社會效益協同發展。本研究山區森林經營技術實施對生態系統作用效果如下。

2018年GEP三大服務中,調解服務價值量最大(3 921.22億元)、文化服務價值量次之(1 366.83億元)、供給服務價值量最小(315億元)。

2000、2010、2018年的GEP分別為2 572.45、3 961.02、5 603.04億元,GEP和GDP呈現雙增長態勢,GEP增速低于GDP,各年綠金指數分別為0.80、0.27、0.18,呈現逐年下降的趨勢。山區森林經營技術實施效果逐漸顯現,生態價值逐漸轉變為經濟價值。

根據2000-2018年GEP的變化情況,北京市GEP增幅40.53%,其中2000-2010、2010-2018年增幅分別為18.89%、18.20%,GEP增幅有所減緩。供給服務價值幅度為40.46%,調解服務價值增幅為10.63%,文化服務價值增幅525.91%。

在服務功能指標中,多項服務功能指標價值均表現為正增長的趨勢,其中以林業產品生產的價值增量、增幅最大,其次是休閑游憩的增長量;而畜牧業、漁業、農業產品以及氣候調節價值量出現負增長趨勢,但變幅較小;GEP核算結果總體保持穩定增長變化,生態系統服務功能價值逐年增加,表明森林經營技術的優化改善了林地綜合質量,生態系統服務功能顯著增強。