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基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究

葛韵宇 辛泊雨 李雄

葛韵宇, 辛泊雨, 李雄. 基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
引用本文: 葛韵宇, 辛泊雨, 李雄. 基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
Ge Yunyu, Xin Boyu, Li Xiong. Urban forest construction based on ecosystem service function improvement in warm temperate semi-humid areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
Citation: Ge Yunyu, Xin Boyu, Li Xiong. Urban forest construction based on ecosystem service function improvement in warm temperate semi-humid areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433

基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
基金项目: 国家自然科学基金项目“基于森林城市构建的北京市生态绿地格局演变机制及预测预警研究”(31670704)
详细信息
    作者简介:

    葛韵宇,博士生。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:geyunyu@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院

    通讯作者:

    李雄,教授,博士生导师。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:lixiong@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S731.2

Urban forest construction based on ecosystem service function improvement in warm temperate semi-humid areas

  • 摘要: 目的营建和谐健康的城市森林是解决城市问题的重要手段。探索以生态系统服务功能提升为目的的特定地区城市森林营建方式,对于有效指导城市森林建设,落实生态文明发展理念具有重要意义。方法以河北省秦皇岛滨海城市森林项目为研究基础,采用德尔菲法构建城市森林生态系统服务功能评价体系,利用判断矩阵建立评价模型,进而确定各项指标权重;通过权重对比,提出以提升生态系统服务功能为目的的项目区域城市森林规划方案;利用i-Tree软件组件模拟测算、对比营建城市森林前后的生态系统服务价值,科学验证提升生态系统服务功能的城市森林建设意义。结果模拟研究结果表明,基于生态系统服务功能提升的城市森林营建方案不仅具有重要的生态意义,也能产生较大的经济价值,其中,森林游憩价值提升最为显著。结论城市森林的调节服务、支持服务和文化服务是生态系统的核心服务功能。本研究依据生态系统服务功能的评价结果,结合研究区域的实际情况,从提升核心服务功能的角度出发,在植物群落、植物斑块构建,树种选择、生物栖息地营建以及游憩体验等方面提出的城市森林设计方案,可以为暖温带半湿润地区的城市森林营建提供有益参考。
  • 图  1  研究逻辑图

    Figure  1.  Logical structure of the study

    图  2  区位分析图

    Figure  2.  Location analysis plan

    图  3  斑块构建模式示意图

    Figure  3.  Patch construction schematic general view

    图  4  种植规划图

    Figure  4.  Planting plan

    图  5  生物栖息地构建模式示意图

    Figure  5.  Schematic general view of habitat construction

    图  6  游憩体系分析图

    Figure  6.  Recreation system analysis plan

    图  7  研究区域现状生态系统服务价值评估取样图

    Figure  7.  Sampling map of ESV assessment in the present situation of the study area

    图  8  现状土地利用覆被类型取样统计

    Figure  8.  Sampling statistics of current land use cover types

    图  9  不同树种固碳效益比较

    Figure  9.  Comparison of carbon fixation benefits of different trees

    表  1  指标重要性筛选

    Table  1.   Index importance screening

    打分项目 Scale project打分等级 Grade level
    指标与评价目标的相关性
    Correlation between index and evaluation target
    0(一般相关)
    0 (General correlation)
    1(较为相关)
    1 (Relatively correlation)
    2(高度相关)
    2 (High correlation)
    指标重要等级 Index importance level0(不重要) 0 (Insignificance)1(较为重要) 1 (More important)2(非常重要) 2 (Very important)
    指标的重复性 Index repeatability0(重复) 0 (Repetitive)1(不重复) 1 (Non-repetitive)
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    表  2  专家函询结果统计

    Table  2.   Statistics of expert correspondence consultation results

    生态系统服务
    功能指标
    Ecosystem service
    function indicator
    指标相关性
    (0 ~ 60)
    Index correlation
    (0−60)
    重要等级
    (0 ~ 60)
    Index importance level
    (0−60)
    重复性
    (0 ~ 30)
    Index repeatability
    (0−30)
    调节水量
    Regulating water
    volume (C1)
    363230
    净化水质
    Water purification
    182428
    固土
    Soil fixation (C2)
    484527
    保肥
    Fertilizer preservation
    484222
    固碳
    Carbon sequestration (C4)
    504626
    释氧
    Oxygen release (C5)
    524628
    林木营养积累
    Tree nutrient accumulation (C6)
    394321
    提供负氧离子
    Negative oxygen ion (C7)
    464828
    吸收污染物
    Absorb pollutants (C8)
    535026
    降低噪音
    Noise abatement
    342830
    滞尘
    Dust detention (C3)
    434626
    森林防护
    Forest protection (C9)
    385028
    物种保育
    Species conservation (C10)
    424830
    森林游憩
    Forest recreation (C11)
    545830
    产品供给
    Product supply
    302030
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    表  3  各评价指标相对重要性标度

    Table  3.   Relative importance scale of each factor

    标度
    Scale
    含义
    Specific interpretation
    1两个指标相比,具有同样重要性
    Two indicators are equally important
    3两个指标相比,一个指标比另一个指标稍微重要
    Comparing the two indicators, one indicator is slightly more important than the other
    5两个指标相比,一个指标比另一个指标明显重要
    Comparing the two indicators, one indicator is obviously more important than the other
    7两个指标相比,一个指标比另一个指标强烈重要
    Comparing the two indicators, one indicator is significantly more important than the other
    9两个指标相比,一个指标比另一个指标极端重要
    Comparing the two indicators, one indicator is extremely important than the other
    2,4,6,8上述两相邻判断中的中值
    Belong to the median of the above two adjacent judgment
    倒数
    Reciprocal
    指标ij比较得aij,则指标ji的比较可判aji = 1/aij
    aij can be obtained by comparing indexes i and j, so the comparison between index j and i indicates that aji = 1/aij
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    表  4  平均随机一致性指标RI取值参考

    Table  4.   RI value reference of average random consistency index

    阶数
    Order number
    123456789101112
    RI000.520.891.121.261.361.411.461.491.521.54
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    表  5  各评价指标判断矩阵

    Table  5.   Judgment matrix of each evaluation index

    指标
    Index
    C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11权重
    Index-weight (Wi)
    C111/31/31/41/31/21/31/21/21/31/60.028
    C231121/321/41/321/31/40.055
    C331131/3211/211/21/30.067
    C441/21/3111/21/21/31/21/31/50.044
    C533311211/231/31/40.089
    C621/21/221/211/31/31/21/41/50.039
    C734121311/2231/30.117
    C82323232131/31/40.114
    C921/2121/321/21/311/31/50.048
    C103323341/33311/40.136
    C11643545345410.263
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    表  6  城市森林生态系统服务功能评价体系

    Table  6.   Evaluation system of urban forest ecosystem service function

    目标层
    Target layer
    一级指标
    First-level indicator
    权重
    Index-weight (Wi)
    二级指标
    Second-level indicator
    权重
    Index-weight (Wi)
    城市森林生态系统服务功能评价体系
    Evaluation system of urban forest
    ecosystem service function
    调节服务
    Regulating service
    0.553C1调节水量 Water regulation0.028
    C2固土 Soil fixation0.055
    C3滞尘 Dust detention0.067
    C4固碳 Carbon sequestration0.044
    C5释氧 Oxygen release0.089
    C6林木营养积累 Tree nutrient accumulation0.039
    C7提供负氧离子 Negative oxygen ion0.117
    C8吸收污染物 Absorb pollutants0.114
    支持服务
    Support service
    0.184C9森林防护 Forest protection0.048
    C10物种保育 Species conservation0.136
    文化服务
    Cultural service
    0.263C11森林游憩Forest recreation
    0.263
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    表  7  游览时间计算表

    Table  7.   Tour schedule

    计算类别
    Calculation category
    游览类型
    Sightseeing category
    游览路径长度或游览数量
    Length of tour path /number of sightseeing
    平均停留时间
    Mean residence time
    总停留时间
    Total stay time/h
    人均道路步行时间
    Per capita road walking time
    沥青路 Asphalt road (4 m) 1 054.7 m 1.4 m/s 0.21
    火山岩路 Volcanic rock road (2 m) 582.2 m 1.4 m/s 0.12
    木栈道 Wooden plank road (2 m) 291.4 m 1.4 m/s 0.06
    滨水木栈道 Waterfront trestle road (2.5 m) 487.1 m 1 m/s 0.14
    人均节点游览时间
    Per capita node visit time
    节点 Node 6个 0.2 h 1.2
    人均设施使用时间
    Per capita facility utility time
    基础设施 Infrastructure 7个 0.2 h 1.4
    合计
    Total
    3.12
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    表  8  设计前后生态系统服务价值比较表

    Table  8.   Comparison of ESV before and after design

    生态系统服务
    功能类别
    Category of ES
    现状生态系统服务
    价值/(万元·a− 1
    Current status of ESV
    (104 CNY·year− 1)
    现状生态系统
    服务价值占比
    Proportion of
    current ESV/%
    规划生态系统服务
    价值/(万元·a− 1
    Planning of ESV
    (104 CNY·year− 1)
    规划生态系统
    服务价值占比
    Proportion of
    planning ESV/%
    调节水量
    Water regulation
    0.03 0.24 1.49 0.69
    固土
    Soil conservation
    1.25 9.91 5.23 2.43
    固碳
    Carbon sequestration
    1.56 12.37 26.30 12.23
    释氧
    Oxygen release
    0.78 6.19 5.84 2.71
    林木营养累积
    Nutrient substance
    5.91 46.87 24.69 11.48
    净化大气环境
    Purification of atmospheric
    0.14 1.11 3.23 1.50
    森林防护
    Forest protection
    1.67 13.24 7.00 3.25
    物种保育
    Biodiversity conservation
    1.27 10.07 3.19 1.48
    森林游憩
    Forest recreation
    0.00 0.00 138.14 64.22
    合计
    Total
    12.61 100 215.11 99.99
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    ZHAOGuang-jie, 李雪峰, 鲁绍伟, 王玉涛, 刘常富, 王云琦, 张路平, 何正权, 韩烈保, 洪伟, 王玉杰, 韩士杰, 赵广杰, 张建国, 何兴元, 张树文, 吴斌, 宋湛谦, 朱天辉, 何承忠, 李吉跃, 翟洪波, 温俊宝, LUOWen-sheng, 余新晓, 何友均, 白陈祥, 李增元, 吴庆利, 骆有庆, 张志毅, 童书振, 张养贞, 黄文豪, 陈尔学, 刘凤芹, 李俊清, 梁小红, 姜伟, 骆有庆, 匡秋明, 郭忠玲, FurunoTakeshi, ]魏晓霞, 林秦文, 何静, ]陈玮, 陈发菊, 赵桂玲, 梁宏伟, 李颖, 曾会明, RENQian, 郑兴波, 庞勇, 许志春, 张军, 崔国发, 张振明, 胡伟华, 安新民, 许志春, 张璧光, 杨凯, 雷渊才, 侯伟, 刘君, 郑杰, 赵广亮, 宋国正, 曹川健, PaulWolfgang, 李福海, 李凤兰, 董建生, 姚永刚, 张全来, 张有慧, 田桂芳, 李考学, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  沈阳城市森林三维绿量测算 . 北京林业大学学报, 2006, 28(3): 32-37.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-25
  • 修回日期:  2019-10-21
  • 网络出版日期:  2019-12-19
  • 刊出日期:  2020-01-14

基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
    基金项目:  国家自然科学基金项目“基于森林城市构建的北京市生态绿地格局演变机制及预测预警研究”(31670704)
    作者简介:

    葛韵宇,博士生。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:geyunyu@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院

    通讯作者: 李雄,教授,博士生导师。主要研究方向:风景园林规划设计与理论。Email:lixiong@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S731.2

摘要: 目的营建和谐健康的城市森林是解决城市问题的重要手段。探索以生态系统服务功能提升为目的的特定地区城市森林营建方式,对于有效指导城市森林建设,落实生态文明发展理念具有重要意义。方法以河北省秦皇岛滨海城市森林项目为研究基础,采用德尔菲法构建城市森林生态系统服务功能评价体系,利用判断矩阵建立评价模型,进而确定各项指标权重;通过权重对比,提出以提升生态系统服务功能为目的的项目区域城市森林规划方案;利用i-Tree软件组件模拟测算、对比营建城市森林前后的生态系统服务价值,科学验证提升生态系统服务功能的城市森林建设意义。结果模拟研究结果表明,基于生态系统服务功能提升的城市森林营建方案不仅具有重要的生态意义,也能产生较大的经济价值,其中,森林游憩价值提升最为显著。结论城市森林的调节服务、支持服务和文化服务是生态系统的核心服务功能。本研究依据生态系统服务功能的评价结果,结合研究区域的实际情况,从提升核心服务功能的角度出发,在植物群落、植物斑块构建,树种选择、生物栖息地营建以及游憩体验等方面提出的城市森林设计方案,可以为暖温带半湿润地区的城市森林营建提供有益参考。

English Abstract

葛韵宇, 辛泊雨, 李雄. 基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
引用本文: 葛韵宇, 辛泊雨, 李雄. 基于生态系统服务功能提升的暖温带半湿润地区城市森林营建研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
Ge Yunyu, Xin Boyu, Li Xiong. Urban forest construction based on ecosystem service function improvement in warm temperate semi-humid areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
Citation: Ge Yunyu, Xin Boyu, Li Xiong. Urban forest construction based on ecosystem service function improvement in warm temperate semi-humid areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 127-141. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180433
  • 城市拥有人类与自然高度融合的独特生态系统。城市化进程飞速发展导致的热岛效应、水土流失、空气污染等一系列“城市病”,致使人类与自然的关系面临巨大挑战。以树木为主体植被及其所在环境构成的城市森林生态系统是城市生态系统的重要组成部分,对于调节当地小气候环境、保护生物多样性、维护碳氧平衡、改善人类身体健康等方面具有突出作用[1-2]。营建健康、优美的城市森林,提升城市森林的生态系统服务功能,对于促进城市社会经济发展、保持城市生态系统健康、维护城市居民的和谐宜居环境,从而实现城市与森林和谐共生具有重要意义[3]

    生态系统服务(Ecosystem Services,ES)的现代定义始于20世纪70年代,指人类从生态系统获得的所有惠益。2005年,联合国《千年生态系统评估》(Millennium Ecosystem Assessment, MA)项目启动,将生态系统服务功能划分为供给、调节、文化、支持服务4个一级分类,30个二级分类以及37个三级分类[4]。除MA分类系统外,从不同研究视角出发,Costanza分类系统、Daily三分法、De Groot分类法等其他生态系统服务功能分类方法的出现,也为探究生态系统服务功能内涵奠定了基础。国家林业局于2008年颁布了《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》,界定了森林生态系统服务功能评估指标体系,将森林生态系统服务功能划分为8类共14个评估指标,成为我国森林生态系统服务价值(Ecosystem Services Value,ESV)的测算依据[5]。目前,国内针对城市森林生态系统服务功能的研究经历了由定性分析到定量研究的转变,在定量研究中,生态系统服务功能指标体系构建及评价是其中的重点研究领域。综合来看,针对特定地区城市森林生态系统评价指标的科学分类及评价的相关研究略显不足,特别是在生态系统服务功能评价过程中,因缺少权重设置,无法为各项评价指标的重要度排序,也就不能用评价结果具体指示森林营建发展方向,难以为城市森林规划提供有效指导。此外,生态系统服务功能评价研究与实际规划方案设计之间也存在脱节现象。在城市森林的规划设计实践中,诸多设计虽在一定程度上考虑到生态系统服务功能提升的相关内容,但由于缺乏科学的评价指标指导,使得设计成果往往脱离了提升生态系统服务功能的初衷。

    本文以秦皇岛市滨海城市森林为研究基础,构建基于该项目的城市森林生态系统服务功能评价体系,根据评价指标的权重对比,确定城市森林营建的重点发展方向,提出暖温带半湿润地区城市森林营建方案,最后利用i-Tree软件组件模拟测算,对比营建城市森林前后产生的生态系统服务价值,进一步验证基于生态系统服务功能提升的城市森林建设意义(图1)。

    图  1  研究逻辑图

    Figure 1.  Logical structure of the study

    • 城市森林的定义是从森林概念引申而来,主要包含城市建成区内的园林绿化资源以及城市近郊的森林资源,类型多样。作为连接城市生态系统、森林生态系统以及人类社会系统的重要组成部分,城市森林生态系统可为人类提供多种服务功能[6]。参考《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》中的8类14个指标,结合国内外生态系统服务功能分类研究,城市森林的生态系统服务功能可根据MA分类系统归纳为供给、调节、文化和支持服务4个大类。

      城市森林的生态系统服务功能研究是实现资源优化配置,构建城市森林生态系统服务功能评价体系的基础。城市森林的供给服务指城市森林生态系统可为人类社会系统提供水源、木材、药物、食物等产品的功能;调节服务指城市森林应对生态环境变化所起到的作用,包括抵御灾害、固碳、释氧、吸收有害物质、固土、保肥等;文化服务则直接反馈于人类社会系统,满足人类的游憩休闲、科普教育、文化展示等需求;支持服务是城市森林在提供物种栖息地、保护生物多样性等方面起到的作用[7]

    • 通过科学的方法构建城市森林生态系统服务功能评价体系,合理筛选评价指标,确定各项生态系统服务功能评价指标权重,对于指导旨在提升生态系统服务功能的城市森林营建具有重要意义。本研究采用德尔菲法对影响城市森林生态系统服务功能的重要指标进行筛选、评定及增补,利用判断矩阵构建评价模型,函询专家对筛选后的优化指标评定权重,最后通过确定各项指标的相对重要性标度,探讨可发挥生态系统服务功能的城市森林营建方式。

      城市森林的区位、规模、场地现状以及周边用地性质不同,其营建方式也会有所差别。本文以秦皇岛滨海城市森林为研究区域,结合该项目的具体情况,构建暖温带半湿润地区的城市森林生态系统服务功能评价体系,也为其他类似城市森林营建提供有效参考。

    • 秦皇岛滨海城市森林位于河北省秦皇岛市海港区与北戴河区交界处,总面积约为14.3 hm2,地理位置优越,交通可达性高。研究区域被金海湾森林逸城、金屋秦皇半岛、市政府家属院3处居住区环绕(图2),东侧临近渤海湾,气候条件较为湿润,受海潮风的影响较大。周边用地性质主要为行政办公用地和居住用地,其中居住用地总面积高达128.7 hm2

      图  2  区位分析图

      Figure 2.  Location analysis plan

      研究区域内植被现状条件整体较差,以野生地被为主,植被层次单一。由于此区域内地下水水位较高,场地东南部有两处自然水塘。场地现存人工现状主要为一处废弃的钢筋混凝土材质的铁路道桥。

    • 本研究所选取的城市森林生态系统服务功能评价指标主要参考《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》中的14项评估指标,结合相关研究,增加产品供给指标,形成包括调节水量、净化水质、固土、保肥、固碳、释氧、林木营养积累、提供负氧离子、吸收污染物、降低噪音、滞尘、森林防护、物种保育、森林游憩以及产品供给指标在内的15项指标作为指标筛选工作的基础。采用德尔菲法函询30位专家学者(所选专家的研究领域包括生态学6人、景观生态学11人、风景园林学13人)。邀请专家以研究区域的概况为基础条件,依据15项指标的相关性、重要性和重复性进行评定,提出关于指标的优化建议(表1)。

      表 1  指标重要性筛选

      Table 1.  Index importance screening

      打分项目 Scale project打分等级 Grade level
      指标与评价目标的相关性
      Correlation between index and evaluation target
      0(一般相关)
      0 (General correlation)
      1(较为相关)
      1 (Relatively correlation)
      2(高度相关)
      2 (High correlation)
      指标重要等级 Index importance level0(不重要) 0 (Insignificance)1(较为重要) 1 (More important)2(非常重要) 2 (Very important)
      指标的重复性 Index repeatability0(重复) 0 (Repetitive)1(不重复) 1 (Non-repetitive)

      根据专家函询反馈结果(表2),15项指标中重复性最高的指标为保肥和林木营养积累,相关性最弱的指标为净化水质和产品供给,重要等级最低的指标为净化水质、产品供给以及降低噪音。参考反馈结果,将保肥和林木营养积累指标合并为林木营养积累,剔除净化水质以及降低噪音两项相关性和重要性均较弱的评价指标,最终筛选出调节水量、固土、固碳、释氧、林木营养积累、提供负氧离子、吸收污染物、滞尘、森林防护、物种保育、森林游憩11项强相关的重要城市森林生态系统服务功能指标。

      表 2  专家函询结果统计

      Table 2.  Statistics of expert correspondence consultation results

      生态系统服务
      功能指标
      Ecosystem service
      function indicator
      指标相关性
      (0 ~ 60)
      Index correlation
      (0−60)
      重要等级
      (0 ~ 60)
      Index importance level
      (0−60)
      重复性
      (0 ~ 30)
      Index repeatability
      (0−30)
      调节水量
      Regulating water
      volume (C1)
      363230
      净化水质
      Water purification
      182428
      固土
      Soil fixation (C2)
      484527
      保肥
      Fertilizer preservation
      484222
      固碳
      Carbon sequestration (C4)
      504626
      释氧
      Oxygen release (C5)
      524628
      林木营养积累
      Tree nutrient accumulation (C6)
      394321
      提供负氧离子
      Negative oxygen ion (C7)
      464828
      吸收污染物
      Absorb pollutants (C8)
      535026
      降低噪音
      Noise abatement
      342830
      滞尘
      Dust detention (C3)
      434626
      森林防护
      Forest protection (C9)
      385028
      物种保育
      Species conservation (C10)
      424830
      森林游憩
      Forest recreation (C11)
      545830
      产品供给
      Product supply
      302030

      根据城市森林的生态系统服务功能分类以及指标筛选结果,城市森林的供给服务功能重要等级较低,可不纳入评价指标体系。其他优选指标中,调节水量、固土、滞尘、固碳、释氧、吸收污染物、提供负氧离子、林木营养积累属于调节服务功能指标;森林游憩属于文化服务功能指标;森林防护、物种保育功能属于支持服务功能指标。

    • 本研究参考MA分类系统,划定调节服务功能、文化服务功能和支持服务功能为城市森林生态系统服务功能评价体系中的一级指标,根据专家函询结果筛选出的11项优选指标为二级指标。鉴于指标层级较为简单且指标项数较少,本研究直接针对二级指标,通过函询专家,以评价指标相对重要性标度为依据进行指标重要度两两对比,构建评价指标判断矩阵,进一步确定各项指标权重(表3)。

      表 3  各评价指标相对重要性标度

      Table 3.  Relative importance scale of each factor

      标度
      Scale
      含义
      Specific interpretation
      1两个指标相比,具有同样重要性
      Two indicators are equally important
      3两个指标相比,一个指标比另一个指标稍微重要
      Comparing the two indicators, one indicator is slightly more important than the other
      5两个指标相比,一个指标比另一个指标明显重要
      Comparing the two indicators, one indicator is obviously more important than the other
      7两个指标相比,一个指标比另一个指标强烈重要
      Comparing the two indicators, one indicator is significantly more important than the other
      9两个指标相比,一个指标比另一个指标极端重要
      Comparing the two indicators, one indicator is extremely important than the other
      2,4,6,8上述两相邻判断中的中值
      Belong to the median of the above two adjacent judgment
      倒数
      Reciprocal
      指标ij比较得aij,则指标ji的比较可判aji = 1/aij
      aij can be obtained by comparing indexes i and j, so the comparison between index j and i indicates that aji = 1/aij

      计算各项指标权重需根据公式(1)对每一行指标项对比结果乘积的n次方根进行归一化处理。同时,还需对权重结果的合理性,通过公式(2)和(3)进行验证,判断矩阵的最大特征值λmax是否满足一致性要求。

      $$ {W_i} = \sqrt[{{n}}]{{{M_i}}}/\mathop \sum \limits_{{{i}} = 1}^{{n}} \sqrt[{{n}}]{{{M_i}}} $$ (1)

      式中:Wi为各项指标权重,n为评价指标项数,Mi为每一行指标项对比结果的乘积。

      $$ \lambda _{\rm{max}} = \mathop \sum \limits_{{{i}} = 1}^{{n}} \frac{{{{A}}W{_j}}}{{{{n}}{W_i}}} $$ (2)

      式中: λmax为判断矩阵的最大特征值,A为判断矩阵。

      λmax > n,则需要根据公式(3)进行矩阵一致性验证。

      $$ {\rm{CR}} = \frac{{\lambda _{\rm{max}} - n}}{{\left( {n - 1} \right){\rm{RI}}}} $$ (3)

      式中:CR为判断矩阵一致性判断指标,RI为n阶矩阵平均随机一致性指标。

      若CR < 0.1,则判断矩阵满足一致性。平均随机一致性指标及取值见表4[8]

      表 4  平均随机一致性指标RI取值参考

      Table 4.  RI value reference of average random consistency index

      阶数
      Order number
      123456789101112
      RI000.520.891.121.261.361.411.461.491.521.54

      本研究将调节水量、固土、滞尘、固碳、释氧、林木营养积累、提供负氧离子、吸收污染物、森林防护、物种保育、森林游憩11项二级指标按顺序命名为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11,函询专家对指标重要度进行两两对比。通过统计处理专家函询打分结果,得出城市森林生态系统服务功能指标重要度判断矩阵(表5)。

      表 5  各评价指标判断矩阵

      Table 5.  Judgment matrix of each evaluation index

      指标
      Index
      C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11权重
      Index-weight (Wi)
      C111/31/31/41/31/21/31/21/21/31/60.028
      C231121/321/41/321/31/40.055
      C331131/3211/211/21/30.067
      C441/21/3111/21/21/31/21/31/50.044
      C533311211/231/31/40.089
      C621/21/221/211/31/31/21/41/50.039
      C734121311/2231/30.117
      C82323232131/31/40.114
      C921/2121/321/21/311/31/50.048
      C103323341/33311/40.136
      C11643545345410.263
    • 城市森林生态系统服务功能评价体系共分为两级指标,调节服务一级指标下设调节水量、固土、滞尘、固碳、释氧、林木营养积累、提供负氧离子以及吸收污染物功能等二级指标;支持服务一级指标下设森林防护以及物种保育功能二级指标;文化服务一级指标下设森林游憩功能二级指标(表6)。

      表 6  城市森林生态系统服务功能评价体系

      Table 6.  Evaluation system of urban forest ecosystem service function

      目标层
      Target layer
      一级指标
      First-level indicator
      权重
      Index-weight (Wi)
      二级指标
      Second-level indicator
      权重
      Index-weight (Wi)
      城市森林生态系统服务功能评价体系
      Evaluation system of urban forest
      ecosystem service function
      调节服务
      Regulating service
      0.553C1调节水量 Water regulation0.028
      C2固土 Soil fixation0.055
      C3滞尘 Dust detention0.067
      C4固碳 Carbon sequestration0.044
      C5释氧 Oxygen release0.089
      C6林木营养积累 Tree nutrient accumulation0.039
      C7提供负氧离子 Negative oxygen ion0.117
      C8吸收污染物 Absorb pollutants0.114
      支持服务
      Support service
      0.184C9森林防护 Forest protection0.048
      C10物种保育 Species conservation0.136
      文化服务
      Cultural service
      0.263C11森林游憩Forest recreation
      0.263

      城市森林生态系统服务功能评价体系与《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》相比,具有以下优势:首先,本研究确定的城市森林生态系统服务功能评价体系分类参照MA分类系统划定为4类,对比《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》中的8个类别,针对性更强,分类体系更为清晰;其次,城市森林生态系统服务功能评价体系涉及的具体评价指标经过重要性、相关性以及重复性的筛选,确保筛选出的11个指标与城市森林的生态系统服务功能的联系最为紧密,可保证后续评价的科学性和合理性;第三,本研究针对城市森林生态系统服务功能评价体系增设较为科学的权重体系,可用于衡量各个指标之间的重要程度。

    • 城市森林生态系统服务功能评价体系指标权重结果表明,一级指标的调节服务、支持服务和文化服务权重排序分别为0553、0.184和0.263,其中调节服务功能占比最大。由于支持服务和文化服务两项一级指标下设二级指标项数较少,对比二级指标权重值,由高到低依次为:森林游憩、物种保育、提供负氧离子、吸收污染物、释氧、滞尘、固土、森林防护、固碳、林木营养积累、调节水量。城市森林的森林游憩功能、物种保育功能所占权重相对较大,调节服务中的吸收污染物、提供负氧离子、释氧功能对于大气环境的调节功能指标权重值相对较高,在城市森林营建过程中应综合考虑如何实现森林游憩、物种保育和大气环境调节功能。

    • 区别于一般森林,基于生态系统服务功能提升的城市森林营建应着重考虑如何发挥森林游憩功能、物种保育功能以及对于大气环境的调节功能。根据城市森林生态系统服务功能评价体系指标权重对比结果,针对秦皇岛滨海城市森林营建制定以下原则。

    • 调节服务功能是城市森林生态系统服务功能评价体系中所占权重比例最高的一级指标,其下设二级指标中,提供负氧离子、吸收污染物、释氧与调节大气环境质量高度相关的指标权重占比最高。因此,发挥城市森林对于大气环境质量的调节功能在城市森林营建中至关重要。在具体实践中,城市森林的群落结构、斑块组成以及树种选择对城市森林调节服务功能的影响最大。

      群落结构能够固碳释氧、改善大气环境,其中郁闭度、乔灌草比例以及常绿落叶树比例等指标是影响群落生态效益发挥的关键。郁闭度指森林中乔木树冠冠幅与林地总面积的比例,是植物与自然环境相互作用,产生能量交换和生态效益的重要指标之一[9]。乔木灌木和地被组成的群落垂直结构可丰富环境次级结构的多样性[10]。此外,群落的常绿树与落叶树比例也是影响城市森林改善大气环境的重要指标之一。构建科学合理的城市森林群落结构,需综合考虑城市森林生态效益以及使用人群的游憩需求。

      城市森林斑块的面积、周长、形状指数与城市森林斑块特性及其影响范围密不可分。斑块的形状指数是通过计算某斑块形状与相同面积的规则图形之间的偏离程度,来描述斑块形状复杂程度的指标[11]。构建具有良好调节服务功能的城市森林需要设计大小合理、形状复杂的斑块。

      树种选择是城市森林营建过程的重要一环。城市森林的树种选择首先应遵循适地适树原则,优先选取可以充分适应当地环境和气候条件的乡土植物,从而保证城市森林生态效益的发挥[12]。因此,在主要使用乡土树种的基础上,优先选择吸收污染物能力强、释氧量高和释放负氧离子能力较高的树种。

    • 物种保育作为城市森林最重要的支持服务功能,是生态系统服务功能评价体系中权重占比第二高的二级指标。城市森林营建需立足于现状,在深入调研场地原生生物分布情况的基础上,充分考虑哺乳类、爬行类、鸟类、两栖类、鱼类、底栖类等生物类型对于生境的不同需求。如鸟类主要栖息于林地和湿地水域,野兔等哺乳类动物主要栖息于林地和草地。兼顾多种生境类型的营建,为不同目标生物营建多样化的生境类型,是打造良好生物栖息地的必然需求。

      良好的生物栖息地还需具有可为动物提供适宜的栖息环境和食源丰富的植物类型。在充分考虑研究范围气候条件的基础上,选取可适应当地环境的植物,并结合所选目标物种的特性,适当增加生境内的食源植物和蜜源植物,是营造良好生物栖息环境的关键。

    • 森林游憩具有城市森林生态系统的文化服务功能,在整个评价体系的二级指标中所占权重最高,在城市森林营建中应重点考虑。作为城市绿色空间和开放空间,城市森林为游人提供了认知自然、休闲游憩、放松身心的场所。针对目前对于城市森林游憩功能认知不足,缺乏系统规划,以致城市森林游憩项目类型同质化现象严重的状况,需要打造城市森林特色游览体系、科普标识体系以及重点景观节点。

      构建完善的游览体系是实现城市森林游憩功能的基础。充分发挥森林游憩功能要根据城市森林所处区位、周边环境以及面向的使用人群及规模的不同,设计尺度适宜的游览体系。在充分利用场地原有地形地貌的基础上,不仅要综合考虑不同类型使用人群的需求,还需兼顾评估城市森林的环境容量以及使用群体数量,合理设计游线,形成类型丰富、多层级的游览体系;设计类型多样的科普园,形成特色鲜明、完善的科普标识体系,以便提升游客游憩品质、完善城市森林游憩功能。此外,要因地制宜,充分发掘当地人文历史特色,将人文景观资源和自然景观资源有机结合,打造多样化的重要景观节点,从而提升城市森林使用者的游览感受、塑造城市森林风貌特色。

    • 本研究在秦皇岛滨海城市森林项目的基础上,依据城市森林生态系统服务功能的评价结果,以城市森林营建原则为指导,从调节服务功能、支持服务功能、文化服务功能的角度,全面开展暖温带半湿润地区城市森林生态系统服务功能提升的设计实践。

    • 如前所述,城市森林的群落结构、植物斑块结构以及树种选择是实现城市森林对于大气环境质量调节服务功能的重要内容。

      (1)城市森林的植物群落构建

      科学合理的城市森林的植物群落首先要具有合理的城市森林郁闭度。多位学者对此进行了大量研究,结果表明,从改善大气环境质量角度出发,森林郁闭度在80%左右,种植密度为0.08 ~ 0.12株/m2时,能够达到最佳滞尘效果[13];从改善城市小气候环境角度考虑,绿化覆盖率达到60%以上的绿地才能形成城市低温区域[14];郁闭度越高的城市森林具有更高的城市降温效益[15];兼顾考虑使用人群的游览体验,郁闭度在60% ~ 80%之间的城市森林美景度最佳,大于80%会给人带来压抑感从而影响游憩体验[16]。结合相关研究成果,为更好地实现城市森林的调节服务功能,植物群落郁闭度宜控制在60% ~ 80%之间。本研究综合考虑现状植被条件以及游人游憩需求,全园森林郁闭度约为74.3%。

      群落的垂直结构是植物群落构建的关键因素之一。研究表明,乔灌草的复合种植模式不仅有利于净化空气颗粒物、具有更为显著的降温增湿效益,更有优于单层结构的降低污染物效果[17]。因此,构建乔灌草复合垂直结构群落是营造良好城市森林生境的基础。针对种植比例的研究,有学者认为,绿地产生生态效益最佳的种植比例不少于乔木(株)、灌木(株)、草本(m2)与绿地(m2)的1∶6∶21∶29[18];研究表明,对于秦皇岛典型植物群落的种植模式,与其他结构相比,乔灌草复合种植模式对于滞尘和提升空气负离子浓度的作用更大,乔木所占比例更高的植物群落可产生更高的生态效益[19]。本研究综合考虑前期投入及后续运营成本,在最低比例要求基础上,适当提升乔木比例,降低灌木比例,控制每29 m2的绿地中乔木(株)、灌木(株)和草本(m2)比例约为2∶5∶21。

      城市森林营建还需考虑树种的合理搭配。常绿树和落叶树的比例是影响植物群落调节功能的重要指标。研究表明,大多数阔叶树种的固碳速率高于针叶树种[20];相关研究证实了常绿针叶树对去除空气污染物以及滞尘的作用更明显[21];一般公园绿地植物配置中常绿树与落叶树比例约为1∶3[22],因此,适当提高常绿树占比更有利于提升城市森林的生态系统调节服务功能。鉴于常绿树在滞尘释氧等调节功能方面的作用均优于落叶树,为提升城市森林对于改善大气环境质量的作用,本研究适当增加常绿树比例,构建常绿树与落叶树比例约为3∶5的城市森林。

      (2)城市森林的植物斑块构建

      城市森林斑块的面积、周长以及形状指数对于实现城市森林的调节服务功能具有重要影响。根据相关研究,斑块面积在2.8 ~ 27 hm2之间,对周围温度影响作用明显;城市森林产生冷岛效益的最小斑块周长为181.3 m,当斑块周长为2.5 km时作用效率最大;城市森林的形状指数越大,越能够促进斑块内部能量、物质和周围环境的交换,从而有效发挥城市森林调节服务功能[23]。本研究综合考虑项目城市森林尺度,构建面积在2.8 ~ 5 hm2之间、周长在180 ~ 2 500 m之间、形状指数复杂的城市森林斑块。应用彩叶树种营建植物斑块有助于发挥绿地的观赏价值[24]。为最大程度模拟自然森林,本研究以大规格的苗木作为外围边界,采用不同规格苗木混栽的方式,并通过彩叶树种丰富景观层次,从而构建斑块形状指数复杂、异龄、异种的近自然城市森林斑块(图34)。

      图  3  斑块构建模式示意图

      Figure 3.  Patch construction schematic general view

      图  4  种植规划图

      Figure 4.  Planting plan

      (3)城市森林的树种选择

      树种选择可极大程度上影响城市森林生态效益的发挥。参考《国家森林城市评价指标》相关要求,营建城市森林所应用的树种中,乡土树种所占比例应高于80% [25]。秦皇岛具有典型的暖温带植物区系特点,植物种类繁多,共有138科、1 323种乡土植物[26]。综合考虑项目位于滨海区域,土质沙化较严重,同时还伴有海潮风及土壤盐碱化的问题,本研究选择其中抗性强、景观效果好的树种以保证植物成活率。同时,为更好的发挥城市森林调节服务功能,在主要使用秦皇岛乡土树种的基础上,优先选择吸收污染物能力强、释氧量高、释放负氧离子量高的树种。经过筛选,最终选取包括刺槐(Robinia pseudoacacia)、栾树(Koelreuteria paniculata)在内的24科共84种乔木,其中乡土植物占比81%。拟种大乔木7 733株,其中常绿树3 130株,落叶乔木4 603株,小乔601株,其中69种为乡土树种。

    • 物种保育功能是城市森林提供的重要支持服务功能。基于场地现状条件,营造良好的生物栖息地是实现城市森林物种保育功能的基础。场地内部原有生境条件较差,主要原生生物为鸟类及昆虫,以及现状水塘内的少量鱼类。为营建良好的生物栖息地,在原有地形地貌基础上,结合两处现状水塘,打造面积约2.3 hm2的湿地水系。水体具有浅滩、半岛和岛屿等多种水体类型,驳岸形式主要为自然驳岸,岸线较为蜿蜒曲折,可创造更为丰富的栖息生境[27]。通过微地形的打造,营造生物栖息避风港,形成良好生境(图5)。

      图  5  生物栖息地构建模式示意图

      Figure 5.  Schematic general view of habitat construction

    • 文化服务功能是城市森林区别于一般森林需着重考虑的服务功能。构建具有特色的游览体系是发挥城市森林游憩服务功能的关键。综合考虑周边不同年龄层居民的使用需求,在突出城市森林生态系统自然属性的基础上,结合森林康养、森林科普等新兴城市森林研究主题,构建兼具景观性、功能性和科普性的游览空间。

      本研究构建的道路交通体系由以“康体健身”为主题的环形路和木栈道两级构成,为降低游人对于森林核心保护区的干扰度,路网密度与一般城市公园相比较低。特色景观节点包括结合场地原有废弃铁路道桥构建的空中花园及空中栈道和以乔木、观赏草、果树和观花灌木为展示主题的4处植物展示科普园。结合科普标识系统,形成完善的城市森林游览体系,以此实现城市森林的文化服务功能(图6)。

      图  6  游憩体系分析图

      Figure 6.  Recreation system analysis plan

    • 本研究选取合理的模拟评估方法,测算研究区域城市森林营建方案的效益,通过对比营建前后生态系统服务功能的变化,评估基于生态系统服务功能提升的城市森林营建所产生的服务价值,为城市森林实际建设提供进一步指导。

    • 生态系统服务价值评估是基于基础数据、生态学原理、经济学和社会学方法,从货币价值量的角度对生态系统服务功能进行定量评估[28]。评估城市森林的生态系统服务价值可通过价值量直观反映城市森林产生的生态系统服务功能。目前,最常用的评估方法为传统公式法和定量模型法,CITYgreen、InVEST以及i-Tree等国外城市森林生态功能效益结构模型也应用广泛。其中,i-Tree模型由于其具有评价尺度灵活、评价模块类型多样以及拥有大量全球基础数据等显著优势,更为适合模拟研究[29-30]。为解决i-Tree模型部分所需数据难以获得,以及模型中部分参数具有中美差异等问题,本研究在测算中结合《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》对一些参数进行调整。

      i-Tree Eco组件可实现城市森林对于径流消减的效益模拟,组件内置全球各地共9 312种乔木构建异速生长模型,可以准确模拟选用不同树种的固碳释氧效益,canopy和eco组件均可提供城市森林消除一氧化碳、臭氧、二氧化氮、二氧化硫、PM2.5的效益模拟,从而实现对于调节水量、吸收污染物、滞尘、释氧、固碳以及提供负氧离子功能价值的测算。固土、林木营养积累、森林防护以及物种保育价值可通过参考公式测算。固定土壤价值参考公式(4)和公式(5)计算;城市森林可以通过生化反应吸收氮、磷、钾等营养物质[31],林木营养积累价值可以通过固氮量、固磷量以及固钾量3个指标衡量,参考公式(6)计算;森林防护价值考虑到研究区域属于滨海城市森林,防护功能主要为防风固沙价值,采用生态认购价格,参考公式(7)计算;物种保育价值依据不同等级多样性指数对应的每年单位面积物种损失的机会成本,根据公式(8)计算;森林游憩价值测算根据可掌握的数据,参考常用的游憩价值评估方法,选择旅行费用法(Travel Cost Method,TCM)评估城市森林游憩资源价值。TCM法是通过观察游客来源和消费状况等评价非市场环境物品与资源经济价值的方法[32],可根据公式(9)计算。

      $$ {G_{{\text{固土}}}} = A\left( {{X_2} - {X_1}} \right) $$ (4)

      式中:G固土为城市森林年固土量(t/a);A为城市森林面积(hm2);X2为无林地侵蚀模数(t/(hm2·a)),X1为有林地侵蚀模数(t/(hm2·a))。

      $$ {U_{{\text{固}}}} = A{C_{{\text{土}}}}\left( {{X_2} - {X_1}} \right)/P $$ (5)

      式中:U为城市森林年固定土壤价值(元/a);C为挖取和运输单位体积土方所需费用(元/m3);P为林地土壤密度(t/m3)。

      $$ {U_{{\text{营养}}}} = A{B_{{\text{年}}}}\left( {{N_{{\text{营养}}}}{C_1}/{R_1} + {P_{{\text{营养}}}}{C_1}/{R_2} + {K_{{\text{营养}}}}{C_1}/{R_3}} \right) $$ (6)

      式中:U营养为城市森林年营养物质积累价值(元/a);B为城市森林净生产力(t/(hm2·a));N营养为林木含氮量(%);P营养为林木含磷量(%);K营养为林木含钾量(%);R1为磷酸二铵化肥含氮量(%);R2为磷酸二铵化肥含磷量(%);R3为氯化钾化肥含钾量(%);C1为磷酸二铵化肥价格(元/t);C2为氯化钾化肥价格(元/t)。

      $$ \begin{aligned} \;\\ & {U_{{\text{固沙}}}}=A{K_{{\text{固沙}}}} \end{aligned} $$ (7)

      式中:U固沙为城市森林年防风固沙价值(元/a);K固沙为防风固沙生态认购价格(元)。

      $$ {U_{{\text{生物}}}}={S_{{\text{生}}}}A $$ (8)

      式中:U生物为城市森林年物种保育价值(元/a);S为单位面积年物种损失的机会成本(元/hm2·a)。

      $$ {U_{{\text{游憩}}}} = C\lambda \left( {{T_1} + {T_2}} \right) $$ (9)

      式中:U游憩为年森林游憩价值(元/a);C为年游客人次(人);λ为年人均时薪(元/(人·h));T1为出行时间(h);T2为游览时间(h)。

    • i-Tree canopy组件通过在谷歌地图上自行定义研究范围,随机生成样本点来调查土地覆盖类型,并在此基础上进行生态系统服务价值初步评估。根据用户手册,统计样本点的数量决定了结果的精确度,400 ~ 500个样本点是推荐数量。本研究共添加400个样本点进行现状土地利用覆盖类型统计和生态效益评估[33]图7)。根据随机取样结果显示,400个随机取样样本中,乔木样本47个,灌木样本71个,草地样本75个,水体样本38个,人工构筑样本5个,荒地样本164个(图8)。根据现状水塘占全园面积比例可知取样结果较为可信。调整模型收益参数不仅可使模型评估结果更符合我国国情,更有助于实现研究区域建设前后的效益对比。i-Tree canopy中所有收益参数与下文i-Tree eco中参数保持一致。

      图  7  研究区域现状生态系统服务价值评估取样图

      Figure 7.  Sampling map of ESV assessment in the present situation of the study area

      图  8  现状土地利用覆被类型取样统计

      Figure 8.  Sampling statistics of current land use cover types

    • (1)定义城市基础信息

      创建新的i-Tree Eco文件,选择研究区域所处的国家及地区,并填入城市基础信息:秦皇岛市常住人口为311.08万人;气象信息综合考虑信息的完整度以及项目所处区位,选择位于编号为546 620 ~ 99 999气象站收集到的2013年气象和污染物数据用作模拟。

      (2)输入主要植物信息

      Eco模块中的树种数据“Species List”作为强大的数据库支持,本研究对照树种代码,输入研究需要的植物种类、拉丁名、树木胸径、树高等具体植物数据,导入模型。

      (3)调整模型内置参数

      模型内置参数包括收益和成本两方面,调整收益参数可使模型评估结果更符合我国国情。本研究收益参考秦皇岛市生活用电以及生活天然气取费标准,分别取0.52元/(kw·h)和338元/m3;消解径流价格参考《排污征收费及计算方法》取2.09元/m3;其他改善大气质量的相关参数参考《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》,调整模型内置参数。成本参数主要为城市森林的养护成本,参考《绿化养护标准及收费办法》中的三级养护质量标准,完成模型内置参数矫正。

      (4)检测上传数据

      使用Check Data功能,检测上传数据。数据检测通过,即为导入数据成功无误,可以直接将数据上传服务器,生成模拟结果及评估分析报告。

    • (1)调节水量效益

      i-Tree Eco模型中模拟城市森林涵养水源效益通过植被消解地表径流的体积计算。模型计算结果显示,根据模型采用的气象数据,拟建城市森林每年可消解径流715 m3,径流消减价值为2.09元/m3,营建城市森林可产生的调节水量效益约为1.49万元/a,共可涵养降水83.3 mm。

      (2)固土效益

      城市森林固土价值可通过年固土量结合土方费用以及土壤密度求得。研究范围内林地面积为10.62 hm2,参考秦皇岛北戴河区森林生态系统服务价值相关研究,无林地土壤侵蚀模数取37.58 t/(hm2·a),有林地土壤侵蚀模数取545.78 t/(hm2·a)[34],算得秦皇岛滨海城市森林年固土量为5 397.08 t/a,林地土壤密度取1.3 t/m3,挖除单位面积土方费用根据规范取12.6元/m3,可得城市森林固土价值约为5.23万元/a。

      (3)固碳效益

      城市森林通过直接吸收和间接减排来减少大气中的碳含量,i-Tree Eco模型根据拟种树种的数量和规格提供城市森林的固碳效益模拟。不同树种的生长和死亡均会影响城市森林的固碳效益,根据模型对于不同树种的生长情况模拟可知,国槐(Sophora japonica)、栾树、旱柳(Salix matsudana)、毛白杨(Populus tomentosa)、银杏(Ginkgo biloba)、刺槐、蜀桧(Juniperus komarovii)、华山松(Pinus armandii)、黑松(Pinus thunbergii)和油松(Pinus tabuliformis)是固碳价值排名前10的树种(图9)。根据模型运算结果,本研究中涉及到的8 334株乔木,每年可减少碳排放21.89 t,产生减碳效益为26.3万元/a。

      图  9  不同树种固碳效益比较

      Figure 9.  Comparison of carbon fixation benefits of different trees

      (4)释氧效益

      植物的释氧能力与固碳能力直接相关,模型评估本项目拟种乔木释氧能力为每年58.37 t,参考推荐数据,释氧价值为5.84万/a。

      (5)林木营养积累效益

      城市森林累积营养物质的功能是保持土壤肥力的关键。采用褐土的平均肥力水平计算,林地的含氮量取0.08%,含磷量取0.01%,含钾量取0.1%,土壤中有机质含量取2%,城市森林净生产力为其产生有机质的重量,取5.3 t/(hm2·a)[35]。根据参考价值,磷酸二铵化肥含氮量、含磷量和氯化钾化肥的含钾量分别为14%、15.01%和50%,磷酸二铵化肥、氯化钾化肥和有机质价格分别为2 400、2 200和320元,算得城市森林累积营养物质量为24.69万元/a。

      (6)净化大气环境效益分析

      城市森林具有的吸收污染物、滞尘以及提供负氧离子等功能,均可产生净化大气环境效益。i-Tree Eco模型根据选取气象污染物数据,模拟区域内共解决了包括臭氧、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮和PM2.5在内的684 kg空气污染物,产生3.23万元的效益。除去除污染物外,研究区域每年还可释放294.9 kg对于人身体有益的挥发性有机化合物VOCs,进一步提高了生态环境质量。

      (7)森林防护效益

      考虑到本研究的区位,该城市森林的防护价值主要体现为防风固沙价值。防风固沙生态认购价格取6 593元/(hm2·a)[36],可得本城市森林的防护价值约为7.00万/a。

      (8)物种保育效益分析

      计算城市森林对于物种保育的意义可根据公式(10)计算城市森林的Shannon-wiener指数:

      $$ H = - \sum_i {P_i}{\rm{ln}}{P_i} $$ (10)

      式中:Pi为第i个物种个体数占总个体数的比例。

      在城市森林设计中随机取100 m × 100 m的区域,可估算出此区域内生物多样性指数为1.9。根据指数范围划分的物种保育价值,单位面积年物种损失的机会成本为5 000元,可得城市森林的物种保育价值为3.19万元/a。

      (9)森林游憩效益分析

      参考2017年秦皇岛就业人员平均工资[37],按每月工作22 d,每天工作8 h换算年人均时薪为31.8元;出行时间考虑城市森林的服务半径,约为0.5 h;游览时间计算人均道路步行时间、人均节点游览时间与人均设施使用时间之和,约为3.12 h;年游客量考虑周边服务区域的建筑容积率,可估算为12 000人,该城市森林游憩价值量约为138.14万元(表7)。

      表 7  游览时间计算表

      Table 7.  Tour schedule

      计算类别
      Calculation category
      游览类型
      Sightseeing category
      游览路径长度或游览数量
      Length of tour path /number of sightseeing
      平均停留时间
      Mean residence time
      总停留时间
      Total stay time/h
      人均道路步行时间
      Per capita road walking time
      沥青路 Asphalt road (4 m) 1 054.7 m 1.4 m/s 0.21
      火山岩路 Volcanic rock road (2 m) 582.2 m 1.4 m/s 0.12
      木栈道 Wooden plank road (2 m) 291.4 m 1.4 m/s 0.06
      滨水木栈道 Waterfront trestle road (2.5 m) 487.1 m 1 m/s 0.14
      人均节点游览时间
      Per capita node visit time
      节点 Node 6个 0.2 h 1.2
      人均设施使用时间
      Per capita facility utility time
      基础设施 Infrastructure 7个 0.2 h 1.4
      合计
      Total
      3.12
    • 对比设计前后模拟结果,营建基于生态系统服务功能提升的城市森林,每年可多产生202.50万元的生态系统服务价值,各项城市森林的生态系统服务价值均有显著提升。其中:游憩价值提升最为显著,其次为固碳价值、林木营养累计价值、森林防护价值、释氧价值、固土价值、净化大气价值、物种保育价值,水源涵养价值相对较弱(表8)。

      表 8  设计前后生态系统服务价值比较表

      Table 8.  Comparison of ESV before and after design

      生态系统服务
      功能类别
      Category of ES
      现状生态系统服务
      价值/(万元·a− 1
      Current status of ESV
      (104 CNY·year− 1)
      现状生态系统
      服务价值占比
      Proportion of
      current ESV/%
      规划生态系统服务
      价值/(万元·a− 1
      Planning of ESV
      (104 CNY·year− 1)
      规划生态系统
      服务价值占比
      Proportion of
      planning ESV/%
      调节水量
      Water regulation
      0.03 0.24 1.49 0.69
      固土
      Soil conservation
      1.25 9.91 5.23 2.43
      固碳
      Carbon sequestration
      1.56 12.37 26.30 12.23
      释氧
      Oxygen release
      0.78 6.19 5.84 2.71
      林木营养累积
      Nutrient substance
      5.91 46.87 24.69 11.48
      净化大气环境
      Purification of atmospheric
      0.14 1.11 3.23 1.50
      森林防护
      Forest protection
      1.67 13.24 7.00 3.25
      物种保育
      Biodiversity conservation
      1.27 10.07 3.19 1.48
      森林游憩
      Forest recreation
      0.00 0.00 138.14 64.22
      合计
      Total
      12.61 100 215.11 99.99

      对比设计后的生态系统服务功能价值占比和城市森林生态系统服务功能评价体系各个指标权重可知,固碳、林木营养积累以及森林游憩功能产生的生态系统服务价值较高,但调节水量、固土、释氧、净化环境、森林防护以及物种保育6项功能产生的生态系统服务价值占比则小于城市森林生态系统服务功能评价体系中的权重占比。为进一步提升城市森林的生态系统服务功能,可针对调节水量、固土、释氧、净化环境、森林防护以及物种保育6项功能做进一步提升。例如:增加根系发达、释氧抗污能力强的乔木的使用,以增加城市森林固土、释氧以及净化环境功能;适当增加种植密度,以增加城市森林防护功能;适当增加设计中生物栖息地分布密度,从而进一步提升城市森林物种的保育功能。

    • 基于城市森林可产生的生态系统服务功能研究,构建城市森林生态系统服务功能评价体系,可有效指导城市森林具体建设。本文以河北省秦皇岛滨海城市森林营建为研究基础,综合运用德尔菲法以及判断矩阵,构建较为完善的城市森林生态系统服务功能评估体系。根据评价指标权重对比,从城市森林的植物群落构建、植物斑块构建、树种选择、生物栖息地营建以及游憩体系构建几方面进行响应城市森林调节服务、支持服务以及文化服务功能提升的城市森林营建设计。最后,以i-Tree软件模拟测算、对比营建城市森林前后可产生的生态系统服务价值,验证城市森林的建设意义。

      城市森林营建需综合考虑区位、现状条件、投资经费等多方面因素。本研究重点考虑生态系统服务功能提升需求,在实际建设中,城市森林营建还需综合考虑实际情况及设计需求。在模拟测算城市森林生态效益评估时使用i-Tree模型组件,辅助参考《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721—2008)》。受基础数据限制,i-Tree模型中部分内置参数基于美国本土的生态环境及价值取向,气象数据采用数据较完整的2013年的数据,虽已进行参数校正,仍有可能造成模拟结果的偏差。《森林生态系统服务功能评估规范》由于颁布较早,其中很多参考数值对比当前的市场经济情况会有区别,也会在一定程度上影响模拟结果的准确性。希望本研究可为其他基于生态系统服务功能提升的城市森林营建以及城市森林生态效益评估等相关研究提供参考。

参考文献 (37)

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