城市现代化、科技数字化等变革引领着人类社会进入新的发展阶段,但随之而来的土地变化与资源紧缺等问题也愈加凸显,人类施加给生态系统的各种压力已逐渐打破生态韧性,若持续恶化,则会导致生态系统发生不可逆转的损害[1]。习近平总书记在党的二十大报告中,部署了推进生态文明建设的战略任务和重大举措,指出要“提升生态系统多样性、稳定性、持续性”[2]。顺应《2030年可持续发展议程》与《联合国森林战略规划(2017—2030年)》等的国际政策需求,联合国粮农组织(FAO)开展了2025年全球森林资源评估活动,其中,亚洲的森林净增长率最高,中国大规模植树造林工程得到全球认可,同时,中国在森林生态补偿、可持续经营等方面的成果,也为全球提供了可复制经验。
森林生态补偿是一种保护森林健康与维持生态效益的价值补偿措施,将森林资源视为可再生的绿色能源,明确人类与森林生态系统之间的利益关系,通过经济手段与资金补偿促进森林资源的可持续利用[3]。早期国内外森林补偿的依据主要考虑森林资源的实物形态,例如森林面积、蓄积量、木材和林副产品等[4]。随着森林生态保护理念的发展,滥采滥伐行为得到有效控制,补偿依据也逐渐转变为森林能够产生的有形或无形的生态效益[5]。森林生态系统服务功能是生态效益的主要表征,包括原材料供给、固碳释氧、涵养水源、气候调节、生物多样性维持、养分循环、土壤保持等供给、调节与支撑类功能[6-7]。此外,有学者专门针对森林的碳汇功能,探究森林碳汇效益补偿机制[8]。
森林生态效益测算是衡量森林与人类之间价值转化与补偿的基础。常用的方法包括物质量、价值量与能值理论。物质量法主要有InVEST模型、生态足迹模型、CITYgreen模型、VER模型等,但其测算的生态效益为直观的物质产出,例如碳储量、水源涵养能力等,各项功能难以进行综合补偿[9]。价值量法包括费用分析法、市场价值法、影子价格法、机会成本法、碳税法等,直接将生态效益测算为货币形式,但大多为替代理论,涉及功能的物理机理较少,且受到市场需求和支付意愿的影响[10-11]。能值理论以能值转换率为媒介,能够将各类物质、能量、价值等转换为以能值为统一度量的生态经济流,进而实现物质量与价值量的有效融合[12]。但是,基于能值分析理论测算森林生态系统服务功能,需考虑各项功能形成的内在机理,将其与可获取的能值转换率相结合,提出针对性量化方法。此外,当前关于森林生态补偿的研究大多探讨空间层面区域间的补偿关系,通过各区域功能效益大小,采用聚类、自然间断、区域对比的方式划分补偿区与受偿区[13-14],鲜有针对生态系统稳定性控制阈值的补偿研究。
综上,本文提出面向森林生态系统服务功能保障的生态补偿机制。首先,基于能值分析理论,融合生态学、经济学、管理学等多学科方法,构建森林生态系统服务功能能值效益量化方法体系;其次,以森林功能效益表征森林系统稳定状态,对功能总效益年际序列进行双重突变检验,获取突变年及对应的补偿控制阈值;最后,建立人类-自然复合能值系统,解析系统资源投入与经济效益产出关系,确定补偿控制阈值(单位森林资源补偿价值),结合需求强度,推算功能效益阈值控制下的生态补偿价值,为森林生态补偿研究提供一种新思路。
1 理论与方法
1.1 生态补偿总体框架
以保障森林生态系统稳定性与绿色能源可持续性为出发点,将人类作为补偿主体,森林生态系统作为补偿客体,视森林生态系统服务功能为绿色效益的表现形式,基于能值分析理论,融合多学科方法,提出森林生态系统服务功能能值量化方法体系,分析功能效益序列变化下的生态系统稳态变化规律及其突变特征,获取补偿控制阈值。解析人类-自然复合能值系统的生态经济流关系,核算能值货币比率、森林资源贡献率与单位森林资源价值(补偿标准),结合补偿控制阈值,推求补偿价值。基于上述,明确补偿主客体、补偿控制阈值、补偿标准、补偿价值之间的响应关系,建立面向森林生态系统服务功能保障的区域生态补偿框架,如图1所示。
图1 面向森林生态系统服务功能保障的区域生态补偿框架
Figure 1 Regional ecological compensation framework for securing forest ecosystem service functions
1.2 森林生态系统服务功能
森林作为“绿色GDP”的核心要素,森林生态系统产生的功能效益是区域可持续发展的重要支撑。森林生态系统服务功能是指森林生态系统与生态过程中直接或间接为人类社会发展和自然环境维持所提供的各种有益的服务效用[15-16]。针对森林生态的保护目标,以服务于自然的循环调节与环境支撑两大类功能为绿色效益的表征,各分项功能的量化方法如下。
1.2.1 循环调节类功能
(1)释氧能值
森林植物茂盛的根系与枝叶可以释放氧气。
(1)
式中:
为植物进行光合作用产生干物质时释放氧气的系数;FPF为林木生产力,g/hm2;SF为森林面积,hm2;FSF为林木蓄积量,
为林木蓄积量的折算系数,
为林木蓄积量的年增长率,
为释氧的能值转换率,sej/g。
(2)涵养水源能值
森林通过林冠截流、凋落物层持水以及土壤蓄水来达成涵养水源的目的,森林植被总持水量则为涵养水量。
(2)
式中:ρ为水的密度,g/mL;R为径流深,
为雨水的热力学转换系数,
为涵养水源能值转换率,取地表水与地下水的平均能值转换率,sej/J。
(3)养分循环能值
森林生态系统能量转换速度和次生物质循环活性显著旺盛,其植物根系和土壤之间进行着周而复始的物质循环与能量流动。
(3)
式中:LFF为森林生态系统的年凋落物量,t/(hm2·a);
为凋落物中第j种养分的含量,
为各类养分对应的能值转换率,sej/g。
(4)固碳能值
森林通过光合作用把二氧化碳和水分转化成生物质并释放出氧气,同时吸收大量二氧化碳,从而达到固碳的效果。
(4)
式中:
为植物进行光合作用产生干物质时需要吸收CO2量的系数;
为固碳的能值转换率,sej/g。
(5)净化大气能值
森林生态系统可通过自身植被优势吸收、过滤、阻断各类大气污染物,显著的有氮氧化物、SO2、粉尘等。
(5)
式中:ANF为森林生态系统对氮氧化物的平均吸收能力,kg/hm2;ASF为森林生态系统对SO2的平均吸收能力,kg/hm2;DCF为森林生态系统滞尘能力,
分别为吸收有害气体氮氧化物、SO2及滞尘的能值转换率,sej/g。
1.2.2 生境维持类功能
(1)栖息地维持能值
森林生态系统可为众多生物提供巨大的栖息环境,为人类有序、安定生活的实现提供支持。
(6)
式中:
为森林生态系统栖息地维持的能值转换率,sej/m2。
(2)生物多样性维护能值
森林生态系统繁殖能力强,生物多样性功能突出,对保育生物资源和提升人类福祉具有重要作用。
(7)
式中:SNF为森林生态系统生物种类数,种;
为生物物种能值转换率,sej/种;SGL为全球面积,km2。
(3)固土保肥能值
森林植被根系错综复杂、树冠体量庞大,能够固持土壤、减少土壤侵蚀,另外,根系营养物质丰富,可以保持土壤肥力,供养人类社会。
(8)
式中:ω为现实与潜在土壤侵蚀模数之差与现实土壤侵蚀模数的转换系数;d为现实土壤侵蚀模数,
为植被表土层的折能系数,
为植被土壤第j类养分含量,
为固土的能值转换率,
为第j类养分元素的能值转换率,sej/g。
1.3 补偿控制阈值
根据1.2小节森林生态系统各项服务功能的能值量化方法,逐项计算并加和后得到功能总效益。森林生态系统服务功能由森林规模、蓄积量、生产力、生物多样性等关键要素转换计算得到,能够表征森林的健康状况与生态效益。对森林功能总效益年际连续变化序列进行Mann-Kendall(M-K)与Pettitt双重突变检验,当发生突变时,表明森林生态系统受到一定程度的干扰和影响,其稳定状态发生变化,视功能效益突变值为系统稳态的转折点,即为补偿控制阈值,低于阈值则表明森林功能因外在压力而发生较大衰减,需进行补偿[17-18]。
(1)M-K突变检验法。M-K法是一种时序检验的非参数方法,用于分析一组数据中的突变年份和变化趋势[19]。对于具有T个样本量的功能效益时间序列
基于符号函数sgn构建秩序列:
(9)
在时间序列随机独立的假定下,定义统计量:
(10)
式中:E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的均值和方差,UF1=0,按时间序列逆序,重复上述过程,令UBk=-UFk且UB1=0。若UFk和UBk曲线在置信区间内有交点,该交点即为突变点。
(2)Pettitt突变检验法。Pettitt检验法是由一种直接利用秩序列进行突变点识别的非参数检验方法[20],使用Mann-Whitney的统计量Ut,T来检验同一个总体
的两个样本
和
定义统计量Ut,T为
(11)
显著突变点t时刻对应的Ut,T最大值为
Kt=max1≤t≤T|Ut,T|。
(12)
计算t时刻的显著性水平Pt为
(13)
一般认为当Pt小于显著性水平0.05时,满足显著性要求。
1.4 补偿标准:单位森林资源价值
1.4.1 人类-自然复合能值系统
以区域行政划分为空间边界,构建人类-自然复合能值系统。投入包括可更新资源、不可更新资源、进口及外来资源、废弃物、出口商品及对外投资等,产出包括出口与产业产值。人类-自然复合能值系统分项量化方法如表1所示[7,12]。
表1 人类-自然复合能值系统细分项量化集
Table 1 Quantitative set of breakdown items for the human-natural composite emergy system
项目能值计算公式描述1可更新资源投入MRR=M11+M12+M13+M14+M15+M16主要量化了太阳能、风能、人类用水、森林、草地和农田等资源投入的能值总和 1.1太阳能M11=SURI·αSESU为行政区面积,m2;RI为年均太阳辐射强度,J/m2;αSE为太阳能能值转换率,sej/J 1.2风能M12=SUρAHAFφeκ·αWEρA为空气的密度,kg/m3;HAF为气流的高度,m;φe为涡流扩散的系数,m2/s;κ为风速梯度,s;αWE为风能的能值转换率,sej/J 1.3人类用水M13=WCH·αNWWWCH为人类用水量,m3;αNWW为水资源的能值转换率,sej/J 1.4森林资源投入M14=(FPFSF+FSFηFSτES)ξTαT+LFFSFξOMαOMξT为林木的折能系数,J/g;αT为林木的能值转换率,sej/J;ξOM为有机物折能系数,J/g;αOM为有机物的能值转换率,sej/J;其他符号同式(1)和式(3) 1.5草地资源投入M15=HYGSGξHOαHO+∑AHGξAHαAHHYG为干草生物量,g/m2;SG为草地面积,m2;ξHO为干草折能系数,J/g;αHO为干草能值转换率,sej/J;AHG为各项畜牧产品产量,kg;ξAH为各项畜牧产品的折能系数,J/kg;αAH为对应畜牧产品的能值转换率,sej/J 1.6农田资源投入M16=∑CPFξCPαCPCPF为各项农产品产量,kg;ξCP为各项农产品的折能系数,J/kg;αCP为对应农产品的能值转换率,sej/J2不可更新资源投入MNR=M21+M22+M23+M24+M25+M26+M27+M28+M29+M210主要包含原煤、原油、天然气、钢等不可更新资源项的能值总和 2.1原煤M21=QMCξMCαMCQMC为使用原煤量,t;ξMC为原煤折能系数,J/g;αMC为原煤能值转换率,sej/J 2.2原油M22=QMOξMOαMOQMO为使用原油量,t;ξMO为原油折能系数,J/g;αMO为原油能值转换率,sej/J 2.3天然气M23=QNGξNGαNGQNG为使用天然气量,m3;ξNG为天然气折能系数,J/m3;αNG为天然气能值转换率,sej/J 2.4钢M24=QSTαSTQST为使用钢类量,t;αST为钢的能值转换率,sej/t 2.5铝M25=QALαALQAL为使用铝量,t;αAL为铝的能值转换率,sej/t 2.6氮肥M26=QNFαNFQNF为使用氮肥及复合肥量,t;αNF为对应的能值转换率,sej/t 2.7磷肥M27=QPFαPFQPF为使用磷肥量,t;αPF为磷肥的能值转换率,sej/t 2.8农药M28=QPCαPCQPC为使用农药量,t;αPC为农药的能值转换率,sej/t 2.9塑料M29=QPSαPSQPS为使用塑料量,t;αPS为塑料的能值转换率,sej/t 2.10水泥M30=QCMαCMQCM为使用水泥量,t;αCM为水泥的能值转换率,sej/t3进口及外来资源MII=M31+M32+M33包括进口商品、外商投资和旅游外汇收入效益的能值 3.1商品M31=TAMIRE/UTAMI为商品进口总值,$;RE/U为美元的能值转换率,sej/$ 3.2外商投资M32=FDI·RE/UFDI为外商投资额,$ 3.3旅游外汇收入M33=TFEE·RE/UTFEE为旅游外汇收入,$4出口MEV=M41+M42包括出口商品和对外投资效益的能值 4.1商品M41=TAMERE/UTAME为出口商品总额,$ 4.2对外投资M42=LS·RE/ULS为对外投资总额,$5废弃物MWL=M51+M52包括废水和固体废物的排放产生的负效益 5.1废水M51=WLαLWWL为废水排放量,t;αLW为废水的能值转换率,sej/t 5.2固体废物M52=WSαSWWS为固体废物排放量,t;αSW为固体废物的能值转换率,sej/t6产业产值MIO=M61+M62+M63主要量化了第一产业产值、第二产业产值和第三产业产值的能值 6.1第一产业M61=OV1RE/GOV1为第一产业产值,元;RE/G为能值货币比率,sej/元 6.2第二产业M62=OV2RE/GOV2为第二产业产值,元 6.3第三产业M63=OV3RE/GOV3为第三产业产值,元系统能值总投入MRR+MNR+MII+MWL-MEV系统能值总产出MEV+MIO
1.4.2 单位森林资源价值
根据人类-自然复合能值系统的投入、产出关系计算能值货币比率,衡量森林资源贡献率,进而推求单位森林资源价值,并将其作为补偿标准。
(1)能值货币比率。能值货币比率(RE/G)是指单位货币相当的能值,为人类系统投入能值与产出能值的差值与经济产出与污染损失价值差值的比值,经变化后,采用式(14)计算。
(14)
(2)森林资源贡献率。森林资源贡献率(WCRF)为森林的供给能值占人类系统投入总能值的比值,能够反映森林资源对人类系统的支撑程度。
(15)
(3)单位森林资源价值。单位森林资源价值是指单位蓄积量森林资源的经济价值。
(16)
式中:VF为单位森林资源价值,即补偿标准,元/m3;UMF为单位蓄积量森林资源能值,sej/m3。
1.5 补偿价值
(1)森林补偿资源量。补偿生态资源量是指经判别后,补偿年份中需补偿的生态系统能值对应的生态资源量。采用下式计算。
(17)
式中:CF为森林生态系统补偿生态资源量,m3;EMi为森林生态系统在序列号i时的生态功能效益,sej;TV为补偿控制阈值,sej。
(2)需求强度系数。结合生态系统服务的生态经济价值和地区经济水平,引入衡量地区的生态经济综合发展水平的优先指数,获取社会-自然生态耦合发展状况,从而表明该区域对于补偿的需求强度。
(18)
(19)
式中:EM是森林生态系统服务功能总能值效益,sej;δF为生态补偿优先级;DI为森林生态系统的需求强度系数。
(3)森林生态补偿价值。考虑生态、经济、社会等多个方面的因素,结合制定的补偿标准和需求强度系数,制定以货币形式表达的生态补偿价值(CV)的量化方法。
CV=VF·CF·DI。
(20)
2 研究区与数据
洛阳市位于河南省西部(110°08′E～112°59′E,33°39′N～35°35′N),地跨黄河、淮河、长江三大流域。地形地貌复杂多样,造就了多样的生态类型。地属暖温带大陆性季风气候,四季分明,年降水在528～800 mm,具备良好的植被生长条件。西南部山区林木覆盖率较高,以阔叶林为主,而东北部是洛阳的主城区及市辖区,森林覆盖率相对较低。洛阳以局部森林生态优势带动整体绿色可持续发展,森林健康与功能保障尤为重要。本文以洛阳市行政范围作为空间边界,根据《河南省林地保护利用规划(2010—2020年)》期限,选取时间边界为2010—2021 年,探究洛阳市森林生态系统功能效益的变化过程与补偿情况,主要数据来源见表2。
表2 数据来源汇总表
Table 2 Summary of data sources
数据名称数据来源获取路径土地利用数据数据共享服务系统https:∥data.casearth.cn/森林面积、蓄积量、生产力等生态要素;人类-复合系统投入产出要素等《洛阳年鉴》《洛阳统计年鉴》《洛阳市水资源公报》《河南统计年鉴》《洛阳生态环境状况公报》购买及政府官网各类能值转换率已发表文献详见参考文献[21-22]
3 结果与讨论
3.1 森林生态功能效益
根据1.2小节森林生态系统服务功能能值量化方法体系,开展洛阳市2010—2021 年各项功能计算,结果如图2所示。除2011 年外,其余年份的森林功能总效益呈现逐年增长趋势,2010—2021 年的增幅为0.37%。以2021 年为例分析各项功能占比,森林的生境维持类功能尤为突出,生物多样性维护与固土保肥占总能值效益的90%以上,充分体现出森林在生命网络系统中的重要支撑地位,而这两项功能与森林面积关系密切。洛阳市森林资源丰富,注重森林可持续开发与保护,森林覆盖率由2010 年的45%增长至2021 年的45.8%,在保持森林生态系统稳定的前提下,确保其服务功能与生态效益的稳步增长。
图2 森林生态系统功能能值效益年际变化趋势及2021年功能能值效益占比
Figure 2 Interannual trend of forest ecosystem functional emergy benefits and the share of functional emergy benefits in 2021
3.2 森林生态系统的补偿控制阈值
采用M-K与Pettitt法对森林功能总能值年际序列进行双重突变检验,结果如图3所示,均得到突变年份为2016年,M-K法通过统计数据的正逆序列关系判断突变存在性,Pettitt法则基于秩统计量进行突变定位,得到相同结论,表明突变信号在统计上具有可靠性。2016年对应的功能效益为5.11×1022 sej,即为补偿控制阈值。
图3 森林生态系统功能能值效益序列突变检验
Figure 3 Mutation test of the emergy benefits sequence of forest ecosystem functions
自2010年洛阳市加强林地资源保护以来,森林生态系统功能效益呈现逐年增长趋势,2016年的功能效益出现突变,表明逐年功能效益的量变增长取得了生态系统稳态优化的质变突破。2016年河南省人民政府出台了《关于健全生态保护补偿机制的实施意见》(豫政办〔2016〕184号),明确了河南省森林生态补偿的重要任务,也标志着生态补偿机制进入全面推进阶段。同时,2016年作为“十三五”开局之年,省政府印发的《关于切实做好“十三五”期间年森林采伐限额管理工作的通知》,将森林覆盖率、蓄积量等多项指标列入考核体系,严格控制采伐量,极大提高森林保护力度。因此,通过趋势检验分析出2016 年为突变年,表明森林生态进入更优质的稳定状态,与政策发展及实际情况相符。
3.3 补偿标准与价值
3.3.1 补偿标准
建立洛阳市人类-自然复合能值系统,核算表1各分项能值,解析2010—2021年系统能量流动关系,系统投入总能值和产出总能值的年际变化整体呈现先增后减趋势(图4(a)),能值货币比率呈现波动减小趋势(减幅63.84%),森林资源贡献率呈现波动增加趋势(增幅15.88%),基于此推求补偿标准,由2010年的129.8 元/m3波动增长至2021 年的379.3 元/m3,增幅为192.18%(图4(b))。分析结果可知,人类对森林资源的依赖度增加,并且需要支付的资源成本也在增加,间接促进了资源节约与高效利用,表明了人类对森林从“低成本掠夺式开发”转向“高成本保护性利用”,森林资源价值的凸显也是生态文明建设成效的重要体现。
图4 人类-自然复合能值系统投入、产出及补偿标准年际变化
Figure 4 Interannual change of inputs,outputs,and compensation standards of the human-natural composite emergy system
3.3.2 补偿价值
基于洛阳市年际功能总能值、补偿控制阈值与补偿标准,根据式(17)～式(20)计算补偿年份的补偿价值,结果如图5所示。2010—2015 年的功能总效益低于阈值5.11×1022 sej,需补偿。2017—2021 年资源量富余,不补偿。2010—2015 年的补偿资源量呈现先增后减趋势(2010年至2015年的减幅为77%),而补偿标准呈波动增加趋势(增幅49%),补偿价值受补偿资源量的影响更大,变化趋势亦呈先增后减趋势,由2011 年最高值4 513.4 万元减少至2015 年的1 264.3 万元。
图5 洛阳市森林生态系统补偿价值变化趋势
Figure 5 Trend of compensation value of the forest ecosystem in Luoyang City
补偿资源量是低于补偿阈值的森林生态功能效益的削减量,存在削减则表明在系列内该阶段的功能效益偏低,而功能效益与森林面积、蓄积量、覆盖率、生产力等关键生态要素的丰度密切相关,生态补偿能够通过经济手段将森林具有公共属性的生态效益转换为经济价值,促进森林覆盖率提高,林地结构优化,推动林地利用从粗放低效向集约高效转变,促使森林生态系统能够充分发挥其服务功能,形成“补偿—保护—增效”的良性循环。
4 结论
本文提出了一种面向森林生态系统服务功能保障的生态补偿理论与方法体系,结合河南洛阳实例研究,具体结论如下:
(1)基于能值分析理论,并融合多学科方法,提出森林多维功能能值效益量化方法体系,应用M-K与Pettitt法对功能总能值年际序列进行双重突变检验,确定补偿控制阈值。洛阳市森林功能总能值呈现逐年增长趋势,由2010 年的5.10E+22 sej增长至2021 年的5.12E+22 sej(增幅0.37%)。突变年份为2016 年,对应的补偿控制阈值为5.11E+22 sej,确定低于阈值的2010—2015 年需进行补偿。
(2)建立人类-自然复合能值系统,解析系统内外各项投入、产出的生态经济流轨迹,核算能值货币比率与森林资源贡献率,进而推求补偿标准(单位森林资源价值)。洛阳市补偿标准呈现出波动增加趋势,由2010 年的129.8 元/m3增长至2021 年的379.3 元/m3,增幅为192.18%,表明森林资源的重要性愈发凸显,其价值意义随着生态文明的推进而不断深化。
(3)结合补偿资源量、补偿标准、需求强度,提出阈值控制下的补偿价值量化方法。洛阳市补偿年份2010—2015 年对应的补偿价值呈现先增后减趋势,由2010 年的3 770.7 万元减少至2015 年的1 264.3 万元,主要受补偿阈值下的补偿资源量的影响。森林扩增与质量优化能够提升生态系统服务功能,进而减少生态效益损失与降低补偿成本,成为推动绿色可持续发展的重要力量。
(4)本文提出了面向森林生态系统功能保障的补偿机制,解析了功能效益阈值控制下人类与森林补偿主客体之间的价值补偿关系,为区域森林生态补偿提供新思路。以洛阳市为实例开展应用研究,主要数据来源于政府网站与年鉴等,可获取性高,理论与方法可推广应用至其他区域。本文对森林生态系统稳态变动的定量描述主要依据突变检验理论,未来可进一步研究森林生态复杂网络在气候、物种、水文、立地等多要素驱动下的稳态阈值确定方法,为森林生态补偿提供更可靠的判别标准。
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