广州城市森林涵养水源_固土保肥的功能及价值分析.pdf

第44卷 第1期2 0 0 8年1月林业科学SCIENTIASILVAESINICAEVol144,No11Jan.,2 0 0 8广州城市森林涵养水源、固土保肥的功能及价值分析康文星1 郭清和2 何介南1 申初联1 邓湘雯1 赵仲辉1(11 中南林业科技大学 长沙410004;21 广州市林业局 广州510030)摘 要:对广州城市森林涵养水源、固土、保肥的功能及其价值进行评估,结果表明:广州城市森林生态系统每年贮水量比无林地多61429亿m3,调节径流防洪能力大21609亿m3;每年植物组织净积累N元素41949万t,P元素01428万t,K元素41400万t;每年凋落物归还林地N元素31524万t,P元素01216万t,K元素11539万t;每年土壤流失减少123万t,有机质流失减少31905万t,N元素流失减少01218万t,P元素流失减少01066万t,K元素流失减少21368万t;森林贮水效益11286亿元,防洪效益01522亿元,储存在植物组织中养分效益31497亿元,保持土壤效益11145亿元,改良土壤效益11872亿元,广州城市森林每年涵养水源、固土保肥的功能价值共81322亿元。关键词:城市森林;涵养水源;固土;保肥;经济评价中图分类号:S72712 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2008)01-0019-07收稿日期:2006-09-11。基金项目:广州市林业局科技攻关项目(200306),国家重点野外科学观测试验站平台建设项目(20021220)资助。Function and V alue Analysis of Water Conservation,Soil Reinforcementand Fertility Maintenance of Urban Forest in GuangzhouKang Wenxing1Guo Qinghe2He Jienan1Shen Chulian1Deng Xiangwen1Zhao ZhongHui1(11Central South University of Forestry and TechnologyChangsha410004;21Guangzhou Forestry BureauGuangzhou510030)Abstract:The functions and values of water conservation,soil reinforcement and fertility maintenance of the urban forest inGuangzhou were assessed.The results showed that the urbanforest ecosystemin Guangzhou city could store 61429108m3waterand adjust 21609108m3flooding more than that of non2stocked land.The plant annual net accumulation of nutrient for N was41949104t,for P was 01428104t,and for K was 41400104t and the nutrients of annual litter fall returned back toforestland were that for N was 31524104t,for Pwas 01216104t andfor Kwas 11539104t;The urbanforest in Guangzhoucity also could reduce soil loss in the amount of 123104t,reduce organic matter loss in the amount of 31905104t including01218104t N,01066104t P and 21368104t K;The economic function effect of the systemfor water storage was 11286108yuan,for flooding prevention was 01522108yuan,for fertilizer maintenance was 31497108yuan,for soil reinforcementwas 11145108yuan andfor soil improvement was 11872108yuan.So that the annual urbanforest economic function value inGuangzhou city in the areas of water conservation,soil reinforcement and fertilizer maintenance was 81322108yuan.Key words:urban forest;water conservation;soil reinforcement;fertilizer maintenance;economic evaluation城市森林在城市水文过程中发挥着重要作用,城市森林植被可减少径流7%12%,通过降低暴雨形成的地表径流速率和流量,可减轻洪水灾害,节省城市抗洪救灾支出。覆有植被的城市地区,仅有5%15%的降水形成地表径流,对于没有植被的城市区域,约60%的降水形成地表径流排到城市地下水道,影响了地下水质(Bolund,1999)。吐克逊市50万株城市林木在40年内节约的抗洪救灾支出约为60万美元(Dwyer,1991)。城市森林能显著影响城市区域的降水量(Avissar,1996)。国内对城市森林涵养水源、固土、保肥等功能进行了研究(阮宏华等,1992;李士生等,1992;唐万鹏等,2002;佘济云,2004;胡艳琳等,2005;杨昆等,2005;柴一新等,2004;薛建辉等,2002;丁向阳等,2005;顾洪祥等,2005),但这些研究大都着重于城市森林蓄水保土功能分析,几乎没有涉及到其功能的效益价值。本文利用2003年资料和实测得到的数据,不仅分析了广州市城市森林在涵养水源、固土、保肥等方面的生态服务功能大小,而且运用市场价格法、影子工程法、等效益相关替代法对其经济价值也进行了评价。1 研究地概况广州地处我国南方(11257 1143E,2226 2356N),市域面积01743万km2,城区面积01144万km2,人口700多万。2003年全市生产总值3 496188亿元,是我国经济发达、城市化速度较快的大城市。广州市总辐射量4 4005 000 MJa-1,年日照时数1 7701 940 h,年均温度21142119,年降雨量1 4001 600 mm,雨量充沛、热量丰富、长夏无冬,属南亚热带季风气候。土壤以赤红壤为主,山地垂直谱带上还有红壤和黄壤分布。母岩为发育着的沉积岩、岩浆岩和变质岩。该市城市森林面积51636万hm2。植物有198科、487属、1 5001 600种。2 研究方法利用中国科学院遥感卫星地面站接收的1999年12月9日陆地卫星Landsat的TM数据和1999年11月5日Spot卫星的HRV数据,结合广州市林业局、园林局的实地调查与统计资料综合分析获得广州市城市森林面积及森林类型。根据广州市1999年和2004年的森林资源二级清查资料,得出这5年内及年平均活立木蓄积量。木材密度为01310167 tm-3,平均0145 tm-3。利用2003年净增加的立木蓄积量和木材密度,可求出2003年各森林类型净增加的生物量。立木蓄积量没有包括树枝、树叶和根这些部分,而林分生物量应包括枝、叶、根。多次实测得出杉木(Cunninghamia lanceolata)林枝、叶、根占生物量干质量的比例分别为618%、913%、915%,湿地松(Pinus elliottii)分别为1112%、1219%、1211%,马尾松(Pinus massoniana)分别为1118%、1015%、1216%,阔叶林分别为1016%、1813%、2114%等数据,根据这些数据求出各林分2003年净增长生物量(表1)。通过广州市15个竹林样地调查出2003年新生的立竹数。然后选取大小不同的20株竹子,采取全株收获法,求出每株竹子的平均质量,再计算出其总生物量(表1)。表1 不同森林类型的面积和年净生长量Tab.1Areas and annual net growths of different urban forests林分类型Stand type年龄Agea面积Areahm2单位面积林分生物量Stand biomass perunit area(thm-2a-1)林分总生物量T otal biomass(104ta-1)阔叶林Broad2leaved1260146 72412109177139湿地松Slash Pine12416 7831418510107马尾松Masson Pine73830 4531013331146杉木Chinese Fir9467 596111678186针叶混交林Needle2leaved mixed7414 735171148112针阔混交林Needle2and broad2leaved mixed75123 9801510436107竹林Bamboo forest6 415151239177经济果林Fruit stand43047 496414020190灌丛疏林Shrub and open stands9 17061175166四旁散生Dispersive trees17 547918417127城区园林Landscape garden56 36213125741902003年,在各类林分中,分别设计6个凋落物收集器(100 cm100 cm),每月收集1次。将收集到的凋落物分成叶、枝、果和碎屑4部分,用烘干恒重法测定其干质量。地下细根枯死量根据张小全(2001)提出的阔叶林细根枯死量与地上凋落物量11212的比例及针叶林细根枯死量与地上凋落物量01842的比例来估计地下根系每年的枯死量。在广州市11种林分类型中,每种林分选取1个(10 m10 m)有代表性的样方,在样方内对植物枝、叶、干、根4个组分分别取样,分别将每种林分每个组分的取样混合后,再在其中抽取3个样品,共计132个植物样品。同时在每个样方内采集土壤样品,土壤分015、1530、3045、4560和60100 cm 5个层次,每个层次土壤混合,抽取3个样品,共计165个土壤样品。抽取样品用烘干恒重法测定其含水量。根据各林分生物量和面积,分别求出各林分植物组织和1 m深土层的含水量(蓄水量)。再与无林地1 m深土层含水量比02林业科学44卷 较得出有林生态系统比无林地多贮蓄的水量。凋落物的吸水能力用水浸泡法测定。土壤的贮水能力由土壤中非毛管空隙度决定,用环刀法测定土壤(分5个层次)非毛管孔隙度,利用下面公式计算土壤的贮水能力:S=10 000h p式中:S为土壤的贮水量(t),h为土壤厚度(cm),p为非毛管孔隙度(%)。求出有林地土壤的贮水能力,然后与无林地土壤比较,得出有林地在降水过程中比无林地多出的蓄水量。植物、土壤和凋落物样品的养分测定方法为:植物分枝、叶、干、根4个组分,凋落物分枝、叶、碎屑和细根4个组分,N用凯氏法测定,P用钼兰比色法测定,K用石钼炉式5100型原子吸收分光光度计测定,有机质用重铬酸钾氧化外加热法测定。在一些有代表性的林地坡面下方和荒地坡面下方设置沉沙池,每次雨后测定水土流失量。3 结果与分析311 功能分析31111 蓄水功能 森林生态系统的蓄水能力与它的结构有关。作为森林生态系统来说,它的蓄水结构共两部分,一部分是植物本身的组织结构,另一部分是林木作用下的土壤结构。表2 不同类型的城市森林生态系统贮水量Tab.2Water storage of different urban forest ecosystem林分类型Stand type面积Areahm2凋落物层贮水Litter water(thm-2)植被层贮水量Vegetationwater(thm-2)林分总贮水量Stand sumwater104t1 m深土壤贮水量1 m depth soilwater(thm-2)阔叶林Broad2leaved146 7244182964 4131453 655湿地松Slash Pine6 7833122021391193 162马尾松Masson Pine30 4533142186741223 089杉 木Chinese Fir7 5963191731341373 256针叶混交林Needle2leaved mixed4 7354152631261663 367针阔混交林Needle2and broad2leaved mixed23 9804172786771913 598竹林Bamboo forest6 4153171931261183 259经济果林Fruit stand47 4963152141 0331043 173灌丛疏林Shrub and open stands9 170211102951462 988四旁散生Dispersive trees17 547118961711612 859城区园林Landscape garden56 3622111257161363 015裸地Bare land001 786合计T otal357 2618 308145 研究结果表明,广州市城市森林植物组织中含水96296 thm-2,凋落物层含水118418 thm-2(表2),广州市城市森林植被蓄水总量8 308145万t。这意味着森林贮蓄了大量的水分,是一个巨大的“绿色水库”。森林土壤在林木凋落物、根系以及微生物的作用下,土壤密度、非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤结构等物理特性得以改善,土壤蓄水能力提高。也因为如此,广州市每年不同城市森林1 m深土层土壤含水量平均比裸地多1 0731 869 thm-2,这个数值再乘以各类森林面积,得到森林生态系统比裸地多贮蓄51581 0 t水,加上贮存在植被结构中的8 308145万t水,相当于广州市增添了一个贮蓄能力为61429亿m3的巨型水库。31112 调节径流功能 当雨水由大气系统输入到森林系统时,首先遇到森林冠层,它巨大的作用面和吸水性能截留部分雨水。从表3看出,广州市城市森林林冠在降水过程中的截留能力为1567 thm-2,森林类型不同,截留能力也不同,一般而言,针叶林截留能力大于阔叶林,混交林大于纯林。穿透林冠层的雨水,在达地表面前会遇到凋落物层的阻留。凋落物具有巨大的吸水性能。实测结果表明,凋落物的吸水率达到200%300%。广州市城市森林凋落物层截留雨水的能力为3393 thm-2(表3)。另外,由于凋落物层粗糙的表面和疏松的结构,在防止雨水直接冲击地面、阻滞地表径流的形成上发挥着非常重要的作用。与裸地相比,森林土壤疏松多孔,非毛管孔隙多,吸水透水性能强。正是森林土壤非毛管孔隙能暂时贮12 第1期康文星等:广州城市森林涵养水源、固土保肥的功能及价值分析存水量的作用,使得森林土壤具有很大的“吞吐”水量的能力。从表3可以看出,广州市不同森林类型1 m深土层土壤的贮水能力比裸地土壤多166884 thm-2。在大雨和暴雨时,非毛管孔隙贮存作用使雨水滞留在土壤内,从而减缓了地表和地下径流的形成。表3 城市森林生态系统在降水过程中的调蓄能力Tab.3Storage capacity on precipitation of the urban forest ecosystem林分类型Stand type面积Areahm2林冠截留Crown interception(thm-2)凋落物截留Litter interception(thm-2)1 m深土壤调蓄水能力1 m depth soilregulating(thm-2)阔叶林Broad2leaved146 72439931 367湿地松Slash Pine6 7836652985马尾松Masson Pine30 4536246926杉木Chinese Fir7 5966541953针叶混交林Needle2leaved mixed4 73567441 067针阔混交林Needle2and broad2leaved mixed23 98048791 203竹林Bamboo forest6 41532581 108经济果林Fruit stand47 4962946853灌丛疏林Shrub and open stands9 1701842752四旁散生Dispersive trees17 5471538649城区园林Landscape garden56 3622733961裸地Bare land00483合计T otal357 26131113 营养元素积累功能 表4是根据广州市城市森林每年的净生物量及各植物组分的养分含量而推算出来的森林年净积累养分量。广州市城市森林每年净积累N 41949万t、P 01428万t、K41400万t。可见,广州市城市森林是一个巨大的养分贮存库。表4 城市森林营养元素年净积累量Tab.4Annual net accumulation of nutrient in the urban standsta-1林分类型Stand typeNPK阔叶林Broad2leaved31 974142 5801322 30213湿地松Slash Pine1 18119144171 29915马尾松Masson Pine1 66014177121 88219杉 木Chinese Fir31112291618813针叶混交林Needle2leaved mixed49312471445119针阔混交林Needle2and broad2leaved mixed3 13213268182 48318竹林Bamboo forest87114321369018经济果林Fruit stand2 57711641152 66010灌丛疏林Shrub and open stands4121691165914四旁散生Dispersive trees3 59311280192 64818城区园林Landscape garden3 2811072168 74116合计T otal49 488164 2841444 0091331114 营养元素的归还效应 营养物质循环是城市森林生态系统的一个重要功能,即城市森林植被通过根系从土壤中吸收各种营养元素用来构建植物组织,同时又以凋落物的形式每年将营养元素归还给土壤。这种作用在维持土壤稳定,改良土壤结构,改善土壤理化性能及提高土壤肥力方面起着重要作用。森林的凋落物量除了来源于地上部分的枯枝、落叶、花、果等外,还有地下部分根系的枯死量,因此在研究森林的营养元素归还时,不仅要计算地上凋落物的养分归还量,还要包括地下枯死的根系养分归还量(表5)。从表5中看出:广州市城市森林生态系统每年凋落物归还林地土壤的主要营养元素量分别为:N 31542万t,P 01216万t,K11539万t。N、P、K总量为51297万t。31115 固土效能 植被面积与土壤侵蚀之间明显地呈负相关。幼林期林地被扰动,植被覆盖度低,土壤侵蚀量大,随着植被覆盖度变大,土壤侵蚀量减少。植被覆盖度是影响土壤侵蚀的重要因素,因此,按林龄分析广州市城市森林保持水土功能,结果会更真实。22林业科学44卷 表5 城市森林凋落物年归还量Tab.5Annual nutrient return of litter in the urban standsta-1林分类型Stand type地上凋落物Litter in surface根凋落物Litter of rootsNPK小计SubtotalNPK小计Subtotal总计T otal阔叶林Broad2leaved6 5891243991482 8171359 8061075 4591333301972 3341248 12415417 930161湿地松Slash Pine65615739181280173977111489132291662091217281191 70513马尾松Masson Pine3 6521682211451 5611775435192 6471431601491 1311953 9391879 375177杉木Chinese Fir4921042918321013873212522419613163961193341781 067103针叶混交林Needle2leaved mixed611113371052611390914820617521191541433831081 292156针阔混交林Needle2and broad2leaved mixed2 2361111351579561093 3271771 705161031418651242 6741256 002102竹林Bamboo forest2161531911913513437110630911318174132118460105831111经济果林Fruit stand2 226171135109521073 313178747199451343191811 1131144 426192灌丛疏林Shrub and open stands26418316106113123394112222135131489510733019725102四旁散生Dispersive trees1 03517962184421871 541146858117521033661931 2771132 818159城区园林Landscape garden2 4831691501571 0611953 6961212 0851331261428911623 1031376 799158合计T otal20 4651321 2461818 79310830 50512114 9561369161076 59618722 4691352 974151表6 城市森林土壤侵蚀量Tab.6Soil erosion of the urban forest林分类型Stand type侵蚀量Soil erosion(thm-2a-1)森林面积Stand areahm2森林幼林地Y oung stand2146391 697森林成林地Mature stand01817128 550经济林幼林地Y oung fruit stand2193516 623经济林成林地Mature fruit stand1115130 872灌木疏林地Shrub and open stand312229 170荒地Bare land61055合计T otal276 912 从表6可见,广州市城市森林的土壤侵蚀量0181731222 thm-2a-1,比无林荒地(61055thm-2a-1)少流失2183351238 thm-2a-1。结合各类森林面积计算,广州市城市森林每年减少流失土壤123万t。31116 保肥效能 表层土壤被径流带走的同时,表层土壤养分也被带走。多次土壤分析结果表明,各类林地地表土层养分含量为有机质2159%4132%,N 01127%2113%,P 01045%01066%,K 11258%21231%。根据统计分析,各林地比无林荒地少流失有机质31905万t,N 01218万t,P 01066万t,K21368万t(表7)。表7 森林比无林地每年多保留的养分量Tab.7Annual more content of nutrient elements in the urban stands than on the barren landta-1林分类型Stand typeNPK有机质Organic matter森林幼林地Y oung stand5031981711295 9981379 420184森林成林地Mature stand1 32614037710513 56012623 094119经济林幼林地Y oung fruit stand70144241868441341 408196经济林成林地Mature fruit stand233115771212 8201584 360132灌木疏林地Shrub and open stand461021315245510076414合计T otal2 17919966319323 67815539 048171312 功能价值分析31211 涵养水源功能价值 森林涵养水源的功能价值主要从以下几个方面进行评价:1)不仅森林植被体内含有大量的水分,而且森林土壤结构疏松、孔隙较多,比无林地土壤多贮存了大量水分。可见,森林生态系统是一个巨大的水库。这个巨大的“绿色水库”的功能决不亚于水利工程,这方面的效益为森林生态系统的蓄水效益。2)由于林冠层、凋落物层对降水的层层截留与吸收,以及林地土壤比无林地土壤调蓄水量能力要大,使得大量雨水滞留于森林生态系统内,从而减少了径流,削弱了洪峰,减轻了暴雨和洪水对工农业生产和人民生命财产的危害,从而产生防洪效益。3)由于森林涵养水源,调节了江河年径流量格局,延长了丰水期,缩短了枯水期,从而提高了农田灌溉、工业和生活供水能力,由此而产生的效益即为森林调节和增加水资源利用的效益。森林涵养水源功能价值评价,一般采用“等效益相关代替法”,即“影子工程价格法”。水利部门一般通过修筑水库和堤坝等工程来调节和贮蓄水量。森林生态系统就如同一个蓄满水库的影子工程,如果将森林调32 第1期康文星等:广州城市森林涵养水源、固土保肥的功能及价值分析蓄水量换算成调蓄这些水量的水利工程所需的费用,再乘上效益与投入的比值,就可求得森林涵养水源的效益价值。前面已分析出,广州市城市森林生态系统比无林地的生态系统多贮蓄61429亿m3水。广州市中小型水库每立方米容积造价为10元,按水库寿命50年计算,则投资效益比为012元m-3。以此推算,广州市城市森林生态系统比无林地多贮蓄水量61429亿m3,其蓄水效益价值为11286亿元。调节径流与防洪能力21609亿m3,按上述方法计算,其效益价值为01522亿元。两项合计得出广州市城市森林涵养水源的功能价值为11808亿元。31212 营养元素积累功能价值 每年广州市城市森林植物组织净积累N 41949万t、P 01428万t、K41400万t,加上森林地比无林地少流失N 01218万t、P 01066万t、K21368万t。把营养元素含量折算成化肥质量,再根据化肥市场价格评价出营养元素积累功能的价值(吴钢等,2002;肖寒等,2000;欧阳志云等,2002;邓容海,1985;韩维栋等,2000;周晓峰等,2002;王如松等,1999)。将N、P、K按比例计算成碳酸氢铵、过磷酸钙、硫酸钾,由此推算出每年广州市城市森林可积累碳酸氢铵341288万t、过磷酸钙31492万t、硫酸钾71469万t,这3种化肥2003年在广州市的市场价格为碳酸氢铵每吨500元、过磷酸钙每吨400元、硫酸钾每吨2 200元。由此可得出广州市城市森林每年的保肥功能价值为N 11714亿元、P 01140亿元、K 11643亿元,总价值每年31497亿元。31213 改良土壤功能价值 目前,对于凋落物改良土壤结构和改善土壤理化性能的功能价值还没有一个大家认可并切实可行的计量标准与评价方法。本研究仅从凋落物释放养分能提高土壤肥力方面来评价森林的改良土壤功能价值。广州城市森林生态系统在生物循环过程中,每年将营养元素以凋落物的形式归还给土壤,其中N 31542万t、P 01216万t、K11539万t,按照保肥效益的计算方法推算,广州市森林每年改良土壤的功能价值为11872亿元。31214 保持土壤功能价值 森林保持土壤的功能价值一般从以下几个方面评价:1)减少土地废弃面积的价值,用替代法计算。广州城市森林每年多保持土壤123万t,相当于有耕种价值土层土地面积394118 hm2。按中国2003年林业生产平均收入875183元hm-2a-1计算,每年减少土地废弃面积带来的价值为01003亿元。2)如果广州没有森林的存在,每年就会多流失123万t泥沙,这些泥沙将淹没农田和水库、阻塞河道,由此产生的经济损失难以计算。这里仅用从河道中挖掘泥沙的工程费用来评价它的价值,其价值为01123亿元(据广州市劳动市场价格,用机械疏通河道泥沙价格为10元m3计算)。3)土壤表层被径流带走的同时,表层土壤养分也被带走,研究结果表明:森林地比无林地少流失N01218万t、P 01066万t、K21368万t、有机质31905万t。前面计算的是植物组织中积累与凋落物归还的养分,并没有计算森林地比无林地少流失的土壤中的养分价值,按照营养元素的计算方法(有机质每吨100元)推算广州市每年因森林的存在而少流失的土壤养分的功能价值,N是01075亿元,P是01021亿元,K是01884亿元,有机质是01039亿元,其保肥价值11019亿元。保肥价值加上减少废弃地价值和挖掘泥沙价格,广州市城市森林保持土壤价值共计11145亿元。4 结论与讨论城市森林作为一个与城市环境密切联系的生态环境,它广泛参与城市生态系统物质、能量的高效利用和社会、自然的协调发展,在系统自我调节中起着重要作用,具有巨大的功能效益。有关城市森林功能效益的提法很多。国外大都认为城市森林具有经济和公益两方面的效能,而我国认为森林具有经济、社会和生态效益。其中,生态功能是城市林业研究的主要内容。国内对城市森林服务价值的研究起步较晚,人们普遍感兴趣的是森林改善城市环境的生态效益,如滞尘吸污、碳氧平衡、调节小气候及改善空气质量等。涵养水源、固土、保肥也是城市森林生态服务功能之一,以往对这些功能的研究较少。本文的研究结果表明:广州市城市森林生态系统每年贮蓄水量61429亿m3,这个巨大的“绿色水库”的蓄水功能价值11286亿元,调节径流防洪能力21609亿m3,其价值01522亿元。每年,广州市城市森林植物组织净积累N 41949万t、P 01428万t、K 41400万t,林地比无林地少流失N 01218万t、P 01066万t、K 21368万t、有机质31905万t,由此每年产生价值31497亿元。凋落物每年归还土壤N42林业科学44卷 31542万t、P 01216万t、K11539万t,其价值为11872亿元。每年使广州市减少土壤流失123万t,产生价值11145亿元。广州市城市森林每年在蓄水、防洪、固土、保肥、改良土壤等功能上的价值高达81322亿元。城市森林涵养水源、固土、保肥的功能及其价值是我国城市森林建设中迫切需要研究的问题。参考文献柴一新,王晓春,孙洪志,等.2004.中国城市森林研究热点.东北林业大学学报,32(2):74-79.邓容海.1985.森林生态效能经济评价的理论和方法.林业科学,21(1):61-67.丁向阳,何 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