王 茜 ，杜萬光 ，王曉磊

（1.北京市園林科學(xué)研究院，北京 100102；3.北京市園林綠化局，北京350000；2.東營市城市管理局，東營 257000）

城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的不可分割部分，它可以明顯改善城市的生態(tài)環(huán)境，如保持水土、調(diào)節(jié)小氣候、降低噪音、凈化空氣、涵養(yǎng)水源、節(jié)約能源、美化環(huán)境等［1］。城市綠地不僅能改善城市生態(tài)環(huán)境，同時還能給其帶來經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約能源消耗，節(jié)省財政開支，為城市的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用［2］。因此生態(tài)服務(wù)功能如何被定量的價值評估，是目前各國專家研究的熱點。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，對城市綠地生態(tài)服務(wù)功能的評估方法也在不斷與時俱進(jìn)。國外的傳統(tǒng)方法主要有CTLA法、Burnley方法、AVTW方法、STEM方法、Noma Granada方法等［2-3］，國內(nèi)傳統(tǒng)的方法主要有樹木定價法、綜合價值評估法、工業(yè)制氧法、水量平衡法、替代法以及防護(hù)費用法等［2、4］。目前，評估森林生態(tài)服務(wù)功能的測算法主要有美國林業(yè)署開發(fā)的基于GIS技術(shù)的CITYgreen及林務(wù)局Nowak等研發(fā)的i-Tree兩個計算機(jī)模型，CITYgreen模型通過數(shù)字化軟件建立 “綠色數(shù)據(jù)層”（GreenLayer），利用多光譜、高分辨率影像，清晰的勾畫出研究區(qū)的整個森林格局，既可以對小試驗地也可以對大研究區(qū)的城市森林結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與生態(tài)效益評價，我國先后有學(xué)者利用該模型對哈爾濱［5］、沈陽［6-7］、南京［8］、北京［9-10］、深圳［11］、上海［12］、廈門［13］等城市開展了研究，而i-Trees模型在國內(nèi)還未廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)使用該模型的城市僅有北京［14］、合肥［15］、沈陽［16］、青島［17］等，但 i-Trees 模型較 CITYgreen模型功能更加細(xì)化，計算結(jié)果精確度更高，針對性更強。美國林務(wù)局于2016年對舊版本進(jìn)行了升級，新的5.0版本在模型界面上功能更強大，物種數(shù)據(jù)庫信息含量也更豐富，界面上增加了手機(jī)的同步操作和記錄功能等，使用戶的管理和操作更加便捷［18］。本文以i-Tree Eco（UFORE）模型為基礎(chǔ)，介紹了其在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估中的應(yīng)用以及研究進(jìn)展，為其能在國內(nèi)廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 i-Trees模型

1.1 i-Trees模型簡介

i-Trees由美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局開發(fā)研制，是提供城市和社區(qū)林業(yè)分析和效益評估的工具。i-Trees包括多個工作模塊，這些模塊通過量化樹木提供的環(huán)境服務(wù)和評估城市森林的結(jié)構(gòu)，可以幫助規(guī)模各異的社區(qū)對城市森林的管理和宣傳工作。2016年i-Trees團(tuán)隊對軟件進(jìn)行了升級，分別推出5.0和6.0版本，新版本i-Trees軟件套件主要包括帶狀城市森林分析工具和實用程序有：i-Tree Eco、i-Tree Landscape、i-Tree Streets、i-Tree Hydro、i-Tree Vue、i-Tree Species 、i-Tree Storm、i-Tree Design 、i-Tree Canopy［19-20］。

1.2 樣地選擇與數(shù)據(jù)采集

1.2.1 選擇樣地

研究區(qū)域既可以是整個城市，也可以是公園綠地、單位綠地、街道綠地或者社區(qū)綠地等。但是，如果所選研究區(qū)域為小或不連續(xù)的區(qū)域，則要對其樣地內(nèi)全部樹木進(jìn)行完整普查，以便對城市綠地生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行準(zhǔn)確的價值評估［21］。首先在研究區(qū)域內(nèi)選擇典型樣地，選擇樣地的方法包括：分層法、隨機(jī)法和網(wǎng)格法等，并采集精確度高的樣地數(shù)據(jù),只有精確度高的數(shù)據(jù)集才能被采用。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.2.1 樣地數(shù)據(jù)采集

根據(jù)i-Trees生態(tài)服務(wù)評價軟件的需要在標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)，一是對喬木層所有樹木進(jìn)行測量：包括樹種的名稱、胸徑、樹高、冠幅（包括東西、南北兩個方向數(shù)值）、枝下高、健康狀況、缺失率、樹木生活性、喬木與建筑物之間的直線距離、樹木透光率、立地條件等；二是對灌木層進(jìn)行測量：包括物種的名稱、數(shù)量（包括株數(shù)、面積）、地徑、樹高、冠幅、生長情況等；三是對草本層進(jìn)行調(diào)查：包括草本覆蓋度、高度、生長狀況、是否為自然野生草本以及人工干擾狀況等，并對植物群落拍攝照片。

1.2.2.2 氣象數(shù)據(jù)采集

根據(jù)國際用戶的特殊需求，需要對當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行采集：包括全年每小時空氣污染數(shù)據(jù)、全年每小時空氣溫濕度數(shù)據(jù)、全年降水?dāng)?shù)據(jù)、以及生物排放數(shù)據(jù)等。

1.2.2.3 經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)采集

需要收集的當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括：人口、面積、植物種植成本、養(yǎng)護(hù)成本、市政每年用于節(jié)能減排的預(yù)算等，最后根據(jù)國際用戶的各自情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、生物排放數(shù)據(jù)，以及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，利用軟件程序計算出生態(tài)效益和生態(tài)價值。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

通過i-Trees database軟件的Species Location Precipitation Pollution模塊分別錄入樹種、位置信息、氣象信息和空氣污染信息。將數(shù)據(jù)集通過info@itreetools.org郵箱發(fā)送至美國林務(wù)局（只有完成、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)才會被接受），美國林務(wù)局根據(jù)收到的國際數(shù)據(jù)將i-Trees軟件進(jìn)行格式化矯正，一般2～6個月時間收到結(jié)果。

軟件經(jīng)過格式化矯正后，再通過i-Trees Eco5.0軟件對數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理分析，測算出城市綠地內(nèi)包括節(jié)能效益、碳儲存和碳吸收效益、改善空氣質(zhì)量效益、截留雨水效益和森林美學(xué)效益5個方面的經(jīng)濟(jì)效益。

2 i-Trees軟件的計算機(jī)理及研究進(jìn)展

2.1 城市綠地節(jié)能減排效益

i-Trees節(jié)能效益的評估是基于McPherson和Simpson的研究［22］，城市綠地系統(tǒng)可以起到降溫增濕，明顯緩解城市的熱島效應(yīng)，例如夏季喬、灌、草可以通過降溫增濕作用，緩解周圍建筑物用于降低環(huán)境溫度而消耗的其他能源。反之嚴(yán)寒冬季，高大建筑被常綠樹包圍，具有保溫效果，這種保溫作用同樣可以降低其他形式的能源消耗。i-Trees的節(jié)能效益主要是通過運用空調(diào)降低或增加同樣溫度所耗電能的量，折算成貨幣來計算的［2］。

國外對此研究比較成熟，據(jù)報道，2001年美國加州單株行道樹節(jié)約能源產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，折算成美元為19.2美元，而1.77億株行道樹通過遮蔭減少能源消耗，折算成貨幣達(dá)5億美元［23］。2008年加拿大多倫多艾倫公園單株樹的生態(tài)效益，折算成貨幣為35美元，309株樹每年節(jié)電84.8GJ，折算成貨幣為1190美元，節(jié)約天然氣量937GJ，折算成貨幣為9914美元［24］。國內(nèi)李興興2011年對四川農(nóng)大校園內(nèi)森林節(jié)能效益的研究發(fā)現(xiàn)，單株樹產(chǎn)生的生態(tài)效益，折算成人民幣為37.86元，全年森林節(jié)約能源，折算人民幣總數(shù)為7.8萬元，其中對節(jié)能效益發(fā)揮重要作用的樹種是楠木和銀杏，分別占總效益的13%和10%［25］。陶曉研究發(fā)現(xiàn)合肥市單株行道樹的平均效益為21.56元，每年節(jié)約的能源折算成人民幣總數(shù)為77.1萬元，其中節(jié)約電量折算成人民幣為47.5萬元，節(jié)約天然氣折算成人民幣為29.6萬元［23］。

2.2 城市綠地吸收CO2效益

樹木自身生理特性之一即進(jìn)行光合作用將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣，在這個生理過程中不但減少了空氣中碳含量，而且緩解了溫室效應(yīng)，實現(xiàn)了空氣中的碳、氧平衡［26］。i-Trees對城市綠地年固碳效益的計算與樹木的空間分布格局、樹木生長情況、樹冠覆蓋率等因素有關(guān)［27］。它可以為城市森林每年的碳吸收能力以貨幣的形式表現(xiàn)出來，首先通過軟件設(shè)定的公式自動計算出樹木吸收CO2的效率，再根據(jù)政府征收的碳排放稅標(biāo)準(zhǔn)，核算出城市綠地吸收CO2產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益［28-29］。

國外對城市森林固碳效益的研究，既可大到整個國家也可小到某個城市進(jìn)行價值評估，如美國對許多城市的固碳效益研究發(fā)現(xiàn)，紐約的固碳量最大，其次為芝加哥［30］。美國林業(yè)研究中心研究表明，Garland、Texas每年固碳4400 t［10］。國內(nèi)的研究多采用CITYgreen、碳平衡等方法，如劉常富利用CITYgreen模型測算出沈陽市建成區(qū)每年碳存留量為880t［7］。李薇對北京市奧林匹克森林公園的生態(tài)效益研究發(fā)現(xiàn)，每年碳儲存和吸收量分別為11455 t和234 t，并且隨著樹木的生長，其碳儲存和吸收量也在不斷增加［9］。陶曉估算出合肥主城區(qū)3萬余株行道樹每年可從大氣中吸收C02達(dá)1.6t，折合成貨幣價值為157.4萬元［23］。

2.3 城市綠地改善空氣質(zhì)量效益

城市綠地主要通過截留顆粒物與吸收有害氣體兩個方面來改善空氣質(zhì)量，樹木每年能夠吸收和過濾大量的顆粒物、氮氧化物、硫化物等［31］。i-Trees軟件是通過分析樹木凈化空氣中有害物質(zhì)的能力來計算其改善空氣質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)效益，具體方法首先是估算出樹木每年凈化空氣中各種污染物的總量，然后依據(jù)政府相關(guān)機(jī)構(gòu)每年用于消除和凈化各種污染物所投入的資金進(jìn)行核算，最終根據(jù)軟件設(shè)定的程序，計算出樹木在改善空氣質(zhì)量方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益［10］。

Escobedo等對圣地亞哥城市森林凈化空氣產(chǎn)生的效益進(jìn)行價值評估，發(fā)現(xiàn)利用城市森林消除空氣中污染物同采取其他有效手段凈化空氣，能夠取得同樣的經(jīng)濟(jì)效益［32］。美國學(xué)者Nowak等對城市森林進(jìn)行研究，得出同樣的結(jié)論［27］。馬新輝等對西安市多植物類型凈化空氣的量進(jìn)行了核算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被每年滯塵3900萬噸，轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益為3100萬元［31］。

2.4 城市綠地截留雨水效益

有研究表明樹木在防風(fēng)固沙和減少暴雨徑流方面起到舉足輕重的作用［23］。i-Trees模型是依據(jù)研究區(qū)的立地條件、土壤種類、氣候類型、降雨量等因素來計算樹木截留雨水產(chǎn)生的生態(tài)效益，再根據(jù)政府相關(guān)機(jī)構(gòu)每年用于暴雨、泥石流等自然災(zāi)害所需資金，進(jìn)而得出城市森林在截留雨水方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益［28］。

根據(jù)國外研究，暴雨洪峰出現(xiàn)的頻率與森林覆蓋率的大小息息相關(guān)，森林覆蓋率每增加2個百分點，大約可削減洪峰1個百分點［29］。國內(nèi)李興興經(jīng)i-Trees運算2011年川農(nóng)大校區(qū)森林可截留雨水1.02萬m3，折算經(jīng)濟(jì)價值達(dá)16.83萬元［25］，陶曉研究發(fā)現(xiàn)合肥市區(qū)行道樹年截留雨水量為8.11萬m3，折合成經(jīng)濟(jì)效益為4000萬元［23］。

2.5 城市綠地美學(xué)效益

城市綠地的美學(xué)效益與人類活動以及生理、心理健康息息相關(guān)。如何評價其美學(xué)效益也是國內(nèi)外研究的熱點。目前i-Trees軟件利用支付意愿法對美學(xué)效益進(jìn)行估算，每株樹木的美學(xué)價值與該株樹木的地理位置以及生長情況相關(guān)［30］。計算單株樹木美學(xué)價值的公式為：單株樹木提升的房地產(chǎn)價值、樹木區(qū)位因素與樹木每年增加的葉面積三者之乘積，再除以樹木總?cè)~面積。

目前，國內(nèi)外對行道樹的美學(xué)評價還處于起步階段，研究成果還不成熟。國內(nèi)學(xué)者僅對合肥市的行道樹進(jìn)行過美學(xué)價值的探索研究，折算成人民幣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為300多萬元［16］。除此之外，對森林美學(xué)價值的評估還可以利用STRATUM模型進(jìn)行，不但可以計算出單株樹木的經(jīng)濟(jì)價值，還可得出所有樹木的經(jīng)濟(jì)價值［17］。

3 國際用戶使用i-Trees模型需要注意的問題

i-Tree Eco模型為美國、加拿大及澳大利亞的使用者默認(rèn)了氣象與空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將自動化處理這些國家進(jìn)行的項目，并在一天內(nèi)回報結(jié)果。但對于其他國家用戶則存在如下限制條件

3.1 處理時間

對于國際生態(tài)項目來說，i-Trees團(tuán)隊在收到所有數(shù)據(jù)之后需要額外的格式化時間來對模型進(jìn)行調(diào)整，以便接受和分析國際數(shù)據(jù)項目，所以處理時間從1到6個月不等。所需的實際時間取決于當(dāng)前的積壓和需要解決的數(shù)據(jù)完整性問題等［33］。2017年7月i-Trees團(tuán)隊升級了程序。在新版本中，用戶可以自己選擇年份，提交相關(guān)的天氣數(shù)據(jù)和污染數(shù)據(jù)。整個過程從最初的位置、批準(zhǔn)、實現(xiàn)和最終發(fā)布可能需要6個月的時間。

3.2 物種和位置信息

i-Trees Eco模塊由物種和位置兩種主要的數(shù)據(jù)庫組成。對于國際生態(tài)用戶來說，某些當(dāng)?shù)貥浞N在i-Trees生態(tài)物種數(shù)據(jù)庫中是沒有的。2017年7月前，國際用戶需要從生態(tài)物種數(shù)據(jù)庫中選擇一種從大小、結(jié)構(gòu)和葉子類型上具有相似特征的替代樹種。2017年7月后，由于系統(tǒng)升級，以及該軟件在全球范圍內(nèi)的使用增加，i-Trees數(shù)據(jù)庫為這些新數(shù)據(jù)（物種、位置）提供了一個中心提交站點。提交的數(shù)據(jù)將經(jīng)過審核并正式添加到i-Trees Eco。這些新地點的用戶將能夠更新他們的i-Trees Eco軟件，并對新的地點和物種進(jìn)行分析，而不需要美國林務(wù)局的人工處理。用戶提交的數(shù)據(jù)將被審查，只有完整、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)才會被接受。一旦驗證，這些數(shù)據(jù)將被包含在下一個i-Trees Eco軟件版本中。

3.3 其他額外數(shù)據(jù)

國際用戶需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及一起使用的數(shù)據(jù)集，包括位置信息、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、無線電探空數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)和生物排放數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)是全球唯一可用的數(shù)據(jù)集［34］。國際用戶可以直接在Eco應(yīng)用程序中選擇一個氣象站，而不需要提供數(shù)據(jù)本身。其他數(shù)據(jù)集則需要以Microsoft Excel格式標(biāo)注域名與數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)集匯總后附件于電子郵件寄至美國i-Trees團(tuán)隊。

4 討 論

國外成熟的模型具有其特有的地域性,若將其推廣應(yīng)用于我國，具有一定的局限性［35］。但是在符合我國國情的生態(tài)服務(wù)評估模型還未成功研發(fā)之前,借鑒國外成熟模型，進(jìn)行我國城市綠地生態(tài)效益的價值評估是一種有效方法。為了廣泛研究國內(nèi)城市綠地生態(tài)服務(wù)功能效益，我們不能僅是引進(jìn)國外的測評軟件工具，還要借鑒國外成熟技術(shù)開發(fā)研制適合國內(nèi)使用的新軟件，使之本土化，方便國內(nèi)用戶的使用，為進(jìn)一步研究我國城市森林系統(tǒng)的生態(tài)效益提供有利平臺。

但是,一方面：由于筆者所學(xué)知識及目前國內(nèi)研究成果有限，本文內(nèi)容上只探討分析了城市綠地所發(fā)揮的生態(tài)效益的五個主要方面，從研究深度和廣度方面來說,屬于一種比較簡單的嘗試和探索,望今后豐富研究內(nèi)容，例如增加森林對降低噪音、空氣中負(fù)離子能力等其他生態(tài)效益分析的內(nèi)容。另一方面：雖然對I-Trees軟件屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正與更新，完成軟件的本地化，但是還存在誤差，這種誤差對生態(tài)效益總量計算還會帶來較大影響，所以希望在今后更加深入的探索和分析I-Trees軟件在我國城市綠地生態(tài)系統(tǒng)功能評估中的應(yīng)用的同時，從模型的機(jī)理進(jìn)行研究，重新編寫其原代碼，加入中國的氣候、植被等數(shù)據(jù)源，以期建立一種本土化的測評軟件工具，使定量評估城市森林生態(tài)效益的方法更加有效和可行。