陜西省退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測與評估初步分析

張曉梅，任斐鵬，陳永欣，孫金偉

(1.陜西省退耕還林工程管理中心，西安 710082；2.長江科學院 水土保持研究所，湖北武漢 430010；3.陜西省森林資源管理局，西安 710082)

2016-12-18

陜西省科學院重大項目(2016K-08)、應用基礎研究項目(2004K-15)、(2012K-10)、(2014K-15)、青年人才培養(yǎng)項目(2015K-28)；陜西省科技廳農(nóng)業(yè)攻關項目(2016NY-022)；西安市科技局現(xiàn)代農(nóng)業(yè)推進專項(NC1206(2))。

張曉梅(1972-),女,陜西延川人,工程師,研究方向:退耕還林工程技術及管理。E-mail:358343672@99.com。

陜西省退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測與評估初步分析

張曉梅1，任斐鵬2，陳永欣3，孫金偉2

(1.陜西省退耕還林工程管理中心，西安 710082；2.長江科學院 水土保持研究所，湖北武漢 430010；3.陜西省森林資源管理局，西安 710082)

生態(tài)效益的監(jiān)測與評估不僅是退耕還林工程有效性評價的重要環(huán)節(jié)，也是新一輪工程實施的重要理論基礎。研究以陜西省為例，以1999-2014年退耕還林工程逐級統(tǒng)計數(shù)據(jù)和2個站點生態(tài)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，運用成熟、有效的森林生態(tài)服務評估體系和方法，對陜西省退耕還林生態(tài)效益進行了監(jiān)測與初步核算。結果表明：(1)1999-2014年，陜西省退耕還林工程經(jīng)歷了先增后減的總體變化，共實施宜林荒山荒地造林128.11萬hm2，退耕地還林的造林101.56萬hm2，封山育林15.79萬hm2；(2)生態(tài)效益物質量測算結果顯示，退耕還林工程已在發(fā)揮重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能，包括涵養(yǎng)水源22.7億m3·a-1，固碳383.40萬t·a-1等；(3)生態(tài)效益價值量測算結果表明，陜西省退耕還林工程生態(tài)效益總價值為965.31億元·a-1，以涵養(yǎng)水源價值量最高，為272.07億元·a-1。因此，初步結果表明，工程已在發(fā)揮重要成效，且價值量巨大，研究可為重大工程生態(tài)效益監(jiān)測與評估、生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)補償?shù)忍峁├碚搮⒖肌?/p>

生態(tài)系統(tǒng)服務；生態(tài)監(jiān)測；效益評估；退耕還林

前言

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地表層的重要組分，對于調(diào)節(jié)地球上土壤圈、大氣圈、水圈和生物圈循環(huán)具有重要的意義。森林生態(tài)系統(tǒng)退化不僅導致生物多樣性退化、土地生產(chǎn)力下降，而且誘發(fā)水土流失、土地荒漠化和沙漠化等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。生態(tài)恢復是一種生態(tài)系統(tǒng)的正向干擾，是維持生態(tài)系統(tǒng)健康及更新的重要過程，重大工程則是世界各國實施生態(tài)恢復的重要手段。重大工程生態(tài)恢復與人類福祉和人居環(huán)境關系密切，受到各國學者的廣泛關注，相關工程效益的監(jiān)測與評估是目前生態(tài)學的一個研究熱點。

森林生態(tài)系統(tǒng)具有多種功能和多重效益，其不僅能夠提供生產(chǎn)和生活必需物質，而且能夠支持和維持地球生命系統(tǒng)，發(fā)揮涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護和大氣調(diào)節(jié)等重要功能[1-2]。因此，目前森林生態(tài)系統(tǒng)服務及效益監(jiān)測與評估主要針對兩個方面：一是生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出的各種原材料和產(chǎn)品，二是系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)服務、文化服務和支持服務等功能[3-4]。相應的生態(tài)系統(tǒng)服務功能監(jiān)測與評價也主要從物質量和價值量的兩種經(jīng)典的方法開展[5]。相關研究進展方面，國外研究起步較早，監(jiān)測和評估的理論與方法也相對完善，國內(nèi)在全國尺度、區(qū)域尺度也開展了大量的研究[9]，取得了豐碩的成果，但是由于我國生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，區(qū)域差異大，不同學者選取的研究方法不同，因此，截止目前尚未形成統(tǒng)一、完整、有效的監(jiān)測與評估理論和方法。

退耕還林工程是我國實施的一項重大生態(tài)恢復工程，科學評估退耕還林區(qū)域植被的恢復狀況及其功能，不僅是工程實施有效性評估的重要環(huán)節(jié)，也是新一輪退耕還林工程實施的重要理論基礎和技術參考。陜西省是我國最早實施退耕還林工程的省份之一，也是我國退耕還林工程建設的重點與核心省份。通過多年的工程建設，退耕還林工程的實施效果究竟如何，不僅是一個急需解決的科學問題，也是社會關注的熱點。基于此，本研究針對陜西省退耕還林工程的生態(tài)效益開展了監(jiān)測與評估，從退耕還林工程生態(tài)效益的物質量和價值量等方面開展了初步研究，以期為探索重大工程生態(tài)效益監(jiān)測與評估提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于我國西北部，地處內(nèi)陸腹地，地理位置31°42′～39°35′N、105°29′～111°12′E之間[10]。全省整體呈南北狹長，東西偏窄，地勢南北高、中間低，由西向東傾斜的特點比較明顯。有高原、山地、平原和盆地等多種地貌類型，氣候多樣，生態(tài)環(huán)境復雜。研究區(qū)北邊是陜北高原，海拔900～1 500 m，約占陜西省土地面積的45%，最北部為毛烏素沙漠的南緣，往南為黃土高原丘壑區(qū)，北部的最南端有黃龍山和子午嶺，全區(qū)氣候干旱少雨，是陜西省退耕還林工程的重點和難點區(qū)域；中部為關中平原，海拔300～800 m，約占全省土地面積的19%，全區(qū)地勢平坦，土地肥沃，是陜西省主要的糧食產(chǎn)區(qū)和城集鎮(zhèn)聚集區(qū)；南部是秦巴山區(qū)，海拔1 000～3 700 m，約占全省土地面積的36%，氣候濕潤多雨，橫跨我國的北方與南方，分屬黃河和長江兩大流域，是陜西省退耕還林工程實施的重點區(qū)域之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 資源量數(shù)據(jù) 本研究所用退耕還林工程量數(shù)據(jù)為逐級統(tǒng)計數(shù)據(jù)，時間跨度為1999-2014年，時間間隔為1 a。數(shù)據(jù)的覆蓋范圍包括陜西省安康市、寶雞市、韓城市、漢中市、商洛市、銅川市、渭南市、西安市、咸陽市、延安市和榆林市共計11市；數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及工程實施面積、形成的郁閉度/覆蓋度、地形地貌、坡度、降水量等，統(tǒng)計的工程類型涉及陜西省退耕還林中的退耕還林還草、宜林荒山荒地造林和封山育林3種類型。

1.2.2 生態(tài)參數(shù) 本研究所用生態(tài)參數(shù)主要來源于陜西省榆林市神木縣和陜西省商洛市商南縣兩個退耕還林監(jiān)測點。監(jiān)測內(nèi)容包括兩大類：一類是基礎信息，包括監(jiān)測站地形地貌、氣候土壤、退耕前后植被狀況、群落結構、生物量、土壤理化性質、植被水文、水土流失、徑流泥沙、面源污染和幼苗更新等相關信息；一類是監(jiān)測點退耕還林還草、宜林荒山荒地造林和封山育林生態(tài)服務參數(shù)，包括涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質、凈化大氣環(huán)境和森林防護6個類別17個分項的主要參數(shù)。監(jiān)測時段為2014年和2015年。另外，由于陜西省境內(nèi)退耕還林監(jiān)測點密度相對較小，因此研究過程中還借鑒了陜西省周邊山西省、甘肅省、湖北省等相鄰省份的相關數(shù)據(jù)[11]。

1.2.3 其它數(shù)據(jù) 除了資源量數(shù)據(jù)和生態(tài)參數(shù)以外，本研究還用到了陜西省的基礎地理信息數(shù)據(jù)，本研究所用陜西省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)采用國家基礎地理信息系統(tǒng)全國1∶400萬數(shù)據(jù)，行政界線以該數(shù)據(jù)為主要依據(jù)。

1.3 研究方法

研究運用時空對比的分析方法，分析了陜西省退耕還林工程的資源量分布特點及趨勢；生態(tài)效益監(jiān)測依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測與評估規(guī)范》(LY/T2241—2004)[12]和《森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法》(LY/T 1952—2011)[13]、中國森林生態(tài)連清技術體系[14]；運用物質量和價值量評價方法和《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T1721—2008)[15]，從物質量和價值量兩個方面評價陜西省退耕還林工程涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質、凈化大氣環(huán)境和森林防護6個類別17個分項的生態(tài)功能；運用GIS空間分析相結合的方法，分析了陜西省退耕還林工程生態(tài)效益的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 退耕還林工程量變化分析

從1999年到2014年陜西省退耕還林工程量變化可以看出(圖1)，在陜西退耕還林工程實施以來，工程任務量數(shù)據(jù)經(jīng)歷了先增加后減少的總體趨勢。另外，從不同植被恢復類型的對比來看，在1999年到2003年陜西省退耕還林以退耕還林還草和荒山地造林為主，2006年到2012年間，以荒山地造林和封山育林為主，2013年以后隨著新一輪退耕還林工程的實施，退耕還林還草的資源量又開始增加。

截止2014年統(tǒng)計，陜西省退耕還林工程中，以宜林荒山荒地造林面積最大，為128.11萬hm2，占工程總面積的52.2%，其次為退耕地還林的造林面積，為101.56萬hm2，占工程總面積的41.4%，封山育林的造林面積最小，為15.79萬hm2，占工程總面積的6.4%(圖2)。另外陜西省退耕還林工程還存在林種類型之間的差異，根據(jù)監(jiān)測結果顯示，生態(tài)林所占比例最高，面積比例53.9%，經(jīng)濟林次之，面積比例24.6%，灌木林面積比例最低，為21.6%(圖3)。

圖1 陜西省退耕還林三種植被恢復類型工程量時序變化

圖2 陜西省退耕還林三種植被恢復類型面積比例

圖3 陜西省退耕還林三個林種類型面積比例

2.2 物質量評估結果分析

從物質量總量上來看，陜西省退耕還林工程涵養(yǎng)水源總物質量為22.7億m3·a-1，固土總物質量為3 976.72萬t·a-1，固定土壤氮、磷、鉀和有機質總物質量分別為6.16萬t·a-1、1.87萬t·a-1、67.32萬t·a-1和80.14萬t·a-1；固碳總物質量為383.40萬t·a-1，釋氧總物質量為898.21萬t·a-1；林木積累氮、磷、鉀營養(yǎng)物質的總物質量分別為9.0829萬t·a-1、1.136萬t·a-1和5.645萬t·a-1；提供負離子911.50×1022個·a-1，吸收污染物30 202.25萬kg·a-1，滯塵3 354.80萬t·a-1(其中包括吸滯TSP總物質量為2683.84萬t·a-1，吸滯PM2.5為133.91萬t·a-1)；防風固沙總物質量為5274.56萬t·a-1。

從空間分布上來看，評估結果顯示陜西省退耕還林工程生態(tài)效益物質量存在地市間的差異(圖4)。其中涵養(yǎng)水源量較大的是安康市，達4.39億m3·a-1，其次為延安市，達4.04億m3·a-1，西安市涵養(yǎng)水源能力最低，僅為0.30億m3·a-1；固土量和保肥量較大的是延安市和榆林市，達986.36萬t·a-1和808.13萬t·a-1，其次為安康市，達577.95萬t·a-1，西安市最低，為57.83萬t·a-1；固碳總物質量最高的是延安市，達41.8億元·a-1，約占全省的20%，最少的是西安市，僅為2.30億元·a-1；林木積累營養(yǎng)物質物質量較大的是延安市和榆林市，分別達455.05萬t·a-1和2.3787萬t·a-1，其次為安康市；提供空氣負離子物質量均較大的是延安市和安康市，達234.06×1022個·a-1和126.75×1022個·a-1之間，其次為榆林市；防風固沙物質量較大的是寶雞市和榆林市，達1 967.89萬t·a-1和1 298.64萬t·a-1，其次為安康市?？傮w上具有陜北高原生態(tài)效益高，中部關中平原城市群周邊生態(tài)效益低的特點，與陜西省實施退耕還林工程的程度基本一致。

圖4 陜西省退耕還林效益物質量空間分布

2.3 價值量評估結果分析

與物質量相比而言，生態(tài)效益的價值量更具有社會意義。從價值總量來看，陜西省退耕還林工程涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護和森林防護7項功能生態(tài)效益總價值為965.31億元·a-1，相當于陜西一個中小城市一年的GDP總量。其中涵養(yǎng)水源價值量272.07億元·a-1，占總價值量的28.2%；凈化大氣環(huán)境的價值量202.22億元·a-1，占總價值量的20.9%；其中吸滯TSP和PM2.5的價值量分別為6.44億元·a-1和109.36億元·a-1，合計占凈化大氣環(huán)境價值量的57.3%；固碳釋氧價值量172.35億元·a-1，占總價值量的17.9%；生物多樣性保護的價值量123.24億元·a-1，占總價值量的12.8%；森林防護和林木積累營養(yǎng)物質的價值量分別為79.1億元·a-1和28億元·a-1，占總價值量的8.2%和2.9%?？梢钥闯?，陜西省退耕還林工程在涵養(yǎng)水源和凈化大氣等生態(tài)功能方面已在發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。

另外，從空間分布上來看，不同功能的生態(tài)效益價值量存在區(qū)域間的差異(圖5)。在生態(tài)效益總價值量方面，最高的是延安市，達218.38億元·a-1，生態(tài)效益總價值量約占全省的22.6%，最小的是西安市，為13.09億元·a-1，生態(tài)效益總價值量僅占全省生態(tài)效益總價值總量的1.4%。各單項生態(tài)功能效益價值方面，涵養(yǎng)水源價值量方面，較高的是安康市和延安市，分別達52.72和48.41億元·a-1，合計涵養(yǎng)水源價值量約占全省的37.2%，最小的是西安市，僅為3.84億元·a-1，涵養(yǎng)水源價值量僅占全省涵養(yǎng)水源價值總量的1.4%；保育土壤價值量較高的是榆林市和延安市，分別達18.22和23.38億元·a-1，保育土壤價值量約占全省的47.1%，最小的是西安市，僅為1.20億元·a-1，保育土壤價值量僅占全省保育土壤價值總量的1.4%；固碳釋氧價值量最高的是延安市，達41.8億元·a-1，占全省價值量的1/5，最小的為西安市，僅為2.30億元·a-1，占全省固碳釋氧價值總量的1.3%；林木營養(yǎng)物質積累價值量最高的是延安市，達7.54億元·a-1，占全省的26.9%；最小的是西安市，僅為0.43億元·a-1，占全省林木營養(yǎng)物質積累價值總量的1.5%；凈化大氣環(huán)境價值量最高的是榆林市，達41.92億元·a-1，占全省的20.7%，最小的是西安市，僅為2.57億元·a-1，占全省凈化大氣環(huán)境價值總量的1.3%；生物多樣性保護價值量最高的是延安市，達29.02億元·a-1，占全省的23.5%。分布最少的是西安市，僅為1.37億元·a-1，占全省生物多樣性保護價值總量的1.4%；森林防護價值量最高的是延安市，達29.52億元·a-1，占全省的37.3%。分布最少的是商洛市，僅為0.97億元·a-1，占全省森林防護價值總量的1.2%。

圖5 陜西省退耕還林效益價值量空間分布

3 結論與討論

(1)生態(tài)效益監(jiān)測結果顯示，1999-2014年陜西省退耕還林工程實施宜林荒山荒地造林128.11萬hm2，退耕地還林的造林101.56萬hm2，封山育林15.79萬hm2。退耕還林工程量有明顯的時間變化差異，2002年左右達到最大值，1999-2002年呈現(xiàn)波動增加趨勢，2002-2012年總統(tǒng)呈現(xiàn)波動下降趨勢，2013年以后有出現(xiàn)緩慢增加。分析原因這與國家退耕還林政策的變化密切相關。另外，退耕還林植被恢復方式也存在時間上的差別，在1999年到2003年以退耕還林還草和荒山地造林為主，2006年到2012年間，以荒山地造林和封山育林為主，2013年以后退耕還林還草的數(shù)量有所增加。這一變化趨勢，實質上反映了退耕還林工程治理重心的變化，早期以坡耕地、荒山治理為主，隨著工程實施的深入，通過一段時間的發(fā)展，進入了以生態(tài)保護為主的發(fā)展時期。

(2)陜西省退耕還林生態(tài)效益物質量評估結果顯示，陜西省退耕還林工程已經(jīng)在發(fā)揮重大的生態(tài)效益。其中在水土保持方面，工程涵養(yǎng)水源總物質量為22.7億m3·a-1，固土總物質量為3 976.72萬t·a-1；在生物固碳方面，固碳總物質量為383.40萬t·a-1，釋氧總物質量為898.21萬t·a-1；在林產(chǎn)品供給方面，林木積累氮、磷、鉀營養(yǎng)物質的總物質量分別為9.0829萬t·a-1、1.1360萬t·a-1和5.645萬t·a-1；在大氣調(diào)節(jié)方面，提供負離子911.50×1022個·a-1，吸收污染物30 202.25萬千克·a-1，滯塵3 354.80萬t·a-1；另外，工程還發(fā)揮著重大的防風固沙功能，總物質量為5 274.56萬t·a-1。從空間差異上來看，不同生態(tài)效益物質量存在區(qū)域間的差異，具有陜北高原生態(tài)效益高，中部關中平原城市群周邊生態(tài)效益低的特點。

(3)陜西省退耕還林生態(tài)效益價值量評估結果顯示，陜西省退耕還林工程生態(tài)效益總價值為965.31億元·a-1，相當于陜西一個中小城市一年的GDP總量。其中，涵養(yǎng)水源價值量最高，為272.07億元·a-1；凈化大氣環(huán)境的價值量次之，為202.22億元·a-1；其中吸滯TSP和PM2.5的價值量分別為6.44億元·a-1和109.36億元·a-1；固碳釋氧價值量172.35億元·a-1；生物多樣性保護的價值量123.24億元·a-1；森林防護和林木積累營養(yǎng)物質的價值量分別為79.1億元·a-1和28億元·a-1。從空間差異上來看，生態(tài)效益總價值量最高的是延安市，達218.38億元·a-1，生態(tài)效益總價值量約占全省的22.6%，最小的是西安市，為13.09億元·a-1。

研究過程中可以看到，通過多年的建設，陜西省境內(nèi)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡得到了很大的發(fā)展，但是開展退耕還林工程效益監(jiān)測的站點卻不多見，相關的監(jiān)測站網(wǎng)建設工作嚴重滯后，建議加強相關站點建設、增設相關內(nèi)容監(jiān)測。另外，從初步的研究結果來看，隨著陜西省退耕還林生態(tài)工程生態(tài)效益的發(fā)揮，已向工程實施區(qū)提供了重要的生態(tài)產(chǎn)品和生態(tài)服務，對改善工程區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了重要的作用。但是還應該注意到，生態(tài)工程效益存在著區(qū)域之間的差異，特別是在大城市聚集的區(qū)域，往往是退耕還林工程生態(tài)效益的低估區(qū)，這一信息警示人們要協(xié)調(diào)好城市發(fā)展和生態(tài)保護之間的關系。

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EcologicalBenefitMonitoringandEvaluationofSlopeLandConversionPrograminShaanxiProvince

ZHANG Xiao-mei1, REN Fei-peng2, CHENG Yong-xin3, SUN Jin-wei2

(1.SlopeLandConversionProjectManagementCenterofShaanxi,Xi’an,Shaanx, 710082; 2.ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,SoilandWaterConservationInstitute,Wuhan,Hubei430010;3.ShannxiForestResourcesAdministratuionBurea,Xi’an,Shaanxi7100082)

Monitoring and assessment of ecological benefits is not only an important link to the effectiveness of evaluation on slope land conversion program, but also is an important theoretical base for new round project implementation. Shaanxi province is taken as a case in this study. The data is based on statistical data step by step and ecological parameters data measured in two monitoring stations of the project from 1999 to 2014. Ecological benefits was monitored and evaluated by using forest ecological service assessment system. The result showed that: i) the returning farmland increased at first, and then turned to decrease. The whole area of waste hills or unclaimed lands returned to afforestation is 128.11 million hm2. The area of farmland converted to forest is 101.56 million hm2. The area of close hillsides to facilitate afforestation is 15.79 million hm2; ii) ecological benefits includes water conservation which is about 22.7 billion m3/year, carbon sequestration 383.40 million t/year; iii) the whole ecological benefits value is 965.31 billion yuan/year. The value of water resources conservation is highest which is 272.07billion yuan/year. The result suggested that Slope Land Conversion Program has played a good effect, with huge amount of ecological benefit, providing a theoretical reference for the ecological benefits of monitoring and evaluation, ecosystem management and ecological compensation.

Ecosystem service; ecological monitoring; benefit evaluation; returning farmland to forest

S326.20

A

1001-2117(2017)03-0046-07