不同農(nóng)林景觀配置模式小流域生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估

馬宇丹，王 濤，韓新輝*，楊改河，馮永忠，任廣鑫，王曉嬌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊陵 712100)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益[1]?？茖W(xué)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及價(jià)值是近些年生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估的理論和方法做了大量研究[3-4]。早在1978年，日本林野廳利用數(shù)量化理論多變量解析方法對(duì)其國(guó)內(nèi)類型的森林生態(tài)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估[5-6]。R.Costanza[7]等對(duì)全球生物圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行了估算。2011年，英國(guó)科學(xué)家對(duì)25項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估[8]。20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始對(duì)森林生態(tài)服務(wù)功能及價(jià)值評(píng)估進(jìn)行了大量研究。歐陽(yáng)志云[9]等將陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)、維持大氣CO2與O2的平衡、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)與貯存、水土保持、涵養(yǎng)水源、對(duì)環(huán)境污染的凈化作用共6個(gè)方面功能，并運(yùn)用影子工程、替代工程等方法將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)價(jià)值。謝高地[10]等將中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為廢物處理、食物生產(chǎn)、水供應(yīng)等17個(gè)方面并運(yùn)用影子工程、機(jī)會(huì)成本等方法將其轉(zhuǎn)換為價(jià)值。賴亞飛[11]將退耕還林工程的生態(tài)效益分為保護(hù)水資源、固碳制氧、生物多樣性保護(hù)等6個(gè)方面，并運(yùn)用影子工程、替代工程等方法核算了吳起縣退耕還林工程生態(tài)價(jià)值?？傊?，國(guó)內(nèi)不同學(xué)者進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估時(shí)，所選取的指標(biāo)體系和方法不盡相同，故彼此之間往往難以進(jìn)行比較。國(guó)家林業(yè)局頒布的《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T1721-2008)[12]，使得我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法在國(guó)家層面上得到了統(tǒng)一。

小流域綜合治理是指為了充分發(fā)揮流域內(nèi)自然資源的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，以小流域?yàn)閱卧谌嬉?guī)劃的基礎(chǔ)上，合理安排農(nóng)、林、牧等各業(yè)用地，因地制宜地布設(shè)綜合治理措施，治理和開發(fā)相結(jié)合，對(duì)流域水土等自然資源進(jìn)行保護(hù)、改良與合理利用[13]。小流域綜合治理是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，充分發(fā)揮區(qū)域自然資源綜合效益的重要途徑，而不同區(qū)域由于自然資源、社會(huì)條件差異以及綜合治理側(cè)重點(diǎn)的不同，治理效果也不盡相同[14]。在小流域綜合治理和退耕還林工程的實(shí)施下，陜北黃土丘陵區(qū)小流域農(nóng)林草景觀配置格局發(fā)生了巨大的變化，鄧健[15]等根據(jù)實(shí)地調(diào)研和對(duì)黃土丘陵區(qū)小流域綜合治理相關(guān)資料的研究將黃土丘陵區(qū)小流域農(nóng)林草景觀配置模式分為“林草模式”、“林草+耕地模式”、“林草+果園模式”和“林草+糧果兼作模式”4種，并通過(guò)層次分析法構(gòu)建了評(píng)價(jià)模型對(duì)4種農(nóng)林景觀配置模式下的小流域綜合效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示小流域綜合治理后產(chǎn)生了良好的生態(tài)效益[15]。前期研究對(duì)具體生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)和功能都有了深刻的認(rèn)識(shí)，但對(duì)其功能效應(yīng)的價(jià)值化研究還比較薄弱。因此，本研究選擇該區(qū)域的4種不同農(nóng)林草配置模式主導(dǎo)的典型小流域?yàn)閷?duì)象，依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》對(duì)其進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值評(píng)估研究，旨在闡述不同配置模式的小流域的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的差異，以期為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)鞏固和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)分別為陜西省延安市吳起縣金佛坪(36°49′-36°50′N，108°12′-108°13′E)、延安市安塞縣五里灣(36°51′-36°53′N，109°19′-109°21′)、延安市寶塔區(qū)廟咀溝(36°37′-36°40′N，109°21′-109°23′E)以及榆林市米脂縣高西溝(37°51′-37°52′N，110°09′-110°12′E)4個(gè)小流域，基本概況見(jiàn)表1、圖1。

表1 小流域概況Table 1 Overview of the watersheds

圖1 研究區(qū)域分布Fig.1 Watersheds distribution in Shaanxi

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于課題組于2013-2016年對(duì)研究區(qū)域做的植被調(diào)查、室外測(cè)定、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及參閱2013-2016年研究區(qū)林業(yè)局森林資源清查資料、水土流失公報(bào)、社會(huì)統(tǒng)計(jì)年鑒以及前人相關(guān)研究文獻(xiàn)等[16]，以2014年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行物質(zhì)量計(jì)算。物質(zhì)量向價(jià)值量轉(zhuǎn)換過(guò)程中用到的價(jià)值參數(shù)參照我國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)公布的社會(huì)公共數(shù)據(jù)和類似研究中用到的價(jià)值參數(shù)。

2.2 評(píng)估方法及計(jì)算公式

本研究根據(jù)前人對(duì)黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值估算時(shí)所選取的指標(biāo)結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，并在考慮評(píng)估參數(shù)的可獲得性和可靠性的基礎(chǔ)上以文獻(xiàn)[12]為依據(jù)，選取了涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣功能、生物多樣性保護(hù)共6個(gè)方面共11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估，具體指標(biāo)及計(jì)算公式見(jiàn)表2。

表2 小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估指標(biāo)及計(jì)算公式[17]Table 2 Ecosystem service value evaluation index system and formula of watershed

注：式中水庫(kù)庫(kù)容造價(jià)取8.44元·t-1，城市居民用水價(jià)格取3.07元·t-1，磷酸二銨價(jià)格取3 300元·t-1，氯化鉀價(jià)格取2 800元·t-1，有機(jī)質(zhì)價(jià)格取800元·t-1，固碳價(jià)格取1 281元·t-1，氧氣價(jià)格取1 299.07元·t-1，二氧化硫排污費(fèi)取1 850元·t-1，氮氧化物排污費(fèi)取970元·t-1，粉塵排污費(fèi)取230元·t-1，負(fù)離子價(jià)格為9.46元·1018個(gè)-1[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 涵養(yǎng)水源功能

由式(1)、(2)得出4個(gè)小流域年調(diào)節(jié)水量?jī)r(jià)值、年凈化水質(zhì)價(jià)值、年涵養(yǎng)水源價(jià)值及單位面積小流域年涵養(yǎng)水源價(jià)值(表3)。由表3可知，4個(gè)小流域年涵養(yǎng)水源價(jià)值為廟咀溝(504.7萬(wàn)元)>五里灣(394.1萬(wàn)元)>高西溝(272.8萬(wàn)元)>金佛坪(219.8萬(wàn)元)；單位面積小流域年涵養(yǎng)水源價(jià)值為廟咀溝(6 936.2元·hm-2)>五里灣(6 699.5元·hm-2)>金佛坪(6 308.4元·hm-2)>高西溝(5 818.7元·hm-2)。

3.2 保育土壤功能

由式(3)、(4)得出4個(gè)小流域年保育土壤價(jià)值、單位面積小流域年保育土壤價(jià)值(表4)，年保育土壤價(jià)值依次為廟咀溝(3 558.4萬(wàn)元)>五里灣(2 730.5萬(wàn)元)>金佛坪(1 827.9萬(wàn)元)>高西溝(1 818.9萬(wàn)元)；單位面積小流域年保育土壤價(jià)值為金佛坪(52 460.6元·hm-2)>廟咀溝(48 903.5元·hm-2)>五里灣(46 418.9元·hm-2)>高西溝(元·hm-2)。

表3 小流域涵養(yǎng)水源功能Table 3 Water storage function of the watersheds 萬(wàn)m3，萬(wàn)元，元·hm-2

表4 小流域保育土壤功能Table 4 Soil conservation function of the watersheds

3.3 固碳釋氧功能

由式(5)、(6)得出4個(gè)小流域年固碳釋氧價(jià)值、單位面積小流域年固碳釋氧價(jià)值(表5)，年固碳釋氧價(jià)值依次為廟咀溝(549.1萬(wàn)元)>五里灣(467.0萬(wàn)元)>高西溝(362.8萬(wàn)元)>金佛坪(280.4萬(wàn)元)；單位面積小流域年固碳釋氧價(jià)值為：金佛坪(8 048.6元·hm-2)>五里灣(7 938.3元·hm-2)>高西溝(7 737.3元·hm-2)>廟咀溝(7 546.3元·hm-2)。

3.4 林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)功能

由式(7)得出4個(gè)小流域年林木積累營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、單位面積小流域年林木積累營(yíng)養(yǎng)價(jià)值(表6)。由表6可知，4個(gè)小流域年林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值為廟咀溝(180.4萬(wàn)元)>五里灣(152.8萬(wàn)元)>高西溝(120.4萬(wàn)元)>金佛坪(91.5萬(wàn)元)；單位面積小流域年林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值為金佛坪(2 625.7元·hm-2)>五里灣(2 598.4元·hm-2)>高西溝(2 567.4元·hm-2)>廟咀溝(2478.8元·hm-2)。

表5 小流域固碳釋氧功能Table 5 Carbon fixation and O2 release function of the watersheds

3.5 凈化大氣功能

由式(8)、(9)、(10)計(jì)算得出4個(gè)小流域年凈化大氣功能價(jià)值、單位面積小流域年凈化大氣功能價(jià)值(表7)，由表7可知，4個(gè)小流域年凈化大氣功能價(jià)值為廟咀溝(27.4萬(wàn)元)>五里灣(21.5萬(wàn)元)>金佛坪(17.4萬(wàn)元)>高西溝(15.9萬(wàn)元)；單位面積小流域年凈化大氣功能價(jià)值為金佛坪(498.4元·hm-2)>廟咀溝(376.7元·hm-2)>五里灣(364.7元·hm-2)>高西溝(339.0元·hm-2)。

表6 小流域林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)功能Table 6 Nutrient accumulation functions of the watersheds t，萬(wàn)元，元·hm-2

表7 小流域凈化大氣功能Table 7 Air quality purification of the watersheds t，萬(wàn)元，元·hm-2

3.6 生物多樣性保護(hù)功能

由式(11)得出4個(gè)小流域生物多樣性保護(hù)價(jià)值、單位面積生物多樣性保護(hù)價(jià)值(表8)，年生物多樣性保護(hù)價(jià)值依次為廟咀溝(99.7萬(wàn)元)>五里灣(85.9萬(wàn)元)>高西溝(61.8萬(wàn)元)>金佛坪(40.5萬(wàn)元)；單位面積小流域年生物多樣性保護(hù)價(jià)值為五里灣(1 459.9元·hm-2)>廟咀溝(1 370.5元·hm-2)>高西溝(1 319.0元·hm-2)>金佛坪(1 161.2元·hm-2)。

3.7 小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總值及其構(gòu)成

將以上6項(xiàng)價(jià)值相加即可得出4個(gè)小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值以及各服務(wù)功能價(jià)值所占比例(表9)。由表9可知4個(gè)小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值由高到低分別是廟咀溝(4 919.6萬(wàn)元·a-1)>五里灣(3 851.7萬(wàn)元·a-1)>高西溝(2 652.7萬(wàn)元·a-1)>金佛坪(2 477.5萬(wàn)元·a-1)；單位面積小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值由高到低分別為金佛坪(71 102.9元·hm-2·a-1)>廟咀溝(67 612.1元·hm-2·a-1)>五里灣(65 476.6元·hm-2·a-1)>高西溝(56 570.0元·hm-2·a-1)。6大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能占比由高到低為保育土壤價(jià)值>固碳釋氧價(jià)值>涵養(yǎng)水源價(jià)值>積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值>生物多樣性保護(hù)價(jià)值>凈化大氣價(jià)值。其中保育土壤、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源3項(xiàng)功能占比在90%以上。

表8 小流域生物多樣性保護(hù)功能Table 8 Biodiversity conservation of the watersheds

表9 小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能Table 9 Ecosystem service of the watersheds

4 結(jié)論與討論

4.1 小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量顯著

在黃土丘陵區(qū)小流域提供的涵養(yǎng)水源、保育土壤等6項(xiàng)功能中，4個(gè)小流域都是以保育土壤、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源價(jià)值為主，這與成六三[17]在對(duì)榆林市南6縣退耕還林工程生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估中得出的固土保肥、固碳制氧、涵養(yǎng)水源功能占到生態(tài)服務(wù)功能的96%以上的結(jié)論相一致，與賴亞飛[11]對(duì)吳起縣1999-2004年退耕還林工程生態(tài)效益初始總價(jià)值核算得到的保育土壤、固碳釋氧、保護(hù)水資源效益占到總生態(tài)效益價(jià)值量的80%以上的結(jié)論相接近[11]。這可能是因?yàn)辄S土丘陵區(qū)水土流失嚴(yán)重，小流域綜合治理后形成的森林草地林冠層、枯枝落葉層和地下的根系層既能起到攔截和滯留地表徑流，又能增強(qiáng)土壤腐殖質(zhì)及水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，從而起到固持土壤的作用大幅度降低土壤侵蝕模數(shù)，改善水土流失，大量研究表明植被覆蓋后能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分，所以小流域保育土壤功能價(jià)值量顯著；地上枝葉和枯枝落葉又具有攔截降水、滯留地表徑流的作用，也會(huì)大大減少暴雨造成的土壤侵蝕并將其轉(zhuǎn)化為土壤水，同時(shí)植被地下的根系會(huì)增大土壤的孔隙度，加強(qiáng)土壤的蓄水能力，而植被本身又具有凈化水質(zhì)的作用，所以小流域涵養(yǎng)水源功能價(jià)值量也比較高；而小流域植被覆蓋率提高之后，不僅植物的光合作用會(huì)大量地吸收空氣中的CO2產(chǎn)生O2，而且土壤也會(huì)因?yàn)樯值纳L(zhǎng)起到固碳作用[11]，所以小流域固碳釋氧功能的價(jià)值量也非?？捎^。

4.2 林草模式下的小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較優(yōu)

4種不同農(nóng)林景觀配置下的小流域單位面積生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值由高到低分別是林草模式、“林草+果園”模式、“林草+耕地”模式、“林草+糧果兼做”模式，即林草配置模式下的小流域具有較高的生態(tài)價(jià)值，這與鄧健[15]等通過(guò)層次分析法構(gòu)建的生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系對(duì)黃土丘陵退耕小流域生態(tài)效益作出的評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，這說(shuō)明農(nóng)林景觀為林草模式的小流域確實(shí)具有較優(yōu)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。這可能是因?yàn)樵撃Ｊ街卫硐碌男×饔蛑挥辛植?，恢?fù)過(guò)程中不受人為擾動(dòng)，土壤和植被易于積累養(yǎng)分，發(fā)揮保育土壤和林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能。而其他模式均有一定比例的耕地和果園，作物和果樹生長(zhǎng)不僅會(huì)消耗土壤養(yǎng)分，也會(huì)因?yàn)槿藶榈母?、翻地等措施影響土壤的涵養(yǎng)水源和保育土壤功能，同時(shí)在種植過(guò)程中施用化肥、噴施農(nóng)藥也會(huì)使二氧化碳釋放增多、生物多樣性被抑制等。即林草配置模式下的小流域植被恢復(fù)速度較快，植被覆蓋率、水土保持效益顯著增加，使得小流域自然資源的生態(tài)效益能夠充分發(fā)揮。

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