果園生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)功能及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估
——基于西安市的實(shí)證分析

宋喜芳,姚海榮, 張晨陽,陳 妮,周 玲,任媛媛

(1.陜西省西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 陜西 西安 710061；2.西安市雁塔區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西 西安 710061;3.陜西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)培訓(xùn)中心,陜西 西安 710003)

果園生態(tài)系統(tǒng)具有大氣調(diào)節(jié)、水土保持、涵養(yǎng)水源、養(yǎng)分循環(huán)等功能[1]。趙同謙[2]、謝高地[3]、陳仲新[4]、章家恩[5]等分別對森林、草地、濕地、農(nóng)田進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估。本文研究西安果園生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及儲(chǔ)存功能。生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)主要通過生物庫、凋落物庫與土壤庫三者之間進(jìn)行的，其中最主要的過程是生物與土壤之間的養(yǎng)分交換過程[6]。養(yǎng)分循環(huán)可讓生態(tài)系統(tǒng)中各物種間的生產(chǎn)與消費(fèi)的能量發(fā)生轉(zhuǎn)變,最后又留在系統(tǒng)中,即養(yǎng)分從外界環(huán)境進(jìn)入土壤,經(jīng)過各種變化,再從土壤回到外界環(huán)境的一種周而復(fù)始的過程。筆者研究西安市果園生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)功能及其價(jià)值，為果園生態(tài)系統(tǒng)的利用及發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

養(yǎng)分循環(huán)功能估算主要有：一是林分養(yǎng)分持留法。根據(jù)植物年凈生長量，測定N、P、K元素的比例，先計(jì)算林木生長每年從土壤吸收的養(yǎng)分，計(jì)算凋落物歸還土壤的養(yǎng)分進(jìn)行測算，再根據(jù)化肥市場價(jià)格估算生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分積累的價(jià)值[7～9];果園生態(tài)系統(tǒng)固碳制氧功能,通過水熱平衡關(guān)系方程、植物的生理生態(tài)特點(diǎn)建立的自然植被的凈初級生產(chǎn)力模型，評估果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值[10],前人的研究結(jié)果認(rèn)為草地系統(tǒng)參與生態(tài)循環(huán)的養(yǎng)分物質(zhì)量與凈初級生產(chǎn)力的營養(yǎng)元素物質(zhì)量一致[11]。二是土壤庫養(yǎng)分持留法估算養(yǎng)分循環(huán)功能。通過表層土壤養(yǎng)分含量、化肥平均價(jià)格對森林、果園等不同生態(tài)系統(tǒng)維持營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)功能進(jìn)行了估算[12～13]。

筆者通過土壤庫養(yǎng)分持留法評估西安市果園生態(tài)系統(tǒng)全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等常量營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)功能，然后通過影子價(jià)格法對各類營養(yǎng)物質(zhì)的持留量進(jìn)行價(jià)值估算。

1 研究區(qū)概況

以西安市果園生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，研究區(qū)域概況見前章節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示[14～15]，2016年西安市水果產(chǎn)量107.74萬t，陜西省水果產(chǎn)量1 714萬t，西安市占6.29%；全省果樹總面積126.38萬hm2，西安果樹面積為5.32萬hm2，占全省的4.2%。西安市的果樹種植品種主要包括獼猴桃、葡萄、蘋果、石榴、棗等，其中獼猴桃種植面積和產(chǎn)量均居第一位。

2 資料的獲取

西安市2007-2016年的降水量、果園面積資料通過查閱西安市統(tǒng)計(jì)年鑒取得；西安市土壤數(shù)據(jù)為2005年測得，主要包括土壤類型、0～20 cm土壤養(yǎng)分含量包括有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀[16]；0～20 cm土壤容重資料參考西安市第二次土壤普查結(jié)果和近幾年西安市土壤測試的平均值，取1. 25 t·m-3。

3 分析方法

果園生態(tài)系統(tǒng)中生物與非生物環(huán)境之間不斷地進(jìn)行物質(zhì)交換,營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)也在生物庫、調(diào)落物庫以及土壤庫之間不斷地進(jìn)行。生物庫與土壤庫之間的養(yǎng)分交換過程是最主要的過程,是植物進(jìn)行初級生產(chǎn)的基礎(chǔ),也對生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能與過程的維持起重要作用[17]。維持生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)功能的物質(zhì)包括很多種類,但其中最主要的是全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等。

因此，筆者通過土壤庫養(yǎng)分持留法對西安市果園生態(tài)系統(tǒng)全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等常量營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)功能進(jìn)行評估，運(yùn)用影子價(jià)格法將各類營養(yǎng)物質(zhì)的持留量進(jìn)行價(jià)值估算。

根據(jù)西安市2007-2016年36 355個(gè)土壤采樣數(shù)據(jù)結(jié)果，主要有土壤深度0～20 cm的全氮、堿解氨、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)(見表6-1)，按照公式分別換算為標(biāo)準(zhǔn)的化肥磷酸二氨(NH4)2HPO4、氯化鉀KCl的總量，再分別折算成純氮、磷、鉀化肥的比例為132∶28、132∶31、75∶39。以1990年不變價(jià)作為對照計(jì)算，我國化肥平均價(jià)格為2 549元·t-1；薪材轉(zhuǎn)化土壤有機(jī)質(zhì)的一般比例為2∶1，每噸薪材的機(jī)會(huì)成本為51.3元[18]；0～20 cm土壤容重取1.25 t·m-3。

表1 土壤養(yǎng)分含量 (t/t)

果園生態(tài)系統(tǒng)土壤中養(yǎng)分持留量的計(jì)算公式如下：

土壤中有機(jī)質(zhì)的持留量：

M0=Hρ0C0A

(1)

土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的持留量，其中i為氮磷鉀：

Mi=HρiCiA(2)

果園生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)功能價(jià)值量的計(jì)算公式如下：維持有機(jī)質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量：

E0=M0P0B0/10 000

(3)

維持氮磷鉀循環(huán)功能的價(jià)值量：

Eni=MiPBi/10 000

(4)

式中：E0為維持有機(jī)質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量(萬元·a-1)；Eni為保持土壤肥力經(jīng)濟(jì)效益(萬元·a-1)；Mi為土壤中營養(yǎng)物質(zhì)量(t·a-1),H為土壤的深度；C1為0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)的含量；Ci分別為0～20 cm土壤養(yǎng)分(N、P、K)的含量；分別為0～20 cm土壤容重(t·m-3)；A西安果園面積(hm2)；B0為薪柴與有機(jī)質(zhì)的比例，一般為2：1；P0為薪柴的價(jià)格，每噸薪材的機(jī)會(huì)成本為51.3元(1990年不變價(jià))；Bi為將氮磷鉀轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化肥磷酸二銨[(NH4)2HPO4]、氯化鉀(KCl)的比例，其比例分別為132∶28、132∶31、75∶39；P為化肥價(jià)格，以1990年不變價(jià)計(jì)算我國化肥平均價(jià)格為2 549元·t-1。

4 結(jié)果與分析

4.1 西安市果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫養(yǎng)分持留量

通過西安市 2007-2016年的果園面積資料、土壤容重資料、西安市果園土壤養(yǎng)分的堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤有機(jī)質(zhì)資料(見表1)，利用公式(1)和(2)分別計(jì)算出了西安市果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫養(yǎng)分持留量(見表2)，由表2可知西安市果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫養(yǎng)分持留量包括有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀由2007-2016年是逐年遞增的，由公式(1)～(2)可知果園面積是土壤庫養(yǎng)分持留量的主要影響因素，2007年到2016年果園面積增加較快(見圖1)，因此果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫養(yǎng)分持留量也快速增加，以后果園面積增幅變小，土壤庫養(yǎng)分持留量的變化也隨之變小。

西安市果園生態(tài)系統(tǒng)平均每年土壤庫養(yǎng)分持留總量為5 087.39萬t，其中有機(jī)質(zhì)4 733.31萬t、全氮281.21萬t、堿解氮21.33萬t、有效磷6.15萬t和速效鉀45.38萬t。從表1可看出果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫中；有機(jī)質(zhì)的持留量最高，氮的持留量居第二位，鉀排第三位，磷的持留量最少。

表2 西安果園生態(tài)系統(tǒng)2007-2016年土壤庫養(yǎng)分持留量分析 (萬t)

4.2 西安市果園生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

通過西安市果園生態(tài)系統(tǒng)2007-2016年土壤庫養(yǎng)分持留量及計(jì)算公式(3)～(4)，可以計(jì)算出西安市果園生態(tài)系統(tǒng)2007-2016年維持養(yǎng)分循環(huán)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(見表3)。此為基于1990年不變價(jià)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由表3可知，果園生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是逐年遞增的，且與果園生態(tài)系統(tǒng)土壤庫養(yǎng)分持留量的變化結(jié)果有一致性的趨勢，主要受果園面積變化的影響(由公式(3)～(4)可知。由表6-3可知，西安市果園生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)功能的總經(jīng)濟(jì)價(jià)值平均每年為4 410.45×104萬元，其中有機(jī)質(zhì)、堿解氨、有效磷和速效鉀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為485.64×104萬元·a-1、256.29×104萬元·a-1、66.79×104萬元·a-1和222.47×104萬元·a-1?？梢?，西安果園生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)功能中，維持有機(jī)質(zhì)循環(huán)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值位居第一。西安市果園生態(tài)系統(tǒng)每單位面積每年維持養(yǎng)分循環(huán)功能的平均經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估為為39.6萬元·hm-2·a-1，其中維持有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀循環(huán)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為4.36萬元·hm-2·a-1、30.34萬元·hm-2·a-1、2.3萬元·hm-2·a-1、0.6萬元·hm-2·a-1和2萬元·hm-2·a-1?？梢妴挝幻娣e果園生態(tài)系統(tǒng)平均每年維持養(yǎng)分循環(huán)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值全氮最高，其次是有機(jī)質(zhì)、氮和鉀，維持磷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最低。

表3 西安果園2007-2016年庫養(yǎng)分循環(huán)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析 (104萬元)

5 建議與討論

(1)采用土壤庫養(yǎng)分持留量法計(jì)算果園生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分功能，利用土壤庫中的主要養(yǎng)分持留量(包括土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀的含量)，計(jì)算果園生態(tài)系統(tǒng)單位養(yǎng)分循環(huán)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在計(jì)算量化過程中，采用的是土壤養(yǎng)分的平均值含量進(jìn)行計(jì)算，未考慮年際變化對土壤養(yǎng)分含量的影響，不同程度地影響計(jì)算結(jié)果的精確度。本文采用的是堿解氮(非全氮)計(jì)算土壤氮循環(huán)過程中。例如，西安市果園生態(tài)系統(tǒng)土壤全氮含量為281.21萬t，而堿解氮含量僅為21.23萬t，而土壤堿解氮作為標(biāo)準(zhǔn)更能真實(shí)的反映生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)功能。

(2)土壤貯存N、P的主要表層在0～20 cm，本文主要研究0～20 cm土壤表層的養(yǎng)分循環(huán)。在果園種植經(jīng)營管理過程中應(yīng)注重保護(hù)好表層土壤，建議通過果園生草等自然抑制雜草的方式進(jìn)行除草，保護(hù)好果園生態(tài)小氣候、保持果園生態(tài)系統(tǒng)平衡。