科尔沁沙地东南缘不同生态恢复模式下生态系统服务经济价值估算

2018-01-29袁吉有段昌群欧阳志云郑华徐卫华

生态环境学报 2018年1期

袁吉有，段昌群，欧阳志云，郑华，徐卫华

1. 云南大学生态学与环境学院暨云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室，云南昆明 650091；2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京100085

荒漠化是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化（UNEP，1992）。中国是荒漠化分布大国，2000年沙漠化土地遥感监测数据显示，中国国潜在和轻度沙漠化土地面积有13.93×104km2，中度沙漠化土地9.977×104km2，重度沙漠化土地7.909×104km2，严重沙漠化土地 6.756×104km2（王涛等，2004）。如何使退化的沙地生态系统得以逆转，并恢复其生态系统服务功能是退化生态系统重建亟需解决的重点问题。在这种情况下，植被恢复与重建被认为是遏制沙化过程的有效措施，并得到广泛应用（范宁宁等，2014；高吉喜等，2015）。中国自 20世纪 50年代就开展了大规模的生态恢复工程，如三北防护林工程（Li et al.，2012）、京津风沙源治理工程（Wu et al.，2013）、天然林保护工程和退耕还林工程（Jia et al.，2014；Liu et al.，2014）。植被作为生态系统服务产生和传递的基础，其恢复势必对区域生态服务产生重要影响（张琨等，2017）。针对沙地植被恢复与重建对生态系统的影响，不同的学者从恢复特定物种、植被恢复模式生态效益、物种多样性恢复、土壤改良效应以及防风固沙等方面进行了大量的研究，得出了一些有益结果（张继义等，2004；蒋德明等，2008；左小安等，2009；谭希彬等，2011；张林涛等，2015），但生态恢复的最终目标是使退化生态系统得到恢复并维持生态系统的服务功能，同时希望恢复后的生态系统尽量具有有机质的合成与生产、生物多样性的生产与维持、调节气候、营养物质贮存与循环、土壤肥力的更新与维持等功能（Daily，1995；彭少麟，1996；Daily，1997；欧阳志云等，1999a）。然而，由于过去的生态恢复工程基本以生态问题为导向，未将生态系统服务功能作为生态恢复的主要目标（高吉喜等，2015），导致有关生态系统功能和生态系统服务恢复的研究仍较少，尚有待深化研究。

对恢复后生态系统服务价值的评估研究是进行绿色 GDP核算、生态补偿机制研究及生态建设的重要基础（Costanza et al.，1997；曾广权等，2005；冯朝阳等，2009），估算生态系统服务价值的变化已成为评估生态恢复工程效益的主流方法（杨光梅等，2006；Daily et al.，2009；马凤娇等，2013）。科尔沁沙地是中国北方典型的农牧交错地区，也是中国主要的沙地之一，主要分布在内蒙古东部的赤峰和通辽地区（赵哈林，2003；谭希彬等，2011），但由于人口超载、过度放牧与开垦、乱垦滥伐，地表疏松、气候异常和经济贫困与教育落后，导致了土地沙质荒漠化，植被类型和群落结构退化，特别是生态服务功能不断衰退，解决这些问题在于进行生态恢复与建设，而恢复后的生态系统是否具有价值，以及价值的来源如何，需在对其生态服务经济价值进行估算的基础才有答案。

本研究以科尔沁沙地东南缘农牧交错区退化草地为研究对象，试图利用生态系统服务经济价值对退化草地4种典型生态恢复技术与效果进行定量评价，以期为该区生态恢复途径和关键技术提供合理的科学依据和技术措施，开发适宜的退化草地植被恢复模式。

1 试验设计与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区通辽市科左后旗甘旗卡镇境内，地理坐标为北纬 42°52′，东经 122°55′，海拔246 m，处于典型的北温带半干旱风沙地区，属于温带半干旱、半湿润大陆性季风气候区。年平均气温为 3～7 ℃，最冷月（1月）平均气温为-12.6～-16.2 ℃，最热月（7月）平均气温为20.3～23.9 ℃，≥10 ℃积温为 2200～3200 ℃。无霜期为140～160 d。年均降水量为343～500 mm，其中70%集中于夏季，春季相当干燥，在大部分地区降雨量几乎为零；年蒸发量为1500～2500 mm，多年平均湿润度为 0.3～0.5，干燥系数为 1.0～1.8。年平均风速为 3.4～4.4 m∙s-1，春季平均风速为 4.2～5.9 m∙s-1；每年≥5 m∙s-1起沙风日出现 210～310 d，甚至可达 330 d；每年≥17.2 m∙s-1大风日数为 25～40 d，其中沙暴天气有 10～15 d，主要出现于春季。太阳辐射总量为 5200～5400 MJ∙m-2，平均气温在 10 ℃以上太阳辐射总量为 2800 MJ∙m-2，全年日照时数为2900～3100 h，一年中5月份日照时数最多，12月最少。土壤类型主要为风沙土和草甸土。植被类型为固定沙地、半固定沙地或流动沙地植被类型，以沙生植物为主，组成成分主要为内蒙古植物区系、部分为华北植物区系。本区草炭资源和生态系统类型丰富多样，有天然珍稀阔叶林，各种类型人工林、灌木林、草地、湿地、农田等生态系统。

1.2 试验设计

试验地设在中国科学院沈阳应用生态研究所大青沟沙地生态实验站（北纬 42°58′，东经 122°21′）内，根据退化生态系统综合整治模式与技术类型，选择具有相同恢复年限的稀疏樟子松（Pinus sylvestris）退化草地治理模式（MG）、稀疏榆树（Ulmus pumila）退化草地治理模式（UG）、四周营造防护林（北京杨Populus×beijingensis）的退化纯草地治理模式（FG）和未采取任何措施的撂荒草地治理模式（CK）进行研究，分别以樟子松疏林草地、榆树疏林草地、防护林围纯草地和撂荒草地命名样地。于 1992年采用单因素随机试验设计进行生态恢复试验，随后无任何人为管理措施。

1.3 采样与样品测试

本研究于每种恢复方式样地中设置 4～5块样地，每块样地面积为0.07 hm2，随机选取其中的3块进行采样。采用植物生态学中常用的取样方法，于所选取的每块样地中随机布设1个10 m×10 m的大样方，测定该样方中的乔木株数，采用多株混合方式采集该样方中乔木叶片、枝、干、根，采用相对生长法和标准木解析法测定乔木生物量。在大样方中随机布设5个1 m×1 m小样方，调查物种种类、株数、盖度、高度，评价生态系统的生物多样性，然后将样方中的植株分为地上部分、凋落物和地下部分，并收获全部植株以测定草本生物量。土壤样品于 10 m×10 m大样方中采用多点混合的方式采集，土壤取土深度为100 cm，土层分为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm，共计204个样品，采集的样品装于自封袋中运回实验室。植物、凋落物样品分别烘至恒重（80 ℃），土壤样品风干。植物叶片、枝、干、根、凋落物，草本植物地上部分、地下部分和土壤全N、全C采用元素分析仪（Vario EL III）测定，全P采用钼锑抗比色法测定，全K采用火焰分光光度计法测定。

1.4 生态系统服务经济价值估算方法

计算生态系统的生物多样性、生物量，N、P、K积累量和 C储存量。其中，生态系统生物量包括乔木生物量、草本生物量、现有凋落物生物量，草本分为地上部分和地下部分；生态系统N、P、K以及 C积累量包括乔木积累量、草本积累量、凋落物积累量以及土壤积累量。采用市场价值法、替代市场法、碳税法、影子价格法、机会成本法、影子工程法等估算生态系统服务的经济价值，计算方法如下：

1.4.1 有机质生产的价值估算

生态系统有机质生产的价值评估方法是根据中国生物多样性直接价值评估的 9倍加以推算的（欧阳志云等，1999b）。

1.4.2 土壤保持功能的价值估算

生态系统土壤保持功能经济价值的评估，首先是土壤保持量的计算，而土壤保持量的计算一般通过土壤潜在侵蚀量与现实侵蚀量之差获得。根据闵庆文等（2004）对内蒙古典型草原生态系统服务功能价值评估研究的结果，估算4种生态恢复模式下土壤年均保持量，然后运用影子价格法、机会成本法和影子工程法从保护土壤肥力、减少土地废弃和减少泥沙淤积灾害3个方面评价生态系统土壤保持经济效益。其中，保护土壤肥力经济效益通过土壤中氮、磷、钾含量计算，化肥平均价格取值为2549 yuan∙t-1。减少土地废弃价值估算：表层土壤平均厚度取值为 0.5 m，牧业生产的平均收益为 245.50 yuan∙hm-2∙a-1。减少泥沙淤积价值估算：按照中国主要流域的泥沙运动规律，全国土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊，本研究根据蓄水成本来计算生态系统减轻泥沙淤积灾害的经济效益，水库蓄水成本取0.67 yuan∙m-3。

1.4.3 营养物质循环的价值估算

以生态系统的生物量为基础，计算生态系统营养元素氮、磷、钾的年吸收量和总储量，并以中国化肥平均价格 2549 yuan∙t-1作为价格影子，估算 4种生态恢复模式下每年每公顷氮、磷、钾营养元素积累的价值（欧阳志云等，1999b；闵庆文等，2004）。

1.4.4 碳贮存的价值估算

采用市场价值法计算生态系统碳贮存的价值，以瑞典碳税150 dollar∙t-1作为计算价格（鲁春霞等，2004）。

1.5 数据处理与分析

采用单因素方差分析数据统计进行，采用LSD（Least-Significant Difference）多重比较方法进行均值比较。所有数据均在Excel和SPSS 21.0中进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同恢复模式下生态系统有机质生产的价值估算

不同生态恢复模式下有机生产价值见表 1。由表1可知，与撂荒草地相比，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地均有较高的有机质生产价值，增幅分别为1.81%、1.32%和1.30%，其中防护林围草地有机质生产价值（229.60 yuan∙hm-2∙a-1）显著高于樟子松疏林草地（180.62 yuan∙hm-2∙a-1）和榆树疏林草地（178.74 yuan∙hm-2∙a-1），而两种疏林草地有机质生产价值无显著差异。

2.2 不同恢复模式下土壤保持的价值估算

生态系统保护土壤机制主要是通过减少表土损失量、保护土壤肥力、减轻泥沙淤积、减少风沙灾害等4个相互联系的生态过程实现其经济价值。不同生态恢复模式土壤保持功能价值见表 2。由表2可知，4种生态恢复模式保护土壤肥力价值的排序为 FG（978.08 yuan∙hm-2∙a-1）＞UG（ 922.15 yuan∙hm-2∙a-1）＞MG（842.56 yuan∙hm-2∙a-1）＞CK（236.48 yuan∙hm-2∙a-1），减少土地废弃价值以及减轻泥沙淤积价值与保护土壤肥力价值的变化趋势一致，其中土壤肥力增幅范围为6.06%～7.42%，减少土地废弃价值增幅范围为0.04%～0.09%，减轻泥沙淤积价值增幅为0.15%～0.27%。与撂荒草地相比较，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地均有较高的土壤保持价值，其中防护林围草地土壤保持功能最高，为 1036.75 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为7.77%，其次分别是榆树疏林草地（966.91 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为 6.25%）和樟子松疏林草地（885.02 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为 7.08%）。

表1 不同恢复模式有机质生产价值Table 1 Value of biomass production by different restoration approaches yuan∙hm-2∙a-1

表2 不同恢复模式土壤保持价值Table 2 Value of soil conservation by different restoration approaches yuan∙hm-2∙a-1

2.3 不同恢复模式下营养物质循环的价值估算

由表3可知，4种生态恢复模式下N营养元素积累的价值排序为 FG（51.10 yuan∙hm-2∙a-1）＞UG（43.69 yuan∙hm-2∙a-1）＞MG（38.18 yuan∙hm-2∙a-1）＞CK（4.48 yuan∙hm-2∙a-1），与撂荒草地相比，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草N营养元素积累价值的增幅分别为0.47%、0.34%和0.39%；4种生态恢复模式下K营养元素积累的价值与N营养元素积累价值的变化趋势一致，3种人工恢复方式K积累价值增幅范围为0.32%～0.63%；4种生态恢复模式下 P营养元素积累的价值排序为 FG（8.44 yuan∙hm-2∙a-1）＞MG（3.50 yuan∙hm-2∙a-1）＞UG（3.28 yuan∙hm-2∙a-1）＞CK（0.75 yuan∙hm-2∙a-1），与撂荒草地相比较，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草 P营养元素积累价值的增幅分别为0.08%、0.03%和0.03%。与撂荒草地相比，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地均有较高的生态系统营养物质积累价值，其中防护林围草地营养元素积累价值最高，为 125.93 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为 1.17%，其次分别是榆树疏林草地（84.66 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为 0.76%）和樟子松疏林草地（77.04 yuan∙hm-2∙a-1，增幅为 0.69%）。

2.4 不同恢复模式下生态系统碳贮存的价值估算

生态系统的总碳贮存量由植物、枯落物和土壤构成。由表4可知，与撂荒草地相比，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地均有较高的生态系统碳贮存价值，增幅分别为 51.42%、50.55%和43.65%。3种草地生态系统碳贮存价值之间有显著差异，其中防护林围草地的生态系统碳贮存价值最高，为 6717.50 yuan∙hm-2∙a-1，其次分别是樟子松疏林草地（6631.84 yuan∙hm-2∙a-1）和榆树疏林草地（5914.34 yuan∙hm-2∙a-1）。

2.5 不同恢复模式下四项服务总价值估算

不同生态恢复模式下有机质生产、保持土壤、营养物质积累、碳贮存四项生态系统服务的总价值分别是：防护林围草地 8109.78 yuan∙hm-2∙a-1，樟子松疏林草地 7774.52 yuan∙hm-2∙a-1，榆树疏林草地7171.65 yuan∙hm-2∙a-1，撂荒草地 1893.46 yuan∙hm-2∙a-1，由图1可知，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地生态系统服务功能价值均显著高于撂荒草地（P＜0.05）。与撂荒地相比，防护林围草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地生态系统服务经济价值增幅分别为 62.16%、58.81%和52.78%。

图1 不同恢复模式生态系统服务价值Fig. 1 Ecosystem service value of different grassland restoration model

表3 不同恢复模式下营养物质积累价值Table 3 Value of nutrient accumulation by different restoration approaches yuan∙hm-2∙a-1

表4 不同恢复模式下生态系统碳贮存服务价值Table 4 Value of ecosystem carbon storage by different restoration approaches yuan∙hm-2∙a-1

不同生态恢复模式下四项服务价值占其总服务价值的范围分别是：有机质生产价值 2.32%～2.83%，保持土壤价值 11.38%～12.78%，营养物质积累 0.45%～1.55%，生态系统碳贮存 82.30%～83.28%。由此可知，保持土壤和生态系统碳贮存服务价值是4种生态恢复模式生态系统服务功能的主要部分。

3 讨论

全球变化与不合理的社会经济活动引起草地生态系统沙质荒漠化，沙化导致草地生态功能整体退化甚至丧失，如王树力等（2008）研究了土地荒漠化对生态系统服务价值的影响，结果表明，土地荒漠化使赤峰市生态系统服务价值总量每年减少79.9241亿元。为此，中国自20世纪50年代批准和实施了大批生态恢复工程，关于生态恢复对生态系统服务的影响，有学者发现人工林营造前后的生态系统服务价值相差3～6倍（杨柳春等，2003；赵凌美等，2012）。Liu et al.（2008）评估中国生态恢复工程对生态系统服务在生态社会经济方面的影响，结果显示，张家界在实施退耕还林项目4年后，生态系统服务经济价值为428万元，是实施前当地直接收入的 11倍。张华等（2007）研究了科尔沁沙地生态系统服务价值的变化，得出由于大面积沙荒地得到有效治理，科尔沁沙地生态系统服务价值从 1995年的 1463.67亿元增加到 2000年的1467.36，净增加值为 3.69亿元，增幅为 0.25%。于忆东（2009）对内蒙古自治区京津风沙源治理工程区林业项目生态系统服务功能价值进行评估，发现防风固沙林保护改良沙化土地效益值增加18242.96万元，保持水土效益值增加127077.85万元，固碳和供氧的价值为1.58亿元。Dodds et al.（2008）对美国本土生态恢复效果的评估表明，实施恢复措施 10年间生态系统服务提高幅度在31%～93%之间。Rey Benayas et al.（2009）运用META分析研究了全球89个生态恢复案例，结果显示生态恢复与生态系统服务价值呈正相关关系，恢复措施能促使生态系统服务价值恢复 25%。高新中等（2010）研究发现京津风沙源治理工程总计可为山西省产生 2.338×109yuan∙a-1的生态系统服务价值。

本研究对科尔沁沙地4种典型植被恢复方式的生态系统服务功能经济价值进行了估算，也得出相似的结果，4种不同生态恢复模式下营养元素积累价值（8.5～125.93 yuan∙hm-2∙a-1）为四项生态系统服务价值中变化最小的一项，增幅为1.17%～0.69%，其中N营养元素平均增幅为0.4%，P营养元素增幅最小，可能是由于人工纯林的营造导致N营养元素增加，而P营养元素变化主要受生物地球化学循环的影响。土壤保持价值（259.31～1036.75 yuan∙hm-2∙a-1）以及生态系统碳贮存价值（1576.80～6717.50 yuan∙hm-2∙a-1）两项生态系统服务功能的间接价值高于有机质生产等生态系统服务功能的直接价值。这一结果表明，草地周围营造防护林和种植稀疏纯林可有效降低草本层风速，进而减少土壤风蚀，有利于植被与土壤的演化，从而增加生态系统生物量与碳的贮存。同时也表明，生态系统服务功能的间接价值虽不表现在国家的核算体制上，但它们的价值可能远远超过直接价值，而直接价值常常源于间接价值。与撂荒地相比，防护林纯草地、樟子松疏林草地、榆树疏林草地均有较高的生态系统服务价值，其中防护林围草地生态系统服务价值增幅最大（62.16%），这可能是由于北京杨生物量较高。

本研究中，由于受到现有科学技术水平、计量方法和研究手段等因素的限制，未对保护生物多样性、涵养水源以及娱乐与文化等价值进行估算，研究结果仍是不完全的估算。另外本研究以闵庆文等研究结果估算 4种不同生态恢复模式下土壤保持量，估算方法存在一定缺陷，有待通过实际观测进一步提高估算结果的可靠性和准确性。同样，基于生态系统服务价值变化的静态比较显然不符合市场经济的经济规律，造成评估结果与社会经济生活脱节，及时调整生态系统服务价值评估的相关参数，生态恢复工程的效益分析才具有经济上的时效性（魏圆云等，2015）。尽管如此，本研究结果让我们认识到中国在退化草地实施的一系列生态建设项目与工程，制定的退化生态系统综合治理对策与技术在区域生命支持系统中所起的重要作用。

本研究中3种恢复模式的特点在于利用高大乔木树种营造纯林镶嵌景观，其结构不同于森林结构的复杂性，也不同于草原结构的单一性，这类群落结构具有良好的防风功能，有效降低了草本层的风速，进而减少土壤风蚀，保护和提高了土壤肥力，改善了沙地土壤质量，支撑了植被的生长，是适合有效水分及土壤有效营养元素相对不足的半干旱区沙地的植被恢复模式。

4 结论

在中国科尔沁沙地东南缘，中度沙化草地通过营造防护林，稀疏植树的植被恢复模式显著提升了生态系统服务价值，防护林围草地生态系统服务经济价值最高，3种植被恢复模式平均增幅为57.92%。不同树种导致了三类植被恢复模式有机质生产、土壤保持、营养物质循环和生态系统碳贮存生态系统服务价值有所不同。土壤保持价值和生态系统碳贮存价值两项生态系统服务的间接价值高于生态系统有机质生产的直接价值。本研究结果显示3种植被恢复模式利用高大乔木营造纯林镶嵌景观，能有效降低草本层风速，保护和增加土壤肥力，显著恢复了沙地植被，是较适合于科尔沁东南缘降水不足和土壤有效营养元素缺乏的植被恢复模式。

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