果园生态系统养分循环功能及其经济价值评估——基于西安市的实证分析

宋喜芳,姚海荣, 张晨阳,陈 妮,周 玲,任媛媛

(1.陕西省西安市农业技术推广中心, 陕西 西安 710061；2.西安市雁塔区农业技术推广中心,陕西 西安 710061;3.陕西省现代农业培训中心,陕西 西安 710003)

果园生态系统具有大气调节、水土保持、涵养水源、养分循环等功能[1]。赵同谦[2]、谢高地[3]、陈仲新[4]、章家恩[5]等分别对森林、草地、湿地、农田进行了生态系统服务功能评估。本文研究西安果园生态系统养分循环及储存功能。生态系统的养分循环主要通过生物库、凋落物库与土壤库三者之间进行的，其中最主要的过程是生物与土壤之间的养分交换过程[6]。养分循环可让生态系统中各物种间的生产与消费的能量发生转变,最后又留在系统中,即养分从外界环境进入土壤,经过各种变化,再从土壤回到外界环境的一种周而复始的过程。笔者研究西安市果园生态系统维持养分循环功能及其价值，为果园生态系统的利用及发展提供数据支撑。

养分循环功能估算主要有：一是林分养分持留法。根据植物年净生长量，测定N、P、K元素的比例，先计算林木生长每年从土壤吸收的养分，计算凋落物归还土壤的养分进行测算，再根据化肥市场价格估算生态系统营养物质循环和养分积累的价值[7～9];果园生态系统固碳制氧功能,通过水热平衡关系方程、植物的生理生态特点建立的自然植被的净初级生产力模型，评估果园生态系统服务功能以及生态经济价值[10],前人的研究结果认为草地系统参与生态循环的养分物质量与净初级生产力的营养元素物质量一致[11]。二是土壤库养分持留法估算养分循环功能。通过表层土壤养分含量、化肥平均价格对森林、果园等不同生态系统维持营养物质的循环功能进行了估算[12～13]。

笔者通过土壤库养分持留法评估西安市果园生态系统全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等常量营养物质的循环功能，然后通过影子价格法对各类营养物质的持留量进行价值估算。

1 研究区概况

以西安市果园生态系统作为研究对象，研究区域概况见前章节。据统计年鉴显示[14～15]，2016年西安市水果产量107.74万t，陕西省水果产量1 714万t，西安市占6.29%；全省果树总面积126.38万hm2，西安果树面积为5.32万hm2，占全省的4.2%。西安市的果树种植品种主要包括猕猴桃、葡萄、苹果、石榴、枣等，其中猕猴桃种植面积和产量均居第一位。

2 资料的获取

西安市2007-2016年的降水量、果园面积资料通过查阅西安市统计年鉴取得；西安市土壤数据为2005年测得，主要包括土壤类型、0～20 cm土壤养分含量包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾[16]；0～20 cm土壤容重资料参考西安市第二次土壤普查结果和近几年西安市土壤测试的平均值，取1. 25 t·m-3。

3 分析方法

果园生态系统中生物与非生物环境之间不断地进行物质交换,营养物质的循环也在生物库、调落物库以及土壤库之间不断地进行。生物库与土壤库之间的养分交换过程是最主要的过程,是植物进行初级生产的基础,也对生态系统调节功能与过程的维持起重要作用[17]。维持生态系统养分循环功能的物质包括很多种类,但其中最主要的是全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等。

因此，笔者通过土壤库养分持留法对西安市果园生态系统全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质等常量营养物质的循环功能进行评估，运用影子价格法将各类营养物质的持留量进行价值估算。

根据西安市2007-2016年36 355个土壤采样数据结果，主要有土壤深度0～20 cm的全氮、碱解氨、有效磷、速效钾、有机质等土壤养分数据(见表6-1)，按照公式分别换算为标准的化肥磷酸二氨(NH4)2HPO4、氯化钾KCl的总量，再分别折算成纯氮、磷、钾化肥的比例为132∶28、132∶31、75∶39。以1990年不变价作为对照计算，我国化肥平均价格为2 549元·t-1；薪材转化土壤有机质的一般比例为2∶1，每吨薪材的机会成本为51.3元[18]；0～20 cm土壤容重取1.25 t·m-3。

表1 土壤养分含量 (t/t)

果园生态系统土壤中养分持留量的计算公式如下：

土壤中有机质的持留量：

M0=Hρ0C0A

(1)

土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的持留量，其中i为氮磷钾：

Mi=HρiCiA(2)

果园生态系统维持养分循环功能价值量的计算公式如下：维持有机质循环功能的价值量：

E0=M0P0B0/10 000

(3)

维持氮磷钾循环功能的价值量：

Eni=MiPBi/10 000

(4)

式中：E0为维持有机质循环功能的价值量(万元·a-1)；Eni为保持土壤肥力经济效益(万元·a-1)；Mi为土壤中营养物质量(t·a-1),H为土壤的深度；C1为0～20 cm土壤有机质的含量；Ci分别为0～20 cm土壤养分(N、P、K)的含量；分别为0～20 cm土壤容重(t·m-3)；A西安果园面积(hm2)；B0为薪柴与有机质的比例，一般为2：1；P0为薪柴的价格，每吨薪材的机会成本为51.3元(1990年不变价)；Bi为将氮磷钾转换为标准化肥磷酸二铵[(NH4)2HPO4]、氯化钾(KCl)的比例，其比例分别为132∶28、132∶31、75∶39；P为化肥价格，以1990年不变价计算我国化肥平均价格为2 549元·t-1。

4 结果与分析

4.1 西安市果园生态系统土壤库养分持留量

通过西安市 2007-2016年的果园面积资料、土壤容重资料、西安市果园土壤养分的碱解氮、有效磷、速效钾、土壤有机质资料(见表1)，利用公式(1)和(2)分别计算出了西安市果园生态系统土壤库养分持留量(见表2)，由表2可知西安市果园生态系统土壤库养分持留量包括有机质、碱解氮、有效磷和速效钾由2007-2016年是逐年递增的，由公式(1)～(2)可知果园面积是土壤库养分持留量的主要影响因素，2007年到2016年果园面积增加较快(见图1)，因此果园生态系统土壤库养分持留量也快速增加，以后果园面积增幅变小，土壤库养分持留量的变化也随之变小。

西安市果园生态系统平均每年土壤库养分持留总量为5 087.39万t，其中有机质4 733.31万t、全氮281.21万t、碱解氮21.33万t、有效磷6.15万t和速效钾45.38万t。从表1可看出果园生态系统土壤库中；有机质的持留量最高，氮的持留量居第二位，钾排第三位，磷的持留量最少。

表2 西安果园生态系统2007-2016年土壤库养分持留量分析 (万t)

4.2 西安市果园生态系统维持养分循环功能的经济价值

通过西安市果园生态系统2007-2016年土壤库养分持留量及计算公式(3)～(4)，可以计算出西安市果园生态系统2007-2016年维持养分循环功能的经济价值(见表3)。此为基于1990年不变价的经济价值。由表3可知，果园生态系统维持养分循环功能的经济价值是逐年递增的，且与果园生态系统土壤库养分持留量的变化结果有一致性的趋势，主要受果园面积变化的影响(由公式(3)～(4)可知。由表6-3可知，西安市果园生态系统维持养分循环功能的总经济价值平均每年为4 410.45×104万元，其中有机质、碱解氨、有效磷和速效钾的经济价值分别为485.64×104万元·a-1、256.29×104万元·a-1、66.79×104万元·a-1和222.47×104万元·a-1。可见，西安果园生态系统循环功能中，维持有机质循环功能的经济价值位居第一。西安市果园生态系统每单位面积每年维持养分循环功能的平均经济价值评估为为39.6万元·hm-2·a-1，其中维持有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾循环的经济价值分别为4.36万元·hm-2·a-1、30.34万元·hm-2·a-1、2.3万元·hm-2·a-1、0.6万元·hm-2·a-1和2万元·hm-2·a-1。可见单位面积果园生态系统平均每年维持养分循环的经济价值全氮最高，其次是有机质、氮和钾，维持磷循环的经济价值最低。

表3 西安果园2007-2016年库养分循环功能的经济价值分析 (104万元)

5 建议与讨论

(1)采用土壤库养分持留量法计算果园生态系统养分功能，利用土壤库中的主要养分持留量(包括土壤有机质、氮磷钾的含量)，计算果园生态系统单位养分循环的经济价值。在计算量化过程中，采用的是土壤养分的平均值含量进行计算，未考虑年际变化对土壤养分含量的影响，不同程度地影响计算结果的精确度。本文采用的是碱解氮(非全氮)计算土壤氮循环过程中。例如，西安市果园生态系统土壤全氮含量为281.21万t，而碱解氮含量仅为21.23万t，而土壤碱解氮作为标准更能真实的反映生态系统养分循环功能。

(2)土壤贮存N、P的主要表层在0～20 cm，本文主要研究0～20 cm土壤表层的养分循环。在果园种植经营管理过程中应注重保护好表层土壤，建议通过果园生草等自然抑制杂草的方式进行除草，保护好果园生态小气候、保持果园生态系统平衡。