内蒙古乌兰布和沙漠东缘巨菌草生态系统服务功能价值评估

郑 丹, 罗宗志, 苏德伟, 余世葵, 李春晓,2, 李子森,2, 林冬梅

(1.福建农林大学国家菌草工程技术研究中心；2.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002)

生态系统服务功能是生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，生态系统为人类提供了自然资源和生存环境两个方面的多种服务功能，不仅包括提供食物、医药以及其他工农业生产原料，还包括维持生命物质的生物地球化学循环与水循环、维持生物物种与遗传多样性、净化环境及维持大气化学的平衡与稳定等[1].利用统一量纲对生态系统服务功能的价值进行评估，是生态学的一个重要研究方向，可以切实帮助人们加强对生态系统服务功能的认知，从而更好地保护我们赖以生存的生态环境[2].

菌草(JUNCAO)已在全球大面积推广种植和开发利用，其中巨菌草(CenchrusfungigraminusZ. X. Lin & D.M. Lin & S. R. Lan sp. nov.)是推广应用最为广泛的品种之一[3].巨菌草具有生长快、分蘖多、根系发达、生物量大、粗蛋白含量高等优良性状，不仅可以作为生产食(药)用菌的原料和制作成营养丰富的青贮饲料，还可以保持水土、阻沙固沙、改良土壤和吸收CO2等.菌草技术发明人林占熺研究员从1997年就开始应用菌草解决黄河流域不同类型生态脆弱区生态治理的难题[4-5].黄河菌草生态安全屏障建设的研究与应用始于宁夏贺兰山下永宁县闽宁镇，其后研究团队又在沿黄河的九省(区)广泛开展菌草治理水土流失、改良盐碱地和阻沙固沙等生态环境问题的研究，取得了多项国际领先的研究成果[6].

研究人员对草地生态系统服务功能的研究较多，如Sala et al[7]、刘起[8]、欧阳志云等[9]、陈仲新等[10]、林翔[11]对草地在大气循环、小气候改善、水土保持、生物多样性保护和营养物质循环等方面的服务功能进行了评价，形成了比较统一的评价指标和体系.目前，研究人员对巨菌草改良土壤[12-15]、保护生物多样性[16-17]、防风固沙[18-20]、保持水土[21]、固氮[22-24]等生态服务功能有所研究，但对巨菌草生态系统服务功能的价值鲜有报道，巨菌草生态系统服务功能的评价指标、价值大小及其结构比例等仍不明确.因此，本研究以内蒙古乌兰布和沙漠东缘巨菌草为试验对象，选取生态系统服务功能的5个评价指标估算其价值，为巨菌草的进一步推广应用提供一些依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2020年5—10月，国家菌草工程技术研究中心在内蒙古阿拉善盟左旗巴音木仁苏木查汉套海(106°73′05.83″E，39°86′60.72″N)和磴口县刘拐沙头(106°80′17.58″E，40°16′64.47″N)种植了200 hm2巨菌草进行阻沙固沙试验示范，两地都处于黄河西岸的乌兰布和沙漠东缘，风沙危害十分严重，属于流动沙地.

1.2 评价指标的选取

Costanza et al[25]将自然生态系统的服务功能归纳为17个方面.为简化计算，本研究根据试验区的实际情况，将巨菌草生态系统服务功能归纳为5个方面，即生产有机物质、改良土壤、固碳释氧、阻沙固沙和保护生物多样性，采用不同的方法对其价值进行评估.

1.3 价值评价方法

1.3.1 生产有机物质 从试验地随机选取3块10 m×10 m区域，每个区域分别选取5个样方，将样方内所有巨菌草齐地刈割，测定鲜草产量，重复3次.采用市场价值法[26]对巨菌草生产有机物质的价值进行评价.按照巨菌草生产的有机物质全部制作成青贮饲料计算其收益，再减去其成本(包括草种、肥料、机械和人工管理等费用)，即可计算出巨菌草生产有机物质所产生的价值.

Vo=Y×P-C

(1)

式中：Vo为试验地单位面积巨菌草一年生产有机物质的价值(元·hm-2·a-1)；Y为巨菌草的产量(t·hm-2)；P为巨菌草的市场价格(元·t-1)；C为巨菌草种植管理成本(元·hm-2).

1.3.2 改良土壤 采用影子价格法[27]对巨菌草改良土壤的价值进行评价.从试验地随机选取3块10 m×10 m区域，每个区域分别选取5个样方，通过随机、等量、多点混合的原则取样(分别采集巨菌草种植前、后的沙土样品)，共3个重复.按照 NY/T 1121.24—2012[28]的方法测定土壤N含量；按照HJ 704—2014[29]的方法测定土壤P含量；按照 NY/T 889—2004[30]的方法测定土壤K含量；按照 NY/T 1121.6—2006[31]的方法测定土壤有机质含量；土壤容重采用“YDRZ-4L”型灌砂法容重测定仪测量，使用环刀切割未搅动的自然状态沙土样，使其充满容量瓶，然后烘干称量，再计算单位容积的烘干沙土质量，即为沙土容重，重复3次.样品中N、P、K含量分别对标尿素、过磷酸钙、硫酸钾中N、P、K的含量，有机质对标有机肥，分别折算出样品中各营养元素变化量相当的化肥量.通过中国化肥网(http://www.fertchina.com)查询2022年上述几种国产化肥的月平均价格，计算沙土肥力变化所产生的价值.

Vs=S×H×ρ×(Io×Po+In×Pn+Ip×Pp+Ik×Pk)

(2)

式中：Vs为单位面积沙土中N、P、K及有机质一年增加的总价值(元·hm-2·a-1)；S为巨菌草面积(hm2)；H为取样深度(m)；ρ为沙土容重(g·cm-3)；Io、In、Ip和Ik分别为沙土中有机质、N、P和K的增加量(mg·kg-1)；Po、Pn、Pp和Pk分别为有机肥、尿素、过磷酸钙和硫酸钾的市场价格(元·t-1).

1.3.3 固碳释氧 采用替代成本法[26]对巨菌草固碳释氧的价值进行评估.从试验地随机选取3块10 m×10 m区域，每个区域选取5个样方，从每个样方中随机收割1丛巨菌草，同时挖出其所有根系，重复3次.将样品分别烘干至恒重，并称其干质量，得到单丛巨菌草植株地上部分和地下部分的干物质量，进而根据种植密度推算出单位面积巨菌草的干物质量.根据光合作用方程式，巨菌草固碳释氧时，每形成1 g干物质需要吸收1.62 g CO2,同时释放1.20 g O2[32]，由此可知巨菌草固碳释氧的价值.

固碳的价值：VCO2=1.62×(Ya+Yb)×S×PCO2

(3)

释氧的价值：VO2=1.20×(Ya+Yb)×S×PO2

(4)

固碳释氧的总价值：Vd=VCO2+VO2

(5)

式中：Vd为单位面积巨菌草一年固碳释氧总价值(元·hm-2·a-1)；VCO2和VO2分别为单位面积巨菌草一年固碳和释氧价值(元·hm-2·a-1)；Ya和Yb分别为单位面积巨菌草地上部分和地下部分干物质量(t·hm-2)；PCO2和PO2分别为市场固定CO2和制造O2的价格(元·t-1)；S为巨菌草面积(hm2).

1.3.4 阻沙固沙 采用影子价格法[27]对巨菌草阻沙固沙的价值进行评价.从试验地随机选取3块10 m×10 m区域，每个区域分别选取5个样方,通过随机、等量、多点混合的原则取样(巨菌草种植前沙土样品)，共3个重复，然后检测样品中N、P、K及有机质含量，检测方法与1.3.2相同.样品中N、P、K含量分别对标尿素、过磷酸钙、硫酸钾中N、P、K的含量，有机质对标有机肥，分别折算出样品中各营养元素含量相当的化肥量.通过中国化肥网查询2022年上述几种国产化肥的月平均价格，计算单位面积沙土一年损失肥力的价值，以此评估巨菌草阻沙固沙的价值.

Va=Sg×(Co×Po+Cn×Pn+Cp×Pp+Ck×Pk)×S

(6)

式中：Va为单位面积沙土一年损失肥力的总价值(元·hm-2·a-1)；Sg为单位面积巨菌草固沙量(t·hm-2)；Co、Cn、Cp和Ck分别为裸沙地沙土中有机质及N、P和K含量(mg·kg-1)；Po、Pn、Pp和Pk分别为有机肥、尿素、过磷酸钙和硫酸钾的市场价格(元·t-1)；S为巨菌草面积(hm2).

1.3.5 保护生物多样性 根据谢高地等[33]的研究，利用蒙甘宁温带半干旱区热性草丛保护生物多样性的价值，估算出乌兰布和沙漠东缘巨菌草生态系统保护生物多样性的价值.

Vb=Vh×K×S

(7)

式中：Vb为单位面积巨菌草一年保护生物多样性的总价值(元·hm-2·a-1)；Vh为单位面积热性草丛一年保护生物多样性的价值(元·hm-2·a-1)；K为对栖息地和生物控制的贡献率(%)，即对栖息地和生物控制的价值总和与热性草丛生态系统服务价值之比；S为巨菌草面积(hm2).

(8)

式中：Vt为巨菌草生态系统服务功能总价值；Vj为巨菌草第j种服务功能的价值(元·hm-2·a-1).

2 结果与分析

2.1 生产有机物质的价值

研究结果表明，试验地平均可产鲜草183 t·hm-2·a-1，鲜草市场售价约400元·t-1，种植管理总成本约为12 750元·hm-2·a-1.依据式(1)计算，得出巨菌草生产有机物质的价值为60 450元·hm-2·a-1.

2.2 改良土壤的价值

本研究中，沙土的取样深度为0.5 m，巨菌草种植前、后土壤容重分别为1.40、1.44 g·cm-3，营养元素含量见表1.种植后沙土中有机质、N、P和K含量分别比种植前提高了680.00、50.00、30.00和10.47 mg·kg-1.2022年国产化肥月平均价格：尿素为2 800元·t-1(含N 46%)，过磷酸钙为900 元·t-1(含P 16%)，硫酸钾为1 530元·t-1(含K 17%)，有机肥为700元·t-1.依据式(2)计算,得出土壤中有机质、N、P、K含量增加的价值分别为3 334、2 132、1 182、660元·hm-2·a-1.故巨菌草改良土壤的价值为7 308元·hm-2·a-1(表2).

表1 巨菌草种植前、后沙土中营养元素含量对比Table 1 Comparison of nutrient elements contents in sandy soil before and after planting of giant JUNCAO grass

表2 巨菌草改良土壤的价值Table 2 Value of soil improvement by giant JUNCAO grass

2.3 固碳释氧的价值

本研究中，采用中国造林C成本(260.90元·t-1)和瑞典C税率(655.33元·t-1)的平均值(458.12元·t-1)作为巨菌草固定CO2的单价；巨菌草固定CO2中C元素质量占比为27.27%，依此可计算出巨菌草固碳量；采用中国造林O2成本(352.93元·t-1)和工业制造O2成本(400元·t-1)的平均值(376.47元·t-1)作为巨菌草释放O2的单价.依据式(3)、式(4)和式(5)计算，巨菌草固碳和释氧的价值分别为22 880和51 064元·hm-2·a-1(表3).

表3 巨菌草固定CO2和释放O2的价值Table 3 Value of CO2 fixation and O2 release by giant JUNCAO grass

2.4 阻沙固沙的价值

本研究中，乌兰布和沙漠东缘与黄河相连区域面积约1 000 km2，每年向黄河输入泥沙约1.0×108t[34]，种植巨菌草后，一年可以减少入黄泥沙约20.01×104t.依据表1、式(6)计算，巨菌草阻沙固沙的价值为3 199元·hm-2·a-1(表4).

表4 巨菌草阻沙固沙的价值Table 4 Value of sand resistance and fixation by giant JUNCAO grass

2.5 保护生物多样性的价值

根据谢高地等[33]的研究，蒙甘宁温带半干旱区单位面积热性草丛保护生物多样性的价值为142.4 $·hm-2·a-1(当前汇率1 $=6.698元)，对栖息地和生物控制的贡献率为7.44%.依据式(7)计算可得，巨菌草保护生物多样性的价值为71元·hm-2·a-1.

2.6 菌草生态系统服务功能总价值

综合以上评价结果，依据式(8)计算可知，内蒙古乌兰布和沙漠东缘巨菌草生态系统服务功能总价值为144 972元·hm-2·a-1.其中，生产有机物质、改良土壤、固碳释氧、阻沙固沙、保护生物多样性的价值分别占41.70%、5.04%、51.01%、2.20%、0.05%.

3 讨论

本研究结果表明，内蒙古阿拉善盟乌兰布和沙漠东缘巨菌草生态系统服务功能的价值为144 972元·hm-2·a-1；而内蒙古典型草原生态系统服务功能的价值为8 111元·hm-2·a-1[35]；内蒙古森林生态系统服务功能的价值为6 279元·hm-2·a-1[36].由此可知，每年单位面积巨菌草生态系统服务功能的价值是草原的17.9倍、森林的23.1倍，说明巨菌草在维护和调节生态系统方面具有非常大的潜力.

巨菌草生态系统服务功能可分为生产功能和生态功能两大类.生产功能是可以商品化的功能，表现为直接价值.经计算，巨菌草此部分价值为60 450元·hm-2·a-1，占比41.70%.生态功能是难以商品化的功能，属于准公共品，无法进入市场，表现为间接价值.经计算，巨菌草此部分价值为84 522元·hm-2·a-1，占比58.30%.从以上不完全的估算结果发现，巨菌草生态功能的价值大于生产功能的价值.

本研究仅评估了巨菌草生态系统服务功能中的生产功能和小部分生态功能的价值，还有大部分生态功能的价值未考虑在内，且在计算中参考了森林和草原生态系统服务功能价值评估的研究方法和部分数据，因巨菌草与草原、森林之间存在不可忽略的差异，计算结果可能与实际情况存在一定差异.因此，今后需进一步研究和完善巨菌草生态系统服务功能的价值评估方法.