土地开发整理生态效益后评价的能值分析研究——以山东省淄博市窑峪流域与花林流域土地整理项目为例

赵俊锐,朱道林

(1.中国农业大学土地资源管理系,北京100193;2.山东省淄博市国土资源局,山东淄博255032)

土地开发整理,包括土地开发、农用地整理、居民点整理、土地复垦等,是以未利用地或废弃居民点用地为对象、整理增加耕地为目标的土地利用调整措施.土地开发整理除了直接的经济效益、社会效益,即增加耕地,提高农业生产水平外,也使生态环境发生变化.

目前,全国用于基本农田保护和建设、土地整理、耕地开发的总投入,每年合计在1 000亿元左右[1].但是,国家和地方巨额的财力、人力、物力的投入,是否达到土地开发整理预期的目标,在多大程度上缓解了我国人地矛盾,改善了农村生态环境,提高了土地生产能力,土地开发整理产生了正的还是负的外部效益等一系列问题,都必须在分析了解土地开发整理投资项目实际取得的效益的基础上进行判断与回答.

本文运用能值分析理论和方法,把自然环境系统与人类社会经济系统有机地联系和统一起来,通过计算分析土地开发整理前后自然环境系统无偿能值输出的变化量情况,研究土地开发整理的生态效益.

1 土地开发整理生态效益分析评价因子的选取

1.1 固碳制氧能值

植物通过光合作用固定太阳能,吸收空气中的CO2等物质,并将其转化为有机质,增加生物量,同时释放出.相关研究证实,生态系统每生产1.00 g植物干物质能固定1.63 g释放1.20 g.未利用土地主要为落叶灌丛,计算时参照落叶灌丛的年净生产量.参照有关研究,释放O2的能值转换率为5.11×107sej/g,吸收CO2的能值转换率为3.78×107sej/g[4].

市场价值法中农作物生物量与其经济产量的关系式为

式中:Q为农作物生物量;B为经济产量;R为经济产量含水率;f为经济系数.

1.2 土壤肥力保持的能值

选取土地开发整理前后,土壤保持量中N、P、K含量的变化情况作为因子,计算土壤肥力保持的能值量,然后通过分析土壤的化学性质计算土壤肥力保持的能值.

应用通用土壤流失方程(USLE)对不同土地利用类型的土壤侵蚀的现实侵蚀量和潜在侵蚀量分别进行估算,潜在侵蚀量与土壤侵蚀量两者之差即为生态系统土壤保持量.USLE方程的形式为

式中:A为土壤侵蚀量(t/(hm2◦a)).R为降雨侵蚀力因子,采用R=0.009计算,P¯为年平均降雨量(mm)为平均年最大60 min、1 440min雨量(mm),根据文献[5] R值取355.1(参考济南取值).K为土壤可蚀性因子,可从诺漠图中查得,项目区为0.6(砂质粘壤)t/hm2[6].LS为地形因子,以长20 m、宽5 m、坡度为10°为标准小区,按LS=1.07计算[5],其中λ为坡长(m),a为坡度(b).C为地表植被覆盖因子,当地面完全裸露时,C值为1.0;如果地面得到良好的保护时,C=0.001;根据文献[7] 中覆盖的草地确定C值取值为0.15.P为土壤保持措施因子,0代表无侵蚀地区,1代表未采取任何水保措施的地区,参考文献[7] ,草地取值为1.

根据文献[6] 可知,氮的能值转换率为4.63×109sej/g,磷的能值转换率为1.78×1010sej/g,钾的能值转换率为1.74×109sej/g.

1.3 表土形成能值

选取土地开发整理前后,土壤形成的数量作为因子,计算土壤形成的能值量.

农业土壤的形成不仅受到自然成土因素(母质、地形、气候、生物和时间)的影响,还受到耕种、施肥、灌溉等农业技术措施和平整土地、修筑梯田、改良土壤和营造防护林带等农田基本建设措施的影响.根据有关资料,土壤生物区系每年可以促使每公顷土地形成1t的表土[8],单位面积的耕地和未利用地土壤形成的价值分别为1 291.90元/hm2◦a、17.7元/hm2◦a[9].土壤形成的能值转换率为1.70×109sej/g[4].

1.4 土壤蓄水能值

选取土地开发整理前后土壤的持水量作为因子,重点分析土壤含水能力,计算土壤蓄水的能值量.

生态系统涵养水分功能主要表现在截留降水、增强土壤下渗、抑制蒸发、缓和地表径流和增加降水等方面.土壤中多余的水分以重水的形式保存到土层当中,从而起到了涵养水分的作用.采用土壤畜水法来评价生态系统涵养水分功能.根据相关的资料可知,土壤容重ρ为1.30 t/m3[10],土壤水吉布斯自由能为4.94×103J/kg,能值转换率为4.80×104sej/J[11].

1.5 生物多样性能值

选取土地开发整理前后项目区植物物种的物种数作为因子,根据这些物种活动分布面积占全球的比例,可计算出生物多样性能值总量(地球面积5.21×1014m2)[12],从而计算生物多样性保持的能值量.

Ager估计在地球历史的长河中,1.5×109个生物种的形成经过了2×109a的进化.平均每个物种的太阳能值,可以用地球年能值总量9.44×1024sej/a计算[8]:

(9.44×1024sej/a)×(2×109a)/(1.5×109种)=1.26×1025sej/种

土地开发整理对未利用土地进行开发,破坏了原有植被,因此主要考虑未利用土地植被的变化情况.鲁中山区位于山东省中部,该区植物种类丰富,有维管植物151科,644属,1 402种[13],主要以松类、柏类和落叶阔叶树为主,灌木分布最广的是黄荆、酸枣和胡枝子,还有紫穗槐、白蜡、金银花、玫瑰花以及近几年引进的沙棘等.草类主要有苜蓿、黄背草、白羊草、狗尾草、茵陈蒿、荩草、马唐、鬼针草、画眉草等.

2 土地开发整理实证分析

2.1 窑峪流域土地整理项目

淄博市窑峪流域土地整理项目区位于淄博市博山区池上镇窑峪流域,处于东经、北纬之间,东至赵庄村,南临七峪村,北至板山村,西至西池村界,包括池上镇东池、小里、大里、河南、陡沟、西陈疃、东陈疃7个村,人口3 216人,劳动力1 845人,人均耕地686.67 m2.项目区地貌类型属于丘陵地区,土壤类型为棕壤,土壤偏砂,土层厚度15～30 cm,底部为易风化的片麻岩.项目总投资747万元,建设规模331.9公顷.项目区土地利用类型面积及变化见表1.

表1 项目区土地利用类型面积及变化 hm2

2.1.1 土地开发整理项目实施前生态效益

2.1.1.1 固碳制氧的能值

项目区主要种植小麦、花生、黄烟,利用公式,计算其相应的生物量,结果见表2.计算时,花生经济产量的含水率和经济系数参考文献[10] ,小麦参考稻谷的折算系数,黄烟参考蔬菜的折算系数.未利用土地主要为落叶灌丛,计算时参照落叶灌丛的净生产量每公顷29 017(t/a)[14].结合相应的能值转换率,项目区土地开发整理前释放O2的能值量为7.87×1016sej,能值货币价值为3.77×104＄;吸收CO2的能值量为7.91×1016sej,能值货币价值为3.78×104＄.

表2 项目区土地开发整理前地固碳制氧数量计算表

2.1.1.2 土壤肥力保持能值

(1)土壤肥力保持量的计算

项目区土壤侵蚀量为

潜在侵蚀量计算不考虑地表植被覆盖因子C和人为管理因子P,即令C=1、P=1.

这时USLE方程的形式为

潜在侵蚀量与土壤侵蚀量两者之差即为生态系统土壤保持量.即

(2)土壤肥力保持的能值计算

项目区内土壤为棕壤,单位面积土壤中N、P、K含量分别为

结合相应的能值转换率,计算项目区土地开发整理前土壤保持能值量,结果见表3.

表3 项目区土地开发整理前土壤保持能值计算表

项目区耕地的土壤保持的能值为

2.1.1.3 表土生成能值

项目区土地开发整理前表土生成的能值如下:

2.1.1.4 涵养水源能值

根据项目区的实际情况,整理前田间持水量取15%,计算土壤涵养水源功能能值.

2.1.1.5 生物多样性能值

2.1.2 土地开发整理项目实施后生态效益

2.1.2.1 固碳制氧的能值

土地开发整理后,项目区的各种作物的产量得到明显的提高.同时,园地主要用于种植苹果、梨、枣、板栗等,均为落叶阔叶树种.相关研究表明,落叶阔叶林的年净第一性生产力为459.70 g/(cm2◦a),即净生产量每公顷45 970(t/a)[14],固碳制氧数量计算见表4.

结合相应的能值转换率,计算得项目区土地开发整理后释放O2的能值量为1.05×1017sej,能值货币价值为5.00×104＄;吸收CO2的能值量为1.05×1017sej,能值货币价值为5.02×104＄.

2.1.2.2 土壤肥力保持能值

(1)土壤肥力保持量的计算

经过土地开发整理,项目区的地形坡度由原来的小于20°变为0.001～0.004°.根据文献[6] 可知,山地旱地确定C值取值为0.22,P值取值为0.6.计算土地开发整理后项目区耕地的土壤保持量为

表4 项目区土地开发整理后固碳制氧数量计算表

(2)土壤肥力保持的价值计算

经过土地开发整理,计算得项目区单位面积耕地中的氮、磷、钾的含量分别为

项目区土地开发整理后土壤保持能值见表5.

表5 项目区土地开发整理后农地土壤保持能值计算表

2.1.2.3 表土生成能值

项目区土地开发整理后,耕地的面积增加了45.44hm2,园地增加3.1 hm2,但整理前后土壤的生成能力并没有太大的变化,因此在计算时仍按照每公顷土地形成1t的表土来计算整理后表土生成的价值.土地开发整理后项目区每年表土生成能值计算如下:

2.1.2.4 涵养水源能值

土地开发整理修成梯田后,项目区的土壤田间持水能力会有一定的提高,因此在计算时采用32%的持水量常数.

2.1.2.5 生物多样性能值

项目区开发整理后,未利用土地变更为耕地与园地,耕地的面积增加了45.44hm2,园地增加3.1 hm2,主要是种植粮食作物、经济作物等.粮食作物以小麦、玉米、甘薯、高粱、大豆为主,经济作物有棉花、花生、黄烟等,多为二年三作.栽培较多的果树有苹果、梨、桃、葡萄、杏、柿、枣、山楂、核桃、板栗、樱桃、李、花椒等,另外生物地堰主要栽种金银花、苜蓿草等23种植物[15].生物多样性能值计算如下:

2.1.3 项目区土地开发整理前后生态能值变化

根据以上得到的土地开发整理前后各因子的能值量及能值货币价值,按照公式计算可以得到项目区土地开发整理前后的生态效益计算结果见表6.Vi中,i=1,2,…,5,分别代表固碳制氧、土壤肥力保持、表土生成、涵养水源、生物多样性的保护五项生态效益因子.按照公式V实施=V后-V前计算得到土地开发整理实施的生态效益.式中:V实施是土地开发整理项目实施取得的生态效益;V前是项目区土地开发整理前全部土地的生态价值之和;V后是项目区土地开发整理后全部土地的生态价值之和.

?

2.2 花林流域土地整理项目(计算过程略)

山东省淄博市花林流域土地开发整理项目区位于博山区东南池上镇花林流域,东经118°06′03″～118°09′53″、北纬36°18′23″～36°20′25″.涉及花林、七峪、店子、吴家台、赵庄5个村,共有人口4 065人,其中劳动力2 128个.项目区地貌类型属于丘陵地区,土壤类型为棕壤,土壤偏砂,土层厚度15～30cm,底部为易风化的片麻岩.项目总投资1 575万元,建设规模647.4公顷(见表7).项目区土地开发整理前后生态能值变化见表8.

表7 项目区土地利用类型面积及变化hm2

?

3 结论与讨论

3.1 结论

(1)通过窑峪流域土地整理项目与花林流域土地整理项目的实施,项目区表土的形成、土壤肥力保持、涵养水源的能值均有所增加.说明通过项目的实施,一些技术措施的使用,耕地、园地面积增加及单位产量增加,农作物总产量提高,土壤保持、水土保持能力得到了提高.

(2)项目区生物多样性的能值减少.分析原因,主要是由于项目区开发了大面积未利用土地,用于种植农作物和经济作物,造成自然物种种类减少和自然物种占用土地面积的减少.因此,在土地开发整理时,要尽可能减少土地开发,增加土地整理,最大限度不破坏生态系统的整体性,维持生态系统的稳定.

(3)窑峪流域O2的释放、CO2的吸收的能值变化为正值,花林流域为负值.分析原因,主要是由于窑峪流域项目区主要为土地整理,未利用土地开发较少,只有8.11 hm2,而花林流域开发了大面积未利用土地,达129.51 hm2.

(4)两个项目区生态系统无偿能值的投入造成的产品和服务的能值量均增加了1.65×1017sej,相应的能值货币价值增加了7.9×104＄.比较而言,窑峪流域土地整理项目投资绩效比较高.

3.2 讨论

土地开发整理引起了土地利用结构变化,导致了区域产品和服务价值的增减,表现在生态效益方面就是系统的无偿能值利用的增减变化.因此应将合理开发利用土地资源,使土地开发整理向改善生态环境、保护生态资源方面发展,作为土地开发整理过程中的重要内容.

(1)土地作为自然的产物,其质量的提高必须遵循自然生态规律.在进行土地开发整理时,必须充分考虑土地生态系统内物质循环和能量流动的特点,考虑系统内各生态因素间的相互平衡,考虑土地生态系统与其他各相关环境系统间的相互关系,将土地生态经济系统与与周围生态环境作为一个有机整体考虑.

(2)生态系统具有整体性,在土地开发整理时,减少土地开发,增加土地整理,尽可能不破坏生态系统的整体性,维持生态系统的稳定.

(3)生态系统的平衡稳定依赖于物种多样性.生物多样性较高的群落意味着该植物群落具有较高的结构稳定性和功能多样性.因此,在土地开发整理中要注意维护生物多样性.

总之,土地作为自然的产物,其质量的提高必须遵循自然生态规律.在进行土地开发整理时,必须充分考虑土地生态系统内物质循环和能量流动的特点,考虑系统内各生态因素间的相互平衡,考虑土地生态系统与其他各相关环境系统间的相互关系,将土地生态经济系统与与周围生态环境作为一个有机整体考虑.

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