禁牧对典型草原生态系统服务功能影响的价值评价

许晴，许中旗，王英舜

（1.河北农业大学，河北保定071000；2.内蒙古锡林浩特国家气候观象台，内蒙古锡林浩特026000）

禁牧对典型草原生态系统服务功能影响的价值评价

许晴1，许中旗1，王英舜2

（1.河北农业大学，河北保定071000；2.内蒙古锡林浩特国家气候观象台，内蒙古锡林浩特026000）

为了定量评价禁牧对典型草原生态系统的影响，采用生态系统服务功能经济价值评价方法对放牧及禁牧时间不同（2、7和17年）的典型草原生态系统服务功能进行了评价。结果表明，禁牧可以显著提高典型草原生态系统物质生产、碳吸收、氧气释放及物质循环功能的价值量；物质生产功能价值量随禁牧时间的增加而增加，以禁牧17年典型草原为最高；碳吸收、氧气释放及物质循环功能的价值量则以禁牧2年的典型草原为最高。禁牧可以显著提高典型草原的生态系统服务功能，但长期禁牧不利于典型草原生态系统服务功能的提高和维持。

禁牧；典型草原；生态系统服务；价值评价

生态系统服务功能是指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［1-2］。由于人们对于生态系统服务功能的重要性以及不可替代性的认识逐渐清晰，有关生态系统服务功能的研究日益受到人们的重视。于2001年启动的联合国“千年生态系统评估”（Millennium Ecosystem Assessment，MA）将生态系统服务功能的评价作为其重要的研究内容之一［3］。草地生态系统是陆地生物圈最重要的组成成分之一，我国不同类型草地总面积为4.1×108hm2，约占国土总面积的40%。北方天然草原约为3.13×108hm2，占草地总面积的78%，是我国草地的主体。其中，典型草原是我国温带草原中最有代表性和典型性的一种类型［4］。典型草原位于荒漠草原与草甸草原之间，是阻止我国北方土地沙漠化的第一道屏障，对环境条件变化和人为干扰最为敏感。近年来，由于认识到过牧对典型草原的破坏作用，内蒙古典型草原区采取了禁牧、轮牧等措施，使得典型草原生态系统的退化过程得到了明显抑制，其生态系统服务功能也得到了一定程度的恢复。对典型草原生态系统服务功能的变化进行研究将有助于人们对不同利用模式下典型草原生态系统变化的理解。

Costanza等［5］曾对全球草地生态系统的服务功能进行了价值评价，认为全球草地生态系统每年提供的服务功能价值为9.06×1010美元，占全球总价值的2.72%，占陆地生态系统总价值的7.3%。谢高地等［6］依据1∶1 000 000中国草地资源图，得出全国草地生态系统每年的服务价值为1.50×1011美元。赵同谦等［7］、闵庆文等［8-9］也分别对我国草地生态系统和内蒙古典型草原生态系统、青海高原草地生态系统的服务功能价值进行了研究。以上研究使人们对于草地生态生态系统的服务功能有了更清晰的认识，但多是静态评价，而动态评价则能为典型草原的管理和利用提供更为有用的信息。本研究对采取禁牧措施后典型草原的若干生态系统服务功能的变化进行定量评价，以使人们对于禁牧的实施效果有更明确的认识，以便采取更为有效的措施对典型草原进行合理的保护和利用。

1 研究区概况

研究地点位于内蒙古锡林郭勒盟畜牧气象研究所的试验牧场内。其地理位置在锡林浩特市以东23km处，116°04′～117°05′N，43°26′～44°08′E，海拔为900～1 000m。该区的气候类型为温带半干旱大陆性气候。年均气温为-0.1℃，7月平均气温为18.3℃，1月平均气温为-22.0℃，全年≥10℃积温为1750℃·d，全年日照时数为2 600h，无霜期90～110d，年降水量300mm左右［10］。土壤主要为典型栗钙土。该试验牧场位于内蒙古典型草原区的中心地带。其主要植物有克氏针茅（Stipa krylovii）、羊草（Leymuschinensis）、糙隐子草（Cleistogenessquanosa）、知母（Anemarrhenaasphodeloides）、矮葱（Alliumanisopodium）、野韭（A.ramosum）、猪毛菜（Salsolacollina）、寸草苔（Carexduriuscula）等。

该牧场总面积为12km2，在1987年以前为打草场，从1987年改为放牧场。该牧场放牧牲畜为绵羊，夏季存栏数为1 200只，冬季为800只，每年的6-12月为自由放养，12月-翌年6月实行圈养。牧场内设有禁牧2、7和17年的试验样地。自由放牧草地群落盖度为17.38%，群落高度为14.11cm；禁牧2、7和17年试验样地群落盖度分别为26.48%、31.05%和42.70%，群落高度分别为18.25、19.46和24.89cm。

2 研究方法

2.1 物质生产功能的价值量 于2004年的4、7、8和10月分别在自由放牧草地、禁牧草地（禁牧2、7和17年）以及农田内采用随机布点的方法内设置0.5m×0.5m样方3块，在样方内测定牧草的地上生物量和地下生物量。生态系统净生产力为地上部分和地下部分净生产力之和，地上部分净生产力取草原植物地上部分当年生长量，地下部分净生产力由最高生物量与最低生物量的差值表示［4］。典型草原生态系统物质生产功能的价值量由如下公式进行计算：

式中，Vg为草原生态系统物质生产功能的价值量，Bg为草原生态系统地上生物量（牧草产量）；Pg为牧草的价格，取当地多年平均市场价0.6元·kg-1。

2.2 典型草原生态系统吸收CO2功能价值

2.2.1 干物质碳含量法 利用生态系统干物质（包括植物地上部分、根系、枯落物）净增量（一年中干物质最大值减去干物质最小值）及各部分的含碳量来计算生态系统的碳吸收量，利用碳吸收量及碳的价格计算生态系统碳吸收CO2功能的价值量。

式中，Vc为生态系统吸收的碳的价值量；△Ms为草原植物草原植物地上部分干物质净增量；△Mr为草原植物根系干物质净增量；△Ml为枯落物的净增量；Sc、Lr和Lc分别为地上部分、地下部分及枯落物的碳含量。P为碳的价格，本研究分别用两种方法对碳的价值量进行计算：造林成本法，P为260.90元·t-1（按1990年不变价格计算）；碳税法，P为1 242.00元·t-1（按照瑞典的碳税率，每吨碳的价格为150美元，美元与人民币的换算按1美元折合8.28元计算）。

2.2.2 光合方程法 利用生态系统干物质净增量（含义同上），通过光合作用方程来计算生态系统吸收的碳量。根据光合方程式，植物体每积累1g干物质，可以吸收约1.63g的CO2［11］。由如下公式进行计算：

式中，Vc为生态系统吸收的碳的价值量；其他各项含义同上。

2.3 典型草原生态系统释放O2功能价值利用各生态系统的干物质净增量，通过光合作用方程来计算各生态系统释放O2的量。根据光合方程式，植物体每积累1g干物质，可以释放约1.2g的O2，由此可以得出各生态系统释放的O2的量及其价值。

式中，Vo2为释放O2的价值量。P为O2的制造成本，本研究采用造林成本法和工业制氧法来计算释放O2的价值量，采用造林成本法时，P取352.93元·t-1；采用工业制氧法时，P取400.00元·t-1［12］。

2.4 典型草原的物质循环功能价值 生态系统的物质循环功能是指养分元素在生物库、凋落物库和土壤库之间的转移循环过程。根据生态学原理，当生态系统处于稳定平衡状态时，养分元素在3个库之间的转移通量大致是相等的。因此，可以认为构成生态系统的第一性净生产力的养分元素即为参与循环的养分量［7］。本研究中只考虑含量较高的氮、磷、钾3种元素。生物库养分持留法的计算公式为：

式中，V为生态系统养分循环的价值量；P为生态系统的净生产力；Di为生物体中i元素（氮、磷、钾）的含量，Mi为植物体中氮、磷、钾和折算为硫酸铵、过磷酸钙和氯化钾的系数，分别为4.762、3.373和1.667；Pi为硫酸铵、过磷酸钙和氯化钾的价格，分别为750、398和1 054元·t-1［10］。

2.5 植物及土壤养分分析 土壤有机质、植物有机碳采用重铬酸钾法测定；土壤全氮、植物氮采用开氏法测定；土壤速效氮采用蒸馏法测定；土壤中的全磷、钾采用FH-HNO3-HCLO4消解，ICP测定；植物磷、钾采用HNO3-HCLO4消解，ICP测定；土壤速效磷、钾采用（NH4）2CO3提取，ICP测定［13］。

3 结果与分析

3.1 禁牧对典型物质生产功能价值的影响生态系统物质生产功能价值由高到低的顺序为禁牧17年草原＞禁牧7年草原＞禁牧2年草原＞自由放牧草原，其价值量分别为1 011.68、600.32、521.52和301.28元·hm-2·a-1（表1）。说明禁牧可以提高草原生态系统的物质生产功能价值，而且，随禁牧时间的增加，其价值量也不断增加。由物质生产功能价值的计算方法得知，其价值量主要取决于地上部分的净生产力。禁牧草原的净生产力普遍高于放牧草原，禁牧有利于草原净生产力的提高，这与已有的研究结果［4］是相同的。据陈佐忠和汪诗平［4］的研究，草原地上净生产力随放牧强度的增加逐渐减小。禁牧减少了牲畜对植物叶片的采食，从而使生态系统的光合面积得到提高，进而使生态系统有较高的净生产力。

3.2 禁牧典型草原碳吸收功能价值量评价无论是采用干物质碳含量法还是光合方程法，碳吸收量及其价值量的排序都是一致的，均以禁牧2年的典型草原最高，其次为禁牧7年的典型草原，最后是自由放牧草原和禁牧17年草原，二者相差不大（表2、表3）。本研究所采用的两种碳吸收量的方法都是以生态系统的干物质净增量为基础的。干物质净增量较高意味着生态系统有较高的碳吸收量。干物质的净增量主要受两方面因素的影响：净生产力和枯落物的衰减量。植物的净生产是吸收碳的过程，而枯落物的衰减是释放碳的过程，干物质的净增量是这两个过程相互作用的结果。禁牧17年草原的净生产力高于放牧草原，但其枯落物的积累量高，其衰减量也较高，所以二者的作用相抵，导致两种草原碳的吸收量相当。

从计算结果得出，光合方程法的结果（表3）高于干物质碳含量的计算结果（表2），而且基本上前者约为后者的1.3倍。其原因可能在于本研究中光合方程法将所有的干物质，如植物地上部分、根系和枯落物同样看待（即假设它们的含碳量是一致的），而实际上各部分的含碳量有所不同。本研究的分析结果为，植物地上部分的含碳量（46.89%）要高于地下根系（34.00%）和枯落物（38.85%～44.03%）。

另外，计算结果显示，碳税法与造林成本法的计算结果相差较大。碳税法是采用的瑞典税率，约为150美元·t-1（1 242.00元·t-1），而造林成本法则是采用我国的造林成本，约为260.90元·t-1（按1990年不变价格计算）。造林成本法的计算结果更适合我国的情况，适宜按照中国的物价水平计算的价值的比较，而碳税法适宜与其他国家计算结果的比较。

表1 放牧及禁牧典型草原生态系统物质生产功能的价值量Table 1 Valuation of production in the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition

本研究由于未将土壤的呼吸作用考虑在内，所以结果比实际值偏高。

表2 放牧及禁牧典型草原生态系统的碳吸收量及其价值（干物质碳含量法）Table 2 Carbon sequestration of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition and their valuation（by carbon content of dry matter）

表3 放牧及禁牧典型草原生态系统的碳吸收量及其价值（光合方程式法）Table 3 Carbon sequestration of the steppe ecosystems under grazing andnon-grazing condition and their valuation（by photosynthetic equation）

3.3 禁牧对典型草原释放O2功能价值量的影响 释放O2量及其价值都以禁牧2年草原为最高，其次为禁牧7年草原，自由放牧草原和禁牧17年草原相差不大（表4）。本研究中O2释放量的计算只考虑了由草原植物的净生产所产生的O2的量，没有将生态系统所消耗的O2考虑在内。草原生态系统在通过植物的光合作用释放氧气的同时也在消耗氧气。氧气的消耗主要包括两个方面：草原植物本身的呼吸作用和土壤的呼吸作用（包括枯落物分解对O2的消耗）。本研究在计算净生产力时，只是考虑了在生长季节植物本身的呼吸，而忽略了土壤呼吸和非生长季节植物根系的呼吸，因此计算结果应该是偏高的。本研究的结果其实只是草原植物在其生长阶段除去本身的消耗外释放了多少O2，而不是生态系统在一年当中释放了多少O2。

表4 放牧及禁牧典型草原生态系统的O2释放量及其价值Table 4 Release O2of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition and their valuation

3.4 禁牧对典型草原物质循环功能价值的影响 就各种元素来看，无论是氮、磷还是钾，养分循环的物理量和价值量都是禁牧草原明显高于放牧草原，而几种禁牧草原之间差别较小，其从大到小的顺序为禁牧2年＞禁牧7年＞禁牧17年＞自由放牧（表5）。禁牧草原生态系统物质循环价值量高于自由放牧草原，原因在于禁牧可以提高草原生态系统的净生产力。禁牧2年的典型草原的价值量略高于禁牧17年和禁牧7年禁牧草原，同样是由于禁牧2年草原的净生产力较高的缘故。根据群落演替理论，在群落进展演替的初期，群落的净生产力是逐渐增加的，而接近顶级阶段时则逐渐降低［14］。禁牧17年的典型草原经过17年的禁牧可以认为已处于顶级阶段，所以其净生产力并不是最高的。禁牧2年的草原由于刚刚排除放牧对它的干扰，正处于群落恢复的过程中，由于放牧而未被完全占据的生态位为草原植物的迅速生长提供了充足的资源空间，所以生态系统有较高的净生产力。

表5 放牧及禁牧典型草原生态系统养分循环功能价值Table 5 Valuation of nutrient cycling of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition

4 结论

1）禁牧可以显著提高典型草原生态系统的物质生产、碳吸收、O2释放及物质循环功能的价值量。

2）禁牧对典型草原不同生态系统服务功能价值量的影响不同，物质生产功能价值量随禁牧时间的增加而增加，以禁牧17年典型草原为最高；碳吸收、O2释放及物质循环功能的价值量则以禁牧2年的典型草原为最高。

3）禁牧可以显著提高典型草原的生态系统服务功能，但长期禁牧不利于典型草原生态系统服务功能的提高和维持。

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Evaluation on the impact of non-grazing on the services of typical steppe ecosystems

XU Qing1，XU Zhong-qi1，WANG Ying-shun2
（1.Agricultural University of Hebei，Baoding 071000，China；2.The State Meteorological Observation Station of Xilinhot Department of Meteorology of Xilinguole League，Xilinhot 026000，China）

In order to understand the impact of non-grazing on the services of typical steppe ecosystems quantitatively，the services of typical steppes under grazing and non-grazing with different periods（2 years，7years and 17years）were evaluated.The result showed that non-grazing could raise the valuation of the services of typical steppe ecosystems，such as production，carbon sequestration，oxygen release，nutrient circle.The evaluation of production of typical steppes increased as the period of non-grazing increased，and that of the typical steppes with 17years of non-grazing was highest.The evaluation of others，such as carbon sequestration，oxygen release，nutrient circle，is highest for typical steppes with 2 years of non-grazing.Non-grazing could improve services of typical steppe ecosystems，but non-grazing for a long time is not conducive to the improvement and maintenance of services of typical steppe ecosystems.

non-grazing；typical steppes；ecosystem services；evaluation

XU Zhong-qi E-mail：xzq7110＠163.com

S812.2

A

1001-0629（2012）03-0364-06

2011-09-25 接受日期：2011-10-31

国家自然科学基金重点项目（30230090）

许晴（1972-），女，广东饶平人，助理实验师，学士，研究方向为动物营养。E-mail：xuq7205＠sohu.com

许中旗 E-mail：xzq7110＠163.com