福州鼓山茶园生态系统服务功能价值评估

汪旭明，曾冬萍，张礼宏，严锦华，王维奇，任洪昌

(1.福建师范大学地理科学学院，福建 福州350007;2.闽榕茶业有限公司，福建 福州350018)

我国是全球最大的茶叶生产国，现有茶园面积1.849 ×106hm2，茶叶年产量达1.359 ×106t，均居全球首位［1］。茶叶是我国亚热带丘陵地区的重要经济作物，主要分布于砖红壤、黄红壤等酸性红壤地区。长期的茶叶种植不仅带来经济效益，亦对地区生态环境产生影响。

生态系统服务功能是生态系统与生态过程所形成的维持人类生存的自然环境条件及效用［2］，为系统地探讨茶种植的经济和环境效益提供良好的视角。生态服务价值作为生态系统服务功能的价值评估手段正日益成为生态学研究的热门领域，受到国内外学者的深入关注［3-5］。目前，我国生态系统服务价值研究进入深入与多元化阶段［6］，涉及不同生态系统类型和时空尺度［7-9］，并且针对农田生态系统服务功能价值的研究占比较大［10］。茶园生态系统作为农田生态系统的一种类型，其生态服务功能价值的研究亦较多［11-12］。但很多单项服务功能价值参数常引用森林生态系统的相关值，虽具有参考价值，却不能很好地反映不同地区、人为作用下茶园生态系统服务功能的真实情况与差异。与此同时，不同植茶年龄、施肥方式或管理方式均会对茶园土壤理化性质、茶树生理生态特征等产生影响，进而导致茶园生态系统服务功能的差异。因此，对不同植茶年龄、施肥方式或管理方式下茶园生态系统单位面积服务功能价值的评估具有重要的理论意义。

本研究利用福州鼓山不同植茶年龄及施肥方式下4 种茶园样地的实测和调查数据，比较不同种植时间和方式下茶园生态系统的服务功能价值，以期为实现茶园经济和生态效益的更优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鼓山茶园在福州市东郊闽江沿岸鼓山风景名胜区内，位于119°17＇E，26°04＇N，距福州市区约8 km，最高峰海拔高度约969 m，相对高差不大。该地属亚热带海洋性季风气候，春季阴湿多雨，夏季炎热且盛行台风，秋季日照充足，冬季少雨无严寒，区内主要植被为针叶林、阔叶林、次生林及茶树等［13］。选取不同施肥方式下3、8、25 a 常规茶园和30 a 有机茶园为研究对象(其中有机茶园已获相关认证)。常规茶园施用化学肥料和有机肥料，并施用化学农药防治病虫害;有机茶园仅施用鸡鸭粪和蘑菇渣等有机肥料，并施用生物杀虫剂进行病虫害的防治，同时采取茶茎还田的措施。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 植物采集与处理 每个茶园设置3 个2 m ×2 m 样方，获取样方内的茶树植株数。每个样方随机选取1 株茶树，采集地上部分的叶、茎及地下部分的根。洗净后置于烘箱烘至恒重，分别称取叶、茎、根的干重。取部分叶、茎、根粉碎过0.154 mm 筛，分别放入自封袋中密闭，备用。

1.2.2 土壤采集与处理 取0 -50 cm 深的土壤，分5 层，每10 cm 为1 层，每样地3 个随机重复。用容积为100 cm3的环刀对每层土壤取样，并将剩余的土样分别装入自封袋，一并带回实验室。将采回的鲜土样品自然风干后，挑去残体根系，研磨过2 mm 筛、0.154 mm 筛，分别放入自封袋中密闭，备用。

1.2.3 数据测定 植物、土壤全C、全N 含量采用CN 元素分析仪(Vario MAX CN，Elementar，德国)测定;植物、土壤全P 含量采用连续流动分析仪(Skalar SAN++，荷兰)测定;植物、土壤全K 含量采用原子吸收分光光度计(瑞利WFX-130，中国)测定;土壤容重采用环刀法测定。

1.3 评估指标体系的建立

依据生态系统服务功能价值评估的完整性和系统性原则，针对研究对象的主要服务功能，通过查阅资料、实地调查与试验分析等方式建立评估指标体系(表1)。

1.4 生态系统服务功能价值的计算

1.4.1 物质生产价值 采用《2012年福建农村统计年鉴》［15］和实地调查数据，以茶园单位面积初级产品的价值计算。

表1 福州鼓山茶园生态系统服务功能价值评估指标体系Table 1 Assessment index system of ecosystem service function values of tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

1.4.2 固碳释氧价值 茶树固碳释氧价值以茶树CO2固定量及O2释放量、造林成本法碳(C)的成本和工业制氧成本为参数，计算公式如下。

式中，Vi表示第i 种茶园固碳释氧价值/(元·hm-2·a-1);E1i、E2i分别表示第i 种茶园茶树CO2固定量、O2释放量/(t·hm-2·a-1);P1表示造林成本法C 的成本，为273.3 元·t-1［14］;P2表示工业制氧成本，为400 元·t-1［17］。

1.4.3 营养物质贮存价值 营养物质贮存主要指茶树对其生长过程不可或缺的N、P、K 等营养元素的固定，计算参数包括茶树N、P、K 固定量及我国化肥的平均价格，计算公式如下。

式中，Vi表示第i 种茶园营养物质贮存价值/(元·hm-2·a-1);E1i、E2i、E3i分别表示第i 种茶园茶树N、P、K 固定量/(t·hm-2·a-1);P 表示我国化肥平均价格，为2549 元·t-1［12］。

1.4.4 涵养水源价值 茶树的根系作用使茶园土壤更好地截留部分降水、更多地涵养水源，维系茶树生长及茶园生态系统的物质循环。采用影子工程法计算茶园涵养水源价值，以涵养水源量和单位库容水价为基础，涵养水源量以雨水截留系数、年平均降雨量和研究区域面积为参数，计算公式如下。

式中，V 表示茶园涵养水源价值/(元·hm-2·a-1);W 表示年涵养水源量/(m3·hm-2·a-1);P 表示单位库容水价，为0.67 元·m-3［8］;θ 表示雨水截留系数，取θ =0.275［12］;R 表示年平均降雨量/(mm·a-1);A 为研究区域面积/hm2。

1.4.5 固持土壤价值 茶叶种植可有效地固持土壤，减轻水土流失。采用机会成本法计算茶园固持土壤价值，以茶园减少的土地损失面积和年均单位面积初级产品的价值为基础，以减少的土地损失面积土壤侵蚀模数、研究区域面积、茶园土壤平均容重和土壤耕作层平均厚度为参数，计算公式如下。

式中，Vi表示第i 种茶园固持土壤价值/(元·hm-2·a-1);Tgi表示第i 种茶园减少的土地损失面积/(m2·hm-2);Pi表示第i 种茶园年均单位面积初级产品的价值作为减少土地损失的机会成本/(元·m-2·a-1);δ 为土壤侵蚀模数，为484.8367 t·km-2［11］;A 为研究区域面积/hm2;ρi为第i 种茶园土壤平均容重/(t·m-3);h 为农田土壤耕作层平均厚度，取0.5 m［7］。

1.4.6 保持土壤肥力价值 茶园保持土壤肥力功能指茶园因固持土壤而避免N、P、K 等主要营养元素的流失，计算参数包括土壤N、P、K 固定量及我国化肥的平均价格，计算公式同公式(2)。

1.4.7 减少泥沙淤积价值 茶园固持土壤可减少泥沙淤积于水库、江河、湖泊，减轻危害。茶园减少泥沙淤积的价值计算公式如下。

式中，Vi表示第i 种茶园减少泥沙淤积的价值/(元·hm-2·a-1);Si表示第i 种茶园减少土壤侵蚀的量/(m3·hm-2·a-1);0.24 表示全国土壤侵蚀的流沙一般有24%淤积于水库、江河、湖泊［7］;P 表示单位库容水价，为0.67 元·m-3［8］;Tgi表示第i 种茶园减少的土地损失面积/(m2·hm-2·a-1)，由公式(4)计算得出;h 为农田土壤耕作层平均厚度，取0.5 m［7］。

2 结果与分析

2.1 物质生产功能及价值

我国是传统的茶叶消费大国，茶叶品种众多，市场广阔。近年来，由于农药、化肥的不合理施用，不仅造成茶园生态系统环境污染，还威胁着茶叶的卫生质量。有机茶作为一种纯天然、无污染的高品质保健产品，尤其受到消费者的青睐［18］。有机茶形成品牌，具有较高的市场价格，能产生更大的经济效益。通过查阅《2012年福建农村统计年鉴》［14］和实地调查，发现不同植茶年龄的常规茶园单位面积年产值不存在明显差异，有机茶园与常规茶园单位面积年产量亦不存在明显差异，但有机茶的市场单价约为常规茶的1.5 倍，使二者的单位面积年产值表现为有机茶(10.27 万元·hm-2·a-1)＞常规茶(6.85 万元·hm-2·a-1)。

2.2 固碳释氧功能及价值

植物CO2固定量、O2释放量以其地上地下的生物量，即试验所测得的干物质量为基础，并依据光合作用方程，即植物每生产1 g 的干物质量可以净化1.62 g CO2，释放1.2 g O2计算得出。由公式(1)计算3、8、25 a 常规茶园和30 a 有机茶园固碳释氧价值(表2)。由表2 可知，植物年产干物质量越大，其固碳释氧量就越大;不同年龄及施肥方式下茶树年产干物质量存在差异，常规茶园茶树年产干物质量随着年龄的增长而增加，并且相近年龄的25 a 常规茶园年产干物质量是30 a 有机茶园的2 倍;不同茶园固碳释氧量表现出相似的差异，3、8、25 a 常规茶园和30 a 有机茶园固碳释氧价值分别为:2818.31、4142.67、13828.13、6781.13 元·hm-2·a-1。

表2 福州鼓山茶园年固碳释氧量及其价值Table 2 The quantities of annually carbon fixtion and oxygen release and their values in the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

2.3 营养物质贮存功能及价值

茶树从土壤中吸收养分维持自身生长，其体内N、P、K 等营养元素含量是反映茶树生长状况的直接指标，并与茶叶产量和品质密切相关［19］。不同植茶年龄及施肥方式通过改变土壤养分含量与结构，影响茶树对N、P、K 的吸收、分配与积累［20］。福州鼓山4 种茶园均表现为叶的N、P、K 含量明显大于茎、根，且不同茶园间叶、茎、根的N、P、K 含量存在差异(图1)。将不同茶园单位面积年产叶、茎、根的质量分别与叶、茎、根的N、P、K 含量相乘，计算出茶树N、P、K 固定量，并依据公式(2)计算3、8、25 a 常规茶园和30 a 有机茶园茶树固定N、P、K 的价值(表3)。由表3 可知，茶树固N 量表现为:25 a 常规茶园(0.258 t·hm-2·a-1)＞30 a 有机茶园(0.107 t·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(0.073 t·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(0.065 t·hm-2·a-1);固P 量表现为:30 a 有机茶园(0.013 t·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(0.007 t·hm-2·a-1)=3 a 常规茶园(0.007 t·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(0.006 t·hm-2·a-1);固K 量表现为:30 a 有机茶园(0.101 t·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(0.100 t·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(0.061 t·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(0.044 t·hm-2·a-1)。3、8、25 和30 a 有机茶园茶树固定N、P、K 的价值分别为:297.45、355.48、930.35、563.91 元·hm-2·a-1。

图1 福州鼓山茶园茶树不同部位N、P、K 含量Fig.1 N，P，K content of tea-tree＇s different components in the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

表3 福州鼓山茶园茶树N、P、K年固定量及其价值Table 3 The quantities of N，P，K fixation and their values per year in the tea trees in the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

2.4 涵养水源功能及价值

茶树根系发达，可很好地发挥根系涵养水源的功能。成年茶树树冠面积大，覆盖度达90%以上，可避免雨水的直接冲刷，并将降雨部分或全部截留，减少地表径流［21］。不同植茶年龄及施肥方式对土壤理化性质影响不同［22］，且不同植茶年龄茶园蒸散速率存在差异［23］，也会影响其涵养水源功能。福州市2011年降雨量为1244.9 mm［15］，取A=1 hm2，依据公式(3)计算出4 种茶园涵养水源量均为3423.48 m3·a-1，价值为2294 元· hm-2·a-1。这种计算方法未能区分出4 种茶园涵养水源量及价值的差异，但可作为涵养水源功能的价值体现，可算入到生态系统服务功能总价值中。

2.5 水土保持功能及价值

2.5.1 固持土壤 茶树根系发达，深度可达60 -80 cm，根幅可达100 cm 以上［24］，具有很强的固持土壤能力。一般植茶年龄越大，根系越发达，固持土壤能力越强，并且随着植茶年龄的增加，土壤容重、孔隙度、团聚体结构等亦发生变化［25］，影响其固持土壤能力。茶树有机栽培，可改善土壤物理性质，改变土壤容重、土壤质地、孔隙度等［26］，改善茶树固持土壤能力。

经测定分析，福州鼓山4 种茶园土壤容重表现为:8 a 常规茶园(1.33 g·cm-3)＞25 a 常规茶园(1.26 g·cm-3)＞30 a 有机茶园(1.22 g·cm-3)＞3 a 常规茶园(1.14 g·cm-3)。土壤容重随植茶年龄的增加呈降低趋势，有机施肥可降低茶园土壤容重。其中，3 a 常规茶园土壤容重最小，可能由新耕园土壤经常翻耕造成的。依据公式(4)计算出4 种茶园单位面积减少的土地损失面积和固持土壤价值(表4)。由表4可知，4 种不同茶园单位面积减少的土地损失面积表现为:3 a 常规茶园(8.50 m2·hm-2·a-1)＞30 a 有机茶园(7.95 m2·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(7.69 m2·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(7.27 m2·hm-2·a-1)，减少的土地损失面积随植茶年龄的增加而增大，有机施肥相较于常规施肥更多地减少了土地损失面积;4 种不同茶园固持土壤价值表现为:30 a 有机茶园(81.63 元·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(58.20 元·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(52.66 元·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(49.76 元·hm-2·a-1)，有机栽培显著提高了固持土壤的价值。

表4 福州鼓山茶园减少的土地损失面积及其价值Table 4 The reduced area of land loss and its value of the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

2.5.2 保持土壤肥力 土壤营养物质是茶树养分的来源，为其生长提供支持。茶树的枯枝落叶及长期的施肥可改变土壤养分状况，并随植茶年龄及施肥方式的不同而不同。

通过测定4 种茶园土壤N、P、K 含量发现，土壤N 含量表现为:3 a 常规茶园(0.12%)＞30 a 有机茶园(0.11%)＞25 a 常规茶园(0.10%)＞8 a 常规茶园(0.07%);土壤P 含量表现为:3 a 常规茶园(0.07%)＞30 a 有机茶园(0.03%)＞25 a 常规茶园(0.02%)＞8 a 常规茶园(0.01%);土壤K 含量表现为:8 a 常规茶园(0.88%)＞30 a 有机茶园(0.87%)＞3 a 常规茶园(0.72%)＞25 a 常规茶园(0.64%)。将茶园固持土壤量(484.8367 t·km-2)分别与4 种茶园土壤N、P、K 含量相乘，计算其土壤的N、P、K 固定量，并依据依公式(2)计算4 种茶园保持土壤肥力价值(表5)。由表5 可知，4 种茶园保持土壤肥力价值表现为:30 a 有机茶园(124.98 元·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(119.34 元·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(112.15元·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(94.26 元·hm-2·a-1)。

表5 福州鼓山茶园土壤N、P、K年固定量及其价值Table 5 The quantities of N，P，K fixation and their values per year in the soil in the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

2.5.3 减少泥沙淤积 土壤侵蚀导致河流、湖泊、水库等泥沙淤积，蓄水量下降，严重时阻塞河道，产生一系列的生态环境问题。依据公式(5)计算3、8、25 a 常规茶园和30 a 有机茶园单位面积减少土壤侵蚀的量分别为:4.25、3.63、3.85、3.97 m3·a-1，减少泥沙淤积的价值表现为:3 a 常规茶园(0.68 元·hm-2·a-1)＞30 a 有机茶园(0.64 元·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(0.62 元·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(0.58 元·hm-2·a-1)。

2.6 福州鼓山茶园生态系统综合服务功能价值

综合以上各项生态系统服务功能价值，总结福州鼓山不同年龄及施肥方式下的4 种茶园单位面积生态系统综合服务功能价值(表6)。由表6 可知，4 种茶园单位面积生态系统综合服务功能价值表现为:30 a有机茶园(112551.49 元·hm-2·a-1)＞25 a 常规茶园(85670.05 元·hm-2·a-1)＞8 a 常规茶园(75431.86 元·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(74050.83 元·hm-2·a-1)，其中生态系统服务功能间接经济价值表现为:25 a 常规茶园(17199.74 元·hm-2·a-1)＞30 a 有机茶园(9846.02 元·hm-2·a-1)＞8 a常规茶园(6961.55 元·hm-2·a-1)＞3 a 常规茶园(5580.52 元·hm-2·a-1)。3、8、25 a 常规茶园和30 a有机茶园的初级产品生产价值分别占总服务功能价值的92.464%、90.771%、79.923%和91.252%，起主导作用。

表6 福州鼓山茶园生态系统服务功能总价值Table 6 Total values of ecosystem service function of the tea plantations in Gushan Mountain of Fuzhou

3 小结与讨论

本研究表明，3 种常规茶园生态系统服务功能价值均随植茶年龄增加而增大;有机栽培有利于提高茶园生态系统服务功能价值。随着植茶年龄增加，茶园初级产品的生产价值未发生变化，但间接经济价值明显提高，主要因为茶园年产生物量增加及其带来的固碳释氧价值和植物固定营养物质价值的增大，符合生物量越大，生态系统服务功能价值越高的一般结论［27］。但根据植物生长Logistic 曲线［28］可知，茶树亦有终极生长量，因而其年产生物量在一定年龄后会趋于平缓或下降，生态系统服务功能价值可能出现变化。更大植茶年龄跨度的茶园生态系统服务功能的变化规律有待进一步研究。与此同时，茶树种植管理过程中对新枝的修剪程度、修剪频率也会影响其年产生物量，进而使评价结果出现误差。今后应着力对植茶年限较长的茶园进行合理的改造，运用更加科学合理的管理措施不断提升生产力。

有机栽培相对于常规栽培，初级产品价值明显提升，主要因为有机茶良好的品质适应了消费者追求安全健康食品的心理，使其产生明显的市场价格优势。从间接经济价值来看，有机茶园小于常规茶园，也主要因为前者年产生物量较小。但有机茶园种植相对于常规种植可减少因施用化肥农药带来的诸如生物多样性减少等负面生态效应，并且对于传统茶文化的传承和创新作用更加明显，可能潜在地体现出更高的文化价值和旅游娱乐价值。因此，充分挖掘有机茶种植方式所承载的文化价值，并探究如何将其与文化旅游等相结合，将更有利于实现有机茶种植的效益。

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