不同农林景观配置模式小流域生态服务功能价值评估

马宇丹，王 涛，韩新辉*，杨改河，冯永忠，任广鑫，王晓娇

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西 杨陵 712100；2.陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨陵 712100)

生态系统服务功能指人类从生态系统获得的所有惠益[1]。科学评估生态系统的服务功能及价值是近些年生态学和生态经济学研究的热点[2]。国内外学者对生态系统服务功能价值评估的理论和方法做了大量研究[3-4]。早在1978年，日本林野厅利用数量化理论多变量解析方法对其国内类型的森林生态价值进行了评估[5-6]。R.Costanza[7]等对全球生物圈生态系统服务功能价值进行了估算。2011年，英国科学家对25项生态系统服务功能及其价值进行了评估[8]。20世纪90年代开始，国内学者也开始对森林生态服务功能及价值评估进行了大量研究。欧阳志云[9]等将陆地生态系统服务功能分为有机物质生产、维持大气CO2与O2的平衡、营养物质的循环与贮存、水土保持、涵养水源、对环境污染的净化作用共6个方面功能，并运用影子工程、替代工程等方法将其转换为经济价值。谢高地[10]等将中国草地生态系统服务功能分为废物处理、食物生产、水供应等17个方面并运用影子工程、机会成本等方法将其转换为价值。赖亚飞[11]将退耕还林工程的生态效益分为保护水资源、固碳制氧、生物多样性保护等6个方面，并运用影子工程、替代工程等方法核算了吴起县退耕还林工程生态价值。总之，国内不同学者进行生态系统服务功能评估时，所选取的指标体系和方法不尽相同，故彼此之间往往难以进行比较。国家林业局颁布的《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721-2008)[12]，使得我国生态系统服务功能评估指标体系和评价方法在国家层面上得到了统一。

小流域综合治理是指为了充分发挥流域内自然资源的生态、经济和社会效益，以小流域为单元，在全面规划的基础上，合理安排农、林、牧等各业用地，因地制宜地布设综合治理措施，治理和开发相结合，对流域水土等自然资源进行保护、改良与合理利用[13]。小流域综合治理是改善区域生态环境，充分发挥区域自然资源综合效益的重要途径，而不同区域由于自然资源、社会条件差异以及综合治理侧重点的不同，治理效果也不尽相同[14]。在小流域综合治理和退耕还林工程的实施下，陕北黄土丘陵区小流域农林草景观配置格局发生了巨大的变化，邓健[15]等根据实地调研和对黄土丘陵区小流域综合治理相关资料的研究将黄土丘陵区小流域农林草景观配置模式分为“林草模式”、“林草+耕地模式”、“林草+果园模式”和“林草+粮果兼作模式”4种，并通过层次分析法构建了评价模型对4种农林景观配置模式下的小流域综合效益进行了评价，结果显示小流域综合治理后产生了良好的生态效益[15]。前期研究对具体生态恢复效应和功能都有了深刻的认识，但对其功能效应的价值化研究还比较薄弱。因此，本研究选择该区域的4种不同农林草配置模式主导的典型小流域为对象，依据《森林生态系统服务功能评估规范》对其进行生态系统服务功能的价值评估研究，旨在阐述不同配置模式的小流域的各项生态系统服务功能价值的差异，以期为区域生态恢复巩固和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点分别为陕西省延安市吴起县金佛坪(36°49′-36°50′N，108°12′-108°13′E)、延安市安塞县五里湾(36°51′-36°53′N，109°19′-109°21′)、延安市宝塔区庙咀沟(36°37′-36°40′N，109°21′-109°23′E)以及榆林市米脂县高西沟(37°51′-37°52′N，110°09′-110°12′E)4个小流域，基本概况见表1、图1。

表1 小流域概况Table 1 Overview of the watersheds

图1 研究区域分布Fig.1 Watersheds distribution in Shaanxi

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究的数据来源于课题组于2013-2016年对研究区域做的植被调查、室外测定、室内试验数据，以及参阅2013-2016年研究区林业局森林资源清查资料、水土流失公报、社会统计年鉴以及前人相关研究文献等[16]，以2014年基础数据作为评估数据进行物质量计算。物质量向价值量转换过程中用到的价值参数参照我国权威机构公布的社会公共数据和类似研究中用到的价值参数。

2.2 评估方法及计算公式

本研究根据前人对黄土丘陵区生态系统服务功能价值估算时所选取的指标结合研究区域实际情况，并在考虑评估参数的可获得性和可靠性的基础上以文献[12]为依据，选取了涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气功能、生物多样性保护共6个方面共11个指标进行小流域生态系统服务功能价值评估，具体指标及计算公式见表2。

表2 小流域生态系统服务功能评估指标及计算公式[17]Table 2 Ecosystem service value evaluation index system and formula of watershed

注：式中水库库容造价取8.44元·t-1，城市居民用水价格取3.07元·t-1，磷酸二铵价格取3 300元·t-1，氯化钾价格取2 800元·t-1，有机质价格取800元·t-1，固碳价格取1 281元·t-1，氧气价格取1 299.07元·t-1，二氧化硫排污费取1 850元·t-1，氮氧化物排污费取970元·t-1，粉尘排污费取230元·t-1，负离子价格为9.46元·1018个-1[15]。

3 结果与分析

3.1 涵养水源功能

由式(1)、(2)得出4个小流域年调节水量价值、年净化水质价值、年涵养水源价值及单位面积小流域年涵养水源价值(表3)。由表3可知，4个小流域年涵养水源价值为庙咀沟(504.7万元)>五里湾(394.1万元)>高西沟(272.8万元)>金佛坪(219.8万元)；单位面积小流域年涵养水源价值为庙咀沟(6 936.2元·hm-2)>五里湾(6 699.5元·hm-2)>金佛坪(6 308.4元·hm-2)>高西沟(5 818.7元·hm-2)。

3.2 保育土壤功能

由式(3)、(4)得出4个小流域年保育土壤价值、单位面积小流域年保育土壤价值(表4)，年保育土壤价值依次为庙咀沟(3 558.4万元)>五里湾(2 730.5万元)>金佛坪(1 827.9万元)>高西沟(1 818.9万元)；单位面积小流域年保育土壤价值为金佛坪(52 460.6元·hm-2)>庙咀沟(48 903.5元·hm-2)>五里湾(46 418.9元·hm-2)>高西沟(元·hm-2)。

表3 小流域涵养水源功能Table 3 Water storage function of the watersheds 万m3，万元，元·hm-2

表4 小流域保育土壤功能Table 4 Soil conservation function of the watersheds

3.3 固碳释氧功能

由式(5)、(6)得出4个小流域年固碳释氧价值、单位面积小流域年固碳释氧价值(表5)，年固碳释氧价值依次为庙咀沟(549.1万元)>五里湾(467.0万元)>高西沟(362.8万元)>金佛坪(280.4万元)；单位面积小流域年固碳释氧价值为：金佛坪(8 048.6元·hm-2)>五里湾(7 938.3元·hm-2)>高西沟(7 737.3元·hm-2)>庙咀沟(7 546.3元·hm-2)。

3.4 林木积累营养物质功能

由式(7)得出4个小流域年林木积累营养价值、单位面积小流域年林木积累营养价值(表6)。由表6可知，4个小流域年林木积累营养物质价值为庙咀沟(180.4万元)>五里湾(152.8万元)>高西沟(120.4万元)>金佛坪(91.5万元)；单位面积小流域年林木积累营养物质价值为金佛坪(2 625.7元·hm-2)>五里湾(2 598.4元·hm-2)>高西沟(2 567.4元·hm-2)>庙咀沟(2478.8元·hm-2)。

表5 小流域固碳释氧功能Table 5 Carbon fixation and O2 release function of the watersheds

3.5 净化大气功能

由式(8)、(9)、(10)计算得出4个小流域年净化大气功能价值、单位面积小流域年净化大气功能价值(表7)，由表7可知，4个小流域年净化大气功能价值为庙咀沟(27.4万元)>五里湾(21.5万元)>金佛坪(17.4万元)>高西沟(15.9万元)；单位面积小流域年净化大气功能价值为金佛坪(498.4元·hm-2)>庙咀沟(376.7元·hm-2)>五里湾(364.7元·hm-2)>高西沟(339.0元·hm-2)。

表6 小流域林木积累营养物质功能Table 6 Nutrient accumulation functions of the watersheds t，万元，元·hm-2

表7 小流域净化大气功能Table 7 Air quality purification of the watersheds t，万元，元·hm-2

3.6 生物多样性保护功能

由式(11)得出4个小流域生物多样性保护价值、单位面积生物多样性保护价值(表8)，年生物多样性保护价值依次为庙咀沟(99.7万元)>五里湾(85.9万元)>高西沟(61.8万元)>金佛坪(40.5万元)；单位面积小流域年生物多样性保护价值为五里湾(1 459.9元·hm-2)>庙咀沟(1 370.5元·hm-2)>高西沟(1 319.0元·hm-2)>金佛坪(1 161.2元·hm-2)。

3.7 小流域生态系统服务功能总值及其构成

将以上6项价值相加即可得出4个小流域生态系统服务功能价值以及各服务功能价值所占比例(表9)。由表9可知4个小流域生态系统服务功能价值由高到低分别是庙咀沟(4 919.6万元·a-1)>五里湾(3 851.7万元·a-1)>高西沟(2 652.7万元·a-1)>金佛坪(2 477.5万元·a-1)；单位面积小流域生态系统服务功能价值由高到低分别为金佛坪(71 102.9元·hm-2·a-1)>庙咀沟(67 612.1元·hm-2·a-1)>五里湾(65 476.6元·hm-2·a-1)>高西沟(56 570.0元·hm-2·a-1)。6大生态系统服务功能占比由高到低为保育土壤价值>固碳释氧价值>涵养水源价值>积累营养物质价值>生物多样性保护价值>净化大气价值。其中保育土壤、固碳释氧、涵养水源3项功能占比在90%以上。

表8 小流域生物多样性保护功能Table 8 Biodiversity conservation of the watersheds

表9 小流域生态系统服务功能Table 9 Ecosystem service of the watersheds

4 结论与讨论

4.1 小流域生态系统服务功能价值量显著

在黄土丘陵区小流域提供的涵养水源、保育土壤等6项功能中，4个小流域都是以保育土壤、固碳释氧、涵养水源价值为主，这与成六三[17]在对榆林市南6县退耕还林工程生态服务功能价值评估中得出的固土保肥、固碳制氧、涵养水源功能占到生态服务功能的96%以上的结论相一致，与赖亚飞[11]对吴起县1999-2004年退耕还林工程生态效益初始总价值核算得到的保育土壤、固碳释氧、保护水资源效益占到总生态效益价值量的80%以上的结论相接近[11]。这可能是因为黄土丘陵区水土流失严重，小流域综合治理后形成的森林草地林冠层、枯枝落叶层和地下的根系层既能起到拦截和滞留地表径流，又能增强土壤腐殖质及水稳性团聚体含量，从而起到固持土壤的作用大幅度降低土壤侵蚀模数，改善水土流失，大量研究表明植被覆盖后能够改善土壤理化性质，提高土壤养分，所以小流域保育土壤功能价值量显著；地上枝叶和枯枝落叶又具有拦截降水、滞留地表径流的作用，也会大大减少暴雨造成的土壤侵蚀并将其转化为土壤水，同时植被地下的根系会增大土壤的孔隙度，加强土壤的蓄水能力，而植被本身又具有净化水质的作用，所以小流域涵养水源功能价值量也比较高；而小流域植被覆盖率提高之后，不仅植物的光合作用会大量地吸收空气中的CO2产生O2，而且土壤也会因为森林的生长起到固碳作用[11]，所以小流域固碳释氧功能的价值量也非常可观。

4.2 林草模式下的小流域生态系统服务功能较优

4种不同农林景观配置下的小流域单位面积生态服务功能价值由高到低分别是林草模式、“林草+果园”模式、“林草+耕地”模式、“林草+粮果兼做”模式，即林草配置模式下的小流域具有较高的生态价值，这与邓健[15]等通过层次分析法构建的生态效益评价体系对黄土丘陵退耕小流域生态效益作出的评价结果相一致，这说明农林景观为林草模式的小流域确实具有较优的生态系统服务功能。这可能是因为该模式治理下的小流域只有林草，恢复过程中不受人为扰动，土壤和植被易于积累养分，发挥保育土壤和林木积累营养物质的功能。而其他模式均有一定比例的耕地和果园，作物和果树生长不仅会消耗土壤养分，也会因为人为的耕作、翻地等措施影响土壤的涵养水源和保育土壤功能，同时在种植过程中施用化肥、喷施农药也会使二氧化碳释放增多、生物多样性被抑制等。即林草配置模式下的小流域植被恢复速度较快，植被覆盖率、水土保持效益显著增加，使得小流域自然资源的生态效益能够充分发挥。

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