陕西省退耕还林工程生态效益评估

刘胜涛,牛 香,2,3,*,王 兵,2,3,宋庆丰,陶玉柱

1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100091 2 国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091 3 北京林业果业生态环境功能提升协同创新中心,北京 102206

退耕还林工程是我国涉及面最广、工序最复杂的生态建设的标志性工程,也是迄今为止世界上最大的生态修复工程[1- 4],是实现合理利用土地资源,增加林草植被覆盖,维护生态安全,调整农村产业结构,增加农民经济收入,一举多赢的战略性举措[5- 7]。随着国家经济社会的不断发展变化,退耕还林工作已经由大规模推进转入成果巩固阶段,准确、全面地评价退耕还林工程所取得的生态效益,能够为新形势下退耕还林工程的实施提供依据和指导[1,8]。Wang等对中国岷江上游地区退耕还林工程对当地的影响进行研究,分析了工程的实施对农民收入、生态恢复和政府补贴政策的影响,权衡了三者之间的关系[8]。Feng等人在黄土高原地区对退耕还林工程实施前后区域的净初级生产力(NPP)和净初级生态系统生产力(NEP)进行研究,得出正是由于退耕还林工程的实施使得该地区已经从2000年的碳源变成了2008年的碳汇[9]。Long等人利用Arc GIS研究了中国长江中上游地区退耕还林工程对水土流失变化的影响,得出土壤侵蚀最严重的地域发生在坡度10°—25°的农业用地上,并指出一定的坡度条件下农田和多季作物对土壤侵蚀量的百分比几乎相同[10]。Deng等人的研究分析发现,退耕还林工程长期实施显著增加了土壤碳储量[11]。

陕西省作为退耕还林工程最早试点的省份之一,是我国实施退耕还林工程生态效益监测的重点地区,对该省退耕还林地生态系统服务功能的评估在全国具有非常典型的代表性。但对该地区退耕还林工程现有的相关研究主要集中在土地利用类型、植被覆盖度的变化方面[12- 13],以及对退耕还林工程的部分生态效益进行核算[14],缺少对陕西省退耕还林工程所产生的各类生态服务功能的生态效益进行综合、全面、系统的评估与分析。而对该省退耕还林工程所产生的生态效益的全面评估,尤其是以中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721-2008)[5]和《退耕还林工程生态效益监测评估技术标准与管理规范》(办退字[2013]16号)[15]为基础的标准化核算,能够客观、全面而系统地量化退耕还林工程实施对当地生态环境改善的影响,同时也可为退耕还林工程投入产出的生态经济学分析、量化生态补偿、区域生态安全评估、绿色GDP核算等方面研究提供基础性数据支撑,为新一轮退耕还林工程的实施和退耕还林工程森林后续管理提供科学依据和指导。因此,为了更加科学、全面、系统地掌握陕西省退耕还林工程实施的生态效益价值,为新一轮退耕还林工程实施提供支撑,本文采用截止到2013年陕西省退耕还林工程的资源数据,并结合具有参考价值的周边省份的森林生态系统定位观测研究站以及部分退耕还林工程生态监测点的观测数据,依据林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》和《退耕还林工程生态效益监测评估技术标准与管理规范》对陕西省不同植被恢复类型、不同林种类型、不同区域的生态效益进行物质量和价值量评估,研究结果可以全面反映陕西省首轮退耕还林工程(不包括退耕还草)实施所产生的生态效益价值以及不同恢复类型生态效益贡献率、不同林种林型生态效益差异和不同区域生态效益的空间格局,为新一轮退耕还林工程的科学实施提供理论依据和指导。

1 研究区概况

陕西省位于中国西北地区东部,地处31°42′—39°35′N和105°29′—111°15′E之间,地貌形态差异明显,北部为风沙高原和黄土高原,南部为陕南秦巴山地,中部为关中平原,全省地势南北高、中部低,西部高、东部低(图1)。陕西省属大陆季风性气候,各地年平均气温在7—16℃；降水由南向北递减,受山地地形影响比较显著,陕南年降水量在700 mm以上,关中年降水量在600 mm左右,陕北南部年降水量在600—700 mm,陕北北部年降水量为400—500 mm。全省土地总面积2059.77万hm2,其中林地面积1236.79万hm2,占土地总面积的60.05%；森林覆盖率达到43.06%。乔木林面积707.10万hm2,占57.17%；竹林面积2.24万hm2,占0.18%；疏林地面积28.80万hm2,占2.33%；灌木林面积283.70万hm2,占22.94%。截止到2013年,陕西省退耕还林工程3种植被恢复类型及3个林种类型的面积见表1[16]。

图1 研究区地理位置图

省份Province退耕还林面积Area of Grain for Green Project3种植被恢复类型Three vegetation restoration models3个林种类型Three forest types退耕地还林Returning farmland to forests宜林荒山荒地造林Afforestation on barren hills and wasteland封山育林Closing hillsides to facilitate afforestation生态林Ecological forests经济林Economic forests灌木林Shrubs陕西Shaanxi245.46101.56128.1115.79132.1960.3552.92

2 研究方法

2.1 陕西省退耕还林工程生态效益评估指标的选取及计算公式

本研究依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721-2008)和《退耕还林工程生态效益监测评估技术标准与管理规范》(办退字[2013]16号),主要从森林生态系统的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护以及森林防护等7项功能进行评估计算,指标体系及计算公式详见表2[17- 19]。

表2 陕西省退耕还林工程生态效益评估指标体系及计算公式

2.2 物质量与价值量转换的公共价格数据源

物质量向价值量转换过程中用到的参数主要是社会公共价格数据,社会公共数据主要采用我国权威机构公布的社会公共数据[16- 20]。主要数据如下：

①水库库容造价参照第八次森林生态系统评估,取值为8.44元/t,城市的居民用水价格的取值为3.07元/t。

②磷酸二铵含N量为14%；磷酸二铵含P量为15.01%；氯化钾含K量为50%。

③磷酸二铵价格为3300元/t,氯化钾化肥价格为2800元/t；有机质平均价格为800元/t。

④固碳价格：参照第八次森林生态评估取值为1281元/t。

⑤二氧化硫排污费收费标准为1.85元/kg,氮氧化物排污费收费标准为0.97元/kg,一般性粉尘排污费收费标准为0.23元/kg。

⑥氧气价格：采用中华人民共和国卫生部网站的氧气平均价格,1299.07元/t。

⑦负离子价格：负离子价格根据台州科利达电子有限公司生产的适用范围30 m2(房间高3m)、功率为6 W、负离子浓度1000000个/cm3、使用寿命为10 a、价格65元/个的KLD-2000型负离子发生器而推断获得,其中负离子寿命为10 min,得到得负离子生产费用为9.46元/1018个。

⑧工业粉尘排污收费标准价格为240元/t。

⑨生物多样性保护价值按照Shannon-Wiener指数的方法进行计算,即：Shannon-Wiener指数<1时,S生为3000元 hm-2a-1；1≤Shannon-Wiener指数<2,S生为5000元 hm-2a-1；2≤Shannon-Wiener指数<3,S生生为10000元 hm-2a-1；3≤Shannon-Wiener指数<4,S生为20000元 hm-2a-1；4≤Shannon-Wiener指数<5,S生为30000元 hm-2a-1；5≤Shannon-Wiener指数<6；S生为40000元 hm-2a-1；Shannon-Wiener 指数≥6时,S生为50000元 hm-2a-1。

3 结果与分析

3.1 陕西省3种植被恢复类型的生态效益核算

应用上述计算公式得出,截止到2013年陕西省不同植被恢复类型的生态效益物质量(表3)和价值量(表4)。从表3可知,陕西省退耕还林工程年涵养水源总物质量为22.9亿m3,以宜林荒山荒地造林模式涵养水源的物质量(11.2亿m3)为最多,达到涵养水源总量的48.9%；年固土总物质量为4017.17万t,年固碳总物质量为387.01万t,年释氧总物质量为906.67万t,年提供负离子总物质量为918.16×1022个,年滞尘总物质量为3383.66万t,年吸收TSP物质量为2706.93万t,年吸收PM2.5物质量为135.35万t,年固沙量为5323.86万t。从结果可以看出陕西省退耕还林工程生态效益的物质量相当可观,在不同的评估指标中,以宜林荒山荒地造林模式的物质量最大,并呈现出宜林荒山荒地造林>退耕地还林>封山育林的变化趋势。

表3 3种植被恢复类型的生态效益物质量

从表4可知,陕西省退耕还林工程生态效益总价值量为973.47亿元/a,其中,退耕地还林生态效益价值量为392.12亿元/a,宜林荒山荒地造林生态效益价值量为508.24亿元/a,封山育林生态效益价值量为73.09万元/a。在3种不同的植被恢复类型中,以宜林荒山荒地造林生态效益价值量为最大。

表4 3种植被恢复类型的生态效益价值量

从图2可以看出,在不同植被恢复类型中,以宜林荒山荒地造林生态效益价值量为最大,达到生态效益价值总量的52.21%,其次为退耕地还林,占到退耕还林生态效益总价值的40.28%,最后为封山育林价值,占比为7.51%。

3.2 陕西省退耕还林工程3个林种类型的生态效益

从表5可以看出,陕西省退耕还林工程3个林种类型的生态效益物质量以生态林为最多,经济林次之,灌木林为最少,这与不同林种类型的特性及面积有很大关系。

表5 3个林种类型的生态效益物质量

从表6可以看出,不同林种类型的价值量呈现出生态林(595.68亿元/a)>经济林(216.35亿元/a)>灌木林(161.42亿元/a)的变化趋势,并以生态林的生态效益价值量为最大,占到退耕还林工程生态效益价值总量的61.19%；其次为经济林,占到生态效益总价值量的22.22%；最后为灌木林,占到生态效益总价值量的16.85%。

表6 陕西省退耕还林工程不同林种类型的生态效益价质量

图2 3种植被恢复类型的生态效益价值量比例

图3 陕西省退耕还林工程不同评估指标的生态效益价值量比例

从图3可知,在不同评估指标种,以涵养水源的生态效益价值为最高,占到退耕还林工程生态效益价值总量的28.15%；其次为净化大气环境,占到退耕还林工程生态效益价值总量的20.95%；第三为固碳释氧价值,占到退耕还林工程生态效益价值总量的17.87%,这3种功能的生态效益价值占到退耕还林工程生态效益总价值的66.97%。不同功能的生态效益价值占到退耕还林工程生态效益总价值的排序为涵养水源(28.15%)>净化大气环境(20.95%)>固碳释氧(17.87%)>生物多样性保护(12.76%)>保育土壤(9.16%)>森林防护(8.20%)>林木积累营养物质(2.91%)。

3.3 陕西省退耕还林工程不同区域的生态效益物质量及其价值量

以陕西省不同市级单位为单元,对不同市域的退耕还林工程生态效益进行物质量评价,详细结果见表7。

从图4中可以看出陕西省退耕还林工程不同市级区域的生态效益价值量变化差异性较大,以延安市的生态效益价值量(218.38亿元)为最大,其次为榆林市(177.4亿元),这两个市域的生态效益价值占到陕西省退耕还林工程生态效益总价值量的40.66%。不同市域的生态效益价值量排序为：延安市(218.38亿元)>榆林市(177.4亿元)>安康市(152.41亿元)>汉中市(103.36亿元)>商洛市(79.42亿元)>宝鸡市(67.9亿元)>渭南市(65.57亿元)>咸阳市(57.39亿元)>铜川市(30.39亿元)>西安市(13.09亿元)>韩城市(8.14亿元)。

图4 陕西省退耕还林工程不同区域生态效益价值量柱状图

评估指标Evaluation of indicators西安咸阳渭南铜川宝鸡延安榆林汉中安康商洛韩城总计Total涵养水源/(×108 m3/a)Water storage0.321.191.470.71.314.043.53.74.392.10.1822.9保育土壤固土 /(×104t/a)55.66248.92292.02120.33285.62944.71777.91382.66557.9310.9940.454017.17Soil conserva-tion固氮 /(×104t/a)0.080.360.410.180.391.721.230.580.790.420.076.23固磷 /(×104t/a)0.030.080.190.060.130.330.260.20.360.230.021.89固钾 /(×104t/a)0.874.74.052.094.6519.2215.15.367.53.780.5167.83固定有机质 /(×104t/a)1.195.385.682.595.8620.3813.638.0111.046.020.7680.54固碳释氧固碳 /(×104t/a)5.0924.727.0211.527.3193.1268.9237.954.7433.13.61387.01C fixation and O2 release释氧 /(×104t/a)11.9958.6263.5527.0964.64217156.2390.55129.7778.778.45906.66林木积累营养氮 /(×104t/a)0.130.680.750.30.742.241.680.711.030.730.099.08物质磷 /(×104t/a)0.020.170.080.060.120.450.070.040.070.050.011.14Nutrients accumulation钾 /(×104t/a)0.090.680.440.30.571.770.630.370.50.320.025.69净化大气环境Air quality 提供负氧离子/(×1022个/a)12.518.9161.1132.1578.63234.06110.9495.99126.7577.4669.66918.16purifying吸收污染物 /(×104t/a)0.531.72.030.812.156.126.083.264.832.710.2530.47滞尘 /(×104t/a)42.09166233.1188.06251.95641.17696.41352.71545.06338.2428.853383.65吸滞TSP /(×104t/a)186.4933.6870.45201.56512.94132.8557.12282.16436.05270.5923.092706.93吸滞PM2.5 /(×104t/a)9.321.683.5210.0825.656.6427.8614.121.813.531.16135.34森林防护Forest protec-tion防风固沙 /(×104t/a)253.2971.21254.75419.911967.89333.241298.6-611.0864.5549.35323.86

4 讨论

4.1 陕西省退耕还林工程生态效益以涵养水源、净化大气环境和固碳释氧为主

在陕西省退耕还林工程森林生态系统提供的涵养水源、保育土壤、固碳释氧、净化大气环境、生物多样性保护、林木积累营养物质和森林防护等7项服务功能的价值中,以涵养水源、净化大气环境和固碳释氧价值为主。这与王红霞对河北省退耕还林工程生态效益评估得出的其生态效益主要是涵养水源、固碳释氧[21],及周鸿升对退耕还林工程重点监测省份生态效益评估得出的以涵养水源、生物多样性保护[17]和固碳释氧价值为主和师贺雄对长江、黄河中上游省份退耕还林工程生态系统服务研究得出以涵养水源、固碳释氧生态效益为主[3]的结果相一致。这是因为退耕还林工程实施的主要目的是恢复和改善生态环境,控制水土资源流失,缓解土地的荒漠化,所以,退耕还林工程在树种选择上更加侧重于保水、保土效益较高的植被类型,使得退耕还林工程的涵养水源生态效益价值最高。本研究中净化大气环境的价值排在第二位,这是因为本研究在计算净化大气环境的生态效益时,重点考虑了退耕还林工程吸滞PM2.5的价值。我们知道PM2.5这种可入肺的细颗粒物,以其粒径小,富含有毒物质多,在空气中停留时间长,可距离远输送[22],因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。本研究采用健康危害损失法计算了退耕还林工程营造林部分吸滞PM2.5的价值,由于PM2.5的健康危害损失的费用较高,使得本次对退耕还林工程吸滞PM2.5的评估价值相对较大,进而引起本研究中净化大气环境的生态效益较高。退耕还林工程实施十多年来,大多数新营造林分处于幼龄林或是中龄林阶段,在环境条件适宜的情况下,其生长速度较之于成熟林和过熟林较快[23- 25],能够吸收更多二氧化碳,释放较多的氧气,成为当地及周边地区的天然氧吧,“森林氧吧”也被称为生态文明时代的“金山银山”,其吸收二氧化碳制造氧气以及对人们的呼吸健康起着不可忽视的作用。

4.2 陕西省退耕还林工程以宜林荒山荒地造林模式生态效益为最大

陕西省退耕还林工程按照退耕地还林、宜林荒山荒地造林和封山育林3种模式进行植被恢复,在3种植被恢复类型中以宜林荒山荒地造林模式的生态效益为最大,并呈现出宜林荒山荒地造林模式的生态效益>退耕地还林模式的生态效益>封山育林模式的生态效益的变化规律。退耕地还林是在生产力低下的坡地、坡耕地区域,按照“益林则林,宜草则草”的原则,有组织、有秩序的进行还林还草,使得土地利用方式向良性转变。退耕地还林的坡耕地无论是土层厚度还是地形、土壤条件都比较优越,相对于另外两种植被恢复模式,其生态效益应该更高[26- 27],但本研究得出的结论却是宜林荒山荒地造林的生态效益较高,这是因为截止到2013年,陕西省退耕还林工程的宜林荒山荒地造林模式面积为128.11万hm2,比退耕地还林的101.56万hm2多出26.55万hm2,面积的增加使得宜林荒山荒地造林模式的生态效益相对较高。

4.3 陕西省退耕还林工程以生态林的效益为最大

研究发现陕西省退耕还林工程以生态林生态效益最大,并呈现出生态林>经济林>灌木林的变化规律。生态林是以涵养水源、保持水土等为主要目的而营造的林分,多以防护林和特种用途林为主,在生态环境的改善、维护和完善中发挥着十分重要的作用。退耕还林工程生态林是指在退耕还林工程中,营造以减少水土流失和风沙灾害等生态效益为主的林木,主要包括水土保持林、防风固沙林及竹林等(退耕还林工程生态林和经济林认定标准,2001)。退耕还林工程的实施主要是为了恢复和改善生态环境,控制水土流失,因此在林种类型选择上,更偏向于生态功能质优效良的植被类型,使得生态林的效益占有绝对的优势；其次,在退耕还林工程实施中,根据《退耕还林条例》的第二十三条规定,退耕土地还林营造的生态林面积以县为核算单位,不得低于退耕还林面积的80%,由于这项政策的颁布实施,使得退耕还林中生态林的面积占比相对较大,产生的生态效益也相应的最多。正是基于生态林自身的功能及退耕还林政策的指导,使得陕西省退耕还林工程中生态林的面积最大,生态效益价值最高。

5 结论

本文从涵养水源、保育土壤、固碳释氧、净化大气环境、生物多样性保护、林木积累营养物质和森林防护等7项生态功能对陕西省退耕还林工程生态效益物质量和价值进行了定量评估,主要的结论如下：

(1)陕西省首轮退耕还林工程取得了良好的生态效益,其生态效益价值总量达到了973.47亿元/a。不同评估指标的生态效益价值与总量比值的排序为：涵养水源(28.15%)>净化大气环境(20.95%)>固碳释氧(17.87%)>生物多样性保护(12.76%)>保育土壤(9.16%)>森林防护(8.20%)>林木积累营养物质(2.91%)。可见,该省退耕还林生态主体功能为涵养水源、净化大气环境和固碳释氧,三者价值量之和占到退耕还林工程总价值量的66.97%。保育土壤的价值量占比虽然较低,但退耕还林工程的固土量达到4017.17万t,是水利部2015年公报黄河流域土壤侵蚀量0.82亿t的0.5倍,固土效果显著。

(2)陕西省退耕还林工程3种植被恢复类型,以宜林荒山荒地造林模式的生态效益价值为最大,其次为退耕地还林模式,最后是封山育林模式,因此建议在条件允许的情况下应进一步推广宜林荒山荒地造林模式,并在后续管理中注重提高退耕地还林模式和封山育林模式的生态效益；陕西省退耕还林工程3种不同林种类型中,以生态林的效益价值为最高,其次为经济林,最后是灌木林,生态林的功能定位得到凸显,因此退耕还林工程后续阶段在制定相关生态补偿政策中应该向生态林倾斜。

(3)陕西省退耕还林工程不同市级区域的生态效益空间格局为：延安市(218.38亿元)>榆林市(177.4亿元)>安康市(152.41亿元)>汉中市(103.36亿元)>商洛市(79.42亿元)>宝鸡市(67.9亿元)>渭南市(65.57亿元)>咸阳市(57.39亿元)>铜川市(30.39亿元)>西安市(13.09亿元)>韩城市(8.14亿元)。