黄土高原沿黄红枣经济林的生态效益评价

张 蕾，贺润平，刘焕焕，陈 曦，殷海善

（1.太原师范学院管理系，山西晋中 030619；2.山西农业大学植物保护学院，山西太原 030031；3.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；4.山西农业大学农业经济管理学院，山西太原 030006）

黄土高原是我国水土流失最严重的区域之一，而吕梁山和陕北属于黄土高原的核心区，黄土广布，土层深厚，沟壑纵横；同时在气候上属于半干旱大陆性季风气候，夏季雨量集中，水土侵蚀严重，是我国水土侵蚀模数最高的区域。吕梁山农业发展是生态友好模式，同时具备生态效益和经济效益。1980 年土地承包到户，尤其是自2000 年退耕还林工程开展以来，传统经济林树种红枣作为黄土丘陵区水土流失治理的重要生态工程和贫困山区农民脱贫致富的重要产业基础[1]，在黄河中游两岸的各县大面积发展起来。沿黄红枣生态经济林产业带建设的初衷，是从有生态风险的农作物转变为生态风险小的红枣林，减少水土侵蚀，增加全社会的福利；同时获得经济利益，富裕山区人民，即国家得生态、农民增加收入，生态和经济两全其美[2]。

但是晋陕峡谷沿黄红枣经济林多数为坡耕地。诸多研究表明，坡耕地上发展经济林，普遍存在生态效益不高的问题。大别山区坡式经济林地，由于在建设之初缺乏水土保持措施，水土流失十分严重[3]。南方红壤丘陵区是我国土壤侵蚀较为严重的地区，坡地经济林（柿子）下不除草的减沙效益最明显[4]。在湖北省象鼻嘴小流域内，马尾松天然林模式的蓄水、保土功能最强，经济林+配置地埂植物篱模式在人工植被恢复模式中的蓄水、保土能力比撂荒地模式优，但人工经济林+植物篱模式的水土保持功能比天然林模式还有一定差距[5]。在四川盆地紫色土桃园和盆边山地黄壤茶园的研究表明，与传统耕作除草相比较，不除草试验处理的土壤侵蚀量大幅度降低[6]。四川省大英县的退耕还林（草）的2 种经济林配置模式中，果—草模式的水土保持效果均显著高于果—蔬模式和农耕地[7]。

我国早期对水土流失治理生态效益评价的研究，主要集中在蓄水保土效益评价上，难以体现水土流失生态修复的综合生态效益。随着生态修复治理水土流失理念的提出，以及人们对生态效益内涵的深入理解，生态效益评价指标体系逐渐完善和发展。大量研究分别涉及到土壤环境效益（蓄水保土效益、养分、质地、pH 等）、群落生态效益（生物量和多样性）、大气环境效益（温度、湿度、CO2、O2）等评价指标。近些年所建立的评价指标体系在反映蓄水保土效益的同时，也评价了生态系统结构的合理性和具体的生态机能等。建立健康的流域生态系统是水土流失生态修复的最终目标，生态效益评价指标体系应当反映生态系统长期的“活力”。目前，国际上多数研究将生态系统健康基于植被结构、生物多样性和系统生态过程，从而全面地体现生态修复学会制定的生态系统健康属性[8]。

2012 年以来，晋陕峡谷沿黄红枣经济林产业出现了新情况、吕梁红枣和陕北红枣都出现了价格低、销售难和抛荒多的情况，个别县红枣经济林抛荒比例高达70%以上，黄土高原晋陕黄河两岸红枣经济林的可持续发展问题成为当前的一个基本问题[9]。在经济效益基本丧失的情况下，黄土高原沿黄红枣经济林产业带究竟能产生多少生态效益。基于此，本研究通过分析不同经济林地的生态效益，以期对黄土高原沿黄红枣经济林产业带的生态效益给予全面、科学的评价，旨在为沿黄红枣经济林的发展方向提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原吕梁山西侧的临县，西临黄河，与陕西佳县、吴堡县隔河相望，北靠兴县，南接离石、柳林。地理坐标为北纬37°35′52″～38°14′19″，东经100°39′40″～111°18′02″。研究区属于温带半干旱半湿润区，春冬两季常受蒙古高原干燥风的侵袭，夏秋季多雨而炎热，年平均温度为8～10 ℃，年降雨量在500 mm 左右，且四季分配不均，降雨集中分布在7—9 月，10 月的降雨容易造成红枣裂果；年份最大降水量为年份最小降水量的3.50 倍，降水量年际变化大。

黄土高原沿黄红枣经济林产业区，总面积约13.3 万hm2，地貌类型为黄土丘陵和黄土沟壑丘陵，相对高差较大，水土侵蚀严重。红枣经济林所占耕地多数是坡耕地，25°以上坡耕地比例高，河滩地和梯田数量不多。

1.2 研究方法

1.2.1 植被样方调查 在2018 年8 月，选择外貌、季相、种类、结构等有代表性的地段作为样地，样地坡度均在20°左右，借助生态学方法和手段对相应样地的生态指标进行调查。试验共设置5 块样地，即耕作的红枣经济林（分幼龄和成龄树）、撂荒2～3 a的红枣林、撂荒5 a 以上的红枣林以及40 a 树龄紫金山人工森林。每块样地内设置3 个样方，草本植被样方设为1 m×1 m，林地样方设为10 m×10 m。

在草本样方内，记录样方位置、土地覆被类型、样方内植物的种类、数量和盖度等信息，并收集草本植被的地上生物量，带回实验室在烘箱中80 ℃烘至恒质量（24～48 h），在干燥器中冷却后用万分之一天平称干质量。林地生物量样方需记录样方内出现的全部乔木种，测量样方内所有树木的胸径和高度，依据《中国主要林木生物量模型手册》来估算不同树木的生物量，模型变量是胸径[10]。枣树生物量是在样地内选择平均胸径的枣树作为样树，将样树从根茎处伐倒，烘干分别测定其干、枝、叶质量。

1.2.2 土壤有机质的测定 在每个样地内设置3 个取样点，首先去除土壤表面的凋落物和腐殖质层，用直径为5 cm 的土钻，按0～10、10～20 cm 分层取样，将3 个取样点取得的土壤样品混合放入一个自封袋内，作为一个混合样，带回实验室测定土壤有机质含量。

1.2.3 水土侵蚀量的调查 本研究采用径流场试验法。进行水土侵蚀量的测定。依据实际情况和观测目的，模拟试验样地设置径流场，每个径流场长度为10 m、宽度为4 m，原地貌坡度在20°左右。共设置5 个处理，分别是：清耕作业，模拟管理良好的红枣林（幼龄林）；保护性耕作，树盘除草、行间株间留草，模拟成龄管理红枣林；免耕，模拟撂荒2～3 a红枣经济林；免耕＋人工种植蒿，模拟撂荒5 a 以上红枣林；免耕＋人工种植禾本科植被，通过人工种植早熟禾、黑麦草、高羊茅3 种草，保留野生草本和灌木，模拟人工森林。

1.2.4 TOPSIS 综合评价法 TOPSIS 法相对于德尔菲法、综合指数法等评价方法更为客观，比层次分析法、灰色系统评价法等更为简便。熵权法是一种客观的赋权方法，可以有效利用指标数据，较大程度上排除主观因素的影响。

本研究选取不同经济林的Margalef 丰富度指数（D）、Whittaker 指数（βw）、生物量、植被覆盖度、有机质、水土侵蚀量作为不同经济林生物多样性、植被结构和生态结构的评价指标，将生物多样性、植被结构和生态结构中6 项指标作为生态效益评价的指标。

式中，S 为样地内物种总数；n 为样地内所有物种的个体总数。α 为样地中各样方的平均物种数。

对各项指标数值标准化处理。令Xij为第i 个评价对象的第j 项指标值，i＝1，2…，n；j＝1，2…，m。对于指标值越大，生态效益越高的指标，利用公式（3）处理；对于指标值越小、生态效益越高的指标，利用公式（4）处理。

式中：rij为第i 个评价对象的第j 项指标的标准化数值；Xmin为第j 个指标的最小值；Xmax为第j个指标的最大值。

在n 个评价对象，m 个评价指标的评估问题中，第j 个指标的熵定义如下。

式中，Hj指第j 个指标的熵值；K 为与样本数有关的常数；n 为样地内所有物种的个体总数；fij为第j 项指标下，第i 个评价对象占该指标的比重，当fij＝0 时，令fijlnfij＝0；wj为第j 个指标的熵权，j＝1，2，3…，m，0≤Wj≤1 且w1＋w2＋w3＋…＋wn＝1。

以评价对象的第j 项指标的最大值作为评价对象的最优方案，最小值作为评价对象的最劣方案。评价对象与最优方案的距离用公式（9）计算，评价对象与最劣方案的距离用公式（10）计算，用公式（11）计算评价对象与最优方案的接近程度，Ci值越大表示评价对象的综合评价越高。

式中，Di+为评价对象与最优方案的距离；Di-为评价对象与最劣方案的距离；Ci为评价对象与最优方案的接近程度。

1.3 数据处理

试验数据均采用Microsoft Excel 软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同经济林生物多样性比较分析

表1 黄土高原沿黄红枣生态经济林生态效益评价

依据样方调查结果以及物种多样性测定公式，计算出不同经济林的Margalef 丰富度指数和Whittaker 指数，这2 个指标分别代表物种数目和物种分布沿空间梯度变化的程度。结果显示，Margalef 丰富度指数在撂荒5 a 以上红枣经济林最高，其次是管理状态之下的成龄红枣经济林和人工森林，而撂荒2～3 a 的红枣经济林的丰富度指数比较小，良好管理状态之下的红枣幼龄经济林丰富度指数最低，为0。抛荒2～3 a 与抛荒5 a 以上的红枣经济林物种多样性指数一致，且都高于人工森林的物种多样性指数，管理状态之下的红枣经济林最低，且幼龄红枣经济林的物种多样性要低于成龄红枣经济林（表1）。

2.2 不同经济林植被结构比较分析

在20°坡度上、良好管理状态之下，坡耕地红枣经济林系统的植被覆盖度非常低，幼龄红枣经济林植被覆盖度在10%，而成龄红枣经济林也仅为16%（表1）。抛荒后的红枣经济林植被覆盖度增加较大，撂荒2～3 a 植被覆盖度达到78%，撂荒5 a 以上植被覆盖度为70%，生态防护效果有明显改进，但是仍然要低于森林的植被覆盖度（表1）。总体来说，坡耕地红枣经济林比森林的植被覆盖度要低很多。

作为经济林植被结构的评价指标，生物量在不同经济林之间差异较大。不同经济林间生物量从大到小排序为20°坡地人工森林＞荒2～3 a 的20°红枣经济林＞荒5 a 以上的20°红枣经济林＞20°成龄红枣经济林＞20°幼龄红枣经济林（表1）。总体来看，森林的生物量明显要高于其他经济林类型，坡耕地成龄红枣经济林的生物量，约为人工森林生物量的7.25%；幼龄枣树经济林的生物量，甚至比森林和荒2～3 a 经济林的草本生物量还要小；撂荒红枣经济林的生物量比良好管理状态下的红枣经济林有所提高，荒2～3 a 红枣经济林比耕作的成龄树生物量高约15.05%，荒5 a 以上的红枣经济林比耕作的成龄树生物量高约13.40%，主要是修剪量和草本的生物量；荒2～3 a 红枣经济林的生物量稍高于荒5 a 以上的红枣经济林的生物量。总体来看，良好管理状态之下，坡耕地红枣生态经济林的生物量有限。

2.3 不同经济林生态结构比较分析

人工森林土壤中有机质含量要远远高于其他经济林，有机质含量为12.30 g/kg；幼龄枣树经济林的有机质含量为8.09 g/kg，低于森林，但是高于成龄枣树经济林、荒2～3 a 以及荒5 a 以上红枣经济林；荒5 a 以上红枣经济林有机质含量为4.20 g/kg，高于荒2～3 a 红枣经济林和成龄红枣经济林，而成龄红枣经济林有机质含量稍高于荒2～3 a 红枣经济林（表1）。

有研究显示，不同生态类型间土壤入渗情况不同[11]，所以，不同生态类型间水土侵蚀也有较大差异。从土壤流失的角度看，正常管理的红枣经济林系统土壤侵蚀最严重，幼龄红枣经济林土壤侵蚀量最高，达到144.70 kg/m3，成龄红枣经济林土壤侵蚀量为87.39 kg/m3（表1）；抛荒状态的红枣经济林土壤侵蚀有较大缓解，荒2～3 a 红枣经济林土壤侵蚀量为74.85 kg/m3，而荒5 a 以上红枣经济林土壤侵蚀量为83.80 kg/m3（表1）；人工森林系统的土壤侵蚀基本得到抑制，坡面径流中不含有泥沙（表1）。

2.4 不同经济林生态效益比较分析

为了更加全面、综合地对比分析不同经济林生态效益，对其进行综合评价。本研究选取不同经济林的Margalef 丰富度指数（D）、Whittaker 指数（βw）、生物量、植被覆盖度、有机质、土壤侵蚀量6 项指标作为生态效益评价的指标，基于TOPSIS-熵权原理进行评价。6 项指标在生态效益评价中所占熵值与权重如表2 所示，不同经济林生态效益最终评价结果如表3 所示。

表2 生态效益评价指标的熵值与权重

表3 不同经济林Ci值与生态效益最终排序结果

由表3 可知，不同经济林的生态效益差异较大。从总体上来看，人工森林的生态效益最优，撂荒5 a 以上的红枣经济林和撂荒2～3 a 的红枣经济林次之，耕作的红枣经济林生态效益最低，并且耕作的幼龄树的生态效益要高于耕作的成龄树的生态效益。本研究结果与郑江坤等[12]的研究结果相似。可见，在良好的栽培管理之下，红枣经济林系统的生态效益很弱，抛荒之后红枣经济林系统的生态功能有改进，但是与森林系统的生态功能相比还有较大差距。

3 结论与讨论

黄土高原沿黄红枣生态经济林从生物多样性的角度看，撂荒5 a 红枣经济林的生物多样性最高，其次是撂荒2～3 a 红枣经济林和人工森林，耕作的成龄红枣经济林和幼龄红枣经济林生物多样性最低。黄土丘陵区撂荒演替的各阶段群落种类和成分不一样，生物多样性也会存在差异[13]。撂荒演替的第1 阶段一般在撂荒的1～5 a，主要植被为1 年生的杂草类植被。撂荒5 a 以后，1 年生植被逐渐减少，生活力下降，多年生植被开始占优势，群落种类成分和生物量增多。撂荒15～40 a，不耐旱和竞争能力相对较弱的植物退出群落，植物种类成分降低。从生物多样性的角度看，本研究中撂荒5 a 红枣经济林，处于演替的第2 阶段，群落类型和植被种类成分增多，生物多样性最高；撂荒2～3 a 红枣经济林处于演替第1 阶段，优势种为猪毛蒿，物种比较单一；对于具有40 a 树龄的人工森林，竞争力相对较弱的植物已经退出群落，相对于演替初期生物多样性会有所下降；耕作的红枣经济林由于有除草等人为干扰使得生物多样性最低。

黄土高原沿黄红枣经济林从植被结构和生态结构来看，均是人工森林最优，其次是撂荒的红枣经济林，耕作的红枣经济林最差。5 种经济林的生态效益从大到小排序为人工森林＞撂荒5 a 红枣经济林＞撂荒2～3 a 红枣经济林＞耕作红枣经济林（幼龄树）＞耕作红枣经济林（成龄树）。从整体的生态效益来看，在良好的管理状态下，坡耕地红枣经济林系统的生物多样性低、植被结构和生态结构简单、产沙量多、生态效益有限，难以发挥黄土高原脆弱生态区应有的生态防护功能，撂荒红枣经济林系统的生态效益有所提高，但是距离森林生态系统仍有一定的差距。总体来看，沿黄坡耕地红枣经济林系统的生态效益跟真正的经济林相比还有一定的差距，其原因主要为：（1）种植密度小。在黄土高原丘陵地区，红枣林作为经济林，在技术上要求合理密度为300～450 株/hm2，远低于纯生态林的植株密度。（2）树种单一。多数红枣经济林一般是单一树种，降低了红枣林的生态价值。（3）枝条稀疏。在人工栽培状态下，为保持枣树经济产量，春季修剪，夏季抹芽，控制着枣树的枝条数量，也降低了红枣林的生态价值。（4）土壤耕作频繁。在人工栽培状态下，春季耕地1 次，夏季锄草3～5 次，抑制了枣树林生物多样性的发展，加重了土壤侵蚀，降低了红枣林的生态价值。红枣经济林虽然名为经济林，但依然采用果树的田间管理办法，对土壤精耕细作，对枣树过度修剪，是红枣经济林生态效益低的主要原因。

基于此，提出如下建议：（1）黄土高原生态建设的方向，是生态林建设，不是经济林建设，同时要注重生态修复。从发展方向来看，25°以上甚至15°以上的坡耕地红枣经济林，宜退枣还（生态）林、改枣还（生态）林；根据国土管理分类要求，25°以上坡耕地的利用方向主要为退耕还林，在吕梁山区25°以上耕地上枣园的发展方向是退耕还林，从生态经济林转变为纯生态林，尤其是多年撂荒枣园，宜改造为生态林，提高植被覆盖面积，修复生态环境；在林分改造中，按照生态林的要求重新配置乔木、灌木，提高林地的生物多样性。（2）用保护性耕作制改造25°以下的坡耕地红枣经济林的传统清耕制度。用吕梁山乡土草本植物，等高线种植，覆盖30%～50%以上的红枣林地面，通过刈割手段控制草类生物量，成为拦截土壤侵蚀的植物篱。