延安市退耕还林工程生态效益评价

杨致远，刘琪璟*，秦立厚，刘丰喆，斯庆毕力格,3

(1.北京林业大学 林学院，北京 100083；2.中国人民大学，北京 100871；3.鄂尔多斯市林业和草原事业发展中心，内蒙古 鄂尔多斯 017010)

退耕还林工程是我国生态造林效果最为显著的工程。目前，全国累计实施退耕还林还草5.15亿亩[1]，在生态恢复上发挥了重要作用。评价退耕还林工程所产生的生态、经济和社会效益是衡量工程实施科学性和合理性的主要途径，也是工程持续发展和保障政策效果的重要依据。已有众多学者就退耕还林工程的生态、经济和社会效益进行了分析，从最初评价指标选取到评价方法的选择再到具体应用，整个过程出现了众多具有参考价值的研究成果。

延安市作为最早一批退耕还林工程实施的地区，曾被评为“全国退耕还林第一市”，对该地区退耕还林工程生态效益评价具有非常典型的代表性。但是目前对于该地区退耕还林地生态系统服务功能的评估多集中于退耕还林前10 a的生态价值。经过20 a的发展，目前延安市退耕还林工程产生的经济效益如何还需进一步评价。准确估算退耕还林工程产生的经济效益可以为评价退耕还林工程对当地生态环境改善的能力、分析退耕还林工程实施过程中投入与产出比、评估区域生态安全、量化生态补偿等提供数据支撑。因此，本研究采用截止到2019年的延安市退耕还林数据，依据《退耕还林工程生态效益监测评估技术标准与管理规范》(LY/T 2573-2016[2]和《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)[3]对延安市退耕还林工程在净化大气环境、涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质等5个生态功能进行物质量和价值量的评估，以期为退耕还林生态效益监测评估提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延安市位于陕西省北部，黄土高原中南部，土地总面积37 029 km2，属于黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区，地势西北高、东南低；在气候上属于温带季风气候，降雨集中于夏季，年均降水量为531 mm，呈现西南高、东北低的趋势，年均蒸发量823.4～995.3 mm。延安市植被分布差异较大，南部地区属典型的天然次生林植被生长较好，而北部森林资源较少，以灌木丛、草丛为主。自1999年退耕还林工程实施以来，延安市累计完成退耕还林面积48.90万hm2，占全国退耕还林总面积的2.1%、陕西省退耕还林总面积的26.7%，森林覆盖率由33.5%提高到52.5%，植被覆盖度由46%提高到81.3%[4]。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源 延安市退耕还林工程统计数据来源于延安市退耕还林办公室，时间跨度为1999-2019年。数据涵盖延安市各县、区、直属林业局年度数据。数据内容涉及退耕还林工程包含的退耕地还林、封山育林、荒山造林3种不同恢复类型年度数据，以及不同林种、不同树种年度数据。其余生态环境监测数据和社会公共数据通过查阅相关文献获取。树种主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、侧柏(Platycladusorientalis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、柠条(Caraganakorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)。

1.2.2 指标选取 依据LY/T 2573-2016选取净化大气环境、涵养水源、保育土壤、林木积累营养物质、固碳释氧等5个功能16个分项评价延安市退耕还林生态效益物质量和价值量(具体指标见1.2.4～1.2.8)。本研究依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)对各项功能进行价值量估算。

1.2.3 生态功能修正系数 由于不同树种不同林龄所发挥的生态效益不同，因此引入生态功能修正系数对不同树种不同林龄林分进行修正[12]。一般来讲林分生物量越大其生态服务功能越强[6]，生态功能修正系数可定义为：F=Be/Bo。由于本研究中所引用的生态环境监测数据大部分来自于退耕还林后能充分发挥生态功能的林地，因此乔木林选择退耕20 a左右的林分生物量作为实测林分生物量，灌木林选择退耕15 a左右的作为实测林分生物量。以5 a为间隔将林分划分为4个龄级(Ⅰ-Ⅳ)，以对不同龄级林分所发挥的生态效益进行校正。主要退耕树种不同龄级生物量(碳储量)见表1[7-10]。

表1 不同树种不同林龄生物量(碳储量)Table 1 Biomass of different tree species and stand age (carbon storage) (t·hm-2)

1.2.4 净化大气环境 净化大气环境主要从滞尘、提供空气负离子、吸收二氧化硫、吸收氟化物、吸收氮氧化物等方面进行评估。

1)滞尘物质量和滞尘产生的生态效益价值量的计算公式：

G滞尘=F×Q滞尘×A/1 000

(1)

U滞尘=C滞尘×G滞尘

(2)

式中：Q滞尘为单位面积林分年滞尘量，我国针叶树种年滞尘能林为3 200 kg·hm-2，阔叶树种滞尘能力为10 110 kg·hm-2[16]，本研究按退耕树种将森林类型划分为针叶和阔叶分别计算[12]；C滞尘为降尘清理费用，本研究取工业粉尘排污收费标准价格240元·t-1对滞尘价值进行计算[12]；A为林分面积/hm2。

2)空气负氧离子物质量和其价值量的计算公式：

G负氧离子=5.256×1015×A×H×Q/L负氧离子

(3)

U负氧离子=5.256×1015×K负氧离子×A×H× (Q负氧离子-600)/L

(4)

式中：Q负氧离子为林分负氧离子浓度，个·cm-3；L为负氧离子寿命，min，乔木林分负氧离子浓度和寿命采用山西省太谷县退耕还林刺槐、山桃、撂荒地的研究结果[14]，乔木林取刺槐林的观测结果，山杏、山桃和其他经济林取山桃林的观测数据，灌木林负氧离子浓度采用北京地区灌木林的监测结果[15]；H为林分高度，m；K负氧离子为负氧离子生产费用，本研究中负氧离子生产费用为9.46元·10-18[12]。

3)吸收二氧化硫、氟化物和氮氧化物的物质量(G)和价值量(U)的计算公式：

G=F×K×Q×A/1 000

(5)

U=K×Q

(6)

式中：K为二氧化硫、氟化物或氮氧化物治理费用，本研究二氧化硫治理费用取1.85元·kg-1，氟化物治理费用为0.69元· kg-1，氮氧化物治理费用为0.97元· kg-1[12];Q为单位面积林分吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物量，根据《中国生物多样性国情研究报告》，阔叶林对二氧化硫、氟化物、氮氧化物量的吸收量分别为88.65，4.7 kg·hm-2·a-1和6 kg·hm-2·a-1。

1.2.5 涵养水源 涵养水源生态效益以调节水量产生的生态效益进行计算。调节水量的物质量和价值量的计算公式：

G调=10×F×A×(P-E-C)

(7)

U调=C库×G调

(8)

式中：G调为调节水量总物质量；U调为调节水量价值量；C库为水库库容造价，水库库容造价参照第8次森林生态系统评估，取值为8.44元·t-1[17]；P为降水量，mm·a-1；E为林分蒸散量，mm·a-1；C为地表径流量，mm·a-1。本研究年平均降水量取李斌等[18]根据延安地区60 a气象资料计算得出的结果531 mm·a-1。张瑜等[19]对黄土高原乔木林和灌木林在丰水年和干旱年的蒸散量进行了观测，本研究取对应林分干旱年和丰水年蒸散量的均值作为退耕还林乔木和灌木的年蒸散量，乔木林蒸散量为 312.1 mm·a-1，灌木林为 264.4 mm·a-1。林分年径流量采用胡有宁[20]的观测结果，乔木林取5.07 mm·a-1，灌木林为4.89 mm·a-1。

1.2.6 保育土壤 保育土壤价的生态价值主要包括固土、保肥2个方面。

1)固土产生的物质量和价值量的计算公式：

G固土=F×A×(X2-X1)/ρ

(9)

U固土=C库×G固土

(10)

式中：G固土、U固土分别为固土物质量和价值量；X1、X2分别为林地土壤侵蚀模数和无林地土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1)；ρ为土壤密度；C库为水库库容造价。

不同林分土壤侵蚀模数采用刘卉芳[22]的研究结果，乔木林为20.58 t·hm-2·a-1，灌木林土壤侵蚀量为4.37 t·hm-2·a-1，无林地(荒草地)土壤侵蚀模数为68.31 t·hm-2·a-1，黄绵土的土壤容重为1.26 t·m-3[21]。

2)保肥包括土壤固氮、固磷、固钾3个方面。

保肥物质量和其价值量的计算公式：

G肥=F×A×(X2-X1)×(N+P+K)

(11)

U肥=A×(X2-X1)×(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3)

(12)

式中：G肥、U肥分别代表保肥物质量和价值量；X1、X2分别为林地土壤侵蚀模数和无林地土壤侵蚀模数，t·hm-2·a-1；N、P、K为土壤中氮、磷、钾含量，土壤氮、磷、钾含量参考胡有宁[20]的研究结果；C1，C2为磷酸二铵和氯化钾的价格，分别为3 300元·t-1和 2 800元·t-1[12]；R1为磷酸二铵含氮量(14%)；R2为磷酸二铵含磷量(15.01%)；R3为磷酸二铵含氮量氯化钾含钾量(50%)。

1.2.7 营养物质积累 树木营养物质积累产生的生态效益价值主要考虑树木积累氮、磷、钾3个方面。树木营养物质积累的物质量和价值量的计算公式：

G营养=F×A×B×(N营养+P营养+K营养)

(13)

U营养=A×B×(N营养C1/R1+P营养C2/R1+K营养C2/R2)

(14)

式中：G营养、U营养分别为积累营养物质物质量和价值量；B为林分净生产力；N营养、P营养、K营养为树木氮、磷、钾含量；R1为磷酸二铵含氮量(14%)；R2为磷酸二铵含磷量(15.01%)；R3为磷酸二铵含氮量氯化钾含钾量(50%)。乔木林分净生产力采用高嵩[23]的监测结果，灌木林采用土小宁等[24]的研究结果。林木氮、磷、钾含量参考胡有宁[20]的汇总结果。

1.2.8 固碳释氧 固碳释氧产生的生态价值包括固碳和释氧2个方面。

1)固碳包括林木固碳和土壤固碳2个方面，固碳物质量和其价值量的计算公式：

G碳=F×A×(1.63R碳×B年+F土壤)

(15)

U碳=C碳×G碳

(16)

式中：G碳、U碳分别代表固碳物质量和价值量，C碳为固碳价格，参照第8次森林生态评估取值为1 281元·t-1[17]；R碳为二氧化碳中的碳含量为27.27%；B年为实测林分年净生产力，不同森林类型林分生产力取值同前文；F土壤为单位面积林分土壤年固碳量，土壤每年的固碳量采用毛琴琴[25]对退耕还林不同森林类型的研究结果，其中乔木林固碳量为0.23 t·hm-2·a-1，灌木林固碳量为0.56 t·hm-2·a-1。

2)林分制造氧气产生的生态价值计算公式为：

U释氧=1.19×F×C氧×A×B

(17)

式中：U释氧释氧价值量；C氧为氧气价格，本研究取1 299.07元·t-1[12]。

2 结果与分析

2.1 延安市退耕还林工程不同恢复类型生态效益价值评估

延安市自1999年退耕还林以来年滞尘总物质量达385.73万t，年提供负氧离子总物质量达120.34×1022个，年调节水量总物质量9.49亿t，年固土总物质量为1 829.95万t，年固碳总物质量110.02万t，年保肥总物质量为37.55万t，年积累营养物质总物质量为4.03万t(表2)。可见退耕还林工程在改善生态环境、提供生态服务方面发挥了巨大的作用。从不同恢复类型上看，退耕地还林在各项生态服务功能上总物质量最大，其次为宜林荒山荒地造林，封山育林总物质量最小。

表2 延安市退耕还林工程不同恢复类型生态效益物质量Table 2 Quality of ecological benefits of different restoration types of the Grain for Green Project

延安市退耕还林工程年生态效益总价值量为173.10亿元(表3)。其中，退耕地还林年生态效益价值量最高为104.67亿元，约占总生态效益价值量的60.47%，宜林荒山荒地造林年生态效益价值量次之，为64.47亿元，约占总生态效益价值量的37.24%。封山育林年生态效益价值量最少，仅为3.96亿元，占总生态效益价值量的2.29%。在不同指标中，以涵养水源产生的生态效益价值量最高，为77亿元，约占总生态效益价值量的44.48%，以积累营养物质产生的经济效益最低，约占总生态价值量的3.38%。对于不同退耕类型年单位面积价值量，以退耕还林生态效益最大，为3.58万元·hm-2，封

表3 延安市退耕还林工程不同恢复类型生态效益价值量Table 3 Ecological benefit value of different restoration types of the Grain for Green Project

山育林最小，为2.75万元·hm-2，宜林荒山荒地造林为3.49万元·hm-2(图1)。

2.2 延安市退耕还林工程不同树种生态效益价值评估

表4为延安市退耕还林工程不同树种生态效益物质量。不同树种的生态效益物质量差异较大，刺槐林产生的物质量最大，油松林产生的最小。产生这种差异的原因与不同树种的特性以及不同树种退耕面积有关。

表4 延安市退耕还林工程不同树种生态效益物质量Table 4 Quality of ecological benefits of different tree species in the Grain for Green Project

延安市退耕还林工程产生的生态效益在不同树种间的差异较大(图2a)。刺槐林年生态效益最大，约为85.50亿元，占总生态价值量的49.77%；沙棘林年生态效益次之，约为44.21亿元，占总生态价值量的25.73%；油松林年生态效益价值最低，仅为2.14亿元，占总生态价值的1.24%。从不同树种单位面积年生态效益上看以刺槐生态效益最大，为3.87万元·hm-2沙棘生态效益最低为2.53万元·hm-2(图2b)。虽然沙棘单位面积年生态效益较小，但由于沙棘造林面积较大使得沙棘总生态效益价值量较大，仅次于刺槐。

2.3 延安市退耕还林生态效益区域分布特点

延安市不同区域的生态效益物质量差异较大，排名靠前的地区主要有吴起县、安塞区、志丹县、子长县、宝塔区，而洛川县、黄龙县、黄陵县则较少。图3为延安市退耕还林工程不同区域生态效益价值量，产生的生态效益价值量在区域分布上差异较大，以吴起县取得的年生态效益价值量最大，达到了34.74亿元，约占延安市退耕还林总生态价值量的20.06%。黄龙县取得的年生态效益价值量最低，仅为0.33亿元。从空间分布来看生态效益较高的区县主要分布在延安市的北部地区如吴起县、安塞县、志丹县、子长县，而生态效益较低的区县主要分布在延安市的南部地区，如黄龙县、洛川县、富县、黄陵县等。造成这种现象的主要原因为延安市北部县区工程涉及范围要大于延安市南部县区[32]，使北部县区退耕还林工程生态效益整体上高于南部地区。

3 结论与讨论

3.1 结论

从净化大气环境、涵养水源、保育土壤、林木积累营养物质和固碳释氧等5项生态功能对延安市20 a来退耕还林工程生态效益物质量和价值量进行了评估。结果表明，延安市退耕还林工程年生态效益总价值量为173.10亿元，在5种生态功能中以涵养水源发挥的生态功能最大，其后依次为固碳释氧、固土保肥、净化大气环境和积累营养物质。不同植被恢复类型以退耕地还林取得的生态效益最大，封山育林取得的价值量最少。不同树种的生态效益以刺槐林最大。延安市退耕还林工程生态效益在空间分布上具有一定的差异性，表现为北多南少的空间分布特征。县区级水平上的空间特征由大到小具体表现为：吴起县、志丹县、宝塔区、子长县、延川县、安塞县、延长县、宜川县、黄陵县、富县、甘泉县、市直局、洛川县、黄龙县。

3.2 讨论

自退耕还林以来，延安市取得了巨大的生态价值，表明退耕还林工程在生态恢复上发挥了巨大作用，显著改善了当地生态环境。我国西部地区尤其是黄土高原地区由于其独特的土壤特性，容易发生土壤侵蚀、水土流失问题，对土地土壤肥力保持、河流泥沙淤积有重要影响。本研究发现在净化大气环境、涵养水源、固土保肥、林木积累营养物质、固碳释氧等5个服务功能中，延安市退耕还林工程产生的生态价值量以涵养水源、固土保肥2个生态服务功能为主，这与王红霞等[26]对湖北省退耕还林生态效益研究、贺师雄[27]对黄河长江中上游省份退耕还林生态效益研究、赖亚飞等[29]对黄土高原丘陵沟壑区退耕还林(草)工程实施综合效益评价的结果相一致。此结果也与退耕还林以恢复和改善生态环境，减少水土流失的主要目的相一致。说明随着退耕还林工程的进行，工程区生态环境得到改善，植被盖度不断提高，在减少水土流失，增加植被生产力上成效显著。

研究还发现，在不同修复模式上以退耕地还林产生的生态价值量最大，而封山育林模式产生的生态价值量最小。这与张巧红等[28]对富县退耕还林生态效益评价、张晓梅等[30]对陕西省退耕还林生态效益评价的研究结果相一致。但与王红霞等[26]对河北省退耕还林生态效益研究得出的宜林荒山荒地造林模式生态效益最大的结果不同。这主要是由于不同地区在3种植被恢复方式上有较大的差异。截至2019年，延安市退耕还林工程中退耕地还林面积已达到44.17万hm2，远大于宜林荒山荒地造林面积的26.02万hm2，面积上的差距使得延安市退耕地还林模式在生态效益上表现突出。由生态效益计算公式可知，造林面积是影响退耕还林生态效益的主要因子。另外从不同恢复模式单位面积年生态效益价值量上看，不同恢复模式在单位面积生态效益价值量上也存在一定的差异，这也是造成总价值量产生差异的一个原因。

研究发现，不同树种的生态效益物质量和价值量相差较大，尤其以刺槐林和沙棘林产生的生态效益最突出。此结果主要与树种特性和树种退耕面积有关，而树种面积在本研究中占有重要原因。陕西省作为我国最早一批退耕还林的省份，在造林过程中缺乏科学的指导，未能科学地选择树种、遵循适地适树的原则，造成了造林树种单一、树种结构配置不合理等问题[31]。在工程实施过程中使得沙棘和刺槐造林面积过大，而对于乡土树种如山桃、核桃、油松、侧柏等的选择较少。从树种特性来讲，不同树种的生理、形态特征决定了其发挥生态效益的大小，造成了不同树种单位面积生态效益不同。例如，刺槐在所有树种中生态效益最高，加上其面积较大使得总生态效益最大，虽然沙棘单位面积生态效益最低，但是由于其造林面积大使得其总生态效益较大。

由于缺乏退耕还林造林地环境监测数据，本研究只能通过查阅文献的方法来获取相关数据，这也是相关研究中常用的方法，不可否认的是这种方法会对估算结果产生一定影响，但是本研究所引用的数据基本是研究区或黄土高原退耕还林地的实地监测或调查数据，这有利于进一步提高本研究的估算精度。