果树经济林与水土保持林生态功能服务价值及生态功能量对比分析——以黄土丘陵沟壑区葫芦河流域为例

王 辅，何 倩，韩 芬，张 鹤，赵 强

(平凉市水土保持科学研究所，甘肃 平凉 744000)

长期以来，生态系统服务价值评估成为生态系统研究的热点之一，并且取得了显著成果，使人类越来越认识到维系生态系统良性循环和可持续发展的极端重要性[1]。我国许多学者在借鉴国外理论与方法的基础上，从不同角度和领域开展了对不同类型生态系统服务价值评估的研究工作[1-3]。概括来讲，生态系统服务价值评估的技术路线主要有两个：一是开展区域尺度的生态系统服务价值评估研究，从不同等级不同尺度入手，如全球范围内、国家尺度、省域或者某一城市等，此类研究一般将尺度范围内的多个生态子系统综合起来进行系统性分析和评估；二是从单项生态系统入手，开展更加深入和细化的研究，如专门针对农田、森林、湿地、水体、草地等生态系统进行研究。对于单一森林生态系统的研究，目前主要集中于大尺度天然林和生态林的生态服务价值挖掘，对经济林的研究相对较少，而对于中小尺度范围内特定气候条件下人工栽植的果树经济林的生态服务功能进行专门研究则尚未见报道。同时，目前大多数对生态系统服务价值的研究更侧重于对单纯的服务价值的挖掘，而缺乏对生态系统服务价值相对应的生态功能量的挖掘，很容易将人们的认识转移到经济价值方面而忽视其生态功能的意义和作用。一般意义上认为，果树经济林是在农业用地上栽植的人工林，是农业系统的重要组成部分，主要用于生产鲜果产品，其首要属性属于农业领域，主要作用是调整农业产业结构，发展农村经济，增加农民收入。因此，长期以来人们忽视了果树经济林在一定的栽植周期内仍是具有稳定林分结构的人工林的属性，也忽视了其所隐藏的巨大生态服务价值，自然也忽视了它所产生的巨大生态功能量，而这些生态功能量对于覆盖度较低的黄土高原地区而言，其生态学意义毋庸置疑。特别在黄土高原干旱半干旱生态脆弱地区，挖掘果树经济林生态功能服务价值并分析与其服务价值相对应的巨大生态功能量，解析其在水土保持生态方面的补偿性作用和深层次影响，对协调黄土高原干旱半干旱区经济发展与生态保护、农业与林业、人与自然之间的关系意义重大，很有必要。

1 区域概况

平凉市境内葫芦河流域位于平凉市西部，东西长约102.36 km，南北宽约81.68 km，流域总面积3 701.67 km2，行政上属于静宁县和庄浪县范围。该流域地处西北黄土高原中部的黄土丘陵沟壑区，沟壑密度1.5～2.0 km/km2；属中温带半干旱大陆性气候，多年平均降水量484.7 mm，多年平均径流深50.0 mm，林分生长期(4—10月)多年平均蒸散量196.47 mm，干旱指数1.66；土壤类型主要为黄绵土，厚度10～50 m，质地为重壤或中壤；植被类型为暖温带半干旱森林草原过渡带，天然林分布稀少。近年来通过封山育林、人工造林等措施，全流域有林地总面积达到121 435.83 hm2，流域森林覆盖率达到32.81%。随着区域农村产业结构优化调整，果树经济林得到迅速发展，栽植规模不断扩大，以优质红富士苹果(MaluspumilaMill.)为主要栽植品种。

2 果树经济林与水土保持林的差异性

在林业上，相对于用材林和生态公益林，经济林是以生产干鲜果品、食用油料、饮料、调香料、工业原料和药材等为主要目的的林木，其中果树经济林是以生产鲜果为主要目的的经济林。水土保持林是为防止、减少水土流失而营建的防护林，在调节地表径流、固持土壤和改善局部小气候等方面发挥着重要作用。在黄土丘陵沟壑区，水土保持林主要以小流域为单元分不同地貌进行配置，梁峁顶及梁峁坡配置刺槐、油松、侧柏、华北落叶松、山杏等与沙棘、柠条、紫穗槐等混交林，沟坡及沟底配置新疆杨、小叶杨、旱柳、刺槐等纯林；而果树经济林普遍栽植在河谷川区、小流域沟道沟台地、梁峁坡梯田，多为一定密度均匀分布。因此，从林型和用途来看，二者具有很大的差异性。

3 平凉市境内葫芦河流域2012—2020年果树经济林与水土保持林资源分布

据调查，平凉市境内葫芦河流域2012—2020年水土保持林与果树经济林资源分布见表1。截至2020年底，平凉市境内葫芦河流域果树经济林栽植面积达到107 768.26 hm2，占总土地面积的29.11%，年产量达到134.6万t，实现年产值47.11亿元；水土保持林106 520.00 hm2，占总土地面积的28.78%。

表1 平凉市境内葫芦河流域2012—2020年水土保持林与果树经济林资源分布

4 数据来源

提取相同周期数据，果树经济林基础数据为2012—2020年庄浪县和静宁县的政府报告和统计年鉴数据，水保林基础数据为2012—2020年平凉市水土保持公报数据。价格参数选用国家权威部门发布的社会公共数据及现行市场价。生态功能相关参数数据来源于国内相关森林生态站实测数据及相关文献资料。土壤侵蚀模数来源于平凉市水土保持规划数据，根据土壤侵蚀模数等值线图查得，为避免固土量和保肥量过大或过小，选用中间值。果树经济林林分年净生产力采用典型调查法，通过调查树龄12 a单株年均净生长量确定，水保林林分年净生产力按成林15 a刺槐林参考相关资料确定。固碳价值采用国际通用、国内最普遍采用的瑞典碳税法计算。基于林分密度和乔灌草混交组配结构的影响，水土保持林的平均截流系数加大至18%。果树经济林平均林分高度取3.0 m，水保林平均林分高度取3.5 m。水库库容造价参考本地区近5年新建水库平均造价，取6.8元/m3。居民用水单价参照本地区现行居民用水单价，取6.0元/m3。降尘清理价格采用燃煤炉窑大气污染物排放收费标准，为0.56元/kg。考虑到葫芦河流域虽为国家重点生态功能区、陇东黄土丘陵沟壑水土保持生态功能区、省限制开发区域重点生态功能区，但又不属于国家自然保护区的生态功能定位，在确定生物多样性保护指数等级时，选择与其生态功能相一致的Shannon-Wiener指数等级，本研究中果树经济林选择5级(2≤指数<3)、水土保持林选择4级(3≤指数<4)，其相对应的价值分别按10 000元/hm2和20 000元/hm2进行核算。负离子浓度值参考李印颖等[4]在陕西秦岭以北的黄土高原林地的观测值(4 645个/cm3)。

5 研究方法

依据《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T 38582—2020)，综合运用生态学、经济学理论和水土保持原理，采用现行市场法、影子价格法、机会成本法、瑞典碳税法等方法，结合国内有关生态站现有实测数据，定量分析和定性评估相结合，估算、对比平凉市境内葫芦河流域果树经济林和水土保持林的主要生态功能服务价值和对应的生态功能量。

5.1 涵养水源价值

涵养水源功能主要指生态系统对大气降水的调节作用，根据其监测和评估的特点，可划分为调节水量和净化水质2个指标。

5.1.1 调节水量价值

生态系统调节水量价值根据水库工程的蓄水成本(影子工程法)来确定，其公式为

U调=10C库A(P水-E-C)

(1)

式中：U调为年调节水量价值，元/a；C库为水库库容造价，元/m3；P水为林外年降水量，mm/a；E为林分年蒸散量，mm/a；A为林分面积，hm2；C为林分年地表径流量，mm/a。

5.1.2 净化水质价值

生态系统净化水质价值采用平凉市居民用水平均价格计算，其公式为

U净=10K水A(P水-E-C)

(2)

式中：U净为年净化水质价值，元/a；K水为居民用水平均价格，元/m3；其余字母意义同上。

5.2 保育土壤价值

5.2.1 固土价值

固土价值可根据蓄水成本法，采用减少淤积泥沙的方法进行计算，其公式为

U固=AC库(X2-X1)/ρ

(3)

式中：U固为年固土价值，元/a；X1为林地土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；X2为无林地土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；ρ为泥沙的平均容重，t/m3；其余字母意义同上。

5.2.2 保肥价值

保肥价值公式为

U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+

KC2/R3+MC3)/100

(4)

式中：U肥为年保肥价值，元/a；N、P、K、M分别为土壤氮、磷、钾、有机质的平均含量，%；R1为磷酸二铵含氮量，%；R2为磷酸二铵含磷量，%；R3为氯化钾含钾量，%；C1、C2、C3分别为磷酸二铵、氯化钾和有机质的平均价格，元/t；其余字母意义同上。

5.3 固碳释氧价值

5.3.1 固碳价值

根据光合作用化学方程式，森林植被每积累1 g干物质可以固定1.63 g的CO2、释放1.19 g的O2，而CO2中碳的比例为27.27%，因此森林植被和土壤固碳价值的计算公式为

U碳=AC碳(0.444 5B年+F土壤碳)

(5)

式中：U碳为林分的年固碳价值，元/a；B年为林分的年净生产力，t/(hm2·a)；C碳为固碳价格，元/t；系数0.444 5为1.63与27.27%的乘积；F土壤碳为单位面积森林土壤的年固碳量，t/(hm2·a)；其余字母意义同上。

5.3.2 释氧价值

释氧价值计算公式为

U氧=1.19AC氧B年

(6)

式中：U氧为林分的年释氧价值，元/a；C氧为氧气价格，元/t；其余字母意义同上。

5.4 林木养分固持价值

森林植被在其生长过程中不断地从周围环境中吸收氮、磷、钾等营养物质，并贮存在各器官中。本研究仅选取林木营养物质(氮、磷、钾)积累指标来反映此项功能，其计算式为

U营养=AB年(N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3)

(7)

式中：U营养为年林木养分固持价值，元/a；N营养、P营养、K营养分别为林木的氮、磷、钾含量，%；其余字母意义同上。

5.5 净化大气环境价值

净化大气环境价值采用影子价格法，根据林木面积及林木对环境中有毒有害物质、粉尘、噪声、辐射等的减除能力计算。

5.5.1 吸收二氧化硫价值

森林年吸收二氧化硫总价值(U二氧化硫，元/a)公式为

U二氧化硫=K二氧化硫Q二氧化硫A

(8)

式中：K二氧化硫为二氧化硫的治理费用，元/kg；Q二氧化硫为单位面积林分年吸收二氧化硫量，kg/(hm2·a)；其余字母意义同上。

5.5.2 吸收氟化物价值

森林年吸收氟化物总价值(U氟，元/a)公式为

U氟=K氟化物Q氟化物A

(9)

式中：K氟化物为氟化物的治理费用，元/kg；Q氟化物为单位面积林分年吸收氟化物量，kg/(hm2·a)；其余字母意义同上。

5.5.3 吸收氮氧化物价值

森林年吸收氮氧化物总价值(U氮氧化物，元/a)公式为

U氮氧化物=K氮氧化物Q氮氧化物A

(10)

式中：K氮氧化物为氮氧化物的治理费用，元/kg；Q氮氧化物为单位面积林分年吸收氮氧化物量，kg/(hm2·a)；其余字母意义同上。

5.5.4 滞尘价值

粉尘是大气污染的主要指标之一，树木对大气粉尘、灰尘有明显的阻挡、过滤、吸附和滞留作用。据测定，阔叶林滞尘能力为10.11 t/(hm2·a)，针叶林为33.2 t/(hm2·a)[5]，本研究取阔叶林10.11 t/(hm2·a)进行核算。

森林植被年滞尘价值(U滞尘，元/a)公式为

U滞尘=K滞尘Q滞尘A

(11)

式中：K滞尘为降尘清理费用，元/kg；Q滞尘为单位面积林分年滞尘量，kg/(hm2·a)；其余字母意义同上。

5.5.5 提供负离子价值

林分年提供负离子价值(U负离子，元/a)公式为

U负离子=5.256×1015×AHK负离子(Q负离子-600)/L

(12)

式中：K负离子为负离子生产费用，元/个；Q负离子为林分负离子浓度，个/cm3；L为负离子存留时间，min；H为林分高度，m；其余字母意义同上。

5.6 生物多样性价值

生物多样性指生物及其环境所形成的生态复合体及与此相关的各种生态过程的总和，它是人类社会生存和可持续发展的基础。生物多样性功能价值用物种资源保育价值来评估，其计算公式为

U生=S生A

(13)

式中：U生为林分年物种资源保育价值，元/a；S生为单位面积林分年物种资源保育价值，元/(hm2·a)；其余字母意义同上。

6 结果与分析

(1)计算结果表明，2020年平凉市境内葫芦河流域果树经济林生态功能服务总价值为99.66亿元，其中：涵养水源价值328 622.50万元(其中调节水量价值174 580.70万元，净化水质价值154 041.80万元)，保育土壤价值124 648.63万元(其中固土价值63 440.94万元，保肥价值61 207.69万元)，固碳释氧价值374 427.29万元(其中固碳价值115 886.92万元，释氧价值258 540.37万元)，林木养分固持价值112 983.64万元，净化大气环境价值2 060.56万元(其中吸收二氧化硫价值1 146.44万元、吸收氟化物价值12.49万元、吸收氮氧化物价值40.74万元、滞尘价值61.01万元、提供负氧离子价值799.88万元)，生物多样性价值53 884.13万元。从服务类别看，生态服务中调节服务价值最大，占70.75%，其次为支持服务价值，占23.84%，供给服务价值最小，占5.41%；从服务功能看，固碳释氧功能价值最大，占37.57%，其他依次为涵养水源功能、保育土壤功能、林木养分固持功能、生物多样性功能的价值，分别占32.97%、12.50%、11.34%、5.41%，净化大气环境功能价值最小，仅占0.21%(见表2)。本研究结论与国内其他研究成果基本符合。与同期年产值对照表明，生态功能服务总价值是同期果品年产值的2.1倍。由此可见，果树经济林不仅提供了大量的鲜果产品，创造了巨大的经济和社会效益，而且其潜在的生态系统服务功能和价值更不容忽视。

表2 平凉市境内葫芦河流域果树经济林生态服务功能价值结构

2020年葫芦河流域果树经济林涵养水源量(调节水源量)为25 676.6万m3，固土量21 553.7万t，保肥量22 846.9 t(其中土壤氮、磷、钾和有机质含量分别为1 724.29、3 233.05、1 508.76、16 380.78 t)，固碳量965 724.34 t，释氧量2 585 403.66 t，林木养分固持量93 639.41 t(其中林木氮、磷、钾固持量分别为52 577.117、4 127.955、36 934.338 t)，净化大气环境功能中吸收气体污染物总量为10 381.32 t(其中吸收二氧化硫量9 553.66 t、氟化物量181.05 t、氮氧化物量646.61 t)、降尘量1 089.54 t、提供负离子量1.578 6×1024个，生物多样性指数达到Shannon-Wiener指数5级(2≤指数<3)。

(2)经核算，葫芦河流域水土保持林2020年生态功能服务总价值为106.40亿元，其中：涵养水源价值324 816.12万元(其中调节水量价值172 558.56万元，净化水质价值152 257.56万元)，占30.53%；保育土壤价值123 204.85万元(其中固土价值62 706.11万元、保肥价值60 498.74万元)，占11.58%；固碳释氧价值389 733.06万元(其中固碳价值120 624.13万元、释氧价值269 108.93万元)，占36.63%；林木养分固持价值117 602.16万元，占11.05%；净化大气环境价值2 168.47万元(其中吸收二氧化硫价值1 133.16万元、氟化物价值12.35万元、氮氧化物价值40.26万元，滞尘价值60.31万元，提供负离子价值922.39万元)，占0.20%；生物多样性价值106 520.00万元，占10.01%。

(3)对比2020年果树经济林和水土保持林的生态服务功能价值，在二者面积接近情况下，果树经济林的生态服务功能价值仅比水土保持林少6.74亿元，差别不大。由于二者在林分结构上的差异，水土保持林在提供负离子和物种资源保育方面的服务功能价值大于果树经济林。由此可以看出，果树经济林在创造经济价值的同时，还为区域水土保持和生态环境提供了几乎和生态公益林同样巨大的生态服务功能价值，它既能够调整本地区农业产业结构，贡献数量可观的地方GDP，又能够维持区域生态贡献足够的GEP，具有双重价值贡献。因此，葫芦河流域果树经济林的栽培与管理应该受到足够的重视。

(4)提取水土保持林和果树经济林涵养水源(仅调节水量)、保育土壤两项与水土保持密切相关的功能指标进行对比分析，重点探讨果树经济林相对于水土保持林在水土保持方面的功能作用及大小，结果表明：①涵养水源。2012—2020年期间，水土保持林累计涵养水源总量为173 440.1万m3，果树经济林累计涵养水源总量为192 329.9万m3，相差18 889.8万m3，果树经济林>水土保持林。②保育土壤。水土保持林累计固土总量为145 607.4万t，果树经济林累计固土总量为161 465.9万t，相差15 858.5万t，果树经济林>水土保持林；水土保持林累计保肥总量为154 343.9 t，果树经济林累计保肥总量为171 153.9 t，相差16 810.0 t，果树经济林>水土保持林。具体各年度主要生态功能量对比见表3。

表3 2012—2020年水土保持林与果树经济林主要生态功能量对比

7 结论与讨论

(1)研究结果表明，在黄土丘陵沟壑区果树经济林和水土保持林虽然在林型和用途方面具有很大的差异性，但在保育土壤和林分养分固持方面的支持服务功能价值以及在涵养水源、固碳释氧、净化大气环境方面的调节服务功能价值和在生物多样性方面的供给服务功能价值的贡献方面没有显著差异。可见果树经济林同样具有生态公益林的生态服务功能，对区域水土保持和生态环境具有很大的补偿作用；在黄土丘陵沟壑区，一定规模的果树经济林覆盖，改变了区域土地利用空间格局，使有限的林草植被的连续性和延展性大大增强，有利于本地区物种资源保育和繁衍，维持并增强了本地区的生物多样性，促进人与自然和谐共生。由于植被覆盖对于黄土高原生态脆弱地区生态和防治水土流失的极端重要性，因此在调整产业结构时必须首先考虑果树经济林调整可能带来的生态公益损失。

(2)与同期果树经济林年产值对照表明，其生态服务总价值是同期果品年产值的2.1倍，说明果树经济林在提供大量的鲜果产品的同时，同样具有巨大的生态服务价值，其对当地生态系统生产总值的贡献大于对国内生产总值的贡献。

(3)由于缺乏本地区必要的生态监测数据，同时本研究对果树经济林生态系统没有进行修正，难免会出现人为误差，从而影响研究成果的精度，但这并不改变分析结果的方向性和指向性。