科爾沁沙地東南緣不同生態恢復模式下生態系統服務經濟價值估算

袁吉有，段昌群，歐陽志云，鄭華，徐衛華

1. 云南大學生態學與環境學院暨云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室，云南 昆明 650091；2. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京100085

荒漠化是指包括氣候變異和人類活動在內的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區的土地退化（UNEP，1992）。中國是荒漠化分布大國，2000年沙漠化土地遙感監測數據顯示，中國國潛在和輕度沙漠化土地面積有13.93×104km2，中度沙漠化土地9.977×104km2，重度沙漠化土地7.909×104km2，嚴重沙漠化土地 6.756×104km2（王濤等，2004）。如何使退化的沙地生態系統得以逆轉，并恢復其生態系統服務功能是退化生態系統重建亟需解決的重點問題。在這種情況下，植被恢復與重建被認為是遏制沙化過程的有效措施，并得到廣泛應用（范寧寧等，2014；高吉喜等，2015）。中國自 20世紀 50年代就開展了大規模的生態恢復工程，如三北防護林工程（Li et al.，2012）、京津風沙源治理工程（Wu et al.，2013）、天然林保護工程和退耕還林工程（Jia et al.，2014；Liu et al.，2014）。植被作為生態系統服務產生和傳遞的基礎，其恢復勢必對區域生態服務產生重要影響（張琨等，2017）。針對沙地植被恢復與重建對生態系統的影響，不同的學者從恢復特定物種、植被恢復模式生態效益、物種多樣性恢復、土壤改良效應以及防風固沙等方面進行了大量的研究，得出了一些有益結果（張繼義等，2004；蔣德明等，2008；左小安等，2009；譚希彬等，2011；張林濤等，2015），但生態恢復的最終目標是使退化生態系統得到恢復并維持生態系統的服務功能，同時希望恢復后的生態系統盡量具有有機質的合成與生產、生物多樣性的生產與維持、調節氣候、營養物質貯存與循環、土壤肥力的更新與維持等功能（Daily，1995；彭少麟，1996；Daily，1997；歐陽志云等，1999a）。然而，由于過去的生態恢復工程基本以生態問題為導向，未將生態系統服務功能作為生態恢復的主要目標（高吉喜等，2015），導致有關生態系統功能和生態系統服務恢復的研究仍較少，尚有待深化研究。

對恢復后生態系統服務價值的評估研究是進行綠色 GDP核算、生態補償機制研究及生態建設的重要基礎（Costanza et al.，1997；曾廣權等，2005；馮朝陽等，2009），估算生態系統服務價值的變化已成為評估生態恢復工程效益的主流方法（楊光梅等，2006；Daily et al.，2009；馬鳳嬌等，2013）。科爾沁沙地是中國北方典型的農牧交錯地區，也是中國主要的沙地之一，主要分布在內蒙古東部的赤峰和通遼地區（趙哈林，2003；譚希彬等，2011），但由于人口超載、過度放牧與開墾、亂墾濫伐，地表疏松、氣候異常和經濟貧困與教育落后，導致了土地沙質荒漠化，植被類型和群落結構退化，特別是生態服務功能不斷衰退，解決這些問題在于進行生態恢復與建設，而恢復后的生態系統是否具有價值，以及價值的來源如何，需在對其生態服務經濟價值進行估算的基礎才有答案。

本研究以科爾沁沙地東南緣農牧交錯區退化草地為研究對象，試圖利用生態系統服務經濟價值對退化草地4種典型生態恢復技術與效果進行定量評價，以期為該區生態恢復途徑和關鍵技術提供合理的科學依據和技術措施，開發適宜的退化草地植被恢復模式。

1 試驗設計與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區通遼市科左后旗甘旗卡鎮境內，地理坐標為北緯 42°52′，東經 122°55′，海拔246 m，處于典型的北溫帶半干旱風沙地區，屬于溫帶半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區。年平均氣溫為 3～7 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為-12.6～-16.2 ℃，最熱月（7月）平均氣溫為20.3～23.9 ℃，≥10 ℃積溫為 2200～3200 ℃。無霜期為140～160 d。年均降水量為343～500 mm，其中70%集中于夏季，春季相當干燥，在大部分地區降雨量幾乎為零；年蒸發量為1500～2500 mm，多年平均濕潤度為 0.3～0.5，干燥系數為 1.0～1.8。年平均風速為 3.4～4.4 m?s-1，春季平均風速為 4.2～5.9 m?s-1；每年≥5 m?s-1起沙風日出現 210～310 d，甚至可達 330 d；每年≥17.2 m?s-1大風日數為 25～40 d，其中沙暴天氣有 10～15 d，主要出現于春季。太陽輻射總量為 5200～5400 MJ?m-2，平均氣溫在 10 ℃以上太陽輻射總量為 2800 MJ?m-2，全年日照時數為2900～3100 h，一年中5月份日照時數最多，12月最少。土壤類型主要為風沙土和草甸土。植被類型為固定沙地、半固定沙地或流動沙地植被類型，以沙生植物為主，組成成分主要為內蒙古植物區系、部分為華北植物區系。本區草炭資源和生態系統類型豐富多樣，有天然珍稀闊葉林，各種類型人工林、灌木林、草地、濕地、農田等生態系統。

1.2 試驗設計

試驗地設在中國科學院沈陽應用生態研究所大青溝沙地生態實驗站（北緯 42°58′，東經 122°21′）內，根據退化生態系統綜合整治模式與技術類型，選擇具有相同恢復年限的稀疏樟子松（Pinus sylvestris）退化草地治理模式（MG）、稀疏榆樹（Ulmus pumila）退化草地治理模式（UG）、四周營造防護林（北京楊Populus×beijingensis）的退化純草地治理模式（FG）和未采取任何措施的撂荒草地治理模式（CK）進行研究，分別以樟子松疏林草地、榆樹疏林草地、防護林圍純草地和撂荒草地命名樣地。于 1992年采用單因素隨機試驗設計進行生態恢復試驗，隨后無任何人為管理措施。

1.3 采樣與樣品測試

本研究于每種恢復方式樣地中設置 4～5塊樣地，每塊樣地面積為0.07 hm2，隨機選取其中的3塊進行采樣。采用植物生態學中常用的取樣方法，于所選取的每塊樣地中隨機布設1個10 m×10 m的大樣方，測定該樣方中的喬木株數，采用多株混合方式采集該樣方中喬木葉片、枝、干、根，采用相對生長法和標準木解析法測定喬木生物量。在大樣方中隨機布設5個1 m×1 m小樣方，調查物種種類、株數、蓋度、高度，評價生態系統的生物多樣性，然后將樣方中的植株分為地上部分、凋落物和地下部分，并收獲全部植株以測定草本生物量。土壤樣品于 10 m×10 m大樣方中采用多點混合的方式采集，土壤取土深度為100 cm，土層分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm，共計204個樣品，采集的樣品裝于自封袋中運回實驗室。植物、凋落物樣品分別烘至恒重（80 ℃），土壤樣品風干。植物葉片、枝、干、根、凋落物，草本植物地上部分、地下部分和土壤全N、全C采用元素分析儀（Vario EL III）測定，全P采用鉬銻抗比色法測定，全K采用火焰分光光度計法測定。

1.4 生態系統服務經濟價值估算方法

計算生態系統的生物多樣性、生物量，N、P、K積累量和 C儲存量。其中，生態系統生物量包括喬木生物量、草本生物量、現有凋落物生物量，草本分為地上部分和地下部分；生態系統N、P、K以及 C積累量包括喬木積累量、草本積累量、凋落物積累量以及土壤積累量。采用市場價值法、替代市場法、碳稅法、影子價格法、機會成本法、影子工程法等估算生態系統服務的經濟價值，計算方法如下：

1.4.1 有機質生產的價值估算

生態系統有機質生產的價值評估方法是根據中國生物多樣性直接價值評估的 9倍加以推算的（歐陽志云等，1999b）。

1.4.2 土壤保持功能的價值估算

生態系統土壤保持功能經濟價值的評估，首先是土壤保持量的計算，而土壤保持量的計算一般通過土壤潛在侵蝕量與現實侵蝕量之差獲得。根據閔慶文等（2004）對內蒙古典型草原生態系統服務功能價值評估研究的結果，估算4種生態恢復模式下土壤年均保持量，然后運用影子價格法、機會成本法和影子工程法從保護土壤肥力、減少土地廢棄和減少泥沙淤積災害3個方面評價生態系統土壤保持經濟效益。其中，保護土壤肥力經濟效益通過土壤中氮、磷、鉀含量計算，化肥平均價格取值為2549 yuan?t-1。減少土地廢棄價值估算：表層土壤平均厚度取值為 0.5 m，牧業生產的平均收益為 245.50 yuan?hm-2?a-1。減少泥沙淤積價值估算：按照中國主要流域的泥沙運動規律，全國土壤侵蝕流失的泥沙有24%淤積于水庫、江河、湖泊，本研究根據蓄水成本來計算生態系統減輕泥沙淤積災害的經濟效益，水庫蓄水成本取0.67 yuan?m-3。

1.4.3 營養物質循環的價值估算

以生態系統的生物量為基礎，計算生態系統營養元素氮、磷、鉀的年吸收量和總儲量，并以中國化肥平均價格 2549 yuan?t-1作為價格影子，估算 4種生態恢復模式下每年每公頃氮、磷、鉀營養元素積累的價值（歐陽志云等，1999b；閔慶文等，2004）。

1.4.4 碳貯存的價值估算

采用市場價值法計算生態系統碳貯存的價值，以瑞典碳稅150 dollar?t-1作為計算價格（魯春霞等，2004）。

1.5 數據處理與分析

采用單因素方差分析數據統計進行，采用LSD（Least-Significant Difference）多重比較方法進行均值比較。所有數據均在Excel和SPSS 21.0中進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同恢復模式下生態系統有機質生產的價值估算

不同生態恢復模式下有機生產價值見表 1。由表1可知，與撂荒草地相比，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地均有較高的有機質生產價值，增幅分別為1.81%、1.32%和1.30%，其中防護林圍草地有機質生產價值（229.60 yuan?hm-2?a-1）顯著高于樟子松疏林草地（180.62 yuan?hm-2?a-1）和榆樹疏林草地（178.74 yuan?hm-2?a-1），而兩種疏林草地有機質生產價值無顯著差異。

2.2 不同恢復模式下土壤保持的價值估算

生態系統保護土壤機制主要是通過減少表土損失量、保護土壤肥力、減輕泥沙淤積、減少風沙災害等4個相互聯系的生態過程實現其經濟價值。不同生態恢復模式土壤保持功能價值見表 2。由表2可知，4種生態恢復模式保護土壤肥力價值的排序為 FG（978.08 yuan?hm-2?a-1）＞UG（ 922.15 yuan?hm-2?a-1） ＞MG（842.56 yuan?hm-2?a-1） ＞CK（236.48 yuan?hm-2?a-1），減少土地廢棄價值以及減輕泥沙淤積價值與保護土壤肥力價值的變化趨勢一致，其中土壤肥力增幅范圍為6.06%～7.42%，減少土地廢棄價值增幅范圍為0.04%～0.09%，減輕泥沙淤積價值增幅為0.15%～0.27%。與撂荒草地相比較，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地均有較高的土壤保持價值，其中防護林圍草地土壤保持功能最高，為 1036.75 yuan?hm-2?a-1，增幅為7.77%，其次分別是榆樹疏林草地（966.91 yuan?hm-2?a-1，增幅為 6.25%）和樟子松疏林草地（885.02 yuan?hm-2?a-1，增幅為 7.08%）。

表1 不同恢復模式有機質生產價值Table 1 Value of biomass production by different restoration approaches yuan?hm-2?a-1

表2 不同恢復模式土壤保持價值Table 2 Value of soil conservation by different restoration approaches yuan?hm-2?a-1

2.3 不同恢復模式下營養物質循環的價值估算

由表3可知，4種生態恢復模式下N營養元素積累的價值排序為 FG（51.10 yuan?hm-2?a-1）＞UG（43.69 yuan?hm-2?a-1）＞MG（38.18 yuan?hm-2?a-1）＞CK（4.48 yuan?hm-2?a-1），與撂荒草地相比，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草N營養元素積累價值的增幅分別為0.47%、0.34%和0.39%；4種生態恢復模式下K營養元素積累的價值與N營養元素積累價值的變化趨勢一致，3種人工恢復方式K積累價值增幅范圍為0.32%～0.63%；4種生態恢復模式下 P營養元素積累的價值排序為 FG（8.44 yuan?hm-2?a-1）＞MG（3.50 yuan?hm-2?a-1）＞UG（3.28 yuan?hm-2?a-1）＞CK（0.75 yuan?hm-2?a-1），與撂荒草地相比較， 防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草 P營養元素積累價值的增幅分別為0.08%、0.03%和0.03%。與撂荒草地相比，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地均有較高的生態系統營養物質積累價值，其中防護林圍草地營養元素積累價值最高，為 125.93 yuan?hm-2?a-1，增幅為 1.17%，其次分別是榆樹疏林草地（84.66 yuan?hm-2?a-1，增幅為 0.76%）和樟子松疏林草地（77.04 yuan?hm-2?a-1，增幅為 0.69%）。

2.4 不同恢復模式下生態系統碳貯存的價值估算

生態系統的總碳貯存量由植物、枯落物和土壤構成。由表4可知，與撂荒草地相比，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地均有較高的生態系統碳貯存價值，增幅分別為 51.42%、50.55%和43.65%。3種草地生態系統碳貯存價值之間有顯著差異，其中防護林圍草地的生態系統碳貯存價值最高，為 6717.50 yuan?hm-2?a-1，其次分別是樟子松疏林草地（6631.84 yuan?hm-2?a-1）和榆樹疏林草地（5914.34 yuan?hm-2?a-1）。

2.5 不同恢復模式下四項服務總價值估算

不同生態恢復模式下有機質生產、保持土壤、營養物質積累、碳貯存四項生態系統服務的總價值分別是：防護林圍草地 8109.78 yuan?hm-2?a-1，樟子松疏林草地 7774.52 yuan?hm-2?a-1，榆樹疏林草地7171.65 yuan?hm-2?a-1， 撂 荒 草 地 1893.46 yuan?hm-2?a-1，由圖1可知，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地生態系統服務功能價值均顯著高于撂荒草地（P＜0.05）。與撂荒地相比，防護林圍草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地生態系統服務經濟價值增幅分別為 62.16%、58.81%和52.78%。

圖1 不同恢復模式生態系統服務價值Fig. 1 Ecosystem service value of different grassland restoration model

表3 不同恢復模式下營養物質積累價值Table 3 Value of nutrient accumulation by different restoration approaches yuan?hm-2?a-1

表4 不同恢復模式下生態系統碳貯存服務價值Table 4 Value of ecosystem carbon storage by different restoration approaches yuan?hm-2?a-1

不同生態恢復模式下四項服務價值占其總服務價值的范圍分別是：有機質生產價值 2.32%～2.83%，保持土壤價值 11.38%～12.78%，營養物質積累 0.45%～1.55%，生態系統碳貯存 82.30%～83.28%。由此可知，保持土壤和生態系統碳貯存服務價值是4種生態恢復模式生態系統服務功能的主要部分。

3 討論

全球變化與不合理的社會經濟活動引起草地生態系統沙質荒漠化，沙化導致草地生態功能整體退化甚至喪失，如王樹力等（2008）研究了土地荒漠化對生態系統服務價值的影響，結果表明，土地荒漠化使赤峰市生態系統服務價值總量每年減少79.9241億元。為此，中國自20世紀50年代批準和實施了大批生態恢復工程，關于生態恢復對生態系統服務的影響，有學者發現人工林營造前后的生態系統服務價值相差3～6倍（楊柳春等，2003；趙凌美等，2012）。Liu et al.（2008）評估中國生態恢復工程對生態系統服務在生態社會經濟方面的影響，結果顯示，張家界在實施退耕還林項目4年后，生態系統服務經濟價值為428萬元，是實施前當地直接收入的 11倍。張華等（2007）研究了科爾沁沙地生態系統服務價值的變化，得出由于大面積沙荒地得到有效治理，科爾沁沙地生態系統服務價值從 1995年的 1463.67億元增加到 2000年的1467.36，凈增加值為 3.69億元，增幅為 0.25%。于憶東（2009）對內蒙古自治區京津風沙源治理工程區林業項目生態系統服務功能價值進行評估，發現防風固沙林保護改良沙化土地效益值增加18242.96萬元，保持水土效益值增加127077.85萬元，固碳和供氧的價值為1.58億元。Dodds et al.（2008）對美國本土生態恢復效果的評估表明，實施恢復措施 10年間生態系統服務提高幅度在31%～93%之間。Rey Benayas et al.（2009）運用META分析研究了全球89個生態恢復案例，結果顯示生態恢復與生態系統服務價值呈正相關關系，恢復措施能促使生態系統服務價值恢復 25%。高新中等（2010）研究發現京津風沙源治理工程總計可為山西省產生 2.338×109yuan?a-1的生態系統服務價值。

本研究對科爾沁沙地4種典型植被恢復方式的生態系統服務功能經濟價值進行了估算，也得出相似的結果，4種不同生態恢復模式下營養元素積累價值（8.5～125.93 yuan?hm-2?a-1）為四項生態系統服務價值中變化最小的一項，增幅為1.17%～0.69%，其中N營養元素平均增幅為0.4%，P營養元素增幅最小，可能是由于人工純林的營造導致N營養元素增加，而P營養元素變化主要受生物地球化學循環的影響。土壤保持價值（259.31～1036.75 yuan?hm-2?a-1）以及生態系統碳貯存價值（1576.80～6717.50 yuan?hm-2?a-1）兩項生態系統服務功能的間接價值高于有機質生產等生態系統服務功能的直接價值。這一結果表明，草地周圍營造防護林和種植稀疏純林可有效降低草本層風速，進而減少土壤風蝕，有利于植被與土壤的演化，從而增加生態系統生物量與碳的貯存。同時也表明，生態系統服務功能的間接價值雖不表現在國家的核算體制上，但它們的價值可能遠遠超過直接價值，而直接價值常常源于間接價值。與撂荒地相比，防護林純草地、樟子松疏林草地、榆樹疏林草地均有較高的生態系統服務價值，其中防護林圍草地生態系統服務價值增幅最大（62.16%），這可能是由于北京楊生物量較高。

本研究中，由于受到現有科學技術水平、計量方法和研究手段等因素的限制，未對保護生物多樣性、涵養水源以及娛樂與文化等價值進行估算，研究結果仍是不完全的估算。另外本研究以閔慶文等研究結果估算 4種不同生態恢復模式下土壤保持量，估算方法存在一定缺陷，有待通過實際觀測進一步提高估算結果的可靠性和準確性。同樣，基于生態系統服務價值變化的靜態比較顯然不符合市場經濟的經濟規律，造成評估結果與社會經濟生活脫節，及時調整生態系統服務價值評估的相關參數，生態恢復工程的效益分析才具有經濟上的時效性（魏圓云等，2015）。盡管如此，本研究結果讓我們認識到中國在退化草地實施的一系列生態建設項目與工程，制定的退化生態系統綜合治理對策與技術在區域生命支持系統中所起的重要作用。

本研究中3種恢復模式的特點在于利用高大喬木樹種營造純林鑲嵌景觀，其結構不同于森林結構的復雜性，也不同于草原結構的單一性，這類群落結構具有良好的防風功能，有效降低了草本層的風速，進而減少土壤風蝕，保護和提高了土壤肥力，改善了沙地土壤質量，支撐了植被的生長，是適合有效水分及土壤有效營養元素相對不足的半干旱區沙地的植被恢復模式。

4 結論

在中國科爾沁沙地東南緣，中度沙化草地通過營造防護林，稀疏植樹的植被恢復模式顯著提升了生態系統服務價值，防護林圍草地生態系統服務經濟價值最高，3種植被恢復模式平均增幅為57.92%。不同樹種導致了三類植被恢復模式有機質生產、土壤保持、營養物質循環和生態系統碳貯存生態系統服務價值有所不同。土壤保持價值和生態系統碳貯存價值兩項生態系統服務的間接價值高于生態系統有機質生產的直接價值。本研究結果顯示3種植被恢復模式利用高大喬木營造純林鑲嵌景觀，能有效降低草本層風速，保護和增加土壤肥力，顯著恢復了沙地植被，是較適合于科爾沁東南緣降水不足和土壤有效營養元素缺乏的植被恢復模式。

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