陜西省退耕還林工程生態效益評估

劉勝濤,牛 香,2,3,*,王 兵,2,3,宋慶豐,陶玉柱

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,北京 100091 2 國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 3 北京林業果業生態環境功能提升協同創新中心,北京 102206

退耕還林工程是我國涉及面最廣、工序最復雜的生態建設的標志性工程,也是迄今為止世界上最大的生態修復工程[1- 4],是實現合理利用土地資源,增加林草植被覆蓋,維護生態安全,調整農村產業結構,增加農民經濟收入,一舉多贏的戰略性舉措[5- 7]。隨著國家經濟社會的不斷發展變化,退耕還林工作已經由大規模推進轉入成果鞏固階段,準確、全面地評價退耕還林工程所取得的生態效益,能夠為新形勢下退耕還林工程的實施提供依據和指導[1,8]。Wang等對中國岷江上游地區退耕還林工程對當地的影響進行研究,分析了工程的實施對農民收入、生態恢復和政府補貼政策的影響,權衡了三者之間的關系[8]。Feng等人在黃土高原地區對退耕還林工程實施前后區域的凈初級生產力(NPP)和凈初級生態系統生產力(NEP)進行研究,得出正是由于退耕還林工程的實施使得該地區已經從2000年的碳源變成了2008年的碳匯[9]。Long等人利用Arc GIS研究了中國長江中上游地區退耕還林工程對水土流失變化的影響,得出土壤侵蝕最嚴重的地域發生在坡度10°—25°的農業用地上,并指出一定的坡度條件下農田和多季作物對土壤侵蝕量的百分比幾乎相同[10]。Deng等人的研究分析發現,退耕還林工程長期實施顯著增加了土壤碳儲量[11]。

陜西省作為退耕還林工程最早試點的省份之一,是我國實施退耕還林工程生態效益監測的重點地區,對該省退耕還林地生態系統服務功能的評估在全國具有非常典型的代表性。但對該地區退耕還林工程現有的相關研究主要集中在土地利用類型、植被覆蓋度的變化方面[12- 13],以及對退耕還林工程的部分生態效益進行核算[14],缺少對陜西省退耕還林工程所產生的各類生態服務功能的生態效益進行綜合、全面、系統的評估與分析。而對該省退耕還林工程所產生的生態效益的全面評估,尤其是以中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721-2008)[5]和《退耕還林工程生態效益監測評估技術標準與管理規范》(辦退字[2013]16號)[15]為基礎的標準化核算,能夠客觀、全面而系統地量化退耕還林工程實施對當地生態環境改善的影響,同時也可為退耕還林工程投入產出的生態經濟學分析、量化生態補償、區域生態安全評估、綠色GDP核算等方面研究提供基礎性數據支撐,為新一輪退耕還林工程的實施和退耕還林工程森林后續管理提供科學依據和指導。因此,為了更加科學、全面、系統地掌握陜西省退耕還林工程實施的生態效益價值,為新一輪退耕還林工程實施提供支撐,本文采用截止到2013年陜西省退耕還林工程的資源數據,并結合具有參考價值的周邊省份的森林生態系統定位觀測研究站以及部分退耕還林工程生態監測點的觀測數據,依據林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》和《退耕還林工程生態效益監測評估技術標準與管理規范》對陜西省不同植被恢復類型、不同林種類型、不同區域的生態效益進行物質量和價值量評估,研究結果可以全面反映陜西省首輪退耕還林工程(不包括退耕還草)實施所產生的生態效益價值以及不同恢復類型生態效益貢獻率、不同林種林型生態效益差異和不同區域生態效益的空間格局,為新一輪退耕還林工程的科學實施提供理論依據和指導。

1 研究區概況

陜西省位于中國西北地區東部,地處31°42′—39°35′N和105°29′—111°15′E之間,地貌形態差異明顯,北部為風沙高原和黃土高原,南部為陜南秦巴山地,中部為關中平原,全省地勢南北高、中部低,西部高、東部低(圖1)。陜西省屬大陸季風性氣候,各地年平均氣溫在7—16℃；降水由南向北遞減,受山地地形影響比較顯著,陜南年降水量在700 mm以上,關中年降水量在600 mm左右,陜北南部年降水量在600—700 mm,陜北北部年降水量為400—500 mm。全省土地總面積2059.77萬hm2,其中林地面積1236.79萬hm2,占土地總面積的60.05%；森林覆蓋率達到43.06%。喬木林面積707.10萬hm2,占57.17%；竹林面積2.24萬hm2,占0.18%；疏林地面積28.80萬hm2,占2.33%；灌木林面積283.70萬hm2,占22.94%。截止到2013年,陜西省退耕還林工程3種植被恢復類型及3個林種類型的面積見表1[16]。

圖1 研究區地理位置圖

省份Province退耕還林面積Area of Grain for Green Project3種植被恢復類型Three vegetation restoration models3個林種類型Three forest types退耕地還林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生態林Ecological forests經濟林Economic forests灌木林Shrubs陜西Shaanxi245.46101.56128.1115.79132.1960.3552.92

2 研究方法

2.1 陜西省退耕還林工程生態效益評估指標的選取及計算公式

本研究依據中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721-2008)和《退耕還林工程生態效益監測評估技術標準與管理規范》(辦退字[2013]16號),主要從森林生態系統的涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境、生物多樣性保護以及森林防護等7項功能進行評估計算,指標體系及計算公式詳見表2[17- 19]。

表2 陜西省退耕還林工程生態效益評估指標體系及計算公式

2.2 物質量與價值量轉換的公共價格數據源

物質量向價值量轉換過程中用到的參數主要是社會公共價格數據,社會公共數據主要采用我國權威機構公布的社會公共數據[16- 20]。主要數據如下：

①水庫庫容造價參照第八次森林生態系統評估,取值為8.44元/t,城市的居民用水價格的取值為3.07元/t。

②磷酸二銨含N量為14%；磷酸二銨含P量為15.01%；氯化鉀含K量為50%。

③磷酸二銨價格為3300元/t,氯化鉀化肥價格為2800元/t；有機質平均價格為800元/t。

④固碳價格：參照第八次森林生態評估取值為1281元/t。

⑤二氧化硫排污費收費標準為1.85元/kg,氮氧化物排污費收費標準為0.97元/kg,一般性粉塵排污費收費標準為0.23元/kg。

⑥氧氣價格：采用中華人民共和國衛生部網站的氧氣平均價格,1299.07元/t。

⑦負離子價格：負離子價格根據臺州科利達電子有限公司生產的適用范圍30 m2(房間高3m)、功率為6 W、負離子濃度1000000個/cm3、使用壽命為10 a、價格65元/個的KLD-2000型負離子發生器而推斷獲得,其中負離子壽命為10 min,得到得負離子生產費用為9.46元/1018個。

⑧工業粉塵排污收費標準價格為240元/t。

⑨生物多樣性保護價值按照Shannon-Wiener指數的方法進行計算,即：Shannon-Wiener指數<1時,S生為3000元 hm-2a-1；1≤Shannon-Wiener指數<2,S生為5000元 hm-2a-1；2≤Shannon-Wiener指數<3,S生生為10000元 hm-2a-1；3≤Shannon-Wiener指數<4,S生為20000元 hm-2a-1；4≤Shannon-Wiener指數<5,S生為30000元 hm-2a-1；5≤Shannon-Wiener指數<6；S生為40000元 hm-2a-1；Shannon-Wiener 指數≥6時,S生為50000元 hm-2a-1。

3 結果與分析

3.1 陜西省3種植被恢復類型的生態效益核算

應用上述計算公式得出,截止到2013年陜西省不同植被恢復類型的生態效益物質量(表3)和價值量(表4)。從表3可知,陜西省退耕還林工程年涵養水源總物質量為22.9億m3,以宜林荒山荒地造林模式涵養水源的物質量(11.2億m3)為最多,達到涵養水源總量的48.9%；年固土總物質量為4017.17萬t,年固碳總物質量為387.01萬t,年釋氧總物質量為906.67萬t,年提供負離子總物質量為918.16×1022個,年滯塵總物質量為3383.66萬t,年吸收TSP物質量為2706.93萬t,年吸收PM2.5物質量為135.35萬t,年固沙量為5323.86萬t。從結果可以看出陜西省退耕還林工程生態效益的物質量相當可觀,在不同的評估指標中,以宜林荒山荒地造林模式的物質量最大,并呈現出宜林荒山荒地造林>退耕地還林>封山育林的變化趨勢。

表3 3種植被恢復類型的生態效益物質量

從表4可知,陜西省退耕還林工程生態效益總價值量為973.47億元/a,其中,退耕地還林生態效益價值量為392.12億元/a,宜林荒山荒地造林生態效益價值量為508.24億元/a,封山育林生態效益價值量為73.09萬元/a。在3種不同的植被恢復類型中,以宜林荒山荒地造林生態效益價值量為最大。

表4 3種植被恢復類型的生態效益價值量

從圖2可以看出,在不同植被恢復類型中,以宜林荒山荒地造林生態效益價值量為最大,達到生態效益價值總量的52.21%,其次為退耕地還林,占到退耕還林生態效益總價值的40.28%,最后為封山育林價值,占比為7.51%。

3.2 陜西省退耕還林工程3個林種類型的生態效益

從表5可以看出,陜西省退耕還林工程3個林種類型的生態效益物質量以生態林為最多,經濟林次之,灌木林為最少,這與不同林種類型的特性及面積有很大關系。

表5 3個林種類型的生態效益物質量

從表6可以看出,不同林種類型的價值量呈現出生態林(595.68億元/a)>經濟林(216.35億元/a)>灌木林(161.42億元/a)的變化趨勢,并以生態林的生態效益價值量為最大,占到退耕還林工程生態效益價值總量的61.19%；其次為經濟林,占到生態效益總價值量的22.22%；最后為灌木林,占到生態效益總價值量的16.85%。

表6 陜西省退耕還林工程不同林種類型的生態效益價質量

圖2 3種植被恢復類型的生態效益價值量比例

圖3 陜西省退耕還林工程不同評估指標的生態效益價值量比例

從圖3可知,在不同評估指標種,以涵養水源的生態效益價值為最高,占到退耕還林工程生態效益價值總量的28.15%；其次為凈化大氣環境,占到退耕還林工程生態效益價值總量的20.95%；第三為固碳釋氧價值,占到退耕還林工程生態效益價值總量的17.87%,這3種功能的生態效益價值占到退耕還林工程生態效益總價值的66.97%。不同功能的生態效益價值占到退耕還林工程生態效益總價值的排序為涵養水源(28.15%)>凈化大氣環境(20.95%)>固碳釋氧(17.87%)>生物多樣性保護(12.76%)>保育土壤(9.16%)>森林防護(8.20%)>林木積累營養物質(2.91%)。

3.3 陜西省退耕還林工程不同區域的生態效益物質量及其價值量

以陜西省不同市級單位為單元,對不同市域的退耕還林工程生態效益進行物質量評價,詳細結果見表7。

從圖4中可以看出陜西省退耕還林工程不同市級區域的生態效益價值量變化差異性較大,以延安市的生態效益價值量(218.38億元)為最大,其次為榆林市(177.4億元),這兩個市域的生態效益價值占到陜西省退耕還林工程生態效益總價值量的40.66%。不同市域的生態效益價值量排序為：延安市(218.38億元)>榆林市(177.4億元)>安康市(152.41億元)>漢中市(103.36億元)>商洛市(79.42億元)>寶雞市(67.9億元)>渭南市(65.57億元)>咸陽市(57.39億元)>銅川市(30.39億元)>西安市(13.09億元)>韓城市(8.14億元)。

圖4 陜西省退耕還林工程不同區域生態效益價值量柱狀圖

評估指標Evaluation of indicators西安咸陽渭南銅川寶雞延安榆林漢中安康商洛韓城總計Total涵養水源/(×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固鉀 /(×104t/a)0.874.74.052.094.6519.2215.15.367.53.780.5167.83固定有機質 /(×104t/a)1.195.385.682.595.8620.3813.638.0111.046.020.7680.54固碳釋氧固碳 /(×104t/a)5.0924.727.0211.527.3193.1268.9237.954.7433.13.61387.01C fixation and O2 release釋氧 /(×104t/a)11.9958.6263.5527.0964.64217156.2390.55129.7778.778.45906.66林木積累營養氮 /(×104t/a)0.130.680.750.30.742.241.680.711.030.730.099.08物質磷 /(×104t/a)0.020.170.080.060.120.450.070.040.070.050.011.14Nutrients accumulation鉀 /(×104t/a)0.090.680.440.30.571.770.630.370.50.320.025.69凈化大氣環境Air quality 提供負氧離子/(×1022個/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滯塵 /(×104t/a)42.09166233.1188.06251.95641.17696.41352.71545.06338.2428.853383.65吸滯TSP /(×104t/a)186.4933.6870.45201.56512.94132.8557.12282.16436.05270.5923.092706.93吸滯PM2.5 /(×104t/a)9.321.683.5210.0825.656.6427.8614.121.813.531.16135.34森林防護Forest protec-tion防風固沙 /(×104t/a)253.2971.21254.75419.911967.89333.241298.6-611.0864.5549.35323.86

4 討論

4.1 陜西省退耕還林工程生態效益以涵養水源、凈化大氣環境和固碳釋氧為主

在陜西省退耕還林工程森林生態系統提供的涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣環境、生物多樣性保護、林木積累營養物質和森林防護等7項服務功能的價值中,以涵養水源、凈化大氣環境和固碳釋氧價值為主。這與王紅霞對河北省退耕還林工程生態效益評估得出的其生態效益主要是涵養水源、固碳釋氧[21],及周鴻升對退耕還林工程重點監測省份生態效益評估得出的以涵養水源、生物多樣性保護[17]和固碳釋氧價值為主和師賀雄對長江、黃河中上游省份退耕還林工程生態系統服務研究得出以涵養水源、固碳釋氧生態效益為主[3]的結果相一致。這是因為退耕還林工程實施的主要目的是恢復和改善生態環境,控制水土資源流失,緩解土地的荒漠化,所以,退耕還林工程在樹種選擇上更加側重于保水、保土效益較高的植被類型,使得退耕還林工程的涵養水源生態效益價值最高。本研究中凈化大氣環境的價值排在第二位,這是因為本研究在計算凈化大氣環境的生態效益時,重點考慮了退耕還林工程吸滯PM2.5的價值。我們知道PM2.5這種可入肺的細顆粒物,以其粒徑小,富含有毒物質多,在空氣中停留時間長,可距離遠輸送[22],因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。本研究采用健康危害損失法計算了退耕還林工程營造林部分吸滯PM2.5的價值,由于PM2.5的健康危害損失的費用較高,使得本次對退耕還林工程吸滯PM2.5的評估價值相對較大,進而引起本研究中凈化大氣環境的生態效益較高。退耕還林工程實施十多年來,大多數新營造林分處于幼齡林或是中齡林階段,在環境條件適宜的情況下,其生長速度較之于成熟林和過熟林較快[23- 25],能夠吸收更多二氧化碳,釋放較多的氧氣,成為當地及周邊地區的天然氧吧,“森林氧吧”也被稱為生態文明時代的“金山銀山”,其吸收二氧化碳制造氧氣以及對人們的呼吸健康起著不可忽視的作用。

4.2 陜西省退耕還林工程以宜林荒山荒地造林模式生態效益為最大

陜西省退耕還林工程按照退耕地還林、宜林荒山荒地造林和封山育林3種模式進行植被恢復,在3種植被恢復類型中以宜林荒山荒地造林模式的生態效益為最大,并呈現出宜林荒山荒地造林模式的生態效益>退耕地還林模式的生態效益>封山育林模式的生態效益的變化規律。退耕地還林是在生產力低下的坡地、坡耕地區域,按照“益林則林,宜草則草”的原則,有組織、有秩序的進行還林還草,使得土地利用方式向良性轉變。退耕地還林的坡耕地無論是土層厚度還是地形、土壤條件都比較優越,相對于另外兩種植被恢復模式,其生態效益應該更高[26- 27],但本研究得出的結論卻是宜林荒山荒地造林的生態效益較高,這是因為截止到2013年,陜西省退耕還林工程的宜林荒山荒地造林模式面積為128.11萬hm2,比退耕地還林的101.56萬hm2多出26.55萬hm2,面積的增加使得宜林荒山荒地造林模式的生態效益相對較高。

4.3 陜西省退耕還林工程以生態林的效益為最大

研究發現陜西省退耕還林工程以生態林生態效益最大,并呈現出生態林>經濟林>灌木林的變化規律。生態林是以涵養水源、保持水土等為主要目的而營造的林分,多以防護林和特種用途林為主,在生態環境的改善、維護和完善中發揮著十分重要的作用。退耕還林工程生態林是指在退耕還林工程中,營造以減少水土流失和風沙災害等生態效益為主的林木,主要包括水土保持林、防風固沙林及竹林等(退耕還林工程生態林和經濟林認定標準,2001)。退耕還林工程的實施主要是為了恢復和改善生態環境,控制水土流失,因此在林種類型選擇上,更偏向于生態功能質優效良的植被類型,使得生態林的效益占有絕對的優勢；其次,在退耕還林工程實施中,根據《退耕還林條例》的第二十三條規定,退耕土地還林營造的生態林面積以縣為核算單位,不得低于退耕還林面積的80%,由于這項政策的頒布實施,使得退耕還林中生態林的面積占比相對較大,產生的生態效益也相應的最多。正是基于生態林自身的功能及退耕還林政策的指導,使得陜西省退耕還林工程中生態林的面積最大,生態效益價值最高。

5 結論

本文從涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣環境、生物多樣性保護、林木積累營養物質和森林防護等7項生態功能對陜西省退耕還林工程生態效益物質量和價值進行了定量評估,主要的結論如下：

(1)陜西省首輪退耕還林工程取得了良好的生態效益,其生態效益價值總量達到了973.47億元/a。不同評估指標的生態效益價值與總量比值的排序為：涵養水源(28.15%)>凈化大氣環境(20.95%)>固碳釋氧(17.87%)>生物多樣性保護(12.76%)>保育土壤(9.16%)>森林防護(8.20%)>林木積累營養物質(2.91%)。可見,該省退耕還林生態主體功能為涵養水源、凈化大氣環境和固碳釋氧,三者價值量之和占到退耕還林工程總價值量的66.97%。保育土壤的價值量占比雖然較低,但退耕還林工程的固土量達到4017.17萬t,是水利部2015年公報黃河流域土壤侵蝕量0.82億t的0.5倍,固土效果顯著。

(2)陜西省退耕還林工程3種植被恢復類型,以宜林荒山荒地造林模式的生態效益價值為最大,其次為退耕地還林模式,最后是封山育林模式,因此建議在條件允許的情況下應進一步推廣宜林荒山荒地造林模式,并在后續管理中注重提高退耕地還林模式和封山育林模式的生態效益；陜西省退耕還林工程3種不同林種類型中,以生態林的效益價值為最高,其次為經濟林,最后是灌木林,生態林的功能定位得到凸顯,因此退耕還林工程后續階段在制定相關生態補償政策中應該向生態林傾斜。

(3)陜西省退耕還林工程不同市級區域的生態效益空間格局為：延安市(218.38億元)>榆林市(177.4億元)>安康市(152.41億元)>漢中市(103.36億元)>商洛市(79.42億元)>寶雞市(67.9億元)>渭南市(65.57億元)>咸陽市(57.39億元)>銅川市(30.39億元)>西安市(13.09億元)>韓城市(8.14億元)。