乾安縣鹽堿地改良項目的生態效益評估

馬文鼎， 趙永敢， 王淑娟

(清華大學 能源與動力工程系/北京市鹽堿及荒漠化地區生態修復與固碳工程技術研究中心，北京 100084)

0 引言

【研究意義】目前，我國擁有鹽堿化耕地約0.36億 hm2，其中具有利用潛力的鹽堿地與鹽堿化障礙耕地約 0.12億 hm2[1]。加之我國耕地減少問題日益嚴重，將原本荒蕪的鹽堿地改良為農田是一種切實可行的辦法，既可以改善當地的生態環境，也可以在一定程度上緩解耕地減少對我國城市化發展進程的制約。農田作為一種人類構建的生態系統，與人類的生活關聯緊密。相比于農田生態系統帶來的經濟效益，人們對其創造的生態效益關注程度不夠，通過對生態系統服務價值的計算可以量化生態效益。因此，研究將鹽堿地改良為農田所帶來的生態效益具有重要的現實意義。【前人研究進展】COSTANZA等[2]將全球自然生態系統的生態服務功能大致劃分成為氣體/大氣凈化、氣候調節、水源涵養、土壤保護等17大類，并建立了一套將生態系統服務功能通過支付意愿的方法量化為貨幣的評價體系。該體系初步建立了生態系統服務功能和貨幣間溝通的橋梁，但該方法不適用于小區域生態系統服務功能價值的量化。王方[3]采用影子工程法、直接市場法等方法評價祁連山自然保護區生態系統的服務功能價值認為，該保護區生態系統的主要服務功能是涵養水源和凈化空氣。潘華等[4]評價云南森林生態系統的服務功能價值結果表明，固碳釋氧、物種保護和涵養水源是云南森林生態系統最主要的服務功能。穆松林等[5]對位于內蒙古的草原生態系統服務價值的評價結果顯示，其生態系統每年的服務價值量與全區的GDP總量相當。相比于森林、草原和自然保護區等自然生態系統，人們對農田生態系統服務價值的關注程度略顯不足。楊志新等[6]對北京郊區農田生態系統服務價值進行計算表明，該地農田所創造生態效益約是其經濟效益的6倍。盛婧等[7]研究稻麥輪作農業種植模式下的江蘇省農田生態系統服務功能價值表明，稻麥輪作農田生態系統的間接服務價值大于直接服務價值，稻麥生態系統的年均收益按8 179.95元/hm2計算，在該農業生態系統中每投入1元成本，可產生4倍左右的環境效益。張東等[8]將河北省懷來縣農田劃分為3個生態類和6種生態亞類，并評估了農田生態系統的生產、調節、文化和支持服務價值。【研究切入點】從有關農田生態效益的研究進展看，目前還未形成一個公認的、標準的農田生態效益評估體系。而且，目前關于農田生態系統服務價值研究的對象普遍是面積廣大的區域，鮮有對某一具體農業項目的生態系統服務價值的研究。從2019年10月起，清華大學“北京市鹽堿及荒漠化地區生態修復與固碳工程技術研究中心”與華清農業公司合作，在吉林省乾安縣利用脫硫石膏化學改良法將103.22 hm2的鹽堿地成功改良為水稻田，為當地帶來經濟效益的同時也在一定程度上改善了當地的生態環境。【擬解決的關鍵問題】通過對小范圍的具體農田生態系統服務功能價值的計算，探明鹽堿地改良為農田所產生的生態效益，量化鹽堿地改良對生態環境的貢獻，以提高人們對改良鹽堿地的思想重視程度和支付意愿，為當地政府制定相關的生態補償標準提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究地概況

吉林省乾安縣鹽堿地改良項目區地處東經123°21′16″～124°22′50″，北緯44°37′47″～45°18 ′08″，屬于溫帶大陸性季風氣候。該區域按照10～22℃標準劃分季節，春季為5月1日至6月24日，共55 d；夏季為6月24日至8月13日，共50 d；秋季為8月13日至9月30日，共47 d；冬季為9月30日至5月1日，共213 d。百年平均氣溫為4.5℃，7月為最熱，平均溫度為23.3℃；1月為最冷月，平均溫度為-18.8℃。平均溫差為42.1℃。項目區原來的土壤主要是蘇打鹽堿土，透水性差，植被覆蓋率低，生物多樣性差。該區的問題主要是土壤沙化、鹽堿化和林地及草原退化，是制約該地區經濟可持續發展的主要環境問題。

通過化學改良等生態修復措施和修建相應的灌溉與排水設施，項目區103.22 hm2鹽堿地已經被成功改良為種植水稻的水田，其中歲字村46.85 hm2、暑字村56.37 hm2。水稻一年一熟，生長期為135 d。

1.2 數據來源

改良田生態效益計算的基礎數據由華清農業開發乾安有限公司提供。項目區土壤全N、全P、全K的含量來源于吉林省土壤肥料總站公布的數據[9]。農田對SO2、HF、NOx的吸收量及污染物處理成本來自馬新輝等[10-11]的研究結果。農田的年均蒸發蒸騰量數據來源于藺文靜等[12]的研究結果。

1.3 研究方法

結合項目區的實際情況，食物/生物產品提供(主要是農產品生產)、原材料提供(產生可以被加工為燃料的秸稈等原材料)、娛樂服務和文化服務雖是基于生態系統的內部活動(生物的新陳代謝過程等)和外部屬性(形成美麗的風景等)產生，但是通過農產品出售、吸引游客消費等途徑將直接產生經濟效益，故四者不在生態效益討論范圍內。

將對改良地農田生態系統的固碳吐氧、涵養水源、保護土壤、凈化大氣與阻滯粉塵和營養物質循環5種主要的生態系統服務功能價值進行探討，五者之和即為該項目農田生態系統創造的生態效益。

1.3.1 涵養水源 以鹽堿地為代表的荒地，缺乏植物覆蓋，水分大量喪失加重了區域的荒漠化和鹽堿化，直接或間接地產生經濟損失。而農田生態系統因為其植被覆蓋情況較好，植被的地上部分可以通過葉片、軀干等減少陽光照射土壤，植被的地下部分可以通過發達的根系減少土壤水分散失。通過植被減少自然降水的蒸騰是農田生態系統涵養水源價值的主要來源。

涵養水源的量使用水量平衡法計算。然后將該數值乘以水庫蓄水成本5.71元/m3[13]，計算公式：

農田涵養水源總價值=[年平均降水量-農田平均蒸發蒸騰量]×農田面積×水庫蓄水成本×10

1.3.2 固碳吐氧 受人類活動的影響，大氣中的CO2含量增加，在一定程度上造成了溫室效應。由于農作物的光合作用，農田生態系統可以減少空氣中的CO2，并增加O2。這對改善生態環境具有積極的作用。

根據光合作用化學反應方程式，植物每生產1 g干物質能釋放1.20 g O2同時固定1.63 g CO2。減少CO2價值采用造林成本法(260.90元/t C)和碳稅法(瑞典碳稅率150美元/t C)2種方法進行計算，取其平均值作為農田固碳功能的價值。釋放O2的價值采用造林成本法(352.93元/t O2)進行計算。農田固碳吐氧服務功能的總價值為固碳價值和吐氧價值兩者之和。

1.3.3 保護土壤 水稻田是從重度鹽堿化的荒地改良而來，改良前地表缺乏綠色植物的覆蓋而直接裸露在外，存在較為嚴重的水土流失問題。相比于缺乏植被覆蓋的鹽堿地，改良田作物發達的根系能減少土壤由于風蝕和降水造成的土壤流失。地面以上的部分，如農作物的莖葉和水田的積水層也可以減少風或降水對地表土壤的直接作用。根據實際情況，將改良田對土壤的保護效應分為減少土壤侵蝕、減少土壤養分流失和減輕泥沙淤積。

1) 減少土壤侵蝕。農田的土壤保持量按106.98 t/(hm2·a)計算[14]。土壤侵蝕會造成土地表土逐年流失，按耕作層土厚0.50 m計算出土地面積，乘以稻麥生態系統的年均收益8 179.95元/hm2，即可算出減少土壤侵蝕的價值，計算公式：

減少土壤侵蝕價值=[106.98/(土壤容重×土厚)]×農田面積×8 179.9 /10 000

2) 減少土壤養分流失。流失的土壤將會造成N、P、K等營養元素的不斷流失，使土壤的肥力下降。乾安縣位于吉林省西部平原，吉林省西部平原全N含量平均為0.108%，全P含量平均為0.029%，全K含量平均為2.45%。即1.08 g/kg、0.29 g/kg、24.5 g/kg。先算出因土壤侵蝕而流失的N、P、K的量，再乘以折純后的2018年我國化肥的平均價格5 808元/t，即可得出減少土壤養分流失的價值。其計算公式：

減少養分流失價值=106.98×農田面積×全N、P、K含量×5 808/1 000

3)減輕泥沙淤積。土壤侵蝕的泥沙淤積在水庫、江河、湖泊的量按24%計算。根據水庫蓄水成本5.71元/t計算減輕泥沙淤積功能的價值，計算公式：

減輕泥沙淤積價值=106.98×農田面積×24%×5.71/土壤容重

1.3.4 凈化大氣與阻滯粉塵 農田具有凈化大氣中SO2、NOx、HF等污染物以及阻滯粉塵的能力。農田對SO2、HF、NOx的吸收量分別為50 kg/(hm2·a)、0.43 kg/(hm2·a)、37 kg/(hm2·a)，滯塵1.08 t/(hm2·a)，吸收SO2、HF 和NOx及滯塵單價分別為0.6元/kg、0.9元/kg、0.6元/kg和170元/t。根據農田的面積計算凈化大氣與阻滯粉塵功能的價值，計算公式：

凈化大氣與阻滯粉塵價值=農田面積×對SO2、NOx、HF的吸收量及滯塵量×吸收SO2、HF和NOx成本及滯塵成本

1.3.5 營養物質循環 農作物在生長過程中從環境中吸收N、P、K等元素，并將其積累在自身中。這些營養元素部分隨著枯枝落葉殘根的降解回到土壤當中，部分以農產品的方式從農田生態系統中輸出，并以其他形式回到周圍環境中。由于農田生態系統的凋落物較少，故衡量營養物質循環能力的指標主要是農作物對N、P、K元素的吸收能力。以水稻為計算對象，根據水稻生長過程中對N、P、K元素的吸收量和我國化肥的平均價格5 808元/t，計算營養物質循環功能的價值，計算公式：

營養物質循環價值=農田面積×作物產量×農作物對N、P、K元素的吸收量×5 808

2 結果與分析

2.1 涵養水源價值

根據吉林省水利廳公布的數據，吉林省多年降水量平均值是608.96 mm。農田的年均蒸發蒸騰量為452.60 mm。故改良地農田總的涵養水源量約為1.61×105 m3/a。將此數據乘以全國建筑行業單位庫容的平均造價5.71元/m3，得出改良地農田涵養水源生態服務功能的價值約為92萬元/a。

2.2 固碳吐氧價值

查詢連續10年內吉林省統計局公布的水稻單產數據，計算出該省水稻單產的平均值為8 131.73 kg/hm2(表1)。水稻的經濟系數按0.48計算，算出水稻干物質單產量為1.7 t/(hm2·a)。103.22 hm2農田的固碳量約為786 t/a。按照碳稅法(瑞典碳稅率150 美元/t C，折合人民幣1 026.13 元/t C)和造林成本法(260.90元/t C)分別計算固碳價值，再取2種方法計算結果的平均值51萬元/a作為改良地農田的年均固碳總價值。按照造林成本法(352.93元/t O2)計算農田釋放氧氣的價值約為75萬元/a。改良地農田固碳吐氧服務功能的總價值約為126萬元/a。

表1 2010-2019年吉林省水稻單產情況

2.3 保護土壤價值

農田的土壤保持量為106.98 t/(hm2·a)，土壤容重按1.35 t/m3計算，耕作層土厚按0.50 m計算，可算得減少流失土壤耕作面積為158.49 m2/a。故將103.22 hm2的鹽堿地改良為農田可減少的經濟損失約為1萬元；土壤中所含的N、P、K等營養物質會隨土壤的侵蝕而流失，103.22 hm2農田可減少N、P、K流失的質量約為285.67 t，乘以折純后我國化肥的平均價格5 808元/t得出，每年減少土壤養分流失所產生的生態效益約為166萬元；約24%的流失土壤淤積于水庫、江、河、湖中，直接減少其蓄水量1 963 m3，以水庫蓄水成本5.71元/m3計算，可得每年產生減輕泥沙淤積的生態效益約為1萬元。

2.4 凈化大氣與阻滯粉塵價值

由表2可見，改良地農田SO2、NOx、HF、粉塵的年吸收量分別為45 kg/hm2、33 kg/hm2、0.57 kg/hm2、917.74 kg/hm2。故改良地農田凈化大氣與阻滯粉塵功能的總價值約為2萬元/a，其中，農田生態系統吸收SO2的價值約為0.2萬元/a；吸收NOx的價值約為0.2萬元/a；吸收HF的價值很小，可以忽略不計；阻滯粉塵的價值為1.6萬元/a。

表2 農田生態系統凈化大氣與阻滯粉塵價值

2.5 營養物質循環價值

每生產1 kg水稻產品，整個植株需要從環境中吸收N的量為21 g，吸收P的量為4 g，吸收K的量為18 g。2010-2019年吉林省水稻平均產量為8 131.73 kg/hm2。由此計算出改良地農田營養物質循環功能的價值約為21萬元/a。

2.6 改良地生態效益的綜合評價

對項目區5種生態服務功能價值的計算可知(表3)：103.22 hm2的改良地農田，每年可以創造409萬元的生態效益。5種生態系統服務功能價值量依次為保護土壤>固碳吐氧>涵養水源>營養物質循環>凈化大氣與阻滯粉塵。農田所創造的生態服務功能價值約為4萬元/(hm2·a)。

表3 農田生態系統服務功能價值

3 討論

部分學者將食物生產功能和原材料供給功能也納入生態效益的計算之中[3，7]。雖然生產農產品是農田生態系統服務功能的一種，但出售農產品獲得的收入將直接產生經濟效益。此研究著重討論農田生態系統產生的生態效益，未將農產品生產或原材料供給功能加入到生態系統服務功能價值的計算中。如果農田生態系統的年均經濟效益按照8 179.95元/hm2計算，單位面積農田每年產生的生態效益約是經濟效益的5倍，該比例與盛婧等[7]的計算結果(4︰1)相接近。另外，基于鹽堿地改良產生的較高生態效益，建議當地政府及相關部門制定針對鹽堿地改良項目的生態補貼標準，以促進鹽堿地改良項目的開展。

保護土壤功能價值在服務總價值中占比最多，其次是固碳吐氧服務功能價值。由于該項目區在改良前土壤重度堿化，大部分土壤不僅沒有形成較穩定的土壤結構，而且缺乏植被覆蓋直接裸露在外，因此水土流失十分嚴重，生態環境不斷惡化。通過化學改良的方法將鹽堿地改良為耕地，降低了土壤堿化程度，形成了較為穩定的土壤結構，又有農作物和稻田水層覆蓋在土壤表面有效遏制水土流失，生態環境得到改善。同樣，相比未改良的鹽堿地，農田生態系統的綠色植物數量增加，固碳吐氧服務功能價值在總服務價值中的占比也較高。

由于受客觀條件不充分、不確定性大等因素的限制，準確量化改良地農田生態系統服務功能價值困難，僅考慮研究對象的特點估算5種主要的生態服務價值，其準確性仍有待提高。另外，農田生態系統的氣侯調節、水質凈化、廢物處理和生物多樣性保護等服務功能的價值還需要進一步研究。

4 結論

乾安縣103.22 hm2鹽堿地改良項目的生態效益為每年產生的涵養水源、固碳吐氧、保護土壤、凈化大氣與阻滯粉塵和營養物質循環5種服務功能價值分別為92萬元、126萬元、168萬元、2萬元和21萬元。保護土壤和固碳吐氧在總生態效益里占比很高，是農田生態系統主要的服務功能。單位面積農田每年產生的生態效益約為4萬元是其經濟效益的5倍。隨著碳中和目標的提出以及生態文明建設在我國的大力推行，針對鹽堿地改良的生態系統服務功能價值的貨幣化評估工作，將有助于準確衡量生態效益。研究結果可為當地政府制定環境保護、生態補償、土地開發等相關政策提供參考，促進區域實現“經濟-生態綜合效益”的最大化。

致謝：華清農業開發乾安有限公司及其種植主管莫恩博在論文撰寫過程中給予幫助,謹表謝意!