果樹經濟林與水土保持林生態功能服務價值及生態功能量對比分析
——以黃土丘陵溝壑區葫蘆河流域為例

王 輔，何 倩，韓 芬，張 鶴，趙 強

(平涼市水土保持科學研究所，甘肅 平涼 744000)

長期以來，生態系統服務價值評估成為生態系統研究的熱點之一，并且取得了顯著成果，使人類越來越認識到維系生態系統良性循環和可持續發展的極端重要性[1]。我國許多學者在借鑒國外理論與方法的基礎上，從不同角度和領域開展了對不同類型生態系統服務價值評估的研究工作[1-3]。概括來講，生態系統服務價值評估的技術路線主要有兩個：一是開展區域尺度的生態系統服務價值評估研究，從不同等級不同尺度入手，如全球范圍內、國家尺度、省域或者某一城市等，此類研究一般將尺度范圍內的多個生態子系統綜合起來進行系統性分析和評估；二是從單項生態系統入手，開展更加深入和細化的研究，如專門針對農田、森林、濕地、水體、草地等生態系統進行研究。對于單一森林生態系統的研究，目前主要集中于大尺度天然林和生態林的生態服務價值挖掘，對經濟林的研究相對較少，而對于中小尺度范圍內特定氣候條件下人工栽植的果樹經濟林的生態服務功能進行專門研究則尚未見報道。同時，目前大多數對生態系統服務價值的研究更側重于對單純的服務價值的挖掘，而缺乏對生態系統服務價值相對應的生態功能量的挖掘，很容易將人們的認識轉移到經濟價值方面而忽視其生態功能的意義和作用。一般意義上認為，果樹經濟林是在農業用地上栽植的人工林，是農業系統的重要組成部分，主要用于生產鮮果產品，其首要屬性屬于農業領域，主要作用是調整農業產業結構，發展農村經濟，增加農民收入。因此，長期以來人們忽視了果樹經濟林在一定的栽植周期內仍是具有穩定林分結構的人工林的屬性，也忽視了其所隱藏的巨大生態服務價值，自然也忽視了它所產生的巨大生態功能量，而這些生態功能量對于覆蓋度較低的黃土高原地區而言，其生態學意義毋庸置疑。特別在黃土高原干旱半干旱生態脆弱地區，挖掘果樹經濟林生態功能服務價值并分析與其服務價值相對應的巨大生態功能量，解析其在水土保持生態方面的補償性作用和深層次影響，對協調黃土高原干旱半干旱區經濟發展與生態保護、農業與林業、人與自然之間的關系意義重大，很有必要。

1 區域概況

平涼市境內葫蘆河流域位于平涼市西部，東西長約102.36 km，南北寬約81.68 km，流域總面積3 701.67 km2，行政上屬于靜寧縣和莊浪縣范圍。該流域地處西北黃土高原中部的黃土丘陵溝壑區，溝壑密度1.5～2.0 km/km2；屬中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降水量484.7 mm，多年平均徑流深50.0 mm，林分生長期(4—10月)多年平均蒸散量196.47 mm，干旱指數1.66；土壤類型主要為黃綿土，厚度10～50 m，質地為重壤或中壤；植被類型為暖溫帶半干旱森林草原過渡帶，天然林分布稀少。近年來通過封山育林、人工造林等措施，全流域有林地總面積達到121 435.83 hm2，流域森林覆蓋率達到32.81%。隨著區域農村產業結構優化調整，果樹經濟林得到迅速發展，栽植規模不斷擴大，以優質紅富士蘋果(MaluspumilaMill.)為主要栽植品種。

2 果樹經濟林與水土保持林的差異性

在林業上，相對于用材林和生態公益林，經濟林是以生產干鮮果品、食用油料、飲料、調香料、工業原料和藥材等為主要目的的林木，其中果樹經濟林是以生產鮮果為主要目的的經濟林。水土保持林是為防止、減少水土流失而營建的防護林，在調節地表徑流、固持土壤和改善局部小氣候等方面發揮著重要作用。在黃土丘陵溝壑區，水土保持林主要以小流域為單元分不同地貌進行配置，梁峁頂及梁峁坡配置刺槐、油松、側柏、華北落葉松、山杏等與沙棘、檸條、紫穗槐等混交林，溝坡及溝底配置新疆楊、小葉楊、旱柳、刺槐等純林；而果樹經濟林普遍栽植在河谷川區、小流域溝道溝臺地、梁峁坡梯田，多為一定密度均勻分布。因此，從林型和用途來看，二者具有很大的差異性。

3 平涼市境內葫蘆河流域2012—2020年果樹經濟林與水土保持林資源分布

據調查，平涼市境內葫蘆河流域2012—2020年水土保持林與果樹經濟林資源分布見表1。截至2020年底，平涼市境內葫蘆河流域果樹經濟林栽植面積達到107 768.26 hm2，占總土地面積的29.11%，年產量達到134.6萬t，實現年產值47.11億元；水土保持林106 520.00 hm2，占總土地面積的28.78%。

表1 平涼市境內葫蘆河流域2012—2020年水土保持林與果樹經濟林資源分布

4 數據來源

提取相同周期數據，果樹經濟林基礎數據為2012—2020年莊浪縣和靜寧縣的政府報告和統計年鑒數據，水保林基礎數據為2012—2020年平涼市水土保持公報數據。價格參數選用國家權威部門發布的社會公共數據及現行市場價。生態功能相關參數數據來源于國內相關森林生態站實測數據及相關文獻資料。土壤侵蝕模數來源于平涼市水土保持規劃數據，根據土壤侵蝕模數等值線圖查得，為避免固土量和保肥量過大或過小，選用中間值。果樹經濟林林分年凈生產力采用典型調查法，通過調查樹齡12 a單株年均凈生長量確定，水保林林分年凈生產力按成林15 a刺槐林參考相關資料確定。固碳價值采用國際通用、國內最普遍采用的瑞典碳稅法計算。基于林分密度和喬灌草混交組配結構的影響，水土保持林的平均截流系數加大至18%。果樹經濟林平均林分高度取3.0 m，水保林平均林分高度取3.5 m。水庫庫容造價參考本地區近5年新建水庫平均造價，取6.8元/m3。居民用水單價參照本地區現行居民用水單價，取6.0元/m3。降塵清理價格采用燃煤爐窯大氣污染物排放收費標準，為0.56元/kg。考慮到葫蘆河流域雖為國家重點生態功能區、隴東黃土丘陵溝壑水土保持生態功能區、省限制開發區域重點生態功能區，但又不屬于國家自然保護區的生態功能定位，在確定生物多樣性保護指數等級時，選擇與其生態功能相一致的Shannon-Wiener指數等級，本研究中果樹經濟林選擇5級(2≤指數<3)、水土保持林選擇4級(3≤指數<4)，其相對應的價值分別按10 000元/hm2和20 000元/hm2進行核算。負離子濃度值參考李印穎等[4]在陜西秦嶺以北的黃土高原林地的觀測值(4 645個/cm3)。

5 研究方法

依據《森林生態系統服務功能評估規范》(GB/T 38582—2020)，綜合運用生態學、經濟學理論和水土保持原理，采用現行市場法、影子價格法、機會成本法、瑞典碳稅法等方法，結合國內有關生態站現有實測數據，定量分析和定性評估相結合，估算、對比平涼市境內葫蘆河流域果樹經濟林和水土保持林的主要生態功能服務價值和對應的生態功能量。

5.1 涵養水源價值

涵養水源功能主要指生態系統對大氣降水的調節作用，根據其監測和評估的特點，可劃分為調節水量和凈化水質2個指標。

5.1.1 調節水量價值

生態系統調節水量價值根據水庫工程的蓄水成本(影子工程法)來確定，其公式為

U調=10C庫A(P水-E-C)

(1)

式中：U調為年調節水量價值，元/a；C庫為水庫庫容造價，元/m3；P水為林外年降水量，mm/a；E為林分年蒸散量，mm/a；A為林分面積，hm2；C為林分年地表徑流量，mm/a。

5.1.2 凈化水質價值

生態系統凈化水質價值采用平涼市居民用水平均價格計算，其公式為

U凈=10K水A(P水-E-C)

(2)

式中：U凈為年凈化水質價值，元/a；K水為居民用水平均價格，元/m3；其余字母意義同上。

5.2 保育土壤價值

5.2.1 固土價值

固土價值可根據蓄水成本法，采用減少淤積泥沙的方法進行計算，其公式為

U固=AC庫(X2-X1)/ρ

(3)

式中：U固為年固土價值，元/a；X1為林地土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)；X2為無林地土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)；ρ為泥沙的平均容重，t/m3；其余字母意義同上。

5.2.2 保肥價值

保肥價值公式為

U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+

KC2/R3+MC3)/100

(4)

式中：U肥為年保肥價值，元/a；N、P、K、M分別為土壤氮、磷、鉀、有機質的平均含量，%；R1為磷酸二銨含氮量，%；R2為磷酸二銨含磷量，%；R3為氯化鉀含鉀量，%；C1、C2、C3分別為磷酸二銨、氯化鉀和有機質的平均價格，元/t；其余字母意義同上。

5.3 固碳釋氧價值

5.3.1 固碳價值

根據光合作用化學方程式，森林植被每積累1 g干物質可以固定1.63 g的CO2、釋放1.19 g的O2，而CO2中碳的比例為27.27%，因此森林植被和土壤固碳價值的計算公式為

U碳=AC碳(0.444 5B年+F土壤碳)

(5)

式中：U碳為林分的年固碳價值，元/a；B年為林分的年凈生產力，t/(hm2·a)；C碳為固碳價格，元/t；系數0.444 5為1.63與27.27%的乘積；F土壤碳為單位面積森林土壤的年固碳量，t/(hm2·a)；其余字母意義同上。

5.3.2 釋氧價值

釋氧價值計算公式為

U氧=1.19AC氧B年

(6)

式中：U氧為林分的年釋氧價值，元/a；C氧為氧氣價格，元/t；其余字母意義同上。

5.4 林木養分固持價值

森林植被在其生長過程中不斷地從周圍環境中吸收氮、磷、鉀等營養物質，并貯存在各器官中。本研究僅選取林木營養物質(氮、磷、鉀)積累指標來反映此項功能，其計算式為

U營養=AB年(N營養C1/R1+P營養C1/R2+K營養C2/R3)

(7)

式中：U營養為年林木養分固持價值，元/a；N營養、P營養、K營養分別為林木的氮、磷、鉀含量，%；其余字母意義同上。

5.5 凈化大氣環境價值

凈化大氣環境價值采用影子價格法，根據林木面積及林木對環境中有毒有害物質、粉塵、噪聲、輻射等的減除能力計算。

5.5.1 吸收二氧化硫價值

森林年吸收二氧化硫總價值(U二氧化硫，元/a)公式為

U二氧化硫=K二氧化硫Q二氧化硫A

(8)

式中：K二氧化硫為二氧化硫的治理費用，元/kg；Q二氧化硫為單位面積林分年吸收二氧化硫量，kg/(hm2·a)；其余字母意義同上。

5.5.2 吸收氟化物價值

森林年吸收氟化物總價值(U氟，元/a)公式為

U氟=K氟化物Q氟化物A

(9)

式中：K氟化物為氟化物的治理費用，元/kg；Q氟化物為單位面積林分年吸收氟化物量，kg/(hm2·a)；其余字母意義同上。

5.5.3 吸收氮氧化物價值

森林年吸收氮氧化物總價值(U氮氧化物，元/a)公式為

U氮氧化物=K氮氧化物Q氮氧化物A

(10)

式中：K氮氧化物為氮氧化物的治理費用，元/kg；Q氮氧化物為單位面積林分年吸收氮氧化物量，kg/(hm2·a)；其余字母意義同上。

5.5.4 滯塵價值

粉塵是大氣污染的主要指標之一，樹木對大氣粉塵、灰塵有明顯的阻擋、過濾、吸附和滯留作用。據測定，闊葉林滯塵能力為10.11 t/(hm2·a)，針葉林為33.2 t/(hm2·a)[5]，本研究取闊葉林10.11 t/(hm2·a)進行核算。

森林植被年滯塵價值(U滯塵，元/a)公式為

U滯塵=K滯塵Q滯塵A

(11)

式中：K滯塵為降塵清理費用，元/kg；Q滯塵為單位面積林分年滯塵量，kg/(hm2·a)；其余字母意義同上。

5.5.5 提供負離子價值

林分年提供負離子價值(U負離子，元/a)公式為

U負離子=5.256×1015×AHK負離子(Q負離子-600)/L

(12)

式中：K負離子為負離子生產費用，元/個；Q負離子為林分負離子濃度，個/cm3；L為負離子存留時間，min；H為林分高度，m；其余字母意義同上。

5.6 生物多樣性價值

生物多樣性指生物及其環境所形成的生態復合體及與此相關的各種生態過程的總和，它是人類社會生存和可持續發展的基礎。生物多樣性功能價值用物種資源保育價值來評估，其計算公式為

U生=S生A

(13)

式中：U生為林分年物種資源保育價值，元/a；S生為單位面積林分年物種資源保育價值，元/(hm2·a)；其余字母意義同上。

6 結果與分析

(1)計算結果表明，2020年平涼市境內葫蘆河流域果樹經濟林生態功能服務總價值為99.66億元，其中：涵養水源價值328 622.50萬元(其中調節水量價值174 580.70萬元，凈化水質價值154 041.80萬元)，保育土壤價值124 648.63萬元(其中固土價值63 440.94萬元，保肥價值61 207.69萬元)，固碳釋氧價值374 427.29萬元(其中固碳價值115 886.92萬元，釋氧價值258 540.37萬元)，林木養分固持價值112 983.64萬元，凈化大氣環境價值2 060.56萬元(其中吸收二氧化硫價值1 146.44萬元、吸收氟化物價值12.49萬元、吸收氮氧化物價值40.74萬元、滯塵價值61.01萬元、提供負氧離子價值799.88萬元)，生物多樣性價值53 884.13萬元。從服務類別看，生態服務中調節服務價值最大，占70.75%，其次為支持服務價值，占23.84%，供給服務價值最小，占5.41%；從服務功能看，固碳釋氧功能價值最大，占37.57%，其他依次為涵養水源功能、保育土壤功能、林木養分固持功能、生物多樣性功能的價值，分別占32.97%、12.50%、11.34%、5.41%，凈化大氣環境功能價值最小，僅占0.21%(見表2)。本研究結論與國內其他研究成果基本符合。與同期年產值對照表明，生態功能服務總價值是同期果品年產值的2.1倍。由此可見，果樹經濟林不僅提供了大量的鮮果產品，創造了巨大的經濟和社會效益，而且其潛在的生態系統服務功能和價值更不容忽視。

表2 平涼市境內葫蘆河流域果樹經濟林生態服務功能價值結構

2020年葫蘆河流域果樹經濟林涵養水源量(調節水源量)為25 676.6萬m3，固土量21 553.7萬t，保肥量22 846.9 t(其中土壤氮、磷、鉀和有機質含量分別為1 724.29、3 233.05、1 508.76、16 380.78 t)，固碳量965 724.34 t，釋氧量2 585 403.66 t，林木養分固持量93 639.41 t(其中林木氮、磷、鉀固持量分別為52 577.117、4 127.955、36 934.338 t)，凈化大氣環境功能中吸收氣體污染物總量為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)、降塵量1 089.54 t、提供負離子量1.578 6×1024個，生物多樣性指數達到Shannon-Wiener指數5級(2≤指數<3)。

(2)經核算，葫蘆河流域水土保持林2020年生態功能服務總價值為106.40億元，其中：涵養水源價值324 816.12萬元(其中調節水量價值172 558.56萬元，凈化水質價值152 257.56萬元)，占30.53%；保育土壤價值123 204.85萬元(其中固土價值62 706.11萬元、保肥價值60 498.74萬元)，占11.58%；固碳釋氧價值389 733.06萬元(其中固碳價值120 624.13萬元、釋氧價值269 108.93萬元)，占36.63%；林木養分固持價值117 602.16萬元，占11.05%；凈化大氣環境價值2 168.47萬元(其中吸收二氧化硫價值1 133.16萬元、氟化物價值12.35萬元、氮氧化物價值40.26萬元，滯塵價值60.31萬元，提供負離子價值922.39萬元)，占0.20%；生物多樣性價值106 520.00萬元，占10.01%。

(3)對比2020年果樹經濟林和水土保持林的生態服務功能價值，在二者面積接近情況下，果樹經濟林的生態服務功能價值僅比水土保持林少6.74億元，差別不大。由于二者在林分結構上的差異，水土保持林在提供負離子和物種資源保育方面的服務功能價值大于果樹經濟林。由此可以看出，果樹經濟林在創造經濟價值的同時，還為區域水土保持和生態環境提供了幾乎和生態公益林同樣巨大的生態服務功能價值，它既能夠調整本地區農業產業結構，貢獻數量可觀的地方GDP，又能夠維持區域生態貢獻足夠的GEP，具有雙重價值貢獻。因此，葫蘆河流域果樹經濟林的栽培與管理應該受到足夠的重視。

(4)提取水土保持林和果樹經濟林涵養水源(僅調節水量)、保育土壤兩項與水土保持密切相關的功能指標進行對比分析，重點探討果樹經濟林相對于水土保持林在水土保持方面的功能作用及大小，結果表明：①涵養水源。2012—2020年期間，水土保持林累計涵養水源總量為173 440.1萬m3，果樹經濟林累計涵養水源總量為192 329.9萬m3，相差18 889.8萬m3，果樹經濟林>水土保持林。②保育土壤。水土保持林累計固土總量為145 607.4萬t，果樹經濟林累計固土總量為161 465.9萬t，相差15 858.5萬t，果樹經濟林>水土保持林；水土保持林累計保肥總量為154 343.9 t，果樹經濟林累計保肥總量為171 153.9 t，相差16 810.0 t，果樹經濟林>水土保持林。具體各年度主要生態功能量對比見表3。

表3 2012—2020年水土保持林與果樹經濟林主要生態功能量對比

7 結論與討論

(1)研究結果表明，在黃土丘陵溝壑區果樹經濟林和水土保持林雖然在林型和用途方面具有很大的差異性，但在保育土壤和林分養分固持方面的支持服務功能價值以及在涵養水源、固碳釋氧、凈化大氣環境方面的調節服務功能價值和在生物多樣性方面的供給服務功能價值的貢獻方面沒有顯著差異。可見果樹經濟林同樣具有生態公益林的生態服務功能，對區域水土保持和生態環境具有很大的補償作用；在黃土丘陵溝壑區，一定規模的果樹經濟林覆蓋，改變了區域土地利用空間格局，使有限的林草植被的連續性和延展性大大增強，有利于本地區物種資源保育和繁衍，維持并增強了本地區的生物多樣性，促進人與自然和諧共生。由于植被覆蓋對于黃土高原生態脆弱地區生態和防治水土流失的極端重要性，因此在調整產業結構時必須首先考慮果樹經濟林調整可能帶來的生態公益損失。

(2)與同期果樹經濟林年產值對照表明，其生態服務總價值是同期果品年產值的2.1倍，說明果樹經濟林在提供大量的鮮果產品的同時，同樣具有巨大的生態服務價值，其對當地生態系統生產總值的貢獻大于對國內生產總值的貢獻。

(3)由于缺乏本地區必要的生態監測數據，同時本研究對果樹經濟林生態系統沒有進行修正，難免會出現人為誤差，從而影響研究成果的精度，但這并不改變分析結果的方向性和指向性。