潘 影,武俊喜,2,*,趙 延,2,3,張燕杰,2,3,張曉慶,張憲洲,2,余成群,2

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所/農(nóng)業(yè)部草地生態(tài)與修復(fù)治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010010

草地的恢復(fù)和利用一直是草牧業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。我國(guó)草地資源豐富,面積約為4億hm2,但90%的天然草地遭遇著不同程度的退化,其中重度退化的約為60%[1]。氣候因素特別是持續(xù)的干旱是導(dǎo)致草地退化的主要原因,但過(guò)度農(nóng)墾、放牧、樵采等人為干擾則是草地退化的決定性因子[2]。

為了促進(jìn)草地恢復(fù),劃區(qū)輪牧、季節(jié)性休牧、圍欄封育、施肥補(bǔ)播、淺耕松耙是常見(jiàn)的草地恢復(fù)技術(shù)和方式。其中輪牧、休牧、圍欄都是減少草地放牧強(qiáng)度,基于草地生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復(fù)力進(jìn)行草地的恢復(fù)[3- 4]。而施肥補(bǔ)播、淺耕松耙主要是通過(guò)改善草地土壤物理性狀和養(yǎng)分,增加優(yōu)質(zhì)牧草的群落競(jìng)爭(zhēng)力等方式進(jìn)行草地恢復(fù)[1,5]。除了以上草地恢復(fù)方式,人工草地即是針對(duì)重度退化草地的一種恢復(fù)手段,也是牧草生產(chǎn)的主要手段之一。人工草地是利用農(nóng)業(yè)綜合技術(shù),完全破壞原有天然草地植被,人工播種建植草地群落[2,6]。大量實(shí)驗(yàn)證明,這些方式可以很好的恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)[5,7- 9]。

西藏河谷地區(qū)是西藏人口和經(jīng)濟(jì)的核心,在該區(qū)域大面積推廣生態(tài)恢復(fù)技術(shù)時(shí),仍還有一些問(wèn)題需要解決。例如,大面積推廣后會(huì)改變?cè)修r(nóng)牧民生活方式及收入來(lái)源,這些改變又會(huì)引發(fā)財(cái)政分配和勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移及就業(yè)等問(wèn)題[10-11]?，F(xiàn)有大部分基于傳統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的草地生態(tài)恢復(fù)研究中,對(duì)不同草地恢復(fù)和利用方式的經(jīng)濟(jì)成本、勞動(dòng)力成本的考慮及分析不足。

投入產(chǎn)出分析經(jīng)常被用在生態(tài)學(xué)研究中,例如生態(tài)足跡研究與產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)研究[12- 14]。其也可被用來(lái)分析不同土地利用或者生態(tài)系統(tǒng)管理的成本和效益,而且可以設(shè)置不同土地利用情景,分析對(duì)不同利益相關(guān)者,例如農(nóng)民和社會(huì)的成本和效益[15]。

然而,單一的投入產(chǎn)出方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的分析不足,傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)對(duì)草地恢復(fù)的經(jīng)濟(jì)成本效益等方面分析不足。所以,如何有機(jī)地將兩種學(xué)科和方法結(jié)合,是支持西藏河谷地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和構(gòu)建可持續(xù)生態(tài)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。

本文將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入投入產(chǎn)出分析體系,并基于投入產(chǎn)出的分析結(jié)果進(jìn)行土地利用模擬,可以很好的兼顧經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)問(wèn)題的分析。具體擬通過(guò)樣方采樣和農(nóng)戶(hù)調(diào)研,收集和分析不同草地種植和恢復(fù)方式下西藏河谷地區(qū)人工種草等管理的投入產(chǎn)出,探索從經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值兩個(gè)層面,不同草地投入產(chǎn)出效率,模擬在增加投入情況下土地利用的變化和響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 樣方設(shè)置與采樣

本文研究區(qū)域?yàn)槲鞑乩_市林周縣卡孜鄉(xiāng)白朗村,白朗村于2011年起于本村平原地帶的天然放牧草地上建立了圍欄草地、翻耕圍欄草地、免耕補(bǔ)播草地3種植被恢復(fù)方式的樣地,同時(shí)建立了多年生人工放牧與一年生人工刈割草地(表1)。研究于2013、2014、2015年3年分別對(duì)包括天然放牧草地在內(nèi)的六種草地進(jìn)行植被和土壤采樣。

每種樣地中隨機(jī)選取3塊大樣方(5 m×5 m),每個(gè)大樣方中選取3塊小樣方(50 cm×50 cm)進(jìn)行植被和土壤采樣。其中植被覆蓋度使用網(wǎng)格目視估算；地上生物量(AGB)使用刈割法,并將剪下的植被放入65℃的烘箱烘干48 h后稱(chēng)重。因?yàn)橥翆虞^薄,土壤樣品使用5 cm的環(huán)刀取0—30 cm表層土壤樣品,每個(gè)小樣方中取兩組土壤樣品,其中一組樣品在室內(nèi)陰涼空地陰干15天之后,研磨過(guò)篩后測(cè)定土壤有機(jī)碳；另一組樣品洗根晾干并在65℃烘箱中烘干48 h后稱(chēng)重,計(jì)算地下生物量[16]。

表1 研究區(qū)域六種草地管理措施

1.2 農(nóng)戶(hù)調(diào)研與數(shù)據(jù)收集

于2013年與2016年進(jìn)行了兩次農(nóng)戶(hù)調(diào)研,共調(diào)查了全村257戶(hù)中的99戶(hù)以及村委會(huì)。分別記錄了農(nóng)牧戶(hù)家庭情況、土地利用情況、收入及其組成,以及各種草地管理在播種、翻耕、施肥、灌溉、收獲等方面的勞動(dòng)力使用與報(bào)酬、機(jī)械使用與油耗、播種與施肥量及購(gòu)入價(jià)格等。

1.3 投入產(chǎn)出分析方法框架

本文主要研究了不同草地管理下的投入、產(chǎn)出、收益和相對(duì)效益,并模擬了草地投入增加的情景下,草地利用結(jié)構(gòu)及收益變化。

通過(guò)調(diào)研獲得各種草地的投入情況包括播種、施肥、圍欄、翻耕、收獲時(shí)使用的種子、肥料等物資的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格,當(dāng)年租用機(jī)械和購(gòu)買(mǎi)柴油的花費(fèi)(購(gòu)買(mǎi)機(jī)械按報(bào)廢年限下每年折舊費(fèi)計(jì)算),以及雇傭勞動(dòng)力成本(本村村民在勞作時(shí)并未全部發(fā)放勞務(wù)費(fèi),但為了統(tǒng)一勞動(dòng)力成本,本文將所有勞動(dòng)力價(jià)格按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)。

產(chǎn)出方面分為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出與生態(tài)產(chǎn)出。其中圍欄、翻耕圍欄與免耕補(bǔ)播草地并無(wú)實(shí)際經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,但從牧戶(hù)層面,其可獲得禁牧補(bǔ)貼,并且空閑勞動(dòng)力會(huì)有打工收入；為了方便計(jì)算,本文將調(diào)研得到的禁牧補(bǔ)貼與打工收入統(tǒng)一稱(chēng)為草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。多年生人工放牧和天然放牧草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出主要來(lái)自畜牧產(chǎn)品的售賣(mài),一年生人工刈割草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出主要來(lái)自牧草的售賣(mài)。生態(tài)產(chǎn)出主要指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值定量,包括空氣凈化服務(wù)、碳固定服務(wù)與土壤保持服務(wù)。

收益分為經(jīng)濟(jì)收益和生態(tài)收益,分別為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和生態(tài)產(chǎn)出減去投入。

相對(duì)效益指的是圍欄、翻耕圍欄、免耕補(bǔ)播、多年生人工放牧和一年生人工刈割草地相對(duì)天然放牧草地的投入產(chǎn)出效率,利用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中,Relative benefit ratio為相對(duì)效益,Benfiti指草地類(lèi)型i的產(chǎn)出,Costi指草地類(lèi)型i的投入,Benefitnatural grassland指的是天然放牧草地的產(chǎn)出,Costnatural grassland指天然放牧草地的投入。

相對(duì)效益也分相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、相對(duì)生態(tài)效益和相對(duì)總效益,其中Benefiti分別使用經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出、生態(tài)產(chǎn)出以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和生態(tài)產(chǎn)出之和計(jì)算。相對(duì)效益反應(yīng)了與天然放牧草地相比,不同草地管理方式的投入在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面能否有所提高。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

1.4.1 空氣凈化服務(wù)價(jià)值

本文計(jì)算空氣凈化價(jià)值主要基于單位生物量吸收的SO2量與替代成本法,計(jì)算公式為(2)和(3)：

ValueAP=AGBtotal× Ratioa× Price

(2)

(3)

式中,ValueAP為空氣凈化價(jià)值(元/a),AGBtotal為生長(zhǎng)季累積地上生物量(kg 干物質(zhì) m-2a-1),Ratioa為單位草地生物量的SO2吸收量系數(shù),本文中為0.001 kg SO2/kg 干物質(zhì)[17]。 Price為單位SO2吸收的價(jià)值,利用相應(yīng)環(huán)境治理工程的替代成本法計(jì)算,為0.6 元/kg SO2[18]。LOS為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度,在本文中根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)置放牧與圍欄草地為180d,刈割草地為150d；t為天數(shù)。AGB為生長(zhǎng)季巔峰的地上生物量,由采樣獲得。a與k為系數(shù),a=2.195,k=0.0293[17]。

1.4.2 生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)

本文計(jì)算碳固定的價(jià)值主要基于地上、地下生物量與土壤有機(jī)碳庫(kù)及替代成本法,計(jì)算公式為(4)：

Value ECS=ECS × priceecs=(AGBc+BGBc+Soilc) × priceecs

(4)

式中,ECS(ecosystem carbon stock)為生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的量(t C·hm-2·a-1),Value ECS為生態(tài)系統(tǒng)碳固定價(jià)值(元/a),AGBc, BGBc與Soilc分別是地上、地下生物量和土壤有機(jī)碳中的碳儲(chǔ)量(t C·hm-2·a-1),其中地上地下生物量由采樣獲得,并乘以0.45轉(zhuǎn)換系數(shù),土壤有機(jī)碳含量為采樣測(cè)定獲得,priceecs為單位碳儲(chǔ)量的價(jià)值,由植樹(shù)造林的替代成本法計(jì)算,為251.4元/t C[19]。

1.4.3 土壤保持服務(wù)價(jià)值

本文計(jì)算土壤保持價(jià)值主要基于通用土壤流失方程模擬出的土壤保持量及替代成本法,計(jì)算公式為(5)：

SR=soil losspotential-soil lossactual=R×K×LS×(1-Cv×Pv)

(5)

式中,SR(Soil retention)是土壤保持服務(wù)量(t hm-2a-1),soil losspotential與soil lossactual分別是潛在和真實(shí)土壤侵蝕量(t hm-2a-1)。R是降雨侵蝕因子,K為土壤可蝕性因子,LS是地形因子,Cv為植被因子,Pv為侵蝕管理因子。R、K、LS因子是基于氣象、地形和土壤數(shù)據(jù)計(jì)算,Cv因子主要基于采樣得到的樣方植被覆蓋度,Pv是基于文獻(xiàn)綜述[20]。氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/),土壤數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)主要來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。

在本研究中,R,K,LS對(duì)于所有草地類(lèi)型皆相同,分別為3333.83, 0.03452, 8.416,而對(duì)于Pv因子,圍欄翻耕草地、多年生人工放牧草地、一年生人工刈割草地為1.0,天然放牧草地和免耕補(bǔ)播草地為0.5,圍欄草地為0。

土壤保持的價(jià)值包括3個(gè)方面,一是減少泥沙淤積,二是減少土壤養(yǎng)分流失,三是減少?gòu)U棄土地[20],如公式(6)。

ValueSR=SR×(price SAR+price ALA+price SNLR)

(6)

式中,ValueSR是土壤保持的價(jià)值(元/a),price SAR(price of sediment accumulation reduction)是減少泥沙淤積的價(jià)值,由替代成本法計(jì)算疏通由土壤流失引起的泥沙淤積的成本,為0.8933元/t[20]。

price ALA(price of avoiding of land abandonment)是減少土地廢棄的價(jià)值,是將流失土壤的重量換算成單位土地面積,再計(jì)算其價(jià)值,計(jì)算公式如(7)。其中,單位土地面積價(jià)值(landv)是利用統(tǒng)計(jì)年鑒中單位土地面積GDP計(jì)算,為537元/hm2, 土壤深度(soil depth)取值30 cm,土壤容重(soil bulk density)為本研究取樣得到。

Price ALA=landv× soil depth × soil bulk density

(7)

Price SNLR(price of soil nutrient loss reduction)是減少土壤養(yǎng)分流失的價(jià)值,基于土壤氮磷含量由公式(8)計(jì)算得到。

Price SNLR=SAN × coefficienta× pricea+SAP × coefficients× prices

(8)

其中土壤速效氮(SAN)和速效磷(SAP)為采樣獲得,coefficienta與coefficients是將土壤速效氮磷轉(zhuǎn)換為硫酸銨和過(guò)磷酸鈣的系數(shù),分別為4.762 和3.373[20],pricea與prices是硫酸銨和過(guò)磷酸鈣2017年市場(chǎng)價(jià),分別為1800元/t與900元/t。

1.5 土地利用情景模擬

本文在草地投入產(chǎn)出分析的基礎(chǔ)上,模擬了草地投入增加的情況下,村落土地利用結(jié)構(gòu)的變化與經(jīng)濟(jì)、生態(tài)產(chǎn)出的響應(yīng)。本研究假設(shè)的土地利用變化規(guī)則為土地利用的主體(牧戶(hù)或者村集體)會(huì)在設(shè)置的生態(tài)保護(hù)紅線之下,在成本允許的情況下改變土地利用,最大化自己的經(jīng)濟(jì)收益[21]。

土地利用的模擬過(guò)程,分為兩個(gè)步驟,第一步為設(shè)置草地的平均投入,第二步為模擬該投入下的土地利用結(jié)構(gòu)。

第一步中的投入設(shè)置,為0、50、100、200、500,500以上按照每500元/hm2遞增,每種投入下模擬一次。

第二步使用線性規(guī)劃模型模擬不同收入下的土地利用結(jié)構(gòu)。線性規(guī)劃目標(biāo)為最大化經(jīng)濟(jì)收益,線性規(guī)劃的約束條件為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)紅線、土地資源總面積以及單位土地面積的經(jīng)濟(jì)投入。其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)紅線即為村落草地平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不小于天然放牧草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,在本文中使用計(jì)算出來(lái)的2441.58元/hm2；由于本文模擬的是土地利用結(jié)構(gòu)的百分比變化,所以土地資源總面積為100%；單位土地面積的經(jīng)濟(jì)投入則為第一步設(shè)置。

具體模擬代碼如公式(9)：

max=a×259.5+b×772+c×772+d×772+e×4250+f×13135.737;

a+b+c+d+e+f≤100%;

a×2441.58+b×2570+c×2548.6+d×2076.3+e×2425.9+f×2309.1≥2441.58;

a×0+b×67.025+c×1576.2+d×478.6+e×2413.125+f×7663.4≤input

(9)

其中天然放牧、圍欄、免耕補(bǔ)播、翻耕圍欄、多年生人工放牧和一年生人工刈割草地的面積分別為a,b,c,d,e,f。input為草地投入變量,max為最大化的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

其中不同草地的投入、產(chǎn)出、收益和相對(duì)效益使用Excel計(jì)算。投入提高的情景下,草地利用結(jié)構(gòu)的模擬使用LINGO 17.0模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地管理方式的投入成本差異

包括天然放牧草地在內(nèi)的六種草地管理方式,其投入成本差距巨大(表2)。

其中天然放牧草地為零投入,圍欄草地的成本最低,僅有圍欄的建設(shè)費(fèi)用；一年生人工刈割草地最高,為圍欄草地的114倍。

從成本的組成看,播種、施肥、圍欄中的成本主要是物資和機(jī)械使用成本,其為人工成本的6—80倍。而收獲中的成本主要人工成本,其為物資和機(jī)械使用成本的6倍多。

從時(shí)間上看,草地恢復(fù)相關(guān)的管理,包括圍欄草地、免耕補(bǔ)播草地、翻耕圍欄草地的投入成本主要集中在恢復(fù)措施實(shí)施的當(dāng)年,基本無(wú)后續(xù)管理年份成本。牧草生產(chǎn)相關(guān)的管理,包括多年生人工放牧草地和一年生人工刈割草地的投入成本每年都保持相對(duì)較高水平。

表2 不同草地管理的投入成本/(元/hm2)

2.2 不同草地管理的產(chǎn)出差異

同樣,六種草地管理方式的產(chǎn)出差異也巨大。其中相比生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,不同草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出差距更大(表3)。

草地恢復(fù)的三種管理方式中,圍欄草地、免耕補(bǔ)播草地、翻耕圍欄草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出主要來(lái)源于112.5元/hm2的禁牧補(bǔ)貼和農(nóng)牧戶(hù)外出的打工收入。從平均值上看,補(bǔ)貼只占到草地恢復(fù)管理下農(nóng)牧戶(hù)收入的14.6%,另85.4%來(lái)自打工收入。而多年生人工放牧草地和一年生人工刈割草地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出主要來(lái)自牧草和牲畜商品的售賣(mài),分別為圍欄草地的5.5倍與17倍。

從單個(gè)年份上看,2014年的免耕補(bǔ)播草地,即實(shí)施措施后的第二年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高,為2751元/hm2。2013年的翻耕圍欄草地,即實(shí)施措施的第一年最低,為1997元/hm2。從三年平均值上看,圍欄草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高,為2570元/hm2；一年生人工刈割草地最低,為2309元/hm2。

但從差距上看,不同草地管理方式下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大差距僅為27%,而經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出則是17倍。

表3 不同草地管理的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)產(chǎn)出

2.3 不同草地管理方式下投入產(chǎn)出收益和相對(duì)效益

利用產(chǎn)出減去投入,比較不同草地管理方式下的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)收益(圖1)?？梢缘贸?從經(jīng)濟(jì)收益上看,除了實(shí)施措施第一年的免耕補(bǔ)播虧本,其他草地管理方式的經(jīng)濟(jì)收益皆為正。而生態(tài)收益方面,由于多年生人工放牧草地和一年生人工刈割草地的高投入,這兩種草地管理方式的生態(tài)收益皆為負(fù)。

圖1 不同草地管理方式下經(jīng)濟(jì)和生態(tài)收益Fig.1 The economical and ecological benefit of different grasslands

利用相對(duì)效益指數(shù),可以比較不同草地管理方式對(duì)比天然放牧草地在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的相對(duì)效益(圖2)。

對(duì)比來(lái)看,圍欄、免耕補(bǔ)播、圍欄翻耕、多年生人工放牧和一年生人工刈割五種草地,僅免耕補(bǔ)播在經(jīng)濟(jì)效益方面低于天然放牧草地,其相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)為0.91,小于1。其余的皆大于天然放牧草地,而最高為一年生人工刈割草地,相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)為21.05。

而相對(duì)生態(tài)效益方面僅圍欄草地高于1,為1.02,其他草地皆小于1。表明在生態(tài)效益方面,只有圍欄草地高于天然放牧草地,其余草地的生態(tài)效益由于其成本的存在,都不高于天然放牧草地；其中一年生人工刈割草地為負(fù)值,表明其在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的收益方面是虧本的。

而從總效益上看,圍欄、免耕補(bǔ)播、多年生人工放牧和一年生人工刈割草地皆高于天然放牧草地,其相對(duì)總效益值分別為1.21、1.03、1.58和2.88,而翻耕圍欄草地的總效益則低于天然放牧草地,其相對(duì)總效益值為0.99。

圖2 相比天然草地,不同草地管理方式下經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的相對(duì)效益Fig.2 The relative economical and ecological benefit of different grasslands, comparing to natural grazing grassland其中相對(duì)效益值<0,表示該種草地在生態(tài)或經(jīng)濟(jì)收益方面虧本；0<相對(duì)效益值<1表示,雖然不虧本,但是該草地在生態(tài)或經(jīng)濟(jì)方面沒(méi)有天然放牧草地收益高；相對(duì)效益值>1表明,該草地在生態(tài)或經(jīng)濟(jì)方面比天然放牧草地收益高

2.4 增加投入對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)及收益的影響

增加投入會(huì)改變草地的土地利用結(jié)構(gòu),引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的變化(圖3)。

從村落整體尺度上看,投入增加初期(0—112.5元/hm2)會(huì)引起天然放牧草地向圍欄草地轉(zhuǎn)變,增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出即農(nóng)牧戶(hù)收入。其中當(dāng)投入從0增加到50元/hm2時(shí),約25%的天然放牧草地轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷻诓莸?經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出從259.5增加至641.8元/hm2；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從2441.6增加至2537.4元/hm2。

投入增加中期(112.5—4000元/hm2)會(huì)引起圍欄草地向一年生人工刈割草地轉(zhuǎn)變,增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,但同時(shí)降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給。每增加500元/hm2的投入,約有6.6%的圍欄草地轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟斯へ赘畈莸?并增加806.4元/hm2的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,減少17.2元/hm2的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

投入增加后期(超過(guò)4000元/hm2),由于本文設(shè)置的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給紅線,土地利用結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化,生態(tài)產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出保持不變。

圖3 草地投入增加下土地利用的變化及經(jīng)濟(jì)生態(tài)產(chǎn)出響應(yīng)Fig.3 The land use change and the response of economical and ecological output along the increase of grassland input

3 討論與結(jié)論

不同草地管理的效果差異很大,以往研究大多數(shù)單獨(dú)從生態(tài)或者牧草產(chǎn)量方面分析。有學(xué)者總結(jié)國(guó)內(nèi)人工草地的研究主要集中在施肥、灌溉、收獲利用方式、混播方式對(duì)牧草產(chǎn)量與品質(zhì)的影響方面[1]。例如,紫花苜蓿和其他草種混播的產(chǎn)量要高于單播14%—25%,牧草粗蛋白含量也要高于單播[22]。生長(zhǎng)期補(bǔ)水也會(huì)增加牧草生物量,最高能促進(jìn)單播紫花苜蓿產(chǎn)量增加157.52%[23]。在本文中,在生態(tài)和牧草產(chǎn)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入投入產(chǎn)出分析方法中,可以綜合比較不同草地管理的投入和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明,人工草地能較大的提高牧草產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益,但是會(huì)降低生態(tài)效益；但從總效益上看,一年生人工刈割草地和多年生人工放牧草地仍皆高于天然放牧草地和圍欄草地。但是,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值定量方法的局限性和不確定性有可能影響到投入產(chǎn)出分析中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和生態(tài)產(chǎn)出的比較,最終影響總效益[24-25]。

草地圍欄一般針對(duì)輕度退化的草地,基于生態(tài)系統(tǒng)自身的彈性和恢復(fù)力,在消除和減少人類(lèi)干擾等退化因素后,對(duì)草地進(jìn)行恢復(fù)。圍欄可以顯著提高草地蓋度、地上生物量和土壤碳氮庫(kù)[7]。翻耕主要會(huì)改善土壤通氣性,增強(qiáng)土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng),同時(shí)會(huì)切斷無(wú)性繁殖牧草的地下莖,促進(jìn)分蘗,增加其恢復(fù)速率；翻耕后補(bǔ)播和施肥能增加土壤養(yǎng)分,增強(qiáng)優(yōu)質(zhì)牧草的繁殖和擴(kuò)張,促進(jìn)恢復(fù)[2]。在本文中,若不考慮成本和效益,圍欄和免耕補(bǔ)播都能較好地恢復(fù)草地,且免耕補(bǔ)播第二年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在各年份各草地類(lèi)型中最高；但若考慮成本,圍欄草地的總體投入產(chǎn)出效益還是高于免耕補(bǔ)播。因此,考慮到性?xún)r(jià)比,只有那些無(wú)法通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)力恢復(fù)的中重度退化草地,才需選擇免耕補(bǔ)播恢復(fù)。

模擬投入增加下土地利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)和草地總效益響應(yīng)的結(jié)果表明,當(dāng)草地投入不足時(shí),圍欄草地是一個(gè)相對(duì)效益比較高的草地恢復(fù)和利用方式,但是對(duì)牧戶(hù)收入的增長(zhǎng)非常依賴(lài)禁牧補(bǔ)貼和城市打工崗位的供給。對(duì)于多年生人工放牧草地,雖然其投入比一年生人工刈割草地低,同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益比圍欄草地高,但由于其在經(jīng)濟(jì)方面的性?xún)r(jià)比不如刈割草地,生態(tài)方面的性?xún)r(jià)比不如圍欄草地；因此在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的最優(yōu)模型中,并未出現(xiàn)。而一年生人工刈割草地,不僅經(jīng)濟(jì)效益高,其收獲時(shí)需要大量勞動(dòng)力。

所以,當(dāng)草地投入增加,或者當(dāng)城市打工崗位不足時(shí),可根據(jù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生態(tài)保護(hù)目標(biāo),合理配置圍欄草地與一年生人工刈割草地,實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域較大的經(jīng)濟(jì)收入增長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保障；并且本地吸納勞動(dòng)力和解決就業(yè)。本文將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入投入產(chǎn)出分析中,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土地利用模擬；此方法的構(gòu)建對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的跨學(xué)科研究有一定推動(dòng)性,未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)學(xué)科交叉促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展研究。