楊致遠，劉琪璟*，秦立厚，劉豐喆，斯慶畢力格,3

(1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.中國人民大學，北京 100871；3.鄂爾多斯市林業(yè)和草原事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

退耕還林工程是我國生態(tài)造林效果最為顯著的工程。目前，全國累計實施退耕還林還草5.15億畝[1]，在生態(tài)恢復上發(fā)揮了重要作用。評價退耕還林工程所產(chǎn)生的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益是衡量工程實施科學性和合理性的主要途徑，也是工程持續(xù)發(fā)展和保障政策效果的重要依據(jù)。已有眾多學者就退耕還林工程的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益進行了分析，從最初評價指標選取到評價方法的選擇再到具體應用，整個過程出現(xiàn)了眾多具有參考價值的研究成果。

延安市作為最早一批退耕還林工程實施的地區(qū)，曾被評為“全國退耕還林第一市”，對該地區(qū)退耕還林工程生態(tài)效益評價具有非常典型的代表性。但是目前對于該地區(qū)退耕還林地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的評估多集中于退耕還林前10 a的生態(tài)價值。經(jīng)過20 a的發(fā)展，目前延安市退耕還林工程產(chǎn)生的經(jīng)濟效益如何還需進一步評價。準確估算退耕還林工程產(chǎn)生的經(jīng)濟效益可以為評價退耕還林工程對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境改善的能力、分析退耕還林工程實施過程中投入與產(chǎn)出比、評估區(qū)域生態(tài)安全、量化生態(tài)補償?shù)忍峁?shù)據(jù)支撐。因此，本研究采用截止到2019年的延安市退耕還林數(shù)據(jù)，依據(jù)《退耕還林工程生態(tài)效益監(jiān)測評估技術標準與管理規(guī)范》(LY/T 2573-2016[2]和《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[3]對延安市退耕還林工程在凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養(yǎng)物質等5個生態(tài)功能進行物質量和價值量的評估，以期為退耕還林生態(tài)效益監(jiān)測評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部，黃土高原中南部，土地總面積37 029 km2，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)，地勢西北高、東南低；在氣候上屬于溫帶季風氣候，降雨集中于夏季，年均降水量為531 mm，呈現(xiàn)西南高、東北低的趨勢，年均蒸發(fā)量823.4～995.3 mm。延安市植被分布差異較大，南部地區(qū)屬典型的天然次生林植被生長較好，而北部森林資源較少，以灌木叢、草叢為主。自1999年退耕還林工程實施以來，延安市累計完成退耕還林面積48.90萬hm2，占全國退耕還林總面積的2.1%、陜西省退耕還林總面積的26.7%，森林覆蓋率由33.5%提高到52.5%，植被覆蓋度由46%提高到81.3%[4]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 延安市退耕還林工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于延安市退耕還林辦公室，時間跨度為1999-2019年。數(shù)據(jù)涵蓋延安市各縣、區(qū)、直屬林業(yè)局年度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及退耕還林工程包含的退耕地還林、封山育林、荒山造林3種不同恢復類型年度數(shù)據(jù)，以及不同林種、不同樹種年度數(shù)據(jù)。其余生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和社會公共數(shù)據(jù)通過查閱相關文獻獲取。樹種主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杏(Armeniacasibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、側柏(Platycladusorientalis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)。

1.2.2 指標選取 依據(jù)LY/T 2573-2016選取凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保育土壤、林木積累營養(yǎng)物質、固碳釋氧等5個功能16個分項評價延安市退耕還林生態(tài)效益物質量和價值量(具體指標見1.2.4～1.2.8)。本研究依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)對各項功能進行價值量估算。

1.2.3 生態(tài)功能修正系數(shù) 由于不同樹種不同林齡所發(fā)揮的生態(tài)效益不同，因此引入生態(tài)功能修正系數(shù)對不同樹種不同林齡林分進行修正[12]。一般來講林分生物量越大其生態(tài)服務功能越強[6]，生態(tài)功能修正系數(shù)可定義為：F=Be/Bo。由于本研究中所引用的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)大部分來自于退耕還林后能充分發(fā)揮生態(tài)功能的林地，因此喬木林選擇退耕20 a左右的林分生物量作為實測林分生物量，灌木林選擇退耕15 a左右的作為實測林分生物量。以5 a為間隔將林分劃分為4個齡級(Ⅰ-Ⅳ)，以對不同齡級林分所發(fā)揮的生態(tài)效益進行校正。主要退耕樹種不同齡級生物量(碳儲量)見表1[7-10]。

表1 不同樹種不同林齡生物量(碳儲量)Table 1 Biomass of different tree species and stand age (carbon storage) (t·hm-2)

1.2.4 凈化大氣環(huán)境 凈化大氣環(huán)境主要從滯塵、提供空氣負離子、吸收二氧化硫、吸收氟化物、吸收氮氧化物等方面進行評估。

1)滯塵物質量和滯塵產(chǎn)生的生態(tài)效益價值量的計算公式：

G滯塵=F×Q滯塵×A/1 000

(1)

U滯塵=C滯塵×G滯塵

(2)

式中：Q滯塵為單位面積林分年滯塵量，我國針葉樹種年滯塵能林為3 200 kg·hm-2，闊葉樹種滯塵能力為10 110 kg·hm-2[16]，本研究按退耕樹種將森林類型劃分為針葉和闊葉分別計算[12]；C滯塵為降塵清理費用，本研究取工業(yè)粉塵排污收費標準價格240元·t-1對滯塵價值進行計算[12]；A為林分面積/hm2。

2)空氣負氧離子物質量和其價值量的計算公式：

G負氧離子=5.256×1015×A×H×Q/L負氧離子

(3)

U負氧離子=5.256×1015×K負氧離子×A×H× (Q負氧離子-600)/L

(4)

式中：Q負氧離子為林分負氧離子濃度，個·cm-3；L為負氧離子壽命，min，喬木林分負氧離子濃度和壽命采用山西省太谷縣退耕還林刺槐、山桃、撂荒地的研究結果[14]，喬木林取刺槐林的觀測結果，山杏、山桃和其他經(jīng)濟林取山桃林的觀測數(shù)據(jù)，灌木林負氧離子濃度采用北京地區(qū)灌木林的監(jiān)測結果[15]；H為林分高度，m；K負氧離子為負氧離子生產(chǎn)費用，本研究中負氧離子生產(chǎn)費用為9.46元·10-18[12]。

3)吸收二氧化硫、氟化物和氮氧化物的物質量(G)和價值量(U)的計算公式：

G=F×K×Q×A/1 000

(5)

U=K×Q

(6)

式中：K為二氧化硫、氟化物或氮氧化物治理費用，本研究二氧化硫治理費用取1.85元·kg-1，氟化物治理費用為0.69元· kg-1，氮氧化物治理費用為0.97元· kg-1[12];Q為單位面積林分吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物量，根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報告》，闊葉林對二氧化硫、氟化物、氮氧化物量的吸收量分別為88.65，4.7 kg·hm-2·a-1和6 kg·hm-2·a-1。

1.2.5 涵養(yǎng)水源 涵養(yǎng)水源生態(tài)效益以調(diào)節(jié)水量產(chǎn)生的生態(tài)效益進行計算。調(diào)節(jié)水量的物質量和價值量的計算公式：

G調(diào)=10×F×A×(P-E-C)

(7)

U調(diào)=C庫×G調(diào)

(8)

式中：G調(diào)為調(diào)節(jié)水量總物質量；U調(diào)為調(diào)節(jié)水量價值量；C庫為水庫庫容造價，水庫庫容造價參照第8次森林生態(tài)系統(tǒng)評估，取值為8.44元·t-1[17]；P為降水量，mm·a-1；E為林分蒸散量，mm·a-1；C為地表徑流量，mm·a-1。本研究年平均降水量取李斌等[18]根據(jù)延安地區(qū)60 a氣象資料計算得出的結果531 mm·a-1。張瑜等[19]對黃土高原喬木林和灌木林在豐水年和干旱年的蒸散量進行了觀測，本研究取對應林分干旱年和豐水年蒸散量的均值作為退耕還林喬木和灌木的年蒸散量，喬木林蒸散量為 312.1 mm·a-1，灌木林為 264.4 mm·a-1。林分年徑流量采用胡有寧[20]的觀測結果，喬木林取5.07 mm·a-1，灌木林為4.89 mm·a-1。

1.2.6 保育土壤 保育土壤價的生態(tài)價值主要包括固土、保肥2個方面。

1)固土產(chǎn)生的物質量和價值量的計算公式：

G固土=F×A×(X2-X1)/ρ

(9)

U固土=C庫×G固土

(10)

式中：G固土、U固土分別為固土物質量和價值量；X1、X2分別為林地土壤侵蝕模數(shù)和無林地土壤侵蝕模數(shù)(t·hm-2·a-1)；ρ為土壤密度；C庫為水庫庫容造價。

不同林分土壤侵蝕模數(shù)采用劉卉芳[22]的研究結果，喬木林為20.58 t·hm-2·a-1，灌木林土壤侵蝕量為4.37 t·hm-2·a-1，無林地(荒草地)土壤侵蝕模數(shù)為68.31 t·hm-2·a-1，黃綿土的土壤容重為1.26 t·m-3[21]。

2)保肥包括土壤固氮、固磷、固鉀3個方面。

保肥物質量和其價值量的計算公式：

G肥=F×A×(X2-X1)×(N+P+K)

(11)

U肥=A×(X2-X1)×(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3)

(12)

式中：G肥、U肥分別代表保肥物質量和價值量；X1、X2分別為林地土壤侵蝕模數(shù)和無林地土壤侵蝕模數(shù)，t·hm-2·a-1；N、P、K為土壤中氮、磷、鉀含量，土壤氮、磷、鉀含量參考胡有寧[20]的研究結果；C1，C2為磷酸二銨和氯化鉀的價格，分別為3 300元·t-1和 2 800元·t-1[12]；R1為磷酸二銨含氮量(14%)；R2為磷酸二銨含磷量(15.01%)；R3為磷酸二銨含氮量氯化鉀含鉀量(50%)。

1.2.7 營養(yǎng)物質積累 樹木營養(yǎng)物質積累產(chǎn)生的生態(tài)效益價值主要考慮樹木積累氮、磷、鉀3個方面。樹木營養(yǎng)物質積累的物質量和價值量的計算公式：

G營養(yǎng)=F×A×B×(N營養(yǎng)+P營養(yǎng)+K營養(yǎng))

(13)

U營養(yǎng)=A×B×(N營養(yǎng)C1/R1+P營養(yǎng)C2/R1+K營養(yǎng)C2/R2)

(14)

式中：G營養(yǎng)、U營養(yǎng)分別為積累營養(yǎng)物質物質量和價值量；B為林分凈生產(chǎn)力；N營養(yǎng)、P營養(yǎng)、K營養(yǎng)為樹木氮、磷、鉀含量；R1為磷酸二銨含氮量(14%)；R2為磷酸二銨含磷量(15.01%)；R3為磷酸二銨含氮量氯化鉀含鉀量(50%)。喬木林分凈生產(chǎn)力采用高嵩[23]的監(jiān)測結果，灌木林采用土小寧等[24]的研究結果。林木氮、磷、鉀含量參考胡有寧[20]的匯總結果。

1.2.8 固碳釋氧 固碳釋氧產(chǎn)生的生態(tài)價值包括固碳和釋氧2個方面。

1)固碳包括林木固碳和土壤固碳2個方面，固碳物質量和其價值量的計算公式：

G碳=F×A×(1.63R碳×B年+F土壤)

(15)

U碳=C碳×G碳

(16)

式中：G碳、U碳分別代表固碳物質量和價值量，C碳為固碳價格，參照第8次森林生態(tài)評估取值為1 281元·t-1[17]；R碳為二氧化碳中的碳含量為27.27%；B年為實測林分年凈生產(chǎn)力，不同森林類型林分生產(chǎn)力取值同前文；F土壤為單位面積林分土壤年固碳量，土壤每年的固碳量采用毛琴琴[25]對退耕還林不同森林類型的研究結果，其中喬木林固碳量為0.23 t·hm-2·a-1，灌木林固碳量為0.56 t·hm-2·a-1。

2)林分制造氧氣產(chǎn)生的生態(tài)價值計算公式為：

U釋氧=1.19×F×C氧×A×B

(17)

式中：U釋氧釋氧價值量；C氧為氧氣價格，本研究取1 299.07元·t-1[12]。

2 結果與分析

2.1 延安市退耕還林工程不同恢復類型生態(tài)效益價值評估

延安市自1999年退耕還林以來年滯塵總物質量達385.73萬t，年提供負氧離子總物質量達120.34×1022個，年調(diào)節(jié)水量總物質量9.49億t，年固土總物質量為1 829.95萬t，年固碳總物質量110.02萬t，年保肥總物質量為37.55萬t，年積累營養(yǎng)物質總物質量為4.03萬t(表2)?？梢娡烁€林工程在改善生態(tài)環(huán)境、提供生態(tài)服務方面發(fā)揮了巨大的作用。從不同恢復類型上看，退耕地還林在各項生態(tài)服務功能上總物質量最大，其次為宜林荒山荒地造林，封山育林總物質量最小。

表2 延安市退耕還林工程不同恢復類型生態(tài)效益物質量Table 2 Quality of ecological benefits of different restoration types of the Grain for Green Project

延安市退耕還林工程年生態(tài)效益總價值量為173.10億元(表3)。其中，退耕地還林年生態(tài)效益價值量最高為104.67億元，約占總生態(tài)效益價值量的60.47%，宜林荒山荒地造林年生態(tài)效益價值量次之，為64.47億元，約占總生態(tài)效益價值量的37.24%。封山育林年生態(tài)效益價值量最少，僅為3.96億元，占總生態(tài)效益價值量的2.29%。在不同指標中，以涵養(yǎng)水源產(chǎn)生的生態(tài)效益價值量最高，為77億元，約占總生態(tài)效益價值量的44.48%，以積累營養(yǎng)物質產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最低，約占總生態(tài)價值量的3.38%。對于不同退耕類型年單位面積價值量，以退耕還林生態(tài)效益最大，為3.58萬元·hm-2，封

表3 延安市退耕還林工程不同恢復類型生態(tài)效益價值量Table 3 Ecological benefit value of different restoration types of the Grain for Green Project

山育林最小，為2.75萬元·hm-2，宜林荒山荒地造林為3.49萬元·hm-2(圖1)。

2.2 延安市退耕還林工程不同樹種生態(tài)效益價值評估

表4為延安市退耕還林工程不同樹種生態(tài)效益物質量。不同樹種的生態(tài)效益物質量差異較大，刺槐林產(chǎn)生的物質量最大，油松林產(chǎn)生的最小。產(chǎn)生這種差異的原因與不同樹種的特性以及不同樹種退耕面積有關。

表4 延安市退耕還林工程不同樹種生態(tài)效益物質量Table 4 Quality of ecological benefits of different tree species in the Grain for Green Project

延安市退耕還林工程產(chǎn)生的生態(tài)效益在不同樹種間的差異較大(圖2a)。刺槐林年生態(tài)效益最大，約為85.50億元，占總生態(tài)價值量的49.77%；沙棘林年生態(tài)效益次之，約為44.21億元，占總生態(tài)價值量的25.73%；油松林年生態(tài)效益價值最低，僅為2.14億元，占總生態(tài)價值的1.24%。從不同樹種單位面積年生態(tài)效益上看以刺槐生態(tài)效益最大，為3.87萬元·hm-2沙棘生態(tài)效益最低為2.53萬元·hm-2(圖2b)。雖然沙棘單位面積年生態(tài)效益較小，但由于沙棘造林面積較大使得沙棘總生態(tài)效益價值量較大，僅次于刺槐。

2.3 延安市退耕還林生態(tài)效益區(qū)域分布特點

延安市不同區(qū)域的生態(tài)效益物質量差異較大，排名靠前的地區(qū)主要有吳起縣、安塞區(qū)、志丹縣、子長縣、寶塔區(qū)，而洛川縣、黃龍縣、黃陵縣則較少。圖3為延安市退耕還林工程不同區(qū)域生態(tài)效益價值量，產(chǎn)生的生態(tài)效益價值量在區(qū)域分布上差異較大，以吳起縣取得的年生態(tài)效益價值量最大，達到了34.74億元，約占延安市退耕還林總生態(tài)價值量的20.06%。黃龍縣取得的年生態(tài)效益價值量最低，僅為0.33億元。從空間分布來看生態(tài)效益較高的區(qū)縣主要分布在延安市的北部地區(qū)如吳起縣、安塞縣、志丹縣、子長縣，而生態(tài)效益較低的區(qū)縣主要分布在延安市的南部地區(qū)，如黃龍縣、洛川縣、富縣、黃陵縣等。造成這種現(xiàn)象的主要原因為延安市北部縣區(qū)工程涉及范圍要大于延安市南部縣區(qū)[32]，使北部縣區(qū)退耕還林工程生態(tài)效益整體上高于南部地區(qū)。

3 結論與討論

3.1 結論

從凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、保育土壤、林木積累營養(yǎng)物質和固碳釋氧等5項生態(tài)功能對延安市20 a來退耕還林工程生態(tài)效益物質量和價值量進行了評估。結果表明，延安市退耕還林工程年生態(tài)效益總價值量為173.10億元，在5種生態(tài)功能中以涵養(yǎng)水源發(fā)揮的生態(tài)功能最大，其后依次為固碳釋氧、固土保肥、凈化大氣環(huán)境和積累營養(yǎng)物質。不同植被恢復類型以退耕地還林取得的生態(tài)效益最大，封山育林取得的價值量最少。不同樹種的生態(tài)效益以刺槐林最大。延安市退耕還林工程生態(tài)效益在空間分布上具有一定的差異性，表現(xiàn)為北多南少的空間分布特征?？h區(qū)級水平上的空間特征由大到小具體表現(xiàn)為：吳起縣、志丹縣、寶塔區(qū)、子長縣、延川縣、安塞縣、延長縣、宜川縣、黃陵縣、富縣、甘泉縣、市直局、洛川縣、黃龍縣。

3.2 討論

自退耕還林以來，延安市取得了巨大的生態(tài)價值，表明退耕還林工程在生態(tài)恢復上發(fā)揮了巨大作用，顯著改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。我國西部地區(qū)尤其是黃土高原地區(qū)由于其獨特的土壤特性，容易發(fā)生土壤侵蝕、水土流失問題，對土地土壤肥力保持、河流泥沙淤積有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)在凈化大氣環(huán)境、涵養(yǎng)水源、固土保肥、林木積累營養(yǎng)物質、固碳釋氧等5個服務功能中，延安市退耕還林工程產(chǎn)生的生態(tài)價值量以涵養(yǎng)水源、固土保肥2個生態(tài)服務功能為主，這與王紅霞等[26]對湖北省退耕還林生態(tài)效益研究、賀師雄[27]對黃河長江中上游省份退耕還林生態(tài)效益研究、賴亞飛等[29]對黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕還林(草)工程實施綜合效益評價的結果相一致。此結果也與退耕還林以恢復和改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失的主要目的相一致。說明隨著退耕還林工程的進行，工程區(qū)生態(tài)環(huán)境得到改善，植被蓋度不斷提高，在減少水土流失，增加植被生產(chǎn)力上成效顯著。

研究還發(fā)現(xiàn)，在不同修復模式上以退耕地還林產(chǎn)生的生態(tài)價值量最大，而封山育林模式產(chǎn)生的生態(tài)價值量最小。這與張巧紅等[28]對富縣退耕還林生態(tài)效益評價、張曉梅等[30]對陜西省退耕還林生態(tài)效益評價的研究結果相一致。但與王紅霞等[26]對河北省退耕還林生態(tài)效益研究得出的宜林荒山荒地造林模式生態(tài)效益最大的結果不同。這主要是由于不同地區(qū)在3種植被恢復方式上有較大的差異。截至2019年，延安市退耕還林工程中退耕地還林面積已達到44.17萬hm2，遠大于宜林荒山荒地造林面積的26.02萬hm2，面積上的差距使得延安市退耕地還林模式在生態(tài)效益上表現(xiàn)突出。由生態(tài)效益計算公式可知，造林面積是影響退耕還林生態(tài)效益的主要因子。另外從不同恢復模式單位面積年生態(tài)效益價值量上看，不同恢復模式在單位面積生態(tài)效益價值量上也存在一定的差異，這也是造成總價值量產(chǎn)生差異的一個原因。

研究發(fā)現(xiàn)，不同樹種的生態(tài)效益物質量和價值量相差較大，尤其以刺槐林和沙棘林產(chǎn)生的生態(tài)效益最突出。此結果主要與樹種特性和樹種退耕面積有關，而樹種面積在本研究中占有重要原因。陜西省作為我國最早一批退耕還林的省份，在造林過程中缺乏科學的指導，未能科學地選擇樹種、遵循適地適樹的原則，造成了造林樹種單一、樹種結構配置不合理等問題[31]。在工程實施過程中使得沙棘和刺槐造林面積過大，而對于鄉(xiāng)土樹種如山桃、核桃、油松、側柏等的選擇較少。從樹種特性來講，不同樹種的生理、形態(tài)特征決定了其發(fā)揮生態(tài)效益的大小，造成了不同樹種單位面積生態(tài)效益不同。例如，刺槐在所有樹種中生態(tài)效益最高，加上其面積較大使得總生態(tài)效益最大，雖然沙棘單位面積生態(tài)效益最低，但是由于其造林面積大使得其總生態(tài)效益較大。

由于缺乏退耕還林造林地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，本研究只能通過查閱文獻的方法來獲取相關數(shù)據(jù)，這也是相關研究中常用的方法，不可否認的是這種方法會對估算結果產(chǎn)生一定影響，但是本研究所引用的數(shù)據(jù)基本是研究區(qū)或黃土高原退耕還林地的實地監(jiān)測或調(diào)查數(shù)據(jù)，這有利于進一步提高本研究的估算精度。