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生态系统服务价值分析

2015/06/10 阅读:

1数据与方法

1.1土壤以石灰土为主,土壤结构不良、质地黏重、缺乏团粒结构。为典型喀斯特中山峡谷地貌,山多、坡陡、北盘江河谷深切达980m(图1),生境要素垂直分异明显,具有典型干热河谷气候特征,冬春温暖干旱,夏秋湿热,热量资源丰富;年均温18.4℃,年均极端最高气温为32.4℃,年均极端最低气温为6.6℃,年均降水量1100mm,但时空分布不均,5—10月降水量占全年总降水量的83%;生态环境严酷,石漠化十分严重,曾是联合国教科文组织界定的不适宜人居环境。示范区于2000年开始治理工作,初步统计2000—2010年示范区共实施封山育林育草172.2hm2,栽植顶坛花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.dintanensis)、金银花(Lonicerajaponica)、火龙果(Hylocereusundatus)等经济林104.5hm2,实施坡改梯7.9hm2、人工种草1.2hm2。通过屋面集雨、坡面蓄水、泉点引水等方式,基本解决农户饮水问题。花椒、金银花、火龙果已形成气候,成为研究区农户主要经济收入;“顶坛模式”[22]成为石漠化治理的成功典范。

1.2数据来源1)土地利用/覆被数据采用2000年、2005年和2010年3期卫星遥感影像(空间分辨率5m),将研究区划分为耕地、林分、灌丛、经济林、裸岩荒地和其他生态系统6种类型(2000年涉及除经济林外的5种类型)。其中,耕地生态系统包括水田和旱地,林分生态系统包括密林地(有林地),灌丛包括灌木林地、灌草丛,经济林主要为花椒林,裸岩荒地包括荒草地和裸岩石砾地,其他生态系统包括建筑用地(居民点、工矿用地、道路交通用地)和水域。在3S技术平台下,用遥感影像的光谱特征自动提取和人机交互解译相结合的方法,同时叠加1︰10000地形图、同时期1︰10000土地利用图、1︰10000林业二次调查图(来源于贵州省贞丰县和关岭县国土、林业局)等图件综合分析,最后经过野外实地验证校正,正确率达到96%以上,建立研究区生态系统类型空间数据库(图2)。2)植被生物量测定研究区共设置有12个不同植被配置样地,其中灌丛2个、裸岩荒地2个、耕地2个、林分2个、经济林4个;每个样方设置1个20m×20m样地。于2005年开始监测,对于2000年的植被与土壤监测,采用时间代替空间方法,将2005年对应的类型样地中植被与土壤数据最小值作为2000年值。林木地上部分生物量运用公式(1)和(2)[23]进行计算。草本生物量,在样方对角线的两端和中点处选择5块1m×1m的子样方,将其内的草本植物剪至根部,收集称其鲜重,带回实验室在80℃下烘干至恒重并称其干重,精确到0.01g(表1)。3)土壤数据在所设置的12个不同样地内选择有代表性的采样点,铲去表层约3cm左右的土壤,然后倾斜向下切取10~20cm深度的土壤。将各采样点土样集中一起混合均匀,每块样地采集土样约1kg,即为混合土壤样品;同时将已知体积的环刀压入土中取环刀土。将土样一并带回实验室进行理化性质测定,包括:土壤容重(环刀法)、土壤自然含水量(烘箱法)、田间持水量(威尔科克斯法)、速效钾(醋酸铵浸提火焰光度法)、有效磷(碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法)、碱解氮碱解(扩散法)、有机质(重铬酸钾外加热法)等(表2)。4)涵养水源量生态系统涵养水源量包括林冠一次最大截留量、枯落物层最大持水量和灌草层最大持水量。由于处于植被严重退化喀斯特石漠化地区,疏林地无法达到常态地貌下的郁闭状态,林下枯落物层较薄,其涵养水源量以土壤层涵养水源量计算。土壤层涵养水源量计算公式。土壤田间持水率,n为土壤的种类数(每种植被覆土壤视为一类)(表3)。5)土壤侵蚀量数据土壤侵蚀量主要通过沉沙池来测量,沉沙池建在研究区南岸斜坡中段,是一相对封闭的小流域,流域集水面积26.30hm2。流域出露岩石全为垄头组碳酸盐岩,坡度26~35。径流小区建设时,生态系统类型构成中耕地占30.1%、林分3.4%、灌丛33.4%、裸岩荒地12.9%、其他21.4%。通过拦截将流域径流汇入沉沙池(沉沙池长5.0m、宽2.5m、深2.3m,其长轴方向和流域一致)。于1999年开始水土流失监测,每年3月、8月、12月3次将沉沙池收集到的土壤带回实验室烘干称重,累计得到土壤年流失量。计算得到土壤侵蚀模数,2000年、2005年和2010年土壤侵蚀模数分别为24.54t•km2•a1、21.36t•km2•a1和14.64t•km2•a1。以面积比例测算示范区土壤流失量。6)其他数据社会经济数据源于课题组2000年、2005年、2010年以农户为单位进行的实际调查统计得到。

1.3生态系统服务价值评估方法

1.3.1产品供给生态系统的产品供给价值可以通过市场交换来实现[19]。研究区经济产品主要有林花椒、红龙果、金银花,粮食有玉米、花生、红苕,牲畜有猪、牛、鸡,在调查过程中归为粮食种植收入、经济林收入和畜牧业收入3项统计,经价格指数调整后作为产品服务价值(表4)。

1.3.2保持土壤土壤保持价值是石漠化生态系统最为重要的服务类型之一。根据不同年份土壤流失面积(耕地+林分+灌木+经济林+裸岩荒地面积)计算得出流失量。采用影子工程法,以该区域2010年土地整理工程客土覆盖单价7.29元•m3计算研究区土壤保持价值。

1.3.3涵养水源价值生态系统涵养水源量包括林冠一次最大截留量,枯落物层最大持水量和灌草层最大持水量。由于处于植被严重退化喀斯特石漠化地区,林分无法达到常态地貌下的郁闭状态,林下枯落物层较薄,其涵养水源量以土壤层涵养水源量计算。采用替代成本法,以研究区2010年饮用水水价5.36元•m3估算涵养水源的价值。

1.3.4固定CO2和制造O2价值植物固CO2:根据光合作用反映方程式,推算每形成1g干物质,需要吸收1.62gCO2,释放1.2gO2[25]。根据监测的林木和草本生物量计算出生态系统固定CO2量和释放O2量;采用市场价值法,生态系统的固碳价格按碳税法[1.02元•kg1(C)][26];O2以我国工业制氧影子价格计。

1.3.5维持与增加土壤肥力在野外实地监测的基础上,将土壤样品带回实验室测试,获取土壤有机质、水解氮、有效磷、速效钾含量。有机质生产影子价格按51.3元•t1计算[25];氮、磷、钾将其转变为相应的化肥量,再采用市场价值法,以尿素2500元•t1(氮含量46%)、磷肥800元•t1(磷含量20%)、钾肥3500元•t1(钾含量30%)的市场价值来估算肥力保持的价值。

2结果与分析

2.1生态系统类型转变与面积变化研究区10a的生态系统类型变化过程中,发生转变的面积14.29hm2,占总面积的27.7%。其中林分、灌丛、其他生态系统面积有所增加,而耕地、裸岩荒地面积大幅度减少。经济林面积增加最快,其次为林分、其他生态系统和灌丛;面积减少最大的是耕地,其次为裸岩荒地(表5)。研究区生态系统变化与生态治理工程的类型、实施场所密切关联。经济林面积增加主要归因于大面积坡耕地退耕还林为花椒林,林分面积增加因灌丛经过10a的恢复演变为林分,灌丛面积增加主要因裸岩荒地生态治理后演变为灌丛,其他生态系统增加主要因研究区公路建设、居民用地增加所致。这些土地的增加从而导致耕地、裸岩荒地面积减少。2000—2005年研究区生态系统类型发生转变的面积11.83hm2,占土地总面积的22.9%,主要变化区域集中在河谷岸坡两侧实施退耕还林区域。其中以耕地和裸岩荒地向经济林转变最为强烈,5a间耕地和裸岩荒地向经济林转出面积占总转变面积的72.2%,其余各类型生态系统之间的转变程度比较微弱(表5)。2005—2010年研究区生态系统类型发生转变的面积仅占总面积的4.8%,与上一阶段相比转变强度明显降低,变化区域较为分散。其中,以裸岩荒地向灌丛转变为主,占这一阶段发生转变面积的61.1%。其余生态系统相互转变程度较小。相比较,生态系统转变主要在前期,这和研究区大面积治理工程在2000—2003年实施有密切的关系。

2.2生态系统服务价值变化

2.2.1产品供给2000—2010年研究区产品供给价值共增加2.39×107元,其中经济林和畜牧业收入贡献率达96.6%,粮食收入仅为3.4%。经济林和畜牧业成为主要经济来源,生态治理措施产生了良好的经济成效。粮食种植收入减少一方面因为耕地面积减少,另一方面也反映传统种植业效益低下。与2000年相比,2005年产品供给价值增长5.22×106元,年均增长1.05×106元;2005—2010年增长1.86×107元,年增长3.73×106元。后期增幅较前一段比较大,其中经济林收入翻了6倍,主要受花椒栽植后5年才能进入盛产期的影响。

2.2.2涵养水源2000—2010年研究区生态系统的水源涵养价值共增长5.82×106元(表6),其中,林分、灌丛和经济林生态系统的水源涵养价值共增加8.28×106元,而耕地和裸岩荒地生态系统涵养水源价值减少2.60×106元。前期水源涵养价值增长额度占其总增长量的56.6%,比后期增长幅度大,其原因是低服务功能的裸岩荒地向高服务功能的经济林生态系统转移时间主要发生在前期。两个阶段均显示林分、灌丛和经济林生态系统的水源涵养价值增加,而耕地和裸岩荒地涵养水源价值减少。从单位面积生态系统水源涵养价值看(图3),2000—2010年价值均呈增长趋势,表明退化生态系统治理后的保水能力增强;同时反映耕地和裸岩荒地涵养水源总价值的减少是由于景观面积大幅度减少所造成的。在不考虑生态系统转变对涵养水源影响情况下,以2005年单位生态系统水源涵养价值为系数乘以2010年景观面积,得出涵养水源价值增加为2.52×106元,占2005—2010年该项价值增幅的85.5%,说明价值的增加主要贡献为生态治理后系统内该项价值的提升,而不是生态系统类型变化引起的。

2.2.3保持土壤2000—2005年研究区生态系统的土壤保持价值一共增加1274元,年增长255元;与2005年相比,2010年研究区生态系统的土壤保持价值共增加2432元,年增长486元。保持土壤价值增加一方面是生态治理后研究区土壤侵蚀面积减少,另一方面是土壤侵蚀模数降低。但总体上土壤保持价值变化较小,这与所处环境水土流失特殊性有关,一是流域成土母岩为较纯的碳酸盐岩,成土速率低,裸岩面积比率高;二是土壤被长期侵蚀,流失和可流失的量少[27]。同时,也反映生态恢复前期植被类型、面积比例虽然发生明显变化,但还不能很好地阻止水土流失。另外研究区前期恢复主要峡谷两岸的经济林,但径流从坡地中上部分汇集流经花椒林地过程中一样带走大量泥土。生态恢复后阶段,坡地中上部植被得到恢复,固土保水能力增强,坡面径流减少。因此,退化生态系统整体恢复改善后,才能有效控制区域整体水土流失。

2.2.4固定CO2、释放O2价值2000—20010年研究区生态系统固定CO2、释放O2价值共增加5.23×107元,除耕地外其他类型生态系统该项价值均增加,其中以林分和灌木林生态系统增幅为显著,贡献额度最大。在总增加额度中后阶段所占比例较大,为89.9%。单位面积生态系统固定CO2、释放O2价值除耕地没有发生变化外,其余类型生态系统价值均呈增长趋势,生态治理后系统固定CO2、释放O2能明显增强(图4)。同时耕地该项功能价值减小原因是景观面积的减少。采取2.2.2相似方法,得出固定CO2、释放O2价值增加为6.60×107元,占2005—2010年该项功能增加总值的59.1%。价值的增加一方面因从固定CO2、释放O2价值的低服务功能生态类型向高服务功能类型转变;另一方面来源于生态治理后,系统内该项服务价值的提高,其中前者起着主要作用。

2.2.5维持与增加土壤肥力2000—2010年研究区土壤肥力价值一共增加1.40×107元,各类型生态系统该项价值均有不同程度增加;在总增加额度中后阶段所占比例较大,为73.8%。从单位面积看,生态恢复后各类生态系统土壤肥力服务价值亦均呈增长趋势,且同样表现出后期增加趋势更明显(图5)。同时,土壤肥力服务价值增加主要归功于生态恢复后系统内该项功能价值的提高,且这部分贡献占绝对主导作用。

2.2.6生态系统服务总价值变化石漠化生态系统服务价值在生态恢复后显著增加,10年间共增加了9.61×107元。其中,前期年均增长3.49×106元;后期年均增长1.57×107元,较前期增长更为显著。不同恢复阶段生态系统服务功能增长部分构成中,固定CO2、释放O2价值,产品供给价值和土壤肥力都是主要组成部分(表7)。

3结论

研究区生态系统服务价值的增加一方面源于服务价值低的生态系统向服务价值高的演变(10年间研究区耕地和裸岩荒地向经济生态系统转出868.60hm2),但不是引起研究区生态系统服务价值大幅度上升的主要原因;另一方面归功于生态治理后系统内部服务价值的增加,其贡献率大于80%,是驱动区域整体生态系统服务价值变化的主导因素。喀斯特石漠化生态系统在治理后类型间发生明显转变与空间替代。2000—2010年研究区生态系统类型发生转变的面积占总面积的27.7%,其中前期发生转变面积占总转变面积的83.0%;后期占17.0%。生态系统转变强度、场所与所实施的生态治理工程的数量、区域密切相关。研究区大规模生态治理工程主要在2000—2003年实施,区域为河谷岸坡两侧退耕还林(栽植‘顶坛花椒’),因此,前期转变较为强烈,且主要场所集中在峡谷两侧。同时,退耕还林实施后,生态系统转变较为快速、集中和强烈;而同期实施的自然和人工辅助恢复区域,生态系统类型在前后两期变化都不剧烈,表现为随着时间推进在缓慢演变。生态恢复措施实施后生态系统类型间发生转变响应较快,相比较服务功能价值变化有一定滞后性。研究区保持土壤、固碳释氧、土壤肥力服务价值增加幅度都呈现出前期较小后期较大的特点。生态治理后尽管植被较快得到恢复,但生态系统保土蓄水、固碳释氧、改善土壤环境等功能整体提升还不明显;在经过5年恢复期后,各项功能价值才表现出大幅度增加,退化生态系统才得到很好的恢复和好转。生态系统服务价值极为复杂,在本研究评估的仅是5项主要服务功能指标,尚不能准确反映区域生态系统价值变化,但其基于实地监测、调查数据基础上的估算值,有一定参考意义。

作者:高渐飞 熊康宁 单位:贵州省山地资源研究所 贵州师范大学中国南方喀斯特研究院 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心

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