土地開發整理生態效益后評價的能值分析研究——以山東省淄博市窯峪流域與花林流域土地整理項目為例

趙俊銳,朱道林

(1.中國農業大學土地資源管理系,北京100193;2.山東省淄博市國土資源局,山東淄博255032)

土地開發整理,包括土地開發、農用地整理、居民點整理、土地復墾等,是以未利用地或廢棄居民點用地為對象、整理增加耕地為目標的土地利用調整措施.土地開發整理除了直接的經濟效益、社會效益,即增加耕地,提高農業生產水平外,也使生態環境發生變化.

目前,全國用于基本農田保護和建設、土地整理、耕地開發的總投入,每年合計在1 000億元左右[1].但是,國家和地方巨額的財力、人力、物力的投入,是否達到土地開發整理預期的目標,在多大程度上緩解了我國人地矛盾,改善了農村生態環境,提高了土地生產能力,土地開發整理產生了正的還是負的外部效益等一系列問題,都必須在分析了解土地開發整理投資項目實際取得的效益的基礎上進行判斷與回答.

本文運用能值分析理論和方法,把自然環境系統與人類社會經濟系統有機地聯系和統一起來,通過計算分析土地開發整理前后自然環境系統無償能值輸出的變化量情況,研究土地開發整理的生態效益.

1 土地開發整理生態效益分析評價因子的選取

1.1 固碳制氧能值

植物通過光合作用固定太陽能,吸收空氣中的CO2等物質,并將其轉化為有機質,增加生物量,同時釋放出.相關研究證實,生態系統每生產1.00 g植物干物質能固定1.63 g釋放1.20 g.未利用土地主要為落葉灌叢,計算時參照落葉灌叢的年凈生產量.參照有關研究,釋放O2的能值轉換率為5.11×107sej/g,吸收CO2的能值轉換率為3.78×107sej/g[4].

市場價值法中農作物生物量與其經濟產量的關系式為

式中:Q為農作物生物量;B為經濟產量;R為經濟產量含水率;f為經濟系數.

1.2 土壤肥力保持的能值

選取土地開發整理前后,土壤保持量中N、P、K含量的變化情況作為因子,計算土壤肥力保持的能值量,然后通過分析土壤的化學性質計算土壤肥力保持的能值.

應用通用土壤流失方程(USLE)對不同土地利用類型的土壤侵蝕的現實侵蝕量和潛在侵蝕量分別進行估算,潛在侵蝕量與土壤侵蝕量兩者之差即為生態系統土壤保持量.USLE方程的形式為

式中:A為土壤侵蝕量(t/(hm2?a)).R為降雨侵蝕力因子,采用R=0.009計算,Pˉ為年平均降雨量(mm)為平均年最大60 min、1 440min雨量(mm),根據文獻[5] R值取355.1(參考濟南取值).K為土壤可蝕性因子,可從諾漠圖中查得,項目區為0.6(砂質粘壤)t/hm2[6].LS為地形因子,以長20 m、寬5 m、坡度為10°為標準小區,按LS=1.07計算[5],其中λ為坡長(m),a為坡度(b).C為地表植被覆蓋因子,當地面完全裸露時,C值為1.0;如果地面得到良好的保護時,C=0.001;根據文獻[7] 中覆蓋的草地確定C值取值為0.15.P為土壤保持措施因子,0代表無侵蝕地區,1代表未采取任何水保措施的地區,參考文獻[7] ,草地取值為1.

根據文獻[6] 可知,氮的能值轉換率為4.63×109sej/g,磷的能值轉換率為1.78×1010sej/g,鉀的能值轉換率為1.74×109sej/g.

1.3 表土形成能值

選取土地開發整理前后,土壤形成的數量作為因子,計算土壤形成的能值量.

農業土壤的形成不僅受到自然成土因素(母質、地形、氣候、生物和時間)的影響,還受到耕種、施肥、灌溉等農業技術措施和平整土地、修筑梯田、改良土壤和營造防護林帶等農田基本建設措施的影響.根據有關資料,土壤生物區系每年可以促使每公頃土地形成1t的表土[8],單位面積的耕地和未利用地土壤形成的價值分別為1 291.90元/hm2?a、17.7元/hm2?a[9].土壤形成的能值轉換率為1.70×109sej/g[4].

1.4 土壤蓄水能值

選取土地開發整理前后土壤的持水量作為因子,重點分析土壤含水能力,計算土壤蓄水的能值量.

生態系統涵養水分功能主要表現在截留降水、增強土壤下滲、抑制蒸發、緩和地表徑流和增加降水等方面.土壤中多余的水分以重水的形式保存到土層當中,從而起到了涵養水分的作用.采用土壤畜水法來評價生態系統涵養水分功能.根據相關的資料可知,土壤容重ρ為1.30 t/m3[10],土壤水吉布斯自由能為4.94×103J/kg,能值轉換率為4.80×104sej/J[11].

1.5 生物多樣性能值

選取土地開發整理前后項目區植物物種的物種數作為因子,根據這些物種活動分布面積占全球的比例,可計算出生物多樣性能值總量(地球面積5.21×1014m2)[12],從而計算生物多樣性保持的能值量.

Ager估計在地球歷史的長河中,1.5×109個生物種的形成經過了2×109a的進化.平均每個物種的太陽能值,可以用地球年能值總量9.44×1024sej/a計算[8]:

(9.44×1024sej/a)×(2×109a)/(1.5×109種)=1.26×1025sej/種

土地開發整理對未利用土地進行開發,破壞了原有植被,因此主要考慮未利用土地植被的變化情況.魯中山區位于山東省中部,該區植物種類豐富,有維管植物151科,644屬,1 402種[13],主要以松類、柏類和落葉闊葉樹為主,灌木分布最廣的是黃荊、酸棗和胡枝子,還有紫穗槐、白蠟、金銀花、玫瑰花以及近幾年引進的沙棘等.草類主要有苜蓿、黃背草、白羊草、狗尾草、茵陳蒿、藎草、馬唐、鬼針草、畫眉草等.

2 土地開發整理實證分析

2.1 窯峪流域土地整理項目

淄博市窯峪流域土地整理項目區位于淄博市博山區池上鎮窯峪流域,處于東經、北緯之間,東至趙莊村,南臨七峪村,北至板山村,西至西池村界,包括池上鎮東池、小里、大里、河南、陡溝、西陳疃、東陳疃7個村,人口3 216人,勞動力1 845人,人均耕地686.67 m2.項目區地貌類型屬于丘陵地區,土壤類型為棕壤,土壤偏砂,土層厚度15～30 cm,底部為易風化的片麻巖.項目總投資747萬元,建設規模331.9公頃.項目區土地利用類型面積及變化見表1.

表1 項目區土地利用類型面積及變化 hm2

2.1.1 土地開發整理項目實施前生態效益

2.1.1.1 固碳制氧的能值

項目區主要種植小麥、花生、黃煙,利用公式,計算其相應的生物量,結果見表2.計算時,花生經濟產量的含水率和經濟系數參考文獻[10] ,小麥參考稻谷的折算系數,黃煙參考蔬菜的折算系數.未利用土地主要為落葉灌叢,計算時參照落葉灌叢的凈生產量每公頃29 017(t/a)[14].結合相應的能值轉換率,項目區土地開發整理前釋放O2的能值量為7.87×1016sej,能值貨幣價值為3.77×104＄;吸收CO2的能值量為7.91×1016sej,能值貨幣價值為3.78×104＄.

表2 項目區土地開發整理前地固碳制氧數量計算表

2.1.1.2 土壤肥力保持能值

(1)土壤肥力保持量的計算

項目區土壤侵蝕量為

潛在侵蝕量計算不考慮地表植被覆蓋因子C和人為管理因子P,即令C=1、P=1.

這時USLE方程的形式為

潛在侵蝕量與土壤侵蝕量兩者之差即為生態系統土壤保持量.即

(2)土壤肥力保持的能值計算

項目區內土壤為棕壤,單位面積土壤中N、P、K含量分別為

結合相應的能值轉換率,計算項目區土地開發整理前土壤保持能值量,結果見表3.

表3 項目區土地開發整理前土壤保持能值計算表

項目區耕地的土壤保持的能值為

2.1.1.3 表土生成能值

項目區土地開發整理前表土生成的能值如下:

2.1.1.4 涵養水源能值

根據項目區的實際情況,整理前田間持水量取15%,計算土壤涵養水源功能能值.

2.1.1.5 生物多樣性能值

2.1.2 土地開發整理項目實施后生態效益

2.1.2.1 固碳制氧的能值

土地開發整理后,項目區的各種作物的產量得到明顯的提高.同時,園地主要用于種植蘋果、梨、棗、板栗等,均為落葉闊葉樹種.相關研究表明,落葉闊葉林的年凈第一性生產力為459.70 g/(cm2?a),即凈生產量每公頃45 970(t/a)[14],固碳制氧數量計算見表4.

結合相應的能值轉換率,計算得項目區土地開發整理后釋放O2的能值量為1.05×1017sej,能值貨幣價值為5.00×104＄;吸收CO2的能值量為1.05×1017sej,能值貨幣價值為5.02×104＄.

2.1.2.2 土壤肥力保持能值

(1)土壤肥力保持量的計算

經過土地開發整理,項目區的地形坡度由原來的小于20°變為0.001～0.004°.根據文獻[6] 可知,山地旱地確定C值取值為0.22,P值取值為0.6.計算土地開發整理后項目區耕地的土壤保持量為

表4 項目區土地開發整理后固碳制氧數量計算表

(2)土壤肥力保持的價值計算

經過土地開發整理,計算得項目區單位面積耕地中的氮、磷、鉀的含量分別為

項目區土地開發整理后土壤保持能值見表5.

表5 項目區土地開發整理后農地土壤保持能值計算表

2.1.2.3 表土生成能值

項目區土地開發整理后,耕地的面積增加了45.44hm2,園地增加3.1 hm2,但整理前后土壤的生成能力并沒有太大的變化,因此在計算時仍按照每公頃土地形成1t的表土來計算整理后表土生成的價值.土地開發整理后項目區每年表土生成能值計算如下:

2.1.2.4 涵養水源能值

土地開發整理修成梯田后,項目區的土壤田間持水能力會有一定的提高,因此在計算時采用32%的持水量常數.

2.1.2.5 生物多樣性能值

項目區開發整理后,未利用土地變更為耕地與園地,耕地的面積增加了45.44hm2,園地增加3.1 hm2,主要是種植糧食作物、經濟作物等.糧食作物以小麥、玉米、甘薯、高粱、大豆為主,經濟作物有棉花、花生、黃煙等,多為二年三作.栽培較多的果樹有蘋果、梨、桃、葡萄、杏、柿、棗、山楂、核桃、板栗、櫻桃、李、花椒等,另外生物地堰主要栽種金銀花、苜蓿草等23種植物[15].生物多樣性能值計算如下:

2.1.3 項目區土地開發整理前后生態能值變化

根據以上得到的土地開發整理前后各因子的能值量及能值貨幣價值,按照公式計算可以得到項目區土地開發整理前后的生態效益計算結果見表6.Vi中,i=1,2,…,5,分別代表固碳制氧、土壤肥力保持、表土生成、涵養水源、生物多樣性的保護五項生態效益因子.按照公式V實施=V后-V前計算得到土地開發整理實施的生態效益.式中:V實施是土地開發整理項目實施取得的生態效益;V前是項目區土地開發整理前全部土地的生態價值之和;V后是項目區土地開發整理后全部土地的生態價值之和.

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2.2 花林流域土地整理項目(計算過程略)

山東省淄博市花林流域土地開發整理項目區位于博山區東南池上鎮花林流域,東經118°06′03″～118°09′53″、北緯36°18′23″～36°20′25″.涉及花林、七峪、店子、吳家臺、趙莊5個村,共有人口4 065人,其中勞動力2 128個.項目區地貌類型屬于丘陵地區,土壤類型為棕壤,土壤偏砂,土層厚度15～30cm,底部為易風化的片麻巖.項目總投資1 575萬元,建設規模647.4公頃(見表7).項目區土地開發整理前后生態能值變化見表8.

表7 項目區土地利用類型面積及變化hm2

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3 結論與討論

3.1 結論

(1)通過窯峪流域土地整理項目與花林流域土地整理項目的實施,項目區表土的形成、土壤肥力保持、涵養水源的能值均有所增加.說明通過項目的實施,一些技術措施的使用,耕地、園地面積增加及單位產量增加,農作物總產量提高,土壤保持、水土保持能力得到了提高.

(2)項目區生物多樣性的能值減少.分析原因,主要是由于項目區開發了大面積未利用土地,用于種植農作物和經濟作物,造成自然物種種類減少和自然物種占用土地面積的減少.因此,在土地開發整理時,要盡可能減少土地開發,增加土地整理,最大限度不破壞生態系統的整體性,維持生態系統的穩定.

(3)窯峪流域O2的釋放、CO2的吸收的能值變化為正值,花林流域為負值.分析原因,主要是由于窯峪流域項目區主要為土地整理,未利用土地開發較少,只有8.11 hm2,而花林流域開發了大面積未利用土地,達129.51 hm2.

(4)兩個項目區生態系統無償能值的投入造成的產品和服務的能值量均增加了1.65×1017sej,相應的能值貨幣價值增加了7.9×104＄.比較而言,窯峪流域土地整理項目投資績效比較高.

3.2 討論

土地開發整理引起了土地利用結構變化,導致了區域產品和服務價值的增減,表現在生態效益方面就是系統的無償能值利用的增減變化.因此應將合理開發利用土地資源,使土地開發整理向改善生態環境、保護生態資源方面發展,作為土地開發整理過程中的重要內容.

(1)土地作為自然的產物,其質量的提高必須遵循自然生態規律.在進行土地開發整理時,必須充分考慮土地生態系統內物質循環和能量流動的特點,考慮系統內各生態因素間的相互平衡,考慮土地生態系統與其他各相關環境系統間的相互關系,將土地生態經濟系統與與周圍生態環境作為一個有機整體考慮.

(2)生態系統具有整體性,在土地開發整理時,減少土地開發,增加土地整理,盡可能不破壞生態系統的整體性,維持生態系統的穩定.

(3)生態系統的平衡穩定依賴于物種多樣性.生物多樣性較高的群落意味著該植物群落具有較高的結構穩定性和功能多樣性.因此,在土地開發整理中要注意維護生物多樣性.

總之,土地作為自然的產物,其質量的提高必須遵循自然生態規律.在進行土地開發整理時,必須充分考慮土地生態系統內物質循環和能量流動的特點,考慮系統內各生態因素間的相互平衡,考慮土地生態系統與其他各相關環境系統間的相互關系,將土地生態經濟系統與與周圍生態環境作為一個有機整體考慮.

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