果園生態系統養分循環功能及其經濟價值評估
——基于西安市的實證分析

宋喜芳,姚海榮, 張晨陽,陳 妮,周 玲,任媛媛

(1.陜西省西安市農業技術推廣中心, 陜西 西安 710061；2.西安市雁塔區農業技術推廣中心,陜西 西安 710061;3.陜西省現代農業培訓中心,陜西 西安 710003)

果園生態系統具有大氣調節、水土保持、涵養水源、養分循環等功能[1]。趙同謙[2]、謝高地[3]、陳仲新[4]、章家恩[5]等分別對森林、草地、濕地、農田進行了生態系統服務功能評估。本文研究西安果園生態系統養分循環及儲存功能。生態系統的養分循環主要通過生物庫、凋落物庫與土壤庫三者之間進行的，其中最主要的過程是生物與土壤之間的養分交換過程[6]。養分循環可讓生態系統中各物種間的生產與消費的能量發生轉變,最后又留在系統中,即養分從外界環境進入土壤,經過各種變化,再從土壤回到外界環境的一種周而復始的過程。筆者研究西安市果園生態系統維持養分循環功能及其價值，為果園生態系統的利用及發展提供數據支撐。

養分循環功能估算主要有：一是林分養分持留法。根據植物年凈生長量，測定N、P、K元素的比例，先計算林木生長每年從土壤吸收的養分，計算凋落物歸還土壤的養分進行測算，再根據化肥市場價格估算生態系統營養物質循環和養分積累的價值[7～9];果園生態系統固碳制氧功能,通過水熱平衡關系方程、植物的生理生態特點建立的自然植被的凈初級生產力模型，評估果園生態系統服務功能以及生態經濟價值[10],前人的研究結果認為草地系統參與生態循環的養分物質量與凈初級生產力的營養元素物質量一致[11]。二是土壤庫養分持留法估算養分循環功能。通過表層土壤養分含量、化肥平均價格對森林、果園等不同生態系統維持營養物質的循環功能進行了估算[12～13]。

筆者通過土壤庫養分持留法評估西安市果園生態系統全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質等常量營養物質的循環功能，然后通過影子價格法對各類營養物質的持留量進行價值估算。

1 研究區概況

以西安市果園生態系統作為研究對象，研究區域概況見前章節。據統計年鑒顯示[14～15]，2016年西安市水果產量107.74萬t，陜西省水果產量1 714萬t，西安市占6.29%；全省果樹總面積126.38萬hm2，西安果樹面積為5.32萬hm2，占全省的4.2%。西安市的果樹種植品種主要包括獼猴桃、葡萄、蘋果、石榴、棗等，其中獼猴桃種植面積和產量均居第一位。

2 資料的獲取

西安市2007-2016年的降水量、果園面積資料通過查閱西安市統計年鑒取得；西安市土壤數據為2005年測得，主要包括土壤類型、0～20 cm土壤養分含量包括有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀[16]；0～20 cm土壤容重資料參考西安市第二次土壤普查結果和近幾年西安市土壤測試的平均值，取1. 25 t·m-3。

3 分析方法

果園生態系統中生物與非生物環境之間不斷地進行物質交換,營養物質的循環也在生物庫、調落物庫以及土壤庫之間不斷地進行。生物庫與土壤庫之間的養分交換過程是最主要的過程,是植物進行初級生產的基礎,也對生態系統調節功能與過程的維持起重要作用[17]。維持生態系統養分循環功能的物質包括很多種類,但其中最主要的是全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質等。

因此，筆者通過土壤庫養分持留法對西安市果園生態系統全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質等常量營養物質的循環功能進行評估，運用影子價格法將各類營養物質的持留量進行價值估算。

根據西安市2007-2016年36 355個土壤采樣數據結果，主要有土壤深度0～20 cm的全氮、堿解氨、有效磷、速效鉀、有機質等土壤養分數據(見表6-1)，按照公式分別換算為標準的化肥磷酸二氨(NH4)2HPO4、氯化鉀KCl的總量，再分別折算成純氮、磷、鉀化肥的比例為132∶28、132∶31、75∶39。以1990年不變價作為對照計算，我國化肥平均價格為2 549元·t-1；薪材轉化土壤有機質的一般比例為2∶1，每噸薪材的機會成本為51.3元[18]；0～20 cm土壤容重取1.25 t·m-3。

表1 土壤養分含量 (t/t)

果園生態系統土壤中養分持留量的計算公式如下：

土壤中有機質的持留量：

M0=Hρ0C0A

(1)

土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的持留量，其中i為氮磷鉀：

Mi=HρiCiA(2)

果園生態系統維持養分循環功能價值量的計算公式如下：維持有機質循環功能的價值量：

E0=M0P0B0/10 000

(3)

維持氮磷鉀循環功能的價值量：

Eni=MiPBi/10 000

(4)

式中：E0為維持有機質循環功能的價值量(萬元·a-1)；Eni為保持土壤肥力經濟效益(萬元·a-1)；Mi為土壤中營養物質量(t·a-1),H為土壤的深度；C1為0～20 cm土壤有機質的含量；Ci分別為0～20 cm土壤養分(N、P、K)的含量；分別為0～20 cm土壤容重(t·m-3)；A西安果園面積(hm2)；B0為薪柴與有機質的比例，一般為2：1；P0為薪柴的價格，每噸薪材的機會成本為51.3元(1990年不變價)；Bi為將氮磷鉀轉換為標準化肥磷酸二銨[(NH4)2HPO4]、氯化鉀(KCl)的比例，其比例分別為132∶28、132∶31、75∶39；P為化肥價格，以1990年不變價計算我國化肥平均價格為2 549元·t-1。

4 結果與分析

4.1 西安市果園生態系統土壤庫養分持留量

通過西安市 2007-2016年的果園面積資料、土壤容重資料、西安市果園土壤養分的堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤有機質資料(見表1)，利用公式(1)和(2)分別計算出了西安市果園生態系統土壤庫養分持留量(見表2)，由表2可知西安市果園生態系統土壤庫養分持留量包括有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀由2007-2016年是逐年遞增的，由公式(1)～(2)可知果園面積是土壤庫養分持留量的主要影響因素，2007年到2016年果園面積增加較快(見圖1)，因此果園生態系統土壤庫養分持留量也快速增加，以后果園面積增幅變小，土壤庫養分持留量的變化也隨之變小。

西安市果園生態系統平均每年土壤庫養分持留總量為5 087.39萬t，其中有機質4 733.31萬t、全氮281.21萬t、堿解氮21.33萬t、有效磷6.15萬t和速效鉀45.38萬t。從表1可看出果園生態系統土壤庫中；有機質的持留量最高，氮的持留量居第二位，鉀排第三位，磷的持留量最少。

表2 西安果園生態系統2007-2016年土壤庫養分持留量分析 (萬t)

4.2 西安市果園生態系統維持養分循環功能的經濟價值

通過西安市果園生態系統2007-2016年土壤庫養分持留量及計算公式(3)～(4)，可以計算出西安市果園生態系統2007-2016年維持養分循環功能的經濟價值(見表3)。此為基于1990年不變價的經濟價值。由表3可知，果園生態系統維持養分循環功能的經濟價值是逐年遞增的，且與果園生態系統土壤庫養分持留量的變化結果有一致性的趨勢，主要受果園面積變化的影響(由公式(3)～(4)可知。由表6-3可知，西安市果園生態系統維持養分循環功能的總經濟價值平均每年為4 410.45×104萬元，其中有機質、堿解氨、有效磷和速效鉀的經濟價值分別為485.64×104萬元·a-1、256.29×104萬元·a-1、66.79×104萬元·a-1和222.47×104萬元·a-1。可見，西安果園生態系統循環功能中，維持有機質循環功能的經濟價值位居第一。西安市果園生態系統每單位面積每年維持養分循環功能的平均經濟價值評估為為39.6萬元·hm-2·a-1，其中維持有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀循環的經濟價值分別為4.36萬元·hm-2·a-1、30.34萬元·hm-2·a-1、2.3萬元·hm-2·a-1、0.6萬元·hm-2·a-1和2萬元·hm-2·a-1。可見單位面積果園生態系統平均每年維持養分循環的經濟價值全氮最高，其次是有機質、氮和鉀，維持磷循環的經濟價值最低。

表3 西安果園2007-2016年庫養分循環功能的經濟價值分析 (104萬元)

5 建議與討論

(1)采用土壤庫養分持留量法計算果園生態系統養分功能，利用土壤庫中的主要養分持留量(包括土壤有機質、氮磷鉀的含量)，計算果園生態系統單位養分循環的經濟價值。在計算量化過程中，采用的是土壤養分的平均值含量進行計算，未考慮年際變化對土壤養分含量的影響，不同程度地影響計算結果的精確度。本文采用的是堿解氮(非全氮)計算土壤氮循環過程中。例如，西安市果園生態系統土壤全氮含量為281.21萬t，而堿解氮含量僅為21.23萬t，而土壤堿解氮作為標準更能真實的反映生態系統養分循環功能。

(2)土壤貯存N、P的主要表層在0～20 cm，本文主要研究0～20 cm土壤表層的養分循環。在果園種植經營管理過程中應注重保護好表層土壤，建議通過果園生草等自然抑制雜草的方式進行除草，保護好果園生態小氣候、保持果園生態系統平衡。