黃土高原沿黃紅棗經濟林的生態效益評價

張 蕾，賀潤平，劉煥煥，陳 曦，殷海善

（1.太原師范學院管理系，山西晉中 030619；2.山西農業大學植物保護學院，山西太原 030031；3.山西農業大學資源環境學院，山西太谷 030801；4.山西農業大學農業經濟管理學院，山西太原 030006）

黃土高原是我國水土流失最嚴重的區域之一，而呂梁山和陜北屬于黃土高原的核心區，黃土廣布，土層深厚，溝壑縱橫；同時在氣候上屬于半干旱大陸性季風氣候，夏季雨量集中，水土侵蝕嚴重，是我國水土侵蝕模數最高的區域。呂梁山農業發展是生態友好模式，同時具備生態效益和經濟效益。1980 年土地承包到戶，尤其是自2000 年退耕還林工程開展以來，傳統經濟林樹種紅棗作為黃土丘陵區水土流失治理的重要生態工程和貧困山區農民脫貧致富的重要產業基礎[1]，在黃河中游兩岸的各縣大面積發展起來。沿黃紅棗生態經濟林產業帶建設的初衷，是從有生態風險的農作物轉變為生態風險小的紅棗林，減少水土侵蝕，增加全社會的福利；同時獲得經濟利益，富裕山區人民，即國家得生態、農民增加收入，生態和經濟兩全其美[2]。

但是晉陜峽谷沿黃紅棗經濟林多數為坡耕地。諸多研究表明，坡耕地上發展經濟林，普遍存在生態效益不高的問題。大別山區坡式經濟林地，由于在建設之初缺乏水土保持措施，水土流失十分嚴重[3]。南方紅壤丘陵區是我國土壤侵蝕較為嚴重的地區，坡地經濟林（柿子）下不除草的減沙效益最明顯[4]。在湖北省象鼻嘴小流域內，馬尾松天然林模式的蓄水、保土功能最強，經濟林+配置地埂植物籬模式在人工植被恢復模式中的蓄水、保土能力比撂荒地模式優，但人工經濟林+植物籬模式的水土保持功能比天然林模式還有一定差距[5]。在四川盆地紫色土桃園和盆邊山地黃壤茶園的研究表明，與傳統耕作除草相比較，不除草試驗處理的土壤侵蝕量大幅度降低[6]。四川省大英縣的退耕還林（草）的2 種經濟林配置模式中，果—草模式的水土保持效果均顯著高于果—蔬模式和農耕地[7]。

我國早期對水土流失治理生態效益評價的研究，主要集中在蓄水保土效益評價上，難以體現水土流失生態修復的綜合生態效益。隨著生態修復治理水土流失理念的提出，以及人們對生態效益內涵的深入理解，生態效益評價指標體系逐漸完善和發展。大量研究分別涉及到土壤環境效益（蓄水保土效益、養分、質地、pH 等）、群落生態效益（生物量和多樣性）、大氣環境效益（溫度、濕度、CO2、O2）等評價指標。近些年所建立的評價指標體系在反映蓄水保土效益的同時，也評價了生態系統結構的合理性和具體的生態機能等。建立健康的流域生態系統是水土流失生態修復的最終目標，生態效益評價指標體系應當反映生態系統長期的“活力”。目前，國際上多數研究將生態系統健康基于植被結構、生物多樣性和系統生態過程，從而全面地體現生態修復學會制定的生態系統健康屬性[8]。

2012 年以來，晉陜峽谷沿黃紅棗經濟林產業出現了新情況、呂梁紅棗和陜北紅棗都出現了價格低、銷售難和拋荒多的情況，個別縣紅棗經濟林拋荒比例高達70%以上，黃土高原晉陜黃河兩岸紅棗經濟林的可持續發展問題成為當前的一個基本問題[9]。在經濟效益基本喪失的情況下，黃土高原沿黃紅棗經濟林產業帶究竟能產生多少生態效益。基于此，本研究通過分析不同經濟林地的生態效益，以期對黃土高原沿黃紅棗經濟林產業帶的生態效益給予全面、科學的評價，旨在為沿黃紅棗經濟林的發展方向提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃土高原呂梁山西側的臨縣，西臨黃河，與陜西佳縣、吳堡縣隔河相望，北靠興縣，南接離石、柳林。地理坐標為北緯37°35′52″～38°14′19″，東經100°39′40″～111°18′02″。研究區屬于溫帶半干旱半濕潤區，春冬兩季常受蒙古高原干燥風的侵襲，夏秋季多雨而炎熱，年平均溫度為8～10 ℃，年降雨量在500 mm 左右，且四季分配不均，降雨集中分布在7—9 月，10 月的降雨容易造成紅棗裂果；年份最大降水量為年份最小降水量的3.50 倍，降水量年際變化大。

黃土高原沿黃紅棗經濟林產業區，總面積約13.3 萬hm2，地貌類型為黃土丘陵和黃土溝壑丘陵，相對高差較大，水土侵蝕嚴重。紅棗經濟林所占耕地多數是坡耕地，25°以上坡耕地比例高，河灘地和梯田數量不多。

1.2 研究方法

1.2.1 植被樣方調查 在2018 年8 月，選擇外貌、季相、種類、結構等有代表性的地段作為樣地，樣地坡度均在20°左右，借助生態學方法和手段對相應樣地的生態指標進行調查。試驗共設置5 塊樣地，即耕作的紅棗經濟林（分幼齡和成齡樹）、撂荒2～3 a的紅棗林、撂荒5 a 以上的紅棗林以及40 a 樹齡紫金山人工森林。每塊樣地內設置3 個樣方，草本植被樣方設為1 m×1 m，林地樣方設為10 m×10 m。

在草本樣方內，記錄樣方位置、土地覆被類型、樣方內植物的種類、數量和蓋度等信息，并收集草本植被的地上生物量，帶回實驗室在烘箱中80 ℃烘至恒質量（24～48 h），在干燥器中冷卻后用萬分之一天平稱干質量。林地生物量樣方需記錄樣方內出現的全部喬木種，測量樣方內所有樹木的胸徑和高度，依據《中國主要林木生物量模型手冊》來估算不同樹木的生物量，模型變量是胸徑[10]。棗樹生物量是在樣地內選擇平均胸徑的棗樹作為樣樹，將樣樹從根莖處伐倒，烘干分別測定其干、枝、葉質量。

1.2.2 土壤有機質的測定 在每個樣地內設置3 個取樣點，首先去除土壤表面的凋落物和腐殖質層，用直徑為5 cm 的土鉆，按0～10、10～20 cm 分層取樣，將3 個取樣點取得的土壤樣品混合放入一個自封袋內，作為一個混合樣，帶回實驗室測定土壤有機質含量。

1.2.3 水土侵蝕量的調查 本研究采用徑流場試驗法。進行水土侵蝕量的測定。依據實際情況和觀測目的，模擬試驗樣地設置徑流場，每個徑流場長度為10 m、寬度為4 m，原地貌坡度在20°左右。共設置5 個處理，分別是：清耕作業，模擬管理良好的紅棗林（幼齡林）；保護性耕作，樹盤除草、行間株間留草，模擬成齡管理紅棗林；免耕，模擬撂荒2～3 a紅棗經濟林；免耕＋人工種植蒿，模擬撂荒5 a 以上紅棗林；免耕＋人工種植禾本科植被，通過人工種植早熟禾、黑麥草、高羊茅3 種草，保留野生草本和灌木，模擬人工森林。

1.2.4 TOPSIS 綜合評價法 TOPSIS 法相對于德爾菲法、綜合指數法等評價方法更為客觀，比層次分析法、灰色系統評價法等更為簡便。熵權法是一種客觀的賦權方法，可以有效利用指標數據，較大程度上排除主觀因素的影響。

本研究選取不同經濟林的Margalef 豐富度指數（D）、Whittaker 指數（βw）、生物量、植被覆蓋度、有機質、水土侵蝕量作為不同經濟林生物多樣性、植被結構和生態結構的評價指標，將生物多樣性、植被結構和生態結構中6 項指標作為生態效益評價的指標。

式中，S 為樣地內物種總數；n 為樣地內所有物種的個體總數。α 為樣地中各樣方的平均物種數。

對各項指標數值標準化處理。令Xij為第i 個評價對象的第j 項指標值，i＝1，2…，n；j＝1，2…，m。對于指標值越大，生態效益越高的指標，利用公式（3）處理；對于指標值越小、生態效益越高的指標，利用公式（4）處理。

式中：rij為第i 個評價對象的第j 項指標的標準化數值；Xmin為第j 個指標的最小值；Xmax為第j個指標的最大值。

在n 個評價對象，m 個評價指標的評估問題中，第j 個指標的熵定義如下。

式中，Hj指第j 個指標的熵值；K 為與樣本數有關的常數；n 為樣地內所有物種的個體總數；fij為第j 項指標下，第i 個評價對象占該指標的比重，當fij＝0 時，令fijlnfij＝0；wj為第j 個指標的熵權，j＝1，2，3…，m，0≤Wj≤1 且w1＋w2＋w3＋…＋wn＝1。

以評價對象的第j 項指標的最大值作為評價對象的最優方案，最小值作為評價對象的最劣方案。評價對象與最優方案的距離用公式（9）計算，評價對象與最劣方案的距離用公式（10）計算，用公式（11）計算評價對象與最優方案的接近程度，Ci值越大表示評價對象的綜合評價越高。

式中，Di+為評價對象與最優方案的距離；Di-為評價對象與最劣方案的距離；Ci為評價對象與最優方案的接近程度。

1.3 數據處理

試驗數據均采用Microsoft Excel 軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同經濟林生物多樣性比較分析

表1 黃土高原沿黃紅棗生態經濟林生態效益評價

依據樣方調查結果以及物種多樣性測定公式，計算出不同經濟林的Margalef 豐富度指數和Whittaker 指數，這2 個指標分別代表物種數目和物種分布沿空間梯度變化的程度。結果顯示，Margalef 豐富度指數在撂荒5 a 以上紅棗經濟林最高，其次是管理狀態之下的成齡紅棗經濟林和人工森林，而撂荒2～3 a 的紅棗經濟林的豐富度指數比較小，良好管理狀態之下的紅棗幼齡經濟林豐富度指數最低，為0。拋荒2～3 a 與拋荒5 a 以上的紅棗經濟林物種多樣性指數一致，且都高于人工森林的物種多樣性指數，管理狀態之下的紅棗經濟林最低，且幼齡紅棗經濟林的物種多樣性要低于成齡紅棗經濟林（表1）。

2.2 不同經濟林植被結構比較分析

在20°坡度上、良好管理狀態之下，坡耕地紅棗經濟林系統的植被覆蓋度非常低，幼齡紅棗經濟林植被覆蓋度在10%，而成齡紅棗經濟林也僅為16%（表1）。拋荒后的紅棗經濟林植被覆蓋度增加較大，撂荒2～3 a 植被覆蓋度達到78%，撂荒5 a 以上植被覆蓋度為70%，生態防護效果有明顯改進，但是仍然要低于森林的植被覆蓋度（表1）。總體來說，坡耕地紅棗經濟林比森林的植被覆蓋度要低很多。

作為經濟林植被結構的評價指標，生物量在不同經濟林之間差異較大。不同經濟林間生物量從大到小排序為20°坡地人工森林＞荒2～3 a 的20°紅棗經濟林＞荒5 a 以上的20°紅棗經濟林＞20°成齡紅棗經濟林＞20°幼齡紅棗經濟林（表1）。總體來看，森林的生物量明顯要高于其他經濟林類型，坡耕地成齡紅棗經濟林的生物量，約為人工森林生物量的7.25%；幼齡棗樹經濟林的生物量，甚至比森林和荒2～3 a 經濟林的草本生物量還要小；撂荒紅棗經濟林的生物量比良好管理狀態下的紅棗經濟林有所提高，荒2～3 a 紅棗經濟林比耕作的成齡樹生物量高約15.05%，荒5 a 以上的紅棗經濟林比耕作的成齡樹生物量高約13.40%，主要是修剪量和草本的生物量；荒2～3 a 紅棗經濟林的生物量稍高于荒5 a 以上的紅棗經濟林的生物量。總體來看，良好管理狀態之下，坡耕地紅棗生態經濟林的生物量有限。

2.3 不同經濟林生態結構比較分析

人工森林土壤中有機質含量要遠遠高于其他經濟林，有機質含量為12.30 g/kg；幼齡棗樹經濟林的有機質含量為8.09 g/kg，低于森林，但是高于成齡棗樹經濟林、荒2～3 a 以及荒5 a 以上紅棗經濟林；荒5 a 以上紅棗經濟林有機質含量為4.20 g/kg，高于荒2～3 a 紅棗經濟林和成齡紅棗經濟林，而成齡紅棗經濟林有機質含量稍高于荒2～3 a 紅棗經濟林（表1）。

有研究顯示，不同生態類型間土壤入滲情況不同[11]，所以，不同生態類型間水土侵蝕也有較大差異。從土壤流失的角度看，正常管理的紅棗經濟林系統土壤侵蝕最嚴重，幼齡紅棗經濟林土壤侵蝕量最高，達到144.70 kg/m3，成齡紅棗經濟林土壤侵蝕量為87.39 kg/m3（表1）；拋荒狀態的紅棗經濟林土壤侵蝕有較大緩解，荒2～3 a 紅棗經濟林土壤侵蝕量為74.85 kg/m3，而荒5 a 以上紅棗經濟林土壤侵蝕量為83.80 kg/m3（表1）；人工森林系統的土壤侵蝕基本得到抑制，坡面徑流中不含有泥沙（表1）。

2.4 不同經濟林生態效益比較分析

為了更加全面、綜合地對比分析不同經濟林生態效益，對其進行綜合評價。本研究選取不同經濟林的Margalef 豐富度指數（D）、Whittaker 指數（βw）、生物量、植被覆蓋度、有機質、土壤侵蝕量6 項指標作為生態效益評價的指標，基于TOPSIS-熵權原理進行評價。6 項指標在生態效益評價中所占熵值與權重如表2 所示，不同經濟林生態效益最終評價結果如表3 所示。

表2 生態效益評價指標的熵值與權重

表3 不同經濟林Ci值與生態效益最終排序結果

由表3 可知，不同經濟林的生態效益差異較大。從總體上來看，人工森林的生態效益最優，撂荒5 a 以上的紅棗經濟林和撂荒2～3 a 的紅棗經濟林次之，耕作的紅棗經濟林生態效益最低，并且耕作的幼齡樹的生態效益要高于耕作的成齡樹的生態效益。本研究結果與鄭江坤等[12]的研究結果相似。可見，在良好的栽培管理之下，紅棗經濟林系統的生態效益很弱，拋荒之后紅棗經濟林系統的生態功能有改進，但是與森林系統的生態功能相比還有較大差距。

3 結論與討論

黃土高原沿黃紅棗生態經濟林從生物多樣性的角度看，撂荒5 a 紅棗經濟林的生物多樣性最高，其次是撂荒2～3 a 紅棗經濟林和人工森林，耕作的成齡紅棗經濟林和幼齡紅棗經濟林生物多樣性最低。黃土丘陵區撂荒演替的各階段群落種類和成分不一樣，生物多樣性也會存在差異[13]。撂荒演替的第1 階段一般在撂荒的1～5 a，主要植被為1 年生的雜草類植被。撂荒5 a 以后，1 年生植被逐漸減少，生活力下降，多年生植被開始占優勢，群落種類成分和生物量增多。撂荒15～40 a，不耐旱和競爭能力相對較弱的植物退出群落，植物種類成分降低。從生物多樣性的角度看，本研究中撂荒5 a 紅棗經濟林，處于演替的第2 階段，群落類型和植被種類成分增多，生物多樣性最高；撂荒2～3 a 紅棗經濟林處于演替第1 階段，優勢種為豬毛蒿，物種比較單一；對于具有40 a 樹齡的人工森林，競爭力相對較弱的植物已經退出群落，相對于演替初期生物多樣性會有所下降；耕作的紅棗經濟林由于有除草等人為干擾使得生物多樣性最低。

黃土高原沿黃紅棗經濟林從植被結構和生態結構來看，均是人工森林最優，其次是撂荒的紅棗經濟林，耕作的紅棗經濟林最差。5 種經濟林的生態效益從大到小排序為人工森林＞撂荒5 a 紅棗經濟林＞撂荒2～3 a 紅棗經濟林＞耕作紅棗經濟林（幼齡樹）＞耕作紅棗經濟林（成齡樹）。從整體的生態效益來看，在良好的管理狀態下，坡耕地紅棗經濟林系統的生物多樣性低、植被結構和生態結構簡單、產沙量多、生態效益有限，難以發揮黃土高原脆弱生態區應有的生態防護功能，撂荒紅棗經濟林系統的生態效益有所提高，但是距離森林生態系統仍有一定的差距。總體來看，沿黃坡耕地紅棗經濟林系統的生態效益跟真正的經濟林相比還有一定的差距，其原因主要為：（1）種植密度小。在黃土高原丘陵地區，紅棗林作為經濟林，在技術上要求合理密度為300～450 株/hm2，遠低于純生態林的植株密度。（2）樹種單一。多數紅棗經濟林一般是單一樹種，降低了紅棗林的生態價值。（3）枝條稀疏。在人工栽培狀態下，為保持棗樹經濟產量，春季修剪，夏季抹芽，控制著棗樹的枝條數量，也降低了紅棗林的生態價值。（4）土壤耕作頻繁。在人工栽培狀態下，春季耕地1 次，夏季鋤草3～5 次，抑制了棗樹林生物多樣性的發展，加重了土壤侵蝕，降低了紅棗林的生態價值。紅棗經濟林雖然名為經濟林，但依然采用果樹的田間管理辦法，對土壤精耕細作，對棗樹過度修剪，是紅棗經濟林生態效益低的主要原因。

基于此，提出如下建議：（1）黃土高原生態建設的方向，是生態林建設，不是經濟林建設，同時要注重生態修復。從發展方向來看，25°以上甚至15°以上的坡耕地紅棗經濟林，宜退棗還（生態）林、改棗還（生態）林；根據國土管理分類要求，25°以上坡耕地的利用方向主要為退耕還林，在呂梁山區25°以上耕地上棗園的發展方向是退耕還林，從生態經濟林轉變為純生態林，尤其是多年撂荒棗園，宜改造為生態林，提高植被覆蓋面積，修復生態環境；在林分改造中，按照生態林的要求重新配置喬木、灌木，提高林地的生物多樣性。（2）用保護性耕作制改造25°以下的坡耕地紅棗經濟林的傳統清耕制度。用呂梁山鄉土草本植物，等高線種植，覆蓋30%～50%以上的紅棗林地面，通過刈割手段控制草類生物量，成為攔截土壤侵蝕的植物籬。