北京市退耕還林生態效益評估

魯紹偉,李少寧,劉逸菲,徐曉天,趙 娜,*

1 北京市林業果樹科學研究院, 北京 100093 2 北京燕山森林生態系統定位觀測研究站, 北京 100093 3 沈陽農業大學林學院, 沈陽 110866

退耕還林工程始于1999年,是黨中央、國務院從中華民族生存和發展的戰略高度出發,重建林地生態,合理利用資源,實現人與自然和諧共進的一項偉大生態工程,也是迄今為止我國政策性最強、投資量最大、涉及面最廣、群眾參與程度最高的一項生態修復工程,堪稱環境政策的典范[1]。2000—2004年,北京市完成退耕還林工程規劃建設面積,不僅大幅提高了北京市綠化覆蓋率、改善了生態環境,而且使工程區農村產業結構得到優化,促進了山區經濟的發展和農民收入的增加。至2019年底,北京市退耕還林政策已全部到期,工程建設對生態環境的改善效果評價引起了社會各界的廣泛關注。因此,準確、全面地評價退耕還林工程所取得的生態效益,不僅是對其成果的一種展示,更能夠為新形勢下城市生態環境建設和社會經濟發展提供依據和指導[2]。

退耕還林本身是對土地利用方式的一種調整,所以該工程的實施必然會導致土壤結構的變化,進而對水文狀況造成影響[3]。在以往的研究中,已有很多研究者證實了退耕還林工程在降低土壤侵蝕程度、提高植被覆蓋度以及減少水土流失方面的成效[4-6]。而土壤結構的變化一定程度上是由土壤有機質的增加決定的,退耕還林具有顯著的碳匯效應,這一點已被普遍認同[7-8],土壤固碳雖然緩慢但卻更持久[9],Wang等更是針對退耕工程未來幾十年的碳匯潛力進行預測,肯定其具有持續性的固碳效益[10],而且對土壤氮素和磷素的儲量有很好的提升效果[11]。針對不同樹種,有人提出闊葉喬木具有較為持久的固碳能力[12],也有人得出相反的結論[13]。除此之外,蒙吉軍等利用最小數據法耦合機會成本和服務增量,推導出退耕還林補償曲線,從而可計算出相對高效和經濟的補償方式,為生態補償機制提供新思路[14]。李登科等研究發現退耕還林工程的實施一定程度上降低了植被生長對氣候因子的敏感性[15]。但退耕還林所帶來的生態效益終是以糧食產量和水產量的顯著減少為代價的,所以實施強度的控制尤為重要[16]。

與此同時,退耕還林是一種生態重建的手段,對其產生的生態效益進行經濟價值計量,不僅可以更好地反映退耕效果,更能為生態補償提供依據。早有國外的研究者將全球生態系統服務功能分為17類,為生態系統服務價值的深入研究奠定了基礎[17]。我國隨后制定了國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》[18],將森林生態系統服務功能分為8個類別,共14項指標。北京市退耕還林工程所選定的區域退耕前多有嚴重的水土流失、土壤沙化和土質下降的情況,造成立地困難,耕地質量差,農產品產量低且收益差等多種問題,遏制了北京市生態經濟的發展。經過近二十年退耕還林工程的實施,該區域在生態修復、農民增收等方面均有較大改善,但工程帶來的生態效益還未得到系統的量化評價。為此,使用森林生態系統的涵養水源、保育土壤和積累營養物質等指標體系評價森林生態效益,能夠通過工程實施產生的經濟價值,直觀地反映出退耕還林工程的效果。

目前,針對北京市退耕還林所取得成果評價的研究較少,尤其在對生態系統服務功能產生的生態效益缺乏深入的綜合評價與分析。因此,本文以中華人民共和國國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》(GB/T 38582—2020)和中華人民共和國林業行業標準《退耕還林工程生態效益監測與評估規范》(LY/T 2573—2016)[19]為依據,以退耕林地典型樣地調查和北京市林業果樹科學研究院多年以來對退耕還林生態系統服務功能的監測數據為基礎,從涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質、凈化大氣環境和生物多樣性保護六個方面,分別對北京市整體、行政區以及不同退耕還林樹種的生態效益進行物質量和價值量的定量評價,旨在從生態學和經濟學的角度揭示和把握退耕還林工程對北京市生態環境建設的貢獻價值,并為新形勢下優化退耕還林工程模式、建立退耕還林工程后續長效政策機制提供理論依據和技術支持。這對北京市生態環境及社會經濟的可持續發展以及退耕還林生態功能監測體系的完善有著重大意義。

1 研究區概況

北京市根據國家《退耕還林條例》(中華人民共和國國務院令第367號)、《京津風沙源治理工程規劃》(2001—2010年)以及市委市政府的統一部署,按照構筑山區綠色生態屏障的總體思路,以培育優化資源為主導,以發展綠色產業為紐帶,2000年在北京市密云、懷柔、延慶、平谷、昌平、門頭溝和房山7個行政區先后開展了退耕還林工程的實施。于2004年全部工程竣工完成,累計完成工程建設面積36667 hm2,其中營造生態經濟兼用林32000 hm2、鮮果林4667 hm2。退耕還生態林主要為楊樹,退耕還生態經濟兼用林主要包括核桃、板栗、柿子、仁用杏、棗等其他非鮮果林,退耕還鮮果林主要包括桃、杏、蘋果、梨、葡萄、李、櫻桃、山楂和其他退耕樹種等。退耕還林工程主要栽植樹種面積分別為板栗11133 hm2、仁用杏5467 hm2、核桃3400 hm2、柿子3333 hm2、速生楊3333 hm2、桃2000 hm2、其他3800 hm2。共涉及7個行政區(各行政區退耕面積如表1所示)、95個鄉鎮、1399個村、20.76萬農戶。

表1 北京市各行政區退耕面積/hm2

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究評價所利用的數據集源于2018年北京市退耕還林典型調研調查、北京市林業果樹科學研究院在門頭溝、昌平、平谷、懷柔、密云、延慶、房山7個區多個林果基地長期對生態經濟兼用林與鮮果林內水、土、氣、生物因素等長期監測數據,以及我國權威機構公布的社會公共數據集(包括北京統計年鑒[20]、北京市水資源公報[21]、中國環境統計年鑒[22]等)。

上述北京市退耕還林典型樣地調查利用分層抽樣法確定調查樣本數量。根據社會統計學抽樣方法——分層抽樣法,若總體規模在1000—5000之間時抽取樣本比例為總體10%—30%；若總體規模在10萬以上時抽取樣本比例小于1%。因此,本次典型調研所涉及的行政村樣本數應采用總體樣本(1399個行政村)的12%,退耕戶樣本數采用總體樣本(207577戶)的0.42%。同時,為了調研結果更能準確反映退耕還林工程實施現狀,本次評估利用社會統計學抽樣方法中的重點調查法增加了1個鎮的典型調查樣本。因此,在北京市退耕還林7個行政區每個區選擇5個鄉鎮(密云區增加1個鎮),每個鄉鎮選擇5個典型村,每個村至少5戶退耕戶,共計涉及行政村180個,退耕戶900戶。在上述調查樣本范圍內,同步進行關于退耕還林工程實施人員座談、室內調研(分區、鄉鎮、村干部與退耕戶4個層次)與典型樣地調查,分類統計座談與典型退耕林地的位置、面積、是否屬于生態脆弱區(如水源保護區等)、坡度、樹種類型、品種、樹木林齡、樹高、胸徑、冠幅、郁閉度、林木生長狀況、土地權屬與經營管護、效益、資金兌現和典型案例等。

綜上,基于上述典型座談、典型樣地調研以及北京市林業果樹科學研究院在各區布設林果基地長期積累數據,收集、分析國家、北京及其他省份已出臺相關政策,摸清北京市退耕還林典型調研現狀與人員意愿,定量評估退耕還林生態效益。通過點和面的結合,從全市退耕還林尺度上完成此次評估。

2.2 測算方法與評估指標

結合北京市退耕還林地區特點,同時滿足全國退耕還林工程效益評價對比需求,本研究依據中華人民共和國國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》(GB/T 38582—2020)以及中華人民共和國林業行業標準《退耕還林工程生態效益監測與評估規范》(LY/T 2573—2016),采用分布式測算方法從涵養水源、固碳釋氧、保育土壤、林木積累營養物質、凈化大氣環境和保護生物多樣性這六方面,以北京市退耕還林典型調研數據、北京市林業果樹科學研究院各區林果基地內長期積累各退耕林分類型內水、土、氣和生物因素等研究數據以及相關社會公共數據為研究對象,以不同行政區、林分類型為單元進行核算,區分不同行政區和不同樹種間生態效益差異,定量評估北京市全市、行政區和不同退耕樹種生態系統服務功能的物質量及其價值量。由于在北京市退耕還林區域內存在的林下或林間復合經營面積較少,因此其防護功能所增加的農作物產量的估算量很??；且北京市退耕還林區域主要布署分布于生態脆弱,生態地位重要但糧食產量低而不穩的困難立地區,除養護與管理人員外,其他人員很少到此地區游覽觀光,所提供的休閑與娛樂游憩功能價值很小。因此,本次評估中森林保護與森林游憩價值可忽略不計。

針對不同的評估指標的價值量,本研究采用不同計算方法：涵養水源、凈化大氣環境價值采用影子工程法,固碳釋氧、林木積累營養物質價值采用影子價值法,保育土壤價值采用機會成本法及影子價格法,生物多樣性價值采用支付意愿法。

3 結果與分析

3.1 北京市退耕還林生態效益評估

3.1.1北京市退耕還林生態系統服務功能物質量評估

根據上述評估方法,對北京市退耕還林涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質和凈化大氣環境等5個類別,20個分項生態效益物質量進行定量評估(表2)表明,北京市退耕還林生態效益的物質量巨大,其中涵養水源總物質量為0.55億m3/a；固土總物質量為58.08萬t/a；固定土壤氮、磷、鉀和有機質總物質量分別為0.05萬t/a、0.01萬t/a、0.35萬t/a和2.53萬t/a,保肥總量為2.94萬t/a,相當于北京市2018年化肥施用總量的40.27%[20]；固碳總物質量為5.22萬t/a,釋氧總物質量為11.70萬t/a；林木積累氮、磷和鉀總物質量分別為11.04萬t/a、0.72萬t/a和6.80萬t/a；提供負離子總物質量為57.75×1021個/a,吸收污染物總物質量為5272.25 t/a,滯塵總物質量為842.29 t/a。

表2 北京市退耕還林生態系統服務功能物質量

3.1.2北京市退耕還林生態系統服務功能價值量評估

從表3可以看出,北京市退耕還林生態系統產生的生態服務總價值量為18.92億元/a。其中,涵養水源價值量最大為7.79億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務總價值量的41.15%,相當于北京市2018年全社會固定資產投資8062.24億元/a的0.10%；也相當于北京市2018年第一產業104.4億元/a和第二產業507.7億元/a總投資的7.46%和1.53%[20]；固碳釋氧價值量次之,為5.05億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務總價值量的26.73%；凈化大氣環境價值量排第三,為3.26億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務總價值量的17.27%,相當于北京市2018年能源投資總額274.3億元/a的1.19%[20],也相當于北京市2017年工業污染源治理投資總額15.7億元/a的20.76%[22]；生物多樣性價值量排第四,價值量為1.70億元/a,相當于北京市2018年農、林、牧、漁業生產總值121.1億元/a的1.40%[20]；林木積累營養物質價值量最小,僅為0.32億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務總價值量的1.69%[20]。各項功能價值量大小排序為：涵養水源>固碳釋氧>凈化大氣環境>生物多樣性>保育土壤>林木積累營養物質。

表3 北京市退耕還林生態系統服務功能價值量

3.2 北京市各區退耕還林生態效益物質量及其價值量評估

北京市退耕還林共涉及7個區,北京市各區退耕還林生態效益的物質量及價值量評價如表4所示。北京市各區退耕還林生態效益價值量差異較大,其中密云區的退耕還林生態系統服務功能價值量最大為4.48億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務功能總價值量的25.56%；其次是懷柔和房山區,退耕還林生態系統服務功能價值量分別為2.96億元/a和2.92億元/a,占相應總價值量的15.63%和15.45%；退耕還林生態系統服務功能價值量最小的是昌平區和門頭溝區,分別為1.69億元/a和1.52億元/a,僅占總價值量的8.91%和8.03%。北京市7區退耕還林生態系統服務功能價值量大小排序為密云區>懷柔區>房山區>延慶區>平谷區>昌平區>門頭溝區。

表4 北京市各區退耕還林生態系統服務功能物質量和價值量

3.3 北京市不同退耕還林樹種生態效益物質量及其價值量評估

北京市不同退耕還林樹種生態效益物質量及價值總量進行評估比較,結果如表5和圖1所示,北京市板栗服務功能價值總量最大為5.58億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務功能總價值量的29.51%；其次是仁用杏和核桃,分別為2.56億元/a和2.38億元/a,占北京市退耕還林生態系統服務功能總價值量的13.54%和12.57%；櫻桃和山楂最小,分別為0.18億元/a和0.06億元/a,僅占總價值量的0.98%和0.31%。北京市14種退耕還林樹種服務功能價值總量大小排序為板栗>仁用杏>核桃>楊樹>柿子>桃>棗>其他>杏>蘋果>梨>葡萄>李子>櫻桃>山楂。

表5 北京市不同退耕還林樹種生態系統服務功能物質量

圖1 北京市不同退耕還林樹種服務功能價值總量

北京市14種退耕樹種服務功能單位面積價值量如圖2所示,其中楊樹最高為7.45萬元hm-2a-1,其次是桃和核桃,分別為6.08萬元hm-2a-1和6.04萬元hm-2a-1,葡萄最低為5.2萬元hm-2a-1。單位面積價值量排序為：楊樹>桃>核桃>梨>仁用杏>板栗>蘋果>柿子>棗>山楂>杏>櫻桃>其他>李子>葡萄。

圖2 北京市不同退耕還林樹種單位面積價值量

4 討論

4.1 北京市全市退耕還林生態系統服務功能指標分析

退耕還林工程發揮著重要的生態系統服務功能,對退耕區域內的碳水循環、土壤性質、大氣污染等都有著明顯的改善作用,同時還發揮著調節氣候的功能[23]。北京市退耕還林生態系統服務功能總價值量為18.92億元/a,是2018年北京市林業總產值(95.1億元/a)的19.89%[20],足見北京市退耕還林生態系統服務功能對社會經濟發展的重大影響。

本研究各功能指標間涵養水源價值量最高(7.79億元/a),這是因為退耕樹種多保水能力強,在提高林地覆蓋率的基礎上,同時提升了冠層截流量和土壤的貯水能力,發揮減少地表徑流、涵養水源作用[24-26],緩解水資源稀缺現狀。不僅如此,退耕還林對農業活動導致的水質退化以及水生生境的破壞也有一定的恢復作用[27]。Wang等研究表明退耕還林能有效減少磷素釋放以保護地表水質[28]。北京市退耕還林涵養水源總物質量為0.55億m3/a,分別為2018年北京市水資源總量35.5億m3/a的1.55%,也分別相當于2018年北京市全年用水總量、生活用水總量、環境用水總量、農業用水總量和工業用水總量的1.40%、2.99%、4.10%、13.10%和16.67%[20]?？梢姳本┦型烁€林生態系統使北京地區水資源利用實現良性循環。

土壤有機碳占陸地生態系統土壤碳庫碳儲量的一半以上,是大氣CO2濃度變化的重要貢獻者,而植樹造林是緩解這一現象的有效手段[29]。北京市退耕還林生態系統固碳釋氧功能的價值量為5.05億元/a,約占總價值量的三分之一,巨大固碳效益可通過碳交易的手段來實現生態補償。同時,北京市退耕還林生態系統年釋氧量(11.7×107kg)可供全市全部常住人口(2170.70萬人)呼吸6.74天。除此之外,還有研究者提出,評估固碳能力時應將地形因子以及深層土壤的固碳量考慮在內,否則可能會低估退耕還林對社會經濟產生的積極影響[30]。

北京市退耕還林生態系統吸收污染物總物質量為5272.25 t/a,其中吸收SO2最多,為4927.32 t/a,相當于能夠吸收2018年北京SO2排放總量的44.79%,其年滯塵量相當于北京市2018年工業煙(粉)塵排放量4404 t/a的19.13%[20]。根據《京津冀及周邊地區重點工業企業清潔生產水平提升計劃》[31],北京市減少二氧化硫排放600 t/a,減少氮氧化物排放6000 t/a,減少煙(粉)塵排放200 t/a。由此,北京市退耕還林對二氧化硫的吸收量和滯塵量遠超其要求,且能夠有效沉降和吸附污染物,對改善城市大氣環境和維護城市環境生態安全具有重要貢獻作用。

4.2 北京市不同行政區退耕還林生態效益差異性分析

本研究表明北京市7區退耕還林生態效益價值量差異較大,總體呈現出由北至南逐漸減小的趨勢,這是由于各區退耕面積大小不一致,且其排序基本與退耕還林生態效益價值量排序相一致,可見退耕還林工程實施面積為各區價值量差異的主要影響因素。另一方面,北京市人民政府發布的《北京城市總體規劃(2016年—2035年)》中指出,房山區和昌平區位于平原地區的新城,是承接中心城區適宜功能和人口疏解的重點地區,是推進京津冀協同發展的重要區域。而密云、懷柔、延慶、平谷和門頭溝區山區屬于京津冀協同發展格局中西北部生態涵養區的重要組成部分,是北京的大氧吧,是保障首都可持續發展的關鍵區域[32],前期功能定位逐步改善造成各區主要的發展定位目標有所不同,影響森林生態效益成效。除此以外,各區退耕還林工程樹種組成、立地條件和氣象因子等也在一定程度上影響其各自生態系統服務價值量。如懷柔區退耕面積雖然小于房山和延慶區,但生態效益卻高出延慶區12.55%,是由于懷柔區主要退耕林分類型為生態林,在吸收SO2、滯塵和保育土壤方面具有較大優勢,且退耕地的坡度普遍較低,退耕樹種生長狀況優良,能較大的發揮其生態效益。

4.3 北京市不同退耕還林樹種生態效益差異性分析

北京市退耕還林共涉及14個樹種,板栗、仁用杏和核桃的種植面積位列前三,與其生態效益總價質量排序相匹配,可見種植面積是造成不同樹種總價值量差異的主導因素。板栗的種植面積比重最高(30.36%),其不僅可顯著減少地表徑流、降低土壤養分輸出[33],而且可提升土壤微生物量及其酶活性,保肥能力極強[34]。

比較退耕樹種單位面積價值量發現,楊樹單位面積生態效益最佳,這可能是因為楊樹能在栽植之后較短時間內達到郁閉,其茂密樹冠能明顯減緩雨水沖刷速度,且其枯枝落葉及根系具有較強的固土、保水保肥能力。不僅如此,師賀雄等[35]研究表明,楊樹一類的闊葉速生樹種的森林凈初級生產力較高,其相應的固碳釋氧量和營養物質積累均較高。除楊樹以外的其他樹種單位面積價值量差異不明顯,且總體較高,這是因為退耕還林工程多選用鄉土樹種,成林率高。生態經濟兼用林樹種的單位面積價值量總體要稍高于鮮果林樹種,這是因為生態經濟兼用林樹種,在兼顧一定經濟收益的同時,也達到生態林的標準,而鮮果林在栽植過程中更注重經濟收益,很難有效發揮防風固沙、防止水土流失的功效。總體來說不同林種產生的生態效益大小為生態林>生態經濟兼用林>鮮果林。

4.4 北京市退耕還林生態效益評估為后續長效政策機制的制定提供理論支撐

北京市退耕還林生態效益綜合評估,首先為退耕還林后續補償機制的建立提供數據支撐。本研究量化了不同區、不同樹種在各項生態服務功能中創造的價值,為不同區域進行分類治理、不同樹種的分類補償辦法制定以及退耕還林地部分納入平原造林管理體系的決策提供理論指導。其次,北京市退耕還林生態效益評估結果能為退耕還林地低效林分模式改造提供數據支撐。本研究分別統計不同樹種價值量并進行排序,可幫助城市園林綠化規劃篩選出符合生態優先原則的退耕樹種,進而改善植物搭配模式,更新改造殘次林、劣質林以及過熟林,解決山區適地適樹問題,從而提升城市森林整體生態服務價值。第三,此次評估結果能為退耕還林生態功能監測網絡和體系的進一步完善提供數據參考。由于北京市退耕還林工程效益計算都存在每年數據更新,因此需要連續監測并清查相關數據。通過退耕還林監測網絡的建立,能夠有效連續監測數據,更加精準地連年評估退耕還林產生的生態價值,從而更加客觀、全面地評估區域退耕還林工程帶來的生態效益。綜上,此次北京市退耕還林生態效益綜合評估,可為北京市退耕還林后續長效政策機制的制定及實施提供有效幫助。

5 結論

本文從涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、林木積累營養物質、凈化大氣環境和生物多樣性保護六個方面對北京市退耕還林工程生態效益物質量和價值量進行了定量評估,主要結論如下：

(1)北京市退耕還林工程取得了良好的生態效益,北京市退耕還林生態系統生態服務總價值量為18.92億元/a,各項功能價值量大小排序為：涵養水源(41.15%)>固碳釋氧(26.73%)>凈化大氣環境(17.27%)>生物多樣性(8.93%)>保育土壤(4.23%)>林木積累營養物質(1.69%)。由此可知,北京市退耕還林主體功能為涵養水源、固碳釋氧和凈化大氣環境,三者價值量之和共占生態效益總價值量的85.15%,可見效果顯著。

(2)北京市7區退耕還林生態效益價值量差異較大,各區生態系統服務功能價值量大小排序為密云區(4.84億元/a)>懷柔區(2.96億元/a)>房山區(2.92億元/a)>延慶區(2.63億元/a)>平谷區(2.37億元/a)>昌平區(1.69億元/a)>門頭溝區(1.52億元/a),排序差異主要受各區退耕面積和其承擔的生態功能的影響。

(3)北京市退耕還林工程區14個退耕樹種生態系統服務功能價值總量受退耕面積的影響,大小排序為板栗(29.51%)>仁用杏(13.54%)>核桃(12.57%)>楊樹(12.00%)>柿子(5.37%)>桃(5.17%)>棗(5.10%)>其他(4.68%)>杏(4.41%)>蘋果(2.50%)>梨(1.49%)>葡萄(1.35%)>李子(1.03%)>櫻桃(0.98%)>山楂(0.31%)。退耕樹種單位面積價值量大小排序為楊樹>桃>核桃>梨>仁用杏>板栗>蘋果>柿子>棗>山楂>杏>櫻桃>其他>李子>葡萄?？傮w來看,比較不同類型樹種所創造的生態效益大小排序為生態林>生態經濟兼用林>鮮果林。

根據評估結果,應加強北京市退耕還林的總體規劃,使生態建設、經濟發展以及農民增收相配合,建立退耕還林長效保障機制對其成果進行鞏固,對退耕重點地區加大管理投入,并優化管理模式。針對不同行政區,應該根據各區縣具體情況制定成果保護政策,生態補償額度及年限可根據本文給出的各行政區退耕還林產生的具體生態價值來核算。針對退耕樹種選擇,應遵循生態優先、適地適樹、分類施策的原則,在后續政策的樹種選擇上以產生生態價值更高的生態林樹種為主,并根據退耕林所處的立地條件和生態區位對生長狀況與收益不良的退耕林分給予技術支持以及銷路推廣。建議遵循生態優先、適地適樹、分類施策的原則制定成果保護政策,并根據各區生態價值評估結果確定生態補償額度和年限,從而制定退耕還林長效保障機制。