我國不同氣候區油用牡丹生態系統服務價值評估

郭姣姣，劉政安，周繼華，來利明，岳艷鵬，楊剛剛，郝海霞，鄭元潤*

(1.中國科學院植物研究所北方資源植物重點實驗室，北京 100093；2.中國科學院大學，北京 100049)

生態系統服務是指生態系統為人類生存和發展所提供的自然本底條件和功能[1]，包括有形物質產品和無形服務兩方面，可分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[2]。生態系統服務的可持續供給是社會經濟可持續發展的基礎，對人類的生計和福祉至關重要[3]。然而，近幾十年來，由于氣候變化和人類對資源需求的增加，對生態系統造成巨大壓力[4]。全球約60%的生態系統服務處于退化之中[5]，其主因是對生態系統服務功能認識不足，導致對生態系統的不合理和過度利用。因而，開展生態系統服務功能評估有助于科學認識生態系統的生態服務價值，對于區域可持續發展和生態環境建設具有重要意義。

自1997年Costanza等[2]開展全球生態系統服務研究以來，生態系統服務得到學者的廣泛關注[6-7]。國內外學者從生態系統服務功能評估、價值核算、生態系統服務間的關系、生態系統服務變化及驅動機制等方面開展了大量研究，對森林[8]、草地[9]、濕地[10]、灌叢[11]、農田[12]、果園[13]等主要自然與人工生態系統開展了系統研究，尤其在生態系統服務功能評估及價值核算等方面取得較大進展，發展了眾多評估方法，主要包括單位面積價值當量因子法和單位服務功能價格法[14]兩類。當量因子法主要考慮區域或更大尺度，評估精度較低[15]。單位服務功能價格法先計算各項服務功能的物質量，再依據經濟學原理和方法計算價值量，評估精度較高，因而受到諸多學者的青睞[16]。如劉勝濤等[17]和寧虎森等[18]利用單位服務功能價格法分別對泰山森林和新疆檉柳林的生態系統服務功能進行評估，為管理決策提供科學參考。近年來，隨著氣候變化和人類活動的加劇，生態系統服務正在發生快速變化，研究生態系統服務變化及驅動因素成為熱點問題[19]。研究表明，氣候和地形條件是影響生態系統服務功能變化的重要因素[20]，可對生態系統結構、組成和功能產生強烈影響，進而影響生態系統服務供給水平，尤其是溫度、降水等氣候因子和坡度、坡向等地形因子會對生態系統服務產生重要影響[21-22]。盡管生態系統服務功能評估研究進展迅速，但對于一些具有重要經濟價值的人工生態系統服務功能評估仍屬空白，對于同一類型人工生態系統服務功能的區域差異關注不夠。

油用牡丹是一種重要的木本油料植物。2011年以來，在國家相關政策的支持下，在全國大面積推廣種植油用牡丹，面積近千萬畝。油用牡丹適應性強，可在貧瘠和邊際土地上種植，既能改善生態環境，又能兼顧農民增收和脫貧致富，成為一些地區“生態和脫貧”的雙贏產業[23]。油用牡丹產業與“美麗中國”建設提出的綠色、低碳、循環經濟發展道路相契合，是繁榮地區經濟和建設美麗鄉村的良好選擇。然而，目前在油用牡丹經營管理方面，人們仍普遍關注其經濟價值和短期效益而忽略其生態效益。同時，由于自然狀況、氣候及地形條件的差異，不同地區油用牡丹生態系統服務功能表現出較大的空間異質性，但目前對于油用牡丹人工生態系統的生態服務價值及區域差異了解很少，制約了油用牡丹生態服務功能的發揮。該研究以分布于我國不同氣候區的3個典型油用牡丹人工生態系統為研究對象，基于野外觀察數據，采用單位面積服務功能價格法，評估不同氣候和地形條件下油用牡丹生態系統服務價值，闡明油用牡丹生態系統服務功能及其影響因素，為油用牡丹產業的可持續發展，以及經濟和生態效益的優化提供科學依據。

1 研究區概況

研究地點為遼寧省建昌縣、陜西省佳縣和河南省洛寧縣3個油用牡丹種植基地。建昌縣位于遼寧省西南部，40°24′～41°06′N、119°13′～120°18′E，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，年均溫8.2 ℃，年降雨量569.7 mm。境內山巒起伏，溝壑縱橫，油用牡丹人工生態系統位于牤牛營子鄉天香園生態農場，面積約133.3 hm2，于2015年開始種植。佳縣位于陜西省東北部，黃河中游西岸，37°41′～38°23′N、110°0′～110°45′E，氣候類型為溫帶大陸性半干旱季風氣候，年均溫10 ℃，年降雨量547.7 mm。境內山丘連綿，是典型的黃土高原溝壑地貌，油用牡丹人工生態系統位于烏鎮劉家山鄉，面積約66.7 hm2，于2016年開始種植。洛寧縣位于河南省西部，洛河中游，34°05′～34°38′N、111°08′～111°49′E，氣候類型為溫帶季風氣候，年均溫13.7 ℃，年降雨量659 mm，氣候宜人，適宜多種農作物生長，油用牡丹人工生態系統位于羅嶺鄉，面積約66.7 hm2，于2014年開始種植。3個地點的油用牡丹種植模式均分為平地和坡地種植，人工管理措施包括灌溉和除草。

2 材料和方法

2.1 數據來源

2.1.1野外測定。在3個油用牡丹種植基地，選擇種植時間和株齡相近的油用牡丹群落，分別在3個不同地形條件(平地、陰坡和陽坡)的油用牡丹群落設立樣地，以相鄰的自然草本植物群落作為對照。記錄樣地基本狀況，包括經緯度、坡度、坡向等信息。在每個牡丹群落隨機設置3個5 m×5 m的樣方，記錄牡丹株數、高度、冠幅和蓋度等，采用樣株收獲法[24]測定牡丹群落生物量。在相鄰的自然草本植物群落隨機設置3個1 m×1 m的樣方，記錄樣方內草本植物種數、高度和蓋度，采用全株收獲法[24]測定群落生物量。在每一個樣方內用土壤環刀在40 cm深度處采集1個土壤樣品，用于測定土壤容重；采集0～50 cm的土壤混合樣品，用于測定土壤理化性質。采集的土壤樣品帶回實驗室進行相關指標測定。土壤機械組成采用密度計法測定(LY/T 1225—1999)；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-分光光度計法測定(HJ 615—2011)；土壤碳酸鈣含量采用中和滴定法測定(LY/T 1250—1999)。

2.1.2數據收集。氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)，包括2014—2019年逐年日均降水、氣溫、日照時數和風速等；蒸散量數據來源于MODIS全球蒸散發產品數據集(http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products)，包括2014—2019年逐年的蒸散量數據；DEM高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)；各省市統計年鑒數據來源于統計局官網。

2.2 生態系統服務功能及價值核算方法對水源涵養、防風固土、土壤保持、固碳釋氧、凈化環境和生物多樣性保護6項較為重要且得到廣泛重視的生態系統服務功能進行評估[25]。該研究中涉及對不同氣候區和地形條件下油用牡丹和自然草地生態系統服務功能的比較，采用價值量進行評估。各項生態系統服務功能及價值核算方法如下：

2.2.1水源涵養功能。生態系統能夠利用林冠層、枯落物層和土壤層有效攔蓄降水，從而涵養土壤水分和補充地下水，根據水量平衡方程[26]和影子工程法[27]對生態系統水源涵養功能物質量和價值量進行估算，主要公式如下：

Qw=(P-R-ET)×10

(1)

Vw=Qw×Cw

(2)

式中，Qw為水源涵養量，m3/(hm2·a)；P為年降雨量，mm；R為地表徑流量，mm；ET為年蒸散量，mm，通過MODIS數據獲取；Vw為水源涵養價值，元/(hm2·a)；Cw為水庫單位庫容的工程造價，元/m3，取0.67。

2.2.2防風固土功能。生態系統通過植被削弱風力，降低風速，此外，還通過根系防止土壤風蝕，有效阻止土地沙化，根據修正風蝕方程[28]計算生態系統防風固土量，并采用恢復成本法[27]計算價值量，計算公式如下：

Qd=(SLr-SL)×10

(3)

(4)

式中，Qd為防風固土量，t/(hm2·a)；SL為實際土壤侵蝕量，kg/m2；SLr為潛在土壤侵蝕量，kg/m2；Vd為防風固土價值，元/(hm2·a)；ρ為土壤容重，t/m3；h為土壤沙化標準覆沙厚度，m，取0.1；Cd為治沙工程的平均成本，元/hm2，取2 624.67。

2.2.3土壤保持功能。生態系統土壤保持功能主要表現為減少土壤侵蝕和減少泥沙淤積[29]兩方面，該研究根據RULSE模型計算土壤保持量，并采用替代成本法[27]對其價值量進行評估，計算公式為：

Qs=R×K×LS×(1-C)

(5)

V1=(Qs×B)/(H×ρ×10 000)

(6)

V2=Qs×Cw×λ/ρ

(7)

式中，Qs為土壤保持量，t/(hm2·a)；R為降水侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；LS為地形因子；C為植被覆蓋因子；V1為減少土壤侵蝕價值，元/(hm2·a)；V2為減輕泥沙淤積價值，元/(hm2·a)；B為土地平均收益，元/hm2；H為土壤耕層厚度，m；λ為泥沙淤積系數，取0.24。土壤保持價值量Vs等于V1與V2之和。

2.2.4固碳釋氧功能。生態系統通過光合作用固定CO2和釋放O2，通過質量平衡方程[27]估算生態系統的固碳釋氧量，并采用造林成本法和工業制氧法[29]估算其價值量，計算公式如下：

Qc=Bc×1.63×Rc

(8)

Qo=Bc×1.20

(9)

Vc=Qc×Cc+Qo×Co

(10)

式中，Qc為固碳量，t/(hm2·a)；Qo為釋氧量，t/(hm2·a)；Bc為生態系統生物量增長量，t/(hm2·a)；Rc為CO2中含碳質量分數，%，取27.27%；Vc為固碳釋氧價值，元/(hm2·a)；Cc為固碳成本，元/t，取753；Co為工業制氧成本，元/t，取376。

2.2.5凈化環境功能。植被具有吸收SO2、NOx、滯塵等功能，降低大氣中污染物濃度，改善環境質量。采用替代成本法[27]計算生態系統吸收SO2、NOx、滯塵價值，計算公式為：

(11)

式中，Va為生態系統吸收SO2、NOx及滯塵的價值，元/(hm2·a)；Qj為生態系統對污染物的單位面積凈化量(j=1,2,3分別表示SO2、NOx及滯塵)，t/hm2，根據生態系統類型[30]進行取值；Ca為不同種類大氣污染物處理成本，元/t。

2.2.6生物多樣性保護功能。基于當量因子法[31]評估生態系統的生物多樣性保護價值，計算公式為：

Vx=D×Cx

(12)

式中，Vx為生物多樣性保護價值，元/(hm2·a)；D為生物多樣性當量因子，按照生態系統類型進行取值；Cx為一個當量因子的經濟價值量，元/hm2。

2.3 數據處理與分析采用三因素方差分析(ANOVA)進行數據統計分析，采用Duncan多重比較進行均值差異顯著性檢驗。所有數據統計分析均在SPSS 25.0中進行，采用origin 2021作圖。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務價值量評估生態系統類型對固碳釋氧價值影響顯著(P<0.05)，對水源涵養價值、土壤保持價值和防風固土價值無顯著影響(P>0.05)；氣候區對水源涵養價值、土壤保持價值、防風固土價值和固碳釋氧價值影響顯著；地形對水源涵養價值、土壤保持價值和防風固土價值影響顯著，對固碳釋氧價值無顯著影響；生態系統類型和地形的交互作用對水源涵養價值影響顯著，對土壤保持價值、防風固土價值和固碳釋氧價值無顯著影響；氣候區和地形的交互作用對水源涵養價值和土壤保持價值影響顯著，對防風固土價值和固碳釋氧價值無顯著影響，其他因子之間的交互作用對生態系統服務價值影響不顯著(表1)。多重比較的結果進一步顯示：不同氣候區水源涵養價值、土壤保持價值、防風固土價值和固碳釋氧價值差異顯著，不同地形條件下水源涵養價值、土壤保持價值和防風固土價值差異顯著，不同生態系統類型固碳釋氧價值差異顯著(表2)。

表1 生態系統類型、氣候區和地形對生態系統服務價值影響的3因素方差分析F值

表2 生態系統類型、氣候區和地形對生態系統服務價值量的影響(平均值±標準誤)

3.1.1氣候區對生態系統服務價值的影響。除固碳釋氧價值差異顯著外，不同氣候區油用牡丹與自然草地生態系統服務價值均無顯著差異。佳縣和洛寧縣油用牡丹生態系統的固碳釋氧價值顯著低于自然草地(P<0.05)，在建昌縣二者差異不顯著。盡管未達到統計顯著水平(P>0.05)，建昌縣、佳縣和洛寧縣油用牡丹生態系統的水源涵養價值均高于自然草地；佳縣油用牡丹生態系統的土壤保持價值低于自然草地，而建昌縣和洛寧縣則高于自然草地；建昌縣和佳縣油用牡丹生態系統的防風固土價值低于自然草地，而洛寧縣則高于自然草地(圖1)。建昌縣和佳縣油用牡丹生態系統的水源涵養價值均顯著高于洛寧縣；建昌縣、佳縣和洛寧縣油用牡丹生態系統的土壤保持價值不存在顯著差異；佳縣油用牡丹生態系統的防風固土價值顯著高于建昌縣和洛寧縣；洛寧縣和建昌縣的固碳釋氧價值顯著高于佳縣(圖1)。

注：不同大寫字母表示在不同氣候區間差異顯著，不同小寫字母表示在不同生態系統類型間差異顯著(P<0.05)。Note:Different uppercase letters indicate significant differences among different regions,and different lowercase letters indicate significant differences in different ecosystems(P<0.05).圖1 不同氣候區生態系統服務價值Fig.1 The value of ecosystem services in different regions

3.1.2地形對生態系統服務價值的影響。除固碳釋氧價值差異顯著外，不同地形條件下油用牡丹與自然草地生態系統服務價值無顯著差異。油用牡丹生態系統的固碳釋氧價值均顯著低于自然草地(P<0.05)。陽坡和陰坡油用牡丹生態系統的水源涵養價值高于自然草地，而平地低于自然草地。陰坡油用牡丹生態系統的土壤保持價值高于自然草地，而陽坡和平地相似。陰坡油用牡丹生態系統的防風固土價值高于自然草地，而陽坡和平地低于自然草地(P>0.05)(圖2)。與陰坡和陽坡相比，平地油用牡丹生態系統水源涵養價值最高(P<0.05)；陽坡和陰坡土壤保持價值顯著高于平地(P<0.05)；陽坡、陰坡和平地的防風固土價值和固碳釋氧價值無顯著差異(P>0.05)(圖2)。

注：不同大寫字母表示在不同地形間差異顯著，不同小寫字母表示在不同生態系統類型間差異顯著(P<0.05)。Note:Different uppercase letters indicate significant differences among different terrains,and different lowercase letters indicate significant differences in different ecosystems(P<0.05).圖2 不同地形條件下生態系統服務價值Fig.2 The value of ecosystem services in different terrains

3.1.3生態系統類型對生態系統服務價值的影響。油用牡丹生態系統的固碳釋氧價值顯著低于自然草地生態系統(P<0.05)，油用牡丹生態系統和自然草地生態系統的水源涵養價值、土壤保持價值、防風固土價值無顯著差異(圖3)。

注：不同小寫字母表示在不同生態系統類型間差異顯著 (P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences in different ecosystems(P<0.05).圖3 不同生態系統類型服務價值Fig.3 The value of ecosystem services in different ecosystems

3.2 生態系統的凈化環境和生物多樣性價值由于凈化環境價值和生物多樣性保護價值計算方法的局限，因此未采用方差分析說明不同氣候區和地形條件下兩項生態系統服務價值的差異。油用牡丹和自然草地生態系統凈化環境價值分別為60.4和7.5元/(hm2·a)，生物多樣性保護價值分別為1 197.2和1 838.0元/(hm2·a)。

4 討論

4.1 油用牡丹生態系統服務價值及區域差異油用牡丹生態系統除提供直接產品外，還具有較大的生態價值，對區域內的土壤侵蝕、大氣污染、碳水循環有著明顯的改善作用[32]。結果表明，由于受到氣候、地形和土壤等自然因素的影響，不同氣候區油用牡丹生態系統服務價值表現出較大差異，建昌縣和佳縣油用牡丹生態系統的水源涵養價值高于洛寧縣；佳縣油用牡丹生態系統的防風固土價值高于建昌縣和洛寧縣；建昌縣和洛寧縣油用牡丹生態系統的固碳釋氧價值高于佳縣，這主要與各區域生態環境條件有關。降水和蒸散是影響水源涵養功能的重要因素[33]，建昌縣和佳縣降水量不高，但由于蒸散量較低，綜合作用下使得水源涵養價值較高。佳縣土壤類型為砂質壤土，土壤可蝕性強[34]，增加了土壤風蝕強度，因而防風固土價值較高。固碳釋氧價值主要與植物的凈生產力有關[20]，洛寧縣水熱條件好，土壤保水保肥能力強，建昌縣土壤養分含量豐富，兩地油用牡丹生長好，凈生產力高，固碳釋氧價值較高。地形也是影響油用牡丹生態系統服務價值的重要因素。該研究結果表明，與平地相比，陰坡和陽坡油用牡丹生態系統的土壤保持價值更高；與陽坡和陰坡相比，平地油用牡丹生態系統的水源涵養價值更高。主要是由于坡度是影響土壤侵蝕強度的重要因素，坡地相較于平地有較大的土壤保持量和潛在土壤侵蝕強度[35]，因而土壤保持價值更大。平地的水源涵養價值較高是由于坡度增加，地表徑流增多，導致水源涵養價值降低[26]。在不同地形條件下，陰坡油用牡丹生態系統防風固土價值和土壤保持價值均高于自然草地，這是由于油用牡丹是耐陰性植物，適度的遮陽有利于油用牡丹的生長[36]，群落蓋度高于自然草地，從而提高了土壤保持價值和防風固土價值。

4.2 油用牡丹生態系統服務價值權衡油用牡丹是一種經濟型人工生態系統，從可持續發展與環境健康角度來看，應根據氣候、地形和土壤條件，兼顧經濟效益和生態效益。在坡度較大、容易發生水土流失的區域，以及較為干旱的區域應減少對牡丹人工生態系統的鋤草及松土管理，適度促進牡丹生態系統內草本植物的發育，雖然會降低油用牡丹的產量，影響經濟價值，但能夠提供生態服務價值，確保環境健康的前提下獲得一定經濟收益。因而，在環境條件較差的區域內不應過分強調牡丹籽實產量，而應以生態服務價值優先，在此種情況下由于牡丹的引入會極大提高牡丹花期的觀賞價值，同時通過籽實獲得一定經濟收益。該研究結果顯示，除固碳釋氧價值外，油用牡丹與草地生態系統的生態價值差異不顯著，表明油用牡丹種植不會引起生態系統生態價值的大幅度下降。盡管油用牡丹與草地生態系統生態價值在統計學上不顯著，但差異仍需得到關注。在不同氣候區中，油用牡丹生態系統的水源涵養價值均高于自然草地，而固碳釋氧價值均低于自然草地，這是由于油用牡丹植株冠幅大，可以有效截留降水，而草地對降雨的截留較弱，容易形成徑流，導致水源涵養價值下降[33]。洛寧縣油用牡丹生態系統土壤保持價值和防風固土價值均高于自然草地，而佳縣油用牡丹生態系統土壤保持價值和防風固土價值均低于自然草地，主要是由于佳縣相比洛寧縣降雨少，牡丹生長狀況不佳所致，這與饒恩明等[35]關于增加植被覆蓋可以有效緩解氣流和水流對地表的侵蝕作用，減少土壤風蝕和水蝕，提高對地表土壤保護效果的結論一致。油用牡丹作為經濟作物，種植時需要充分考慮行間距，以追求更高的經濟產量，此外，油用牡丹秋季果實采收也會造成部分碳損失，草地生態系統盡管植被矮小，但植被生長密度大，使草地的固碳釋氧量高于油用牡丹，從而發揮更大的固碳釋氧價值。綜上可見，通過對油用牡丹生態系統的合理管理，平衡油用牡丹生態系統經濟與生態服務價值，是發展油用牡丹種植產業值得關注的重大問題。

4.3 對油用牡丹產業發展的啟示油用牡丹作為一種木本油料資源植物，有助于緩解國家能源危機，因此發展油用牡丹產業，是實施生態富民工程的良好選擇[37]。根據該研究結果，應對油用牡丹人工生態系統的生態價值給予充分關注。鑒于油用牡丹生態系統服務價值的區域差異，宜根據各地區的生態條件，優化種植方式，最大限度地提高生態價值。例如，由于受自然條件和管理措施影響，佳縣油用牡丹生態系統生態價值偏低，因此在生態條件較差的地區，宜將改善生態環境作為油用牡丹種植的主要目標，不進行或較少進行人為管理，充分發揮其生態價值；而對于生態條件較好的地區，如建昌縣和洛寧縣，可更加強調油用牡丹的經濟價值，在保障經濟效益最大化的同時兼顧生態效益。在坡地種植油用牡丹時，應適當促進牡丹群落內草本植物的發育。針對油用牡丹喜陰性的特點，宜與其他經濟樹種結合，進行林下種植，提高油用牡丹的經濟和生態價值。

5 結論

該研究從水源涵養、防風固土、土壤保持、固碳釋氧、凈化環境和生物多樣性保護6個方面對不同氣候區和地形條件下的油用牡丹生態系統服務價值進行了定量評估，并與自然生態系統進行比較，得出如下結論：油用牡丹生態系統生態功能重要。氣候和地形對油用牡丹生態系統服務價值影響較大，建昌縣和佳縣油用牡丹生態系統的水源涵養價值顯著高于洛寧縣；佳縣油用牡丹生態系統的防風固土價值顯著高于建昌縣和洛寧縣；建昌縣和洛寧縣油用牡丹生態系統的固碳釋氧價值顯著高于佳縣。平地水源涵養價值最高；陽坡和陰坡土壤保持價值顯著高于平地。油用牡丹生態系統固碳釋氧價值顯著低于自然草地，其水源涵養、土壤保持、防風固土價值與草地相比無顯著差異；佳縣生態條件較差，其油用牡丹生態系統防風固土價值和土壤保持價值低于草地，建昌縣和洛寧縣生態條件較好，其油用牡丹生態系統土壤保持價值高于自然草地。