鄭 丹, 羅宗志, 蘇德偉, 余世葵, 李春曉,2, 李子森,2, 林冬梅

(1.福建農(nóng)林大學(xué)國家菌草工程技術(shù)研究中心；2.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了自然資源和生存環(huán)境兩個方面的多種服務(wù)功能，不僅包括提供食物、醫(yī)藥以及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料，還包括維持生命物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)與水循環(huán)、維持生物物種與遺傳多樣性、凈化環(huán)境及維持大氣化學(xué)的平衡與穩(wěn)定等[1].利用統(tǒng)一量綱對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值進(jìn)行評估，是生態(tài)學(xué)的一個重要研究方向，可以切實(shí)幫助人們加強(qiáng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的認(rèn)知，從而更好地保護(hù)我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境[2].

菌草(JUNCAO)已在全球大面積推廣種植和開發(fā)利用，其中巨菌草(CenchrusfungigraminusZ. X. Lin & D.M. Lin & S. R. Lan sp. nov.)是推廣應(yīng)用最為廣泛的品種之一[3].巨菌草具有生長快、分蘗多、根系發(fā)達(dá)、生物量大、粗蛋白含量高等優(yōu)良性狀，不僅可以作為生產(chǎn)食(藥)用菌的原料和制作成營養(yǎng)豐富的青貯飼料，還可以保持水土、阻沙固沙、改良土壤和吸收CO2等.菌草技術(shù)發(fā)明人林占熺研究員從1997年就開始應(yīng)用菌草解決黃河流域不同類型生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)治理的難題[4-5].黃河菌草生態(tài)安全屏障建設(shè)的研究與應(yīng)用始于寧夏賀蘭山下永寧縣閩寧鎮(zhèn)，其后研究團(tuán)隊(duì)又在沿黃河的九省(區(qū))廣泛開展菌草治理水土流失、改良鹽堿地和阻沙固沙等生態(tài)環(huán)境問題的研究，取得了多項(xiàng)國際領(lǐng)先的研究成果[6].

研究人員對草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究較多，如Sala et al[7]、劉起[8]、歐陽志云等[9]、陳仲新等[10]、林翔[11]對草地在大氣循環(huán)、小氣候改善、水土保持、生物多樣性保護(hù)和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等方面的服務(wù)功能進(jìn)行了評價，形成了比較統(tǒng)一的評價指標(biāo)和體系.目前，研究人員對巨菌草改良土壤[12-15]、保護(hù)生物多樣性[16-17]、防風(fēng)固沙[18-20]、保持水土[21]、固氮[22-24]等生態(tài)服務(wù)功能有所研究，但對巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值鮮有報道，巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價指標(biāo)、價值大小及其結(jié)構(gòu)比例等仍不明確.因此，本研究以內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠東緣巨菌草為試驗(yàn)對象，選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的5個評價指標(biāo)估算其價值，為巨菌草的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一些依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

2020年5—10月，國家菌草工程技術(shù)研究中心在內(nèi)蒙古阿拉善盟左旗巴音木仁蘇木查漢套海(106°73′05.83″E，39°86′60.72″N)和磴口縣劉拐沙頭(106°80′17.58″E，40°16′64.47″N)種植了200 hm2巨菌草進(jìn)行阻沙固沙試驗(yàn)示范，兩地都處于黃河西岸的烏蘭布和沙漠東緣，風(fēng)沙危害十分嚴(yán)重，屬于流動沙地.

1.2 評價指標(biāo)的選取

Costanza et al[25]將自然生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能歸納為17個方面.為簡化計算，本研究根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的實(shí)際情況，將巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能歸納為5個方面，即生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)、改良土壤、固碳釋氧、阻沙固沙和保護(hù)生物多樣性，采用不同的方法對其價值進(jìn)行評估.

1.3 價值評價方法

1.3.1 生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì) 從試驗(yàn)地隨機(jī)選取3塊10 m×10 m區(qū)域，每個區(qū)域分別選取5個樣方，將樣方內(nèi)所有巨菌草齊地刈割，測定鮮草產(chǎn)量，重復(fù)3次.采用市場價值法[26]對巨菌草生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的價值進(jìn)行評價.按照巨菌草生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)全部制作成青貯飼料計算其收益，再減去其成本(包括草種、肥料、機(jī)械和人工管理等費(fèi)用)，即可計算出巨菌草生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)所產(chǎn)生的價值.

Vo=Y×P-C

(1)

式中：Vo為試驗(yàn)地單位面積巨菌草一年生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的價值(元·hm-2·a-1)；Y為巨菌草的產(chǎn)量(t·hm-2)；P為巨菌草的市場價格(元·t-1)；C為巨菌草種植管理成本(元·hm-2).

1.3.2 改良土壤 采用影子價格法[27]對巨菌草改良土壤的價值進(jìn)行評價.從試驗(yàn)地隨機(jī)選取3塊10 m×10 m區(qū)域，每個區(qū)域分別選取5個樣方，通過隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則取樣(分別采集巨菌草種植前、后的沙土樣品)，共3個重復(fù).按照 NY/T 1121.24—2012[28]的方法測定土壤N含量；按照HJ 704—2014[29]的方法測定土壤P含量；按照 NY/T 889—2004[30]的方法測定土壤K含量；按照 NY/T 1121.6—2006[31]的方法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；土壤容重采用“YDRZ-4L”型灌砂法容重測定儀測量，使用環(huán)刀切割未攪動的自然狀態(tài)沙土樣，使其充滿容量瓶，然后烘干稱量，再計算單位容積的烘干沙土質(zhì)量，即為沙土容重，重復(fù)3次.樣品中N、P、K含量分別對標(biāo)尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀中N、P、K的含量，有機(jī)質(zhì)對標(biāo)有機(jī)肥，分別折算出樣品中各營養(yǎng)元素變化量相當(dāng)?shù)幕柿?通過中國化肥網(wǎng)(http://www.fertchina.com)查詢2022年上述幾種國產(chǎn)化肥的月平均價格，計算沙土肥力變化所產(chǎn)生的價值.

Vs=S×H×ρ×(Io×Po+In×Pn+Ip×Pp+Ik×Pk)

(2)

式中：Vs為單位面積沙土中N、P、K及有機(jī)質(zhì)一年增加的總價值(元·hm-2·a-1)；S為巨菌草面積(hm2)；H為取樣深度(m)；ρ為沙土容重(g·cm-3)；Io、In、Ip和Ik分別為沙土中有機(jī)質(zhì)、N、P和K的增加量(mg·kg-1)；Po、Pn、Pp和Pk分別為有機(jī)肥、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的市場價格(元·t-1).

1.3.3 固碳釋氧 采用替代成本法[26]對巨菌草固碳釋氧的價值進(jìn)行評估.從試驗(yàn)地隨機(jī)選取3塊10 m×10 m區(qū)域，每個區(qū)域選取5個樣方，從每個樣方中隨機(jī)收割1叢巨菌草，同時挖出其所有根系，重復(fù)3次.將樣品分別烘干至恒重，并稱其干質(zhì)量，得到單叢巨菌草植株地上部分和地下部分的干物質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)種植密度推算出單位面積巨菌草的干物質(zhì)量.根據(jù)光合作用方程式，巨菌草固碳釋氧時，每形成1 g干物質(zhì)需要吸收1.62 g CO2,同時釋放1.20 g O2[32]，由此可知巨菌草固碳釋氧的價值.

固碳的價值：VCO2=1.62×(Ya+Yb)×S×PCO2

(3)

釋氧的價值：VO2=1.20×(Ya+Yb)×S×PO2

(4)

固碳釋氧的總價值：Vd=VCO2+VO2

(5)

式中：Vd為單位面積巨菌草一年固碳釋氧總價值(元·hm-2·a-1)；VCO2和VO2分別為單位面積巨菌草一年固碳和釋氧價值(元·hm-2·a-1)；Ya和Yb分別為單位面積巨菌草地上部分和地下部分干物質(zhì)量(t·hm-2)；PCO2和PO2分別為市場固定CO2和制造O2的價格(元·t-1)；S為巨菌草面積(hm2).

1.3.4 阻沙固沙 采用影子價格法[27]對巨菌草阻沙固沙的價值進(jìn)行評價.從試驗(yàn)地隨機(jī)選取3塊10 m×10 m區(qū)域，每個區(qū)域分別選取5個樣方,通過隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則取樣(巨菌草種植前沙土樣品)，共3個重復(fù)，然后檢測樣品中N、P、K及有機(jī)質(zhì)含量，檢測方法與1.3.2相同.樣品中N、P、K含量分別對標(biāo)尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀中N、P、K的含量，有機(jī)質(zhì)對標(biāo)有機(jī)肥，分別折算出樣品中各營養(yǎng)元素含量相當(dāng)?shù)幕柿?通過中國化肥網(wǎng)查詢2022年上述幾種國產(chǎn)化肥的月平均價格，計算單位面積沙土一年損失肥力的價值，以此評估巨菌草阻沙固沙的價值.

Va=Sg×(Co×Po+Cn×Pn+Cp×Pp+Ck×Pk)×S

(6)

式中：Va為單位面積沙土一年損失肥力的總價值(元·hm-2·a-1)；Sg為單位面積巨菌草固沙量(t·hm-2)；Co、Cn、Cp和Ck分別為裸沙地沙土中有機(jī)質(zhì)及N、P和K含量(mg·kg-1)；Po、Pn、Pp和Pk分別為有機(jī)肥、尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的市場價格(元·t-1)；S為巨菌草面積(hm2).

1.3.5 保護(hù)生物多樣性 根據(jù)謝高地等[33]的研究，利用蒙甘寧溫帶半干旱區(qū)熱性草叢保護(hù)生物多樣性的價值，估算出烏蘭布和沙漠東緣巨菌草生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)生物多樣性的價值.

Vb=Vh×K×S

(7)

式中：Vb為單位面積巨菌草一年保護(hù)生物多樣性的總價值(元·hm-2·a-1)；Vh為單位面積熱性草叢一年保護(hù)生物多樣性的價值(元·hm-2·a-1)；K為對棲息地和生物控制的貢獻(xiàn)率(%)，即對棲息地和生物控制的價值總和與熱性草叢生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值之比；S為巨菌草面積(hm2).

(8)

式中：Vt為巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值；Vj為巨菌草第j種服務(wù)功能的價值(元·hm-2·a-1).

2 結(jié)果與分析

2.1 生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的價值

研究結(jié)果表明，試驗(yàn)地平均可產(chǎn)鮮草183 t·hm-2·a-1，鮮草市場售價約400元·t-1，種植管理總成本約為12 750元·hm-2·a-1.依據(jù)式(1)計算，得出巨菌草生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的價值為60 450元·hm-2·a-1.

2.2 改良土壤的價值

本研究中，沙土的取樣深度為0.5 m，巨菌草種植前、后土壤容重分別為1.40、1.44 g·cm-3，營養(yǎng)元素含量見表1.種植后沙土中有機(jī)質(zhì)、N、P和K含量分別比種植前提高了680.00、50.00、30.00和10.47 mg·kg-1.2022年國產(chǎn)化肥月平均價格：尿素為2 800元·t-1(含N 46%)，過磷酸鈣為900 元·t-1(含P 16%)，硫酸鉀為1 530元·t-1(含K 17%)，有機(jī)肥為700元·t-1.依據(jù)式(2)計算,得出土壤中有機(jī)質(zhì)、N、P、K含量增加的價值分別為3 334、2 132、1 182、660元·hm-2·a-1.故巨菌草改良土壤的價值為7 308元·hm-2·a-1(表2).

表1 巨菌草種植前、后沙土中營養(yǎng)元素含量對比Table 1 Comparison of nutrient elements contents in sandy soil before and after planting of giant JUNCAO grass

表2 巨菌草改良土壤的價值Table 2 Value of soil improvement by giant JUNCAO grass

2.3 固碳釋氧的價值

本研究中，采用中國造林C成本(260.90元·t-1)和瑞典C稅率(655.33元·t-1)的平均值(458.12元·t-1)作為巨菌草固定CO2的單價；巨菌草固定CO2中C元素質(zhì)量占比為27.27%，依此可計算出巨菌草固碳量；采用中國造林O2成本(352.93元·t-1)和工業(yè)制造O2成本(400元·t-1)的平均值(376.47元·t-1)作為巨菌草釋放O2的單價.依據(jù)式(3)、式(4)和式(5)計算，巨菌草固碳和釋氧的價值分別為22 880和51 064元·hm-2·a-1(表3).

表3 巨菌草固定CO2和釋放O2的價值Table 3 Value of CO2 fixation and O2 release by giant JUNCAO grass

2.4 阻沙固沙的價值

本研究中，烏蘭布和沙漠東緣與黃河相連區(qū)域面積約1 000 km2，每年向黃河輸入泥沙約1.0×108t[34]，種植巨菌草后，一年可以減少入黃泥沙約20.01×104t.依據(jù)表1、式(6)計算，巨菌草阻沙固沙的價值為3 199元·hm-2·a-1(表4).

表4 巨菌草阻沙固沙的價值Table 4 Value of sand resistance and fixation by giant JUNCAO grass

2.5 保護(hù)生物多樣性的價值

根據(jù)謝高地等[33]的研究，蒙甘寧溫帶半干旱區(qū)單位面積熱性草叢保護(hù)生物多樣性的價值為142.4 $·hm-2·a-1(當(dāng)前匯率1 $=6.698元)，對棲息地和生物控制的貢獻(xiàn)率為7.44%.依據(jù)式(7)計算可得，巨菌草保護(hù)生物多樣性的價值為71元·hm-2·a-1.

2.6 菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值

綜合以上評價結(jié)果，依據(jù)式(8)計算可知，內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠東緣巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值為144 972元·hm-2·a-1.其中，生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)、改良土壤、固碳釋氧、阻沙固沙、保護(hù)生物多樣性的價值分別占41.70%、5.04%、51.01%、2.20%、0.05%.

3 討論

本研究結(jié)果表明，內(nèi)蒙古阿拉善盟烏蘭布和沙漠東緣巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值為144 972元·hm-2·a-1；而內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值為8 111元·hm-2·a-1[35]；內(nèi)蒙古森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值為6 279元·hm-2·a-1[36].由此可知，每年單位面積巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值是草原的17.9倍、森林的23.1倍，說明巨菌草在維護(hù)和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)方面具有非常大的潛力.

巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可分為生產(chǎn)功能和生態(tài)功能兩大類.生產(chǎn)功能是可以商品化的功能，表現(xiàn)為直接價值.經(jīng)計算，巨菌草此部分價值為60 450元·hm-2·a-1，占比41.70%.生態(tài)功能是難以商品化的功能，屬于準(zhǔn)公共品，無法進(jìn)入市場，表現(xiàn)為間接價值.經(jīng)計算，巨菌草此部分價值為84 522元·hm-2·a-1，占比58.30%.從以上不完全的估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巨菌草生態(tài)功能的價值大于生產(chǎn)功能的價值.

本研究僅評估了巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的生產(chǎn)功能和小部分生態(tài)功能的價值，還有大部分生態(tài)功能的價值未考慮在內(nèi)，且在計算中參考了森林和草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的研究方法和部分?jǐn)?shù)據(jù)，因巨菌草與草原、森林之間存在不可忽略的差異，計算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定差異.因此，今后需進(jìn)一步研究和完善巨菌草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值評估方法.