許晴,許中旗,王英舜
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué),河北保定071000;2.內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺,內(nèi)蒙古錫林浩特026000)
禁牧對典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響的價(jià)值評價(jià)
許晴1,許中旗1,王英舜2
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué),河北保定071000;2.內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺,內(nèi)蒙古錫林浩特026000)
為了定量評價(jià)禁牧對典型草原生態(tài)系統(tǒng)的影響,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)價(jià)值評價(jià)方法對放牧及禁牧?xí)r間不同(2、7和17年)的典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明,禁牧可以顯著提高典型草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)、碳吸收、氧氣釋放及物質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量;物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值量隨禁牧?xí)r間的增加而增加,以禁牧17年典型草原為最高;碳吸收、氧氣釋放及物質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量則以禁牧2年的典型草原為最高。禁牧可以顯著提高典型草原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,但長期禁牧不利于典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提高和維持。
禁牧;典型草原;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);價(jià)值評價(jià)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(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[1-2]。由于人們對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性以及不可替代性的認(rèn)識逐漸清晰,有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究日益受到人們的重視。于2001年啟動(dòng)的聯(lián)合國“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”(Millennium Ecosystem Assessment,MA)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價(jià)作為其重要的研究內(nèi)容之一[3]。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生物圈最重要的組成成分之一,我國不同類型草地總面積為4.1×108hm2,約占國土總面積的40%。北方天然草原約為3.13×108hm2,占草地總面積的78%,是我國草地的主體。其中,典型草原是我國溫帶草原中最有代表性和典型性的一種類型[4]。典型草原位于荒漠草原與草甸草原之間,是阻止我國北方土地沙漠化的第一道屏障,對環(huán)境條件變化和人為干擾最為敏感。近年來,由于認(rèn)識到過牧對典型草原的破壞作用,內(nèi)蒙古典型草原區(qū)采取了禁牧、輪牧等措施,使得典型草原生態(tài)系統(tǒng)的退化過程得到了明顯抑制,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也得到了一定程度的恢復(fù)。對典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化進(jìn)行研究將有助于人們對不同利用模式下典型草原生態(tài)系統(tǒng)變化的理解。
Costanza等[5]曾對全球草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能進(jìn)行了價(jià)值評價(jià),認(rèn)為全球草地生態(tài)系統(tǒng)每年提供的服務(wù)功能價(jià)值為9.06×1010美元,占全球總價(jià)值的2.72%,占陸地生態(tài)系統(tǒng)總價(jià)值的7.3%。謝高地等[6]依據(jù)1∶1 000 000中國草地資源圖,得出全國草地生態(tài)系統(tǒng)每年的服務(wù)價(jià)值為1.50×1011美元。趙同謙等[7]、閔慶文等[8-9]也分別對我國草地生態(tài)系統(tǒng)和內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)、青海高原草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行了研究。以上研究使人們對于草地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能有了更清晰的認(rèn)識,但多是靜態(tài)評價(jià),而動(dòng)態(tài)評價(jià)則能為典型草原的管理和利用提供更為有用的信息。本研究對采取禁牧措施后典型草原的若干生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化進(jìn)行定量評價(jià),以使人們對于禁牧的實(shí)施效果有更明確的認(rèn)識,以便采取更為有效的措施對典型草原進(jìn)行合理的保護(hù)和利用。
研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟畜牧氣象研究所的試驗(yàn)?zāi)翀鰞?nèi)。其地理位置在錫林浩特市以東23km處,116°04′~117°05′N,43°26′~44°08′E,海拔為900~1 000m。該區(qū)的氣候類型為溫帶半干旱大陸性氣候。年均氣溫為-0.1℃,7月平均氣溫為18.3℃,1月平均氣溫為-22.0℃,全年≥10℃積溫為1750℃·d,全年日照時(shí)數(shù)為2 600h,無霜期90~110d,年降水量300mm左右[10]。土壤主要為典型栗鈣土。該試驗(yàn)?zāi)翀鑫挥趦?nèi)蒙古典型草原區(qū)的中心地帶。其主要植物有克氏針茅(Stipa krylovii)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquanosa)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)、矮蔥(Alliumanisopodium)、野韭(A.ramosum)、豬毛菜(Salsolacollina)、寸草苔(Carexduriuscula)等。
該牧場總面積為12km2,在1987年以前為打草場,從1987年改為放牧場。該牧場放牧牲畜為綿羊,夏季存欄數(shù)為1 200只,冬季為800只,每年的6-12月為自由放養(yǎng),12月-翌年6月實(shí)行圈養(yǎng)。牧場內(nèi)設(shè)有禁牧2、7和17年的試驗(yàn)樣地。自由放牧草地群落蓋度為17.38%,群落高度為14.11cm;禁牧2、7和17年試驗(yàn)樣地群落蓋度分別為26.48%、31.05%和42.70%,群落高度分別為18.25、19.46和24.89cm。
2.1 物質(zhì)生產(chǎn)功能的價(jià)值量 于2004年的4、7、8和10月分別在自由放牧草地、禁牧草地(禁牧2、7和17年)以及農(nóng)田內(nèi)采用隨機(jī)布點(diǎn)的方法內(nèi)設(shè)置0.5m×0.5m樣方3塊,在樣方內(nèi)測定牧草的地上生物量和地下生物量。生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力為地上部分和地下部分凈生產(chǎn)力之和,地上部分凈生產(chǎn)力取草原植物地上部分當(dāng)年生長量,地下部分凈生產(chǎn)力由最高生物量與最低生物量的差值表示[4]。典型草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)功能的價(jià)值量由如下公式進(jìn)行計(jì)算:
式中,Vg為草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)功能的價(jià)值量,Bg為草原生態(tài)系統(tǒng)地上生物量(牧草產(chǎn)量);Pg為牧草的價(jià)格,取當(dāng)?shù)囟嗄昶骄袌鰞r(jià)0.6元·kg-1。
2.2 典型草原生態(tài)系統(tǒng)吸收CO2功能價(jià)值
2.2.1 干物質(zhì)碳含量法 利用生態(tài)系統(tǒng)干物質(zhì)(包括植物地上部分、根系、枯落物)凈增量(一年中干物質(zhì)最大值減去干物質(zhì)最小值)及各部分的含碳量來計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量,利用碳吸收量及碳的價(jià)格計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)碳吸收CO2功能的價(jià)值量。
式中,Vc為生態(tài)系統(tǒng)吸收的碳的價(jià)值量;△Ms為草原植物草原植物地上部分干物質(zhì)凈增量;△Mr為草原植物根系干物質(zhì)凈增量;△Ml為枯落物的凈增量;Sc、Lr和Lc分別為地上部分、地下部分及枯落物的碳含量。P為碳的價(jià)格,本研究分別用兩種方法對碳的價(jià)值量進(jìn)行計(jì)算:造林成本法,P為260.90元·t-1(按1990年不變價(jià)格計(jì)算);碳稅法,P為1 242.00元·t-1(按照瑞典的碳稅率,每噸碳的價(jià)格為150美元,美元與人民幣的換算按1美元折合8.28元計(jì)算)。
2.2.2 光合方程法 利用生態(tài)系統(tǒng)干物質(zhì)凈增量(含義同上),通過光合作用方程來計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)吸收的碳量。根據(jù)光合方程式,植物體每積累1g干物質(zhì),可以吸收約1.63g的CO2[11]。由如下公式進(jìn)行計(jì)算:
式中,Vc為生態(tài)系統(tǒng)吸收的碳的價(jià)值量;其他各項(xiàng)含義同上。
2.3 典型草原生態(tài)系統(tǒng)釋放O2功能價(jià)值利用各生態(tài)系統(tǒng)的干物質(zhì)凈增量,通過光合作用方程來計(jì)算各生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的量。根據(jù)光合方程式,植物體每積累1g干物質(zhì),可以釋放約1.2g的O2,由此可以得出各生態(tài)系統(tǒng)釋放的O2的量及其價(jià)值。
式中,Vo2為釋放O2的價(jià)值量。P為O2的制造成本,本研究采用造林成本法和工業(yè)制氧法來計(jì)算釋放O2的價(jià)值量,采用造林成本法時(shí),P取352.93元·t-1;采用工業(yè)制氧法時(shí),P取400.00元·t-1[12]。
2.4 典型草原的物質(zhì)循環(huán)功能價(jià)值 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)功能是指養(yǎng)分元素在生物庫、凋落物庫和土壤庫之間的轉(zhuǎn)移循環(huán)過程。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí),養(yǎng)分元素在3個(gè)庫之間的轉(zhuǎn)移通量大致是相等的。因此,可以認(rèn)為構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的第一性凈生產(chǎn)力的養(yǎng)分元素即為參與循環(huán)的養(yǎng)分量[7]。本研究中只考慮含量較高的氮、磷、鉀3種元素。生物庫養(yǎng)分持留法的計(jì)算公式為:
式中,V為生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的價(jià)值量;P為生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力;Di為生物體中i元素(氮、磷、鉀)的含量,Mi為植物體中氮、磷、鉀和折算為硫酸銨、過磷酸鈣和氯化鉀的系數(shù),分別為4.762、3.373和1.667;Pi為硫酸銨、過磷酸鈣和氯化鉀的價(jià)格,分別為750、398和1 054元·t-1[10]。
2.5 植物及土壤養(yǎng)分分析 土壤有機(jī)質(zhì)、植物有機(jī)碳采用重鉻酸鉀法測定;土壤全氮、植物氮采用開氏法測定;土壤速效氮采用蒸餾法測定;土壤中的全磷、鉀采用FH-HNO3-HCLO4消解,ICP測定;植物磷、鉀采用HNO3-HCLO4消解,ICP測定;土壤速效磷、鉀采用(NH4)2CO3提取,ICP測定[13]。
3.1 禁牧對典型物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值的影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值由高到低的順序?yàn)榻?7年草原>禁牧7年草原>禁牧2年草原>自由放牧草原,其價(jià)值量分別為1 011.68、600.32、521.52和301.28元·hm-2·a-1(表1)。說明禁牧可以提高草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值,而且,隨禁牧?xí)r間的增加,其價(jià)值量也不斷增加。由物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值的計(jì)算方法得知,其價(jià)值量主要取決于地上部分的凈生產(chǎn)力。禁牧草原的凈生產(chǎn)力普遍高于放牧草原,禁牧有利于草原凈生產(chǎn)力的提高,這與已有的研究結(jié)果[4]是相同的。據(jù)陳佐忠和汪詩平[4]的研究,草原地上凈生產(chǎn)力隨放牧強(qiáng)度的增加逐漸減小。禁牧減少了牲畜對植物葉片的采食,從而使生態(tài)系統(tǒng)的光合面積得到提高,進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)有較高的凈生產(chǎn)力。
3.2 禁牧典型草原碳吸收功能價(jià)值量評價(jià)無論是采用干物質(zhì)碳含量法還是光合方程法,碳吸收量及其價(jià)值量的排序都是一致的,均以禁牧2年的典型草原最高,其次為禁牧7年的典型草原,最后是自由放牧草原和禁牧17年草原,二者相差不大(表2、表3)。本研究所采用的兩種碳吸收量的方法都是以生態(tài)系統(tǒng)的干物質(zhì)凈增量為基礎(chǔ)的。干物質(zhì)凈增量較高意味著生態(tài)系統(tǒng)有較高的碳吸收量。干物質(zhì)的凈增量主要受兩方面因素的影響:凈生產(chǎn)力和枯落物的衰減量。植物的凈生產(chǎn)是吸收碳的過程,而枯落物的衰減是釋放碳的過程,干物質(zhì)的凈增量是這兩個(gè)過程相互作用的結(jié)果。禁牧17年草原的凈生產(chǎn)力高于放牧草原,但其枯落物的積累量高,其衰減量也較高,所以二者的作用相抵,導(dǎo)致兩種草原碳的吸收量相當(dāng)。
從計(jì)算結(jié)果得出,光合方程法的結(jié)果(表3)高于干物質(zhì)碳含量的計(jì)算結(jié)果(表2),而且基本上前者約為后者的1.3倍。其原因可能在于本研究中光合方程法將所有的干物質(zhì),如植物地上部分、根系和枯落物同樣看待(即假設(shè)它們的含碳量是一致的),而實(shí)際上各部分的含碳量有所不同。本研究的分析結(jié)果為,植物地上部分的含碳量(46.89%)要高于地下根系(34.00%)和枯落物(38.85%~44.03%)。
另外,計(jì)算結(jié)果顯示,碳稅法與造林成本法的計(jì)算結(jié)果相差較大。碳稅法是采用的瑞典稅率,約為150美元·t-1(1 242.00元·t-1),而造林成本法則是采用我國的造林成本,約為260.90元·t-1(按1990年不變價(jià)格計(jì)算)。造林成本法的計(jì)算結(jié)果更適合我國的情況,適宜按照中國的物價(jià)水平計(jì)算的價(jià)值的比較,而碳稅法適宜與其他國家計(jì)算結(jié)果的比較。
表1 放牧及禁牧典型草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)功能的價(jià)值量Table 1 Valuation of production in the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition
本研究由于未將土壤的呼吸作用考慮在內(nèi),所以結(jié)果比實(shí)際值偏高。
表2 放牧及禁牧典型草原生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量及其價(jià)值(干物質(zhì)碳含量法)Table 2 Carbon sequestration of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition and their valuation(by carbon content of dry matter)
表3 放牧及禁牧典型草原生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量及其價(jià)值(光合方程式法)Table 3 Carbon sequestration of the steppe ecosystems under grazing andnon-grazing condition and their valuation(by photosynthetic equation)
3.3 禁牧對典型草原釋放O2功能價(jià)值量的影響 釋放O2量及其價(jià)值都以禁牧2年草原為最高,其次為禁牧7年草原,自由放牧草原和禁牧17年草原相差不大(表4)。本研究中O2釋放量的計(jì)算只考慮了由草原植物的凈生產(chǎn)所產(chǎn)生的O2的量,沒有將生態(tài)系統(tǒng)所消耗的O2考慮在內(nèi)。草原生態(tài)系統(tǒng)在通過植物的光合作用釋放氧氣的同時(shí)也在消耗氧氣。氧氣的消耗主要包括兩個(gè)方面:草原植物本身的呼吸作用和土壤的呼吸作用(包括枯落物分解對O2的消耗)。本研究在計(jì)算凈生產(chǎn)力時(shí),只是考慮了在生長季節(jié)植物本身的呼吸,而忽略了土壤呼吸和非生長季節(jié)植物根系的呼吸,因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是偏高的。本研究的結(jié)果其實(shí)只是草原植物在其生長階段除去本身的消耗外釋放了多少O2,而不是生態(tài)系統(tǒng)在一年當(dāng)中釋放了多少O2。
表4 放牧及禁牧典型草原生態(tài)系統(tǒng)的O2釋放量及其價(jià)值Table 4 Release O2of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition and their valuation
3.4 禁牧對典型草原物質(zhì)循環(huán)功能價(jià)值的影響 就各種元素來看,無論是氮、磷還是鉀,養(yǎng)分循環(huán)的物理量和價(jià)值量都是禁牧草原明顯高于放牧草原,而幾種禁牧草原之間差別較小,其從大到小的順序?yàn)榻?年>禁牧7年>禁牧17年>自由放牧(表5)。禁牧草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值量高于自由放牧草原,原因在于禁牧可以提高草原生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力。禁牧2年的典型草原的價(jià)值量略高于禁牧17年和禁牧7年禁牧草原,同樣是由于禁牧2年草原的凈生產(chǎn)力較高的緣故。根據(jù)群落演替理論,在群落進(jìn)展演替的初期,群落的凈生產(chǎn)力是逐漸增加的,而接近頂級階段時(shí)則逐漸降低[14]。禁牧17年的典型草原經(jīng)過17年的禁牧可以認(rèn)為已處于頂級階段,所以其凈生產(chǎn)力并不是最高的。禁牧2年的草原由于剛剛排除放牧對它的干擾,正處于群落恢復(fù)的過程中,由于放牧而未被完全占據(jù)的生態(tài)位為草原植物的迅速生長提供了充足的資源空間,所以生態(tài)系統(tǒng)有較高的凈生產(chǎn)力。
表5 放牧及禁牧典型草原生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)功能價(jià)值Table 5 Valuation of nutrient cycling of the steppe ecosystems under grazing and non-grazing condition
1)禁牧可以顯著提高典型草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)、碳吸收、O2釋放及物質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量。
2)禁牧對典型草原不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量的影響不同,物質(zhì)生產(chǎn)功能價(jià)值量隨禁牧?xí)r間的增加而增加,以禁牧17年典型草原為最高;碳吸收、O2釋放及物質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值量則以禁牧2年的典型草原為最高。
3)禁牧可以顯著提高典型草原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,但長期禁牧不利于典型草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提高和維持。
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Evaluation on the impact of non-grazing on the services of typical steppe ecosystems
XU Qing1,XU Zhong-qi1,WANG Ying-shun2
(1.Agricultural University of Hebei,Baoding 071000,China;2.The State Meteorological Observation Station of Xilinhot Department of Meteorology of Xilinguole League,Xilinhot 026000,China)
In order to understand the impact of non-grazing on the services of typical steppe ecosystems quantitatively,the services of typical steppes under grazing and non-grazing with different periods(2 years,7years and 17years)were evaluated.The result showed that non-grazing could raise the valuation of the services of typical steppe ecosystems,such as production,carbon sequestration,oxygen release,nutrient circle.The evaluation of production of typical steppes increased as the period of non-grazing increased,and that of the typical steppes with 17years of non-grazing was highest.The evaluation of others,such as carbon sequestration,oxygen release,nutrient circle,is highest for typical steppes with 2 years of non-grazing.Non-grazing could improve services of typical steppe ecosystems,but non-grazing for a long time is not conducive to the improvement and maintenance of services of typical steppe ecosystems.
non-grazing;typical steppes;ecosystem services;evaluation
XU Zhong-qi E-mail:xzq7110@163.com
S812.2
A
1001-0629(2012)03-0364-06
2011-09-25 接受日期:2011-10-31
國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(30230090)
許晴(1972-),女,廣東饒平人,助理實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,研究方向?yàn)閯?dòng)物營養(yǎng)。E-mail:xuq7205@sohu.com
許中旗 E-mail:xzq7110@163.com