乾安县盐碱地改良项目的生态效益评估

马文鼎， 赵永敢， 王淑娟

(清华大学 能源与动力工程系/北京市盐碱及荒漠化地区生态修复与固碳工程技术研究中心，北京 100084)

0 引言

【研究意义】目前，我国拥有盐碱化耕地约0.36亿 hm2，其中具有利用潜力的盐碱地与盐碱化障碍耕地约 0.12亿 hm2[1]。加之我国耕地减少问题日益严重，将原本荒芜的盐碱地改良为农田是一种切实可行的办法，既可以改善当地的生态环境，也可以在一定程度上缓解耕地减少对我国城市化发展进程的制约。农田作为一种人类构建的生态系统，与人类的生活关联紧密。相比于农田生态系统带来的经济效益，人们对其创造的生态效益关注程度不够，通过对生态系统服务价值的计算可以量化生态效益。因此，研究将盐碱地改良为农田所带来的生态效益具有重要的现实意义。【前人研究进展】COSTANZA等[2]将全球自然生态系统的生态服务功能大致划分成为气体/大气净化、气候调节、水源涵养、土壤保护等17大类，并建立了一套将生态系统服务功能通过支付意愿的方法量化为货币的评价体系。该体系初步建立了生态系统服务功能和货币间沟通的桥梁，但该方法不适用于小区域生态系统服务功能价值的量化。王方[3]采用影子工程法、直接市场法等方法评价祁连山自然保护区生态系统的服务功能价值认为，该保护区生态系统的主要服务功能是涵养水源和净化空气。潘华等[4]评价云南森林生态系统的服务功能价值结果表明，固碳释氧、物种保护和涵养水源是云南森林生态系统最主要的服务功能。穆松林等[5]对位于内蒙古的草原生态系统服务价值的评价结果显示，其生态系统每年的服务价值量与全区的GDP总量相当。相比于森林、草原和自然保护区等自然生态系统，人们对农田生态系统服务价值的关注程度略显不足。杨志新等[6]对北京郊区农田生态系统服务价值进行计算表明，该地农田所创造生态效益约是其经济效益的6倍。盛婧等[7]研究稻麦轮作农业种植模式下的江苏省农田生态系统服务功能价值表明，稻麦轮作农田生态系统的间接服务价值大于直接服务价值，稻麦生态系统的年均收益按8 179.95元/hm2计算，在该农业生态系统中每投入1元成本，可产生4倍左右的环境效益。张东等[8]将河北省怀来县农田划分为3个生态类和6种生态亚类，并评估了农田生态系统的生产、调节、文化和支持服务价值。【研究切入点】从有关农田生态效益的研究进展看，目前还未形成一个公认的、标准的农田生态效益评估体系。而且，目前关于农田生态系统服务价值研究的对象普遍是面积广大的区域，鲜有对某一具体农业项目的生态系统服务价值的研究。从2019年10月起，清华大学“北京市盐碱及荒漠化地区生态修复与固碳工程技术研究中心”与华清农业公司合作，在吉林省乾安县利用脱硫石膏化学改良法将103.22 hm2的盐碱地成功改良为水稻田，为当地带来经济效益的同时也在一定程度上改善了当地的生态环境。【拟解决的关键问题】通过对小范围的具体农田生态系统服务功能价值的计算，探明盐碱地改良为农田所产生的生态效益，量化盐碱地改良对生态环境的贡献，以提高人们对改良盐碱地的思想重视程度和支付意愿，为当地政府制定相关的生态补偿标准提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究地概况

吉林省乾安县盐碱地改良项目区地处东经123°21′16″～124°22′50″，北纬44°37′47″～45°18 ′08″，属于温带大陆性季风气候。该区域按照10～22℃标准划分季节，春季为5月1日至6月24日，共55 d；夏季为6月24日至8月13日，共50 d；秋季为8月13日至9月30日，共47 d；冬季为9月30日至5月1日，共213 d。百年平均气温为4.5℃，7月为最热，平均温度为23.3℃；1月为最冷月，平均温度为-18.8℃。平均温差为42.1℃。项目区原来的土壤主要是苏打盐碱土，透水性差，植被覆盖率低，生物多样性差。该区的问题主要是土壤沙化、盐碱化和林地及草原退化，是制约该地区经济可持续发展的主要环境问题。

通过化学改良等生态修复措施和修建相应的灌溉与排水设施，项目区103.22 hm2盐碱地已经被成功改良为种植水稻的水田，其中岁字村46.85 hm2、暑字村56.37 hm2。水稻一年一熟，生长期为135 d。

1.2 数据来源

改良田生态效益计算的基础数据由华清农业开发乾安有限公司提供。项目区土壤全N、全P、全K的含量来源于吉林省土壤肥料总站公布的数据[9]。农田对SO2、HF、NOx的吸收量及污染物处理成本来自马新辉等[10-11]的研究结果。农田的年均蒸发蒸腾量数据来源于蔺文静等[12]的研究结果。

1.3 研究方法

结合项目区的实际情况，食物/生物产品提供(主要是农产品生产)、原材料提供(产生可以被加工为燃料的秸秆等原材料)、娱乐服务和文化服务虽是基于生态系统的内部活动(生物的新陈代谢过程等)和外部属性(形成美丽的风景等)产生，但是通过农产品出售、吸引游客消费等途径将直接产生经济效益，故四者不在生态效益讨论范围内。

将对改良地农田生态系统的固碳吐氧、涵养水源、保护土壤、净化大气与阻滞粉尘和营养物质循环5种主要的生态系统服务功能价值进行探讨，五者之和即为该项目农田生态系统创造的生态效益。

1.3.1 涵养水源 以盐碱地为代表的荒地，缺乏植物覆盖，水分大量丧失加重了区域的荒漠化和盐碱化，直接或间接地产生经济损失。而农田生态系统因为其植被覆盖情况较好，植被的地上部分可以通过叶片、躯干等减少阳光照射土壤，植被的地下部分可以通过发达的根系减少土壤水分散失。通过植被减少自然降水的蒸腾是农田生态系统涵养水源价值的主要来源。

涵养水源的量使用水量平衡法计算。然后将该数值乘以水库蓄水成本5.71元/m3[13]，计算公式：

农田涵养水源总价值=[年平均降水量-农田平均蒸发蒸腾量]×农田面积×水库蓄水成本×10

1.3.2 固碳吐氧 受人类活动的影响，大气中的CO2含量增加，在一定程度上造成了温室效应。由于农作物的光合作用，农田生态系统可以减少空气中的CO2，并增加O2。这对改善生态环境具有积极的作用。

根据光合作用化学反应方程式，植物每生产1 g干物质能释放1.20 g O2同时固定1.63 g CO2。减少CO2价值采用造林成本法(260.90元/t C)和碳税法(瑞典碳税率150美元/t C)2种方法进行计算，取其平均值作为农田固碳功能的价值。释放O2的价值采用造林成本法(352.93元/t O2)进行计算。农田固碳吐氧服务功能的总价值为固碳价值和吐氧价值两者之和。

1.3.3 保护土壤 水稻田是从重度盐碱化的荒地改良而来，改良前地表缺乏绿色植物的覆盖而直接裸露在外，存在较为严重的水土流失问题。相比于缺乏植被覆盖的盐碱地，改良田作物发达的根系能减少土壤由于风蚀和降水造成的土壤流失。地面以上的部分，如农作物的茎叶和水田的积水层也可以减少风或降水对地表土壤的直接作用。根据实际情况，将改良田对土壤的保护效应分为减少土壤侵蚀、减少土壤养分流失和减轻泥沙淤积。

1) 减少土壤侵蚀。农田的土壤保持量按106.98 t/(hm2·a)计算[14]。土壤侵蚀会造成土地表土逐年流失，按耕作层土厚0.50 m计算出土地面积，乘以稻麦生态系统的年均收益8 179.95元/hm2，即可算出减少土壤侵蚀的价值，计算公式：

减少土壤侵蚀价值=[106.98/(土壤容重×土厚)]×农田面积×8 179.9 /10 000

2) 减少土壤养分流失。流失的土壤将会造成N、P、K等营养元素的不断流失，使土壤的肥力下降。乾安县位于吉林省西部平原，吉林省西部平原全N含量平均为0.108%，全P含量平均为0.029%，全K含量平均为2.45%。即1.08 g/kg、0.29 g/kg、24.5 g/kg。先算出因土壤侵蚀而流失的N、P、K的量，再乘以折纯后的2018年我国化肥的平均价格5 808元/t，即可得出减少土壤养分流失的价值。其计算公式：

减少养分流失价值=106.98×农田面积×全N、P、K含量×5 808/1 000

3)减轻泥沙淤积。土壤侵蚀的泥沙淤积在水库、江河、湖泊的量按24%计算。根据水库蓄水成本5.71元/t计算减轻泥沙淤积功能的价值，计算公式：

减轻泥沙淤积价值=106.98×农田面积×24%×5.71/土壤容重

1.3.4 净化大气与阻滞粉尘 农田具有净化大气中SO2、NOx、HF等污染物以及阻滞粉尘的能力。农田对SO2、HF、NOx的吸收量分别为50 kg/(hm2·a)、0.43 kg/(hm2·a)、37 kg/(hm2·a)，滞尘1.08 t/(hm2·a)，吸收SO2、HF 和NOx及滞尘单价分别为0.6元/kg、0.9元/kg、0.6元/kg和170元/t。根据农田的面积计算净化大气与阻滞粉尘功能的价值，计算公式：

净化大气与阻滞粉尘价值=农田面积×对SO2、NOx、HF的吸收量及滞尘量×吸收SO2、HF和NOx成本及滞尘成本

1.3.5 营养物质循环 农作物在生长过程中从环境中吸收N、P、K等元素，并将其积累在自身中。这些营养元素部分随着枯枝落叶残根的降解回到土壤当中，部分以农产品的方式从农田生态系统中输出，并以其他形式回到周围环境中。由于农田生态系统的凋落物较少，故衡量营养物质循环能力的指标主要是农作物对N、P、K元素的吸收能力。以水稻为计算对象，根据水稻生长过程中对N、P、K元素的吸收量和我国化肥的平均价格5 808元/t，计算营养物质循环功能的价值，计算公式：

营养物质循环价值=农田面积×作物产量×农作物对N、P、K元素的吸收量×5 808

2 结果与分析

2.1 涵养水源价值

根据吉林省水利厅公布的数据，吉林省多年降水量平均值是608.96 mm。农田的年均蒸发蒸腾量为452.60 mm。故改良地农田总的涵养水源量约为1.61×105 m3/a。将此数据乘以全国建筑行业单位库容的平均造价5.71元/m3，得出改良地农田涵养水源生态服务功能的价值约为92万元/a。

2.2 固碳吐氧价值

查询连续10年内吉林省统计局公布的水稻单产数据，计算出该省水稻单产的平均值为8 131.73 kg/hm2(表1)。水稻的经济系数按0.48计算，算出水稻干物质单产量为1.7 t/(hm2·a)。103.22 hm2农田的固碳量约为786 t/a。按照碳税法(瑞典碳税率150 美元/t C，折合人民币1 026.13 元/t C)和造林成本法(260.90元/t C)分别计算固碳价值，再取2种方法计算结果的平均值51万元/a作为改良地农田的年均固碳总价值。按照造林成本法(352.93元/t O2)计算农田释放氧气的价值约为75万元/a。改良地农田固碳吐氧服务功能的总价值约为126万元/a。

表1 2010-2019年吉林省水稻单产情况

2.3 保护土壤价值

农田的土壤保持量为106.98 t/(hm2·a)，土壤容重按1.35 t/m3计算，耕作层土厚按0.50 m计算，可算得减少流失土壤耕作面积为158.49 m2/a。故将103.22 hm2的盐碱地改良为农田可减少的经济损失约为1万元；土壤中所含的N、P、K等营养物质会随土壤的侵蚀而流失，103.22 hm2农田可减少N、P、K流失的质量约为285.67 t，乘以折纯后我国化肥的平均价格5 808元/t得出，每年减少土壤养分流失所产生的生态效益约为166万元；约24%的流失土壤淤积于水库、江、河、湖中，直接减少其蓄水量1 963 m3，以水库蓄水成本5.71元/m3计算，可得每年产生减轻泥沙淤积的生态效益约为1万元。

2.4 净化大气与阻滞粉尘价值

由表2可见，改良地农田SO2、NOx、HF、粉尘的年吸收量分别为45 kg/hm2、33 kg/hm2、0.57 kg/hm2、917.74 kg/hm2。故改良地农田净化大气与阻滞粉尘功能的总价值约为2万元/a，其中，农田生态系统吸收SO2的价值约为0.2万元/a；吸收NOx的价值约为0.2万元/a；吸收HF的价值很小，可以忽略不计；阻滞粉尘的价值为1.6万元/a。

表2 农田生态系统净化大气与阻滞粉尘价值

2.5 营养物质循环价值

每生产1 kg水稻产品，整个植株需要从环境中吸收N的量为21 g，吸收P的量为4 g，吸收K的量为18 g。2010-2019年吉林省水稻平均产量为8 131.73 kg/hm2。由此计算出改良地农田营养物质循环功能的价值约为21万元/a。

2.6 改良地生态效益的综合评价

对项目区5种生态服务功能价值的计算可知(表3)：103.22 hm2的改良地农田，每年可以创造409万元的生态效益。5种生态系统服务功能价值量依次为保护土壤>固碳吐氧>涵养水源>营养物质循环>净化大气与阻滞粉尘。农田所创造的生态服务功能价值约为4万元/(hm2·a)。

表3 农田生态系统服务功能价值

3 讨论

部分学者将食物生产功能和原材料供给功能也纳入生态效益的计算之中[3，7]。虽然生产农产品是农田生态系统服务功能的一种，但出售农产品获得的收入将直接产生经济效益。此研究着重讨论农田生态系统产生的生态效益，未将农产品生产或原材料供给功能加入到生态系统服务功能价值的计算中。如果农田生态系统的年均经济效益按照8 179.95元/hm2计算，单位面积农田每年产生的生态效益约是经济效益的5倍，该比例与盛婧等[7]的计算结果(4︰1)相接近。另外，基于盐碱地改良产生的较高生态效益，建议当地政府及相关部门制定针对盐碱地改良项目的生态补贴标准，以促进盐碱地改良项目的开展。

保护土壤功能价值在服务总价值中占比最多，其次是固碳吐氧服务功能价值。由于该项目区在改良前土壤重度碱化，大部分土壤不仅没有形成较稳定的土壤结构，而且缺乏植被覆盖直接裸露在外，因此水土流失十分严重，生态环境不断恶化。通过化学改良的方法将盐碱地改良为耕地，降低了土壤碱化程度，形成了较为稳定的土壤结构，又有农作物和稻田水层覆盖在土壤表面有效遏制水土流失，生态环境得到改善。同样，相比未改良的盐碱地，农田生态系统的绿色植物数量增加，固碳吐氧服务功能价值在总服务价值中的占比也较高。

由于受客观条件不充分、不确定性大等因素的限制，准确量化改良地农田生态系统服务功能价值困难，仅考虑研究对象的特点估算5种主要的生态服务价值，其准确性仍有待提高。另外，农田生态系统的气侯调节、水质净化、废物处理和生物多样性保护等服务功能的价值还需要进一步研究。

4 结论

乾安县103.22 hm2盐碱地改良项目的生态效益为每年产生的涵养水源、固碳吐氧、保护土壤、净化大气与阻滞粉尘和营养物质循环5种服务功能价值分别为92万元、126万元、168万元、2万元和21万元。保护土壤和固碳吐氧在总生态效益里占比很高，是农田生态系统主要的服务功能。单位面积农田每年产生的生态效益约为4万元是其经济效益的5倍。随着碳中和目标的提出以及生态文明建设在我国的大力推行，针对盐碱地改良的生态系统服务功能价值的货币化评估工作，将有助于准确衡量生态效益。研究结果可为当地政府制定环境保护、生态补偿、土地开发等相关政策提供参考，促进区域实现“经济-生态综合效益”的最大化。

致谢：华清农业开发乾安有限公司及其种植主管莫恩博在论文撰写过程中给予帮助,谨表谢意!