正蓝旗草地生态系统的畜产品和防风固沙的权衡

　　生态系统服务(eco system service)是指生态系统及其所包含的物种用以维持和满足人类需求的条件和过程，生态系统服务研究已经成为目前生态学研究的热点之一，主要包括生态系统服务的机制、价值评估、相互影响与经济社会发展的关系等方面。MA(千年生态系统评估，Millennium Eco system Assessment)将生态系统服务分成:供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四大类，不同生态系统服务存在不同程度的冲突，比如供给服务上升的同时可能导致调节服务下降。人类追求经济社会发展的过程中，由于认识不足和利用不当，虽然提高了产品供给的能力，却使得调节服务受到限制甚至损害，并将最终危害到人类自身的生存环境。生态系统服务的权衡利用(trade－off)是生态系统服务研究，尤其是生态系统服务与经济社会发展融合研究的重要基础。Peterson等对美国威斯康辛州北部高原湖泊的研究发现，过去30年随着湖岸建筑不断增加，湖泊开发使得沿岸经济增长，湖岸的文化服务功能加强，但湖泊的产品供给服务功能下降，调节功能也受到影响。权衡不同生态系统服务关系的目的是深入了解不同服务相互关联的作用因子和作用机制，准确分析比较它们之间的关系，指导人类合理开发利用自然资源。

　　浑善达克沙地的草地生态系统一方面具有畜牧功能，可为人类提供畜产品的供给功能，同时由于浑善达克沙地是京津冀地区的主要风沙源之一，其草地生态系统也具有重要的防风固沙功能，在我国生态保护格局中具有十分重要的地位。近年来由于不合理的超载放牧，草地受到严重破坏，引起土地沙化加剧。因此，浑善达克草地生态系统服务的利用也面临一个关键的权衡问题，如何协调好畜产品供给功能和防风固沙功能的使用?文中通过对比分析不同生态服务功能的利用方式和强度，以正蓝旗为案例区，构建了草地生态系统服务权衡模型，对草地生态系统的畜产品供给功能和防风固沙功能进行权衡，提出生态安全调控和管理建议，以期解决该地区生态环境保护和社会经济发展的矛盾。

　　1、材料与研究方法

　　1．1研究区草地类型

　　基于1:100万植被图，结合研究区地形差异，将区域草地划分为5种类型，分别是:典型草原复合草原、湿地草甸、低山丘陵典型草原、低山丘陵湿地草原、沙丘间典型平原(图1)。其中，典型草原复合草原面积200935hm2，湿地草甸面积426743hm2，低山丘陵典型草原面积46161hm2，低山丘陵湿地草原面积277814hm2，沙丘间典型平原草原面积76105hm2。

　　1．2研究方法

　　1．2．1生态系统服务权衡模型

　　为了便于生态系统服务的权衡，文中假设正蓝旗草地生态系统主要提供两种服务功能，一是畜产品供给功能，二是防风固沙调节功能。这个假设与正蓝旗的生态系统的定位相符合。已有研究表明，畜产品供给功能和防风固沙功能的强弱与草地生物量存在函数关系。畜产品供给功能价值与生物量利用率呈现正相关关系，而防风固沙功能相反，当地面生物量越低，则防风固沙的功能越弱，其价值越低(图2)。因此，对两种生态系统服务的权衡，实际上就是对生物量利用率的权衡。从不同草地生物量利用率带来不同的经济价值为出发点，采用极值分析法，找出价值极值点，为区域草地生态系统的综合利用提供科学基础。权衡模型如式(1)和图2所示。

　　式中:V表示草地畜产品供给和防风固沙调节服务价值的最佳组合值，V1代表畜产品供给服务的经济价值，V2代表防风固沙调节服务的经济价值。V1和V2均为生物量利用率(B)的函数。因此，可以通过调控生物量利用率达到草地利用价值最大化的目标。

　　1．2．2区域生物量

　　对生物量的权衡利用是决定草地生态系统利用价值最大化的决定因素。为了计算区域不同类型草地的生物量，2011年上半年，分别在正蓝旗的典型草原复合草原、湿地草甸、低山丘陵典型草原、低山丘陵湿地草原、沙丘间典型平原这5种草地中选取有代表性的样方44个，进行地面生物量测算。根据平均值计算，典型草原复合草原的平均生物量是224．19g/m2，湿地草甸的平均生物量是276．01g/m2，低山丘陵典型草原的平均生物量是224．19g/m2，低山丘陵湿地草原的平均生物量是231．57g/m2，沙丘间典型平原的平均生物量是82．38g/m2，沙丘的平均生物量是44．97g/m2。

　　1．2．3生态系统服务价值评估方法

　　(1)载畜功能价值评估。载畜功能价值评估方法采用市场价方法，其公式为:V1=C×Q(4)式中:C为每一绵羊单位的市场价，Q为区域草地类型的载畜总量。

　　草地载畜量按照最常用的方法，草地产草总量和家畜日食量的比值，其公式为:

　　式中:Qi为草地载畜量。第i类草地产草量为该类草地的生物量与生物量利用率的乘积。草地载畜率以绵羊(只)为单位，一只绵羊单位每日食用干草量约为1．85kg，以此计算出正蓝旗区域草地载畜量。

　　(2)防风固沙功能价值评估。防风固沙功能价值评估方法采用最常用的影子工程法计算，即按照沙尘治理防护费用核算:V2=A×(S/ρ)/0．1/10000(6)式中:A是单位面积沙尘治理费用(元/hm2)，S为防风固沙量(t)，ρ为沙尘密度(t/m3)。A和ρ的值为常量，取值(表1)。

　　防风固沙量S按照草地最大输沙量和实际输沙量的差值计算，输沙量的计算依据输沙率计算。根据成天涛等人的研究，起沙量计算按照式(7)计算。

　　SO=q×t×l(7)式中:SO为起沙量，q为风蚀输沙率，t为起沙时间，l为起沙距离。

　　风蚀输沙率计算按照式(8)计算:q=6．42×10－8(exp(－0．00338c－0．000202c2)×u－450)3(8)式中:q为风蚀输沙率(g/cm·s)，u为距地表1m高度处的年均风速值(cm/s)，c为植被覆盖度(%)。植被特征对土壤风蚀的影响很大，风蚀率随植被盖度的增加呈指数函数减少，植被盖度对土壤风蚀的影响具有指数效应。文中通过野外调查，建立植被盖度与生物量的函数关系，最终风蚀输沙率是生物量的函数。相关研究表明，正蓝旗春季起沙量占全年的57%，年大风日数达到50－80天，据此，文中估算起沙时间为4个月。对于起沙距离，将不同草地类型面积之和视作一个圆形，其直径长即为与风向垂直的区域边界长度。基于GIS分析，五种草地类型的起沙距离(表2)。最大输沙量则视为土地为裸地情况下的输沙量。

　　2、结果与分析

　　2．1生物量和植被盖度的关系

　　根据实验选取的44个样方生物量和植被盖度的实测数据，拟合出植被盖度(C)和生物量(W)之间的关系(图3)。结果表明，正蓝旗草地植被盖度与生物量呈现典型的对数函数关系，两者之间显著正相关(Spearman秩相关系数为0．695，P＜0．01)，植被盖度越高，生物量越大。

　　C=35．165ln(W)－95．624R2=0．70(9)2．2生态系统服务价值评估。

　　2．2．1畜产品供给价值

　　根据每种草地类型能够提供用作饲草的最大生物量用于畜产品的经济价值估算，正蓝旗地区最多能够提供约1484190t重的干草料，最多可以喂饲约220万绵羊单位家畜。根据正蓝旗2010年统计年鉴数据显示，当年一只成年绵羊的价格约为1000元/只，正蓝旗草地的畜产品供给价值最大能到220000万元。根据畜产品功能所占用生物量的比例，正蓝旗草地能够提供畜产品供给经济价值范围在0到220000万元。

　　2．2．2防风固沙价值

　　假设区域全为裸地，则区域最大输沙量为3．29×108t，这种情况下，防风固沙价值为零。有植被覆盖的情况下，不同草地类型风蚀输沙的情况将大大减轻，防风固沙服务削减了起沙量，削减的起沙量则为防风固沙服务的体现。最极端的情况是，区域没有起沙量，此时，防风固沙价值最大为259465万元。根据地面覆盖度的变化，亦即地面剩余生物量的变化，防风固沙服务价值的变化范围为0到259465万元。

　　2．3权衡结果分析

　　以5%为草地生物量利用率的变化步长，按照公式(1)－(8)分别计算五种草地类型不同生物量利用组合情景下的畜产品供给功能、防风固沙功能价值，总计有4084101种组合。在此基础上，计算出不同组合情景下的生态系统服务总价值。对所有组合的价值总量进行降序排列，总价值最高的10个组合(表3)。

　　表3结果显示，为尽可能获得草地的功能利用价值，草地生态系统利用方式的组合为:典型草原复合草原70%左右的生物量，湿地草甸55－65%的生物量，低山丘陵典型草原50－60%的生物量，低山丘陵湿地草甸45－55%的生物量，沙丘间平原典型草原15－20%的生物量用于畜产品供给，剩下的生物量用于保持土壤，保留植被盖度和保障草地生态系统防风固沙的调节功能，产生的价值在451379－482325万元之间。其中，正蓝旗草地价值最大的利用组合是:典型草原用复合草原70%的生物量，湿地草甸65%的生物量，低山丘陵典型草原60%的生物量，低山丘陵湿地草甸55%的生物量，沙丘间平原典型草原15%的生物量用于畜产品供给，这种方式能够创造最大的经济价值约为482325万元。

　　3、讨论

　　根据生态系统服务最大值模型权衡结果看，不同的草地类型其生态系统服务功能的利用方式存在较大差异。典型草原复合草原和湿地草甸的植被状况较好，所占面积比例较大，能够提供的生物量较多，具有较强的生态系统服务。典型草原复合草原和湿地草甸的合理使用，既能为畜牧业发展提供主要的支持力量，又能够保证正蓝旗地区较大面积的土地保持防风固沙功能。当典型草原复合草原的利用率维持在60%到70%之间，湿地草甸的利用率维持在55%到65%之间，低山丘陵典型草原和低山丘陵湿地草甸的利用率相对较低，分别维持在50%到60%，和45%到55%之间时，就能保证草地生态系统提供的服务保持较高的经济价值。而沙丘间平原典型草原能够提供的可利用生物量较少，提供的生态系统服务低，畜产品供给服务的价值低。但一旦破坏，防风固沙功能丧失对于区域的影响较大，因此，应重点考虑对它的保护和修复，尽量不利用其产品供给功能，最大的利用率应在20%以内。这个结论与丁国栋先生的研究结果较为相似。他认为在浑善达克地区，典型草原复合草原的最大可利用率为70%，湿地草甸65%，低山丘陵典型草原最大可利用率为60%，低山丘陵湿地草原最大可利用率为55%，沙丘间典型平原草原最大可利用率为20%。这从另一角度验证了该研究的可靠性和研究方法的实用性。

　　文中结果对于草地资源的可持续利用具有一定的参考价值。正蓝旗作为我国重点生态功能区，具有重要的生态保护地位，而草地资源又是当地牧民生计的基础，如何确定草地资源的合理利用阈值，本项目研究成果具有一定的参考作用。文中提供了不同草地类型的最大利用率，可供区域制定畜牧政策和利用阈值参考。

　　同时，文中研究结果也为草地生态补偿政策的制定提供了一种新的补偿思路。对于实施生态补偿的区域，要严格限定草地的利用方式，对于不同的草地类型，放牧对草地生物量的利用率不能超过该类型草地生物量的最大可利用率。可依据最大可利用率计算不同草地类型的载畜量，提高最大载畜量计算的科学性，更好地执行超载放牧政策。另一方面，草地生态系统的最大畜产品经济价值为生态补偿标准提供了依据，即，通过计算草地生态系统的最大畜产品经济价值，以最大畜产品经济价值与实际畜产品经济价值之差，作为生态补偿资金的数额。这样既不影响当地牧民的收入水平，同时也能改善当地牧民的生活环境，使他们能够更加积极地履行国家对于草地生态系统的保护政策，从而更好地保护草地生态系统。

　　从分析方法看，文中采取极值分析法，计算草地生态系统畜产品供给服务功能和防风固沙调节服务功能产生的最大经济价值，提出了草地可持续利用研究的新的研究角度。极值分析模型有助于简化复杂的冲突，适用于多用途且复杂的系统分析;同时将生态系统服务功能价值化，便于进行计算和比较，更为直观也更容易为人们所接受。但由于该模型的局限性，仍有可改善提高的内容。一方面，不同生态系统有着各自不同的特点，生态系统服务功能之间的冲突在不同地域不同时间里表现不同，故难以建立一个广泛适用的模型，目前关于生态系统服务冲突研究的结论通常只适用于研究区域，不同区域的研究方法差别较大。另一方面，生态系统服务功能之间相互作用的机制十分复杂，将生态系统服务功能价值化所得到的数据其科学性和准确性可能存在一定问题，无法全面准确地量化生态系统服务功能的价值，因此在建立模型，如何选取合适的参数和变量将变得十分重要，也是下一步研究工作的重点。

　　4、结论

　　(1)草地畜产品供给功能和防风固沙功能具有相互影响，相互制衡的关系。生物量应用于某种生态系统服务的比例是决定草地生态系统服务价值总量的关键变量。以生物量使用比例为变量，在分别评估草地的畜产品供给功能和防风固沙功能价值的基础上，采取极值分析法，建立权衡模型，从而能确定草地生态系统服务价值最大的组合利用情景。这种基于生态系统服务价值最大化的权衡模型，对于合理利用草地资源，制定草地保护与利用政策，以及草地生态补偿政策的制定，均能提供一定的科学依据。

　　(2)正蓝旗草地利用价值最大化的组合方式是:典型草原复合草原利用率为70%左右，湿地草甸利用率为55－65%，低山丘陵典型草原利用率为50－60%，低山丘陵湿地草甸利用率为45－55%，沙丘间平原典型草原利用率为15－20%。