在海南橡胶种植园中，不同土壤和水资源保护措施下生态系统服务的能量评估：生命周期管理

《Ecological Frontiers》：Emergy assessment of ecosystem services under different soil and water conservation measures in Hainan rubber plantations: Life cycle management

土壤和水保持措施生态效益评估研究，采用 emergy分析法量化海南屯昌县7种措施（单一T1-T3、组合T4-T6）的输入产出比及生态服务产出。结果显示：组合措施T6总生态产出达1.51×10^13 sej，较最优单措施T3提升51.23%，但输入产出比最低；单一水保沟（T2）输入产出比最高（16.38）。研究证实工程措施短期效益显著，组合措施通过多维度协同增强抗侵蚀能力，为热带地区水土保持策略优化提供理论依据。

　　

王茂园|刘少东|郭建超|施琪

北京林业大学水土保持学院，中国北京100083

摘要

传统的土壤和水资源保护（SWC）措施评估主要关注其在减少土壤流失方面的有效性，往往缺乏系统和综合的视角。为了解决这一差距，本研究采用能量分析方法，系统评估了不同SWC措施的生态服务功能和可持续性。基于海南省屯昌县七个径流小区两年的监测数据以及二十年的降雨记录（2001-2020年），我们量化了单一措施（T1：绿肥覆盖；T2：蓄水沟；T3：等高梯田）和组合措施（T4：蓄水沟+条带绿肥覆盖；T5：等高梯田+蓄水沟；T6：等高梯田+蓄水沟+条带绿肥覆盖）的生命周期能量投入和生态服务产出（包括水资源保护、土壤保持和肥力维持）。通过计算能量投入-产出比（定义为每单位能量投入的生态能量产出），来阐明这些措施在生态经济效率上的差异。工程措施（T2、T3）在水资源保护、土壤保持和肥力维持方面的能量产出显著高于单一植被措施（T1）。组合措施的表现始终优于单一措施，其中T6处理方式（等高梯田+蓄水沟+条带绿肥覆盖）的总能量产出最高（1.51×10^13 sej），比最佳单一措施（T3）高出51.23%。然而，T6的能量投入-产出比也最低（3.96）。相比之下，单一的蓄水沟（T2）的能量投入-产出比最高（16.38），显示出最佳的成本效益。从碳封存、减排以及土壤和水资源保护的总体效率角度来看，T2代表了最有效的管理策略。因此，在选择措施时，应结合能量投入-产出比与区域侵蚀特征和强度，以实现侵蚀控制和资源投入的协同平衡。

引言

土壤侵蚀是全球土地退化和关键生态系统服务丧失的主要驱动因素，直接削弱了景观提供包括水资源保护、土壤保持和肥力维持等核心功能的能力[[1]，[2]]。这些影响在热带地区尤为严重，高强度降雨与强烈的人为压力相结合，加剧了土壤流失及其对生态系统服务的连锁效应[3]，[4]。中国唯一的热带岛屿省份海南岛就是这种脆弱性的典型例子。该地区年降雨量约为1960-2400毫米，主要集中在雨季，土壤侵蚀风险远高于全国平均水平[5]。热带商品农业的迅速扩张进一步加剧了这一压力：目前岛上种植园面积达到12,200平方公里，其中58.9%（7,200平方公里）为橡胶种植园。令人担忧的是，82.3%的橡胶林种植在8°-25°的坡度上，单一作物种植严重破坏了下层植被。加上极端降雨事件，这些种植园导致了岛上耕地总土壤流失量的62.3%，对区域生态安全以及土壤、水和营养资源的可持续管理构成了重大威胁[6]。因此，开发基于证据的策略来评估和优化橡胶种植园中的土壤和水资源保护措施——这些措施能够在增强多种生态系统服务的同时平衡生态和经济回报——已成为海南乃至全球类似热带地区可持续土地治理的关键挑战。

传统的土壤和水资源保护措施，包括工程措施、植被措施和综合措施，已被证明对侵蚀控制有效[7]，[8]。然而，这些措施的选择和评估主要集中在它们减少土壤流失的效果上，很少考虑相关的物质和经济成本，或者它们对包括水资源保护、土壤保持和肥力维持在内的其他生态系统服务的影响。因此，这些措施的长期可持续性及其与碳中和和绿色农业生产等跨领域政策目标的契合度仍然研究不足。能量分析提供了一个基于热力学的、整体的框架来解决这一差距。它将生态系统和耦合的社会生态系统内的所有能量、物质和服务流转化为一个共同的度量单位：太阳能量（sej）。这种转换基于产生特定产品或服务所需的总太阳能，量化了资源投入（例如劳动力、建筑材料）与生态产出（例如多功能生态系统服务提供）之间的权衡[9]。该方法从而明确了系统组件的功能角色和相对层次，为识别符合低碳、绿色生产目标的最佳保护措施提供了严格的科学依据。

包括生命周期评估（LCA）、生态足迹（EF）、地理信息系统（GIS）和战略环境评估（SEA）在内的现有方法的整合，显著增强了能量分析的科学严谨性和技术能力[10]，[11]。因此，其应用范围大大扩展，特别是在生态系统服务和可持续性评估领域。在生态系统服务研究中，能量分析提供了一个统一的定量框架，用于评估和比较不同生态系统的功能和空间分布[12]，[13]。能量分析与地理信息系统（GIS）的结合使得大规模生态系统功能和生物资源储量的量化及比较分析成为可能，为生态资产核算和区域生态补偿机制提供了科学依据[14]。同样，能量分析与生态系统服务评估的结合也被用于评估耕地利用的生态效率，为农业系统提供了优化策略[15]。在区域可持续性评估中，能量分析作为一个系统框架，整合了社会经济和自然生态过程，支持全面的可持续性评估和发展路径设计。例如，基于能量的生态足迹模型已被应用于评估从具体保护措施到多种生态系统的综合流域管理的可持续性[16]。同样，能量分析也被用来评估省级蔬菜生产系统的可持续性，确定了农业管理的优化路径[17]。尽管取得了这些进展，但在土壤和水资源保护研究中的应用仍然有限，特别是在系统核算特定保护措施的生态产品方面。

目前关于评估土壤和水资源保护措施效益的研究主要集中在生态结果或短期经济成本效益分析上[18]，[19]。传统方法依赖于径流小区监测结合土壤养分分析来量化生态效益，如径流和沉积物减少[20]，[21]。经济评估则主要采用成本效益分析，计算货币化投入（例如材料和劳动力）与产出（例如产量增加或灾害缓解效益）之间的比率。尽管能量分析方法已在农业和能量系统的可持续性评估中得到广泛应用，但在土壤和水资源保护领域的应用仍然有限——特别是用于评估保护措施的有效性和可持续性方面。主要挑战包括缺乏长期监测数据来评估其全生命周期响应，以及缺乏有效的评估方法来衡量不同措施相关投入的有效性和可持续性[22]，[23]。

本研究采用能量分析方法，系统评估海南省橡胶种植园中不同土壤和水资源保护措施的生态产品特性，旨在揭示热带雨林条件下的生态经济效率和潜在驱动机制。具体目标如下：1）量化不同保护措施的全生命周期能量投入和生态产品产出（包括水资源保护、土壤保持和肥力维持），从而明确措施类型与生态产出表现之间的关系；2）分析这些措施在热带雨林环境中的能量投入-产出比，识别工程措施和植被措施之间的关键驱动因素和功能协同作用，并最终提出最佳的土壤和水资源保护策略。

研究区域

研究区域位于海南省屯昌县的坡心镇（19°19′34″– 19°19′35″N，110°03′33″– 110°03′36″E），属于海南岛中部丘陵半山区，海拔高度在100至200米之间。该地区具有典型的热带海洋性气候，属于低纬度季风影响区域，特点是高温、降雨量大且季节性温度变化小。这里有明显的雨季和旱季。

2001至2020年研究区域的侵蚀性降雨类型

根据2001-2020年的降雨记录，研究区域内共识别出1102次侵蚀性降雨事件。计算出的日降雨侵蚀力范围为61.12至5653.92 MJ·mm·hm^-2·h^-1·yr^-1。根据已建立的日降雨分类标准，这些侵蚀性事件被分为五个不同的强度等级（表4）。平均而言，每年发生30次低侵蚀力事件、16次中等侵蚀力事件、7次较高侵蚀力事件和3次高侵蚀力事件

土壤和水资源保护措施对生态产品供应的影响机制

在本研究中，我们选择水资源保护、土壤保持和肥力维持作为生态产品指标来评估橡胶种植园中的土壤侵蚀控制。其背后的机制是土壤和水资源保护措施通过调节径流产生协同效应，从而减轻土壤侵蚀和养分流失。我们的研究发现，不同的土壤和水资源保护措施显著影响了生态产品的能量产出

结论

主要结论如下：工程措施（等高梯田、蓄水沟）通过微地形改造直接调节径流路径，产生的短期生态效益显著高于植被措施。组合措施通过多维协同作用（表面覆盖-微地形-土壤改善）进一步增强了侵蚀性降雨事件期间的生态韧性，使总生态产品产出增加了51.32%

作者贡献声明

王茂园：写作——审稿与编辑、原始稿撰写、资源获取、方法论、调查、数据分析、数据管理、概念构建。刘少东：写作——审稿与编辑、可视化、验证、软件使用、调查、数据分析。郭建超：验证、监督、资源获取、调查、资金筹措。施琪：写作——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源获取、方法论、资金筹措。

伦理声明

本研究未涉及人类或动物实验，因此不需要伦理批准。

资助

本研究由海南省科技专项资金资助，资助编号为ZDKJ2021033。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。