陇东耕地净第一性生产力及生态服务价值的时空分异研究

李广，黄高宝，王琦，王兴堂，高珍妮，刘成忠

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州730070；3.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730070；4.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070；5.中科院寒区旱区环境与工程研究所 青藏高原冰冻圈观测研究站，甘肃 兰州730000）

自Holdren和Ehrlich首次提出“生态系统服务”概念，生态系统服务功能的价值评估逐渐受到广泛关注，成为国内外生态学家、经济学家研究的热点［1－6］。生态系统服务功能是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务［2］。农业生态服务功能指特定农业生态系统产生的包括农产品生产经济功能以及影响当前生态环境质量和维持现有农业资源数量的作用，在一定时空条件下可以进行客观量化评估［7］。由于农业生态系统的优势物种和所处自然环境千差万别，因而其产生的生态服务功能具有明显的时空差异［8］。

甘肃陇东地区位于甘肃省东部，属黄土高原沟壑立地亚区［9］，是黄土高原土壤侵蚀非常严重的地区之一。而黄土高原是我国西部水土流失最为严重、生态环境极为脆弱的地区之一［9，10］。由于土质疏松、降水集中、水土流失严重和极度脆弱的生态环境严重制约着该区域的经济可持续发展。在近年来退耕还林还草工作的实施中，大量研究主要集中修复土壤、控制水土流失、彻底改善生态环境等方面，随着植被的建立和恢复，土壤得到修复，水土流失得到控制，生态环境得到改善［10］。然而甘肃陇东耕地生态系统生产力和生态服务所处位置、作用和空间格局等相关的研究和报道较少。为此，本研究在大量实地调查和查阅相关文献的基础上，根据统计资料，运用生产力和生态系统服务功能评估的相关理论和GIS（geographic information system）等方法，选择第一性生产力和生态服务功能价值为研究对象，对区域的生产力和生态服务价值进行定量的时空异质性评价，旨在为区域生态环境建设与发展经济的一致性提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

庆阳市位于甘肃省东部，习称“陇东”，位于东经106°20′～108°45′，北纬35°15′～37°10′，海拔885～2 089m。总面积27 119km2，耕地面积44.4万hm2，人口252万，辖1个市辖区和7个县，即西峰区、庆阳、华池、宁县、镇原、合水、正宁和环县。研究区为黄土高原残原沟壑、丘陵沟壑、梁状沟壑地貌，东部为子午岭天然次生林区，年降水600～650mm，属温凉湿润性气候，土壤为灰褐色森林土；中部为残原沟壑农业区，属温和半干旱性气候，年降水500～550mm，多为黑垆土；北部和西北部为梁状丘陵沟壑农牧区，属温凉干旱性气候，年降水350～450mm，土壤为黑坊土、黄绵土和粗黄绵土；全区年均温7～9℃。

1.2 研究方法

1.2.1 耕地净第一性生产力测算

式中，Qi为净第一性生产力（NPP）（t／hm2·a）；Q总为总物质量（t·a）；Bi为经济产量（t／hm2·a）；ri为经济产量含水率（%）；Si为第i类耕地的面积（hm2）；fi为经济系数［11］（表1）。

表1 农作物经济系数及经济产量含水率Table 1 Economical coefficient and economical output water ratio of crops

1.2.2 生态服务价值测算 结合黄土高原生态脆弱的主要特点，选取了土壤保持、涵养水源、维持营养物质循环、固碳释氧、净化空气5类评价指标，推算出生态系统服务功能的价值量，以评价陇东地区的生态效应。

1）大气调节价值

对植被光合作用吸收二氧化碳和释放氧气进行研究，采用碳税法或者造林成本法进行估算。首先，根据光合作用方程式，植物每生产1g干物质需要1.63g CO2，1.20g O2计算：

式中，V为固碳或制氧价值（元）；Q为净第一性生产力（t／hm2·a）；E为固碳或制氧系数；P为固碳或制氧成本（元／t）。固碳系数1.63；制氧系数为1.2；固碳价格为1 200元／t；制氧价格为1 000元／t［采用瑞典的碳税率150美元（折合人民币为1 200元／t）］［12］；制氧价格为 1 000元／t［采用中华人民共和国卫生部网站（http：／／www.moh.gov.cn）中2007年春季氧气平均价格］［12］。

2）水源涵养价值

涵养水源的价值首先采用水量平衡法计算出涵养水源量，然后根据单位面积的水价进行估算：

式中：V为涵养水源的价值（元）；R为平均降水量（mm）；Si为第i类耕地的面积（hm2）；θi为第i类耕地单位面积的径流系数；W为单位体积水价（元），取6.110 7元／t（根据1993－1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价为2.17元／t，2005年价格指数为2.82，即得到单位库容造价）［12］，根据李玉山［13］黄土高原坡耕地年径流系数一般小于5%，本研究取3%。

3）土壤保持功能价值

运用美国通用土壤侵蚀方程［14，15］以及结合研究区具体情况的各因子计算方法，计算耕地生态系统不同年份保土物质量，运用机会成本法计算植被保持表土的价值、运用影子价格法计算植被保持养分的价值、运用替代工程法计算植被防止泥沙淤积的价值［16］：

式中，V为耕地的土壤保持价值（元／年）；V1为减少废弃土地的价值（元／年）；V2为减少土壤养分损失的价值（元／年）；V3为减少泥沙淤积的价值（元／年）；I为单位面积收益（元／hm2·a）；Q为减少的土壤侵蚀总量（t）；M为土壤容重（g／cm3），按1.34g／cm3；H为土层厚度（cm），按0.5m 计算；R1，R2，R3为磷酸二铵含氮量、磷酸二铵含磷量、氯化钾含钾量（%），分别取14%，15%和50%；C1，C2，C3分别为磷酸二铵、氯化钾化肥、有机质价格（元／t），分别取2 400，2 200和320元／t［采用农业部中国农业信息网（http：／／www.agri.gov.cn）2007年春季平均价格］；N、P、K、M分别为土壤中氮、磷、钾和有机质的含量（%）；W为1m3水库库容的工程费用，取0.611 07元。A为土壤保持量（t／hm2·a）；Ap为潜在土壤侵蚀量（t／hm2·a）；Ar为现实土壤侵蚀量（t／hm2·a）。R为降水侵蚀力指标；Ks为土壤可蚀性因子，LS为坡长坡度因子，C为地表植被覆盖因子，S为土壤保持措施因子，各因子的计算公式见文献［17－19］。由于潜在土壤流失量是指生态系统在没有植被覆盖和水土保持措施情况下的土壤流失量，因此，在计算中不考虑地表覆盖因素和水土保持因素，即C＝1，S＝1。

4）营养物质循环功能价值

利用各类作物实际经济产量，所需营养元素（有机质、N、P、K的含量等数据）估算各类型作物营养物质的累积量，然后运用影子价格法，定量评价耕地生态系统维持营养物质循环的价值。其公式为：

式中，V维持营养物质循环的经济价值（元）；Q为净第一性生产力；R1，R2，R3为磷酸二铵含氮量、磷酸二铵含磷量、氯化钾含钾量（%）；N、P、K、M 分别为作物中氮、磷、钾和有机质的含量（%）；C1，C2，C3分别为磷酸二铵、氯化钾化肥、有机质价格（元／t），取值同上。

5）净化环境功能价值

农业特别是种植业，具有降解污染物和清洁环境的显著效应。主要计算农田对SO2、NOX、HF的吸收和滞尘作用。其公式为：

式中，V为净化价值（元），Q为单位面积吸收量；C为治理成本（元）；S为面积。陇东主要以旱地为主，取吸收各种污染气体量：SO2为45kg／（hm2·a）；HF为0.38kg／（hm2·a）；NOX为33.50kg／（hm2·a）；滞尘为0.95 kg／（hm2·a）。净化NOX、SO2的单位成本价值为0.6元／kg，HF为0.9元／kg，削减粉尘成本为0.17元／kg［17］。

2 结果与分析

2.1 耕地净第一性生产力的时空异质性分析

2.1.1 耕地净第一性生产力的时间异质性分析 根据《庆阳市统计年鉴》中各作物单产、总产和播种面积，运用NPP公式计算生产力总量和净第一性生产力（图1）。可以看出，1997－2005年耕地净第一性生产力（NPP）呈波动状态（CV＝7.3%），没有明显的上升趋势（图1）。最小值出现在2001年，耕地 NPP只有4.41t／（hm2·a），而最大值出现在2002年，达到了5.54t／（hm2·a）。同时，庆阳市耕地各作物的总物质量波动幅度大于NPP（CV＝9.6%），并且略有上升趋势。总物质量峰值和谷值出现的时间与NPP相吻合，分别为2.17×106和2.90×106t／a（图1）。

耕地生产力总物质量的大小取决于NPP和耕地面积。在研究期内，NPP没有显著增加；在退耕还林还草的条件下，耕地面积没有减少，反而呈增加趋势，趋势方程为：y＝0.812 5x＋52.918，R2＝0.791 4，因此研究期内，陇东黄土高原耕地各作物的总物质量略有上升。1997－2005年降水量为362.8～743.3mm，平均值为517.6mm，变异系数21.8%，可以看出，在研究期内，降水量呈不稳定波动情况。通过生产力与降水量的变异分析研究表明，生产力与降水量相关不显著（图2）。

图1 庆阳市耕地的净第一性生产力和总量动态变化Fig.1 Net primary productivity and total net primary productivity（NPP）dynamic hange of cultivated land in Qingyang

2.1.2 耕地净第一性生产力的空间异质性分析 根据陇东各区县1997－2005年耕地NPP的平均值，用GIS进行分区统计分析（图3），庆阳市耕地的NPP差异可以分成2个区：一个是生产力相对较低的西北区（环县、镇原、庆城和华池的西北部）；一个是生产力相对较高的东南区（西峰、正宁、宁县、合水和华池的东南部）。西北低值区生产力低下，耕地平均NPP只有3.54t／（hm2·a），变异系数为11.5%；而东南高值区生产力相对较高，耕地平均NPP为5.94t／（hm2·a），变异系数为6.3%。可以看出，西北低值区生产力只有东南高值区的59.7%，变异系数远大于东南高值区，表明西北低值区生产力低下，同时生产力极其不稳定。

2.2 生态服务功能价值测算及时空异质性分析

2.2.1 生态服务功能价值测算及时间异质性分析 利用生态服务功能价值的研究方法，对研究区生态服务价值进行了测算（图4）。1997－2005年庆阳市耕地生态服务功能价值总量在波动中略有上升（图3），总量从3.70×106万元／a增加到4.92×106万元／a；而生态服务单位面积价值在研究期内从7.17万元／（hm2·a）上升到8.51万元／（hm2·a），表明近年来庆阳市耕地生态服务功能有所改善，但幅度非常小，其中总价值增加幅度大于单位面积价值增幅。

图3 庆阳市耕地的NPP空间分布Fig.3 NPP spatial distribution of cultivated land in Qingyang

图4 庆阳市耕地生态服务功能价值动态变化Fig.4 Dynamic change of ecological service value of cultivated land in Qingyang

从1997－2005年耕地生态服务单位面积价值中，大气调节、土壤保持、涵养水源、营养物质循环和净化空气分别在1.591，3.737，2.576，1.317和0.005万元／（hm2·a）上下波动；大气调节、土壤保持、涵养水源和营养物质循环的变异系数分别为7.3%，21.8%，23.0%，和7.3%，可以看出，大气调节、营养物质循环和净化空气相对比较稳定。而变化最大的是土壤保持和涵养水源，同时在价值总量中所占比例也较大，占总价值的69.37%，表明在庆阳市生态脆弱区，生态服务功能主要以土壤保持和涵养水源为主。

总体来看（图4），1997－2005年生态服务功能没有特别大的变化，从发展趋势上看，生态系统略有向良好的、安全的态势发展，但是在目前这种状态下到底是否安全，尚缺乏一个确定的安全阈值［19］，因此难以判断。

2.2.2 生态服务功能价值的空间异质性分析 生态服务价值总量取决于耕地面积和生态服务单位面积价值，在已知耕地面积的情况下，生态服务单位面积价值是生态服务价值总量的决定因素。为此，对1997－2005年生态服务单位面积价值取其平均值，并运用GIS工具对生态服务单位面积价值空间异质性进行分析表明，生态服务价值分布情况与生产力的分布情况基本一致（表2，图5），可以看出，生态服务单位面积价值空间差异显著，从东南向西北方向逐渐递减。在东南区，平均生态服务单位面积价值为10.2万元／（hm2·a），最大值为11.0万元／（hm2·a）；在西北区，平均生态服务单位面积价值为7.7万元／（hm2·a），最小值只有6.8万元／（hm2·a）。

表2 庆阳市耕地生态服务单位面积价值量Table 2 Ecological service value of cultivated land of unit area in Qingyang×104元Yuan／（hm2·a）

图5 庆阳市耕地生态服务功能价值的空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological service value of cultivated land in Qingyang

3 讨论

耕地生态系统是典型的人工生态系统，过去人们在农业生产中注重农业生态系统的直接服务价值（生产力），却忽略整个生态系统至关重要的生产副产品和环境调节功能［21－24］。同时，对耕地生态系统生产力和生态服务价值的研究，除确保粮食安全之外，对生态环境，特别对土壤保持、涵养水源和大气调节等，服务功能具有较大贡献。

生态服务功能价值的大小取决于耕地的NPP，为此提高耕地NPP是提高生态服务功能的根本所在。甘肃陇东黄土高原属于旱作农业区，水和肥是制约系统生产力的2个主导因素［28］。在肥力不变的条件下，耕地的NPP主要受降水因素的影响［25］。通过对降水量与NPP分析，降水量与NPP之间决定系数（R2＝0.255 977）较低。2003年降水量达到最大，为743.3mm，NPP不是最大值，为5.03t／（hm2·a），而1997年降水量最小，仅为362.8mm，可 NPP为4.82t／（hm2·a），高于2001年 NPP最小年份的4.41t／（hm2·a），表明生产力不仅取决于年降水量，而且还取决于降水的季节分配等因素，这与徐为根等［29］及李广和黄高宝［30］研究结果一致。陇东黄土高原耕地的 NPP平均值为5.04t／（hm2·a），仅为陕西榆林市榆阳区 NPP（10.82t／hm2·a）的50%［11］，生产力低下，生态功能服务价值也不高，说明生产力是生态服务价值的决定因素。而生产力受土地利用科技投入、种植结构和土地集约利用程度的影响［31］。因此，通过合理调整种植结构和作物布局，充分利用降水资源，以提高耕地的NPP和生态服务功能。

本研究仅对庆阳市耕地的生产力和生态服务价值进行了计算，考虑的影响因素都是一般性质，并未对自然、经济、社会过程中的突发事件进行分析，由此而产生的损失也未计算。同时耕地的NPP和生态服务价值总量略有上升趋势，反映出庆阳市耕地利用结构是基本合理的，利用是可持续的，但影响土地合理性和可持续性的因素很多。因此，有待于进一步更加深入地研究影响其合理性机制，对整个庆阳市的耕地利用变化及其生态安全进行科学合理地评价，为陇东地区经济发展提供有力保障。

4 结论

在测评过程中，耕地的NPP和生态服务价值计算考虑到不同作物之间参数的差异，根据不同作物确定相应参数，根据不同气候特点进行推算同一作物不同年份参数，如实际土壤侵蚀量等，力求使测算结果更能反映区域的实际情况。主要结论有：

1）在研究期内，陇东黄土高原耕地NPP和生态服务单位面积价值变化不明显，而总量略有上升。通过对生产力和生态服务价值分析，可以看出，近年来陇东黄土高原耕地的NPP总量略有提高，并且生态服务功能有所改善，表明近年来陇东生态环境有向安全态势发展趋势。

2）耕地NPP和生态服务价值在空间分布上存在显著差异。生产力分布趋势与生态服务价值基本一致，从东南向西北方向逐渐递减，可以分成2个区：东南区和西北区。而西北区生产力和生态服务价值低下，同时生产力极不稳定。

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