四川省耕地生态系统涵养水源价值评估及其空间特征

马伟龙++任平++陶晓明

摘要：为更好地发挥耕地生态系统调节水源的作用，科学量化耕地涵养水源价值就显得尤为重要。在收集整理相关数据的基础上，借助GIS技术分析了四川省耕地涵养水源总量及空间特征，并且运用影子工程法、替代市场法估算了耕地涵养水源功能价值。结果表明，2011年四川省耕地生态系统涵养水源总量为309.70×108 m3，涵养水源的总价值为596.17亿元，其中水田涵养水源总量为159.76×108 m3，价值为307.54亿元；旱地涵养水源总量为149.94×108 m3，价值为288.63亿元；农作物的枝叶层、耕地土壤层是耕地涵养水源的主要作用层，其涵养水源的总量分别为1.48×108、308.22×108 m3，价值分别为2.84亿、593.33亿元。四川省耕地生态系统涵养水源价值较大，为当年农业总产值的24.29%；水田、旱地涵养水源能力分别占总价值的51.59%、48.41%，土层蓄水能力远高于农作物枝叶涵养水源能力；耕地涵养水源空间分布特征为川东部盆地、平原地区涵养水源能力高于川西南山地、川西北高原。四川省耕地涵养水源功能及生态经济效益不容忽视，研究结果对四川省耕地资源保护有着重要的理论参考价值。

关键词：涵养水源量；涵养水源价值；耕地生态系统；空间分析；四川省

中图分类号： S181文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0399-04

耕地生态系统是受人类干预最为明显的经过人类改造的自然-人工复合生态系统[1]，也是地球上最重要的陆地生态系统之一，在为人类提供粮食的同时，也为人类提供涵养水源等生态服务功能[2]。涵养水源功能是耕地生态系统生态效益的重要组成部分[3]，被经济学家称为耕地环境资源的非消耗性利用价值[4]。城市化进程加快导致城市人口快速增加、城镇建设用地面积迅速扩张[5]、经济快速发展，对土地资源和水资源的需求不断上升，进而出现土地资源尤其是耕地资源不断减少[6]、水资源短缺[7-8]。不合理的耕地利用方式也导致耕地生态系统以前所未有的速度退化，耕地生态价值损失空前。因此，开展耕地生态系统涵养水源服务价值研究不仅可以认识耕地生态系统的重要性[3]，丰富生态系统服务功能理论体系，而且可以在一定程度上对防治水土流失、保护耕地具有一定的现实意义。

生态系统涵养水源服务价值研究始于1997年Costanza等的报道[9]，目前生态系统涵养水源服务价值的研究对象多为森林生态系统[10]、湿地生态系统、草地生态系统[11]，以耕地生态系统为对象研究其涵养水源价值的案例较少。现有研究主要采用区域水量平衡法[12-13]、土壤蓄水估算法[14]、多因子回归法[15]、地下径流增长法[16]计算耕地涵养水源物质量，然后运用影子工程法[17-18]、替代市场法[1]等方法来评价生态系统涵养水源的效益。但耕地生态系统与人类的关系最为密切且受人类活动的影响较为深刻，至今尚未形成准确、统一的评价模型[3]。本研究在总结前人有关生态系统涵养水源研究成果基础上，进一步考虑降水强度因素、农闲田土季节性差异，即冬季休耕、春夏秋播种对耕地生态系统涵养水源量的影响，同时以研究区内每个研究单元平均蓄水库容成本的加权平均值修正单位蓄水成本；采用修正后的土壤蓄水估算法测算耕地涵养水源物质量[16，19]，用影子工程法、替代市场法测算耕地涵养水源价值；并在地理信息系统（GIS）技术支持下，对耕地生态系统涵养水源价值空间特征进行分析，以期为四川省耕地资源保护提供参考。

1研究区概况与数据来源

四川省位于我国西南腹地，地理位置为97°21′～108°31′E，26°03′～34°19′N，东西长1 075 km，南北宽 921 km，土地面积4 850万 hm2。2011年末实有耕地面积398.34万 hm2，其中水田面积206.93万 hm2，旱地面积191.41万 hm2，分别占耕地面积的51.95%、48.05%，年内共减少2.73万 hm2。该区域地形复杂，气候类型多样，以亚热带季风气候为主，降水集中在夏季，年均降水量900～1 200 mm。

数据主要来源于《四川省统计年鉴：2012》[20]、《四川省土地利用总规划》，结合四川省地形图、行政区划图、耕地类型图、气候图、四川省多个气象站观测资料和气候公报等资料，在GIS软件平台下，对所得数据进行数字化处理，建立空间数据库、属性数据库。

2研究方法

生态系统涵养水源功能主要涉及林冠层、枯枝落叶层、土壤层，由于耕地生态系统中基本没有枯枝落叶，所以本研究重点考虑农作物枝叶层、土壤层的水文特征。耕地主要由水田、旱地组成，水田以种植水稻为主，旱地以种植玉米为主，因此，计算时水田以水稻为标准，旱地以玉米为标准，其他农作物换算成这2种农作物来测算。计算枝叶截留降水量时以农作物播种面积为准，计算土壤持水能力时以旱地水田实有面积为准，使测算结果更加符合实际。

2.1耕地涵养水源量的估算方法

2.1.1农作物截留降水量测算农作物枝叶截留降水量与降水量强度、植被覆盖度、枝叶叶面积指数密切相关。已有众多学者提出了植被截留降水量估算方法[21-22]，但何东进等认为，这些方法存在唯象因素使得结果存在不确定性，并提出不含唯象性质的植被截留降水量测算方法[23-24]。不唯象研究方法也存在1个问题，即对降水量因素考虑不够深入。本研究以最大截留降水量为临界点分段计算截留降水量，替代平均降水量测算截留降水量，修正后的测算模型如下：

式中：Q1为单位面积农作物截留降水量，m3；VEG为单位面积农作物覆盖度，%；LAI为单位面积农作物叶面积指数；J为1个降水过程水量，mm；α为农作物类型；Q1为单位面积农作物最大截留降水量，mm；A为叶面上平均最大持水深度，mm，变动范围约为0.1～0.3 mm[25]。endprint

2.1.2土壤蓄水量测算土壤降水储存量与土壤类型及面积、土壤地下水深度、土壤粗孔隙率成正比[26]，按土壤类型测算后再求和。测算土壤蓄水量时以土壤的饱和含水量为临界点分段计算土壤蓄水量，弥补过去研究中不考虑降水强度因素的不足，修正后模型如下：

式中：Q2为单位面积土壤降水储存量，m3；J为降水过程的单位面积水雨量，mm；Hi为第i类耕地土层深度，m；ρi为第i类耕地的土壤容重，kg/m3；λi为第i类耕地的田间持水量，m3；Q2*为单位面积土壤最大蓄水量，m3。

2.2耕地涵养水源价值评估

2.2.1耕地涵养水源总量测算耕地生态系统涵养水源总量关系式为：

QW=∑i（QSi×mi） 。 （5）

式中：QW为四川省耕地生态系统涵养水源总量，m3；QSi为第i类耕地单位面积土壤涵养水源量，m3/hm2；mi为第i类耕地面积，hm2；i为耕地类型。

2.2.2耕地水源涵养量经济价值测算本研究在考虑人们对生态价值的支付意愿、替代工程易于计价的基础上，运用替代市场法计算耕地生态系统涵养水源价值总量，测算时用经过生态价值发展阶段系数修正后的每个研究单元平均蓄水库容成本的加权平均值，替代研究区单位蓄水量库容成本，公式如下：

V= QW×P 。（6）

式中：V为耕地涵养水源价值，元；QW为四川省耕地生态系统涵养水源总量，m3；P为研究单元平均蓄水库容成本的加权平均值修正单位蓄水成本，为1.925元/m3。

3结果与分析

3.1四川省耕地生态系统水源涵养量及其价值分析

运用式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分别计算Q1、Q2值，根据式（5）、式（6）以及水田、旱地的面积计算四川省耕地水源涵养能力（表1）。由表1可知，四川省2011年耕地生态系统水源涵养总量为309.70×108 m3，总价值为596.17亿元。其中农作物截留水量1.48×108 m3，价值为2.84亿元；土层蓄水量308.22×108 m3，价值为593.33亿元。表12011年四川省耕地水源涵养总量及价值

耕地类别2011年耕地面积

（万hm2）农作物截留降水量土层蓄水量合计总量（×108 m3）价值（亿元）总量（×108 m3）价值（亿元）总量（×108 m3）价值（亿元）水田206.930.841.62158.92305.92159.76307.54旱地191.410.641.22149.30287.41149.94288.63合计398.341.482.84308.22593.33309.70596.17

由表1还可以看出，四川省耕地分为水田、旱地，其面积分别占总耕地面积的51.95%、48.05%，水田、旱地涵养水源总量分别为159.76×108、149.94×108 m3；价值分别为30754亿、288.63亿元，分别占总价值的51.59%、48.41%。水田涵养水源价值大于旱地涵养水源的价值（表1、图1）。2种耕地生态系统均以土层涵养水源价值为主，农作物截留降水量价值相对土层蓄水价值较小，但也不能忽视农作物截留降水总价值。

随着城市化进程加快，城市建设占用大量耕地以及人类不合理利用耕地导致四川省耕地面积逐渐减少。截至2011年年底，四川省年末实有耕地面积398.34万hm2，年内减少了27 300 hm2（其中，水田减少26 500 hm2，旱地减少800 hm2），导致耕地涵养水源总量减少了2.11×108 m3，总价值减少了4.06亿元。从图1 还可以看出，在气候、地形等因素的影响下，四川省的攀枝花市、绵阳市、广元市、遂宁市、南充市、雅安市、资阳市和3大自治州耕地涵养水源价值以旱地为主，均达到50%以上，其中3大自治州旱地涵养水源能力更为突出，占其耕地涵养水源价值的80%以上；其他市（州）则以水田涵养水源能力为主。

3.2四川省耕地生态系统涵养水源功能空间特征分析

根据表2计算结果，在Arcgis10.1软件中建立空间数据库，并用自然断点分级法对耕地涵养水源价值进行分级，得到四川省耕地涵养水源价值空间分布情况（图2），将单位面积涵养水源价值与行政区划图叠加得到耕地单位面积涵养水源价值分布情况（图3）。

在耕地涵养水源价值中，凉山州涵养水源价值最高，为52.97亿元，占四川省耕地涵养水源总价值的8.89%；其次为成都市，价值为48.56亿元，占8.15%；攀枝花市涵养水源价值最低，为6.10亿元，占1.02%；雅安市涵养水源价值比攀枝花市多2.26亿元，名列倒数第2（表2）。耕地生态系统涵养水源能力受多方面因素影响，不同研究单元耕地涵养水源能力差异主要体现在耕地面积、降水量等方面。凉山州耕地涵养水源价值最大，究其原因是其耕地面积最大，且降水丰富；成都市价值仅次于凉山州是因为成都市地处成都平原，耕地面积广，尤其是水田面积占比大；攀枝花市价值最低有2个方面原因，即耕地面积有限、年降水量相对较少；雅安市虽然降水量丰富，但退耕还林导致耕地面积大为减少，所以耕地涵养水源价值也不高。

从单位面积涵养水源价值看，四川省耕地涵养水源生态服务功能单位面积价值为14 966元/hm2，受耕地面积数量的影响，单位面积价值高于15 030元/hm2的有阿坝州、甘孜州；单位面积价值低于14 931元/hm2有成都市、泸州市、广安市、眉山市；其他介于14 931～15 030元/hm2（图3）。

从整体上看，四川省耕地涵养水源功能价值空间分布特征为：平原、盆地>川西南山地>川西北高原。在盆地内部尤其是成都平原因地势平坦且耕地面积广阔，利于耕地涵养水源，耕地涵养水源总价值相对较高；而川西南山地和川西北高原地区受地形、气候等因素影响，耕地涵养水源能力不如盆地底部及边缘地区。endprint

4结论与讨论

4.1结论

从耕地生态系统作为人类干预最为深刻的自然-人工复合生态系统角度出发，综合考虑不同农作物、不同耕地类型、耕地复种指数、天气状况、人类经济活动等因素，使修正后的指标更符合耕地涵养水源价值指标体系，最大限度反映耕地特有属性，具有一定的可行性和科学性。

总体来看，2011年四川省耕地涵养水源总量为30970×108 m3，总价值为596.17亿元，占当年农业总产值 2 454.26 亿元的24.29%，可见耕地生态系统涵养水源价值巨大，而当年由于耕地面积减少导致的耕地涵养水源价值损失为2.59亿元，损失也相对较大。

从耕地类型来看，四川省水田涵养水源价值为30754亿元，旱地涵养水源价值为288.63亿元，分别占耕地涵养水源总价值的51.59%、48.41%，说明水田和旱地涵养水源能力相当。另外，土层蓄水量价值为593.33亿元，占涵养水源总价值的99.52%，其涵养水源能力远高于农作物枝叶涵养水源能力。

从空间上来看，四川省耕地涵养水源价值空间分布特征表2四川省耕地水源涵养价值（V）

地区面积

表现为川东部盆地、平原地区高于川西南山地和川西北高原，凉山州、成都市、达州市、南充市属于总价值最高的区域，而甘孜州、阿坝州、雅安市、攀枝花市属于总价值最低的区域，说明耕地涵养水源价值深受耕地面积、地形、气候等因素的影响。

4.2讨论

耕地生态系统受较多外来不确定因素的影响，目前尚未形成公认统一的测算耕地涵养水源模型。本研究在参考前人有关涵养水源测算模型的基础上，对测算模型的相关参数进行改进，即以最大截留降水量为临界点分段计算截留降水量，替代平均降水量测算截留降水量；以土壤的饱和含水量为临界点分段计算土壤蓄水量，弥补了已有研究中不考虑降水强度因素的不足；用经过生态价值发展阶段系数修正后的每个研究单元平均蓄水库容成本的加权平均值，替代单位蓄水量库容成本，形成新的耕地涵养水源测评模型，更能准确反映四川省耕地生态系统涵养水源价值及空间分布特征，为以后相关研究提供了一种新思路。值得说明的是，耕地实际水源涵养价值如同价值规律一般围绕理论水源涵养价值上下波动，在后续的研究中应围绕理论值与实际值的差距或者实际值围绕理论值波动的规律及其深层原因进行讨论，将评价单元放在具体的环境中研究，考虑功能的区域差异，引入耕地水循环模型，同时考虑各分量间以及耕地生态系统与人类活动的相互关系，才能更准确地度量耕地生态系统涵养水源的价值，这是今后进一步研究的方向。

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