冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估

周志明，张立平，曹卫东，黄元仿*

1.中国农业大学资源与环境学院//农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081



冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估

周志明1，张立平1，曹卫东2，黄元仿1*

1.中国农业大学资源与环境学院//农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

摘要：冬闲田种植绿肥是中国华北地区农业种植结构调整的重要措施之一。文章基于农田生态系统服务功能价值理论，结合绿肥作用特性，选取农产品供给、气体调节、土壤养分累积、土壤保持和水分涵养5类服务功能，采用生态经济学方法，构建了冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估体系。在此基础上，对华北主要豆科绿肥作物毛叶苕子（Vicia villosa Roth）和非豆科绿肥作物二月兰（Orychophragmus violaceus）轮作春玉米农田生态系统服务功能价值进行评估并与春玉米单作对照。结果表明，二月兰、毛叶苕子轮作春玉米农田生态系统服务功能总价值分别为7.14和6.90万元·hm-2，较常规春玉米单作分别提高23.45%和19.15%。冬绿肥-春玉米农田生态系统各项服务功能中，气体调节价值最高，占总价值的60.84%～61.13%；其次为农产品供给功能价值，占总价值的19.92%～20.30%；其他功能价值贡献率从大到小依次为水分涵养功能、土壤养分累积功能和土壤保持功能。两种冬绿肥轮作春玉米农田生态系统在土壤养分累积功能价值上表现差异最大，二月兰-春玉米主要表现为提高土壤有效磷和有机质累积价值，毛叶苕子-春玉米则主要表现为提高土壤碱解氮累积价值。该研究实现了对冬绿肥引入农田的综合价值核算，有利于全面认识绿肥的综合效益，同时可为种植绿肥的生态补偿政策提供理论依据。

关键词：冬绿肥；生态系统服务功能；价值评估；毛叶苕子；二月兰

引用格式：周志明，张立平，曹卫东，黄元仿.冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估［J］.生态环境学报，2016，25（4）:597-604.

ZHOU Zhiming，ZHANG Liping，CAO Weidong，HUANG Yuanfang.Appraisal of Agro-ecosystem Services in Winter Green Manure-spring Maize ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:597-604.

近年来，由于华北地区地下水限采、种植业结构调整等原因，传统的粮食种植制度由夏玉米轮作冬小麦转化为一年一熟制的春玉米单作，以致华北地区出现了大量的冬季闲田。冬闲田引入绿肥不仅能够提高主作物产量、减少化肥使用量（曹卫东等，2009；王卫等，2013），而且具备培肥土壤、涵养水分和调节大气等作用（Kim et al.，2012；Tosti et al.，2012）。另一方面，绿肥的播种、翻压等环节加大了农田系统生产过程中的人力、物力等成本投入。传统的绿肥效益评估主要集中于对提高主作物产量、替代化肥用量等直接经济价值的核算（高菊生等，2010；谢树果等，2010；徐昌旭等，2011），缺少能够综合评估绿肥引入农田生态价值的理论方法，评估结果难以全面反映绿肥引入农田的综合价值。

自Costanza et al.（1997）提出了自然生态系统服务功能价值评估理论，将生态系统提供的经济商品和生态功能统称为生态服务功能，该理论首次以货币形式评估了自然生态系统各项服务功能价值，为评估不同类别的生态系统包括农田生态系统的经济、生态综合价值提供了理论基础（Porter et al.，2009；虞依娜等，2010；韩永伟等，2010）。当前，国内外学者运用农田生态服务功能价值评估理论，成功地对不同种植模式农田生态系统的综合价值进行了估算：Schipanski et al.（2014）对宾夕法尼亚地区农田生态系统在有无覆盖作物条件下，进行了生态服务功能价值估算，结果表明覆盖作物能显著增加农田的生态效益，但对农田的直接经济效益没有显著影响；Sandhu et al.（2008）基于生态服务功能价值理论对新西兰坎特伯雷地区的传统种植业和有机种植业进行了综合效益评估，结果反映有机种植模式的经济、生态效益均优于传统种植模式；国内秦钟等（2010）对稻鸭共作农田系统的生态服务功能进行了价值评估，发现稻鸭共作系统生态服务价值主要表现为环境调节功能价值，占总功能价值的62.88%，是直接经济价值的1.69倍；张丹等（2009）对贵州省从江县稻鱼共作系统的生态服务功能价值进行了估算，结果得出稻鱼共作系统生态服务功能总价值为7.99万元·hm-2·a-1；肖玉等（2011）对华北冬小麦轮作夏玉米农田生态系统服务功能价值进行了评估，发现冬小麦轮作夏玉米农田所提供生态服务的经济价值为5.48～6.25万元·hm-2·a-1，是粮食生产价值的3倍左右。因此，如何运用农田生态系统服务功能价值评估理论对绿肥引入农田的综合价值进行评估，从而明确绿肥引入农田的综合价值是绿肥研究过程中亟待解决的问题。

本文以冬绿肥-春玉米农田生态系统为研究对象，基于农田生态系统服务功能价值理论，采用生态经济学方法，建立了冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估方法。并运用该方法对华北主要推广豆科绿肥作物毛叶苕子（Vicia villosa Roth）和非豆科绿肥作物二月兰（Orychophragmus violaceus）轮作春玉米农田生态系统服务功能价值进行评估，同时与常规春玉米单作农田生态系统进行对照分析，旨在全面、客观认识绿肥引入农田的综合价值。

1　评估方法

冬绿肥-春玉米是指在9月中旬春玉米收获后，种植冬绿肥作物，翌年4月中旬进行翻压，充当下茬春玉米绿肥的生产方式。该生产方式较春玉米单作对农田生态系统中春玉米生产、土壤养分累积消耗、温室气体调节以及水土保持等方面具有重要影响（赵秋等，2011；杨璐等，2013）。因此，本研究在突出绿肥引入冬闲田所产生的经济、生态效益的原则下，选取冬绿肥-春玉米农田生态系统农产品供给、气体调节、土壤养分累积、土壤保持和水分涵养5项服务功能作为评估对象，采用市场替代法、影子价格法和机会成本法等生态经济学方法，建立冬绿肥-春玉米生态服务功能价值评估体系。具体评估方法如下：

1.1农产品供给功能

农产品供给功能是农田生态系统对人类福利最重要的贡献（Porter et al.，2009）。冬绿肥-春玉米较春玉米单作能够在提高农田生态系统中春玉米、饲料粮等农产品的供给的同时，减少化肥施入量（杨璐等，2013）。与此同时，由于增加了农业生产环节，冬绿肥-春玉米需要更多的种子、机械和人工等的投入。本研究中，冬绿肥作物均在春玉米播种前全部翻压，因此，产出仅考虑春玉米产值。投入成本由种子、农机、化肥和农药等组成。

由于上述投入、产出指标均具有明确的市场价格，可以进行市场交换，故采用市场价值法来估算其服务价值（见公式1）。

式中，Vg为农产品供给服务价值（元·hm-2）；My、Mi分别为春玉米经济产量和投入的物质资料（种子、农机、化肥和农药）（kg·hm-2）；Ey、Ei分别为春玉米市场价格和投入物质资料（种子、农机、化肥和农药）的市场价格（元·kg-1）。各项农资价格参数如下：春玉米单价为2.42元·kg-1；春玉米、二月兰和毛叶苕子种子单价分别为8、30和22元·kg-1；化肥的市场单价以《森林生态系统服务功能评估规范》中推荐价格为基期价格，结合2014年相对价格指数为1.16，得到磷酸二铵2.79元·kg-1，氯化钾2.55元·kg-1；农机、农药投入成本基期价格参考《2003年至2005年北京市国家级保护性耕作项目工作总结报告》，结合2014年相对价格指数为1.31，得到重耙0.03万元·hm-2，翻耕0.04万元·hm-2，镇压0.01万元·hm-2，轻耙0.02万元·hm-2，播种0.03万元·hm-2，打药0.01万元·hm-2。

1.2气体调节功能

农田生态系统具备气体调节功能，主要反映在调节温室气体和净化空气的作用（Porter et al.，2009）。在调节温室气体服务功能上，冬绿肥-春玉米较春玉米单作一方面增加了农田生态系统中的净生物量从而提高了农田系统年固碳量和释放氧气量；另一方面，由于绿肥的种植翻压对冬闲田进行了扰动，在一定程度可能影响了农田系统CH4和N2O的排放（胡立峰等，2009）。因此，本研究采取影子价格法，以造林成本法和工业制氧法分别计算系统中固碳价值和释氧价值（见公式2）；根据IPCC（1992）提出的增温潜势（GWP）原理，其中以100年影响尺度计，CH4和N2O的GWP值分别为21和310（Shine，2000）。据此，将CH4、N2O排放量转化为具有同等增温效应的CO2排放量，然后用排放CO2负价值来代替农田排放CH4、N2O的负价值（见公式3）。其中，固碳价格采用瑞典碳税价格为150美元·t-1（LY/T 1721─2008，2008），折合人民币920元·t-1（汇率取2014年人民币对美元平均汇率为6.1428）；氧气价格参考《森林生态系统服务功能评估规范》中推荐价格，结合2014年相对价格指数为1.16，取氧气价格为1160元·t-1。

在净化空气污染物功能上，不同植被类型降尘以及净化有毒气体能力也有所不同（郭伟等，2010；彭立等，2015）。冬绿肥引入冬闲田增加了冬季农田的植被覆盖度，并且改变了农田植被覆盖类型，从而提高了对SO2、NOx和滞尘等主要空气污染物的净化功能。因此，本文采取机会成本法，以治理SO2、NOx和滞尘所需成本作为农田系统净化空气价值（见公式4）。参考唐衡等（2008）的研究，获取单位面积北京耕地年平均净化空气污染物量：SO2为45 kg·hm-2、NOx为33 kg·hm-2、滞尘为1500 kg·hm-2。各种污染物治理成本参考《森林生态系统服务功能评估规范》，结合2014年相对价格指数为1.38，取治理成本分别为：SO2为1.66元·kg-1、NOx为0.87元·kg-1、滞尘为0.21元·kg-1。

综上所述，得到冬绿肥-春玉米农田系统气体调节功能价值评估方法如下：

式中，Va1为固碳释氧价值（元·hm-2）；Q为农田生物量（kg·hm-2）；Ec为固碳成本（元·kg-1）；Eo为制造氧气成本（元·kg-1）。

式中，Va2为排放温室气体负价值（元·hm-2）；FCH、FNO分别为排放甲烷和氧化亚氮量（kg·hm-2）。

式中，Va3为净化空气污染物价值（元·hm-2）；D为单位面积农田系统吸收空气污染物基本量（kg·hm-2）；I为不同类型农田覆盖作物修正系数，取值分别为春玉米单作为1、二月兰-春玉米为2.25、毛叶苕子-春玉米为2.25（唐衡等，2008）；Ed为治理各项空气污染物成本（元·kg-1）。

式中，Va为气体调节功能价值（元·hm-2）。

1.3土壤养分累积功能

农田中土壤与作物之间的养分交换过程是生态系统中土壤养分累积循环的重要环节（谢高地等，2013）。冬绿肥在生长过程中能够活化土壤中的难溶性磷和缓效钾，提高土壤有效磷和速效钾的含量，翻压至土壤能够提高土壤中有机质的含量（Cherr et al.，2006；Fageria，2007）。其中，豆科绿肥能够通过生物固氮作用，固定大气中的氮气，翻压至土壤能够提高土壤碱解氮含量。

因此，本研究以土壤耕层碱解氮、有效磷、速效钾和有机质积累量来评估冬绿肥农田生态系统土壤养分累积功能价值。由于土壤养分在市场中缺乏直接价格，故采用影子价格法，用含有等量营养物质的肥料和有机碳的市场价值分别替代农田生态系统中碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质的累积价值（见公式6）。

式中，VN为土壤养分累积价值（元·hm-2）；ρ为土壤耕层容重（g·cm-3）；B为每公顷的耕层（20 cm）土壤体积（m3·hm-2）；N1为单位面积土壤养分（碱解氮、有效磷、速效钾和有机质）累积量（t·hm-2）；En为土壤养分的价格（元·t-1）。

1.4土壤保持功能

农田生态系统主要通过农作物对地表的覆盖作用，减轻土壤风蚀、水蚀的发生，从而保持土壤数量（孙禹等，2013；王万忠等，1996）。冬绿肥-春玉米使冬闲田的裸露地表得以覆盖，能够减小农田土壤侵蚀损失（Kim et al.，2012），其保持土壤功能价值主要体现在3个方面，分别为减少耕地产值的潜在损失、减少土壤养分的流失和减少河流泥沙淤积。

由于缺少对农田土壤保持量的直接测量，本研究运用通用土壤流失方程（USLE，Universal Soil Loss Equation）计算土壤侵蚀模数，通过无植被覆盖的潜在土壤侵蚀量和实际土地覆盖的土壤侵蚀量之差来估算研究区的土壤保持量。具体计算公式如下：

式中，A为农田土壤保持量（t·hm-2）；R为降雨侵蚀因子（t·hm-2）；K为土壤可蚀性因子；LS为坡长坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。其中潜在侵蚀量默认土地无覆盖即C=1以及无水土保持措施即P=1。

其中，R值采用王万忠等（1996）关于中国主要站点年平均R值计算结果，取天津站R值为319.4 t·hm-2；试验地土壤耕层有机质为15.68～16.58 g·kg-1且土壤质地为粘壤土，采用诺谟图法（王万忠等，1996），确定K值为0.56；参考徐艳杰等（2012）关于华北地区LS计算方法，取试验地坡长为10 m，坡度为2°，得到LS为0.13；试验区二月兰-春玉米、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作农田年植被覆盖度分别为0.62、0.74和0.36，植被覆盖因子C值采用蔡崇法等（2000）提出的计算公式：

式中，c为不同农田系统年均覆盖度，得二月兰-春玉米、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作农田C值分别为0.0349、0.0085和0.1161；根据华北地区不同土地利用类型P值表（徐艳杰等，2012），取旱地水土保持措施因子值，P为0.6。

在价格参数取值方面，由于市场并不存在土壤直接交易价格，因此，本研究采用机会成本法，分别以农田单位面积产值、土壤养分价值、承载泥沙淤积的水库库容建造成本来估算系统减少土壤废弃价值（见公式9）、减少土壤养分流失价值（见公式10）以及减少泥沙淤积价值（见公式11）。综上所述，得到冬绿肥-春玉米农田系统土壤保持功能价值（见公式12）。

式中，VA1为减少土壤废弃价值（元·hm-2）； ℎ为耕层厚度，取0.2 m；Eq为耕地单位面积的农业产值，通过周边农户调研所得，取平均值为19000元·hm-2。

式中，VA2减少土壤养分流失价值（元·hm-2）；N2为单位面积土壤耕层养分（碱解氮、有效磷、速效钾和有机质）保有量（t·hm-2）。

式中，VA3为减少泥沙淤积价值（元·hm-2）；Ew为水库库容建造成本为7.99元·t-1（LY/T 1721─2008，2008）；24%为泥沙淤积量占土壤侵蚀量的百分比（盛莉等，2010）。

式中，VA为土壤保持功能价值（元·hm-2）。

1.5水分涵养功能

农田生态系统主要通过土壤对水分的蓄积，以达到水分涵养功能。研究表明种植翻压绿肥能够改善土壤物理性质，增加土壤团粒结构，减小土壤容重，提高土壤饱和含水量（Kim et al.，2012；Tosti et al.，2012），从而增强农田生态系统中土壤的蓄水能力。因此，本研究以土壤耕层饱和含水量来反映农田系统水分涵养服务功能。由于市场中缺乏土壤水的直接价格，本研究依据土壤涵养水分的主要功能类似与水库蓄水功能的特点，采用影子工程法以建造同等持水量水库库容成本替代涵养水分功能价值（见公式13）。

式中，Vw为水分涵养价值（元·hm-2）；θf为土壤饱和含水量（%）；h为耕层厚度，取0.2 m。

2　数据来源

根据上述评估方法，本文选取华北地区推广面积较大的禾本科冬绿肥二月兰和豆科冬绿肥毛叶苕子-春玉米农田生态系统为评估对象，对两种冬绿肥-春玉米农田生态系统的1个生产周期的服务功能价值进行评估，并与常规春玉米单作农田生态系统进行对照。

本研究所需田间试验数据主要由天津市农业资源与环境研究所试验站提供。主要包括春玉米、绿肥产量等农田生产数据和土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等土壤养分数据，以及土壤容重、孔隙度等土壤物理数据。试验中，两种冬绿肥二月兰和毛叶苕子均于2010年9月中旬播种，2011年4月中旬全部翻压，翻压之后于月末进行玉米播种，并于2011年9月中旬收获。

生态系统服务功能价值评估中所需的价格参数主要参照《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T 1721─2008，2008）以及相关统计年鉴。由于年际之间各种价格参数会有所变化，故本文设置2014年为价格计算基准年份，通过2014年居民消费价格指数（CPI）将本文所有价格参数转化为2014年的价格，使价值评估结果具备可比性。

3　结果与分析

3.1农产品供给功能价值评估

冬绿肥-春玉米生态系统的投入主要有种子、农机、化肥和农药等人工辅助能，产出的初级产品主要有春玉米和绿肥作物。本研究中，冬绿肥作物均在春玉米播种前全部翻压，因此，产出仅考虑春玉米产值。

其中，二月兰-春玉米、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作农田生态系统中春玉米产量分别为7740、7800和7320 kg·hm-2；春玉米单作农田系统化肥施用量为N 225.0 kg·hm-2、P2O545.0 kg·hm-2、K2O 225.0 kg·hm-2，两种冬绿肥-春玉米农田系统较春玉米单作均减少25%的化肥施用量；二月兰、毛叶苕子和春玉米播种量分别为20.5、45.0和30.0 kg·hm-2；农机投入方面，传统春玉米单作系统为重耙、翻耕、播种和镇压，冬绿肥-春玉米系统较春玉米单作增加了轻耙、播种、翻耕3道工序。

综合上述参数，根据公式（1）计算得到不同冬绿肥-春玉米农田农产品供给功能价值投入产出（见表1）。

表1　不同冬绿肥-春玉米农田农产品供给功能价值投入产出表Table 1 Values of food production in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

如表1所示，在不同种植模式农田生态系统的成本投入中，冬绿肥-春玉米较春玉米单作系统减少了化肥的投入，增加了种子和农机的投入，其中毛叶苕子-春玉米系统成本投入最高为0.49万元·hm-2，较春玉米单作增加了35.34%，二月兰-春玉米系统成本投入为0.45万元·hm-2，较春玉米单作增加了24.93%。在农产品产出方面，两种冬绿肥-春玉米系统均高于春玉米单作，其中毛叶苕子-春玉米较春玉米单作增加6.56%，二月兰-春玉米较春玉米单作系统增加5.74%。

综合不同生态系统中的成本投入和农产品产出，3种种植模式农田系统农产品供给服务价值无明显差异，但在产投比方面差异显著：春玉米单作产投比为491%，较冬绿肥-春玉米约提高了18.03%～26.87%，表明两种冬绿肥-春玉米较春玉米单作农田生态系统的直接经济效率偏低。

3.2气体调节功能价值评估

由于难以获取冬绿肥-春玉米农田生态系统对CH4和N2O调节的具体数据，本文仅以固定CO2量和释放O2量来估算冬绿肥-春玉米农田生态系统温室气体调节功能价值。需要说明的是，本研究只对农田生态系统中春玉米和冬绿肥在其生长期的固碳释氧功能进行计量评估，对于冬绿肥还田和玉米收获后碳素在各种生态系统中的流动和循环不予考虑。

本研究取冬绿肥-春玉米农田系统生物量为春玉米、冬绿肥生物量的和，春玉米单作农田系统生物量由春玉米和冬闲期杂草生物量组成。根据天津市农业资源与环境研究所试验场提供数据，二月兰-春玉米、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作农田生态系统中春玉米生物量分别为18550、18720和17100 kg·hm-2。冬绿肥二月兰生物量为5103 kg·hm-2，毛叶苕子生物量为4202 kg·hm-2。春玉米单作农田系统冬闲期间杂草生物量为1600 kg·hm-2。

综合上述参数，根据气体调节服务功能价值评估方法（公式2、公式3、公式4、公式5）计算得到3种农田生态系统气体调节服务功能价值（见表2）。结果表明，冬绿肥-春玉米农田系统气体调节价值主要表现为对温室气体的调节功能，其中又以释放氧气为功能为单项价值最高。与春玉米单作农田系统相比，两种冬绿肥-春玉米农田系统调节气体价值均有所提高。其中，二月兰-春玉米系统提高幅度最大，为27.69%；毛叶苕子-春玉米其次，提高23.83%。

3.3土壤养分累积功能价值评估

冬绿肥-春玉米农田生态系统年周期前后的土壤养分含量变化取自天津市农业资源与环境研究所赵秋等（2013）试验数据，根据公式（6）计算得到不同冬绿肥-春玉米农田生态系统的土壤养分累积功能价值（见表3）。

计算结果显示，冬绿肥-春玉米农田系统土壤养分累积价值均明显高于春玉米单作，是其价值的4～5倍。两种冬绿肥-春玉米系统中，二月兰-春玉米农田系统土壤养分累积价值最高为0.44万元·hm-2，较毛叶苕子-春玉米提高23.4%。

表2　不同冬绿肥-春玉米农田气体调节功能价值Table 2 Values of gas regulation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems 104Yuan·hm-2

表3　不同冬绿肥-春玉米农田土壤养分累积功能价值Table 3 Values of soil nutrient accumulation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems 104Yuan·hm-2

不同农田生态系统在土壤碱解氮、有效磷的累积价值均为正值，表现为累积正效益，同时两种冬绿肥-春玉米系统均高于春玉米单作。主要原因可能是试验中施入的氮、磷肥量高于春玉米生长的吸收量，另一方面冬绿肥的翻压还田有提高土壤中碱解氮、有效磷含量的作用（Cherr et al.，2006）。在土壤速效钾累积价值方面，3种农田生态系统价值均为负值，表现为消耗负效益。主要原因在于试验中施入的钾肥量低于春玉米生长的吸收量，另一方面冬绿肥的翻压还田有富集钾素的作用，降低了土壤速效钾消耗负效益（Fageria，2007）。土壤有机质累积价值方面，春玉米单作系统呈消耗负效益，冬绿肥轮作系统呈累积正效益。主要原因在于春玉米的生长消耗了土壤中的有机质，而冬绿肥的翻压可以使土壤有机质含量得到提高（Lockwell et al.，2012）。

3.4土壤保持功能价值评估

通过公式（7）计算，二月兰-春玉米农田土壤保持量为22.69 t·hm-2，毛叶苕子-春玉米农田土壤保持量为23.06 t·hm-2，春玉米单作农田土壤保持量为21.56 t·hm-2。根据保持土壤功能价值估算方法（公式9、公式10、公式11、公式12），分别计算得出3种不同种植模式下的农田土壤保持功能价值，见表4。

结果可知，在农田土壤保持功能价值方面，两种冬绿肥-春玉米价值基本相同，较春玉米单作高出5.3%～6.9%，其中又以减少土壤养分流失和减少耕地废弃为主要功能价值，主要原因在于绿肥引入冬闲田，提高了农田系统年植被覆盖度，进而增加了农田年土壤保持量。另一方面，二月兰、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作土壤年保持量分别为22.69、23.06和21.56 t·hm-2，三者相差不大，这是由于试验地年降雨量偏小，地势平坦，致使该区域土壤潜在侵蚀量较低，仅为23.25 t·hm-2，土壤侵蚀程度较低（徐艳杰等，2012）。因而，冬绿肥引入冬闲田对提高农田保持土壤功能价值不明显。

3.5水分涵养功能价值评估

取二月兰-春玉米、毛叶苕子-春玉米和春玉米单作农田生态系统土壤耕层容重分别为1.24、1.26和1.30 g·cm-3（赵秋等，2013），依据容重计算得到土壤饱和含水量，分别为通过公式（11）得到不同冬绿肥-春玉米农田生态系统涵养水分功能价值（见表5）。

由结果可知，两种冬绿肥-春玉米农田系统水分涵养价值均大于春玉米单作，其中二月兰-春玉米农田系统水分涵养价值较春玉米单作约增加0.04万元·hm-2，提高4.59%；毛叶苕子-春玉米农田系统水分涵养价值较春玉米单作约增加0.03万元·hm-2，提高3.11%。主要原因可能是两种冬绿肥作物的根系密集且深长，密集的根系在腐解过程中，增加了水稳性团聚体，减小了土壤耕层的容重，从而增加了土壤耕层孔隙度，进而增强了土壤的蓄水能力（焦彬，1986）。

表4　不同冬绿肥-春玉米农田保持土壤功能价值Table 4 Values of soil conservation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

表5　不同冬绿肥-春玉米农田涵养水分功能价值Table 5 Values of water conservation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

表6　不同冬绿肥-春玉米农田生态服务功能价值总量Table 6 Ecological service value items and their proportions in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

3.6生态系统服务功能价值综合评估

综合3.1～3.5所有类型生态服务功能价值的计算结果，得到华北冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值（见表6）。

两种冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能总价值均高于春玉米单作。其中，二月兰-春玉米农田生态系统服务功能总价值最高为7.14万元·hm-2，较春玉米单作提高23.45%；毛叶苕子-春玉米农田生态系统服务功能总价值为6.90万元·hm-2，较春玉米单作提高19.15%。

两种冬绿肥-春玉米农田生态系统中，各功能服务价值对总价值贡献率基本一致。其中，调节气体功能价值最高，占总价值的60.84%～61.13%；其次为农产品供给功能价值，占总价值的19.92%～20.30%；其他功能价值贡献率从大到小依次为水分涵养功能、土壤养分累积功能、土壤保持功能。

4　结论与讨论

4.1讨论

（1）本文构建的冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估体系在指标选取方面，限于数据难以获取和缺少定量评估方法等原因，仍有部分生态服务功能未能体现，如农田生态系统的教育认知功能、生物多样性等服务功能。因此，需要对上述难以量化的生态服务功能指标作进一步研究，以期建立更为全面的评估方法。在价值量核算方法的选择层面，研究发现同一指标在不同替代市场法中价值量相差甚大，因此，如何根据各类型服务功能的本质，更有针对性地选择价值量评估方法是价值评估结果准确的前提。

（2）本文仅评估了周期为1年的华北冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值，对于长期冬绿肥-春玉米条件下农田生态系统服务功能价值的动态变化，还有待进一步的研究。此外，农田生态系统在向社会提供正效益的同时也产生了负效益，如甲烷和氮氧化物等温室气体的排放以及化肥与农药施用所带来的环境污染。限于研究资料收集等因素，本文在评估华北冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值过程中并未对上述负效益进行估算。因此，本文评估结果可能较实际农田生态系统服务功能价值偏高。下一步研究将有针对性地建立绿肥引入农田长期定位试验，并扩大监测指标，以期获得准确数据，进而得到更为全面、准确的评估结果。

（3）评估结果表明，两种冬绿肥-春玉米农田系统的直接经济效益产投比低于常规春玉米单作，一定程度上解释了中国绿肥种植推广过程中，农民积极性不高的现象。不同主体对象关注的价值类型是不同的，在农户角度上，直接经济效益是第一生产力，将直接决定农户的农业生产行为；而在国家层面上，可持续发展是最终目的，不仅需要考虑为社会提供农产品供给服务的直接经济效益，还应该考虑其它服务功能所带来的生态效益。因此，笔者建议，在绿肥种植层面，改变传统绿肥全部翻压还田的单一利用方式，加强绿肥多元化利用以获取更高的农产品产值，同时从政策上对种植绿肥进行生态补偿。

（4）本文中，二月兰-春玉米和毛叶苕子-春玉米农田生态系统的总服务功能价值虽然基本相同，但表现在土壤养分累积功能有所差异。因此，如何针对不同种类绿肥的生态服务功能特点，结合不同地区的生态需求，因地制宜地引入绿肥是下一步绿肥研究中的重要问题。

4.2结论

（1）本文基于农田生态系统服务功能价值理论，结合绿肥引入冬闲田效应特点，初步构建了冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能价值评估体系。该体系由农产品供给、气体调节、土壤养分累积、土壤保持和水分涵养5类服务功能和20个具体评估指标组成，并采用生态经济学方法建立了各项服务功能价值核算方法。

（2）将农田生态系统中农产品供给服务价值作为直接经济效益，其他生态服务价值作为生态效益，在冬绿肥-春玉米农田生态系统中，生态效益占总服务功能价值的79.70%～80.08%，约为直接经济效益的4倍。因此，冬绿肥-春玉米农田生态系统除了为社会提供农产品供给服务的直接经济效益以外，更多的是提供调节气体、涵养水分、土壤养分累积和保持土壤等生态效益。

本研究为绿肥引入冬闲田的综合价值核算提供了较为全面的评估方法，研究结果有利于完善绿肥发展过程中的价值核算方法，同时为种植绿肥生态补偿政策提供理论依据。

致谢：感谢天津市农业资源与环境研究所赵秋老师为本研究提供部分田间试验数据！

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Appraisal of Agro-ecosystem Services in Winter Green Manure-spring Maize

ZHOU Zhiming1，ZHANG Liping1，CAO Weidong2，HUANG Yuanfang1*
1.College of Resources and Environment，China Agricultural University； Key Laboratory of Arable Land Conservation （North China），Beijing 100193，China；2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China

Abstract：Planting green manure crops in fallow farm land in winter is a very important strategy for optimizing the agricultural cropping structure in China.However，it is critical to evaluate the benefit of introducing green manure crop to farm land before the planting.In this study，based on the Agro-Ecosystem Service Appraisal Theory，we used methods from ecological economics to develop a systematic model to evaluate the ecological services value of practicing winter green manure and spring maize rotation in North China Plain for farm land.This model has considered the unique properties of green manuring and the ecological services value were estimated by considering influence of green manure on five ecological services function including crop production，gas regulation，water conservation，soil conservation，and soil nutrient accumulation.Then we used the model to estimate ecological services value of practicing Vicia villosa Roth or Orychophragmus violaceus and spring maize rotation by comparing with the model of planting spring maize only in North China Plain.Results show that the ecological services value of rotation of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus with spring maize rotation were 71 449 and 68 962 Yuan per hectare，respectively.Compared to planting spring maize only，the introductions of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus increased with ecological services value by 23.45% and 19.15%，respectively.Planting green manure crops had greatest effect on gas regulation and this benefit accounts for 60.84%～61.13% of the total ecological services value.Planting green manure crops had the second greatest effect on crop production and this benefit accounts for 19.92%～20.30% of the total values.For other function，the benefit of planting green manure crops follows the order of water conservation ＞ soil nutrient accumulation ＞ soil conservation.There were different effects of the introductions of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus on soil nutrient accumulation.Specifically，planting Vicia villosa Roth mainly increases available phosphorus and soil organic matter，whereas planting Orychophragmus violaceus mainly increases alkali-hydro nitrogen.The results of our study show that the model developed is effective to estimate the benefits of planting green manure crops in fallow farm land in winter，and the findings have provided theoretical basis for decision maker about the planting.

Key words:winter green manure； ecological service function； appraisal； Orychophragmus violaceus； Vicia villosa Roth

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.008

中图分类号：S142； X171.1

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0597-08

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201103005-01-01）

作者简介：周志明（1989年生），男，博士研究生，主要从事绿肥综合效益评价研究。E-mail:ZMZHOU163@163.com

*通信作者：黄元仿（1968年生）男，教授，博士，研究方向为土壤水分、养分模型与水土资源管理。E-mail:yfhuang@cau.edu.cn

收稿日期：2016-01-29