元阳梯田稻田生态系统服务价值评价

郑春利,郭先华,祖艳群,何永美,徐耀阳

1.城市环境与健康重点实验室,中国科学院城市环境研究所,厦门 361021 2.中国科学院宁波城市环境观测研究站,宁波 315800 3.中国科学院大学,北京 100049 4.云南农业大学,资源与环境学院,昆明 650201

1 前言

人类生存的地球是一个复杂的巨系统,生态系统服务价值理论为阐述二者的关系提供了一个新的角度。提高对生态系统服务价值的认识,有助于探索生态系统与人类之间的关系,以便更好为人类服务[1-3]。美国学者Costanza等对全球生态系统服务价值进行评价,把生态系统的服务划分为17种主要类型,研究发现1995年全球生态系统各项服务的价值约为33万亿美元,约为当年世界国民生产总值的1.82倍,说明了生态系统服务的重要性,研究得出2011年全球生态系统服务总价值为145万亿美元也印证了这一点[4-5]。Turmer等认为未来生态系统服务研究方向应该更关注多种服务的价值,明确服务划分的标准,还应该考虑到环境变化带来的影响[6-9]。从20世纪80年代初,国内学者从不同空间尺度对生态系统服务价值进行了评价,如中国陆地生态系统服务价值评价;中国自然草地生态系统服务价值评价;中国农田保持土壤的价值评价[10-12]。评价生态系统服务价值的方法较多,如不同生物资源的经济评价方法、森林产品的经济价值、生态系统服务的空间价值等[13-15]。

水稻是全球最重要的粮食作物之一,是2.5×109人的主要食物来源,稻田生态系统所具有的服务与价值受到国内外学者的广泛关注[16]。稻田生态系统作为半自然的人工生态系统,不仅是农田生态系统的重要组成部分,同时也是湿地生态系统,约占农田总面积的26%[17]。中国每年粮食总产量的36.7%都是由稻田的粮食提供。稻田生态系统还具有重要的生态服务价值:气体调节、气侯调节、涵养地下水源、土壤保持和蓄水防洪等[18]。对稻田生态系统各项服务价值已开展了大量的评价,如台湾稻田涵养地下水源的价值为290亿元·a–1,涵养地下水总量为5.84×109m3;上海五四农场稻田气体调节价值为 5467—12842 元·(hm–2·a–1); 湖南省稻田生态系统农用化学品污染造成的负面经济价值为 2.9×107元·a–1[19-21]。

元阳梯田是一类特殊的稻田生态系统和湿地生态系统,种植云南本土特有的稻种,冬季蓄水,元阳梯田具有特殊的地理和人文环境,2013年被列入世界文化遗产保护名录。本文以云南省元阳梯田为研究对象,选择七项指标来评价稻田生态系统服务价值:包括经济(初级产品的提供)、生态(气体调节、气侯调节、水调节、环境净化和维持生物多样性)和社会(景观旅游)价值等。其中,初级产品的提供包括水稻秸秆和稻谷产生的价值,气体调节包含固定二氧化碳释放氧气和温室气体排放的价值,气候调节主要是降温效应,水调节指涵养地下水源的价值,环境净化主要是净化空气的价值。在水稻一个生长周期内对这七项服务价值进行评价,最后计算出研究区域内稻田生态系统服务价值。研究稻田生态系统服务价值为元阳梯田稻田生态系统的可持续发展、生态补偿等提供参考,为稻田管理提供科学的决策。

2 材料与方法

2.1 概况

元阳县位于云南省南部, 处于 102°27′—103°13′E,22°49′—23°19′N, 县境内最低海拔为 144 m, 最高海拔为2939.6 m,海拔高差为2795.6 m。日最高气温32.4℃,最低气温–2.6℃,年均降雨量为1398 mm,降雨集中在雨季5月到10月,占全年降雨量的10%以上,全年相对湿度85%,雾期长达174—180 d,全年日照时长1770 h[22-23]。本研究选取元阳梯田坝达景区为评价区域,如图1,面积为14000亩,评价区稻田生态系统与一般的稻田生态系统不同,稻田全年泡水,不施用或施用少量的化肥和农药,是一个特殊的稻田生态系统。同时,评价区位于元阳梯田世界文化遗产的核心区,具有重要的景观美学价值,种植的水稻品种主要为当地传统水稻红阳3号,评价区农户户数为4359。

图1 坝达景区位置图Fig.1 The map of Bada scenic area

本研究通过实地样地调查,从云南省农业厅、元阳县农业局等相关部门获得数据资料,建立评价模型,评价元阳梯田坝达景区稻田生态系统服务价值。从稻田生态系统的初级产品的提供、气体调节、气侯调节、水调节、环境净化、维持生物多样性、景观旅游等服务,对其经济、生态和社会价值进行评估。

2.2 评价区稻田生态系统服务价值估算方法

2.2.1 评价区稻田生态系统经济价值估算方法

经济价值估算采用市场价值法,公式为:

式中,V1:稻田生态系统提供初级产品功能的价值(元);

TDG:评价区稻谷的产量(t);

PDG:评价区稻谷的市场价格(元·t-1);

TJG:评价区稻田所产生稻秆的产量(t);

PJG:评价区稻田所产生稻秆的市场价格(元t-1)。

2.2.2 评价区稻田生态系统生态价值估算方法

(1)气体调节

固定CO2服务价值釆用造林成本法,公式为:

式中,VGT:采用造林成本法估算固定CO2服务价值(元);

a:水稻经济系数0.45—0.55,本研究取0.5[16];

b:稻田生态系统每生产1 g水稻干物质需要固定1.63 g CO2;

Mc:CO2中C的含量为27.27%;

CZL: 中国造林成本 260.90 元·t-1C(元·t-1)[24]。释放O2服务价值采用造林成本法,公式为:

式中,VSY:采用造林成本法估算释放O2服务价值(元);

c:稻田生态系统每生产1 g水稻干物质同时释放1.19 g O2;

CZLO: 中国造林成本 352.93 元·t-1O2(元·t-1)[24]。

评价区稻田生态系统中的CH4和CO2排放量计算,公式为:

式中,GCH4:稻田生态系统中CH4总的排放量(kg);

A:评价区稻田的面积(hm2);

TSZ:稻田水稻的生长期(d),评价区大田中的水稻生长期一般为190 d;

g1:云南省稻田CH4的平均排放通量[kg·(hm-2·d-1)]。

式中,GCO2:稻田生态系统中CO2总的排放量(kg);

g2:云南省稻田生态系统中水稻CO2的平均排放通量[kg·(hm-2·d-1)];

g3:云南省稻田生态系统中土壤CO2的平均排放通量[kg·(hm-2·d-1)]。

在此,将稻田生态系统中的CH4和CO2排放量折算成总的CO2排放量,接着采用造林成本法进行估算,公式为:

式中,GTCO2:将稻田生态系统中的CH4和CO2排放量折算成总的CO2排放量(t);

d:CH4折算为CO2的系数,即1 kg的CH4所产生的温室效应相当于24.5 kg的CO2所产生的温室效应。

稻田生态系统温室气体排放的总价值估算采用造林成本法,公式为:

式中,V22:釆用造林成本法估算稻田生态系统温室气体排放的总价值(元)。

(2)气候调节

稻田生态系统蒸发量计算,公式为:

式中,Qt:总的降温效应(mm);

E:稻田日平均水分蒸发量(mm·d-1);

Tn:夏季炎热时的持续天数45 d[25]。

稻田生态系统的调节气侯价值估算,公式为:

式中,V3:稻田生态系统的调节气温的价值(元);

e:稻田生态系统中1 hm2蒸发50 min的水量所消耗的热量以30.57 t标准煤燃烧的热量来替代(t)[26];

P:煤炭的价格750元·t-1。

(3)水调节

水调节价值估算采用入渗水量乘以农业用水市场价格,公式为[27]:

式中:V4:稻田生态系统涵养地下水源价值(元·a-1);

f:稻田土壤水分入渗率(mm·d-1);

PW:农业用水的市场价格0.99元·m-3;

TYS:水稻淹水生育期天数(d)。

(4)环境净化

稻田生态系统净化空气质量的价值估算,公式为[28]:

式中,V5:稻田生态系统净化空气质量的价值(元);

Qf:稻田生态系统吸收粉尘的平均通量[kg·(hm-2·a-1)];

Pf:稻田生态系统吸收粉尘的成本(元·kg-1);

Qs:稻田生态系统吸收SO2的平均通量[kg·(hm-2·a-1)];

Ps:稻田生态系统净化SO2的成本(元·kg-1);

Qh:稻田生态系统吸收HF的平均通量[kg·(hm-2·a-1)];

Ph:稻田生态系统净化HF的成本(元·kg-1);

Qn:稻田生态系统吸收NOx的平均通量[kg·(hm-2·a-1)];

Pn:稻田生态系统净化NOx的成本(元·kg-1)。

(5)维持生物多样性

稻田生态系统为生物进化和生物多样性的维持提供了条件,应用当量因子法来估算,农田维持生物多样性的当量因子为0.71[29],中国农田生态系统维持生物多样性单位面积价值量为628.2元·hm-2,稻田生态系统维持生物多样性价值估算,公式为:

式中,V6:稻田生态系统维持生物多样性的价值(元);PWC:稻田生态系统维持生物多样性的单位面积价值量[元·(hm-2·a-1)]。

2.2.3 评价区稻田生态系统社会价值估算方法

社会价值由以下公式来进行计算:

式中,V7:稻田生态系统景观旅游的价值(元);

PJG:稻田生态系统景观旅游单位面积价值量[元·(hm-2·a-1)]。

3 结果与分析

3.1 评价区稻田生态系统服务价值构成因素分析

3.1.1 经济价值分析

元阳梯田稻田生态系统提供的初级产品主要是稻谷和秸秆,通过调查稻谷和秸秆的产量比例为1:1。评价区的稻谷产量和市场价格分别为0.46万t·a-1和6000元·t-1,则稻谷提供的价值为2760万元。评价区的秸秆产量和市场价格分别为0.46万t·a-1和80元·t-1,秸秆提供的价值为36.8万元。稻谷提供的价值要远远高于秸秆提供的价值,约为秸秆提供价值的75倍,初级产品提供的价值以稻谷为主。

3.1.2 生态价值分析

(1)气体调节价值

元阳梯田稻田生态系统的气体调节价值主要体现在两个方面:固定CO2释放O2和温室气体排放。采用造林成本法估算固定CO2的服务价值,水稻产量为0.46万t,水稻经济系数取0.5,稻田生态系统每生产1 g水稻干物质需要固定1.63 gCO2,CO2中C的含量为27.27%,中国造林成本为260.90元·t-1C,则固定CO2的服务价值为26.67万元。采用造林成本法估算释放O2的服务价值,稻田生态系统每产生1 g水稻干物质同时释放1.19 gO2,中国造林成本为352.93元·t-1O2,则释放氧气的服务价值为96.60万元。固定CO2释放O2的总价值为123.27万元。评价区稻田生态系统释放O2的价值要大于固定CO2的价值。

评价区排放的温室气体主要包括CH4和CO2两个部分。先计算出稻田生态系统排放的CH4和CO2的量,评价区稻田面积为933.33 hm2,水稻的生长期为190 d,云南省稻田CH4、水稻CO2和土壤CO2的平均排放通量分别为0.334、272.04和102.35 kg·(hm-2·d-1)[30-31]。然后把稻田生态系统中排放的CH4和CO2折算成总的CO2排放量为67842.7万t。再采用造林成本法估算出评价区稻田生态系统温室气体排放的价值为482.38万元。评价区气体调节总价值为固定CO2释放O2价值和温室气体排放价值的和,温室气体排放的价值为负,其价值量远远大于固定CO2释放O2的价值,气体调节总价值为–359.11万元。稻田生态系统产生的这部分负价值,今后需要关注其变化,尽量减少其带来的危害。

(2)气候调节价值

元阳梯田稻田生态系统的气候调节主要体现在对周边地区有一定程度的降温效应,采用替代成本法估算。稻田日平均蒸发量为3.83 mm·d-1,夏季炎热时的持续天数为45 d,则总的降温效应为172.31 mm。评价区面积为933.33 hm2,稻田生态系统中1 hm2蒸发50 min的水量所消耗的热量以30.57 t标准煤燃烧的热量来替代为0.61 t,煤炭的价格为750元·t-1,则评价区稻田生态系统气候调节价值为7374.5万元。

(3)水调节价值

元阳梯田稻田生态系统的水调节主要指涵养地下水源的服务,这部分价值采用入渗水量乘以农业用水市场价格,稻田土壤水分入渗率为0.0615 mm·d-1,评价区面积为933.33 hm2,农业用水的市场价格为0.99元·m-3,水稻淹水生育期天数为190 d,则评价区稻田生态系统水调节的价值为10797万元。

(4)环境净化价值

元阳梯田稻田生态系统由于其独特的用水模式,灌溉用水都达到了国家的灌溉用水标准,所以评价区稻田生态系统环境净化的价值主要表现在净化空气质量方面。由于评价区面积为933.33 hm2,稻田生态系统吸收粉尘、SO2、HF和NOx的平均通量分别为 33.2、45、0.57 和 33.3 kg·(hm-2·a-1), 成本分别为0.17、0.6、0.9和0.6元·kg-1,则稻田生态系统净化粉尘、SO2、HF和NOx的价值分别为0.53、2.52、0.05和1.86万元[32-33]。稻田生态系统对粉尘、SO2、HF和NOx具有一定的净化作用,有助于提升周边地区空气质量。

(5)维持生物多样性价值

元阳梯田稻田生态系统为生物进化和生物多样性的维持提供了条件,采用当量因子法估算,稻田维持生物多样性的当量因子为0.71,稻田生态系统维持生物多样性的单位面积价值量为628.2元·(hm-2·a-1),则评价区维持生物多样性的价值为58.63万元。稻田生态系统能够丰富生物多样性,应该增加对生物多样的研究。

3.1.3 社会价值分析

元阳梯田稻田生态系统由于其独特的梯田景观,吸引众多游客,带动了当地旅游经济的发展,增加了当地民众的收入。评价区面积为933.33 hm2,景观旅游单位面积价值量为6000元·(hm-2·a-1),评价区稻田生态系统景观旅游的价值为560万元。元阳梯田具有重要的景观美学价值,通过合理的规划,在保护好这一世界文化遗产的前提下,可以适度地发展旅游经济,发挥其天然的地理地势条件和发扬当地的传统文化。

3.2 评价区稻田生态系统服务价值分析

通过以上研究,可以计算出评价区内稻田生态系统服务价值,结果如表1所示。

评价区稻田生态系统服务价值为21232.79万元,其中,经济价值为2796.8万元,生态价值为17875.98万元,社会价值为560万元,生态价值大于经济价值和社会价值,如图2所示。

表1 评价区稻田生态系统服务价值Tab.1 Service value of the evaluation area of paddy field ecosystem

图2 生态价值各部分所占比例Fig.2 The proportion of each part of ecological value

从图2可以得出,生态价值中水调节价值最大占58.09%,其次是气候调节占39.68%,维持生物多样性和环境净化作用不明显,分别占0.32%和0.03%。

4 讨论

通过实地调查,发现种植水稻的投入成本比较高,其中主要是人工费比较高,主要原因是元阳梯田本身的自然特性。元阳梯田是一个特殊的稻田生态系统,由于发展梯田景观的需要,尽管在垂直海拔差有400 m的梯田里,也种植了大量的水稻。而当地长久以来形成的森林-村寨-梯田-江河景观格局,使得梯田离村寨距离很远,增加了农户拔苗、栽秧、收割、运输等人工费,有的农户基本不能从中获利,甚至还有所亏损,尤其是种植传统红米,产量还比较低。随着近几年水稻种植环境的变化,也使得水稻相比往年有减产的趋势,这需要政府给予专业的技术指导,帮助农户解决水稻种植过程中相关的问题。

水调节价值是所选的七项评价区稻田生态系统服务价值中最高的,稻田生态系统的水调节价值是比较显著的,能够起到涵养地下水源的作用,这和其他普通稻田生态系统一样,所具有的涵养地下水源的作用很大。四湖地区水调节价值还考虑了蓄水防洪的价值,2011年此项服务的价值达到了4.3×109元[34]。考虑到元阳梯田没有发生过旱涝灾害,水调节价值并没有包含这部分价值,实际水调节价值会更高。气候调节价值方面,梯田的灌溉主要依靠上游周边的森林蓄水,水流自山顶而下,保证梯田全年有水,不存在干旱现象,在气候调节方面凸显降温效应,表明稻田生态系统对区域的小气候具有调节作用,促进了水气循环。陈清华釆用影子工程法计算,得出2011年四湖地区水稻降温增湿的价值为8.6×108元,相当于节省了 1.5×105kw 的电[34]。

元阳梯田稻田生态系统提供的经济、生态和社会价值比较可观,其中生态价值最大。这与谢宁宁对于武汉市郊2006年稻田生态系统服务价值研究一致,即间接经济价值远大于直接经济价值[35]。作为世界文化遗产的元阳梯田,其景观旅游价值所占比例也较大,应该保护好这种景观优势。在计算评价区稻田生态系统服务价值这七项服务时,选择的计算方法大部分都是符合实际的一些方法比如市场价值法、替代成本法、当量因子法等,有些数据受时效性的限制,会导致误差的产生。通过建立一个完整的评价体系,尽可能涵盖所有的生态系统服务和价值,精确评价稻田生态系统服务价值,结合一些精密先进的仪器,进行样地观测,提高参数的准确性。

5 结论

本研究表明2015年评价区稻田生态系统服务的总价值为21232.79万元。其中,经济价值为2796.80万元,生态价值为17875.98万元,社会价值为560.00万元,生态价值大于经济价值和社会价值;生态价值中水调节价值最大占58.09%,其次是气候调节占39.68%。稻田生态系统服务价值构成因素有:初级产品提供、气体调节、气候调节、水调节、环境净化、维持生物多样性和景观旅游。通过对元阳梯田稻田生态系统服务价值的研究,可以为元阳梯田土地利用和生态补偿提供科学的依据,更好地保护好这一世界文化遗产,下一步元阳梯田生态价值的研究将成为该领域的一个重要方面。

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