南方稻区绿肥生态服务功能及生态价值评估研究*

李福夺, 尹昌斌



南方稻区绿肥生态服务功能及生态价值评估研究*

李福夺, 尹昌斌**

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081)

为探究我国南方稻区绿肥种植的生态服务价值, 本文以我国南方稻区农田引入绿肥紫云英为例, 界定了稻田种植紫云英的生态服务功能, 并运用实际市场法、替代市场法和虚拟市场法等研究方法, 构建了绿肥生态价值评估的理论模型, 核算了绿肥的生态服务价值, 得到了以下研究结论: 1)南方稻区绿肥生态服务功能主要涉及调节和支持两类, 调节服务包括气体调节、水分涵养和土壤保持3种功能, 支持服务则包括土壤有机质累积和土壤营养物质循环两种功能; 对应地, 南方稻区农田轮作冬绿肥紫云英的生态价值也被界定为以上5种。2)南方稻区冬闲田种植紫云英在一个轮作周期中能够产生1.125万元·hm-2的生态价值, 其中, 气体调节价值最大, 为0.380万元·hm-2, 其次是土壤有机质累积价值, 为0.279万元·hm-2, 营养物质循环价值和土壤保持价值分别为0.204万元·hm-2和0.214万元·hm-2, 土壤水分涵养价值最小, 为0.048万元·hm-2。3)南方稻区绿肥种植投入成本为0.173万元·hm-2, 绿肥种植所产生的生态价值是种植投入成本的6.5倍。研究表明农田冬种绿肥紫云英的生态服务价值是客观存在的。该研究为南方稻区绿肥引入冬闲田后生态价值的评估提供了较为科学的研究方法和基础参数, 同时, 也为未来政府制定绿肥种植的生态补偿机制提供了理论依据。

南方稻区; 冬闲田; 绿肥; 紫云英; 生态价值评估

近年来, 伴随我国粮食产量和农产品保障能力的不断提升, 资源短缺、面源污染、地力退化等农业生态环境问题日趋凸显, 我国农业的可持续发展面临着越来越多的不确定性。为应对农业发展的新形势, 国家积极推进“质量兴农、绿色兴农”战略, 并把“生产更绿色、资源更节约、环境更友好”作为农业供给侧结构性改革和乡村振兴背景下农业生产发展的新导向。在此背景下, 如何探索一条更加绿色、更加生态的农业现代化发展道路成为推进农业深化改革的关键。我国在建设现代化农业的过程中, 可以把建立良好的农业生态系统作为一个切入点, 而发展绿肥是建立良好农业生态系统、推进农业绿色转型的一个重要抓手[1]。绿肥作为一种清洁的有机肥源, 不仅在增加作物产量方面具有较高的经济价值, 更在提高土壤肥力、改善土壤结构、促进作物养分循环、防止水土流失、消解农业面源污染和节能减排等方面具有更为显著的生态价值。尤其是在当前国家实施“化肥使用量零增长”、“耕地质量提升”和“耕地轮作休耕”等战略的宏观背景下, 推动绿肥种植, 充分发挥绿肥的生态功能、改善农业生态环境, 对于农业绿色、生态化转型及高质量发展作用明显。

当前, 学术界对绿肥价值的探讨较为缺乏, 仅有的少数相关文献也主要集中在种植绿肥能否提高主作物产量以及化肥替代等直接经济价值的核算分析[2], 对包括理论方法和研究范式在内的绿肥生态价值的研究仍是空白, 生态价值核算的困境也直接导致了一切关于绿肥重要性的探讨都成为缺乏理论基础支撑的“空中楼阁”[3]。本文基于生态经济学理论, 参考国内外相关研究成果, 结合我国农田生态系统的特性, 以南方稻区农田冬种紫云英(L.)为例, 尝试构建绿肥生态价值评估的方法模型, 核算绿肥生态价值, 为后续研究提供可参考的研究方法和基础性技术参数; 同时, 该研究也可以为将来政府制定农户种植绿肥的生态补偿和激励制度提供理论依据。此外, 已有研究在评估生态价值时, 均以整个生态系统作为研究目标, 难以看出由于引入某种外部因素后生态价值的变化量, 本文则力图突破这一固有研究范式, 构建模型把绿肥的生态价值在整个农业生态系统综合价值中剥离出来, 从而更加直观地反映研究目的, 这也是本研究具有创新意义的一个特色。

1 绿肥生态服务功能的界定

生态服务功能是生物有机体生理活动过程中对人类产生正效应的功能部分[4]。由于相关研究起步较晚, 当前学术界对绿肥生态服务功能的内涵及其界定还没有形成统一的认识, 被大多数学者所接受的认知为: 绿肥生态服务功能是指在绿肥种植过程中所形成的、可以为人类带来福利的农业自然环境条件及其效用[5]。尽管对绿肥生态服务功能的认识有所不同, 但由于生态服务功能分类是价值评估的基础, 会对价值评估结果产生直接影响, 因此几乎所有学者在开展相关研究时都不得不首先对目标系统的生态服务功能进行界定[6]。目前绿肥生态功能的界定方法仍然以Costanza提出的分类标准以及2001—2005年实施的“千年生态系统评估”(millennium ecosystem assessment, MA)和“生物多样性与生态系统服务经济学”(economics of ecosystems and biodiversity, TEEB)项目发布的生态服务功能分类标准为主要依据。国内学者欧阳志云等[7]、谢高地等[8]在Costanza、MA和TEEB界定标准的基础上, 结合我国自身情况提出了我国农业生态系统服务功能的界定方法, 成为指导我国生态价值研究与实践的标准。

依据Costanza、MA和TEEB的界定标准, Sandhu等[9]对新西兰坎特伯雷地区退化草场种植绿肥的生态服务功能进行了界定, 认为应该包括牧草生产、碳蓄积及氧释放、营养物质循环、土壤保持、涵养水源、防风固沙、维持生物多样性7方面内容; Schipanski等[10]把宾夕法尼亚地区玉米(L.)种植园引入绿肥的生态服务功能分为: 气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护5个方面, 并对每种功能的形成和作用发挥机制进行了详细阐述; Mendes等[11]在研究瑞典哥德堡地区滨河绿肥景观带的生态价值时, 归纳出了涵养水源、保护土壤、调节气候、吸收分解污染物以及休闲游憩等10种功能类型。国内相关研究大都以欧阳志云等[7]、谢高地等[8]的标准为基本的界定依据, 结合不同地区不同种植模式所形成的不同生态系统进行的分类。如王开磊等[12]把江南丘陵区农田冬种绿肥紫云英的生态功能界定为大气调节、土壤有机质积累、维持土壤养分循环3大类; 王鑫芯[13]将湖南省油菜(L.)-水稻(L.)轮作系统生态服务功能界定为农产品生产、气体调节、涵养水源、保持土壤、生物多样性和休闲娱乐6种; 而周志明等[14]把冬绿肥-春玉米农田生态系统服务功能界定为农产品供给、气体调节、土壤养分累积、土壤保持和水分涵养5类。

本研究意在界定我国南方稻区农田冬种绿肥紫云英所产生的生态服务功能。南方稻区包括华东的上海、江苏、山东、浙江、安徽、江西和福建, 华中的河南、湖南、湖北, 华南的广东、广西和海南以及西南的重庆、四川、贵州和云南17个省市, 这一区域是我国最主要的水稻主产区, 也是水稻-紫云英轮作模式最主要的推广区域。本文数据取样主要来自处于南方稻区核心位置的湖南、江西、广西3省区。稻田轮作紫云英, 实现冬闲田绿肥作物覆盖, 不仅可以起到轮作倒茬作用, 同时也可以充分利用南方充足的光、热、水资源, 实现固氮、吸碳功能, 促进土壤养分循环, 对于培肥改良土壤、优化农业环境、提高水稻产量、改善稻谷品质都具有重要的作用。参考相关研究, 结合我国南方稻区农田绿肥系统实际情况, 本文把绿肥生态服务功能界定为土壤有机质累积功能、土壤营养物质循环功能、水土保持功能、土壤水分涵养功能和气体调节功能5种, 具体如表1所示。

表1 南方稻区农田紫云英生态服务功能

2 绿肥生态服务价值评估方法

生态价值是对生态系统服务和自然资本用经济法则所做的估计。绿肥生态价值评估研究初期, 其评估方法在强调社会环境变化对生态系统服务(供给、调节、支持和文化服务)的影响及其相关性分析方面取得了很大进展[15]。之后, 引入了遥感等空间信息数据以及空间化方法对绿肥种植的生态价值开展评估研究, 促进了生态价值评估的进一步发展[16]。当前, 绿肥生态价值定量评估的理论基础为生态经济学理论, 而核心的评估方法为基于市场理论的价值评估法[17]。根据生态经济学、环境经济学和资源经济学的研究成果, 目前较为常用的基于市场理论的绿肥生态价值定价方法主要分为3类: 实际市场法、替代市场法和假想(虚拟)市场法[18]。实际市场法是指具有实际市场, 经济价值以市场价格来体现的方法, 包括费用支出法和市场价值法等[19]; 替代市场法是指没有实际市场和市场价格, 通过估算替代商品的市场价格间接获取经济价值的方法, 包括机会成本法、替代成本法、恢复和防护费用法、影子工程法和旅行费用法等[20]; 虚拟市场法(模拟市场价值法)是指不存在实际市场和市场价格, 通过虚拟市场来评估经济价值的方法, 包括条件价值法和意愿选择法等[21]。

南方稻区农田轮作冬绿肥紫云英, 此模式具有高效养地、生态友好等特点。种植紫云英可减少冬闲田, 增加农田冬季绿肥覆盖, 改善农田生态环境; 同时, 紫云英作为一种豆科绿肥, 能固定空气中的氮、碳, 翻压后能替代部分化肥, 对于培肥土壤、提高水稻产量和品质作用明显。基于紫云英的这些特性, 上文界定了农田种植紫云英在土壤有机质累积、土壤营养物质循环、土壤保持、土壤水分涵养和气体调节5个方面的功能。相应地, 本文把南方稻区农田轮作冬绿肥紫云英的生态价值界定为土壤有机质累积价值、土壤营养物质循环价值、土壤保持价值、土壤水分涵养价值和气体调节价值5种, 通过构建评估模型, 分别计算单位耕地面积(1 hm2)上由于种植绿肥所带来的各种生态价值量及总量变化, 旨在全面、客观认识绿肥引入农田对于农业生态系统可持续发展的必要性和重要性。

2.1 土壤有机质累积价值

土壤有机质(soil organic matter, SOM)是土壤的重要组成物质, 为作物生长提供必要的营养元素, 对改善土壤物化性质起着重要作用。研究表明, 绿肥的种植增加了粮食产量, 同时增加了作物残茬和根系的生物量, 而土壤中生物量的增加, 会使得微生物活动不断加强, 从而加速了SOM的累积[22]。

式中:ASOM为土壤有机质累积价值;为绿肥种植面积;为表层土壤厚度, 取值0.20 m[22];为土壤容重, 取值1 250 kg∙m-3[23]; OM为种植绿肥后增加的有机质量(%), 采用机会成本法, 按照绿肥干草转换成有机质的比例2∶1[24]换算得到;SOM为土壤有机质价格(元∙kg-1), 取市场上所调查的10个腐殖土有机质样本的均价1.56 元∙kg-1;G为绿肥干草经济产量(kg∙hm-2), 取值3 580 kg∙hm-2[25]。据此, 计算南方稻区1 hm2农田种植紫云英后的土壤有机质累积价值为:

2.2 土壤营养物质循环价值

生态系统营养物质循环主要发生在生物库、凋落物库和土壤库之间[26]。对于水稻-绿肥轮作生态系统来说, 紫云英在生长期翻压还田, 因此从生物库和土壤库两个方面考虑养分持留, 能更为准确、直观地反映系统维持营养物质循环的功能。基于此, 本研究只考虑土壤库和生物库, 评估的营养元素仅考虑含量相对较大的氮、磷、钾。

式中:NSC为土壤营养物质循环价值;BP为生物库参与营养物质循环的价值;SP为土壤库参与营养物质循环的价值;G为绿肥生物库总量(kg·hm-2);N、P、K分别为绿肥生物质中含N、P、K的百分比, 取值3.09%、0.74%和3.28%[27];N、P、K分别为N、P、K的市场价格, 由于土壤养分在市场中缺乏直接价格, 采用影子价格法, 用含有等量营养物质的肥料的市场价值分别替代农田生态系统中碱解氮、有效磷、速效钾的价值, 根据紫云英营养元素N、P、K占干草物重含量(N 2.75%, P2O50.66%, K2O 1.91%)以及当前化肥平均价格(4.155元∙kg-1)等数据, 换算后取N、P、K的价格分别为3.15元∙kg-1、8.82元∙kg-1和3.46元∙kg-1;G为绿肥土壤库总量;N、P、K分别为绿肥土壤库中含N、P、K的百分比, 取值分别为0.09%、0.08%、0.35%;NPK分别为N、P、K在土壤中的周转率, 其值分别为0.08、0.01和0.01[28]。据此计算南方稻区1 hm2农田种植紫云英后的土壤营养物质循环价值为:

2.3 土壤保持价值

农田生态系统主要通过农作物对地表的覆盖来减轻土壤水蚀, 从而起到保持水土的作用[29]。南方稻区冬闲田种植紫云英, 能有效减小农田土壤侵蚀损失[16], 其土壤保持价值主要体现在减少土壤侵蚀、减少土壤养分流失和减少河流泥沙淤积3个方面。

式中:SC为绿肥的土壤保持价值;SER为减少土壤侵蚀价值;NLR为减少土壤养分流失价值;SDR为减少河流泥沙淤积价值;A为减少耕地资源损失面积(hm2);A为南方稻区耕地的年平均收益(元·hm-2), 通过查阅《中国农村统计年鉴》等文献资料, 取均值22 000元∙hm-2;SER为由于种植绿肥减少的土壤侵蚀量(kg), 等于耕地侵蚀模数(kg∙hm-2∙a-1)与绿肥种植面积(hm2)的乘积, 根据南方稻田的侵蚀模数[30], 采用机会成本法, 计算得南方稻区土壤侵蚀量平均值为每年18 300 kg∙hm-2;为表层土壤厚度,为土壤平均密度, 取值为1 300 kg∙m-3;R为单位侵蚀物中第种养分元素的含量(g∙kg-1), 取稻田土壤中有机质、N、P、K含量分别为15.3 g∙kg-1、0.9 g∙kg-1、0.8 g∙kg-1、21 g∙kg-1[24];P为单位侵蚀物中第种养分元素的价格(元∙kg-1);CON为水库库容建造成本, 采用影子工程法和机会成本法, 取值0.007 99元∙kg-1(LY/T 1721─2008, 2008), 按照我国长江流域的泥沙运动规律, 一般土壤侵蚀流失的泥沙有33%滞留、37%入海, 另有24%淤积于水库、江河、湖泊, 这部分淤积的泥沙会导致水库、江河、湖泊蓄水量下降, 提高干旱、洪涝灾害发生的概率, 因此, 本文在计算绿肥的减少河流泥沙淤积价值时, 仅考虑淤积于水库、江河湖泊的24%。据此计算南方稻区1 hm2农田种植紫云英后的土壤保持价值为:

2.4 土壤水分涵养价值

水分涵养主要指生态系统对降水的截留、吸收和贮存的作用。在农田生态系统中, 水分涵养功能主要体现在农作物涵养水源和土壤涵养水源两个方面[31], 由于土壤水分涵养能力明显高于农作物对水分的涵养能力, 本文在研究绿肥引入农田后水分涵养价值变化时, 仅考虑土壤的水分涵养价值。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[32], 从而增强农田生态系统中土壤的蓄水能力。基于此, 本研究以种植绿肥前后土壤耕层饱和含水量的变化来核算绿肥引入农田后的水分涵养价值。

2.5 气体调节价值

绿肥的气体调节价值, 主要反映在固碳释氧和净化空气两个方面。在固碳释氧方面, 绿肥引入农田, 增加了农田生态系统中的净生物量, 从而提高了农田系统的固碳量和释氧量; 在净化空气方面, 绿肥引入冬闲田增加了冬季农田的植被覆盖度, 改变了农田植被覆盖类型, 提高了对SO2、NO和灰尘等主要空气污染物的净化功能, 同时, 由于绿肥的种植翻压对冬闲田进行了扰动, 在一定程度上也影响了农田系统CH4和N2O的排放[33]。

式中:CFOR为固碳释氧价值;AP为净化空气价值;GR即为绿肥的气体调节价值;CF为固碳价值;OR为释氧价值;G为绿肥年净生物量(kg∙hm-2), 它等于绿肥干草经济产量与相应经济系数的比值,取值0.46;CF、OR分别为绿肥的固碳和释氧系数, 采用替代成本法计算得到, 取值0.45和1.19;CF、OR分别为固碳和释氧的价格, 采取造林成本法计算绿肥的固碳价格, 取值为0.26元·kg-1, 采用工业成本法计算绿肥的释氧价格, 取值为0.40元·kg-1[34];SA、NA、DD、CE、NE分别为绿肥吸收SO2、NO和滞尘的价值以及排放CH4、N2O的负价值, 需要进一步指出, 由于难以获取南方稻区冬绿肥-水稻农田生态系统对CH4、N2O调节的具体数据, 本文仅以固碳释氧和净化SO2、NO和滞尘来估算紫云英种植的气体调节价值;SA、NA、DD、UCE和UNE分别为单位面积绿肥吸收SO2、NO和滞尘以及排放CH4、N2O的量, 本文考虑的前3个指标取值45 kg∙hm-2∙a-1、33.8 kg∙hm-2∙a-1、0.95 kg∙hm-2∙a-1[35];SA、NA、DD、CE和NE分别为治理SO2、NO、滞尘、CH4和N2O的单位成本, 前3个指标取值3.00元∙kg-1、16元∙kg-1和0.17元∙kg-1。据此计算南方稻区1 hm2农田种植紫云英后的气体调节价值为:

2.6 绿肥生态服务总价值

可见, 南方稻区冬闲田种植紫云英在一个轮作周期中能够产生1.125万元·hm-2的生态价值, 具体如表2所示。

3 结果与分析

通过界定冬绿肥紫云英引入农田后所产生的生态功能, 本文把南方稻区农田轮作紫云英的生态价值界定为土壤有机质累积价值、土壤营养物质循环价值、土壤保持价值、土壤水分涵养价值和气体调节价值5种, 之后, 通过构建评估模型, 把绿肥的生态价值在整个农田系统综合价值中进行剥离, 研究单位耕地面积(1 hm2)上种植绿肥所带来生态价值量变化, 为后续绿肥重要性的探讨和产业发展提供理论支撑。

表2 南方稻区稻田轮作紫云英的生态价值

ASOM: 土壤有机质累积; NSC: 营养物质循环; BP: 生物库; SP: 土壤库; SC: 土壤保持; SER: 减少土壤侵蚀; NLR: 减少土壤养分流失; SDR: 减少河流泥沙淤积; SWC: 土壤水分涵养; GR: 气体调节; CFOR: 固碳释氧; CF: 固碳; OR: 释氧; AP: 空气净化; SA: 吸收SO2; NA: 吸收NO; DD: 滞尘。ASOM: accumulation of soil organic matter; NSC: nutrient substance cycling; BP: biotic pool; SP: soil pool; SC: soil conservation; SER: soil erosion reduction; NLR: nutrient loss reduction; SDR: sediment deposition reduction; SWC: soil water conservation; GR: gas regulation; CFOR: carbon fixation and oxygen release; CF: carbon fixation; OR: oxygen release; AP: air purification; SA: SO2absorption; NA: NOabsorption; DD: dust detention.

研究表明, 南方稻区冬闲田种植紫云英在一个轮作周期中能够产生1.125万元·hm-2的生态价值, 而同期绿肥种植投入成本为0.173万元·hm-2(表3), 前者大约是后者的6.5倍, 相当于1元种植投入能够产出6.5元的服务价值, 这说明南方稻区农田冬种绿肥紫云英的生态服务价值是客观存在的, 并且其生态价值远远大于其投入成本。其中, 气体调节价值最大, 为0.380万元·hm-2, 其次是土壤有机质累积价值, 为0.279万元·hm-2, 营养物质循环价值和土壤保持价值分别为0.204万元·hm-2和0.214万元·hm-2, 土壤水分涵养价值最小, 为0.048万元·hm-2。

国内外研究在一定程度上验证了本文分析得到的稻田种植绿肥会显著改变局域气体结构、改善区域小气候的研究结论[36], 尤其在我国南方稻区, 冬种紫云英翻压还田对化学N素的替代效果明显, 在减少水稻化学氮肥用量和化学氮肥生产的同时, 也减少了温室气体排放, 从而起到对温室气体进行调节和对空气进行净化的作用[37]; 研究发现, 绿肥种植的气体调节价值主要表现在固碳释氧方面, 每公顷稻田种植紫云英后能产生0.312万元的固碳释氧价值, 远远高于其对空气净化的作用, 这与已有大部分研究得出的结论一致[38]。在土壤有机质累积方面, 如果仅为水稻单作, 农业系统将由于水稻生长消耗有机质而呈现消耗负效益[39], 种植豆科绿肥紫云英后, 由于其能固定大气中氮素, 加快有机质转化速率、提高转化效率, 显著提高了稻田土壤有机质含量以及土壤活性有机质和土壤微生物碳、氮比例, 轮作系统呈现出累积正效益。在土壤保持方面, 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; 研究表明, 绿肥的土壤保持价值主要体现在减少土壤养分流失方面, 每公顷稻田种植紫云英后能产生0.194万元的减少土壤养分流失价值, 是减少土壤侵蚀价值的近14倍, 是减少河流泥沙淤积价值的近13倍, 占绿肥土壤保持价值的90%以上。在营养物质循环方面, 绿肥种植可提高土壤养分和速效养分含量, 改善土壤理化性状、提高土壤营养物质有效性, 从而显著提升生物库和土壤库中的营养物质循环价值; 从营养库来看, 稻田种植紫云英后, 生物库和土壤库中的营养物质循环价值均得到明显提升, 并且土壤库价值提升程度高于生物库; 从营养物质种类来看, 每公顷稻田种植绿肥产生的0.204万元营养物质循环价值中, 有0.092万元以N循环的形式体现, 占比超过45%, 而P、K循环价值占总营养物质循环价值的比重分别为20%和35%, 均低于N循环价值, 这与豆科绿肥根瘤固N、减少了N素流失有关。在土壤水分涵养方面, 紫云英根系密集且深长, 密集的根系在生产和腐解过程中, 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, 进而在一定程度上增强了土壤的蓄水能力[40]; 每公顷稻田种植紫云英能产生0.048万元的水分涵养价值, 在紫云英5种生态功能中价值量最小, 这由我国南方稻区土壤特殊的理化性质所决定: 土壤饱和水含量已经很大, 种植绿肥对土壤水分涵养提升潜在空间有限。

表3 南方稻区稻田轮作紫云英的种植投入情况

数据来源于2018年4月份课题组对南方稻区所做的调查。The data comes from the survey conducted by the research group on the southern China in April 2018.

4 讨论与结论

4.1 讨论

对绿肥价值的认识经历了由无到有, 由定性认知到单一的经济价值核算, 再到生态价值核算的发展过程。近年来, 随着农业生产中化肥用量不断增加, 农业面源污染加剧, 农业宏微观生态环境问题越来越受到关注, 绿肥作为推进农业绿色转型的一个重要抓手, 其生态功能与生态价值逐渐成为学术界研究的重点。然而, 由于绿肥生态价值本身的影响因素复杂多样且多难以定量, 当前学术界对绿肥生态价值的研究依然很匮乏, 对包括价值评估方法在内的绿肥生态价值研究范式探索尚处于起步阶段, 没有固有模式可参考, 生态价值核算的困境直接导致了关于绿肥重要性的探讨都缺乏理论依据, 降低了可信度。这种情况下, 结合我国农田生态系统的特性, 探索建立绿肥生态价值评估的理论模型, 成为了本文的研究重点和难点, 运用试验数据核算研究区种植绿肥后所产生的生态价值, 检验模型的合理性, 为后续研究提供可参考的依据, 也是本文做出的主要突破之一。

在研究过程中, 受生态系统服务功能指标体系在指标选取方面局限性以及试验数据获取困难性的影响, 关于稻田引入绿肥紫云英后的生态服务功能仍有部分未能在本研究中体现, 如未包括提供生态产品、维持农田系统生物多样性以及生态观光游憩等功能的价值, 也没有考虑由于不合理的农业活动所带来的负面影响(绿肥在生长过程中也要释放CO2等温室气体), 在计算气体调节价值时由于难以获取南方稻区冬绿肥-水稻农田生态系统对CH4、N2O调节的具体数据, 本文也没有进行考虑, 这些都会对研究结果的精确性造成一定影响, 下一步研究将继续完善核算方法, 并且有针对性地建立绿肥引入农田长期定位试验、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。尽管如此, 但可以肯定的是农田引入绿肥后生态系统的正面价值要远大于其负面价值, 由计量方法和研究手段限制所带来的计算结果精确性损失也不会对生态价值效应带来颠覆性影响, 因此仍然具有重要的参考价值, 对于引导和促进对南方冬季农业生态系统价值的认知有也依然具有重要意义。

针对研究结论, 农田引入绿肥紫云英后所产生的生态价值大小排序为气体调节价值>土壤有机质累积价值>土壤保持价值>营养物质循环价值>土壤水分涵养价值, 这一研究结论也仅适用于本文所考察的南方稻区, 对紫云英适宜种植的其他区域不具有普适性, 更不适用于其他区域的其他绿肥种植模式。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、有针对性的发挥其生态价值, 将是下一步绿肥研究中的重要问题。此外, 针对绿肥种植农户目标和国家目标不一致的矛盾(对农户来说, 直接经济效益直接决定农户的农业生产行为; 而对国家来说, 生态效益考虑甚至大于直接经济效益的考虑), 如何改变传统绿肥利用方式, 加强绿肥多元化利用以获取更高的生态产品产值, 同时参考生态价值量与种植成本的比例、结合当地经济发展水平, 从政策上制定合理的绿肥种植生态补偿机制, 也将是未来绿肥研究的一个焦点。

4.2 结论

本文基于生态经济学理论, 结合我国南方稻区农田生态系统的特性, 确定了稻田种植冬绿肥紫云英的生态服务功能, 构建了绿肥生态价值评估的理论模型, 核算了绿肥的生态服务价值, 得到了以下研究结论:

1)绿肥生态服务功能主要涉及调节和支持两类, 调节服务应该包括气体调节、水分涵养和土壤保持3种功能, 作用是维持生态系统水、土、气等物质组分平衡; 支持服务应该包括土壤有机质累积和土壤营养物质循环两种功能, 作用是为作物生长提供必要的营养元素并维持养分在生物库、土壤库中的持留与循环。据此, 把南方稻区农田轮作冬绿肥紫云英的生态价值也对应地界定为土壤有机质累积价值、土壤营养物质循环价值、土壤保持价值、土壤水分涵养价值和气体调节价值5种。

2)南方稻区冬闲田种植紫云英在一个轮作周期中能够产生1.125万元∙hm-2的生态价值。其中, 气体调节价值最大, 为0.380万元∙hm-2, 并且80%以上的气体调节价值体现在固碳释氧方面, 远远高于其对空气净化的价值; 其次是土壤有机质累积价值, 为0.279万元∙hm-2, 通过提高土壤活性有机质和土壤微生物碳、氮比例呈现出典型累积正效益; 土壤保持价值为0.214万元∙hm-2, 主要体现在减少土壤养分流失方面, 每公顷稻田种植紫云英后能产生0.194万元的减少土壤养分流失价值, 占绿肥土壤保持价值的90%以上; 营养物质循环价值为0.204万元∙hm-2, 从营养库来看, 稻田种植紫云英后生物库和土壤库中的营养物质循环价值均得到明显提升, 并且土壤库价值提升程度高于生物库, 从营养物质种类来看, 每公顷稻田种植绿肥产生的0.204万元营养物质循环价值中, 有0.092万元以N循环的形式体现, 占比超过45%, 而P、K循环价值占总营养物质循环价值的比重分别为20%和35%, 均低于N循环价值; 土壤水分涵养价值最小, 为0.048万元∙hm-2。

3)我国南方稻区绿肥种植投入成本为0.173万元∙hm-2, 绿肥种植所产生的生态价值大约是种植投入成本的6.5倍, 相当于1元种植投入能够产出6.5元的生态服务价值, 这表明南方稻区农田冬种绿肥紫云英的生态服务价值是客观存在的, 并且其生态价值远远大于其投入成本, 该研究结论为政府制定农户种植绿肥的生态补偿制度提供了理论依据和标准参考。

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Assessment of the functions and ecological services values of green manure in paddy fields in South China*

LI Fuduo, YIN Changbin**

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

In the context of deepened promotion of rural revitalization, exploration of greener and more ecological path to agricultural modernization has become the mode of deepening agricultural reform. In the process of building modern agriculture, China has led the establishment of good agricultural ecosystems as a breakthrough point and the development of green manure as an important starting point in the establishment of good agricultural ecosystems and promotion of green transformation of agriculture. In order to explore ecological services values of green manure (L.) in winter paddy fields in South China, we defined ecological services functions of green manure in paddy fields in winter and used research methods (such as actual market method, alternative market method and virtual market method) to construct an initial theoretical model of ecological services value assessment from which ecological services values of green manure in South China were calculated. The following conclusions were reached: 1) that ecological services functions of green manure in paddy fields in South China were mainly of 2 kinds — regulation and support services. Regulation services included gas regulation, water conservation and soil conservation. The support services included accumulation of soil organic matter and soil nutrient cycle, corresponding to ecological services values defined for the above 5 species. 2) For a rotation cycle, ecological services value of winter green manure in paddy fields in South China was 1.13×104¥∙hm-2. Among these, the value of gas regulation was the largest (3.80×103¥∙hm-2), the cumulative value of soil organic matter followed next (2.79×103¥∙hm-2), next were nutrient cycle (2.04×103¥∙hm-2) and soil conservation (2.14×103¥∙hm-2) values, and soil water conservation value was the smallest (4.80×102¥∙hm-2). 3) The cost of winter green manure was 1.73×103¥∙hm-2in paddy fields in South China. The ecological services value of green manure was 6.5 times the cost of planting, indicating that the existence of ecological services value of green manure was objective. This study provided further detail on scientific methods and the basic parameters for ecological services value assessment for green manure in paddy fields in South China. Meanwhile, it also provided the theoretical basis for the formulation of ecological compensation mechanisms for future green manure plantations.

Paddy field in South China; Winter fallowing field; Green manure;L.; Ecological valuation

, E-mail: yinchangbin@caas.cn

Jun. 4, 2018;

Sep. 15, 2018

F323.22

A

2096-6237(2019)02-0327-10

10.13930/j.cnki.cjea.180525

* 国家绿肥产业技术体系(CARS–22)和国家社会科学基金重大项目(2018ZDA048)资助

尹昌斌, 主要研究方向为农业资源利用与管理。E-mail: yinchangbin@caas.cn

李福夺, 主要研究方向为农业资源与环境经济。E-mail: lifuduo2010@163.com

2018-06-04

2018-09-15

* This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS–22) and the Major Program of National Social Science Foundation of China (2018ZDA048).

李福夺, 尹昌斌. 南方稻区绿肥生态服务功能及生态价值评估研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(2): 327-336

LI F D, YIN C B.Assessment of the functions and ecological services values of green manure in paddy fields in South China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(2): 327-336