稻田生态系统服务价值评价——以湖南省为例

薛宝林，张路方，张铁亮，孙文超，李占杰

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；3.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

0 引 言

水稻是全球最主要的粮食作物之一，为超过世界1/3人口提供粮食来源。中国拥有世界上最大的稻田生态系统。稻田生态系统是以人类为主体，结合非生命物质(如光、热)、水稻、土壤及病虫害等所构成的一个相互作用、相互联系的人工湿地生态系统[1]。在人们传统的观念中，稻田的功能主要是提供初级产品的生产功能，通常忽略了该系统的生态服务功能：气候调节、气体调节、涵养水源、景观美学等。

目前，研究人员根据生态系统服务与功能之间的对应关系，将稻田生态系统主要的服务功能分成三种，即为人类生活提供初级产品经济功能、对人类生命系统的调节的生态功能及丰富人类精神世界的社会功能[2-4]。第一种主要是通过第一性生产与第二性生产为人类提供稻谷与秸秆等直接商品．第二类通常是不被人们所关注的对人类生存环境的保护与调节功能如气候、气体的调节、涵养水源、维持生物多样性。第三类是为人类提供景观休闲娱乐的服务功能。针对稻田生态系统的服务价值国内外已经展开大量的评价。在国外，YOSIHIRO[5]通过对日本水稻田生态系统服务进行研究发现，在日本稻田生态系统的调节功能约为年均728亿美元。TAKAKAZU等[6]通过调查发现，在调查人口中10%以上的人口愿意住进农村地区，这一结果显示了生态系统文化价值在生态价值中的重要性。在国内的研究中，周锡跃等[7]研究表明2003年浙江省稻田生态系统服务总价值为1 331.9 亿元。郑春利等[8]研究表明元阳梯田稻田生态系统景观美学的总产值为560 万元。谢宁宁[9]的研究表明武汉市稻田生态系统提供农产品价值14.992 亿元，仅占总服务价值的29%。

本文以湖南省稻田生态系统为研究对象，在已有的研究成果基础上，选取八项生态服务功能，包括经济方面(提供稻谷与秸秆、气体与气候的调节、水质净化、土壤保持、维持生物多样性、涵养水源和景观美学)价值等，运用直接市场评估法、间接市场评估法以及假想市场评估法等[10,11]一系列方法对湖南省稻田生态系统服务价值进行货币化的评价，旨在正确的了解和评估该系统生态价值。同时为政府制定生态可持续发展的相关政策提供理论支持。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况与资料来源

湖南省是我国中部地区重要的省份之一，同时属于长江中游地区，省内绝大部分区域均位于洞庭湖以南。全省境内土地总面为21.18 万km2，占我国国土总面积2.2%，在全国23个省中面积中第10位。湖南省年均降水量为1 200～1 700 mm，水资源十分丰富，年均气温在15～18 ℃之间，全年日照时长可达1 800 h。湖南省优质的自然条件使其成为我国重要的水稻产区，2016年水稻的播种面积与产量均在我国粮食主产区的首位，且湖南省稻田生态系统是我国南方各省中最大的稻田生态系统，因此对整个南方地区的研究具有很强的代表性。

本研究中所使用的2016年湖南省稻谷年产量、2016年湖南省稻谷种植面积、2016年湖南省秸秆产量等基础数据均来源于2017年中国统计年鉴[12]、2017年湖南省农村统计年鉴[13]。研究中所使用的2016年市场水价，乡村用电价格等数据均来自于实地调查获取。通过以上的数据收集对湖南省稻田生态系统提供初级产品、气体调节、水质净化等八项生态服务功能进行评价。

1.2 生态服务类型及价值计算方法

1.2.1 提供初级产品

稻谷和秸秆是两种被主要提供的初级产品，稻谷是作为人类的主要的粮食来源，而秸秆可以作为造纸和家用燃料的原料以及动物饲料等[14]。由于稻谷与秸秆两种产品可以以确切的经济价格在市场进行交换，所以该指标的评估选取市场价值法。见式(1)[15]。

V1=TDPD+TJPJ

(1)

式中：V1表示产出稻谷及秸秆等服务的价值，元；TD为评价区域稻谷的年总产量，t；PD为评价区域水稻的市场价格，元/t；TJ为评价区域产生秸秆的年总产量，t；PJ为评价区域秸秆的市场价格，元/t。

1.2.2 气体调节

水稻在生长过程中通过光合作用固定了CO2释放了大量的O2，同时稻田生态系统还能够吸收大气中的有害气体，所以气体调剂主要包括：固定CO2服务价值、释放O2服务价值以及吸收有害气体服务价值[15]。对于固定CO2服务价值的评价，采用瑞典碳税法与造林成本法计算结果的均值作为最终的评价结果，公式为：

VTS=LγαNcCTS

(2)

VZLC=LγαNcCZL

(3)

V21=(VTS+VZLC)/2

(4)

式中：VTS为碳税法固定CO2的价值，元/a；VZLC表示造林成本法中固定CO2价值，元/a；L表示水稻总产量，t/a；γ表示水稻经济系数，本研究取0.5[15]；α为稻田产出1 g稻谷干物质需要固定1.63 g CO2；Nc表示碳占CO2的百分比为27.27%；CTS表示瑞典碳税率，约等于950 元/t；CZL中国造林成本(260.90 元/t碳)；V21为两种方法固定CO2价值的平均值，元/a。

对于释放O2服务价值的评价，利用造林成本法和制氧工业成本法两方法的计算均值作为释放O2的计算结果，公式为：

VGYO=QγεCGYC

(5)

VZLO=QγεCZLC

(6)

V22=(VGYO+VZLO)/2

(7)

式中：VGYO、VZLO分别为上述两种方法释放O2的价值，元/a；Q为水稻年产量，t/a；ε为稻田每产出1 g稻谷干物质释放1.19 g O2；CGYO、CZLO是两方法的成本400 元/t与352.93 元/t O2；V22为两种方法释放O2价值的平均值，元/a。

对于吸收有害气体服务价值的评价，稻田生态系统吸收的有害气体基本上包括粉尘、SO2、HF和NOx四种，其中粉尘的平均通量与吸收成本分别为33.2 kg/(hm2·a)与170 元/t，SO2的平均通量与吸收成本分别为45 kg/(hm2·a)和0.6 元/kg，HF两项为0.57 kg/(hm2·a)与0.9 元/kg，NOx为33.3 kg/(hm2·a)与0.6 元/kg[16]，公式为：

V23=(TaKa+TbKb+TcKc+TdKd)C

(8)

式中：V23为稻田生态系统吸有害气体的价值，元；Ta、Tb、Tc、Td表示稻田生态系统吸收粉尘、SO2、NOx、HF的平均通量 /，kg/(hm2· a)；其中Ta的单位为t/(hm2· a))；Ka、Kb、Kc、Kd分别为稻田生态系统净化粉尘、SO2、NOx、HF 的成本，元/kg，其中Ka的单位为元/t；C为评价区域稻田面积，hm2。

稻田生态系统气体调节服务价值为定CO2服务价值、释放O2服务价值以及吸收有害气体服务价值的总和，公式为：

V2=V21+V22+V23

(9)

式中：V2为稻田生态系统气体调节功能的价值，元。

1.2.3 气候调节

稻田的水分蒸发在大气的水循环过程中起到重要作用，通过吸收热量、调节气温起到缓解“热岛效应”的作用，稻田生态系统在温度偏高的夏季具有显著的降温效应。根据Kentaro等[17]提出的，水稻生长期间稻田周围的问题比附近城区的温度低1.3 ℃，因此可以用稻田降低温度的效益来作为农村夏季节约空调使用的效益，根据聂佳燕的研究[18]，湖南省夏季需要使用空调时间为30 d左右，日均使用时长为6 h，公式为：

V3=N×30×1.3×6×P

(10)

式中：V3为稻田生态系统的气候调节的服务价值，元；N为湖南省乡村家庭户数；P消耗电能的价格，元/kWh。

1.2.4 涵养水源

稻田的土壤具有较好的保水和透水能力，对涵养水源起到重要作用。对于该指标的价值评估采用稻田土壤中入渗的水量乘以农业用水的价格，公式为：

V4=βKPwD

(11)

式中：V4为评价区域稻田生态系统涵养地下水源价值，元/a；β为评价区域稻田土壤水分入渗率，mm/d；K为评价区域稻田面积，hm2；PW为水价，元/m3；D为水稻水下生长天数，d。

1.2.5 水质净化

稻田生态系统的水质净化的能力主要表现为其排灌系统可以对水中的污染物质进行分解。因此，估算稻田生态系统水质净化的经济价值，可以通过稻田灌溉用水中污染物流入与流出浓度的差值，去乘以灌溉用水总量，然后再乘以处理污水中污染物的市场价格。所以，可通过代替成本法对该指标进行测算，公式为：

V5=(Ci-Co)ViPc

(12)

式中：V5为稻田生态系统水质净化的价值，元；Ci表示为用于灌溉的水中污染物的流入浓度，%；Co表示污染物流出浓度，%；Vi为用于稻田灌溉的总水量，m3；Pc为污水处理的市场价格，元/m3。

1.2.6 土壤保持

水稻在生长过程中能够有效缓解土壤侵蚀，改善土质，增加土壤有机质积累。所以稻田生态系统土壤保持服务价值主要通过对稻田土壤中有机质的输入与输出之间的平衡来评价。稻田土壤中有机质的输入主要包括：根系沉析作用增加的有机肥以及收获后残留的植株地下部分和一些秸秆，有机质的输出主要包括稻田向大气排放CH4与CO2所消耗的有机质，公式为：

V61=Ka×5×λ1+Kb×11%×λ2

(13)

式中：V61为土壤有机质输入量，kg/hm2；Ka为水稻根系生物量，kg/hm2；Kb为水稻秸秆生物量，kg/hm2；λ1、λ2分别为根系与秸秆含碳量，kg/hm2。

土壤中有机质的输出主要包括：淹没于水下的稻田土壤向大气排放CH4与土壤中微生物排放CO2所消耗的有机质，公式为：

V62=Z1×0.27+Z2×0.75

(14)

式中：V62为土壤有机质输出量，kg/hm2；Z1、Z2分别为稻田CO2、CH4的排放量，kg/hm2；0.27和0.75为CO2和CH4中的含碳率。

对于土壤保持服务价值的评价，采用土壤有机质输入与输出的差值，乘以有机质肥料的市场价格，公式为：

V63=V61-V62

(15)

V6=V63PFC

(16)

式中：V63累积的土壤有机质，kg/hm2；V6表示土壤保持服务功能的货币价值，元；PF为通过纯碳来计量的有机肥的价值，1.47 元/kg；C为评价区域稻田面积，hm2。

1.2.7 维持生物多样性

作为一个人工-自然复合的半自然生态系统，稻田生态系统在提供粮食产品的同时可以为动植物及土壤微生物等提供了良好的生长环境，起到维持生态平衡的作用。因此对于该指标的测算可以使用成果参照法，以谢高地等[19]得出的维持生物多样性的单位面积价值量628.2 元/hm2作为计算标准，公式为：

V7=ε1C

(17)

式中：V7表示维持生物多样性服务功能的价值；ε1单位面积该功能的价值，元/hm2；其余符号意义同前。

1.2.8 景观美学

稻田生态系统所形成的独具特点的自然景观，可以是人们通过主要映像进行娱乐和美学体验，进而从稻田生态系统中得到非物质利益[20]。对于该指标的测算以谢高地等[16]应用当量因子法估算出农田景观文化单位面积价值量8.8 元/hm2作为计算标准，代替计算稻田生态系统该部分价值，公式为：

V8=ε2C

(18)

式中：V8为稻田生态系统景观美学价值，元；ε2为景观文化的单位面积价值量，元/hm2；其余符号意义同前。

1.2.9 有害气体排放

稻田生态系统可以通过气体调节功能固定CO2，产生正面的生态价值。与此同时，该系统同样释放出CH4与N2O等有毒的温室气体，温室气体的释放给生态环境造成负担，产生负面的生态价值。对于这一指标的测算可以使用类推法[21]，通过全国范围内稻田生态系统的实际情况与湖南省做对比，推算出该部分价值，公式为：

V9=K1K2K3K4G

(19)

式中：V9表示稻田生态系统释放有害气体的价值；K1是湖南省与全国稻田种植面积的比值；K2温室气体释放对我国社会产生的影响与我国GDP的比值；K3表示CH4与N2O两种温室气体排放对气候变化的影响与所有温室气体排放对气候变化产生影响的比值；K4稻田生态系统排放N2O与CH4与这两种温室气体排放总量的比值；G表示2016年我国GDP总值。

2 湖南省稻田生态系统服务价值测算

2.1 正面生态价值计算

2.1.1 提供初级产品价值

根据调查统计结果发现，2016年湖南省水稻总产量是2 602.3 万t，水稻的市场价格平均在2.8 元/kg，根据我国农作物秸秆折算比，2016年我国水稻秸秆总产量为4 400 万t，水稻秸秆的市场价格平均在0.4 元/kg[22]，通过(1)式可以计算出2016年湖南省水稻生态系统提供初级产品功能的总价值为904.64 亿元。

2.1.2 气体调节价值

通过式(4)得到2016年湖南省稻田在CO2固定方面贡献35.02 亿元，通过碳税法得到的价值是54.94 亿元而造林成本法得到的价值是15.09 亿元。通过式(7)得到2016年湖南省稻田释放O2价值为58.29 亿元，通过制氧工业法得到的价值是61.93亿元，通过造林成本法得到结果54.65 亿元。通过式(8)得到2016年湖南省稻田吸收粉尘、SO2、HF和NOx等所创造价值为2.17 亿元。式(9)得到气体调节服务功能的总价值为95.48 亿元。

2.1.3 气候调节价值

2016年湖南省乡村户籍数为5 130.99 万户，2016年湖南省乡村居民生活用电为0.59 元/kWh。因此根据式(10)得到气候调节功能价值约为70.84 亿元。

2.1.4 涵养水源价值

土壤的种类对稻田的渗水量有重要的影响，本文利用6 mm/d作为入渗量来进行计算[23]，2016年湖南省稻田种植面积408.55 万hm2[13]。2016年，水稻水下生长天数100 d左右，根据2016年湖南省水的市场标准2.5 元/m3。通过式(11)得出涵养水源功能价值为612.83 亿元。

2.1.5 水质净化价值

稻田生态系统对生化需氧量与化学需氧量(以下简称BOD与COD)的去除率分别约为4%～17%以及4%～16%[24]。通过灌溉水量与不同污染物质流入与流出浓度的差值的乘积，可以得到污染的总量，再将得到的污染总量取平均，分别可以得出每公顷BOD与COD的去除量分别为：BOD为 17.07 kg/hm2，COD为26.34 kg/hm2。稻田生态系统水质净化的价值可以通过BOD的去除量来估算，BOD的去除单价为处理成本人民币约47.5 元/kg(台币218.7元)[24]。这样经计算可以得出，湖南省稻田生态系统的水质净化功能约为33.13 亿元。

2.1.6 土壤保持价值

水稻秸秆的生物量年际变化波动不大，根据马占云等[25]的研究，约为5 910 kg/hm2，假设根冠比为0.2，根系生物量为1 182 kg/hm2。根据式(13)计算出土壤有机质总的输入量为3 280 kg/hm2。稻田CO2和CH4的排放量分别为6 189，388 kg/hm2。根据式(14)与(15)分别计算出2016年湖南省稻田平均土壤有机质输出与累积量分别为1 962，1 318 kg/hm2。根据式(16)计算出湖南省稻田生态系统土壤保持总价值为38.68 亿元。

2.1.7 维持生物多样性价值

根据式(17)计算出2016年湖南省稻田维持生物多样性总价值为25.67 亿元。

2.1.8 景观美学价值

2016年湖南省稻田播种总面积408.55 万hm2[22]，根据式(18)计算出湖南省2016年稻田农业生态系统景观美学总价值为0.36 亿元。

2.2 负面生态价值计算(有害气体排放价值)

根据2017年全国统计年鉴数据显示[12]，2016年湖南省稻田播种面积约占全国总播种面积3 017.6 万hm2的13.5%，2016年我国GDP为740 000 亿元，温室气体释放对我国社会产生的影响占我国GDP约5%，CH4与N2O两种温室气体占温室气体总体约30%，稻田排放的两种温室气体站总排放量的50%，根据式(19)可算出2016年湖南省稻田生态系统带来的负面价值为750 亿元。

2.3 测算结果与分析

湖南省稻田生态系统2016年生态价值统计如表1所示。由表1可知，稻田生态系统在涵养地下水源，提供初级产品和气体调节等方面具有重大的生态价值。

表1 2016年湖南省稻田生态系统生态价值统计表

根据表1所示，正面生态价值中提供初级产品以2.21 万元/hm2，总价值904.65亿元占总体50.78%居所有服务功能的首位，根据2017年全国统计年鉴数据资料显示，湖南省水稻种植面积以408.55 万hm2居我国首位，因此湖南稻田生态系统可以提供较多的生产功能价值。涵养水源价值以1.5 万元/hm2元占第二位，此项价值与湖南省地理位置有关，湖南省地处长江中游地区，常年雨量充沛，水资源丰富，所以稻田生态系统可以贡献较多的涵养水源效益，假设研究区为常年干旱的省份地区，涵养水源价值可能较低或为零。景观美学占比最小，其生态价值仅为100 元/hm2。由于湖南省水稻种植面积较大，稻田中植被覆盖度较高，光合作用明显，因此气体调节功能的效益也十分明显。气候调节、土壤保持、消纳废弃物、维持生物多样性四项功能贡献较低分别为0.17、0.09、0.08、0.06 万元/hm2，四项服务功能价值之和占生态服务总价值的9.45%。景观美学价值最小，仅为100 元/hm2，仅占总服务价值的0.02%，对湖南省整个稻田生态系统的服务价值影响较小。就负面生态价值而言，有害气体排放的生态价值为1.83 万元/hm2。湖南省稻田生态系统正面生态价值是其负面价值的2.4倍。这充分说明了稻田生态系统作为一个复杂的人工湿地生态系统，其生态功能对区域环境服务起到很重要的影响。

图2 各项正面价值生态服务占比图

3 讨 论

(1)通过对2016年湖南省稻田生态系统服务价值评价结果，与2015年荆州市[1]、2014年江西省万载县[26]、2006年浙江省[7]等研究的稻田生态系统服务价值评价进行对比。主要是从两个方面进行对比分析：①不同研究区生态服务功能不同，提供初级产品、气体调节、气候调节等这项功能为普遍均进行评价的几项功能。在本研究中没有对维持养分循环、蓄水防洪、社会保障等功能进行评价。分析主要原因为：水稻田中土壤的物化性质对维持养分循环功能产生较大的影响，同时会影响这一功能的价值，蓄水防洪与社会保障由于采集数据的困难较大并且社会保障功能具有较大的不确定性，因此本研究也没有对其进行评价。相对于本研究而言，有的研究在评价中没有涉及到涵养水源这一功能，考虑到北方地区受不同地理条件影响会出现干旱少雨、水资源短缺的可能，因此就不存在涵养水源这一服务功能。②不同研究区生态服务价值的评价结果不同。本研究中，价值最高的前三项生态服务分别为提供初级产品、涵养水源、气体调节。2015年荆州市价值最高的前三项生态服务分别为气体调节、农产品生产以及维持生物多样性。2014年江西省万载县价值最高的三项生态服务为生产粮食、消纳废弃物、肥力维持。2006年浙江省稻田生态系统价值最高的三项生态服务为净化空气、提供初级产品、气体调节。分析主要原因为：2016年湖南省稻田播种面积居我国首位，由于提供初级产品功能的价值主要受市场价格与稻田种植面积控制。因此，针对湖南省而言，最大面积的稻田决定了该项功能的价值贡献最大。对于涵养水源功能，湖南省多年平均降水量在1 200～1 700 mm之间,雨量充沛,属我国降水较丰富省份之一。丰富的降水量使得水稻更好的生长环境，保证了水下生长天数。因此，相对其他功能而言，涵养水源功能也提供了较大的生态价值。气体调节功能主要受水稻产量影响，稻田播种面积对水稻产量有直接影响。因此，湖南省得益于稻田播种面积在全国各省份最大，湖南省稻田生态系统气体调节功能也贡献了较大的生态价值。全国不同地区因地理位置、气候条件等因素影响，根据已有的研究成果，使用同一种方法在不同地区评估的同一种指标的误差大小不同。因此，想要更为准确的评估稻田生态系统的生态价值需要建立更科学、更合理的评价指标与方法体系。另外，现阶段的研究中，仍无法实现动态化的评估，这是需要在未来研究中进行深入的探索。

(2)本研究针对稻田生态系统的8项正面价值生态服务功能的经济价值进行了评估，事实上稻田生态系统是一个十分复杂的系统，因现阶段研究的局限性，很多外部性功能仍不能被确定。同时，稻田生态系统还有许多服务功能已经被确定，但是因其功能产品无法在市场上进行交换，所有很难以货币经济的角度对其价值能行量化。尽管用货币去衡量稻田生态系统服务价值评价并不被所有研究者认同，但是作为一种估算，货币量化可以是人们对其价值量的大小有更直观的感知。

(3)稻田生态系统服务价值有正负之分，由于负面服务功能产生机理等方面因素的影响难以确定。本文结合湖南省稻田生态系统的特点，评估了其8项正面生态价值，而对于负面生态价值，仅针对到稻田生态系统的有害气体排放这一项指标进行了评估，对稻田生态系统产生负面生态价值的评估存在一定的局限性，在稻田生态系统服务价值的综合评价方面还不够完善，需要今后进一步探索与完善。通过对正负价值的对比研究可以更加直观的了解稻田生态系统服务价值对人类生活的影响。

4 结 语

本研究表明2016年湖南省稻田生态系统服务总价值为1 031.63 亿元，相当于全国GDP的3.27%，其中为水稻生态系统经济价值904.64 亿元，生态服务功能价值量为经济价值量的1.14 倍。对2016年湖南省稻田生态系统正面服务价值各部分进行排序，可以发现：提供初级产品(50.78%)>涵养水源(34.40%)>气体调节(5.36%)>气候调节(3.98%)>土壤保持(2.17%)>消纳废弃物(1.86%)>维持生物多样性(1.44%)>景观美学(0.02%)。2016年湖南省稻田生态系统负面价值为1.83 万元/hm2，为正面价值的42%。作为我国产粮大省，通过研究湖南省稻田生态系统服务价值的研究，提高了对稻田生态系统的认识，同时为高效利用稻田生态系统自然资源及现代农业可持续发展产生积极的影响。

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