广西稻田生态系统服务价值评估及其时空演变特征

蒋琳莉，黄好钦，何苏榕，熊 娜，望飞勇

(1.五邑大学经济管理学院，广东 江门 529020；2.广西民族大学管理学院，南宁 530006；3.广西农业科学院园艺研究所，南宁 530007)

【研究意义】粮食安全与生态平衡是稻田生态系统服务价值的核心内涵。在传统生产模式下，水稻产量的提升通常伴随着化肥、农药和农膜等化学投入品的大量使用，稻田面源污染不断加剧，甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和二氧化碳(CO2)等农业温室气体过量排放，进而导致稻田生态效益不断减弱，并在一定程度上加快全球气候变暖进程[1]。广西是水稻主产省份之一，稻田生态环境污染时有发生，稻田生态系统服务价值波动较大[2]。鉴于此，有效评估广西稻田生态系统服务价值的变化情况，对政府部门推进农业绿色发展以维护粮食安全和生态平衡具有重要意义。【前人研究进展】稻田是一种人工湿地生态系统，其服务价值可划分为经济服务价值、文化服务价值和生态服务价值[3-5]，其中，经济服务价值表现为生产初级产品(稻谷和秸秆)，文化服务价值是指稻田生态系统带给人类的景观文化价值，生态服务价值包括气体调节、气候调节、涵养水源、水质净化、土壤保持和维持生物多样性方面的价值。但水稻植株生长特性及传统水稻种植模式产生的污染，也会引起稻田生态系统产生负面生态服务价值，分别为温室气体排放和农用化学品污染[4，6]。同时，稻田生态效益具有外部特征，而稻田生态服务交易市场尚未建立，无法通过市场交易价格直接评估其价值[7-8]，已有研究主要通过市场价值法、替代成本法和成果参照法等方法评估稻田生态系统的服务价值[9-11]。在生态系统服务价值量方面，郑春利等[12]评价以景观文化价值为核心的元阳梯田景区稻田生态价值为1.79亿元，Yosihiro[13]测算日本稻田生态系统调节功能总量约728亿美元。部分学者也评估了稻田负面生态服务价值，如刘利花等[6]评估苏州市稻田正面生态服务价值总量为68.49亿元，负面生态服务价值为7.7亿元，薛宝林等[14]测算湖南省稻田生态系统服务净价值为2.47万元/hm2，负面生态服务价值为1.83万元/hm2。在生态系统服务价值量的时空演变特征方面，相关学者对农田、草原和森林等各类农业生态系统进行了研究，如熊文等[15]研究指出，2010—2020年长江经济带重点区域农田生态系统服务价值量呈现明显的增长趋势，穆松林[16]研究认为，1982—2014年内蒙古全区温带草原生态系统服务价值在空间分布上由东北向西南逐渐降低，杨青和刘耕源[17]研究表明，2012年京津冀森林生态系统各类服务价值空间分布格局呈现西北高、东南低的特征。【本研究切入点】目前，全面揭示广西稻田生态系统服务价值时空动态变化过程的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】利用广西区级层面数据，评估2011—2020年广西全区稻田生态系统服务价值量，揭示近十年来各类服务价值量的变化趋势；利用广西市级层面数据，评估2011—2019年广西14个地级市稻田生态系统服务价值的时空演变特征，以及各类生态服务价值的空间分布格局，以期为广西各地政府制定稻田生态环境保护相关政策提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

选取广西稻田生态系统经济文化服务价值(产生初级产品和景观文化)和生态服务价值(气体调节、气候调节、涵养水源、水质净化、土壤保持和维持生物多样性6项正面价值，以及温室气体排放和农用化学品污染2项负面价值)[3-5]，采用市场价值法、替代成本法和成果参照法等评估广西稻田生态系统服务价值[9-11]。

广西水稻种植面积和稻谷产量的基础统计数据来源于2011—2020年广西统计年鉴、各地级市统计年鉴及国民经济和社会发展统计公报；水稻价格来源于国家发展和改革委员会；早稻、中稻和晚稻生长周期及非水淹期天数来源于广西农业科学院水稻研究所；针对部分年份秸秆价格、农用水价格和有机肥价格等相关数据缺失的问题，本研究采用2011—2020年广西全区消费者价格指数估算结果作为对应年份的数据指标；碳税率、农用电价格和污水处理市场价格等数据来源于相关网站。

1.2 服务价值及其测算方法

1.2.1 经济文化服务价值 经济文化服务价值(V1)是稻田生产初级产品的经济价值与景观文化服务价值之和[3]。稻田生态系统生产的初级产品包括稻谷和秸秆，其中稻谷是人类的粮食来源，秸秆可作为造纸、纤维制品和动物饲料原料等，具有一定经济价值[18]。同时，广西以稻田为基础的民族文化、独特的稻田自然景观(如桂林龙脊梯田、柳州苗寨梯田和靖西巴泽梯田等)能带给人们美学感受等非物质价值。稻田生产初级产品的经济价值(V11)采用市场价值法计算[6]，景观文化服务价值(V12)采用成果参照法进行测算，以单位面积景观文化价值量[19]作为计算标准。

1.2.2 正面生态服务价值 (1)气体调节。稻田生态系统气体调节价值(V2)为固定CO2、释放O2和吸收有害气体价值的总和，参考薛宝林等[14]的方法进行测算。其中，固定CO2的价值取瑞典碳税法和造林成本法计算结果的平均值(V21)；释放O2的价值取制氧工业成本法和造林成本法计算结果的平均值(V22)；吸收有害气体的价值(V23)包括吸收粉尘、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和氟化氢(HF)。

(2)气候调节。在夏季，水稻植株的蒸腾作用和稻田的水分蒸发均会吸收周围环境的热量，降低周围空气的温度，缓解“热岛效应”[20]。气候调节价值(V3)可用农村居民节约使用空调的效益来衡量[21]。

(3)涵养水源。在水稻生长过程中，其根系大部分时间被水层覆盖，体现了稻田良好的保水性。稻田涵养水源价值(V4)参考胡晓燕[4]的测算方法，以土壤中渗入的水量乘以农用水的价格替代。

(4)水质净化。稻田生态系统对污水的处理不仅有吸附和沉降物理净化过程，还有氧化和还原分解化学净化过程[22]，稻田水质净化价值(V5)参考李松[23]的测算方法，以农村生活污水的净化成本替代。

(5)土壤保持。稻田生态系统具有拦截泥沙、防止土壤侵蚀及增加土壤有机质等土壤保持功能[24]，该功能价值(V6)参考肖玉和谢高地[25]的测算方法，以土壤有机质输入量(V61)和输出量(V62)的差值乘以有机肥的市场价格来衡量。稻田土壤有机质主要来源于水稻根系的沉析作用和水稻收割后残留稻田的秸秆。同时，水稻与土壤微生物均会消耗土壤有机质，其消耗量主要通过二者的CO2和CH4排放量计算。

(6)维持生物多样性。稻田作为人工湿地生态系统，不仅向人类提供粮食，同时也是植物、动物和土壤微生物等赖以生存的生态环境。该项服务价值(V7)采用成果参照法进行测算，以单位面积维持生物多样性价值量作为计算标准[19]。

1.2.3 负面生态服务价值 (1)温室气体排放。稻田生态系统向大气排放的温室气体主要包括CH4、N2O和CO2。本研究将稻田生态系统排放的CH4和N2O负面价值统一折算为排放CO2的负面价值，即1.00 kg CH4与24.50 kg CO2所产生的温室效应相同，1.00 kg N2O与320.00 kg CO2所产生的温室效应相同[6]。稻田温室气体排放的负面价值(V8)参考刘利花等[6]的方法测算，取瑞典碳税法和造林成本法计算结果的平均值。

(2)农用化学品污染。水稻在种植过程中使用化学肥料易造成周边水体富营养化，农药的施用可能导致土壤与空气污染，同时危及稻田生态系统的生物多样性，该项负面价值(V9)参考刘利花等[6]的方法，以农用化学品造成的污染成本乘以水稻种植面积进行测算。

1.3 统计分析

采用Excel 2019进行广西稻田生态系统服务价值数据测算与评估，以ArcGIS 10.2绘制广西稻田生态服务价值的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 广西稻田生态系统服务价值的时间变化趋势

2.1.1 各类服务价值总量的时间变化趋势 从图1-A可看出，在2011—2020年，广西稻田生态系统服务价值总量呈先升高后降低再升高的变化趋势。其中，2011年的服务价值总量为488.52亿元，2020年为568.17亿元，上升16.30%，数值变化不明显；2011—2014年为服务价值总量增长时期，从488.52亿元上升至629.62亿元，增长28.88%；2014—2019年为服务价值总量下降时期，从629.62亿元下降至546.78亿元，下降13.16%；2020年服务价值总量较2019年略有增长，为568.17亿元。在2011—2020年，经济文化价值的变化趋势与服务价值总量的变化趋势基本一致，从256.48亿元上升至284.08亿元，增长10.76%。具体而言，经济文化价值由2011年的256.48亿元上升至2014年的342.02亿元，增长33.35%；随后下降至2019年的276.06亿元，最后又回升至2020年的284.08亿元。在2011—2020年，生态净价值(正面生态服务价值与负面生态服务价值之差)总体上保持稳定，但也存在一定幅度的波动。其中，2011—2012年为生态净价值增长时期，从232.04亿元上升至最大值306.54亿元，增长32.11%；2013—2020年为生态净价值稳定时期，均值为277.57亿元。

2.1.2 各类生态服务价值的时间变化趋势 从图1-B可看出，2011—2020年广西稻田生态系统正面生态服务价值的变化趋势与生态净价值的变化趋势基本一致。其中，2011—2012年正面生态服务价值从最小值370.76亿元上升至最大值448.00亿元，增长20.83%；2013—2020年正面生态服务价值较稳定，均值为420.78亿元；2011—2020年负面生态服务价值持续保持稳定，均值为142.59亿元。

C：实线对应左侧纵坐标轴，虚线对应右侧纵坐标轴C：The solid lines corresponded to the left vertical axis，and the dotted lines corresponded to the right vertical axis图1 2011—2020年广西稻田生态系统服务价值的变化趋势Fig.1 Change trend of paddy field ecosystem service value in Guangxi from 2011 to 2020

从图1-C可看出，2011—2020年广西稻田生态系统正面生态服务功能中水质净化的价值位于6项正面生态服务价值首位，但其数值波动较明显。其中，2011—2012年水质净化价值由最小值156.95亿元上升至最大值225.75亿元，增长43.84%；2012—2016年水质净化价值总体上呈下降趋势，由225.75亿元下降至179.08亿元，降低20.67%；2016—2020年水质净化价值呈上升趋势，由179.08亿元上升至195.64亿元，增长9.25%。2011—2020年涵养水源价值、气体调节价值、土壤保持价值、维持生物多样性价值和气候调节价值均保持稳定，均值依次为131.15亿、35.62亿、33.84亿、15.97亿和6.59亿元。

从图1-D可看出，2011—2018年为广西稻田生态系统温室气体排放负面价值稳定时期，均值为130.86亿元，而2018—2020年略有上升，由128.85亿元上升至138.05亿元，增长7.14%。同时，2011—2020年农用化学品污染负面价值保持稳定，数值波动不明显，均值为11.73亿元。

2.2 广西稻田生态系统服务价值的时空演变特征

2.2.1 服务价值总量和生态服务价值的时空演变特征 (1)服务价值总量的时空演变特征 由图2-A和图2-B可知，2011—2015年广西稻田生态系统服务价值总量的空间集聚程度明显增强；服务价值总量的空间格局呈由桂东南的玉林市向外降低的阶梯状分布，逐渐演变为南北地区较高、东西地区(以贺州市、百色市、来宾市为主)较低的分布特征；在桂东北和桂东南表现出Ⅱ级区域向西收缩、Ⅲ级区域向西扩张的空间演变过程，其中，桂东北柳州市、桂林市和桂东南梧州市服务价值总量的空间演变过程由Ⅱ级区域转变为Ⅲ级区域，服务价值总量有所提高。而在桂南地区，服务价值总量的空间演变过程由Ⅳ级区域全部转变为Ⅴ级区域，主要集聚在南宁市、贵港市和玉林市，服务价值总量居于全区前三位。2015—2019年广西稻田生态系统服务价值总量的空间集聚程度逐步减弱，其空间分布格局逐渐转变为以南宁市为中心向四周递减的阶梯状分布(图2-B，2-C)。其中，Ⅱ级区域向桂北和桂东城市蔓延，桂北地区的柳州市、桂林市和桂东地区的梧州市由Ⅲ级区域再次转变为Ⅱ级区域，服务价值总量有所降低。同时，桂南地区的贵港市和玉林市由Ⅴ级区域转变为Ⅳ级区域。从总体上看，2011—2019年广西稻田生态系统服务价值总量以百色市、来宾市和梧州市为分界线，包括上述3个城市在内的桂北地区服务价值总量的空间分布格局基本保持不变，均为Ⅱ级区域，且占比达42.86%；在分界线以南，服务价值总量中心由东南边界城市玉林市转移至中心城市南宁市，形成了以南宁市为中心向四周递减的阶梯状分布格局。可见，近十年来广西稻田生态系统服务价值总量的空间分布格局基本上保持南高北低的态势，其中心在桂南地区的城市间转移。

(2)生态服务净价值的时空演变特征 从图2D～F可看出，2011—2015年广西稻田生态系统生态服务净价值基本保持南高北低的态势，桂南Ⅴ级区域增多，桂北Ⅲ级区域增多，但仍以Ⅱ级区域为主；在桂南地区，Ⅲ级区域和Ⅳ级区域均转变为Ⅴ级区域，主要集聚在南宁市、贵港市和玉林市，且呈现连片分布；桂北边缘地区生态服务净价值由Ⅱ级区域连片分布逐步演变为自东向西从Ⅲ级区域至Ⅰ级区域逐级递减的阶梯状分布；2015—2019年桂北Ⅱ级区域以河池市为中心向东西两侧扩张，其西侧的百色市由Ⅰ级区域升为Ⅱ级区域，其东侧的柳州市和桂林市由Ⅲ级区域降为Ⅱ级区域，最终形成Ⅱ级区域连片分布的空间特征；在桂南地区，贵港市和玉林市均由Ⅴ级区域降为Ⅳ级区域，南宁市成为广西全区唯一的Ⅴ级区域。从总体上看，在2011—2019年广西稻田生态服务净价值的空间分布格局中，桂北地区格局基本保持不变，以Ⅱ级区域连片分布为主，占总城市数的50%；在桂南地区，生态净价值中心由玉林市向西北迁移至南宁市，形成以南宁市为中心向四周逐级递减的空间分布特征。

(3)负面生态服务价值的时空演变特征 从图2-G和图2-H还可看出，2011—2015年广西稻田生态系统负面生态服务价值基本保持南高北低的态势，桂北Ⅲ级区域有所增加，桂南Ⅳ级区域分别向Ⅲ级区域和Ⅴ级区域转变。其中，Ⅲ级区域自南向北扩展，形成南北一线的空间分布特征，城市数量增加至4个，分别为钦州市、贵港市、柳州市和桂林市；Ⅱ级区域以梧州市、来宾市和河池市为主，形成东西一线的空间分布格局。同时，在桂南地区的贵港市由Ⅳ级区域降为Ⅲ级区域，而南宁市由Ⅳ级区域升至Ⅴ级区域，负面生态服务价值总体上呈现南高北低的分布特征。2015—2019年桂北边缘城市柳州市和桂林市由Ⅲ级区域降为Ⅱ级区域(图2-H，2-I)，使桂北地区Ⅱ级区域呈现连片分布的空间特征；桂南地区Ⅳ级区域向北蔓延，其中贵港市由Ⅲ级区域转变为Ⅳ级区域。综上所述，2011—2019年广西稻田生态系统负面生态服务价值的时空演变呈现周期性变化特征，2019年负面生态服务价值的空间分布格局与2011年基本一致。

图2 2011—2019年广西稻田生态系统服务价值的时空演变特征Fig.2 Spatial-temporal evolution characteristics of paddy field ecosystem service value in Guangxi from 2011 to 2019

2.2.2 各类生态服务价值的空间分布格局 (1)正面生态服务价值的空间分布格局 由图3A～F可知，涵养水源价值与水质净化价值在2019年广西稻田生态系统的正面生态服务价值中占据主导地位，主要分布在桂东南和桂北地区，在其他区域分布相对较少。其中，涵养水源价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市、钦州市及桂北地区的桂林市，价值量分别为20.01亿、17.20亿、15.54亿、10.43亿和16.47亿元，合计占涵养水源价值总量的60.05%；水质净化价值空间分布特征与涵养水源价值的空间分布特征较一致，其价值量也主要分布于上述5个地级市，分别为29.18亿、25.05亿、22.63亿、15.18亿和23.84亿元，合计占水质净化价值总量的60.05%。其余4项正面生态服务价值量相对较小，但其空间分布仍以桂南地区为主。其中，气体调节价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市及桂北地区的桂林市，价值量分别为5.26亿、5.09亿、4.36亿和4.82亿元，合计占气体调节价值总量的54.00%；气候调节价值主要分布在桂南地区的贵港市、钦州市、玉林市、南宁市，桂西地区的百色市，以及桂北地区的桂林市，价值量分别为1.04亿、0.59亿、0.52亿、0.51亿、0.51亿和0.60亿元，合计占气候调节价值总量的71.70%；土壤保持价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市及桂北地区的桂林市，价值量分别为5.22亿、4.46亿、4.03亿和4.16亿元，合计占土壤保持价值总量的52.17%；维持生物多样性价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市及桂北地区的桂林市，价值量分别为2.44亿、2.10亿、1.89亿和2.00亿元，合计占维持生物多样性价值总量的52.18%。

(2)负面生态服务价值的空间分布格局 在2项负面生态服务价值中，温室气体排放是主要来源，农用化学品污染价值量占比相对较少。其中，温室气体排放负面价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市及桂北地区的桂林市，价值量分别为19.96亿、17.16亿、15.50亿和16.44亿元，合计占温室气体排放负面价值总量的52.19%；农用化学品污染负面价值主要分布在桂南地区的南宁市、玉林市、贵港市、钦州市及桂北地区的桂林市，价值量分别为1.73亿、1.68亿、1.44亿、0.92亿和1.59亿元，合计占农用化学品污染负面价值总量的61.90%(图3-G，3-H)。

图3 2019年广西稻田生态系统服务价值的正面与负面生态服务价值Fig.3 Positive and negative ecological service value of paddy field ecosystem in Guangxi in 2019

3 讨 论

在稻田生态系统服务价值评估方面，刘利花等[6]评估的是2012年苏州市稻田生态系统服务价值，薛宝林等[13]评估的是2020年湖南省稻田生态系统服务价值，涉及的均是单一区域和单一年度，而本研究在评估区域上涵盖了广西区级和市级2个空间层面，且时间跨度长达10年，能更全面地揭示稻田生态系统服务价值的时空变化特征。在西部地区，2008—2017年新疆农田生态系统服务价值总量呈先升高再略微下降的变化趋势[26]；在中部地区，2010—2020年湖南省农田生态系统服务价值总量呈现显著增长趋势[14]；在东部地区，2005—2015年山东省聊城市农田生态系统服务价值总量持续增长[27]。结合本研究2011—2020年广西全区稻田生态系统服务价值总量变化不明显，但总体上呈先升高后降低再升高变化趋势的分析结果可发现，针对全国各区域农田生态系统服务价值总量变化趋势的研究结果较一致，均认为随着时间的变化，农田生态系统服务价值总量总体上保持上升趋势，表明近年来我国农田生态修复与保护工程取得了较好成效。

本研究结果显示，2011—2019年广西稻田生态系统服务价值主要集中在桂南地区，且呈现南高北低的空间分布格局，应与桂南地区的南宁市、玉林市、钦州市和贵港市等均为广西水稻产区，其中南宁盆地、玉林盆地和贵港以西的郁江平原均为水稻生长的气候适宜区有关。诸多学者对草原、森林和流域等各类农业生态系统服务价值空间分布特征的研究结果表明，1982—2014年内蒙古全区温带草原生态系统服务价值呈现由东北向西南逐渐降低的空间分布特征[16]，2012年京津冀森林生态系统各类服务价值呈现西北高、东南低的空间分布特征[17]，2005—2013年鄱阳湖流域生态服务价值空间分布不均衡，其中鄱阳湖及附近区域的生态服务价值远高于其他地区[28]。以上研究结果表明，不同农业生态系统的服务价值空间分布格局具有差异性。其原因主要在于农业生态系统类型受到地理与气候因素的影响，且其所包含的动植物和农业生产活动存在差异。本研究还发现，2019年广西稻田生态系统的正面和负面生态服务价值呈现南北高、东西低的空间分布特征，与熊娜等[29]研究得出广西水稻秸秆资源主要分布在其南、北地区的空间格局基本一致，均显示广西稻田生态系统的空间分布以桂南与桂北地区为主，说明本研究结论具有一定的合理性，可为广西各地政府部门保护稻田生态环境、维护粮食产量安全和农业生态平衡提供决策参考。

目前，广西正在逐步推广间歇灌溉、绿肥种植和生物农药施用等水稻绿色生产技术[30]。受限于数据的可获得性，本研究忽略了水稻绿色生产技术在降低水稻温室气体排放量及减轻农用化学品污染方面的贡献。针对以上不足，在未来的研究中将进一步完善稻田生态系统服务价值的指标体系构建，并通过大田试验数据精确评估各项水稻绿色生产技术对稻田生态系统服务价值的提升效果。

4 结 论

2011—2020年广西稻田生态系统服务价值总量变化不明显，但总体上呈先升高后降低再升高的变化趋势；在其时空演变进程中，桂北地区稻田生态服务价值的空间分布格局基本保持不变，桂南地区稻田生态服务价值总量中心由东南边界的玉林市转移至中心城市南宁市，形成以南宁市为中心向四周递减的阶梯状分布格局；2019年广西稻田生态系统的正面和负面生态服务价值主要分布在桂南和桂北地区，形成南北高、东西低的空间分布格局。