黄淮海地区农业生态系统服务动态评测研究

◎卢紫冰

一、引言

随着全球城市化的快速发展，农业生态系统服务的多功能性逐渐得到了空前的重视。 “生态系统服务” 是著名生态学家P.Ehrlich于1972年研究生物多样性减少对于生态系统服务影响时首次提出来的名词，指人类通过生态系统直接或间接获取到的有关生存与发展的所有福利。 其包含内容丰富，不仅指生态系统的支持服务功能包括循环、调节、再生等，且随着研究的深入，多数学者主张把生态系统提供的产品生产功能并入生态系统服务当中。 然而在以经济利益为导向、 农业要素配置为核心的农业生产经营活动中，由于忽视生态系统的可承受范围，经济社会发展对生态资源的过度开发利用导致农业生态系统服务功能遭到不同程度的破坏，生态系统呈现由结构性破坏向功能性紊乱方向发展的趋势，对我国农业生态安全造成严重威胁。 随着对生态领域研究的不断深入，关于农业生态系统服务的研究也逐渐成熟，其测评方法也趋于完善。 生态系统服务旨在用可以计算的价值形式表达生态系统所提供的产品和服务，以便在社会交易过程中量化处理， 为生态系统的管理政策提供便利。 因而，生态系统服务的研究已经成为国内外的研究热点。

基于此，本文通过对黄淮海地区农业生态系统服务功能及其价值评估研究, 并采用类比手法定量分析农业生态系统正、负向服务功能,从而深入地了解黄淮海地区农业生态系统各功能生态过程及其结构规律，以期为农业资源的可持续利用提供决策依据，对于未来黄淮海地区农业发展和生态环境改善具有重要意义。

二、 研究地区与数据来源

（一）研究区域概况

黄淮海平原是我国的主要平原之一， 也是我国重要的粮食生产功能区之一。 其地处中国东部沿海地区，主要位于114°E~121°E、32°N~40°N，西倚太行山，东临渤海，地势西高东低，但总体较为平坦，最高海拔仅为100m左右。平原整体属于亚热带湿润气候、暖温带湿润或半湿润气候，夏季明显高温多雨，降水量充沛，冬、春季降水量少，年平均降水量随纬度的增加而递减。

（二）数据来源

本研究整理了国内外农业生态系统服务功能，结合黄淮海地区农业生态系统的实际情况，构建了由固碳释氧、水源涵养组成的正向生态系统服务和由化肥污染、农药污染、水资源消耗为主的负向生态系统服务。 通过对黄淮海地区农业资源现状等相关调查结果的定量分析，以深入了解该地区农业生态系统各功能生态过程及其结构规律。 不同指标数据采用了国家统计局的资料， 时间范围为1991-2019年，并对早期时间间隔大间距处理，重点关注近10年的农业生态系统服务价值变化。

图1 黄淮海地区农业生态系统服务框架图

三、 测算与分析

（一）正向生态系统服务

农业生态系统作为自然生态系统的主体，为社会生态环境提供固碳释氧净化空气的生态系统服务。 众所周知，农作物在自然生长过程中伴随着光合作用与空气进行氧气和二氧化碳的交换，由光合作用的方程式（CO+HO→CHO+O） 可知植物每产生1Kg的干物质可以固定CO1.63Kg，释放O1.19Kg，使用中国造林成本法估算黄淮海地区农业生态系统固定的CO的价值和释放O的价值，其成本依次为260.90元/吨、352.93元/吨。

其中，Vc、Vo分别代表二氧化碳和氧气的排放成本，a代表农业类型用地总面积，b代表农业类型用地的净初级生产能力（5.763吨/公顷年），Pc、Po分别代表单位固碳价格和单位释氧价格。

水源涵养作为生态系统水文调节服务主要表现形式， 其对于农业生态系统正向服务价值的计算方法多种多样。 在综合对比林冠截留量法、综合蓄水能力法与土壤蓄水能力法后，本研究选取土壤蓄水能力法来计算农田生态系统在一定时空范围内对水源的涵养能力。 具体公式为：

其中，Vs代表耕地水源涵养的总价值量，W、C分别代表涵养水源的物质量与蓄水成本（0.67元/m），ρ、h、p、s分别代表土壤容重（1370kg/m）、土壤厚度（0.2m）、土壤含水率（22.3%）与农田面积。

（二）负向生态系统服务

为追求农作物高产，保持土壤肥力，农户往往向农田里施用化肥，然而过渡使用导致化肥不被充分利用，生产资料浪费现象严重，且未被吸收利用的化肥对空气、 土壤、 水源等造成污染。在化肥施用过程中，挥发造成的空气污染和残留导致土壤微量元素不均衡、土壤板结，同时造成水体的富营养化等环境问题， 对生态系统造成的污染成本难以计算， 本研究利用化肥流失的成本来替代其造成的生态环境污染成本。

其中，V代表农业用地化肥污染成本，M为化肥施用量，r为化肥利用效率 （39.83%），P为化肥单价（2300元/吨）。

喷洒农药是为了在农作物生长过程中免遭病虫害灾害的防治手段，然而小农户基于风险规避特点将农药大量使用于农业生产环节，导致农药并没有被全部利用，其利用率仅为50%左右。 鉴于农药对生态带来的负面影响是多方面的，直接计算农药对于生态系统的污染成本难度较大，因而同样选择流失成本来替代其造成的环境污染成本。

其中，V为农业用地化农药染成本，M为农药施用量，r为农药利用效率 （50%），P为农药单价（22545 元/吨）。

黄淮海地区农业水资源消耗主要表现为农田灌溉设施等方面。 由于该地区地处平原，农业用地较多、农业灌溉需水量较大，导致该区域出现地下水位下降、地表水量衰减的环境问题，本研究通过测度历年的农业用水总量测算水资源消耗成本，以表征农业生态系统对水资源环境带来的负面影响。

其中，V表示农业用地的水资源消耗成本，A、W、P分别代表农田面积、单位农田的灌溉水量和水源单价， 其中分别为230mm/（m·a）、0.67元/m。

表1 黄淮海地区农业生态系统功能价值量 单位： 亿元

（三）农业生态系统服务价值的时间变化

基于以上得出的正、负向农业生态系统服务的时空分布图表， 计算出黄淮海地区在三阶段1991-2000年、2001-2010年、2011-2019年及总体1991-2019年的各项生态系统服务价值变化量与变化率，其结果见表2。 总体看来，黄淮海地区农业生态系统服务价值量由1991年的383.447亿元下降到2019年的379.127亿元，减少4.320亿元，其中正向生态系统服务价值增加11.915亿元，而负向生态系统服务价值增加16.235亿元，极大弱化了农业生态系统服务的积极作用。

1991-2000年间（第一阶段），黄淮海地区农业生态系统服务总价值增加了4.490亿元，变化率为1.17%。 其中，农业生态系统正向服务价值增加了19.147亿元，变化率为4.01%。 其中固碳释氧服务价值增加值最大为18.338亿元， 水源涵养服务价值提升率次之，仅为0.809亿元，且两者增加幅度相同。 其原因主要是：黄淮海地区在1991-2000年间第一产业带动黄淮海地区经济发展，农用地面积由49273.00千公顷提升至51249.74千公顷，其在发展过程中并未被建设用地所取代等；另一方面，农用地土壤功能稳定、植被覆盖比率较高、农作物生长状况良好，进而促使农业生态系统发挥固碳释氧功能与水源涵养功能。 农业生态系统服务负向价值增加了14.657 亿元， 增长率为15.81%， 其中化肥污染的变化量最大为9.139亿元，水资源消耗次之为3.046亿元，农药污染最少仅为2.471亿元，但就其增长率而言农药污染的增长幅度最大高达82.56%。 可以发现，随着农用地面积的扩大，水资源消耗比例在同等增加，但其化肥污染、 农药污染现象严重。 据相关研究，到1999年我国的农药施用强度高达2.33Kg／hm，其中北京施用水平为2.93Kg／hm，远超我国农药施用量平均水平。 大量的农药、化肥施用在一定程度上提高了粮食作物的产量，但对生态系统环境也带来了严重负面影响， 导致农产品品质下降、水环境营养失衡、空气质量恶化等现象，进而导致农用地土壤环境进入恶性循环的状态。

表2 1991-2019 年黄淮海地区农业功能价值演变 单位： 亿元

2001-2010年间（第二阶段），黄淮海地区农业生态系统服务总价值减少了5.801亿元， 变化率为-1.51%。 其中，农业生态系统正向服务价值增加了0.327 亿元， 农业功能服务价值提升了0.07%，固碳释氧功能服务价值与水源涵养服务价值分别为0.314亿元与0.014亿元。 在这一时期内，黄淮海地区农用地面积由50826.07千公顷提升至50859.88千公顷，基本维持不变，说明农业在此阶段发展过程中较为平稳。农业生态系统负向服务价值量增加了6.129亿元，其中化肥污染、农药污染所带来的负向生态系统服务价值共计6.068亿元， 占总负向生态系统服务价值的九成以上。

2011-2019年间（第三阶段），黄淮海地区农业生态系统服务总价值量减少了0.111亿元，变化率为-0.03%。 其中，农业生态系统正向服务价值减少了5.553亿元，相较于2011年其价值量下降了1.12%， 固碳释氧与水源涵养功能服务价值依次减少5.318亿元、0.235亿元。 随着城镇化建设的快速发展， 部分农业用地逐渐转化为建设用地，农业用地面积由2011年的51076.54 千公顷下降至2019年的50503.17千公顷， 导致涵养水源与固碳释氧功能的正向生态系统服务呈下降趋势。 说明在城市化发展过程中， 要注重发展农业经济，兼顾生态环境保护。 负向生态系统服务价值减少了5.442亿元，变化率为-0.03%。 对比前两阶段化肥污染、农药污染数据发现，现阶段化肥、农药用度情况得以改善，负向生态系统服务得以缓解。 一方面， 随着经济的发展与农民生活水平的提高，人们对于高质量农产品的需求不断上涨，越发倾向于走出城市、回归自然的休闲状态，因而多数农业用地使用过程中为满足城市居民享受原生态农田生活的心理需求，选择不使用化肥、农药这类生产要素；另一方面，在2015年农业农村部印发的 《到2020年化肥使用量零增长行动方案》要求、高标准农田建设、绿色农产品认证等监督管理办法，均有助于减少农业生产过程中对于化肥、农药等要素的依赖。

图2 1991-2019年黄淮海地区农业生态系统服务各项功能值变化趋势

1991-2019年间，黄淮海地区农业正、负向生态系统服务价值贡献分别为11.915亿元、16.235亿元。 由图2可知农业的固碳释氧功能服务与水源涵养服务功能值呈先升后降趋势，1991-2010年间两者功能值分别增加14.721亿元与0.650亿元，随后2011-2019年间两者功能值分别下降5.318亿元与0.235亿元。 可以发现固碳释氧功能在农业正向生态系统服务中具有较好的生态调节功能，但是近年来由于城市建设用地的不断扩张， 农业用地面积遭受挤压， 农业光合作用产生干物质量减少，导致农业固碳释氧功能值在后期明显减少。因此为进一步激励农业生态系统的正向服务，在城市化建设中切实保障农业用地权益， 合理利用土地资源，提高土地利用效率。从黄淮海地区负向农业生态系统服务的变化特点可以看出除了水资源消耗功能值比较稳定外，其他农业生态系统负向服务在整个研究时段内呈现先增后减趋势，其中化肥污染、农药污染在第一阶段内变化率均不低于60%，且在第二阶段内稳定增长20%左右，就负向生态系统服务价值的增加量而言，呈现以牺牲生态环境为代价来维持农业的发展的势态。但在第三阶段内，化肥污染、农药污染呈现下降趋势，产生的负面影响得以缓解。

四、 结论及讨论

本文利用生态系统服务功能价值核算方法，对黄淮海地区1991-2019年间农业生态资源的生态系统服务功能价值进行核算，并探讨该地区的农业生态系统服务价值的时空演变特征。 主要结论如下：（1） 黄淮海地区农业生态系统服务价值量 由1991 年 的383.447 亿 元 下 降 到2019 年 的379.127亿元， 其中正向生态系统服务价值增加11.915 亿元， 而负向生态系统服务价值增加16.235亿元， 弱化了农业生态系统服务的积极作用；（2）1991 -2019年间黄淮海地区的农业生态服务价值呈现“先增加、后减少、再稳定”的趋势，正向生态系统服务固碳释氧、 水源涵养的波动较小；（3）从化肥污染、农药污染来看，第一阶段增长率率均超过60%， 第二阶段内稳定增长20%左右，其产生的负向生态系统服务价值第三阶段才有所缓解。 这些研究结论为加强黄淮海平原的生态环境保护工作，促进生态环境改善和农业资源的可持续利用提供了理论依据。 在实践中应激发农业经营主体生态环境保护意识，竭力恢复原有生态屏障；依据生态系统功能价值空间异质性变化特点建立生态保护约束管制等。

受限于学科背景，本文对于农业生态系统服务价值的核算方法基本是借鉴国内外的标准，其自然层面的互惠关系并未给予充分考虑，因而难以避免因农业自然资源差异而产生的误差。 此外，考虑到数据的可获得性，本文在选取农业生态系统服务指标时仅选取了固碳释氧、 水源涵和、化肥污染、农药污染、水资源消耗五项功能，并未考虑农业给予人们的生产功能、 生活功能。因而， 未来学者可以全面综合各项功能展开研究，或是考虑从微观视角展开对黄淮海平原农户农业耕地利用方式的进行跟踪调查，以获得详实的生态系统服务数据，深析农业生态系统服务功能变化原因。