长江经济带重点区域农田生态系统服务价值评价

熊 文，幸 悦，孙 晓 玉，肖 骢，李 红 涛

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068； 2.湖北省长江水生态保护研究院，湖北 武汉 430080； 3.湖北工业大学 河湖生态修复及藻类利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068； 4.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510000； 5.武汉中科瑞华生态科技股份有限公司，湖北 武汉 430080)

0 引 言

农田生态系统是在自然资源基础上经过人工管理构成的农业生态系统中的一个亚生态系统[1]。农田生态系统是人类生存和发展的基石，为全世界提供了66%的食物供给，是重要的生态系统之一。在经济社会快速发展过程中，中国农田生态系统加速退化[2]，对生态系统服务功能与价值造成了一定影响。评估农田生态系统服务功能与价值，掌握其时空演变规律，对促进农业可持续发展和降低碳排放，推进农业高质量发展具有重大意义。

农田生态系统具有粮食产品供给、涵养水源、改善生态环境等多种服务功能[3-4]，而关于农田生态系统服务价值和生态管控体系缺乏全面认识。目前关于生态系统服务评估的研究主要集中于水生态系统服务[5-11]，而针对农田生态系统服务开展价值评估的研究相对较少。农田生态系统服务价值评估不仅是评价其潜在经济、环境效益，更需要为政府决策者在实现粮食安全和农田固碳减排双赢以及完善生态文明建设方面提升决策的科学性、针对性提供依据和建议。已有文献仅分别对湖南、重庆等省市农田生态系统服务价值进行了定量评估[12-13]，而均未根据评价结果对农田生态系统开发利用与有效保护提出建议对策。

作为农业生产重要生产要素的农田，是固碳的重要单元(碳汇)。2020年9月22日中国在第75届联合国大会一般性辩论上提出了“中国的二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和”这一目标，农田生态系统有条件在平衡国家粮食安全与碳中和中发挥更大的作用，降低生产中的碳投入，增加农田生态系统碳汇能力。因此，在保证粮食安全的基础上，结合国家粮食生产功能区和重要农产品生产保护区布局，开展农田差异化研究，分析不同地区、不同作物固碳的效益是非常必要的，在统筹考虑国家粮食安全、碳中和、生态系统功能等多种因素后，引导农户种植增加碳汇的作物来实现碳中和的目标。然而，目前有关农田生态系统固碳减排的研究鲜有报道。

长江经济带作为全国生态文明建设先行示范带，肩负着守牢全国粮食安全底线的重要任务，湖北省作为长江经济带中的重点区域，在维护粮食安全和促进农业高质量发展中起到重要作用。农田生态系统是农业发展的根本，客观科学核算评估农田生态系统服务价值，对于科学利用和有效保护农田生态系统至关重要。本研究选取长江经济带中部重点区域湖北省为研究区域，针对农田生态系统特征，选取气体调节、净化大气、水资源调节、水土调节、气候调节、生物多样性维持和农产品供给7个服务价值指标，采取造林成本法、碳税法、替代工程法和成果参照法等环境经济学评价方法，核算2010～2020年间湖北省及各市州农田生态产品价值的时空变化，与同期国民经济发展进行协调性分析[14]。同时对农田生态系统中气体调节降低碳排放促进碳中和进行分析研究，为长江经济带其他省份农田生态系统可持续发展提供数据支撑和借鉴参考，为助力实现国家“双碳”目标提供重要支撑。

1 研究区域概况

湖北省位于长江中游，域内长江干流总长1 062 km，在全国沿江各省市中位居第一。国土面积为54 168.5 km2，全省常住人数达5 775万人(2021年)[15]。湖北省的地级行政区域有武汉市、黄石市、十堰市、宜昌市、襄阳市、鄂州市、荆门市、孝感市、荆州市、黄冈市、咸宁市、随州市、恩施土家族苗族自治州、仙桃市、潜江市、天门市、神农架林区。湖北省东部连接长三角城市群，西部紧挨成渝城市群，处于承东启西的要道，是长江经济带的中心区域。湖北农业以优质粮棉油、蔬菜和水产品为主体，农林牧副渔全面发展。湖北省大部分地区为亚热带季风性气候，年均降雨量为800～1 600 mm，降水地域分布呈由南向北递减趋势，鄂西南最多达1 400～1 600 mm，鄂西北最少为800～1 000 mm。降水量呈现出明显的季节变化，一般是夏多冬少，全省夏季雨量在300～700 mm之间，冬季雨量在30～190 mm之间。6月中旬至7月中旬雨最多，强度最大，是湖北的梅雨期[15]。湖北省东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地，在湖北省总面积中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖区占20%。通过第三次国土调查公报[16]可以得知，湖北省农田面积476.86万hm2。其中，水田254.66万hm2，占53.4%；水浇地37.53万hm2，占7.8%；旱地184.7万hm2，占38.73%。农田主要分布在荆州、襄阳、荆门、黄冈和孝感等地，占全省农田的57.32%。主要粮食作物有稻谷、小麦、玉米、薯类和大豆等，以水稻为主，并且水田是广义的人工湿地生态系统，具有潜在的生态价值。

2 研究方法

2.1 农田生态产品价值的评价指标体系构建

基于Costanza等[17]及Reid等[18]的研究，在综合考虑湖北省农田生态系统特征的基础上，构建湖北省农田生态系统服务价值核算指标体系[19]，具体评级指标如表1所列。

表1 湖北省农田生态系统服务价值评价指标体系

2.2 评价方法

综合分析相关文献中各服务指标的评价方法，并根据湖北省农田生态系统的相关服务指标的属性及数据的可获得性，7个核算指标中气体调节采用造林成本法和碳税法共同进行评价，净化大气、水资源调节和水土调节选取替代工程法，气候调节和生物多样性维持选取成果参照法，农产品供给采用市场价值法进行核算。具体核算方法见表2。

表2 湖北省农田生态系统服务价值评估指标核算方法

2.3 数据来源

本研究数据来源于2010，2015年和2020年的《湖北省统计年鉴》，年降水量来源于《湖北水资源公报》，化肥含量以及价格来源于化肥产品说明以及中国化肥网。

3 结果与分析

3.1 农田生态系统服务时间变化

从湖北省农田生态系统服务价值中各服务功能价值(见表3)中可以看出，农田生态系统服务价值总量呈现出逐年增长趋势，10 a间增加了304.53亿，提高了28%，总价值量增加的主要原因是由于农产品供给价值、水资源调节价值和气体调节价值的提高，分别增加了197.12亿，46.60亿元和28.90亿元。

表3 湖北省2010～2020年农田生态系统中各服务功能价值

2010～2020年湖北省农田系统服务功能构成基本保持不变，均是农产品供给占主导地位，其次是气候调节，而其他服务总占比均小于10%。10 a间农产品供给和气候调节价值呈先增加后减少的趋势；水资源调节价值呈先减少后增加的趋势，其他服务指标价值均呈持续增加的趋势。农产品供给和气候调节价值变化与农产品年产量和其市场价格有关，2010～2020年农产品年产量呈先增长后减少的趋势(从2 631.51万t先增长到3 146.24万t，后减少到3 057.37万t)，2020年农产品年产量减少可能是与百年不遇的新冠疫情和严重的洪涝灾害等有关，疫情的肆虐与严峻的自然灾害的多重打击导致农产品的产量有所减少。水资源调节价值变化主要受年降雨量影响(2010～2020年的年降水量呈先降低后增加的趋势)。

2010～2020年各服务功能价值对湖北农田水土系统总服务价值贡献率随时间变化的波动较小(见图1)，其中农产品供给呈先增加后减少的趋势，气候调节呈持续减少的趋势，其他服务指标均呈先减少后增加的趋势。贡献率排列前三的指标分别为农产品供给(年均占比68.75%)、气体调节(年均占比22.21%)、水资源调节(年均占比4.70%)，表明农产品供给、水资源调节和气体调节是影响湖北省农田生态系统的服务价值的主要因素。主要原因是湖北省耕地面积较多，各种农作物产量较大，提供了较多的产品供给价值和气体调节价值。涵养水源价值与湖北省的地理位置有关，因为湖北省地处长江经济带，省域内常年降雨丰沛，水资源丰富，所以湖北省农田生态系统可以提供较高的涵养水源价值。

图1 2010～2020年湖北省农田生态系统服务功能价值构成比例

3.2 农田生态系统服务价值的空间分布特征

2010，2015年和2020年湖北省各市州农田生态系统服务价值量变化范围分别是0.78亿～188.68亿元、0.78亿～203.45亿元和0.80亿～217.84亿元(见表4)。襄阳市、荆门市、咸宁市、恩施州农田生态系统服务价值量在2010～2020年呈现持续增长趋势。2010～2020年农田生态系统服务价值上升最快的城市为襄阳市，增加了132.82亿元，2020年是2010年的2.66倍；上升最少的城市是神农架林区，增加了0.03亿元，2020年是2010年的1.03倍。

表4 湖北省各市、州2010～2020年农田生态系统服务价值

“十二五”期间，除潜江市、天门市和神龙架外，湖北省其他市州农田生态系统服务价值量均呈增长趋势；“十三五”期间，襄阳市、荆州市、荆门市、咸宁市、恩施州、天门市和神农架农田生态系统服务价值量呈增长趋势，其他市州均呈减少趋势。其中，黄冈市、宜昌市、荆州市、襄阳市、鄂州市、孝感市的农田生态系统服务年均价值量超过了100亿元，表明这6个城市的农业较为发达，这也与湖北省的省情相符。《湖北省第三次国土调查主要数据公报》[28]显示，耕地主要分布在荆州市、襄阳市、黄冈市和孝感市等地，占全省耕地的57.32%；最少的是神农架，农田生态系统服务价值量仅增长了0.03亿元，原因在于该区域耕地面积最少，仅占湖北省面积2.2%，主要是林地，占湖北省林地面积的90.8%。

利用ArcGIS对湖北省农田生态系统服务单位面积价值进行空间化处理，得到湖北省各市州农田生态系统服务价值量的空间分布特征。总体上来看，“十二五”期间，除宜昌市、潜江市、天门市以外，湖北省其他各市州农田生态系统服务单位面积价值均呈增长趋势；“十三五”期间，襄阳市、荆州市、荆门市、咸宁市农田生态系统服务单位面积价值呈增长趋势，其他市州均呈减少趋势。从图2中可以看到，湖北省农田生态系统服务单位面积价值整体呈现出从东到西逐步减少的趋势。通过相关性计算可知，各市州农田生态系统服务单位面积价值与农产品供给(3 a相关性分别为0.32，0.35和0.32)和气体调节价值(3 a相关性分别为0.39，0.40和0.32)具有一定的相关性。由前面分析可知，农产品供给和气体调节价值受农产品年产量及年降雨量影响，农产品的年产量(200万t以上)和年降雨量(1 300 mm以上)较高的城市主要分布在湖北省的中东部，导致湖北省农田生态系统服务单位面积价值整体呈中东部高，西部低的趋势。

图2 湖北各市州单位面积农田生态系统服务价值空间分布(万元/hm2)

不同年份湖北省单位面积农田生态产品价值的最大值与最小值的城市有所不同，2010年分别是鄂州市(40.21万元/hm2)和荆门市(0.81万元/hm2)，2015年分别是鄂州市(41.72万元/hm2)和荆门市(0.88万元/hm2)，2020年分别是是仙桃市(3.27万元/hm2)和神农架(1.11万元/hm2)，说明在经济发展过程中，湖北省各市州对农田生态系统的保护力度有所差距，各市州间发展速度差距仍然较大，发展不平衡。

3.3 农田生态系统服务价值与GDP的协调性分析

通过比较分析湖北省各市州的农田生态系统服务价值与各市州的GDP，有助于解决农田生态协同平衡发展，有利于地区的社会-经济-生态平衡发展，同时根据GDP与农田生态产品价值两个指标的协调性来评估该地区的生态文明的建设效果，可为相关部门将农田生态考核纳入国民经济考核体系提供建议。根据文献[14]归纳总结的具体评价方法见表5。

表5 生态系统服务价值与GDP发展模式

由表6可知，2010～2020年全省农田生态系统服务总价值与GDP一直同步增长，从整体上来看，湖北省的社会经济与生态保护协调发展，生态文明建设取得效果。

表6 湖北省各市州2010～2020年农田生态系统服务价值与GDP的比较分析

从湖北省各市州农田生态系统服务价值和GDP数据来看，2010～2015年大部分市州社会经济与生态保护协调发展状况良好，但潜江等3个市州是经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调发展模式；2015～2020年仅襄阳市等5个市州生态保护与经济呈协调发展，占全省29%，而其他市州均是经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调发展模式。

综上可知，2010～2020年襄阳市、荆门市、荆州市、咸宁市和恩施州生态保护成效明显，与社会经济协调发展，生态文明建设取得效果。武汉市、黄石市、十堰市、宜昌市、鄂州市、孝感市、黄冈市、随州市和仙桃市这9个城市从社会经济与生态保护协调发展模式转变为经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调发展模式，主要原因是2015～2020年农作物的年产量下降，农作物的年产量下降导致释氧价值减少，导致气体调节价值和农产品供给价值均下降，进而农田生态系统服务价值相应下降。天门市和神农架从经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调发展模式转变为社会经济与生态保护协调发展模式，表明积极保护和恢复生态系统及其服务能力起到了关键作用。需要重点关注的是，潜江市在2010～2020年一直处于经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调发展模式，虽然社会经济得到高速发展(GDP增长近2.5倍)，但生态环境遭到了破坏(农田生态系统服务价值下降一半)，可能与近五年兴起的小龙虾养殖产业有关，“挖田养虾”等养殖方式使潜江农田生态系统结构功能发生很大变化，导致农田生态系统服务总价值明显下降，希望引起地方政府的关注。

3.4 双碳目标下农田生态系统的固碳减排

双碳目标下的农田固碳通过农作物的光合作用和呼吸作用得到净光合产物，包括农作物的经济产出、秸秆和根系等部分[29]。通过下述计算公式得到的结果见表7。

表7 2010～2020年湖北省农田生态系统固碳量与单位播种面积碳吸收强度

Ct=∑Ci

(1)

式中：Ct为区域农作物碳吸收总量，t CO2eq；i为第i种农作物；Ci为第i种作物的碳吸收量，t；Fi为第i种作物的含碳率，%；Yi为第i种作物的产量，t；Wi为第i种作物的水分系数，%；Ri为第i种农作物的根冠比系数；Hi为第i种农作物的经济系数；44/12是C转换为CO2的转换系数。湖北省主要农作物的H、F、W参数见《省级温室气体清单编制指南(试行)》。

由表7可得，2010～2020年湖北省农田生态系统的固碳总量的变化趋势为：2010～2015年农田生态系统碳固定总量表现为整体上升的趋势，年均增幅为3.4%；2015～2020年湖北省农田生态系统的固碳总量表现为下降趋势，年均下降幅度为1.2%。

2010～2020年湖北省农田生态系统的不同农作物的碳固定量随时间变化差异性较大，其中水稻、薯类和花生保持碳固定量稳定增长，棉花的碳固定量呈逐年减少趋势，其他农作物碳固定量呈先增长后减少趋势。由计算公式可知，湖北省农田生态系统的固碳总量和各农作物碳固定量的变化主要受年产量控制。2020年湖北省农田生态系统的固碳总量减少是由于小麦等旱地作物减产导致的，原因可能是与2020年的疫情和水涝等自然灾害有关。

湖北省农田生态系统的各农作物碳固定量相差较大的原因除与产量有关，还跟各作物固碳能力有关。通过优化公式(1)推导得到农作物固碳系数(见表7)，即各作物的固碳能力。可以看出，棉花固碳能力最强，薯类固碳能力最弱。在一定程度上，农作物的碳固定量取决于各作物的固碳能力，但无法反映区域作物总固碳量。因此，根据公式(1)优化得到农作物单位播种面积碳吸收强度公式，用来衡量区域内农作物的碳固定能力，公式如下：

各作物单位播种面积碳吸收强度=各作物产率×

各作物固碳系数

(2)

公式(2)可以为不同地区引导农户种植增加碳汇的作物来实现碳中和提供理论指导。从表7中可以看出，水稻是湖北省农田生态系统的优势作物，其固碳量占总固碳量一半左右，因此根据研究区实际农情，可以通过增加单位播种面积碳吸收强度较大的其他农作物(如大豆和玉米)播种面积，减少花生和油菜籽的播种面积，来提升湖北省农田生态系统的固碳减排能力。

通过研究发现，调整农业种植结构，种植高产低排放农作物并采用水旱轮作方式可以促进固碳减排，提高农田生态系统价值；多种植豆科植物等经济作物，比如大豆，其单位播种面积碳吸收强度较高；还可以采用农林混合种植的方式提高农田土壤固碳量；提高秸秆还田可以增加农田土壤生物质，在耕种方式上可以采用少耕免耕、绿肥轮作等措施。

4 结 论

本文定量核算了湖北省各市州在2010～2020年间的农田生态产品价值，分析了其时空变化特征，评估了湖北省农田生态系统固碳减排现状，优化了表征农田生态系统固碳能力的计算公式。主要结论如下：

(1)从时间上来看，长江经济带重点区域湖北省农田生态产品价值呈逐年上升的趋势，关键因素是耕地面积，其次是年降雨量和农产品年产量。湖北省农田生态系统服务单位面积价值整体呈现出从东到西逐步减少的趋势，与湖北省各市州的年降雨量及农产品年产量分布有关。

(2)襄阳市等5个市州生态保护成效明显，与社会经济协调发展，生态文明建设取得效果。天门市和神农架积极保护和恢复生态系统起到关键作用，农田生态系统价值由负增长变为正增长。武汉市等9个市从社会经济与生态保护协调发展模式转变为经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调模式，潜江市一直处于经济发展以牺牲生态环境为代价的不协调模式，这10个市的生态环境保护需要引起相关部门的重视。

(3)湖北省农田生态系统总固碳量呈先增加后减少趋势，主要受农作物产量和固碳系数影响。优化得到农作物单位播种面积碳吸收强度公式，用来衡量区域内各农作物的碳固定能力，为不同地区引导农户种植增加碳汇的作物来实现碳中和提供理论指导。主要通过改变农业种植结构，种植单位播种面积碳吸收强度较大的农作物，同时采用水旱轮作、绿肥轮作和秸秆还田等耕种措施实现粮食安全与农田生态保护双赢。