黄土丘陵沟壑区农业生态系统服务的物质量及价值量评价

郝仕龙,李春静,李壁成

（1华北水利水电学院资源与环境学院,郑州450011;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵 712100）

生态系统服务一般指自然生态系统及其所属物种支撑和人类生存的条件和过程[1],1997年Holdren和Ehrlich首次指出“生态系统服务”的概念以来[2],许多生态学者和经济学家开始对全球或区域生态系统的服务功能和价值进行了评价研究[3-9],对生态系统服务的评价方法主要有两类,一类是物质量评价法,另一类是价值量评价法。物质量评价法主要是从物质量的角度对生态系统提供的服务进行整体评价,而价值量评价法主要是从价值量的角度对生态系统提供的服务进行评价。量化研究与分析生态系统自组织过程的行为与功能,评估和模拟生态系统的行为模式及发展方向,对确定生态系统在社会经济发展中的贡献和作用及其对干扰的反应都具有十分重要的意义。

黄土高原丘陵沟壑区是我国典型的农牧交错区和生态环境脆弱区,资源和环境问题一直是困扰该区稳定发展的瓶颈,受到人类认识水平,科技水平和经济发展水平的局限,农业生态系统结构的变动有时带有盲目性和不合理性,这种盲目性和不合理性造成农业资源的浪费和破坏,以及系统自我维持能力的下降,从而使经济效益下降[10]。而这一矛盾导致的直接后果是系统生产力水平低下,以往的经济学或生态学方法并不能清楚地分析资源环境的利用与保护及其相互作用的本质关系。而生态系统服务的物质量及价值量评估为解决这一问题提供了很好的工具。

1 研究地域、数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

固原上黄试验区位于宁夏南部黄土丘陵沟壑区的河川乡上黄村,土地总面积7.61 km2,属暖温带半干旱区。海拔1 534.3～1 822 m,年平均降水420 mm,干燥度1.55,年日照时数2 518 h,年平均气温6.9℃,≥10℃积温 2 350℃,无霜期155 d,现有农户111户,519人,回民、汉民村各一个,其中回民占24.6%,人均土地1.47 hm2,人均耕地0.15 hm2。

1.2 数据来源

(1)土地利用数据 。1982年由宁夏测绘局绘制的1∶1万地形图,主要是农地规划和农田基本建设用图,农、林、草地等地类界线在图中都已标明,因而是比较理想的地理底图和土地利用信息源。以此图为基础,并通过查阅试区“六五”前期资料和农户调查,核对了土地利用历史,编制了1982年土地利用图,以此作为试区建点时和“六五”前期的工作基础。“七五”期间,开展了航空遥感监测试验研究,分别于1987年和1990年进行了彩红外摄影,并编制了土地利用图等专题图件,“八五”又进行了地面补充调查,编制了试区土地利用图件,制图比例尺为1∶1万。“九五”利用1995年彩红处航空摄影像片为信息源,采用4D技术,编制了试区彩红外正射影像图,进行了土地利用图件的编制实验研究,提高了精度与速度。“十五”后期在“九五”的基础上,对土地利用进行了全面的调查,掌握了土地利用动态变化情况。

(2)农村社会经济数据。在研究期间内,该试区不同时期的社会经济数据主要来源于参与式农村评估方法(Participatory Rural Appraisal,PRA),获得不同时期该试区家庭经济状况、人口数量、粮食生产、收入变化等相关数据。

(3)综合治理措施及其效益。根据试区不同时期的综合治理研究报告,主要有不同时期的综合治理措施,及这些措施的生态、经济及社会效益的变化。

1.3 研究方法

(1)物质量

式中:Q(t)——t时间生态系统提供的总服务;Qn(t)——生态系统在t时刻提供的第n种服务;n——服务种类;t——某一时间;Δt——时间增量;Q(t+Δt)——生态系统在(t+Δt)时间提供的总服务;Qn(t+Δt)——生态系统在(t+Δt)时刻提供的第n种服务。

如果Qn(t+Δt)≥Q(t)(Δt≥0),那么认为该生态系统是处于比较理想的状态。

(2)价值量

式中:P(t)——生态系统服务在t时间的价格向量;Pi(t)——第i种服务在t时间的价格(i=1,2,…,n);v(t)——生态系统在t时间服务的价值量,如果v(t+Δt)＞v(t),说明该生态系统处于比较理想的状态。

2 结果与分析

2.1 物质量分析

上黄试区农业生态系统不同时期物质量变化情况如表1所示,根据公式(1)和(2),该试区农业生态系统服务功能的物质量主要由农作物、森林、牧草及果业构成。研究初期,该试区农业生态系统服务所产生的物质总量为959.1 t,到2005年达到2851.9 t,增长了197.35%。其中农作物、森林、牧草及果业物质量分别从1982年的600.9,14,342.6,1.6 t增长到2005年的689.4,449.3,1 306.3,406.9 t。

从1982年上黄试区农业生态系统服务的物质量构成来看,农作物物质量所占比重较大,占总物质量的62.7%,其次是牧草,占35.7%,森林及果业所占比重较少,分别为 1.5%和 0.17%。2005年,上黄试区农作物、牧草、森林及果业物质量比重分别为24.2%,15.8%,50.6%,14.2%。研究期间内,该试区农业生态系统服务的物质量农作物比重所占下降了38.5%,而牧草、森林及果业物质量分别上升了14.9%,13.3%,14%。从该试区农业生态系统服务的物质量变化来看,说明上黄试区农业生态系统服务功能处于比较理想的状态。

表1 上黄试区不同时期农业生态系统服务物质量变化

2.2 价值量分析

生态系统服务价值量是根据公式(3)及(4)来计算,其中农作物的价值量(除秸杆物质量)及果业的价值量是根据各物质的物质量与相应价格的乘积来计算;而农作物秸杆、灌木林、疏林地、牧草的价值量是根据其转换效能来计算,把这些物质量转换成标准羊单位,根据不同物质的转换效能分别计算;乔木林的价值是根据木材的价格来计算。根据“九五”时期研究成果,平均1.4 t的牧草可转换成一个标准羊单位,而每吨秸杆可转换为0.93个羊单位。经计算上黄试区1982年农业生态生态系统服务的价值总量为15.86万元,相应的农作物、森林、牧草及果业的价值量分别为12.70,1.52,1.44,0.20万元,而2005年农业生态系统服务的价值总量为127.61万元,相应的农作物、森林、牧草及果业的价值量分别为29.11,1.01,36.58,60.91万元。

从上黄试区农业生态系统服务的价值量来看,1982年该试区经营方式以传统农业为主,占总价值量的80.07%,而森林、牧草及果业所占经济份额相对较小。2005年,试区经过农业结构调整,农业生产发生较大的变化,传统农业的绝对优势已不存在,果业在该试区经济结构中占据重要地位,占农业生态系统服务价值总量的47.73%。传统农业及牧草并重的发展趋势,并分别占农业生态系统服务价值总量的22.81%和28.67%。上黄试区2005年农业生态系统服务价值总量是1982年农业生态系统服务的价值是的7.05倍,从农业生态系统服务的价值量角度来看,表明上黄试区农业生态系统服务功能处于比较理想的状态,经济效益显著。

3 农业生态系统服务的优化措施

上黄试区自1982年以来,对该试区农业生态系统服务功能进行了多次调整,主要措施包括土地利用结构调整、农作物品种的引种、果业品种的选育、引导农民投入变化、建设基本农田、人工种草及退耕还林还草等(图1)。

(1)土地利用结构调整。①耕地总量减少,质量得到提高。1982年上黄试区耕地面积为279.9 hm2,到2005年耕地面积减少到79.4 hm2,整个研究期间内共减少200.5 hm2,在耕地中坡耕地变化最为明显,在整个研究期间坡耕地共减少206.6 hm2,耕地变化的方向主要是耕地向园地、林地及草地转变;②园地变化。园地在试区主要是指果园,果园面积变化的特点是在整个研究期间内表现不断增长的态势。研究初期,上黄试区果园面积只有0.4 hm2,2005年试区果园面积为11.1 hm2,增长了26.8倍。;③林草地变化。研究初期,上黄试区林草覆盖度为50.45%,2005年达到75.48%,整个研究期间内提高了25.03%。林地增加明显,1982年上黄试区林地面积仅为9.3 hm2,2005年林地面积达到229.0 hm2,23 a间共增加了219.7 hm2,增加了23.6倍。草地面积总体变化不大,但其内部结构性变化显著,主要表现为人工草地的大量增加和天然草地的急剧减少,研究初期,上黄试区人工草地面积仅为5.0 hm2,2005年增长到 275.5 hm2,而天然草地面积从1982年的369.6 hm2减少到2005年的60.0 hm2。

图1 上黄试区农业生态系统服务功解调查模式

(2)引选抗旱耐寒、优质高效的良种。上黄试区干旱少雨,冬冷春寒,因此,不断引选抗旱耐寒的优质高效作物良种,是该试区农业持续发展的重要措施。研究期间内,上黄试区共引进小麦、玉米、马铃薯、谷子、豆类、荞麦及油料等作物优良品种43个,经过品种的比较,鉴选出的冬小麦良种宁冬一号、陇鉴127、西峰20等,鉴选的玉米中早熟品种有户单4号、中单2号、掖单13,鉴选的脱毒马铃薯品种有津引1号、7号、大白花,鉴选的胡麻优良品种有宁亚10号、蒙亚8号等。

筛选出的主要优新果树良种有25个,主要有梨品种系列:早酥、七月酥、八月酥、八月红等,杏品种系列:红梅杏、华县大接杏等;苹果品种系列:藤木1号、红嘎拉、早捷等;葡萄品种系列:乍娜、京亚等。

(3)增加肥料投入。肥力是发展高效生态农业的基础,又是有效利用土壤储水和提高作物水分利用效率的重要手段。长期以来,上黄试区由于植被稀疏、广种薄收,滥垦滥牧,水土流失严重,造成土壤贫瘠,加之畜牧业发展滞后,有机肥供应不足,因而农业生产力低下。1982年,上黄试区肥料投入总量为22.0 kg/hm2,到“十五”时期肥料投入总量达 144.5 kg/hm2,增长了 5.6倍。

上黄试区经过二十多年的农业经济结构调整,该试区农业生态系统服务的物质量及价值量变化较大,农村经济模式主要由传统粗放的经营模式转变为现代集约化的经营模式,1982年,上黄试区农业生态系统服务的土地总面积为664.9 hm2,所产生的农业经济总量为 15.86万元,传统农作物面积为279.9 hm2,生产的价值量为12.70万元,2005年,该试区农作物面积为79.4 hm2,产生的价值量为29.11万元,特别是果园面积只有11.1 hm2,所产生的价值量高达60.91万元的经济效益。上黄试区农业生态系统服务在价值量提高的同时,其物质量也有较大的提高,特别是服务于生态建设的人工草地的面积及所产生的物质总量都有较大程度的提高,1982年,农业生态系统服务于生态目的的土地利用面积为383.9 hm2,而人工草地面积仅有5.0 hm2,农业生态系统服务于生态目的的物质总量为356.6 t,到2005年,农业生态系统服务于生态目的的土地利用面积达574.4 hm2,人工草地面积200.4 hm2,物质总量达1 755.6 t。表明上黄试区经过二十多年的农业经济结构调整及优化措施,农业生态系统服务的物质量及价值量都有较大程度的提高,生态系统处于较为理想的状态。

4 结论

(1)上黄试区整个研究期间内,农业生态系统服务的物质总量变化较大且内部结构变化明显,1982年,上黄试区农业生态系统服务的物质总量为959.1 t,到2005年达到 2851.9 t,增长了197.35%。其中农作物、森林、牧草及果业物质量分别从1982年的600.9,14,342.6,1.6 t增长到 2005年的689.4,449.3,1 306.3及406.9 t,表明该试区已从以传统农业为主的物质生产转为以牧为主,林、牧及果业齐头并进农业生态系统服务物质生产方式。

(2)上黄试区农业生态系统服务的价值量在整个研究期间也有较大的变化,1982年农业生态生态系统服务的价值总量为15.86万元,而2005年农业生态系统的价值总量为127.61万元。该试区农业生态系统服务价值量各内部构成也呈现出较大的不同,主要表现为传统农业生态系统服务的价值量在总价值量比重明显下降,1982年,传统农业生态系统服务的价值量为12.70万元,占当时总价值量的80.07%,2005年,传统农业生态系统服务的价值量为29.11万元,占总价值量的22.81%,减少57.26个百分点。从农业生态系统服务的价值量角度来看,果业占主导地位,其价值量占总价量的47.73%。

(3)上黄试区经过二十多年的农业结构调整,农业生态系统服务的物质量及价值量的明显变化表示该试区发展的总体思路为保生态求发展,即生态治理的基础上,谋求经济上的发展,在生态治理方面,主要是进行退耕还林还草,研究期间内共退坡耕地200.5 hm2,经济发展主要是在保障粮食作物生产的基础上,大力发展牧业及果业。

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