农田生态系统服务功能研究动态

2011-01-26刘登望

湖南农业科学 2011年1期

郭芬，熊璟，刘登望，李林

（1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙 410128；2.湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128）

1997年Costanza等首次对全球主要类型生态系统的服务功能进行了价值评估，认为全球陆地生态系统服务功能价值为每年33万亿美元，为同期全世界国民生产总值（GNP）的1.8倍。这一研究结果的发表，立即得到普遍关注，引发了人们对生态系统服务价值的广泛讨论。同年，Dai1y等分析了不同地区森林、湿地、海岸等生态系统的服务功能价值，实例数近20个[1]。此后，随着研究的深入，人们对不同尺度的各类生态系统的服务价值进行了估算。

近年来，我国学者在生态系统服务及其价值评估方面做了大量工作，为开展生态系统评估奠定了基础[2-9]。陈仲新等[10]对我国生态系统的服务功能进行了评估，得出了我国生态系统的效益总价值，大约为7.78×1012元。其中，陆地5.61×1012元，海洋2.17×1012元，生态系统的总价值相当于我国国内生产总值（GDP）的1.73倍。欧阳志云等[11]对中国陆地生态系统服务功能及其间接价值进行了保守估计，其研究结果表明，海南岛生态系统2002年所提供的生态调节功能的价值为2.03～2.15×1011元，而生态系统产品价值仅为2.5×1010元，生态调节功能价值是其产品价值的8倍多。这些研究表明：生态系统维持了地球生命支持系统，为人类创造了赖以生存的生态环境条件，具有巨大的直接与间接经济价值；生态系统所具有的生态价值可以定量化，并超越了经济价值。近年来，我国学者对农田生态系统服务功能的研究取得了较大的进展，本文就此进行综述，以反映我国在该领域的研究动态。

1 农田生态系统的特点及其服务功能内涵

农田生态系统是人类为了满足生存需要，通过积极干预自然，依靠土地、温、光、水分等自然资源和社会经济资源，利用农田生物与非生物环境之间以及农田生物种群之间的关系来进行人类所需食物和其它农产品生产的半自然生态系统。它是一个在人类参与及控制下的，由社会、经济、自然因素相结合而成的复合生态系统，具有多种经济、生态、社会功能，具有自然、社会双重属性[5]。

与自然生态系统相比较，农田生态系统服务功能存在一定的差异，主要表现在以下几个方面[6-7]。（1）农田生态系统通常仅在一个较小空间尺度和有限时段内，更为有效地提供某一种生态系统服务功能，具有高效性，而自然生态系统通常在较大的时空范围内(如全球尺度、地质历史时期等)起作用；（2）农田生态系统服务功能具有明显的空间和时间的限制性与变动性，农田生态系统服务功能随着栽培方式、耕作制度以及季节的变化而变化；（3）农田生态系统是一个投入、产出十分频繁的系统，其服务功能的大小与人类农田生产方式、投入水平和管理水平密切相关；（4）就服务形式而言，农田生态系统输出的服务通常以产品以及环境效益的形式表现出来，而自然生态系统（如森林）则通常以生态环境效益的形式表现出来；（5）就服务对象而言，农田生态系统服务对象是人类，多为直接的和有形的服务，而自然生态系统的服务对象不仅为人类，它还为全球的生物提供服务。

概括地说，农田生态系统服务功能可以简称为“三生”功能，即生产功能、生态功能和生活功能。（1）高效的、直接的农产品生产功能。这是农田生态系统的首要功能。农田生产的主要目的是在较短时间内直接为人类提供衣食住行所需的产品或原材料。其中，农田生态系统提供了全世界66%的食物。全球生态系统卫星分析组织(PAGE)2003年的统计资料表明[8]，全世界农田生态系统每年生产的食物、纤维和动物饲料价值约为1.3万亿美元。农田是低收入国家最重要的经济产业，平均占到GDP的31%，在撒哈拉的许多非洲国家则占50%以上；在中等收入国家，农田占GDP的12%；在西欧和北美的高收入国家，由于经历了长时间的城市化和工业化进程，其他经济成分占优势，农田对GDP的贡献只是1%～3%，但这些国家农田产出价值却占世界农产品市场总价值的79%。（2）生态环境服务功能和生态安全功能的价值巨大。农田生态系统环境功能通常被人们所忽视。其实，农田生态系统在其存在的时段内，与自然生态系统一样，不断地履行着生态环境服务功能，如充当着物质的“源与汇”（source and sink），进行光合作用固定 CO2、生产有机质与释放氧气等，其功能涵盖生物多样性维持，营造小气候，防止水土流失等[9]。（3）生活功能。农田生态系统是一类很好的生活资源，可以为人们提供旅游观光、休闲娱乐以及文化教育等方面的服务，可以满足人们回归自然，享受田园风光和愉悦心情的需求。在人类长期的农业发展历史中，积淀了极为丰富的农田文化内涵，包括对农作物生长自然规律的认识、农业生产方式的演变、农耕活动、农业风俗习惯等，是人类正确认识自然不可缺少的素材[11]。

除上述功能外，农田生态系统还提供了上千万个就业机会。全球约一半人口生活在农田生态系统中，从事着农、林、牧业和相关产品加工业的生产工作。其中，40%左右依赖种植业。目前，直接从事农业生产的劳动力估计为13亿人，约占世界劳动力总人数的46%[12]。

在过去有关农田生态系统的研究中，人们多关注其食物生产功能，而忽略了其生态服务功能，如养分转化、气体调节以及景观功能等。实际上，农田生态系统在生产过程中，为人类社会提供了生态服务功能和生活功能，它们共同为人类福利服务[13]。因此，有必要全面认识农田生态系统对人类的贡献，正确地衡量农田生态系统对人类的价值（表1）。

表1 农田生态系统服务功能类型及评价

2 农田生态系统服务功能的形成机制

农田非生物环境特征（地理位置、坡度、温度、降雨量、地下水位、溶解氧含量、土壤养分、pH等土壤理化性质）、生物特征（植物区系、动物区系和微生物区系特征等）以及系统内在的生态过程（光合作用、呼吸作用、蒸腾、蒸发、有机质分解和生物地球化学循环等）是生态系统存在的基础，三者之间相互作用的结果体现为生态系统功能。生态系统功能是服务功能的基础，生态系统服务功能是生态系统功能的表现，所以生态系统的非生物环境特征、生物特征和生态过程及其相互作用是生态系统服务功能形成的内在机制。同时，人类活动是农田生态系统服务功能形成的最根本驱动力。一方面，没有人类活动的干预就没有农田生态系统，也就谈不上农田生态系统服务功能；另一方面，人们受国家政策及经济规律驱使，不断采取各种管理措施，直接改变农田生态系统的生物和非生物环境特征，间接影响着系统生态过程，从而对服务功能的形成产生影响[13-14]。

3 农田生态系统服务功能价值的评估方法

对农田生态系统服务功能进行量化评价，可以为农田生态系统管理和区域生态安全管理提供科学依据。由于农田生态系统服务功能内涵丰富，各服务功能之间存在着多重联系，加之人类活动频繁干预，目前还没有成熟的农田生态系统服务功能评价框架和完善的评价指标体系，前人对此也研究得较少。农田生态系统服务功能价值的估算方法，可以借鉴自然生态系统服务功能的评价指标和方法，以及环境经济学和生态经济学中提供的方法，结合农田生态系统的特点，参照尹飞等[15-19]的方法对农田生态系统服务功能的进行评价。此外，河海大学陈丹等[20]也对稻田生态系统服务的经济价值评估方法进行了探讨，其评价模型包括两个方面。（1）农产品生产的市场价值法评价，见式（1）；（2）休闲娱乐、景观美学、社会文化价值评价。

式中，VP为农产品生产的币值，A为稻田面积，P为单位面积农产品年均产量，C为农产品平均价格。

4 我国农田生态系统的生态服务价值估算

据谢高地等[4]估算，我国农田生态系统因自然生态过程和人类种植业活动过程共同作用，每年为人类提供19 509.1亿元生态服务和经济产品总价值。其中，41.9%是由农田生态系统自然过程提供和产生的，58.1%是由人类种植业活动过程产生的。目前，我国统计系统计量的年度种植业总价值中仅计量了人类种植业活动过程产生的经济价值和部分由自然生态过程产生的生态服务价值，仅为总量的64.7%，未计量的年度生态服务价值可达6 881.1亿元。由于粮食生产过程中伴随产生的生态服务属公共服务范畴，国家应为粮食生产提供公共财政补贴的额度高限可达5 140元/hm2·a。

稻田生态系统是一种半自然的人工生态系统，是由稻田生物系统、环境系统和人为调节控制系统三部分组成的复合系统。稻田生态系统的波动性、多样性、脆弱性、人为性、开放性和社会经济性等特点，决定了其服务功能的复杂性和特殊性。李向东等[16]研究认为，稻田生态系统服务功能的内涵主要表现在以下几个方面。（1）供给粮油等产品。在我国，水稻是最主要的粮食作物，其播种面积和总产量分别约占粮食作物的28%和43%，居我国粮食作物的首位。（2）水文循环调节功能。稻田生态系统的水循环是农耕区自然界水文循环的一部分。在自然和人类活动等因素影响下，稻田能存储部分的降雨径流或灌溉水，多余的水量通过地表回流或深层渗漏补给地下水，汇入地表径流，再排往下游地区，而且水分通过稻田表层土壤及水层蒸发、水稻叶面蒸腾等返回大气，随着时间和空间的转换不断地循环变化。其水文循环调节功能主要表现在调蓄洪水、回灌地下水和改善气候等3个方面。因此，稻田还有“隐形水库”的誉称[21-24]。（3）净化空气。随着全球气候环境的变化，碳循环和碳汇功能成为该领域的研究热点之一。稻田生态系统中的作物和其它植物通过光合作用固定CO2，将大气中的CO2变换成生物有机碳，从而起到净化空气的作用。此外，稻田还具有滞尘洁净空气的功能。（4）防止土壤侵蚀。通过在丘陵山区修筑梯田、种植水稻，可以有效地防止由于降雨冲刷引起的水土流失现象，例如菲律宾Ifugao山区，在坡地专门种植水稻可有效缓解土壤侵蚀就是典型例证。对日本重质粘土地区的研究也表明，水稻种植对防止山体滑坡有一定的作用。（5）维持生物多样性。稻田生态系统是一个类似“湿地”的人工复合生态系统，是许多野生生物的栖息所和避难所。在农村，除稻田外，还有灌排渠道、水塘和湿地等，这为多种水生动植物提供了生长的环境，吸引不同的水鸟栖居在周围，构成了完整的生物链，保存了生物的多样性，维持生态平衡，形成自然和谐的生态环境。（6）社会文化功能。稻田生态系统所形成的独特、优美的自然景观，可为公众提供休闲娱乐的场所，且具有普及农田知识、开展自然环境教育、传播文化和习俗等多方面的社会文化意义。例如，日本特有的稻米文化已经渗透到社会的各个方面，甚至有许多节日和宗教习俗等都与水稻、灌溉有关。近年来，在我国兴起的“生态观光农业”也充分体现其社会文化价值[20]。目前，人们对农田生态系统服务功能的估算尚处于初级阶段，涉及的农业区域、农田类型、作物种类等的范围较窄，更为复杂的生态过程、机制不明，有待进一步探讨，以期加深对农田生态系统功能的全面认识，促进农业可持续发展。

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