艾比湖流域农田生态系统服务价值变化及其影响因子的回归分析----以精河县为例

王晓艳，塔西甫拉提·特依拜，张 飞

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)

生态系统服务是指人类通过生态系统的各种过程以直接或间接的方式得到的生态系统产品和服务[1]。生态系统服务功能是指依靠生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[2]。目前，在国外，有许多学者运用不同的方法对不同生态系统的服务价值进行了研究。Mendon[3]等人利用种群生存分析模型探讨了个别物种的货币价值，Loomis J[4]等人运用条件价值评价法，估算了受损河流的生态系统服务价值。此外还有众多国外学者如 Holmund C，Turner，Lal，Sala，Konarska 等人[5-9]，也从不同方面评估了生态系统的服务价值。国内关于生态系统服务价值的研究始于20世纪90年代，开展的相对较晚但近些年发展比较迅速。欧阳志云[10,11]初步评估了中国陆地生态系统的6种服务功能。谢高地[12]等参考Costanza[1]的研究成果，通过对我国200位生态学家进行问卷调查，并结合中国的实际情况，最终建立中国陆地生态系统单位面积服务价值表。徐中民等[13]采用条件价值法，对黑河流域额济纳旗绿洲地区生态系统作了大量的实地调查评估工作，得到了该区域生态系统的恢复价值。国内学者对生态系统服务价值的研究，很多是对单一类型的生态系统进行的价值评价和估算。目前已有的研究涉及森林[14-17]、草原[18-22]、湿地[23-25]和水域[26,27]等各种生态系统方面。总体来看，主要特点是从特定的某种生态系统类型转变为区域复合生态系统，或者是从某少数几项或单项生态服务功能转变为多种服务功能[28]。

农田生态系统是一个在人类参与控制和管理之下并且满足人类各种生产生活需要的生态系统[4]。农田生态系统不仅为人们的生活提供了重要保障，而且其各种服务功能的运转对促进地区的经济发展起到重要作用。正确评价和量化农田生态系统的服务功能和价值，可以为更科学更高效地管理农田生态系统和区域生态安全，促进干旱区农田生态系统的可持续发展提供科学依据。目前，有关农田生态系统服务价值的研究已取得不少成果，主要的研究进展包括对农产品供给、碳汇、保持水土等功能的评价以及对农田生态系统服务及其价值化的综合研究[29]，并且已经有较为统一的评价指标和研究方法[30-32]。艾比湖流域精河县位于西北内陆干旱区，盐渍化和沙漠化现象非常严重，生态环境十分脆弱。以往，许多学者大量研究了精河县的具体土地利用[33-35]和生态环境[36]问题，而对精河县农田生态系统服务功能的价值变化趋势，以及对其主要影响因子的定量分析研究并不多见。鉴于此，本文以艾比湖流域精河县为例，采用前人提出的农田生态系统价值的评估算法和多元回归模型，对精河县2002-2012年间农田生态系统服务价值进行定量计算，并分析影响其价值变化的影响因子，得出精河县农田生态系统各种服务功能价值的变化趋势及规律，为该区农田生态系统科学有效地管理和区域社会经济的稳定和可持续发展提供借鉴。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

精河县位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地西南边缘，天山支脉婆罗科北麓，距乌鲁木齐市约423 km。东邻乌苏市，南接伊宁县和尼勒克县，西与博乐市毗邻，北与托里县接壤。地理坐标为东经81°46′～83°51′，北纬44°00′～45°10′，总面积11 275 km2。行政隶属于博尔塔拉蒙古自治州(博州)，约占博州总面积的37%。地形南高北低，自南向北呈扇状坡面，南部为山区，属婆罗科努山及其支脉；中部为平原区，地形相对平坦开阔，有中部山前冲积-洪积倾斜平原，北部冲积-洪积平原，这些地区大多为盐碱沼泽地带，大部分地下水位偏高，其中艾比湖位于扇形下缘最北；县内有四条较大的河流即精河、托托河、大河沿子河和阿恰勒河，还有艾比湖等水系。精河县气候是典型的大陆性气候，总体特征表现为光照资源充沛，春季风多风大、沙尘暴等天气比较频繁，冬夏冷热悬殊，降水稀少而蒸发量很大导致气候比较干燥，并且昼夜温差大；日照时间长，年日照多达2 700 h，无霜期170 d；精河县1月和7月的平均气温分别为-15和26 ℃，极端最低温和极端最高温分别为-34和42 ℃；年平均降水量102 mm。平原地区年平均气温7.2 ℃，最高9. 1 ℃，最低5.3 ℃。精河县下辖2个镇、3个乡，共有耕地约4.87万hm2，农作物以小麦、玉米、棉花、枸杞等为主，2010年末，精河县总人口为14.3万人(含兵团)。

1.2 数据源

本研究所用的数据来自2002-2012年《精河统计年鉴》和《新疆统计年鉴》统计资料，这些基础数据主要涉及精河县社会经济和人们生活发展水平、农业生产状况、水资源利用等方面。

2 研究方法

(1)农田生态系统基本服务价值评估方法。Costanza等[1]提出了全球生态系统基本服务价值估算方法的模型，岳东霞等[31]对其模型进行了简化：

V1=CA

(1)

式中：V1为研究区农田生态系统基本服务总价值；C为单位面积农田生态系统基本服务价值；A为研究区内耕地的面积。

(2)食物生产服务价值的计算。单位面积农田生态系统食物生产的服务价值估算方法表达式如下[31]：

(2)

式中：C0为单位面积内农田生态系统的食物生产服务功能产生的经济价值，元/hm2；i表示农作物种类；mi表示i种农作物的面积，hm2；pi表示i类农作物的全国平均价格，元/t；qi表示i种农作物单产，t/hm2；T为作物总面积，hm2。

精河县主要粮食作物为小麦和玉米，经济作物为棉花和枸杞。

(3)农田生态系统其他服务价值的计算。计算出单位面积内食物生产服务产生的经济价值后，就可以根据生态系统服务价值当量因子计算出精河县农田生态系统其他服务的单位面积经济价值。Costanza等[1]在1997年提出了全球生态系统服务价值的评估模式，谢高地等[12]通过对该方法的改进，制定了“中国生态系统生态服务价值当量因子表”。该表表示若将1 hm2全国平均产量的农田每年粮食产量所产生的经济价值设定为1，则生态系统其他生态服务价值的当量因子是指生态系统产生该类生态服务的相对于农田生态系统食物生产服务的贡献大小。相对于大尺度区域而言，精河县地区小，而且该地区棉花、枸杞等经济作物的种植面积大、产量高，其产生的经济价值大于小麦和玉米等粮食作物的经济价值。岳东霞[31]等认为可将经济作物归类为原材料生产，并对原材料服务价值的当量因子进行修正。通过计算得知近11年精河县年均经济作物的经济价值与粮食作物的经济价值比值为2.29，并将该值作为精河县农田生态系统原材料服务价值的当量因子。其他当量因子依旧采用谢高地[12]等提出的当量因子，并合并得到精河县农田生态系统服务价值当量因子表(见表1)。

表1 精河县农田生态系统服务价值的当量因子[12]Tab.1 The equivalence factors of farm land ecosystem in Jinghe County

(4)环境污染服务价值的计算。在农田中使用化肥、农药和除草剂等在一定程度上会提高农田生态系统农产品的产量，但是频繁使用会使农田遭受环境污染而使其经济价值损失，这部分损失的价值为环境污染服务价值。因数据收集有限，本研究以化肥的使用来估算[32]：

V2=o(r-1)s

(3)

式中：V2为使用化肥造成的污染价值；o为化肥的使用量；r为化肥的利用率；s为化肥价格。

当前我国的化肥平均利用率为34. 17%[37]。

(5)水资源消耗服务价值的计算。灌溉是农业发展的关键，积极有效地灌溉能够在很大程度上提高农田生态系统的生产能力，但过度地消耗水资源也会产生很多环境问题。农田消耗的水资源价值可用水库蓄水成本法来计算，表达式为[32]：

V3=-(WRCω)

(4)

式中：V3为水资源消耗的服务价值；W为农业灌溉用水量；R为农业耗水率；Cω为水库蓄水成本，取1.17元/m3。

农业耗水率的均值为35%[31]。

(6)农田生态系统服务总价值的计算。将农田生态系统产生的正面生态服务价值和负面生态服务价值相加，就可以得到农田生态系统服务功能的总服务价值。农田基本服务价值V1属于正面生态服务价值，环境污染服务价值V2和水资源消耗价值V3属于负面生态服务价值。则农田总的生态服务经济价值表达式如下：

V总=V1+V2+V3

(5)

3 结果与分析

3.1 精河县农田生态系统基本服务价值变化

由表2可以看出，精河县农田生态系统单位面积服务总价值2002年为26 081.01元/hm2， 2012年为77 230.93元/hm2，年均增加4 649.99元/hm2。其中，单位面积农田所提供的食物生产服务价值由2002年的2 869.20元/hm2增加为2012年的8 496.25元/hm2；农田生态系统其他服务单位面积产生的经济价值也越来越高，说明农田生态系统在其他服务功能方面的贡献越来越大。总体来看，2002-2012年，精河县各类农田生态系统基本服务的单位面积的服务价值大致均呈现出逐年增加的趋势。

表2 2002-2012年精河县各类农田生态系统服务的单位面积服务价值 元/hm2Tab.2 Ecosystem services value per unit area of Jinghe farm land ecosystem for 2002-2012

3.2 精河县农田生态系统服务总价值变化

由表3和图1可以看出，精河县农田生态系统服务总价值也表现出逐年增长趋势，由2002年的5.12亿元，增加到2012年的34.98亿元，并表现出明显的阶段性，第一阶段为2002-2007年，农田生态系统服务总价值由5.12亿元，增加到6.44亿元，年均增加0.22亿元；第二阶段为2007-2009年，其总价值由6.44亿元，增加到14.68亿元，年均增加2.75亿元；第三阶段为2009-2012年，其总价值由14.68亿元，增加到34.98亿元，年均增加5.08亿元。其中，精河县农田生态系统基本服务价值增长相应也分为3个阶段，第一阶段年均增长0.36亿元，第二阶段年均增长2.87亿元，第三阶段年均增长5.20亿元。精河县农田生态系统基本服务价值在2007年后迅速增长进而导致农田生态系统服务总价值快速增长，这主要与2007年后棉花种植面积大幅扩增有关，而且2007年后枸杞市场价格逐年大幅上涨也有很大影响。从表3中还可以看出，使用化肥使农田生态系统受到环境污染而损失的价值也越来越大，2002年为0.05亿元，2012年为0.48亿元，年均增加0.04亿元。随着农田种植面积的扩大，农业用水量也不断地增大，使得水资源损耗的价值也在增长，从2002到2012年，平均每年增加0.11亿元。

表3 农田生态系统服务价值汇总 亿元Tab.3 Farm land ecosystem service value summary in Jinghe county

图1 精河县2002-2012年农田生态系统服务价值变化Fig.1 Farm land ecosystem service value changes from 2002 to 2012 in Jinghe county

3.3 精河县农田生态系统服务价值变化的影响因子多元回归分析

农田生态系统服务价值的变化受自然因素和人为因素的共同影响，由于在短期内自然因素是相对不变的，而人类活动的影响较大。基于综合性和可获得性的原则，根据精河县的实际情况，本文总结出如下10个指标，采用回归分析方法，定量分析研究区农田生态系统服务价值的变化规律。各指标如下。

(1)社会经济发展及农业投入：包括农业总产值X1、第一产业投资X2、农村劳动力X3。

(2)农业现代化：包括农业机械总动力X4、化肥使用量X5、农业用电量X6、机电井数量X7。

(3)水资源利用：包括农业用水量X8、有效灌溉面积X9、地表水平均径流量X10。

在SPSS软件中，利用多元逐步回归模型，通过对选出的上述10个指标和精河县农田生态系统服务的总价值进行多元逐步回归分析，可以得到符合精度的模型如下所示：

Y=-5.342+5.485X2+0.629X4+15.795X6+

0.097X9-0.734X10

(6)

式中：Y为精河县农田生态系统服务价值。

回归分析结果如表4所示，可以看出，第一产业投资X2、农业机械总动力X4、农业用电量X6、有效灌溉面积X9和地表水平均径流量X105个人为因素对精河县农田生态系统服务价值变化的影响比较显著。本文采用非标准线性回归方程表示精河县农田生态系统服务价值变化模型，即公式(6)。该模型中，所有指标变量所对应的偏回归系数检验统计量t的显著性概率值均小于0.05，表明在置信水平α=0.05条件下，所有解释变量与0有显著性差异。

表4 回归系数与显著性检验Tab.4 Coefficients and significant testing

随着经济的发展，精河县地区生产总值越来越高，对农业的投入也不断地增加，从2002到2012年，精河县第一产业投资X2年均增长802.45万元，在 2010年投资高达17 161万元。其偏回归系数检验统计量t2为9.406，达到了极显著水平，说明第一产业投资对精河县农田生态系统服务价值变化有很大的影响。第一产业的大力投资，使得各种农业基础设施能够顺利建立，确保了农业生产的需要。

农业机械总动力X4和农业用电量X6的增加，表明了农业现代化的进程不断加快，即随着各种大中小型农业机械设备的使用，提高了农田管理水平及科技水平，对农业的发展起到了极大的促进作用。大量农业机械设备的使用必然会导致农业用电量的增大。从偏回归系数检验统计量t4= 4.430、t6=13.126可以看出，农业机械总动力和农业用电量的增加对农田生态系统的基本服务价值起到了积极的影响。

精河县各种农业基础设施的建立，修筑的引水沟渠，确保了农业灌溉用水的需要。精河县有效灌溉面积X9从2002年的2.28万hm2增加到了2012年的4.85万hm2，其偏回归系数检验统计量t9为4.034，达到了极显著水平，说明精河县有效灌溉面积对农田生态系统的影响也是显著的，促进了农田生态系统的生产功能。但是有效灌溉面积的增加也会导致该区农业耗水的增加，增大了农田的水资源消耗价值。

对于干旱区而言，水资源对农业的发展尤为重要。水资源的充沛与否直接影响农田生态系统的生产状况，进而会影响农田生态系统服务功能的经济价值。精河县境内水资源较为丰富，水质较好，地表水平均径流量X10为8.96亿m3。其偏回归系数检验统计量t10为-10.415达到了极显著水平。

4 结 语

通过对艾比湖流域精河县近11年农田生态系统服务价值的计算，可以得出以下结论。

(1)精河县农田生态系统单位面积基本服务价值逐年增长，单位面积农田所提供的总服务价值由2002年的26 081.01 元/hm2，增加到2012年的77 230.93元/hm2， 年均增加4 649.99 元/hm2。其农田系统总服务价值由2002年的5.12亿元，增加到2012年的34.98亿元，增长了6.8倍。

(2)精河县农田生态系统总服务价值呈逐年增长趋势，但表现出明显的阶段性，第一阶段2002-2007年，年均增长0.22亿元，第二阶段2007-2009年年均增长2.75亿元，第三阶段2009-2012年年均增长5.08亿元，在2007年和2009年后增长较快，这主要与2007年后该区棉花种植面积大幅扩增和枸杞的市场销售价格大幅上涨有关。

(3)精河县农田生态系统基本服务价值的增长也相应表现为3个阶段，且三阶段年均增长分别为0.36、2.87、5.20亿元；使用化肥使农田生态系统受到环境污染而损失的价值也越来越大，从2002到2012年，年均增加0.04亿元；农业用水量的不断增大，使得水资源损耗的价值也在增长，从2002到2012年，平均每年增加0.11亿元。

(4)从多元逐步回归分析的结果可知，精河县农田生态系统的服务功能的经济价值受精河县第一产业投资、农业机械总动力、农业用电量、有效灌溉面积和地表水平均径流量等多种因素的影响。

农田生态系统具有多种多样的服务功能，本文研究过程中，由于资料收集有限，仅对农田生态系统的主要功能进行了定量评价，其他服务价值有待于进一步开展研究和估算。

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