三峡库区蓄水前后农田生态系统服务与环境压力分析

段颖琳，刘　峰,*，赵　帅，李勇志，赵俊杰,3

1 西南大学资源环境学院，重庆　400715 2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 中国科学院水库水环境重点实验室，重庆　400714 3重庆市烟草公司巫山分公司，重庆　404700



三峡库区蓄水前后农田生态系统服务与环境压力分析

段颖琳1，刘峰1,*，赵帅1，李勇志2，赵俊杰1,3

1 西南大学资源环境学院，重庆400715 2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 中国科学院水库水环境重点实验室，重庆400714 3重庆市烟草公司巫山分公司，重庆404700

摘要:农田生态系统是人类赖以生存的基础，重大工程影响下农田生态系统服务的响应与反馈对指导工程影响区的社会经济发展具有重要意义。基于三峡工程蓄水前后(2002，2011)的农业生产数据，评估了库区农田生态系统服务价值，并对其在蓄水前后的变化特征与环境压力进行了分析。结果表明：(1)三峡库区蓄水后，农田生态系统各项服务价值均增加，总价值增加了16.81%，增加部分主要为产品供给、休闲旅游和气体调节，相对于生产功能与生活功能，生态功能价值增加幅度较小；(2)总价值的变化是自然与包括三峡工程在内的人类活动综合影响的结果，其增加原因主要与常用耕地面积增加、种植结构调整、化肥农药施用强度增加，以及休闲旅游发展和科研投入加大有关，部分区县，尤其是常用耕地面积下降的区县，种植结构调整、化肥农药施用强度的增加起主导作用，按1990年不变价计算，库区蓄水淹没耕地损失的农田生态系统服务价值约为4.24亿元/a，其中产品供给价值1.37亿元/a；(3)化肥农药施用强度增加，化肥施用增产效益下降，是维持与提高库区农田生态系统产品供给服务所带来的环境压力，而农田生态系统服务除受到化肥农药施用强度增加对其自身的抑制外，还受到总人口增加与农业人口减少、耕地资源逐年减少和蓄水淹没高质量耕地的制约。

关键词：三峡库区；农田；生态系统服务；蓄水；环境压力

自从Daily和Costanza等从生态学和经济学的不同角度探讨了生态系统服务及其价值，使生态系统服务可以由定性到定量进行研究后[1- 2]，生态系统服务的概念和理论被迅速应用于不同尺度和不同类型的生态系统服务价值评估之中。经过理论和实践研究的不断发展，基于生态系统服务及其变化的定量评价以揭示其对人类福利的影响研究，成为生态系统服务的重要研究内容。近年来的研究主要集中在土地利用/土地覆被变化及其驱动力(如政府政策、自然环境变化等)对生态系统服务的影响方面[3- 5]，从生态系统服务的角度探讨了人类活动的得失，表明城镇化往往导致生态系统服务能力降低，水保措施能有效提升坡耕地的生态系统服务能力。农田生态系统服务研究方面，国外学者Björklund等[6]研究了瑞士农业景观在不同生产强度下的生态系统服务，Daily等[7]评价了澳大利亚典型农场收益的组成。国内学者在研究中国陆地生态系统服务[8]时较早地计算了农作物有机质生产、固定CO2与释放O2、营养物循环等生态系统服务间接价值，随后从理论上对农田生态系统服务的概念、内容及评价方法进行了探讨[9]。在全国层面，对不同生态区(东北地区、黄淮海地区、黄土高原地区、青藏高原地区、长江中下游地区、西南地区、华南地区)[10]和粮食主产区(东北、华北、长江流域的12个省份)[11]农田生态系统服务价值进行了评估；在区域层面，针对典型地区(北京郊区[12]、河北省栾城县[13]等)、生态区(玛纳斯河流域[14]、民勤绿洲[15]等)的农田生态系统服务价值进行了评估。此外，也从时间和空间的角度进行了农田生态系统服务变化及影响因素的研究，如耕地面积与流域生态系统服务价值的时空变化。上述分析表明，我国农田生态系统服务研究从理论、评估方法到应用都有了较大的进展。

三峡工程从2003年6月开始蓄水，坝前水位达135 m，2010年10月达175 m正常蓄水位，标志三峡工程开始全面发挥水库综合效益。三峡库区作为我国重要生态区，在整个长江流域生态安全上有着重要的作用，因其大型河道型水库的特征与极高的社会关注度而成为热点研究区域。从生态系统服务方面的研究来看，已对三峡库区生态系统服务的重要性进行了评价[16]，分析了土地利用变化、城市化对库区生态系统服务的影响[17]，以及三峡工程对河流生态系统服务影响的初步探讨[18]，但针对库区农田生态系统服务的研究相对不足。农田生态系统服务作为库区生态系统服务的重要组成部分，除影响着库区其他生态系统类型的生态系统服务外，还与库区移民致富紧密相关。因此，研究库区蓄水前后农田生态系统服务价值变化与环境压力，对库区移民安稳致富、库区生态环境建设与保护等三峡后续工作具有重要意义。

1研究区概况

三峡库区(图1)位于长江上游下段，东起湖北夷陵区、西至重庆江津区、南起武隆县、北至开县，地理范围在东经105°49′—111°39′，北纬28°31′—31°44′之间，包括重庆巫山县、万州区、涪陵区等22个区、县(自治县)和湖北省巴东县、兴山县、秭归县、夷陵区，幅员面积约5.8万km2[19]。三峡水库原河道面积为445 km2，蓄水后水面面积增大，成库后水面面积达1045 km2[20]。库区地质构造复杂，地貌以山地、丘陵为主。多年平均气温15—18℃。常年雨量充沛，为我国暴雨中心之一，多年平均降雨量为1150.26 mm[21]。全年降水以夏季为主，主要出现在4—9月。土壤类型主要有黄壤(30.29%)、紫色土(20.21%)、黄棕壤(17.76%)、石灰土(12.10%)、水稻土、棕壤、潮土、红壤、草甸土等，其中耕地土壤紫色土约占65%[22]。主要农作物有水稻、小麦、玉米、薯类、油料、甘蔗、烤烟、蔬菜及果树等。据《长江三峡工程生态与环境监测公报》数据，粮食作物和经济作物种植面积所占比例2002年分别为77.5%和22.5%，2011年分别为65.6%和34.4%；2000—2011年，退耕还林还草面积累计17.06万hm2，其中2002—2011年为16.15万hm2。

三峡库区淹没土地共涉及277个乡、1680个村、6301个组，其中耕地168.67 km2、园地(含柑桔园)72.00 km2、河滩地38.00 km2、林地32.00 km2、柴草山24.00 km2，以及鱼塘3.13 km2[23]。三峡库区具有人口密集、经济基础薄弱、生态环境脆弱等突出特点，经济社会发展长期落后于全国平均水平[24]。

图1　三峡库区区位及水系图Fig.1　Location and water system of the TGRA

2数据来源及研究方法

2.1数据来源

数据主要来源于《重庆统计年鉴》2002、2003、2012年，《宜昌统计年鉴》2003、2012年，《恩施州统计年鉴》2003、2011年[25- 31]，《中国区域经济统计年鉴》2012年[32]，各区县统计信息、统计公报、重庆农业农村信息网(www.cqagri.gov.cn)。

2.2评价指标

将三峡库区农田生态系统服务分为生产功能(产品供给)、生态功能(调节服务——气体调节、水分保持、净化环境，支持服务——营养物质循环、土壤保持)和生活功能(休闲旅游和科研教育)3类[9,33]。生产功能和生活功能的价值为直接使用价值，采用市场价值法、旅行费用法和条件价值法评估；生态功能的价值为间接使用价值，采用影子价格法、替代成本法、影子工程法和机会成本法评估(表1)。

2.3研究方法

2.3.1产品供给

产品供给服务价值采用市场价值法评估。主要农作物包括粮食作物(水稻、玉米、小麦、豆类、薯类)，油料(油菜籽、花生)，甘蔗，烟草和蔬菜。市场价格均采用1990年不变价。

表1　农田生态系统服务类型及其价值评价指标与方法

2.3.2气体调节

根据三峡库区农田生态系统各类作物的经济产量、经济系数、作物经济产量含水量等[34- 38]，折算主要农作物生物量(含经济产量与秸秆)。再根据光合作用方程式计算农田生态系统各类作物在生长期间的固碳释氧量。O2的单价按照造林成本法和工业制氧法的平均值0.3765元/kg[8]计算；C的单价按照造林成本法和瑞典碳税法的平均值0.751元/kg[8,39]计算。

2.3.3水分保持

根据三峡库区农田非毛管孔隙度、土壤容重和土地利用等属性，计算农田土壤水分保持量，运用影子工程法计算其价值。各参数取值为非毛管孔隙度7.03%[40]，土壤容重取三峡库区紫色土和黄壤的平均值1.374 t/m3[22]，水库库容成本0.67元/m3[8]。计算公式如下：

E1=S×D×P非×V×10000

(1)

式中,E1为农田土壤水分保持价值量(元)；S为农田面积(hm2)；D为土层厚度(0.6 m)；P非为非毛管孔隙度(%)；V为水库库容成本(元/m3)。

2.3.4净化环境

净化环境价值的计算包括净化大气环境和消纳废弃物两个方面。采用替代成本法计算农田吸附SO2、NOx和粉尘的价值。农田吸收SO2能力45 kg hm-2a-1，滞尘能力0.95 t hm-2a-1，吸收NOx能力33.5 kg hm-2a-1[41- 42]。吸收SO2的成本为0.6元/kg[8]，净化NOx的成本为0.6元/kg[42]，削减粉尘成本为0.17元/kg[8]。采用替代成本法计算农田生态系统消纳畜禽粪便的价值。我国耕地畜禽粪便的负荷为30 t/hm2[43]，三峡库区养殖业较发达，畜禽粪便的单位耕地负荷大于该值[44]，农田消纳畜禽粪便量按保守的30 t/hm2计算，粪便处理平均成本为0.1元/kg[12]。

2.3.5土壤保持

土壤保持价值表现为土壤肥力保持、减轻泥沙淤积和减少土地废弃三方面。采用潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量的差值计算土壤保持量。依据库区相关研究成果，获取农田土壤保持量[45],水库库容成本为0.67元/m3[8],农田年均收益采用农业产值估算,土壤养分含量为三峡库区紫色土和黄壤养分含量的平均值[46],养分价格采用我国化肥的平均价格2549元/t[8]。

E2=A×24%/ρb×C×S

(2)

式中,E2为农田减少泥沙淤积价值量(元/a)；A为单位面积土壤保持量(t hm-2a-1)；24%为泥沙淤积在河道占总流失量的百分比；C为水库库容成本(元/m3)；ρb为土壤容重(t/m3)；S为农田面积(hm2)。

E3=A×B/(ρb×D)×S×10000

(3)

式中,E3为农田减少土地废弃价值量(元/a)；A为单位面积土壤保持量(t hm-2a-1)；B为单位面积农田年均收益(元/hm2)；ρb为土壤容重(t/m3)；D为土层厚度(0.6 m)；S为农田面积(hm2)。

E4=A×P/1000×R×S

(4)

式中,E4为农田土壤肥力保持价值量(元/a)；A为单位面积土壤保持量(t hm-2a-1)；P为养分含量(g/kg)；R为养分价格(元/t)；S为农田面积(hm2)。

2.3.6营养物质循环

农田生态系统的凋落物量较小，本文从生物库方面考虑农田生态系统的养分持留，即参与循环的植物体内氮磷钾积累量。由于农田不同于自然林地、草地等，其收获部分会带走土壤养分，本文以作物秸秆中氮磷钾含量进行估算，并采用影子价格法计算其价值。

2.3.7休闲旅游

三峡库区建有农业观光园、采摘园、农家乐等旅游休闲区，与库区其它农田共同提供了景观娱乐价值。本文休闲旅游价值采用区域主导休闲农业旅游形式的价值进行估算。因重庆与湖北可获取数据类型的不同，以《重庆市旅游农业发展总体规划(2006—2010)》数据估算库区重庆段2002、2011年农业旅游收入，考虑到农业旅游中“农家乐”旅游占的比例最高，以2009年重庆市首批157家星级农家乐在各区县的分布数量为权重，估算各区县蓄水前后的农业旅游收入；以《湖北省乡村旅游发展总体规划》数据估算库区湖北段农家乐和星级农家乐平均收益，再根据各区县2002年与2011年农家乐户数得到湖北段各区县农业旅游收益。

2.3.8科研教育

三峡库区的科研价值巨大，很多研究有待深入开展，因科研项目有研究期限，采用库区蓄水前后各3a中国知网项目数据库(projects.cnki.net)的平均科研经费投入中与农业相关的部分进行保守估算。

2.3.9环境压力

农田生态系统服务在给人类和环境提供生产、生态、生活功能的同时，其生产活动也会给环境带来一定的负面影响，包括化肥和农药的不合理施用、地膜残留、不合理的污水灌溉，以及农田温室气体排放所带来的环境污染和资源破坏等。本文以人均生态系统服务价值量、化肥农药施用强度、肥料偏生产力三项指标估算库区农田的环境压力。

(1)地区人口的增加对其环境造成较大的压力，如果某地区生态系统服务价值年度总量的增加不能弥补新增人口对环境造成的压力，将导致一系列的环境问题。因此，人均生态系统服务价值量可以较直观地表征环境压力状况:

人均生态系统服务价值(元/人)=生态系统服务价值年度总量(万元)/当年人口总数(万人)

(2)农业生产对环境和资源的负面影响包括农业生产的环境污染、农业对水资源的消耗、水资源流失和生物多样性损失等方面。本文采用化肥施用强度和农药施用强度两项指标评价农业对环境的负面效应[47]:

化肥施用强度(kg/hm2)=化肥施用量(折纯)(kg)/播种面积(hm2)

农药施用强度(kg/hm2)=农药施用量(kg)/播种面积(hm2)

(3)肥料偏生产力(PFP)可以有效地反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量的综合效应。PFP越大，表明土壤基础养分水平越高，化肥施用量综合效应越好:

肥料偏生产力(kg/kg)=施肥后所获得的作物产量(kg)/化肥纯养分的投入量(kg)

3结果与分析

3.1直接价值3.1.1产品供给

受退耕还林工程、蓄水耕地淹没、基本农田建设与土地整理等的影响，三峡库区常用耕地面积由2002年的80.71万hm2增加至2011年的85.78万hm2，增幅6.28%。加之化肥与农药施用强度增加的影响，库区各类农作物产量由2002年的1100万余t增加到1500万余t。产品供给价值则由55.04亿元增加到69.51亿元，增幅26.29%(表2)。各类农产品产量均有增加，以甘蔗、蔬菜产量增加幅度较大，分别增加至2002年的5.36倍和1.83倍，经济作物与蔬菜产量占农产品产量的比重也由43.81%增加至58.33%，价值比重由36.26%增加至49.14%，表明种植结构发生改变。同时，单位耕地面积粮食产量由13.74t/hm2增加至17.56 t/hm2，增幅为27.80%。

常用耕地面积增加、种植结构调整、化肥农药施用强度的增加是农产品供给价值增加的重要原因。然而，有研究表明三峡库区耕地资源逐年减少，耕地资源紧张[48]，而化肥、农药施用强度的增加，不利于农田生态系统服务的可持续供给与进一步提升，且可能给三峡水库的水环境安全带来威胁。因此，通过基本农田建设进一步提升地力与优化农田景观格局，控制化肥农药的施用而增施有机肥，同时进一步调整种植结构将是三峡库区农田生态系统服务能力建设的重要内容。

表2　三峡库区蓄水前后农田生态系统产品供给价值

3.1.2休闲旅游

三峡库区乡村旅游业资源丰富、旅游客源市场广阔、交通支持体系便捷，已具有一定的发展基础，加上政府积极宣传推广，库区近年来旅游业发展迅速，农家乐经营逐步规范。农业旅游总收入由2002年的2.91亿元增加至2011年的22.69亿元，换算为1990年不变价分别为1.45亿元和8.69亿元(表3)，其占直接价值(产品供给与休闲旅游价值之和)的比例由2.57%增加至11.11%。表明乡村旅游的大力发展取得了明显的经济效益，已逐渐成为库区农田生态系统服务直接价值的重要组成部分。

表3　三峡库区蓄水前后农田生态系统休闲旅游价值

3.1.3科研教育

三峡库区是生态敏感区，三峡工程对其环境和生态的影响非常广，针对三峡库区开展的各项科学研究不断增加。根据中国知网科研项目数据库(projects.cnki.net)，2000—2002年库区平均每年科研项目资金投入为40.33万元，其中与农业相关的为每年11.33万元；蓄水后近3a(2009—2011)平均每年科研项目资金投入为1231.81万元，其中与农业相关的为每年128.00万元。换算为1990年不变价后，农业科研投入从蓄水前5.66万元/a增长至49.00万元/a，为蓄水前的8.66倍(表4)。

表4　三峡库区蓄水前后农田生态系统科研教育价值

3.2间接价值3.2.1气体调节

如表5所示，库区蓄水后各农作物生物量均增加，生物量由1118.10万t增加至1203.63万t，增加量主要来自于蔬菜、粮食和油料作物的增加，分别占总增加量的44.27%、30.11%和20.79%。而各作物生物量的增加幅度以甘蔗最大为4.36倍，其余依次为蔬菜82.53%、油料32.77%、烟叶19.15%、粮食2.56%。除粮食外，其余各作物生物量的增加幅度都超过了总生物量的增加幅度7.65%。对应气体调节价值由87.78亿元增加至94.49亿元，增幅7.65%，为森林生态系统调节当地气候起到了一定的补充作用。

表5　三峡库区蓄水前后农田生态系统气体调节价值

3.2.2水分保持

受常用耕地面积增加的影响，库区蓄水后农田土壤水分保持量增加了2136.28万t，服务价值增加了0.14亿元，上升幅度与常用耕地面积上升幅度一致(表6)。

表6　三峡库区蓄水前后农田生态系统水分保持价值

3.2.3净化环境

如表7所示，蓄水后库区农田生态系统净化环境价值由25.90亿元增加至27.52亿元。由于库区养殖业较发达[44]，表现为农田消纳废弃物价值远高于净化大气价值。

表7　三峡库区蓄水前后农田生态系统净化环境价值

3.2.4土壤保持

如表8所示，受常用耕地面积增加的影响，蓄水后库区土壤保持量增加，减轻泥沙淤积价值、土壤肥力保持价值随之增加，加之农田年均收益增加，减少土地废弃价值增幅较高，为26.27%，使得土壤保持价值增幅(6.53%)略高于常用耕地面积增幅(6.28%)。

表8　三峡库区蓄水前后农田生态系统土壤保持价值

3.2.5营养物质循环

由于库区作物经济产量增加，秸秆产量相应增加，维持营养物质循环价值由3.40亿元增加到3.69亿元，增幅8.53%(表9)。由于粮食作物播种面积最大，蓄水前后其服务价值均占总价值的90%以上，也是蓄水后营养物质循环价值增加的主要部分，但其所占比例略有下降，体现了农业种植结构的调整。尽管蔬菜产量成倍增加，但蔬菜秸秆生物量低，对营养物质循环价值贡献不大，而更多地是带走土壤养分，从而依靠施肥以维持产量，进而使得环境压力增大。此外，由于农村燃料、养殖等的需求，加之秸秆机械化还田在丘陵山地区存在一定的难度与较高的成本，作物秸秆并未全部还田，实际营养物质循环价值会低于该估算值。

3.3总价值构成及空间分布3.3.1总价值构成

如表10所示，从库区农田生态系统服务总价值来看，蓄水后由184.66亿元增加到215.70亿元，增幅16.81%，增加部分主要体现在产品供给、休闲旅游和气体调节上，其增加量占总价值增加量的比例分别为46.62%、23.32%和21.62%。从变化幅度来看，科研教育和休闲旅游服务价值的增加尤为显著，与蓄水前相比分别增加了7.66倍和4.99倍，休闲旅游价值的成倍增长使其逐渐成为直接价值的重要部分；之后是产品供给服务价值，增幅为26.29%，其他服务价值增幅均低于10%。蓄水前农田生态系统总服务价值约为产品供给价值的3.4倍，蓄水后降为3.1倍，间接价值与直接价值的比值由2.3降为1.8。

表9　三峡库区蓄水前后农田生态系统营养物质循环价值

从农田各项生态系统服务价值所占比例来看，蓄水前后基本一致，占30%左右的为气体调节和产品供给，占10%以上的为净化环境，其它服务价值所占比例均低于10%，蓄水后气体调节服务价值占总价值的比例变化较大，减少了3.73个百分点。尽管蓄水后生态功能价值略有增加，但其增幅(7.28%)远小于总价值的增幅(16.81%)，其占总价值的比例下降了5.66个百分点。

表10　三峡库区蓄水前后各项农田生态系统服务价值及其所占比例对比

如前文所述，2002—2011年间，退耕还林工程实施了16.15万hm2，蓄水淹没耕地1.69万hm2，单位面积农田生态系统服务价值由2.29万元/hm2增加至2.51万元/hm2。按照2011年单位面积农田生态系统服务价值估算，蓄水淹没耕地的农田生态系统服务价值约为4.24亿元/a，其中产品供给价值1.37亿元/a。

3.3.2价值空间分布

库区蓄水前后各区县农田生态系统服务价值变化空间分布如图2所示。蓄水后各区县农田生态系统服务价值除重庆主城区明显下降、长寿区略有下降外，其余均增加；常用耕地面积减少与粮食总产量降低是上述区域农田生态系统服务价值下降的主要原因。尽管江津区、万州区、秭归县等区县常用耕地面积也明显减少(减少1035—3790hm2)，但低于长寿区与重庆主城区的减少量(分别为5585hm2和17648hm2)，且因种植结构变化后经济作物与蔬菜的产量增加量较大，加上化肥、农药施用强度增加(增幅分别为江津37.72%、37.12%，秭归105.56%、30.67%)，其农田生态系统服务价值仍表现为增加。农田生态系统服务价值增加量与增幅最高的为江津区、其次为涪陵区，前者主要由于粮食产量增加量最高，后者由于蔬菜产量增加量最高所致。

2002年服务价值大于等于15亿元的区县仅有重庆主城区，到2011年增加了江津区、涪陵区、万州区和开县；同时，2011年夷陵区、巫山县和石柱县超过了8亿元，使得低于8亿元的区县由8个下降到5个。从空间分布上看，农田生态系统服务价值低于8亿元的区县集中在库首的秦巴山片区与渝东南武陵山区，这可能与上述区域地形地势造成的耕地资源差异有关。具体而言，三峡库区库尾段位于四川盆地东部边缘，地势复杂性较低，相对平坦开阔，耕地资源相对丰富，除重庆主城区外，2011年常用耕地面积介于36600—67850hm2之间；库首段属川鄂边境山地，受大巴山、巫山等山脉影响，地势复杂，山高坡陡，耕地资源贫乏，尤其是兴山县、秭归县和夷陵区，其2011年常用耕地面积介于12950—35980hm2之间；渝东南武陵山区则受到山多地少耕地资源稀缺，“望天田”较多等因素的制约，武隆县、石柱县和丰都县2011年常用耕地面积介于29500—37660hm2之间。

图2　三峡库区蓄水前后农田生态系统服务价值空间分布Fig.2　Spatial distribution of ESV of farmland in the TGRA before and after impoundment

3.4农田生态系统服务与环境压力3.4.1农业生产所带来的环境压力

农田生态系统与自然生态系统的本质区别在于自然演替的进程被人为截断，人为干预的设定目标是获得更多的有益于人类自身的净产出[49]，表现为维持与提高农田生态系统的产品供给服务。而农作物种植过程中化肥、农药等的施用会不可避免地带来面源污染等问题。本文以库区蓄水前后农田化肥、农药施用强度和PFP值的变化来表征获得该水平农田生态系统产品供给服务时所带来的环境压力的变化。

如表11所示，蓄水后农田生态系统化肥和农药的施用强度均明显增加，化肥施用强度由224.94 kg/hm2增长至313.46 kg/hm2，增幅为39.35%；农药施用强度由5.52 kg/hm2增长到6.00 kg/hm2，增幅为8.70%。其中，化肥施用强度增幅远高于单位面积产量、农田生态系统产品供给价值与总价值的增幅。不过，与全国平均的化肥施用强度351.50 kg/hm2(2011年)和农药施用强度11.01 kg/hm2(2011年)[50]相比，库区仍相对较低。然而，由于库区水环境安全的特殊性，农田生态系统农药、化肥施用强度对库区水质与水环境的影响不容忽视。根据2003、2012年《长江三峡工程生态与环境监测公报》[51- 52]，2002年库区全年化肥流失总量为1.07万t折纯；2011年全年化肥流失总量为1.23万t折纯，农药全年流失44.9t。此外，据统计[53]消落带中共有耕地(水田、旱地)133.67 hm2，虽然这些农田提供了一定的粮食，但消落带生态十分脆弱，在此区域的农业种植会给三峡水库带来一系列的环境问题。从农田PFP值来看，蓄水前后无明显变化，分别为27.88 kg/kg和27.46 kg/kg，但高于全国平均值16.9 kg/kg(2005年)[54]，表明三峡库区农田土壤基础养分水平和化肥施用量的综合效应与我国平均水平相比相对较好。而同期重庆非库区农田PFP值蓄水前后分别为29.27 kg/kg和26.60 kg/kg，相比而言库区农田PFP值相对稳定。

上述分析表明，蓄水后库区化肥施用强度等的加大，对农产品增产做出了贡献，但PFP值的变化表明化肥的增产效益有下降的趋势，同时增加了农业面源污染的风险。

3.4.2人口、耕地资源压力对农田生态系统服务的影响

如表11所示，蓄水后库区近10年间，总人口增加了7.28%，而农业人口减少了14.05%。由于总人口的增加幅度低于农田生态系统服务价值的增加幅度，使得人均农田生态系统服务价值(总人口)增加了8.89%。表明，库区蓄水后农田生态系统服务价值的增加已较好地缓冲了人口增长的压力。然而，库区人均常用耕地面积已由0.041hm2下降为0.0405hm2。

同时，耕地资源也在逐年减少[48]，人地矛盾更加突出。耕地面积的变化受多种因素影响，有研究表明三峡库区耕地面积变化的主要驱动因素为人为活动，尤其与1998年以来实施的退耕还林工程有关[55]。尽管退耕还林面积(16.15万hm2)远高于库区淹没的耕地面积(1.69万hm2)，但在库区平地厚地成片地少、坡地薄地零星地多的自然条件下(如云阳县2000年前坡度在25°以上的耕地为5万hm2，居重庆之首[56])，淹没的耕地在质量、水源、交通等方面都具有突出的优势，在退耕还林工程与蓄水耕地淹没等的综合作用下，部分区域耕地面积会明显减少。本文统计的库区常用耕地面积虽略有增加，但仍然受到耕地资源紧张的制约，中国科学院遥感应用研究所[48]对三峡库区耕地的遥感动态监测研究表明，三峡库区耕地资源逐年减少，垦殖指数呈现减小趋势，耕地资源紧张。前文的空间分析也表明，部分区县的常用耕地面积也表现出明显减少，且农田生态系统服务价值低于8亿元的区县集中在秦巴山区与渝东南武陵山区，主要受耕地资源数量不足与质量不高的双重制约，而库区蓄水淹没耕地使得上述区县作物在较高海拔区域种植的比例增加，由缓坡向陡坡发展，并进一步受到水资源的制约。因此，农田生态系统服务价值的进一步增加将更多地依赖耕地质量、种植强度与种植水平等的提高。此外，农业人口的下降和城镇人口的增加，使得对农田生态系统服务缓解城镇环境压力的需求增加。

综上所述，库区蓄水后，农田生态系统服务受到耕地资源逐年减少、高质量耕地淹没、总人口增加和农业人口减少等多种因素的影响。此外，三峡库区农田生态系统服务中生态功能价值增加幅度较小，其占总价值的比例也下降了5.66个百分点，表明库区农田生态系统服务直接价值(休闲旅游与产品供给)的可持续供给与进一步提升可能会受到间接价值不足和环境压力升高的制约，进而加大对库区其它生态系统(如林地等)间接价值的需求。

表11　三峡库区蓄水前后农田生态系统服务价值与环境压力

4结论与讨论

三峡库区蓄水后，农田生态系统各项服务价值均增加，总价值增加了16.81%，增加部分主要体现在产品供给、休闲旅游和气体调节，休闲旅游的发展使得休闲旅游价值成倍增长，使其逐渐成为直接价值的重要部分。与生产功能和生活功能价值增加幅度26.29%和4.99倍相比，生态功能价值增加幅度较小，仅为7.28%，其占总服务价值的比例也下降了5.66个百分点，表明库区直接价值(休闲旅游与产品供给)的可持续供给与进一步提升可能会受到间接价值不足的制约，进而加大对库区其它生态系统(如林地等)间接价值的需求。

农田生态系统总服务价值的变化是自然与包括三峡工程在内的人类活动综合影响的结果，其增加原因主要与常用耕地面积增加、种植结构调整、化肥农药施用强度增加，以及休闲旅游发展和科研投入加大有关；在退耕还林工程与蓄水耕地淹没等的综合作用下，部分区域耕地面积会明显减少，在这些区域，种植结构调整、化肥农药施用强度增加对农田生态系统服务价值的增加起主导作用。按照本文2011年单位面积农田生态系统服务价值(1990年不变价)估算，蓄水淹没耕地的农田生态系统服务价值约为4.24亿元/a，其中产品供给价值1.37亿元/a。

化肥农药施用强度的增加，化肥施用增产效益的下降，是维持与提高农田生态系统产品供给服务所带来的环境压力，而农田生态系统服务除受到化肥农药施用强度增加对其自身的抑制和间接价值所占比重下降的影响外，还受到总人口增加与农业人口减少、耕地资源逐年减少和蓄水淹没高质量耕地的制约。空间分布上看，农田生态系统服务价值低于8亿元的区县集中在秦巴山区与渝东南武陵山区，上述区域农田生态系统服务受耕地资源数量不足与质量不高的双重制约作用更为明显。因此，农田生态系统服务价值的进一步增加将更多地依赖耕地质量、种植强度与种植水平等的提高。此外，尽管休闲旅游的发展使其逐渐成为库区农田生态系统直接价值的重要组成部分，但同时旅游消耗也在一定程度上加大了对农田生态系统服务的需求，从而可能加重当前的环境压力。

也有研究表明，库区耕地生态系统服务价值从1990年至2011年表现为下降，下降幅度达43.42%[57]，该结果采用的是修订的单位面积生态系统服务价值当量因子与TM影像解译的该类土地面积的乘积计算得出。本文与该研究结果不同的原因主要在于计算时间段和农田生态系统服务项的不同，本文计算的时间段为2002—2011年，计算服务项中未包括生物多样性保护等内容。

此外，库区蓄水引起的气候变化也可能对农田生态系统服务带来影响。有研究表明2004—2007年库区各站点年平均温度均比常年偏高或接近常年，偏高幅度在0.2—1.0℃，比预计值(偏高0.1—0.2℃)大，这种变化是在全球气候变暖背景下发生的，年平均气温的上升受全球气候变暖和三峡水库蓄水共同影响。现有观测资料和数值模拟结果表明，三峡水库建成蓄水后，对库区周边局地小气候产生了微小的影响，已表现为冬暖夏凉的气温微调作用[58]。三峡库区蓄水所产生的诸如气候变化等的影响是一个慢变过程，且需要更长时间的观测资料积累以及更小尺度和加密的观测资料分析才能更科学、准确地判断水库蓄水的影响，同时目前仍缺少这种影响的定量化研究。

综上所述，三峡库区蓄水后经过近10年的发展，总体上常用耕地面积略有增加，种植结构调整、化肥农药施用强度增加、休闲旅游发展和科研投入增加使得农田生态系统各项服务价值均不同程度增加，且休闲旅游价值逐渐成为直接价值的重要组成部分，但间接价值所占比例明显下降。同时，耕地资源紧张和人口增加，加之化肥、农药施用强度增加，不利于农田生态系统服务的可持续供给与进一步提升，进而可能给三峡水库的水环境安全带来威胁。对于三峡库区未来农业的发展，除通过生态退耕等措施缓解农业生产带来的环境压力外，可进一步利用农田生态系统内部的生态过程优化来调整农田生态系统服务，同时重视耕地质量建设与种植水平等的提高，从而提升农田生态系统服务，并控制农药、化肥的用量，减轻环境压力。

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Analysis of farmland ecosystem services and environmental pressures in the Three Gorges Reservoir Area, before and after impoundment

DUAN Yinglin1, LIU Feng1,*， ZHAO Shuai1, LI Yongzhi2, ZHAO Junjie1,3

1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2KeyLaboratoryofReservoirAquaticEnvironment,ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,ChineseAcademyofSciences,Chongqing400714,China3WushanBranchofChongqingTobaccoCorporation,Chongqing404700,China

Abstract：Farmland ecosystems are fundamental to human survival, and the response and feedback of farmland ecosystem services to the impacts of major projects are of vital importance for guiding regional social and economic development. Based on agricultural production data of the Three Gorges Reservoir Area (TGRA) before and after impoundment (2002, 2011), the Ecosystem Service Value (ESV) of farmland in the TGRA was estimated; changes in its characteristics and environmental pressures were also discussed. The results show that (1) after impoundment, each ESV of farmland increased, and the Total Value increased by 16.81%; the values of product supply, leisure tourism and gas regulation dominated the increase of the Total Value; compared with product supplying and life ensuring, the value of ecological regulating showed a relatively small increase. (2) The change in the Total Value was the result of natural and human activities, including the Three Gorges Project; the increase in Regularly Cultivated Land, planting structure adjustment, increased use intensity of chemical fertilizer and pesticide, development of leisure tourism, and increased scientific research input were the major reasons for the increase of the Total Value. For some counties, especially those with decrease in Regularly Cultivated Land, planting structure adjustment and the increased use intensity of chemical fertilizer and pesticide might be the main reasons for the increased farmland ESV. After being normalized to the consolidated value of year 1990, the inundation of cultivated land decreased the farmland ESV by 424 million yuan per year, among which the value of product supply was 137 million yuan peryear. (3) The increased use intensity of chemical fertilizer and pesticide, and the decreased contribution of chemical fertilizer to crop yield were the environmental pressures imposed by maintaining and promoting the product supply of the farmland ecosystem in the TGRA. Moreover, the farmland ESV was not only influenced by the above-mentioned environmental pressures, but also by the increase in population, the decrease in agricultural population, the decrease in land resources, and the inundation of high-quality cultivated land.

Key Words:Three Gorges Reservoir Area; farmland; ecosystem service; impoundment; environmental pressure

基金项目:国家自然科学基金项目(40901290)；中央高校基本业务费专项资金资助(XDJK2015C058)

收稿日期:2014- 10- 08;

修订日期:2015- 07- 21

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: fengliu@swu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201410081977

段颖琳，刘峰，赵帅，李勇志，赵俊杰.三峡库区蓄水前后农田生态系统服务与环境压力分析.生态学报,2016,36(9):2750- 2763.

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