北京市耕地生态价值评估与时空变化分析*

2018-04-16唐秀美潘瑜春

中国农业资源与区划 2018年3期

唐秀美，潘瑜春※，刘玉

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100097； 2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100097)

0 引言

耕地资源是人类生存和发展不可替代的重要资源。在我国，耕地资源承载着保证粮食安全和社会稳定的功能，因此，我国政府高度重视耕地保护，将其列入基本国策，采取“世界上最严格的耕地保护政策”[1]。耕地资源是一种公众资源，人类对耕地的需求呈现多样性、层次性、区域性特点，在不同的区域耕地价值需求主体侧重点不同，耕地价值的体现也随之有所侧重[2]。目前许多学者从不同角度对耕地价值进行分类[3-5]，并对耕地的生态价值、社会保障价值、经济价值进行理论探讨和定量化研究[6-8]。2000年以来，随着全球城市化进程的加快，生态系统服务稀缺性变得越来越突出，耕地生态系统的多功能性受到了空前的重视，国外有关农地价值，特别是耕地生态价值的研究成为热点[9-11]。目前耕地生态价值评估中，采用的方法主要包括价值当量修正法、替代市场法和条件价值评估法等方法[13]。已有研究中，耕地生态功能类型多样，未有公认的分类体系，且测算方法多样，多以耕地面积为基础，计算不同年份之间的生态价值差异，而对同一区域内部空间之间的差异分析研究较少。基于此，该研究结合北京市耕地所处位置和影响因素，构建了适合区域的耕地生态价值评估模型，以期合理测算耕地生态功能，分析区域内部生态价值差异和变化规律，从而为区域耕地保护和多功能利用奠定基础。

1 研究区概况与数据基础

1.1 研究区概况

北京市位于华北平原西北隅，北纬39°38′～41°51′，东经115°25″～117°30′，东西宽约160km，南北长约170km，东南距渤海约150km，辖16个区。北京是中国的首都，是全国的政治经济文化中心，其土地利用呈现明显的圈层分布特点。北京市耕地资源稀缺，发挥耕地的多功能性对于北京市可持续发展和建设宜居城市有重要意义。

1.2 数据来源

数据来源为中国科学院资源环境科学数据中心的土地利用数据，该数据利用陆地卫星TM的数字图像作为原始数据源，解译分类的定位误差为小于两个像元(60m)。数据时期为1980年、1995年、2000年和2013年，数据格式为Shpfile格式。该研究根据研究目的提取了耕地作为研究对象。

2 北京市耕地生态价值分类与评估方法

耕地资源的生态价值是指耕地在调节气候、净化与美化环境、防止水土流失、维护物种多样性等方面所具有的功能价值[1]。结合已有研究和北京市的实际情况，该研究中耕地生态价值包括气体调节功能、净化环境功能、涵养水源功能、固土保肥功能和营养物质循环功能，并对不同的功能进行了细分，在计算单位面积耕地的生态价值基础上，分析不同区域耕地生态价值空间分布状况及变化规律。

2.1 气体调节功能

耕地生态系统大气调节功能价值的评价，首先要计算耕地地块生态系统各种农作物的年净生物量[14]，在此基础上，根据光合作用和呼吸作用方程式得知，生态系统每生产1.00g植物干物质能固定1.62g CO2，释放1.20g O2[15]，据此，采用固碳制氧成本法计算耕地大气调节价值。

E调=ECO2+EO2

(1)

ECO2=PiTMC1

(2)

EO2=PiVC2

(3)

Pi=SP

(4)

其中，E调为耕地大气调节功能价值；ECO2为耕地固碳价值；EO2为耕地释氧价值；Pi为区域耕地第一净生产力总量；T为1.00g植物干物质固定CO2重量，取值为1.62g；M为CO2折算成碳的系数为3/11；C1为碳释放成本价值，取值为638.65元/t；C2为释氧的成本价，以工业制氧成本400元/t计算；V为1.00g植物干物质释放O2重量，取值为1.20g；S为耕地面积(hm2)；P为耕地单位面积第一净生产力，取值为4.829t/(hm2·年)[16]。据此，计算1hm2耕地的大气调节功能价值为：

E调=SPTMC1+SPVC2=1hm2×4 829kg×1.62kg×3/11×0.64元/kg+1hm2×4 829kg×1.20kg×0.4元/kg=1 365.47+2 317.92=3 683.39元/hm2

2.2 净化环境功能

耕地净化环境功能包括吸收有害气体、净化大气、消纳废弃物等。该研究计算耕地净化环境价值主要考虑净化大气和消纳畜禽粪便两个方面。

E净=E气+E消

(5)

式(5)中，E净为耕地净化环境价值；E净为净化大气功能价值；E消为耕地消纳废弃物价值。

2.2.1 净化大气功能

耕地对大气的净化功能主要是指耕地可以依靠自身特殊的结构和功能，通过吸收、过滤、阻隔和分解等生理生化过程[17]。净化大气功能主要计算耕地减少空气中硫化物、氮化物、卤素等有害物质的含量和滞尘所实现的价值。该研究运用恢复费用法计算耕地吸收SO2、HF、NOx和滞尘能力的价值[14]。

E气=ESO2+EHF+ENOX+Ez

(6)

ESO2=SU1C3

(7)

EHF=SU2C4

(8)

ENOX=SU3C5

(9)

EZ=SU4C6

(10)

其中，ESO2为耕地吸收SO2的价值；EHF为耕地吸收HF的价值；ENOX为耕地吸收NOx的价值；Ez为耕地滞尘的价值；结合已有研究，确定主要的参数值[18-19]，U1为单位面积耕地资源吸收SO2量，取值为45kg/(hm2·年)； C3为治理SO2单位成本，取值为3 000元/t；U2为单位面积耕地资源吸收HF的量，取值为0.38kg/(hm2·年)；C4为治理HF单位成本，取值为600元/t；U3为单位面积耕地资源吸收NOx的量，取值为33.8kg/(hm2·年)；C5为治理NOx单位成本，取值为1.6万元/t；U4为单位面积耕地资源的滞尘能力的量，取值为0.95kg/(hm2·年)，C6为治理粉尘单位成本，取值为170元/t。据此，计算1hm2耕地的净化大气功能价值为：

E净=ESO2+EHF+ENOX+Ez=1hm2×45kg/(hm2·年)×3元/kg+1hm2×0.38kg/(hm2·年)×0.6元/kg+1hm2×33.8kg/(hm2·年)×16元/kg+1hm2×0.95kg/(hm2·年)×0.17元/kg=135+0.228+540.80+0.16=676.19元/hm2

2.2.2 消纳废弃物功能

耕地对畜禽粪便的消纳降解可以减少畜禽粪便污染环境，该研究中主要考虑耕地对氮、磷的消纳能力[20]，确定耕地消纳废弃物的计算方法：

E消=S×(∑Vj×Cj)

(11)

式(11)中，Vj为耕地年消纳氮、磷的量，参考已有研究[21-22]，北京市耕地年消纳氮、磷的限量确定为200和40kg/hm2，北京市有机肥的施用比例确定为30%，即北京市耕地消纳氮、磷的量取值为60和12kg/hm2；Cj为j种肥料的价格，根据中国化肥网的统计数据，尿素的平均价格为1 450元/t，过磷酸钙的价格为1 500元/t，氯化钾的价格为1 900元/t，根据纯元素的折算率，氮为46%，磷为17%，钾为55%，确定全氮、全磷、全钾的价格分别为3 152元/t、8 823元/t、3 455元/t[16]，据此，计算1hm2耕地的消纳废弃物价值为：

E消=1hm2×(60kg/hm2×3.15元/kg+12kg/hm2×8.82元/kg)=294.84元/hm2

1hm2耕地的净化环境的价值为：

E净=676.19元/hm2+294.84元/hm2=971.03元/hm2

2.3 涵养水源功能

耕地涵养水源功能主要指耕地对降水的截留、吸收和贮存，将地表水转换为地表径流或地下水的作用[16]。该研究根据水库工程的蓄水成本(替代工程法)确定耕地的水源涵养功能。

2.3.1 涵养水源量

以耕地区域水量平衡法计算耕地涵养水源量。

W水=(G-Z)×S=G×(1-n)×S

(12)

式(12)中，W水为涵养水源量(t)；G为平均降水量(mm/年)，取值为北京市年平均降水量585mm；Z为平均蒸散量(mm/年)；n为耕地资源上作物年蒸腾量占总降雨的比例，参考已有研究，取值为0.84[23]。据此，计算1hm2耕地的涵养水源量为：

W水=626mm/年×(1-0.84)×1hm2=936t

2.3.2 涵养水源价值

耕地涵养水源的价值根据水库工程的蓄水成本(替代工程法)确定。

E涵=W水×C库

(13)

式(13)中，E涵为耕地涵养水源的价值(元)；W水为涵养水源量(t/年)；C库为水库造价(元/t)，根据中国水利年鉴的水库库容造价数据，结合历年价格指数[24]，确定2015年的北京市水库库容造价为6.48元/m3，采用公式(13)计算涵养水源价值。据此，计算1hm2耕地的涵养水源价值为：

E涵=936t×6.48元/m3=6 065.28元/hm2

2.4 固土保肥功能

耕地中农作物覆盖在土壤上，一方面可以减少土壤侵蚀量，另一方面可以保持因土壤侵蚀而使泥沙淤积在水库、江河、湖泊的间接经济价值。因此，耕地的固土保肥功能有保持土壤肥力、减少河流湖泊泥沙淤积和固定肥力(化肥和有机肥)3个方面[24]。研究采用替代市场法和影子工程法计算耕地减少这3方面损失的价值。

E固=E侵+E淤+E肥+E有

(14)

式(14)中，E固为耕地土壤固土保肥价值；E侵为耕地减少土壤侵蚀价值；E淤为耕地减少河流湖泊泥沙淤积价值；E肥为耕地固定肥力(元)；E有为减少有机质损失价格。

2.4.1 土壤侵蚀总量

耕地土壤侵蚀总量的计算公式为：

W土=S×M

(15)

式(15)中，W土为耕地减少土壤侵蚀总量(t)；M为耕地侵蚀模数[t/(hm2·年)]，根据有效林地的侵蚀模数[25]，结合北京市水土保持公报，北京市耕地侵蚀模数平均值为25t/(hm2·年)[26]。

W土=1hm2×25 t/(hm2·年)=25t

2.4.2 减少侵蚀价值

将由计算出的耕地减少土壤侵蚀总量除以土地耕作层的平均厚度，即得耕地减少土地资源损失的面积WA。

(16)

式(16)中，WA为减少土地资源损失面积(hm2)；W土为耕地减少土壤侵蚀总量(t)；T为土壤的平均密度，取值为1.3g/cm3；L为土地耕作层的平均厚度(m)，根据已有研究，取值为0.5 m[16]。

E侵=WA×C耕

(17)

以耕地生产用地的年平均收益，作为耕地减少废弃土地的机会成本，计算耕地减少土壤侵蚀总量的价值。E耕为耕地减少土壤侵蚀总量的价值，C耕为耕地的年平均收益，根据北京市统计年鉴及中国农村统计年鉴数据，确定北京市2015年耕地平均收益为3.2万元/hm2。据此，计算1hm2耕地的减少侵蚀价值为：

E侵=25×103kg/1.3×103kg/m3/0.5m×3.2元/m2=123.08元/hm2

2.4.3 减少淤积价值

按照我国主要流域的泥沙运动规律，一般土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊，这部分泥沙直接造成了水库、江河、湖泊蓄水量的下降，在一定程度上增加了干旱、洪涝灾害发生的机会，另有33%滞留， 37%入海[27]。该文仅考虑淤积于水库、江河湖泊的24%，即每年减少泥沙淤积的经济价值。按照采用影子工程法计算减少河流湖泊泥沙淤积的价值：

E淤=W土×24%×C库

(18)

据此，计算1hm2耕地的减少淤积的价值为：

E淤=25t×24%×6.48元/t=38.88元/hm2

2.4.4 固定肥力价值

固定肥力价值主要根据减少土壤流失中的土壤肥力价值计算。其中，有机质损失的价值采用耕地可增加的薪柴的费用确定。

E肥=∑Rj×Cj×W土

(19)

E有=W有×T有×C有

(20)

式(19)(20)中，Rj为单位侵蚀物中第j种养分元素的含量(g/kg)；结合已有研究，确定北京市土壤中有机质、氮、磷、钾含量为：有机质15.3g/kg，氮0.9g/kg，琳0.8g/kg，钾21g/kg[28-29]；T有为薪材转化成有机质的比例为2： 1；C有为薪材的平均价格取值为211元/t。据此，计算1hm2耕地的固土保肥价值为：

E肥=25 000kg×(0.9 g/kg×10-3×3.15元/kg+0.8 g/kg×10-3×8.82元/kg+21 g/kg×10-3×3.46元/kg)=2 063.78元/hm2

E有=25 000kg×15.3g/kg×10-3×2×0.211元/kg=161.42元/hm2

E固=123.08+38.88+2 063.78+161.42=2 387.16元/hm2

2.5 营养物质循环功能

耕地生态系统的营养物质循环主要在生物库、凋落物库和土壤库之间进行。对于农田生态系统来说，因其凋落物量较小，生物与土壤之间的养分交换过程是最主要的过程[30]，该研究只考虑土壤库和生物库。该文对参与评价的生物库和土壤库中的营养元素仅考虑含量相对较多的氮、磷、钾[31]。

E营=E生+E土

(21)

(22)

(23)

其中，E营为耕地营养物质循环功能价值；E生为生物库参与营养元素循环的价值；E生为生物库中营养物质循环的总价值；Cnj为第j类农产品生物质中含氮的百分比；Cpj为第j类农产品生物质中含磷的百分比；Ckj为第j类农产品生物质中含钾的百分比；Pn、Pp、Pk分别对应于氮、磷、钾的市场价格；E土为土壤库中营养物质循环的价值；Mj为第j类农产品土壤库总量；Snj为第j类农产品土壤库中含氮的百分比；Spj为第j类农产品土壤库中含磷的百分比；Skj为第j类农产品土壤库中含钾的百分比；根据已有研究[15-16]，生物库中氮、磷、钾的营养元素含量比例取平均值，分别为3.09%， 0.74%和3.28%，土壤库中氮、磷、钾的百分含量换算后为0.09%、0.08%和2.10%；fN、fP、fK分别为氮、磷、钾在土壤中的周转率，其值分别为0.08、0.01和0.01[32]。据此计算1hm2耕地营养物质循环价值为：

E营=1hm2×4 829kg×(3.09%×3.15元/kg+0.74%×8.82元/kg+3.28%×3.46元/kg)+1×104m2×0.5m×1.3×103kg/m3×(0.09%×0.08×3.15元/kg+0.08%×0.01×8.82元/kg+2.10%×0.01×3.46元/kg)=1 333.24+6 655.74=7 988.98元/hm2

图1 北京市单位面积耕地生态价值组成情况

3 结果分析

3.1 北京市单位耕地生态价值

通过对北京市耕地生态价值的计算结果，分析耕地生态价值组成情况，北京市耕地生态价值总值为2.109 6万元/hm2，其中，价值最高的为营养物质循环功能，为7 988.98元/hm2，其次是涵养水源功能，为6 065.28元/hm2，气体调节功能是3 683.39元/hm2，固土保肥功能为2 387.16元/hm2，最低的为净化大气功能，价值为971.03元/hm2。

表1 北京市耕地生态价值变化

年份耕地面积(万hm2)气体调节功能(亿元)净化环境功能(亿元)涵养水源功能(亿元)固土保肥功能(亿元)营养物质循环功能(亿元)总价值(亿元)1980580858214056435231387464012254199544687816464342710106735709427200048689717934732953116238901027220133645261343354221187029127690

3.2 生态总价值变化

结合北京市1980年、1995年、2000年和2013年的耕地分布状况，计算北京市耕地生态价值变化情况，结果如图2、表1。1980～2013年，耕地生态价值分布呈现明显的从中心城区到远郊区逐渐降低的趋势， 1980～2013年，耕地生态总价值共减少了45.64亿元，其中，营养物质循环功能减少最高，达到17.28亿元，其次是涵养水源功能，减少13.12亿元，气体调节功能减少7.97亿元，固土保肥功能减少5.17亿元，净化环境功能减少2.1亿元。

3.3 分区县耕地生态价值变化

表2 北京市各区耕地生态价值变化亿元

由表2分析各区耕地生态价值的变化情况， 1980～2013年，各区县耕地生态价值都呈现了明显的下降趋势，特别是1980～1995年，减少幅度较高。从远郊区到城区，耕地生态价值的减少幅度逐渐增加，其中，丰台、石景山、房山、顺义的耕地生态价值逐年减少；而朝阳、海淀、门头沟、通州、昌平、大兴、怀柔、平谷、密云和延庆等区的耕地生态价值都是1980～1995年降低，1995～2000年增加， 2000～2013年又增加的趋势。分区统计发现，从1980年到2013年，大兴区的耕地生态价值减少数量最多，减少了6.01亿元，其次是朝阳区，减少了5.9亿元，昌平区和顺义区也减少了5.63亿元和5.48亿元，而石景山减少的数量较少，仅为0.32亿元，门头沟减少了0.73亿元，从减少比例计算，减少比例最高的为石景山区，达到98.94%，其次是朝阳区，减少比例为98.17%，延庆的减少比例最低，为15.18%，平谷区为17.91%，密云区为19.37%。从各区县耕地不同生态功能变化来说，各区县营养物质循环功能减少最高，其次是涵养水源功能和气体调节功能，固土保肥功能和净化环境功能减少数量最低。

4 讨论与结论

4.1 讨论

对耕地价值的认识经历了由无价到单一的经济价值核算，再到综合价值核算的发展过程。近年来，由于耕地生态价值评估越来越受到学术界研究的重视，耕地生态价值本身的影响因素复杂多样且多难以定量，学者采用各种方法试图对其进行合理核算，评估方法多样。总体而言，耕地生态价值的核算应该结合其所在区位、经济发展状况等合理确定类型及估算方法。该研究中结合北京市的实际情况，确定了北京市耕地5类生态价值类型和各类型中不同功能的核算方法，研究对于完善耕地生态价值核算方法，分析不同时间和区域耕地生态价值分布情况有重要意义。将来应进一步对耕地多功能价值估算方法进行深入研究，特别是耕地多功能价值的时空变化规律及驱动力是研究重点。

4.2 结论

该文在对北京市耕地生态价值进行定义的基础上，根据北京市的实际情况，确定了北京市耕地生态价值类型，在对不同类型的生态价值模型构建的基础上，以北京市4期土地利用现状图为基础，分析了不同年代北京市耕地生态价值的变化情况。在对分类型耕地生态价值评估中，完善了目前已有研究中耕地生态价值的计算方法，在气体调节功能中，计算了固碳和释氧价值；在净化环境功能中，计算了净化大气功能和消纳废弃物的价值；在固土保肥功能中，计算了减少土壤侵蚀、减少淤积和固定肥力的价值。相对全面地计算了不同功能的价值类型。同时，研究弥补了已有研究多重视数量分析而忽略空间分布的问题，对于分区域耕地保护有重要意义。

研究发现， 1980～2013年，耕地生态价值从远郊区到中心城区逐渐降低，且各区耕地生态价值都呈现了明显的下降趋势，这主要是因为北京市近30年来城市扩展占用了大量的耕地，使得耕地面积大量减少，造成北京市1980～2013年总体耕地生态价值降低，在2000年前，由于北京市进行了土地开发等活动，增加了部分耕地，所以1997～2000年耕地生态价值有所提高。而从分区看，耕地生态价值减少较高的区域位于朝阳区和大兴、顺义、昌平等近郊平原区，而平谷、密云、延庆等生态涵养区的生态价值较少，数量和比例相对低，说明北京市近30年来主要的建设用地扩展位于北京市东南部的平原区。总体而言，北京市的耕地生态价值减少较大，且在空间上不均衡，北京市应该进一步加强耕地保护，提高耕地利用效率，并积极促进耕地多功能应用。

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