新疆农田生态系统服务价值变化及影响因素分析

祝宏辉，张颖

(石河子大学经济与管理学院，新疆 石河子 832003)

农田生态系统依靠大自然的光热及人为投入为人类提供所需品，带来了可观经济价值的同时也为区域生态环境发展带来隐形的生态价值。农田生态系统服务不仅仅只有供给服务，它和森林、草地以及湿地生态系统一样也具有调节服务、支持服务和文化服务，对人类生存环境产生重要的影响。随着人类活动对农田生态系统的干预，农田生态系统服务在具有正向服务功能的同时也带来了一系列的反向服务功能，如环境污染成本和生物多样性破坏成本。对于农田生态系统评估的研究，Costanza等[1]在提出的自然生态系统服务功能价值评估理论中将生态系统提供经济商品纳入生态服务功能的范畴，该理论首次以货币形式评估了自然生态系统各项服务功能价值，为评估不同类别的生态系统包括农田生态系统的经济、生态综合价值提供了理论基础。由此生态系统服务价值的评估逐渐成为热点，学者们对此进行扩展和追踪研究，将生态系统的评估逐步向森林、农田、城市、流域以及生态补偿的研究扩展[2-6]。我国学者谢高地[7]在结合国内外实际情况，概括出生态系统所具有的9项功能，并通过测算提出了“中国生态系统生态服务价值当量因子表”。罗海平等[8]基于Costanza模型并采用谢高地提出的单位面积价值当量因子法来测算我国粮食主产区生态服务价值。幸赞品等[9]在测算白龙江流域自然保护区生态系统服务价值时发现流域生态系统服务价值的时空差异，并利用摇感技术绘制了流域生态系统变化图。周晨等[10]以生态系统服务价值的视角来研究南水北调工程水源区的生态服务价值的变化并确定生态补偿标准。唐秀美等[11]通过对比测算农田生态系统服务价值，发现进行高标准农田建设以后，区域生态水平和耕地生态服务价值有了明显的提升。随着时间变化和人类活动对生态系统的影响，各生态系统的服务价值都在发生显著性的变化，生态系统服务价值科学测算对保护区域生态环境、促进经济与自然和谐发展具有重要的意义。农田对保障区域物质供给、生态系统服务供给有着不可替代的作用[12]。但目前对于农田生态系统生态服务价值的研究主要集中在流域和粮食主产区，本文将重点研究新疆农田生态系统服务价值的变化及影响因素，对促进新疆农业经济与生态环境可持续、协调发展具有重要的意义。

1 研究区域农业生产概况

新疆位于我国的西北边陲，是我国的农业大省，也是典型的干旱区绿洲农业生产基地，新疆农业总产值由2008年的784.19亿元增加至2017年的2 206.08亿元，净增加1 421.89亿元，年增长率达10.9%，农业经济总量提升显著。新疆地区主要种植的农作物包括棉花、小麦和玉米，其中棉花是新疆优势经济作物，播种面积由2008年的1 668.01 khm2增加至2017年的2 217.47 khm2，面积增加549.46 khm2，2017年新疆棉花种植面积占农作物种植面积的36.58%。从农作物投入要素来看，农业用水量从2008年的486.15亿m3增加到2012年的561.7亿m3，随后由于节水技术广泛推广应用，近几年农业用水量在逐渐下降，到2017年降至514.4亿m3；农作物播种面积总体呈现增长的趋势，增长量达1 525.2 khm2，年均增长率达2.94%；化肥和农药的施用量的增长速度显著，总体分别增长68.4%和50.74%(图1)。

图1 新疆农业经济发展及各生产要素投入情况

2 生态系统服务价值评价方法

2.1 生态系统服务价值评价方法

2.1.1 基本服务价值

农田的服务价值不仅只限于原材料供给和食品生产，在水资源涵养，生物多样性保护和气候气体调节方面也有很大的作用，农田的基本服务价值为其所产生价值的总和。本文基于生态服务功能价值与单位面积生物量成正比的假设，来计算新疆农田生态系统服务价值[13-14,19]，具体步骤如下：

(1)

式(1)中：i表示为农作物种类(主要包括棉花、小麦、玉米);pi为第i种作物全国平均价格(元/t)；qi为第i中农作物的单产量(t/hm2)；mi为第i种作物的播种面积(hm2)，M为n种农作物总播种面积(hm2)，Ea表示单位面积农田提供食物生产生态服务功能的经济价值(元/hm2)。新疆农田的主要农作物为棉花、小麦和玉米，为了保证测算的准确性，其价格参照2008—2017年《全国农产品成本收益资料汇编》中新疆农作物的销售价格。然后根据Costanza模型计算农田单位生态服务价值，其计算方式如下：

Ei=eiEa，

(2)

式(2)中，Ei为农田生态系统中第i项生态服务功能的单位生态服务价值，ei为农田生态系统服务中第i种生态服务功能提供服务单价的当量因子，本文采用谢高地提出的当量因子，将农田生态系统的服务功能主要分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料供应和娱乐文化9种功能。由于新疆是农业大省，除了本文研究涉及的棉花、小麦和玉米外，还种植蔬菜、油料作物和瓜果等，其经济价值高于粮食作物，因此参考韦惠兰和罗万元[14]在谢高地[15]的研究成果上将原材料生产功能修正成2.3后的当量因子表，详细结果见表1。

表1 新疆农田生态系统基本服务价值当量因子

根据农田各生态系统单位生态服务价值可以计算农田基本服务价值，计算方式如下：

(3)

式(3)中V1表示农田生产系统基本服务价值，A为耕地面积，i表示农田生态系统的各项功能。

2.1.2 水资源消耗价值

新疆是典型的绿洲农业经济，缺水是新疆农业面临的重要难题，虽然随着农业科技的不断进步，新疆农业主要采用以滴灌为主的节水灌溉措施，但水资源依然是农业生态系统保持稳定的关键。本文采用水库蓄水成本法来计算水资源消耗价值[16]，其计算方式如下：

V2=-WRCw，

(4)

式(4)中：V2表示水资源消耗价值，W表示农业用水量，数据来源于《中国环境统计年鉴》，R表示农业耗水率，取值为35%，Cw表示水库蓄水成本，取值1.17元/m3[17]。

2.1.3 污染与破坏价值

农业生产在带来满足人们食品需求的同时，其投入生产资料如化肥农药等也给农田生态带来了破坏，农田土壤板结，农药残留导致土壤微生物含量下降等都是农业生产带来的外部性影响，因此在测算农业生态系统服务价值时计算其环境污染价值是有必要的。新疆农业的化肥施用量较大，因此采用化肥施用量测算新疆农田污染破坏价值计算式为：

V3=-M(1-r)p，

(5)

式(5)中,V3表示农田污染与破坏价值，M表示化肥的使用量(t)，r为化肥的利用率，取值为34.17%，p为化肥的价格(元/t)，采用中国化肥网年报中尿素的平均价格为1850元/t[18]。

2.2.4 社会保障价值

从事农业劳动生产也为农村劳动力提供了劳动机会，使其避免了失业，因此可以间接测算出农田的社会保障价值：

V4=NSR，

(6)

式(6)中，V4表示农田的社会保障价值，N为保障人数，本文用取值为农业从业人员数，S表示农村最低社会保障标准(191元/人)，R表示我国农村最新的隐形失业率为48.6%[19]。

2.2.5 生态系统总服务价值

农田生态系统总服务价值应该是其基本服务价值和社会保障价值所提供的正面价值以及水资源消耗价值和污染与破坏价值所带来的负面价值的差值，计算方式如下：

V=V1+V2+V3+V4。

(7)

2.2 数据来源

本文耕地面积、农作物播种、农业经济、农业投入、农业生产环境和农业用水等相关数据来源于《新疆统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

3 农田生态系统服务价值评价及分析

3.1 农田生态系统总服务价值变化

基本服务价值、水资源消耗价值、环境污染破坏价值和社会保障价值共同组成了新疆农田生态系统总服务价值，从表2中可以看出2008—2017年新疆农田生态服务总价值中各组成部分的变化情况，总体呈现增长的趋势，10年间新疆农田生态服务总价值的由629.48亿元增长到1 428.18亿元，增长量达798.70亿元，年均增长量达8.54%，增长速度显著。基本服务价值、水资源消耗价值、环境污染破坏价值和社会保障价值总体呈现增长趋势，分别增长了821.57、11.57、12.41、1.11亿元。10年间虽然总体服务价值以及各类服务价值呈现增长的趋势，但是在最近几年各类服务的价值存在差异性变化，农田生态系统基本服务价值在2016年达到最大，为1 908.09亿元，2017年有所下降，下降了243.16亿元，其主要原因是受到农田生态系统单位面积服务价值和农作物耕地面积综合影响形成的。水资源消耗价值在2012年达到最高为230.02亿元，到2017年达210.65亿元，下降了19.37亿元，年均下降率为1.46%，这与新疆农田采取节水灌溉等先进生产技术密切相关。近几年来新疆制定并实施了《自治区退地减水实施方案》，通过实施高效节水，大中型灌区续建配套与节水改造等措施，进一步降低农业用水总量，加快补齐以节水为主导的现代农业灌排保障体系短板。环境污染破坏价值10年间持续增加，并在2017年达到最大值，为30.54亿元，其主要原因是农业种植生产化肥的大量使用，虽然可以提高农作物的产量和农民的收入，但化肥的利用率不高，造成环境污染的持续增加。社会保障价值不断增长，2017年为4.44亿元，这主要来源于农业从业人员的增加。几类服务价值共同作用并影响新疆农田总服务价值的变动趋势。10年间新疆农田生态服务系统的总价值的年均增长率(8.54%)小于新疆农业总产值的年均增长率(10.9%)，说明随着农田经济价值的增长，生态服务功能价值却没有能保持同样的增长幅度，因此协调好农田经济发展与环境保护之间的矛盾是促进新疆农业可持续发展的重要举措。

表2 新疆农田生态系统总服务价值 单位：×108元

3.2 农田生态系统基本服务价值构成及变化

2008—2017年之间，新疆农田生态系统单位面积基本服务价值总体上呈现波动增长趋势(图2)，由2008年的18 589元/hm2增长到2017年的27 465元/hm2，增长了8 876元/hm2，年均增长率达3.98%。2013年农田生态系统单位面积服务价值达33 174元/hm2，达到周期峰值，2014—2017年呈现下降趋势，下降了5 709元/hm2，年均下降率达3.71%。近期新疆农田单位面积基本服务价值处于下降阶段，新疆农田生态系统基本服务价值消耗过度，农田生态系统环境面临严峻挑战。

图2 2008—2017年新疆农田生态系统单位面积基本服务价值变化

从表3中可以看出，在农田生态系统各服务价值构成中，原材料供给生产服务价值最高，娱乐文化服务价值最低。10年间，新疆农田生态系统的各项服务价值功能总体呈现增长的趋势，其中2008—2013年农田生态系统的各项服务功能的增长值达到最大，原材料供给、废物处理、土壤形成与保护和食物生产的服务价值变动最大，分别增长了4 334、3 090、1 941、1 884元/hm2，究其原因主要是农业生产技术、水平效率的提升导致农作物产量的增加，从而直接使得农田生态系统的供给服务价值增加。2013—2017年生态系统的各项服务功能开始呈现负增长的趋势，原材料供给、废物处理、土壤形成与保护和食物生产的增长量分别下降到2 637、1 880、1 181、1 146元/hm2，这主要是农田生态系统中由于生态环境的改变，使得农作物的产量和质量发生变化，市场农产品价格下降，因此农田生态系统提供的生态价值服务降低。2008—2017年新疆农田生态系统的服务类别的变化量中，原材料供给、废物处理、土壤形成与保护和食物生产的服务价值变动量占总变动量的比例较大，分别占总体增长量的比值为29.72%、21.19%、13.31%、12.92%。2008—2017年新疆农田生态系统各项服务价值功能经历了先增长后减少的趋势，而目前新疆农田生态系统服务价值功能正处于降低的阶段，农田生态系统所带来的生态价值正逐年减少，因此需要转变当前的农业生产方式，在发展农业经济的同保护农田生态环境。

表3 新疆农田生态系统单位面积各功能服务价值变化 单位：元/hm2

4 农田生态系统服务价值影响因素分析

4.1 指标及模型选择

人们通过强化各类生产要素的投入获取农产品的同时对农田生态服务系统产生了重要影响。在前人研究基础上，选取4类16项农田生态系统服务功能影响因子。

①社会发展及农业投入：新疆GDP(X1),农业生产总值(X2),农村居民人均收入(X3),农业投资(X4),农业劳动力投入(X5)；

②农业生产投入：农业机械投入(X6)，化肥使用量(X7),地膜使用量(X8),农业用电量(X9)，农药使用量(X10)；

③水资源投入：农业用水量(X11)，有效灌溉面积(X12)，水资源供应量(X13)；

④种植结构：耕地面积(X14)粮食作物面积(X15)，粮食单产(X16)，

新疆GDP、农业生产总值和农村居民人均收入可能与农田生态系统服务价值存在正向的影响，农业投资和农业劳动力投入有利于农业现代化的发展，进而可能促进农田生态系统服务价值的提升；在农业生产投入中，农业机械化和农业用电量的投入会促进农业总产值的提升进而影响农田生态系统服务价值的变化，而化肥施用量、地膜使用量和农药使用量虽然可以促进农作物产量的增加，但对农田生态系统的生态环境带来了潜在威胁，目前农田化肥施用量的增加和不合理施用破坏了土壤结构、改变了土壤的性状，同时对地下水资源和大气环境造成了污染[20]，因此本文假设其对农田生态系统服务价值的变化存在负向的影响；水资源投入中，由于新疆属于干旱区，水资源的投入对新疆农作物的生长有着很大的影响，因此本文假设农业用水量、有效灌溉面积和水资源供应量对农田生态系统服务价值的变化存在正向的影响；而种植结构中，本文假设耕地面积与农田生态系统服务价值的变化存在正向的影响，由于新疆的主要农作物棉花，而棉花的经济价值高于粮食作物，对农田生态系统服务价值的影响程度更大，因此本文假设粮食单产和粮食作物面积对新疆农田生态系统服务价值的变化存在负向的影响。

4.2 影响因素结果分析

对影响因素首先进行相关性分析，选取指标中相关性的绝对值在0.8～1的指标进行逐步回归分析，排除结果不显著的指标，得到回归结果(表4)：

表4 各影响因素的分析结果

从回归结果中可以得出新疆农田生态服务价值的回归方程：

Y=14.539+3.372X1-2.419X3-0.668X4-4.158X7+6.2X9。

(8)

通过回归结果可以看出，农田生态系统服务总价值与农业生产总值、农民人均收入、农业投资、化肥施用量和农业用电量呈显著性相关。其中农业总产值和农业用电量与农田生态系统服务总价值正向相关，这主要是农田生态系统中原材料供给和食物生产占据了基本服务价值的很大一部分，其经济价值的占比较其他价值的比例高，农田的主要功能也是通过人为的劳动获取人们所需的农产品；农业用电量在一定程度上反应农业现代化投入水平，农业现代化投入促进农产品产量，从而带动农田生产基本服务价值的增长。

农民人均收入、农业投资和化肥施用量对农田生态系统服务总价值负相关，出于短期经济效益最大化目标，农户在农业生产过程中要素投入不够科学和理性，导致化肥、农药等要素投入超出合理阀值，化学残留超标导致农田生态系统环境恶化，生态系统基本服务价值减量。其他影响农田生态环境的因子未通过显著性检验，主要是由于新疆特殊的农业种植环境，新疆农作物种植主要采取的是节水灌溉措施，采用膜下滴灌的方式进行作物生产，这很大程度上减少了水资源的浪费，提高了水资源的利用率；目前政府也在积极的实行地膜回收政策，督促农民回收地膜，减少白色污染来保护耕地。

5 结论与讨论

5.1 结论

采用当量因子法研究新疆农田生态系统服务价值变化趋势，总体来看，新疆农田生态系统服务总价值呈现增长趋势，由2008年的629.48亿元增长到2017年的1428.18亿元，增长量达798.7亿元，年均增长量达8.54%，增长速度显著。10年间基本服务价值、水资源消耗价值、环境污染破坏价值和社会保障价值总体呈现增长趋势，分别增长了821.57、11.57、12.41、1.11亿元；在农田生态系统基本服务价值构成中，各服务功能表现出差异性特征，原材料供给服务价值最高，而娱乐文化服务价值最低；新疆农田生态系统单位面积服务价值呈现先增长后降低的趋势，表明当前新疆农田生态系统正处于消耗过度的阶段。采用多元线性回归的方法对影响新疆农田生态系统服务功能的影响因素进行分析，发现农业生产总值、农民人均收入、农业投资、化肥施用量和农业用电量对新疆农田生态系统的生态服务价值影响显著，据此提出促进和改善农田生态系统服务价值增长的建议：

(1)加大对新疆农田生态环境保护的投资力度，新疆农田生态系统比较脆弱，时刻面临着荒漠化侵蚀的威胁，重点加强三北防护林、农村道路林、农田防护林为主体的新疆生态防护林网体系的建设与管护，完善、优化农田防护林网林权交易制度、经营制度和补贴制度，提升农田生态系统服务功能价值。

(2)加强对农民农田生态环境保护理念的教育培训，大力推广精准测土配方施肥、施药技术，应用农业遥感、无人机等信息农业、智慧农业技术，实现化肥、农药实施的精量化和减量化；积极推广实施生物肥料、生物农药技术，发展绿色农业和有机农业，实现农业生产和农田生态环境的协调发展。

(3)构建基于化肥减施的农业生态补偿机制，测算化肥、农药减施、免施的经济补贴标准，制定生物肥料、生物农药技术补偿方案，在保障农民的经济收益前提下，加快生物农业等环境友好型技术的应用和推广。

5.2 讨论

文章通过构建指标体系来测量新疆农田生态系统服务价值，其评估方法和结果具有合理性和正确性。选取农田生态系统的供给服务，支持服务，调节服务和文化服务，以新疆农业生产的主要农作物作为测量对象进行测算，测算方式与前期学者的相关测算方式一致。测算结果对明确新疆农田生态系统服务价值变化趋势和规律，为农田生态系统科学有效的管理，优化农田生态环境以及农业经济的可持续发展提供借鉴。

但研究也需进一步完善，本文农田生态系统服务价值的测量方法比较简化，在当量因子的修正方面过于简单；环境污染价值仅考虑了化肥对农田生态系统的污染。后续研究可以采取前沿研究方法综合考虑影响农田生态系统服务价值的因素，对农田生态系统服务价值进行更加准确的评估：

(1)进一步发掘农田生态系统的正向与负向服务价值，如地膜、农药和固体废弃物对农田生态系统所造成的负向服务价值，农田生态系统的防风固沙、固氮释氧的正向服务价值。

(2)在评估方法上从模型的简单应用转向技术方法的适应性应用，从农田生态系统服务价值的单一数值化比较转向基于遥感和GIS技术的空间表达方式，从时间层面比较转向时空层面，将土地利用、植被覆盖与城镇化进程结合分析，综合利用多种价值评估方法来保障结果的准确性。

(3)复合性农田生态系统与单一农田生态系统服务价值的比较分析，将农林生态系统纳入分析范围，比较分析各生态系统的服务价值，为决策部门提供政策依据。