重庆市北碚区农田生态系统服务功能评价

李林蔚，王龙昌，吴伊雪，朱 茵

（西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400715）

生态系统服务功能是指地球各个生态系统如森林、陆地、农田等及其内部因素之间发生作用而产生的维持人类生存的基础环境与功效，其除了直接为人类提供食物、原材料以外，还可间接通过固碳释氧、涵养水源、环境净化等功能为人类服务[1-3]。其中，农田生态系统的研究最初主要探讨农田中各种生态过程和关系，如作物与气候、作物与土壤之间的关系，研究的重点在于农田产量指标即农田生态系统的直接价值。随着全球经济的快速发展，农田生态系统间接价值的研究也逐步受到广泛关注。

国内外学者在全方位评价农田生态系统服务价值的领域已有大量研究成果。国外对生态系统服务功能价值的评价始于1925年，Drumarx将野生生物游憩的费用支出用于衡量野生生物的经济价值。随后Davis、Flotting、Clawson等科学家陆续修改并完善了部分生态系统价值的评估方法。1997年，Costanza等对全球生态系统服务功能的价值进行了评估，此研究具有开创性、里程碑意义。同年，GretchDaily等在《生态系统服务功能》一书中分析了森林、湿地等生态系统服务功能价值评估等案例，系统地论述了生态系统服务功能的内容与评价方法，为国内学者对农田生态系统服务功能评价的研究奠定了基础[4]。国内学者对农田生态系统服务价值的研究，从评估途径来说，有以Costanza等[5]的研究成果为基础的基准值参数修正法[6]；还有以环境经济学为基础，通过影子工程法、替代成本法等方法对不同地域农田生态系统服务功能进行评估[7-8]。从评估指标选取来说，国内学者指标选取大都以《千年生态系统评估》[9]为参考，把生态系统服务功能细分为提供、文化、调节、支持4项功能进行指标选定[10]。从评估指标体系构建来说，刘小丹等[11]从农田直接、间接价值进行体系构建；孔凡靖等[12]根据农田正向、负向价值构建指标体系。近年来，Martín-López等[13]对生态系统服务价值评估进行了可行性研究，指出生物物理、社会文化和货币价值领域下的评估方法分别揭示了不同和互补的信息，建议整合一套被普遍认可并能够考虑生态系统服务多维性质的方法框架；孔凡靖等[12]对重庆市农田生态服务价值做了研究，弥补了我国对农田生态系统服务功能评价中负向服务价值和空间差异分析研究的不足。

在实施乡村振兴政策与经济高速发展的背景下，对农田生态系统服务功能进行评价能够加强人们对其服务功能价值的认识，并且能够为生态补偿、农地市场流转及农田绿色GDP核算等提供相对科学的测算标准[14]。

因此，选取重庆市北碚区农田生态系统为研究对象，结合国内外先进的评估模型，测算和分析2007—2017年重庆市北碚区的农田生态系统服务价值变化，以期对当地政府部门合理调整和规划农业产业结构提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北碚区位于重庆市的西北部，四川盆地的东部，是重庆主城九区之一，属于城乡结合地带。全区幅员面积为754.19 km2，区内下辖9个街道、8个镇、118个行政村。全区总土地面积为751.6 km2，其中农业用地面积553.053 7 km2，总耕地面积213.520 1 km2，占农业用地总面积的38.6%[15]。该区气候属于亚热带季风性湿润气候，年太阳辐射3 982 MJ/m2，年日照时数864.6 h，年平均气温18.7℃，全年无霜期较长，年降水量1 149.6 mm。

1.2 数据来源

收集的农业和生态环境数据来自北碚区农业农村委员会及2016—2018年的《北碚区统计年鉴》[16]，测算方法中涉及的参数来自文中所标注的相关文献。

1.3 农田生态系统服务评价指标体系构建

为了定量测算北碚区农田生态系统服务功能，将其划分成直接功能和间接功能2大类。其中，直接服务功能就是食物生产功能，间接服务功能包括固碳释氧、涵养水源、净化大气环境、消纳废弃物和文化休闲5个方面，具体功能评价指标为10个（表1）。

表1 北碚区农田生态系统服务评价指标体系Table 1 Evaluation index system of farmland ecosystem services in Beibei District

1.4 农田生态系统服务功能测算方法

1.4.1 直接服务价值测算

农田生态系统的直接服务价值为农田生产价值，因其所提供的产品是生态服务价值最直接的体现，一般用市场价值法或产值替代法计算。计算公式为：

式中：EPV为农田的生产价值，元；EPi为第i类农产品的产量，t；Pi为第i类农产品的市场价格，元/t[17]。

1.4.2 间接服务价值测算

1）固碳释氧价值

在农田生态系统中，植物通过光合作用吸收二氧化碳并释放氧气，对于维持和调节人类社会乃至整个生物界的碳氧平衡都起着非常重要的作用[18]。由光合作用的方程式可得到植物光合过程中固碳量和释氧量为：每生产1.00 t干物质可吸收1.63 t CO2，并释放1.20 t O2。计算公式[19]如下：

式中：Vq为固碳释氧总价值，元；Vc为固碳价值，元；Vo为释氧价值，元；S为农田总面积，hm2；kc为农田土壤固碳速率t/（hm2·a），取值0.165 t/（hm2·a）[20]；Pc为市场固碳的价格，元/t，以造林成本法（260.90元/t C）和碳税法（150美元/t C，按各年度的美元平均汇率折算成元，折算比率为6.14～7.60）的平均值估算农田固定CO2的价值[21]；NPPj为第j类农产品或农副产品的净初级生产力，t；Po为市场制造O2的价格，元/t，以造林成本法（352.93元/t O2）和工业制氧法（400元/t O2）的平均值估算农田释放O2的价值[21]；Yj为第j类农产品或农副产品的产量；Wj为第j类农产品或农副产品含水率，根据《土地利用变化和温室气体净排放与陆地生态系统碳循环》提出的经验参数，再结合研究区的实际情况，取值为15%；fj为第j类农产品或农副产品的经济系数，作物经济系数参照文献[22-23]。

2）涵养水源价值

依据北碚区气候、地形和地貌等计算北碚区的涵养水源价值。计算公式[12]为：

式中：V1为涵养水源价值，元；Pi为降水量，mm/a，取北碚区多年平均降水量1 149.6 mm；A为多年平均产流降雨占降雨总量比例，取值为0.4[24]；E为产流降雨条件下农田与裸地降雨径流率之差，取值0.2[25]；Pk为库容造价，元/t，根据国家水利部调查资料和统计年鉴，本文水库建设单位库容投资取值为6.110 7元/t[26]。

3）净化大气环境价值

农作物可通过自身的吸附、吸收、分解来净化环境中的一些污染物，如SO2、NO2等。本研究采用马新辉等[27-28]的研究参数，进而获取农田生态系统对各种空气污染物吸收降解的效率值。计算公式为：

式中：V2为农田净化大气环境价值，元；Qi为农田单位面积吸收降解各污染物的量，kg/hm2；S为农田面积，hm2；W为单位治理各污染物排放的费用，元/kg。

4）消纳废弃物价值

农田对废弃物具有较强的降解功能，其中畜禽粪便是农田消纳的主要废弃物，畜禽粪便降解后还能保持农田的养分平衡。考虑到计算的可比性，本研究将各种动物粪便转化为猪粪当量，用其表示农田的畜禽粪便消纳量。根据目前北碚区农田生态系统的作物经济产量水平和需氮系数确定各种作物所需氮量（主要养分指标）；再根据北碚区各年份的畜禽养殖规模，计算出实际的畜禽粪便产出量，并按畜禽粪便产出量的氮养分含量估算农田消纳畜禽粪便功能价值。在本文中，假定土壤氮养分保持平衡，且绝大多数为非豆科作物，固氮能力有限，因而可以忽略土壤的供氮量。计算公式[7]如下：

式中：V3为农田消纳废弃物的效益，元；j为作物类型，北碚区主要作物类型为水稻、小麦、玉米和油菜；Xj为第j类作物单位面积需氮量，t/hm2；Sj为第j类作物种植面积，hm2；P为有机肥价格，元/t，目前有机肥出厂价格为800～1 200元/t，按其平均值1 000元/t计算；B为猪粪含氮量，结合实际取值3.8%。

5）文化休闲价值

农田生态系统除具有上述功能以外，还具有其他生态服务功能，如景观休闲、社会人文教育等，通过意愿调查法和旅游花费法对此功能进行评估。本研究根据北碚区农业农村委员会提供的数据进行分析，用于测算北碚区休闲农业与乡村旅游年游憩价值。

2 结果与分析

2.1 直接服务价值

本研究界定的农田生态系统包括粮食作物中的小麦、玉米、水稻、红苕以及蔬菜、水果的生产经营，通过市场价值法计算北碚区在2007—2017年提供农产品的服务价值。从表2可看出，研究期内北碚区农田生态系统的直接服务价值总体呈上升趋势。推测原因，一是农产品的市场价格随着经济发展逐渐上涨，二是机械化和其他科学种植方法的普及以及新型作物品种的应用等提高了农业的生产效率，使各类农产品产量总体增加。其中，2011年农田生产价值较前几年增加明显，比2010年数值增加近一倍，原因是当年各类农产品的价格普遍增加，且上涨幅度较大；2014年农田生产价值出现下降，与当年各类农产品产量下降直接相关；而2016—2017年农田生产价值连续下降，是由农产品产量减少和各类农产品价格下降共同导致。

表2 北碚区农田生态系统生产价值Table 2 Production value of farmland ecosystem in Beibei District（单位：108元）

2.2 间接服务价值

2.2.1 固碳释氧价值

根据表3可知，北碚区农田生态系统固碳释氧价值总体呈上升趋势，2017年较2007年上升5.9×107元。其中，固碳价值10年间总体呈下降趋势，总体下降1.18×108元，这与北碚区因各类基建用地及退耕还林导致耕地面积逐年减少有关。其间，2007—2008年固碳价值下降幅度最大，约为3.9×107元，而2015—2016年固碳价值有所上升，推测这些变化均由中美汇率和农田面积变化综合影响导致。

表3 北碚区农田生态系统固碳释氧价值Table 3 Value of farmland ecosystem in carbon fixation and oxygen release in Beibei District（单位：108元）

与固碳价值相反，释氧价值总体呈上升态势，峰值出现在2013年，为4.66×108元，该趋势与果蔬产量逐年攀升有直接关系。依托西南大学、中国农科院柑橘研究所等农科资源优势，北碚区农业发展势头一直较好。据调查显示，三圣镇百亩草莓、歇马镇樱桃园、金刀峡镇千亩绿色蔬菜等在2012—2013年收获颇丰。而2013年后包括蔬菜在内的各类农产品产量均不同程度减少，因此，释氧价值逐年下降。

2.2.2 涵养水源价值

北碚区农田生态系统涵养水源价值变化如图1所示。2007年为1.874×109元，此后10年价值持续下降。推测主要与北碚区耕地面积逐年减少有关，同时也与土壤理化性质改变有关，常年连作、化肥农药的大量使用等导致土壤板结、土壤结构改变，不仅影响作物产量，还会造成农田涵养水源、抵御水旱灾害的能力减弱。

图1 北碚区农田生态系统涵养水源价值变化Fig.1 Changes of water conservation value of farmland eco⁃system in Beibei District

2.2.3 净化大气环境价值

北碚区空气质量屡居重庆主城区首位，因生态环境优美被称为“重庆后花园”，虽不比森林，农田也具有净化大气环境的功能。但近10年北碚区农田净化大气环境的价值持续下降（图2），2017年比2007年下降3.8×107元，平均每年降低3.8×106元。可以看出总体下降幅度较大，与此期间北碚区耕地面积的大幅度减少直接相关。通过调查得知“十二五”期间重庆市大力推进退耕还林工程，这是2011—2015年降幅较其他年份更明显的根本原因。

2.2.4 消纳废弃物价值

由图2可知，农田消纳废弃物的价值下降极为明显，由2007年的7.9×107元减少到2017年的3.9×107元，其价值下降了4.0×107元。推测农田消纳废弃物的价值下降与水稻、小麦这两种作物种植面积的大幅度减少直接相关，更与农用地的急剧减少有关。由于农用地减少并转化为具有排放污染物特征的工业及其他用地，具有消纳降解作用的土地越来越少，因此，使农田的净化功能减弱或消失。

2.2.5 文化休闲价值

由图2可知，北碚区农田生态系统休闲游憩的价值在10年间上升了近5.0×107元，发展势头迅猛。总体来说，农业休闲游憩的价值随着城乡经济的发展、居民收入和消费收入的提高而逐年上升，但2013—2016年的数据出现下降，可能是统计口径发生变化所导致的。北碚区内部自然资源禀赋优越且外部环境条件较好，此项服务功能必将有更大的发展空间。

图2 北碚区农田生态系统三类价值变化Fig.2 Changes of three types of service value of farmland ecosystems in Beibei District

2.3 北碚区农田生态系统服务功能价值汇总评估

表4是北碚区2007—2017年农田各项生态系统服务功能价值的汇总情况，数据表明北碚区农田生态系统服务总价值在2007年和2017年分别为3.531×109元和4.871×109元，增加了1.340×109元。可见，尽管耕地面积急剧减少，但随着现代农业科技的进步，农田生产更加高效，使得农田服务价值总体呈上升趋势。其中，直接服务价值年平均为2.204×109元，间接服务价值年平均为2.559×109元，后者是前者的1.16倍。由此说明，北碚区农田生态系统在具有高效生产供给功能的同时，还具备良好的生态环境支撑功能。然而农田的生态环境支撑功能价值几乎无法通过市场体现，大众坐享其利而不付成本，农田所有者和生产经营者在承担农田保护责任的同时难以获得相应的收益，一定程度上导致了人们对该功能的忽视。因此，在社会经济发展过程中，要对农田的生态环境支撑功能给予足够重视，同时协调好农田生态系统与其他生态系统之间的关系。

表4 北碚区农田生态系统的各项服务价值Table 4 Various service values of farmland ecosystem in Beibei District（单位：108元）

根据以上研究结果，对2007年和2017年各服务功能价值占总价值比例、2007—2017年各服务功能平均价值占总平均价值比例分别进行统计（表5）。可以看出，10年来各占比变化情况为：农田生产价值占比上升29.86%，涵养水源价值占比下降23.75%，其余价值变化幅度在4%之内。分析认为，耕地面积是影响除文化休闲价值外的其他服务价值的主要因素，其中涵养水源价值受其影响最大，同时直接服务价值还受生产力、物价等综合影响致使涨幅较大。

根据2007—2017年各服务功能的平均值占比，北碚区农田生态系统各项服务功能价值排序依次为：农田生产价值>涵养水源价值>固碳释氧价值>净化大气价值>消纳废弃物价值>休闲游憩价值（表5）。其中，农田生产价值占总价值的比例最高，为46.28%，表明农田生产功能是农田生态系统中最基础也是最重要的服务功能；其次为涵养水源价值，占比为34.70%；休闲游憩价值占比最小，为0.75%，这与北碚区丰厚的历史人文底蕴、优越的自然资源禀赋极不相称，在实施乡村振兴战略的背景下，该服务功能价值应当具有强劲的增长势头。

表5 北碚区农田生态系统各服务功能价值比例Table 5 Proportion of various service function values of farmland ecosystem in Beibei District

3 结论与建议

北碚区农田生态系统的总服务价值受耕地面积、农业科技、自然条件和宏观政策的综合影响，发生了随时间的动态变化，总体呈上升趋势，不可否认农田生态系统的服务价值是巨大的。本研究基于北碚实际结合国内外经验进行农田生态系统服务功能评价指标和评价方法的选择，由于未考虑农田生态系统中因人为活动所产生的负面影响，因此，本文得到的估算值可能与农田生态系统的实际服务价值存在一定偏差。

基于上述研究结果，特提出以下对策建议：

1）北碚区应充分发挥其农业科技优势，积极加大科技创新与成果转化力度，着力引导和促进科技人员深入农村，服务农民和涉农企业，开展农业科技创业活动，促进农田生态系统的结构优化和农业生产力水平的持续增长。

2）北碚区应立足现有人文和自然资源特点，改变当前产业模式单一的现状，打造多元化的特色观光农业旅游区，促进第一产业与第三产业的融合发展。

3）北碚区要逐步建立起与其资源承载力相匹配的农业产业结构，增强农民生态文明意识，集中力量发展生态循环农业，实现农田生态系统服务功能的可持续提升。