隴東耕地凈第一性生產(chǎn)力及生態(tài)服務(wù)價值的時空分異研究

李廣，黃高寶，王琦，王興堂，高珍妮，劉成忠

（1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730070；5.中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 青藏高原冰凍圈觀測研究站，甘肅 蘭州730000）

自Holdren和Ehrlich首次提出“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”概念，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值評估逐漸受到廣泛關(guān)注，成為國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家研究的熱點(diǎn)［1－6］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)［2］。農(nóng)業(yè)生態(tài)服務(wù)功能指特定農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)功能以及影響當(dāng)前生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和維持現(xiàn)有農(nóng)業(yè)資源數(shù)量的作用，在一定時空條件下可以進(jìn)行客觀量化評估［7］。由于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢物種和所處自然環(huán)境千差萬別，因而其產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)功能具有明顯的時空差異［8］。

甘肅隴東地區(qū)位于甘肅省東部，屬黃土高原溝壑立地亞區(qū)［9］，是黃土高原土壤侵蝕非常嚴(yán)重的地區(qū)之一。而黃土高原是我國西部水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境極為脆弱的地區(qū)之一［9，10］。由于土質(zhì)疏松、降水集中、水土流失嚴(yán)重和極度脆弱的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重制約著該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。在近年來退耕還林還草工作的實(shí)施中，大量研究主要集中修復(fù)土壤、控制水土流失、徹底改善生態(tài)環(huán)境等方面，隨著植被的建立和恢復(fù)，土壤得到修復(fù)，水土流失得到控制，生態(tài)環(huán)境得到改善［10］。然而甘肅隴東耕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)所處位置、作用和空間格局等相關(guān)的研究和報道較少。為此，本研究在大量實(shí)地調(diào)查和查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計資料，運(yùn)用生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的相關(guān)理論和GIS（geographic information system）等方法，選擇第一性生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)功能價值為研究對象，對區(qū)域的生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行定量的時空異質(zhì)性評價，旨在為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一致性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

慶陽市位于甘肅省東部，習(xí)稱“隴東”，位于東經(jīng)106°20′～108°45′，北緯35°15′～37°10′，海拔885～2 089m?？偯娣e27 119km2，耕地面積44.4萬hm2，人口252萬，轄1個市轄區(qū)和7個縣，即西峰區(qū)、慶陽、華池、寧縣、鎮(zhèn)原、合水、正寧和環(huán)縣。研究區(qū)為黃土高原殘原溝壑、丘陵溝壑、梁狀溝壑地貌，東部為子午嶺天然次生林區(qū)，年降水600～650mm，屬溫涼濕潤性氣候，土壤為灰褐色森林土；中部為殘原溝壑農(nóng)業(yè)區(qū)，屬溫和半干旱性氣候，年降水500～550mm，多為黑壚土；北部和西北部為梁狀丘陵溝壑農(nóng)牧區(qū)，屬溫涼干旱性氣候，年降水350～450mm，土壤為黑坊土、黃綿土和粗黃綿土；全區(qū)年均溫7～9℃。

1.2 研究方法

1.2.1 耕地凈第一性生產(chǎn)力測算

式中，Qi為凈第一性生產(chǎn)力（NPP）（t／hm2·a）；Q總為總物質(zhì)量（t·a）；Bi為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（t／hm2·a）；ri為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量含水率（%）；Si為第i類耕地的面積（hm2）；fi為經(jīng)濟(jì)系數(shù)［11］（表1）。

表1 農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量含水率Table 1 Economical coefficient and economical output water ratio of crops

1.2.2 生態(tài)服務(wù)價值測算 結(jié)合黃土高原生態(tài)脆弱的主要特點(diǎn)，選取了土壤保持、涵養(yǎng)水源、維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、固碳釋氧、凈化空氣5類評價指標(biāo)，推算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值量，以評價隴東地區(qū)的生態(tài)效應(yīng)。

1）大氣調(diào)節(jié)價值

對植被光合作用吸收二氧化碳和釋放氧氣進(jìn)行研究，采用碳稅法或者造林成本法進(jìn)行估算。首先，根據(jù)光合作用方程式，植物每生產(chǎn)1g干物質(zhì)需要1.63g CO2，1.20g O2計算：

式中，V為固碳或制氧價值（元）；Q為凈第一性生產(chǎn)力（t／hm2·a）；E為固碳或制氧系數(shù)；P為固碳或制氧成本（元／t）。固碳系數(shù)1.63；制氧系數(shù)為1.2；固碳價格為1 200元／t；制氧價格為1 000元／t［采用瑞典的碳稅率150美元（折合人民幣為1 200元／t）］［12］；制氧價格為 1 000元／t［采用中華人民共和國衛(wèi)生部網(wǎng)站（http：／／www.moh.gov.cn）中2007年春季氧氣平均價格］［12］。

2）水源涵養(yǎng)價值

涵養(yǎng)水源的價值首先采用水量平衡法計算出涵養(yǎng)水源量，然后根據(jù)單位面積的水價進(jìn)行估算：

式中：V為涵養(yǎng)水源的價值（元）；R為平均降水量（mm）；Si為第i類耕地的面積（hm2）；θi為第i類耕地單位面積的徑流系數(shù)；W為單位體積水價（元），取6.110 7元／t（根據(jù)1993－1999年《中國水利年鑒》平均水庫庫容造價為2.17元／t，2005年價格指數(shù)為2.82，即得到單位庫容造價）［12］，根據(jù)李玉山［13］黃土高原坡耕地年徑流系數(shù)一般小于5%，本研究取3%。

3）土壤保持功能價值

運(yùn)用美國通用土壤侵蝕方程［14，15］以及結(jié)合研究區(qū)具體情況的各因子計算方法，計算耕地生態(tài)系統(tǒng)不同年份保土物質(zhì)量，運(yùn)用機(jī)會成本法計算植被保持表土的價值、運(yùn)用影子價格法計算植被保持養(yǎng)分的價值、運(yùn)用替代工程法計算植被防止泥沙淤積的價值［16］：

式中，V為耕地的土壤保持價值（元／年）；V1為減少廢棄土地的價值（元／年）；V2為減少土壤養(yǎng)分損失的價值（元／年）；V3為減少泥沙淤積的價值（元／年）；I為單位面積收益（元／hm2·a）；Q為減少的土壤侵蝕總量（t）；M為土壤容重（g／cm3），按1.34g／cm3；H為土層厚度（cm），按0.5m 計算；R1，R2，R3為磷酸二銨含氮量、磷酸二銨含磷量、氯化鉀含鉀量（%），分別取14%，15%和50%；C1，C2，C3分別為磷酸二銨、氯化鉀化肥、有機(jī)質(zhì)價格（元／t），分別取2 400，2 200和320元／t［采用農(nóng)業(yè)部中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)（http：／／www.agri.gov.cn）2007年春季平均價格］；N、P、K、M分別為土壤中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量（%）；W為1m3水庫庫容的工程費(fèi)用，取0.611 07元。A為土壤保持量（t／hm2·a）；Ap為潛在土壤侵蝕量（t／hm2·a）；Ar為現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量（t／hm2·a）。R為降水侵蝕力指標(biāo)；Ks為土壤可蝕性因子，LS為坡長坡度因子，C為地表植被覆蓋因子，S為土壤保持措施因子，各因子的計算公式見文獻(xiàn)［17－19］。由于潛在土壤流失量是指生態(tài)系統(tǒng)在沒有植被覆蓋和水土保持措施情況下的土壤流失量，因此，在計算中不考慮地表覆蓋因素和水土保持因素，即C＝1，S＝1。

4）營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)功能價值

利用各類作物實(shí)際經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，所需營養(yǎng)元素（有機(jī)質(zhì)、N、P、K的含量等數(shù)據(jù)）估算各類型作物營養(yǎng)物質(zhì)的累積量，然后運(yùn)用影子價格法，定量評價耕地生態(tài)系統(tǒng)維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的價值。其公式為：

式中，V維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)價值（元）；Q為凈第一性生產(chǎn)力；R1，R2，R3為磷酸二銨含氮量、磷酸二銨含磷量、氯化鉀含鉀量（%）；N、P、K、M 分別為作物中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量（%）；C1，C2，C3分別為磷酸二銨、氯化鉀化肥、有機(jī)質(zhì)價格（元／t），取值同上。

5）凈化環(huán)境功能價值

農(nóng)業(yè)特別是種植業(yè)，具有降解污染物和清潔環(huán)境的顯著效應(yīng)。主要計算農(nóng)田對SO2、NOX、HF的吸收和滯塵作用。其公式為：

式中，V為凈化價值（元），Q為單位面積吸收量；C為治理成本（元）；S為面積。隴東主要以旱地為主，取吸收各種污染氣體量：SO2為45kg／（hm2·a）；HF為0.38kg／（hm2·a）；NOX為33.50kg／（hm2·a）；滯塵為0.95 kg／（hm2·a）。凈化NOX、SO2的單位成本價值為0.6元／kg，HF為0.9元／kg，削減粉塵成本為0.17元／kg［17］。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地凈第一性生產(chǎn)力的時空異質(zhì)性分析

2.1.1 耕地凈第一性生產(chǎn)力的時間異質(zhì)性分析 根據(jù)《慶陽市統(tǒng)計年鑒》中各作物單產(chǎn)、總產(chǎn)和播種面積，運(yùn)用NPP公式計算生產(chǎn)力總量和凈第一性生產(chǎn)力（圖1）?？梢钥闯?，1997－2005年耕地凈第一性生產(chǎn)力（NPP）呈波動狀態(tài)（CV＝7.3%），沒有明顯的上升趨勢（圖1）。最小值出現(xiàn)在2001年，耕地 NPP只有4.41t／（hm2·a），而最大值出現(xiàn)在2002年，達(dá)到了5.54t／（hm2·a）。同時，慶陽市耕地各作物的總物質(zhì)量波動幅度大于NPP（CV＝9.6%），并且略有上升趨勢?？偽镔|(zhì)量峰值和谷值出現(xiàn)的時間與NPP相吻合，分別為2.17×106和2.90×106t／a（圖1）。

耕地生產(chǎn)力總物質(zhì)量的大小取決于NPP和耕地面積。在研究期內(nèi)，NPP沒有顯著增加；在退耕還林還草的條件下，耕地面積沒有減少，反而呈增加趨勢，趨勢方程為：y＝0.812 5x＋52.918，R2＝0.791 4，因此研究期內(nèi)，隴東黃土高原耕地各作物的總物質(zhì)量略有上升。1997－2005年降水量為362.8～743.3mm，平均值為517.6mm，變異系數(shù)21.8%，可以看出，在研究期內(nèi)，降水量呈不穩(wěn)定波動情況。通過生產(chǎn)力與降水量的變異分析研究表明，生產(chǎn)力與降水量相關(guān)不顯著（圖2）。

圖1 慶陽市耕地的凈第一性生產(chǎn)力和總量動態(tài)變化Fig.1 Net primary productivity and total net primary productivity（NPP）dynamic hange of cultivated land in Qingyang

2.1.2 耕地凈第一性生產(chǎn)力的空間異質(zhì)性分析 根據(jù)隴東各區(qū)縣1997－2005年耕地NPP的平均值，用GIS進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計分析（圖3），慶陽市耕地的NPP差異可以分成2個區(qū)：一個是生產(chǎn)力相對較低的西北區(qū)（環(huán)縣、鎮(zhèn)原、慶城和華池的西北部）；一個是生產(chǎn)力相對較高的東南區(qū)（西峰、正寧、寧縣、合水和華池的東南部）。西北低值區(qū)生產(chǎn)力低下，耕地平均NPP只有3.54t／（hm2·a），變異系數(shù)為11.5%；而東南高值區(qū)生產(chǎn)力相對較高，耕地平均NPP為5.94t／（hm2·a），變異系數(shù)為6.3%?？梢钥闯觯鞅钡椭祬^(qū)生產(chǎn)力只有東南高值區(qū)的59.7%，變異系數(shù)遠(yuǎn)大于東南高值區(qū)，表明西北低值區(qū)生產(chǎn)力低下，同時生產(chǎn)力極其不穩(wěn)定。

2.2 生態(tài)服務(wù)功能價值測算及時空異質(zhì)性分析

2.2.1 生態(tài)服務(wù)功能價值測算及時間異質(zhì)性分析 利用生態(tài)服務(wù)功能價值的研究方法，對研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行了測算（圖4）。1997－2005年慶陽市耕地生態(tài)服務(wù)功能價值總量在波動中略有上升（圖3），總量從3.70×106萬元／a增加到4.92×106萬元／a；而生態(tài)服務(wù)單位面積價值在研究期內(nèi)從7.17萬元／（hm2·a）上升到8.51萬元／（hm2·a），表明近年來慶陽市耕地生態(tài)服務(wù)功能有所改善，但幅度非常小，其中總價值增加幅度大于單位面積價值增幅。

圖3 慶陽市耕地的NPP空間分布Fig.3 NPP spatial distribution of cultivated land in Qingyang

圖4 慶陽市耕地生態(tài)服務(wù)功能價值動態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of ecological service value of cultivated land in Qingyang

從1997－2005年耕地生態(tài)服務(wù)單位面積價值中，大氣調(diào)節(jié)、土壤保持、涵養(yǎng)水源、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和凈化空氣分別在1.591，3.737，2.576，1.317和0.005萬元／（hm2·a）上下波動；大氣調(diào)節(jié)、土壤保持、涵養(yǎng)水源和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的變異系數(shù)分別為7.3%，21.8%，23.0%，和7.3%，可以看出，大氣調(diào)節(jié)、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和凈化空氣相對比較穩(wěn)定。而變化最大的是土壤保持和涵養(yǎng)水源，同時在價值總量中所占比例也較大，占總價值的69.37%，表明在慶陽市生態(tài)脆弱區(qū)，生態(tài)服務(wù)功能主要以土壤保持和涵養(yǎng)水源為主。

總體來看（圖4），1997－2005年生態(tài)服務(wù)功能沒有特別大的變化，從發(fā)展趨勢上看，生態(tài)系統(tǒng)略有向良好的、安全的態(tài)勢發(fā)展，但是在目前這種狀態(tài)下到底是否安全，尚缺乏一個確定的安全閾值［19］，因此難以判斷。

2.2.2 生態(tài)服務(wù)功能價值的空間異質(zhì)性分析 生態(tài)服務(wù)價值總量取決于耕地面積和生態(tài)服務(wù)單位面積價值，在已知耕地面積的情況下，生態(tài)服務(wù)單位面積價值是生態(tài)服務(wù)價值總量的決定因素。為此，對1997－2005年生態(tài)服務(wù)單位面積價值取其平均值，并運(yùn)用GIS工具對生態(tài)服務(wù)單位面積價值空間異質(zhì)性進(jìn)行分析表明，生態(tài)服務(wù)價值分布情況與生產(chǎn)力的分布情況基本一致（表2，圖5），可以看出，生態(tài)服務(wù)單位面積價值空間差異顯著，從東南向西北方向逐漸遞減。在東南區(qū)，平均生態(tài)服務(wù)單位面積價值為10.2萬元／（hm2·a），最大值為11.0萬元／（hm2·a）；在西北區(qū)，平均生態(tài)服務(wù)單位面積價值為7.7萬元／（hm2·a），最小值只有6.8萬元／（hm2·a）。

表2 慶陽市耕地生態(tài)服務(wù)單位面積價值量Table 2 Ecological service value of cultivated land of unit area in Qingyang×104元Yuan／（hm2·a）

圖5 慶陽市耕地生態(tài)服務(wù)功能價值的空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological service value of cultivated land in Qingyang

3 討論

耕地生態(tài)系統(tǒng)是典型的人工生態(tài)系統(tǒng)，過去人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中注重農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的直接服務(wù)價值（生產(chǎn)力），卻忽略整個生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要的生產(chǎn)副產(chǎn)品和環(huán)境調(diào)節(jié)功能［21－24］。同時，對耕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)價值的研究，除確保糧食安全之外，對生態(tài)環(huán)境，特別對土壤保持、涵養(yǎng)水源和大氣調(diào)節(jié)等，服務(wù)功能具有較大貢獻(xiàn)。

生態(tài)服務(wù)功能價值的大小取決于耕地的NPP，為此提高耕地NPP是提高生態(tài)服務(wù)功能的根本所在。甘肅隴東黃土高原屬于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水和肥是制約系統(tǒng)生產(chǎn)力的2個主導(dǎo)因素［28］。在肥力不變的條件下，耕地的NPP主要受降水因素的影響［25］。通過對降水量與NPP分析，降水量與NPP之間決定系數(shù)（R2＝0.255 977）較低。2003年降水量達(dá)到最大，為743.3mm，NPP不是最大值，為5.03t／（hm2·a），而1997年降水量最小，僅為362.8mm，可 NPP為4.82t／（hm2·a），高于2001年 NPP最小年份的4.41t／（hm2·a），表明生產(chǎn)力不僅取決于年降水量，而且還取決于降水的季節(jié)分配等因素，這與徐為根等［29］及李廣和黃高寶［30］研究結(jié)果一致。隴東黃土高原耕地的 NPP平均值為5.04t／（hm2·a），僅為陜西榆林市榆陽區(qū) NPP（10.82t／hm2·a）的50%［11］，生產(chǎn)力低下，生態(tài)功能服務(wù)價值也不高，說明生產(chǎn)力是生態(tài)服務(wù)價值的決定因素。而生產(chǎn)力受土地利用科技投入、種植結(jié)構(gòu)和土地集約利用程度的影響［31］。因此，通過合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和作物布局，充分利用降水資源，以提高耕地的NPP和生態(tài)服務(wù)功能。

本研究僅對慶陽市耕地的生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行了計算，考慮的影響因素都是一般性質(zhì)，并未對自然、經(jīng)濟(jì)、社會過程中的突發(fā)事件進(jìn)行分析，由此而產(chǎn)生的損失也未計算。同時耕地的NPP和生態(tài)服務(wù)價值總量略有上升趨勢，反映出慶陽市耕地利用結(jié)構(gòu)是基本合理的，利用是可持續(xù)的，但影響土地合理性和可持續(xù)性的因素很多。因此，有待于進(jìn)一步更加深入地研究影響其合理性機(jī)制，對整個慶陽市的耕地利用變化及其生態(tài)安全進(jìn)行科學(xué)合理地評價，為隴東地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障。

4 結(jié)論

在測評過程中，耕地的NPP和生態(tài)服務(wù)價值計算考慮到不同作物之間參數(shù)的差異，根據(jù)不同作物確定相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)不同氣候特點(diǎn)進(jìn)行推算同一作物不同年份參數(shù)，如實(shí)際土壤侵蝕量等，力求使測算結(jié)果更能反映區(qū)域的實(shí)際情況。主要結(jié)論有：

1）在研究期內(nèi)，隴東黃土高原耕地NPP和生態(tài)服務(wù)單位面積價值變化不明顯，而總量略有上升。通過對生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)價值分析，可以看出，近年來隴東黃土高原耕地的NPP總量略有提高，并且生態(tài)服務(wù)功能有所改善，表明近年來隴東生態(tài)環(huán)境有向安全態(tài)勢發(fā)展趨勢。

2）耕地NPP和生態(tài)服務(wù)價值在空間分布上存在顯著差異。生產(chǎn)力分布趨勢與生態(tài)服務(wù)價值基本一致，從東南向西北方向逐漸遞減，可以分成2個區(qū)：東南區(qū)和西北區(qū)。而西北區(qū)生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)價值低下，同時生產(chǎn)力極不穩(wěn)定。

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