禁牧政策對(duì)寧夏鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的能值分析

王偉偉,周立華,,*,孫 燕,陳 勇

1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000 2 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院,北京 100190 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,蘭州 730000

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)獲得的惠益[1-2],盡管人類(lèi)一直依賴(lài)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)而得以生存和發(fā)展,但其作為科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)研究?jī)H始于20世紀(jì)70年代[3]。21世紀(jì)初期,隨著《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》的開(kāi)展,生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的評(píng)估成為研究的焦點(diǎn)之一[4]。相同的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型或者生態(tài)功能可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù),生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)可以定義為生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的功能、過(guò)程和屬性對(duì)人類(lèi)福祉產(chǎn)生感知或者實(shí)際的負(fù)面影響[5-6],在評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)要同時(shí)考慮生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù),才能更全面的評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占全球土地面積的1/3[7],農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是依靠土地、光、溫、水分等自然要素以及人為投入,如種子、化肥、農(nóng)藥、灌溉、機(jī)械等,利用農(nóng)田生物與非生物環(huán)境之間以及農(nóng)田生物種群之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行食物、纖維和其他農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的半自然生態(tài)系統(tǒng)[8]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該在提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí)保證糧食生產(chǎn)的安全和限制對(duì)環(huán)境的不利影響[9],因此有必要對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù)變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素進(jìn)行研究。廣義農(nóng)業(yè)包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)和副業(yè)等產(chǎn)業(yè)形式,而狹義農(nóng)業(yè)就是指種植業(yè)[10],本文所研究的農(nóng)業(yè)是指狹義農(nóng)業(yè)。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)面積最大和空間尺度最長(zhǎng)的農(nóng)牧交錯(cuò)帶和世界四大農(nóng)牧交錯(cuò)帶之一,生態(tài)政策實(shí)施之前的幾十年該區(qū)沙漠化急劇發(fā)展,生態(tài)環(huán)境明顯惡化,已給當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)、生活帶來(lái)了極大危害,并對(duì)我國(guó)東部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了不良影響,成為我國(guó)生態(tài)問(wèn)題最為嚴(yán)重的農(nóng)牧交錯(cuò)帶[11]。新中國(guó)成立后,人口的急劇增長(zhǎng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展,開(kāi)墾草原達(dá)到空前的規(guī)模,放牧壓力和放牧制度失常,草原退化和荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重,在生態(tài)環(huán)境受到破壞的同時(shí),嚴(yán)重影響旱地農(nóng)業(yè)和草原畜牧業(yè)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)種植業(yè)也并未真正發(fā)展起來(lái)[12]。在此背景下,國(guó)家在2002年開(kāi)始實(shí)施了禁牧政策,禁牧政策實(shí)施以后北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境顯著改善,部分農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)出現(xiàn)了明顯的沙漠化逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)[13-15]。禁牧政策迫使農(nóng)戶(hù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移,禁牧政策實(shí)施以后農(nóng)業(yè)發(fā)展是否可持續(xù)？農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù)是如何變化的？則成為北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)可持續(xù)發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

能值理論是由美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家H·T·Odum提出,用以研究生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),定量分析資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的真實(shí)價(jià)值以及他們之間的關(guān)系[16]?；诖死碚?學(xué)者們進(jìn)行了大量的實(shí)證研究,Sun等[17]利用此理論對(duì)中國(guó)沿海地區(qū)的海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估,Zhan等[18]基于此理論對(duì)崇明島的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),Huang等[19]利用此理論以臺(tái)北為研究區(qū)對(duì)城市邊緣區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),喻鋒等[20]基于此理論和生態(tài)用地分類(lèi)對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值進(jìn)行了核算,馬鳳嬌等[21]基于此理論對(duì)河北欒城縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù)進(jìn)行了評(píng)估。本文以典型北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)—寧夏自治區(qū)鹽池縣為例,利用Ma等[22]提出的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析框架,評(píng)估鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù),研究禁牧政策對(duì)鹽池縣農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響,以期為提高禁牧政策的效益及促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部(37°04′N(xiāo),106°30′E),北臨毛烏素沙地,南靠黃土高原,處于甘肅、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古四省區(qū)的交界地帶(圖1),是地形、氣候、植被、農(nóng)牧生產(chǎn)方式等方面的過(guò)渡地帶,是黃河中游重要的生態(tài)保護(hù)屏障和國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。氣候干旱少雨、風(fēng)大沙多、屬于典型的溫帶大陸性氣候[23],海拔1295—1951 m,平均海拔1600 m。干旱是本地區(qū)突出的特點(diǎn),多年平均降水量只有290 mm左右,潛在蒸發(fā)量是降水量的6—7倍[24]。

全縣總面積8.67×105hm2,其中2016年耕地面積1.02×105hm2,農(nóng)作物播種面積0.83×105hm2,主要種植玉米、蕎麥、薯類(lèi)等,2016年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值5.39億元,占農(nóng)林牧副漁總產(chǎn)值的40%。2016年全縣總?cè)丝?7.18萬(wàn)人,人均地區(qū)生產(chǎn)總值4.66萬(wàn)元,同比增長(zhǎng)11.5%,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,鹽池縣農(nóng)民家庭的人均純收入逐年升高,2016年農(nóng)牧民人均純收入達(dá)到8532元。2002年11月,鹽池縣全縣范圍內(nèi)實(shí)施草原禁牧封育政策,政策的實(shí)施有效的改善了生態(tài)環(huán)境,除北部部分草原尚存在不同程度的沙化之外,整體呈現(xiàn)沙漠化逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)[23]。

圖1 鹽池縣區(qū)位圖Fig.1 The location of Yanchi County

1.2 能值分析法

Odum把能值定義為：產(chǎn)品或服務(wù)形成過(guò)程中直接或間接消耗的一種類(lèi)型的能量總和[25],能值分析將不同類(lèi)型、不可比較的能量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能值進(jìn)行比較分析[26],能定量分析生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,評(píng)價(jià)和分析其可持續(xù)發(fā)展能力。能值分析可以方便地將輸入輸出系統(tǒng)的各種形式的能量以及系統(tǒng)內(nèi)部能量的流轉(zhuǎn)進(jìn)行量化,來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的自然過(guò)程。與價(jià)值評(píng)估、物質(zhì)量評(píng)估方法相比較,能值理論建立在緊密的連接經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,更契合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究[27]。能值分析將不同類(lèi)型的能量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能值進(jìn)行比較分析[26],通常用太陽(yáng)能表示,將不同的能量轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能值需要太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率,即單位能量或物質(zhì)所含的太陽(yáng)能值之量[28],通過(guò)太能能值轉(zhuǎn)換率就可以把不同類(lèi)型的能量轉(zhuǎn)化為同一量綱的能值,在此基礎(chǔ)上就能對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行更為全面和科學(xué)的分析。鑒于能值與生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系的緊密性,本文采用能值分析的方法對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)進(jìn)行研究。通過(guò)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值綜合指標(biāo)來(lái)探討農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)變化情況,研究禁牧政策對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。由于農(nóng)田幾乎沒(méi)有文化服務(wù)[21],所以只考慮《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》MA評(píng)估框架中[29]的供給、支持、調(diào)節(jié)服務(wù)和反服務(wù),在此基礎(chǔ)上建立能值核算系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源、處理及能值分析綜合指標(biāo)的建立

本文采用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于鹽池縣統(tǒng)計(jì)年鑒、鹽池縣經(jīng)濟(jì)要情手冊(cè)、寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒、鹽池縣農(nóng)牧局和文獻(xiàn)資料,整理了1991—2016年的數(shù)據(jù),投入能值部分缺失數(shù)據(jù)根據(jù)已有數(shù)據(jù)線(xiàn)性回歸分析得到,回歸分析擬合效果不好的數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)所占寧夏自治區(qū)數(shù)據(jù)的比例推算得到?？筛沦Y源能值(R)主要計(jì)算了太陽(yáng)輻射能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能、風(fēng)能和地球旋轉(zhuǎn)能,采用文獻(xiàn)[30]的計(jì)算方法,為避免重復(fù)計(jì)算,同一來(lái)源的能量投入只取其最大值,則區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可更新資源能值為前四者的最大值與地球旋轉(zhuǎn)能之和。不可更新資源能值(N)、不可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值(FN)、可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值(FR)的計(jì)算方法文獻(xiàn)[31]的方法進(jìn)行計(jì)算。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[21-22],其中農(nóng)產(chǎn)品所含能量參照文獻(xiàn)[31-32]進(jìn)行計(jì)算,土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量根據(jù)文獻(xiàn)[31, 33]獲得,化肥、農(nóng)藥的利用率參照文獻(xiàn)[34]。本文能值分析采用9.26×1024sej/a的全球能值基準(zhǔn)值,由于不同基準(zhǔn)值的能值轉(zhuǎn)換率不同,對(duì)基準(zhǔn)值為15.83×1024sej/a的能值轉(zhuǎn)換率乘以0.58(9.26/15.83) 得到本研究采用的能值轉(zhuǎn)換效率[35],具體能值轉(zhuǎn)換率見(jiàn)表1。

表1 本文的主要能值轉(zhuǎn)換率

為了評(píng)估農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性,利用Ma等[22]建立的能值分析綜合指標(biāo),把評(píng)價(jià)指標(biāo)分為4個(gè)方面,即投入產(chǎn)出指標(biāo)、投入資源指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和可持續(xù)性指標(biāo),具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 本文用到的評(píng)價(jià)指標(biāo)

PS：生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值,Provisioning services；FR：可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值,Purchased renewable resources；FN：不可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值,Purchased nonrenewable resources;ES：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值,Ecosystem services；EDS：生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)能值,Ecosystem dis-services；N：不可更新資源能值,Nonrenewable resources；R：可更新資源能值,Renewable resources； EYR：生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy provisioning services yield ratio；EESR：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy ecosystem services yield ratio；nEESR：凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy net ecosystem services yield ratio；EIR：能值投資率,Emergy investment ratio；ELR：環(huán)境負(fù)載率,Environment loading ratio；ESR：能值自給率,Emergy self-sufficiency ratio；EDR：正反服務(wù)之比,Ecosystem services and ecosystem dis-services ratio；ESI：能值可持續(xù)指數(shù),Emergy sustainability index；ESSI：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指數(shù),Ecosystem services emergy sustainability index；nESSI：凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo),Net ecosystem services emergy sustainability index

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入

圖2 鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)1991—2016年能值投入的變化情況Fig.2 The variation of crop ecosystem emergy input in 1991—2016

投入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值可以分為自然系統(tǒng)能值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值,社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值包括不可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值(FN)和可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值(FR),自然系統(tǒng)能值包括可更新資源能值(R)和不可更新資源能值(N)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,1991—2016年寧夏鹽池縣農(nóng)業(yè)投入的總能值一直處于增長(zhǎng)的趨勢(shì),從1991年的1.2×1020sej增長(zhǎng)到2016年的2.5×1020sej,增加了一倍多(圖2)。26年來(lái)鹽池縣所投入的自然系統(tǒng)能值保持相對(duì)穩(wěn)定,而投入的經(jīng)濟(jì)反饋能值增長(zhǎng)明顯,且占總投入的比重也越來(lái)越大,由1991的69%增長(zhǎng)到2016年的78%。投入的不可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值主要是化學(xué)輔助能值,為了提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量,提高農(nóng)戶(hù)收入,降低我國(guó)糧食危機(jī),以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及,均促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥和農(nóng)用柴油等的投入,相對(duì)應(yīng)的能值也快速增加。

禁牧政策實(shí)施以后(2003—2016年)鹽池縣農(nóng)業(yè)投入的經(jīng)濟(jì)反饋能值的增長(zhǎng)速度總體高于禁牧之前(1991—2002年)(圖3)。禁牧政策實(shí)施以后鹽池縣的灌溉面積增長(zhǎng)迅速,由2003年的1.1萬(wàn)hm2增長(zhǎng)到至今的3.1萬(wàn)hm2,灌溉的耕地化肥和農(nóng)藥等化學(xué)輔助能投入量大,加之此時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推廣,農(nóng)用柴油使用量迅速增加,都使禁牧以后鹽池縣化學(xué)輔助能值的投入保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)。此外禁牧政策實(shí)施初期,鹽池縣羊只存欄量出現(xiàn)了輕微的波動(dòng),在2006年以后出現(xiàn)了穩(wěn)定快速的增長(zhǎng),加之養(yǎng)殖方式從自由放牧向舍飼的轉(zhuǎn)型,增加了鹽池縣農(nóng)業(yè)有機(jī)肥的使用量,增加了鹽池縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可更新經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入。

2.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

1991—2016年鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值增長(zhǎng)較快,從1991年的2.85×1020sej增長(zhǎng)到2016年的5.65×1020sej,增長(zhǎng)接近一倍(圖4)。在生態(tài)系統(tǒng)的3種服務(wù)中,支持服務(wù)相對(duì)穩(wěn)定,所占的比重在減少。2008年之前調(diào)節(jié)服務(wù)所占的比重最大,2008年以后由于供給服務(wù)快速增長(zhǎng),所占的比重被供給服務(wù)超過(guò)。

圖3 1991—2016年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)反饋能值投入變化 Fig.3 The variation of crop ecosystem purchase emergy input in 1991—2016

圖4 1991—2016年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化情況Fig.4 The variation of ecosystem services in 1991—2016

供給服務(wù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要目的,1991—2016年供給服務(wù)能值快速增長(zhǎng),并且波動(dòng)比較大,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值波動(dòng)較大,并且變化趨勢(shì)一致(圖4)。2002年以前(禁牧政策實(shí)施之前),鹽池縣草原沙漠化嚴(yán)重,沙漠化面積一度達(dá)到草原面積的61%[39],此時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件惡劣,受風(fēng)沙危害大,灌溉面積所占的比例較小,經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入增長(zhǎng)相對(duì)緩慢(圖3),農(nóng)作物產(chǎn)量較低,農(nóng)作物的產(chǎn)量受降水影響較大,根據(jù)Pearson相關(guān)性分析可知,1991—2002年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值與年降水量之間在0.01水平(雙側(cè))呈顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.75,2002年之前供給服務(wù)能值隨降水的變化在低水平劇烈波動(dòng)(圖4)。

2003—2008年,禁牧政策實(shí)施的初期,經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入增長(zhǎng)迅速(圖3),農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)在波動(dòng)中緩慢增長(zhǎng),其波動(dòng)幅度要小于禁牧政策實(shí)施之前,此時(shí)供給服務(wù)已經(jīng)超過(guò)支持服務(wù),接近調(diào)節(jié)服務(wù),并于2008年超過(guò)調(diào)節(jié)服務(wù)成為3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最大值。2008年鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)了較大的下降,出現(xiàn)了階段性的低值,這是由于此時(shí)鹽池縣灌溉面積比較小,2008年只有1.4萬(wàn)hm2,占鹽池縣耕地面積的15%,春夏連旱會(huì)對(duì)農(nóng)作物播種造成巨大的影響。2008年鹽池縣4—6月的平均降水只有4 mm,5月和6月的降水分別只有1.5 mm和0.4 mm,干旱嚴(yán)重影響了旱地農(nóng)作物的播種,使2008年鹽池縣農(nóng)作物播種面積比2007年下降了三分之一,從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)了較大的下降。

2008—2016年禁牧政策生態(tài)效益顯現(xiàn)以后,鹽池縣沙漠化出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn),風(fēng)沙危害減弱,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件明顯好轉(zhuǎn),經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的穩(wěn)定增加,加上灌溉面積的增長(zhǎng),都使2008年以后生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值迅速增加(圖4),到達(dá)2011年的高值以后,保持穩(wěn)定中有所波動(dòng),經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)的提高遇到了瓶頸。根據(jù)Pearson相關(guān)性分析可知,2008—2016年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值與年降水量之間的相關(guān)性不顯著,禁牧政策生態(tài)效益顯現(xiàn)以后,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的改善,農(nóng)業(yè)灌溉面積的增加,目前灌溉面積達(dá)到了3.1萬(wàn)hm2,占實(shí)有耕地面積的三分之一,鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)受降水的影響在減弱。生態(tài)環(huán)境的改善、經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加和灌溉面積的增加,可以增強(qiáng)半干旱的北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)抵御氣候波動(dòng)的能力。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)變化

圖5 1991—2016年生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)變化情況Fig.5 The variation of ecosystem disservices in 1991—2016

與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相比,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)能值相對(duì)較小,但保持相對(duì)穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì),由1991年的5.55×1019sej增長(zhǎng)到2016年的8.58×1019sej,增加了55%(圖5)。在生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)中支持反服務(wù)所占的比重最小,2016年只占總量的7%,并且相對(duì)穩(wěn)定。供給反服務(wù)保持相對(duì)穩(wěn)定的增長(zhǎng),這是由于供給反服務(wù)能值的計(jì)算主要考慮化肥和農(nóng)藥的流失,由于化肥和農(nóng)藥使用量的穩(wěn)定增加,而利用率相對(duì)較低。調(diào)節(jié)反服務(wù)在3種反服務(wù)中所占的比重最大,并保持緩慢和穩(wěn)定的增長(zhǎng),在全球氣候變化的背景下,控制溫室氣體排放是政策制定需要考慮的一個(gè)重要因素,需要制定相應(yīng)的政策減少調(diào)節(jié)反服務(wù)中CO2和NOx的釋放,減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)反服務(wù)。

通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值和反服務(wù)能值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析可知,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)在0.01水平(雙側(cè))呈顯著的強(qiáng)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升是經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加、農(nóng)業(yè)灌溉面積的提升和禁牧政策改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境共同作用的結(jié)果,經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加,特別是不可更新化學(xué)輔助能投入的增加,會(huì)增加生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù),使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)具有相同的變化趨勢(shì)。

2.4 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指標(biāo)的變化

2.4.1 投入產(chǎn)出指標(biāo)

26年來(lái)鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率(EYR)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率(EESR)波動(dòng)較大(圖6),波動(dòng)主要是由生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值波動(dòng)引起的,受降水的影響,產(chǎn)量波動(dòng)是旱作農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)[40]。與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值相比,農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)的能值相對(duì)較小,凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率(nEESR)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率(EESR)保持一致的變化趨勢(shì)(圖6)。禁牧政策實(shí)施的生態(tài)效益顯現(xiàn)以后(2008年以后),EYR、EESR和nEESR波動(dòng)幅度要小于禁牧之前,在經(jīng)濟(jì)反饋能值穩(wěn)定增加和灌溉面積增加的情況下,農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值波動(dòng)在減小,這進(jìn)一步說(shuō)明禁牧政策使生態(tài)環(huán)境改善,加之經(jīng)濟(jì)反饋能值和灌溉面積的增加可以增強(qiáng)半干旱的北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)抵御氣候波動(dòng)的能力。

圖6 鹽池縣EYR、EESR和nEESR變化情況Fig.6 The variation of EYR, EESR and nEESR in Yanchi CountyEYR：生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy provisioning services yield ratio；EESR：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy ecosystem services yield ratio；nEESR：凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率,Economic emergy net ecosystem services yield ratio

2.4.2 投入資源指標(biāo)

由于環(huán)境的無(wú)償能值輸入相對(duì)穩(wěn)定,而經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入一直保持穩(wěn)定的增長(zhǎng),能值投資率(EIR)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖7),此結(jié)果與我國(guó)農(nóng)業(yè)能值投資率一致[41],說(shuō)明鹽池縣的農(nóng)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)成本在增加而對(duì)環(huán)境的依賴(lài)度在降低。

禁牧政策實(shí)施之前(1991—2002年),環(huán)境負(fù)載率(ELR)保持穩(wěn)定快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖7),而禁牧政策實(shí)施以后(2003—2016年),ELR在波動(dòng)中輕微的下降。禁牧政策實(shí)施以后,鹽池縣農(nóng)業(yè)有機(jī)肥的使用量增加迅速,雖然不可更新資源能值的投入也在增長(zhǎng),但其增長(zhǎng)速度要小于可更新資源的投入。鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)ELR低于全國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水平,1991—2016年間的平均值是0.45,而2000年全國(guó)的環(huán)境負(fù)載率是2.72[41]。鹽池縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要是旱作農(nóng)業(yè),目前灌溉面積只占農(nóng)作物播種面積的三分之一,根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),鹽池縣旱作農(nóng)業(yè)施用化肥較少,其他經(jīng)濟(jì)反饋能值的投入也相對(duì)較少,加上有機(jī)肥使用量的增加共同造成了鹽池縣環(huán)境負(fù)載率低于全國(guó)水平。地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的鹽池縣,生態(tài)環(huán)境脆弱,控制環(huán)境負(fù)載率的增長(zhǎng),已成為鹽池縣環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方面。

1991—2016年鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值自給率(ESR)保持穩(wěn)定的下降趨勢(shì),表明該系統(tǒng)的自給能力在變?nèi)?這與全國(guó)的變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與外部的聯(lián)系在加大,進(jìn)一步反映了化肥、農(nóng)業(yè)機(jī)械化等經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加。

圖7 鹽池縣EIR、ELR、ESR的變化情況Fig.7 The variation of EIR, ELR and ESR in Yanchi CountyEIR：能值投資率,Emergy investment ratio；ELR：環(huán)境負(fù)載率,Environment loading ratio；ESR：能值自給率,Emergy self-sufficiency ratio

2.4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)

圖8 鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù)之比(EDR)變化情況 Fig.8 The variation of ecosystem services and Ecosystem dis-services ratio (EDR) in Yanchi County

26年間生態(tài)系統(tǒng)正反服務(wù)之比(EDR)保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì),這說(shuō)明26年來(lái)鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增長(zhǎng)速度超過(guò)了生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù),從圖8可以看出禁牧政策實(shí)施之前(1991—2002年)EDR的增長(zhǎng)速度明顯小于禁牧政策實(shí)施以后(2003—2016年),這是由于禁牧政策實(shí)施后,隨著經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的穩(wěn)定增加、生態(tài)環(huán)境的改善和灌溉面積的增加,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)迅速增長(zhǎng)。

2.4.4 可持續(xù)指標(biāo)

禁牧政策實(shí)施之前(1991—2002年),鹽池縣農(nóng)業(yè)發(fā)展的能值可持續(xù)指數(shù)(ESI)表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)(圖9),而禁牧政策實(shí)施以后(2003—2016年),能值可持續(xù)指數(shù)(ESI)出現(xiàn)上升的趨勢(shì),這說(shuō)明隨著禁牧政策的實(shí)施鹽池縣農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性在上升。禁牧政策實(shí)施以后,雖然鹽池縣農(nóng)業(yè)投入的不可更新化學(xué)輔助能進(jìn)一步增加,但投入的可更新有機(jī)肥也快速增加,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)能值也增長(zhǎng)迅速,使禁牧政策實(shí)施以后鹽池縣ESI表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)。按照Sergio Ulgiati等[42]和藍(lán)盛芳等[28]的總結(jié),能值可持續(xù)指數(shù)ESI<1為發(fā)達(dá)國(guó)家,表示高度發(fā)展的消費(fèi)導(dǎo)向型經(jīng)濟(jì),110表明經(jīng)濟(jì)還未被開(kāi)發(fā)。鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值可持續(xù)指數(shù)(ESI)在1.2和3.6之間變動(dòng),26年的平均值是2.5,說(shuō)明鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有凈貢獻(xiàn)。與其他地區(qū)相比,鹽池縣的ESI高于全國(guó)平均水平,2000年全國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)ESI是0.77[41],而典型農(nóng)區(qū)的河北省欒城縣的ESI在2000年只有0.04[22],典型農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)鹽池縣的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性相對(duì)較高。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo)(ESSI)與ESI的變化趨勢(shì)一致,只是禁牧政策實(shí)施之前(1991—2002年)ESSI下降速度更快(圖9),而禁牧政策實(shí)施以后(2003—2016年)ESSI保持相對(duì)平穩(wěn)。禁牧政策實(shí)施以后鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)出現(xiàn)了穩(wěn)定的增長(zhǎng),而禁牧政策實(shí)施之前生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)則保持相對(duì)穩(wěn)定,從而在考慮了生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)以后,禁牧政策實(shí)施之前ESSI下降速度更快,而禁牧政策實(shí)施以后則增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo)(nESSI)與ESSI具有相同的變化趨勢(shì)。

圖9 鹽池縣ESI、ESSI和nESSI變化情況Fig.9 The variation of ESI, ESSI and nESSI in Yanchi CountyESI：能值可持續(xù)指數(shù),Emergy sustainability index；ESSI：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指數(shù),Ecosystem services emergy sustainability index；nESSI：凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo),Net ecosystem services emergy sustainability index

3 結(jié)論討論

3.1 結(jié)論

(1)1991—2016年鹽池縣農(nóng)業(yè)投入的能值一直處于增長(zhǎng)的趨勢(shì),農(nóng)業(yè)能值投入的增加主要是由經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加引起的,并且禁牧政策實(shí)施以后農(nóng)業(yè)投入能值增長(zhǎng)的速度大于禁牧實(shí)施之前。隨著能值投入的增加,鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值出現(xiàn)了快速增長(zhǎng),禁牧政策實(shí)施以后的增長(zhǎng)速度大于禁牧之前,其中以供給服務(wù)增長(zhǎng)速度最快,與此同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)也保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)具有很強(qiáng)的正相關(guān),農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和反服務(wù)具有相同的變化趨勢(shì)。

(2)禁牧政策的生態(tài)效益顯現(xiàn)以后(2008年以后),鹽池縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率的波動(dòng)幅度小于禁牧之前。根據(jù)Pearson相關(guān)性分析,1991—2002年供給服務(wù)能值與年降水量呈顯著的正相關(guān),而2008—2016年供給服務(wù)與年降水量的相關(guān)性不顯著,生態(tài)環(huán)境的改善、經(jīng)濟(jì)反饋能值投入的增加、加上灌溉面積的增加,可以增強(qiáng)半干旱的北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)抵御氣候波動(dòng)的能力。

(3)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值綜合指標(biāo)表明,鹽池縣農(nóng)業(yè)可持續(xù)性高于全國(guó)和典型農(nóng)區(qū)的平均水平,禁牧政策實(shí)施之前鹽池縣農(nóng)業(yè)可持續(xù)性表現(xiàn)出穩(wěn)定的下降趨勢(shì),而禁牧政策實(shí)施以后其可持續(xù)性表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)。

3.2 討論

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的首要目的是在人類(lèi)的管理下為人類(lèi)提供糧食、飼料和燃料等供給,即農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的供給服務(wù),在此過(guò)程中需要依靠外部環(huán)境提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[7],禁牧政策能改善外部環(huán)境,提高外部環(huán)境提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,提高旱地農(nóng)業(yè)抵御氣候波動(dòng)的能力。為了保證當(dāng)?shù)睾腿虻募Z食安全,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不得不拋棄傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式,轉(zhuǎn)向增加外部投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,目前這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)滿(mǎn)足了日益增長(zhǎng)的糧食、飼料和植物纖維的需求[43]。在其他條件不變的情況下,化學(xué)輔助能值投入增加到一定程度后,邊際供給服務(wù)將不再增長(zhǎng),化學(xué)輔助能值投入的繼續(xù)增加已不能導(dǎo)致相應(yīng)的供給服務(wù)能值增加和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升,化學(xué)輔助能值投入的增加對(duì)提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)遇到了瓶頸。與此同時(shí)農(nóng)業(yè)投入化學(xué)輔助能值的增加,會(huì)使面源污染的風(fēng)險(xiǎn)顯著增大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境成本越來(lái)越大,生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)也在增長(zhǎng),對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅。

禁牧實(shí)施初期,對(duì)鹽池縣畜牧業(yè)的發(fā)展造成了一定的影響,羊肉產(chǎn)量在禁牧初期出現(xiàn)了波動(dòng),隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型的完成,以及鹽池縣灘羊品牌享譽(yù)海內(nèi)外,市場(chǎng)前景廣闊,鹽池縣在2006年以后羊肉產(chǎn)量出現(xiàn)了連續(xù)快速的增長(zhǎng),2016年是2006年的4倍。禁牧政策迫使畜牧業(yè)改變?cè)写址诺纳a(chǎn)方式,在改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)取得較大發(fā)展的同時(shí),促進(jìn)了畜牧業(yè)的發(fā)展升級(jí)。禁牧政策實(shí)施,促進(jìn)畜牧生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變,由傳統(tǒng)的自由放牧轉(zhuǎn)為舍飼,舍飼會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)肥,從而增加農(nóng)業(yè)可更新資源能值的投入,促進(jìn)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。禁牧政策實(shí)施以后,為了解決畜牧業(yè)發(fā)展的飼料糧問(wèn)題,迫使鹽池縣農(nóng)業(yè)改變種植結(jié)構(gòu),由于玉米的秸稈和籽粒可以作為畜牧業(yè)發(fā)展的飼料,伴隨著灌溉面積的增加,鹽池縣灌溉玉米的種植面積增加顯著。而灌溉玉米需要投入大量的化肥、農(nóng)藥等化學(xué)輔助能值,增加北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)面源污染的風(fēng)險(xiǎn),阻礙區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如何通過(guò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集約化利用來(lái)減少外部化學(xué)輔助能值的投入,減少面源污染的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的穩(wěn)定性,成為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重點(diǎn)。

生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)的計(jì)算方法和反服務(wù)的確定會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)計(jì)算值偏小,諸如農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成的生物多樣性損失、農(nóng)用化肥流失對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)所造成的損失等生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù)沒(méi)有計(jì)算在內(nèi),這些反服務(wù)相對(duì)難以估算,而數(shù)值可能會(huì)比較大。如何準(zhǔn)確的確定和計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)反服務(wù),成為今后研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。