黑龍江農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同

劉洪秀 趙華甫,2* 馮新偉 韓 偉

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.自然資源部 土地整治重點實驗室，北京 100035； 3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002； 4.黑龍江省自然資源生態(tài)保護修復(fù)監(jiān)測中心，哈爾濱 150000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)過程所形成和維持的、人類賴以生存和發(fā)展所必不可少的環(huán)境條件與效用[1-2]，人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中得到的效益[3]。已有研究表明不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互作用，通常表現(xiàn)為協(xié)同作用或權(quán)衡作用[4-6]。當(dāng)2種服務(wù)同時增加時，就會產(chǎn)生協(xié)同的效應(yīng)；一種服務(wù)的增強導(dǎo)致另一種服務(wù)的減弱，就會產(chǎn)生權(quán)衡的效應(yīng)[7]。開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同研究，有助于針對特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制定相應(yīng)的管理方案[8-9]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要包括供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)4個方面。國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的相關(guān)研究呈增長趨勢[10]，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面，楊騰等[11]核算了中國稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)凈價值，徐億楠等[12]對靈丘縣土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響進行了評價；在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價方法與模型方面，王曉萌等[13]采用InVEST模型計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，謝高地等[14]基于單位面積價值當(dāng)量因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化，姚禮堂等[15]在復(fù)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上劃分子系統(tǒng)以評價張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系；此外，陳悅[16]以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為路徑探索應(yīng)對氣候變化與生物多樣性保護的協(xié)同機制，陳華陽等[17]將生態(tài)承載力與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值耦合以評價福建省長汀縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的不斷深入，逐漸從理論研究走向?qū)嵺`應(yīng)用，生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的結(jié)合，不斷豐富自然資源管理、規(guī)劃設(shè)計、生態(tài)恢復(fù)工程等新領(lǐng)域，支撐決策者權(quán)衡利弊，從而促進社會與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[18]。統(tǒng)計學(xué)分析方法與空間制圖法的結(jié)合是識別和具體體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡較為有效的工具[19]，已有研究還應(yīng)用了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇等方法，來定義功能分區(qū)、時空格局，從而更好地進行社會-生態(tài)系統(tǒng)管理[20-21]。

黑龍江省典型黑土區(qū)的面積約14.9萬km2，占典型黑土區(qū)總面積的44.7%，涉及81個縣(區(qū))[22]。近年來，針對黑龍江省農(nóng)田管理的研究主要集中在承載力評價[23-26]、生態(tài)安全[27-30]、糧食產(chǎn)能[31]、耕地質(zhì)量[32]等方面。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興，我國對現(xiàn)有中低產(chǎn)田、低洼易澇地實施“旱改水”工程，以提高土地的產(chǎn)出效益，形成穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，做到藏糧于田[33]，自2008年以來，水利工程取得了很大進展，加快推進了三江平原灌區(qū)工程建設(shè)。隨著大面積農(nóng)田實施旱改水提質(zhì)改造工程，在全省糧食產(chǎn)量持續(xù)上漲的同時，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著的影響。國內(nèi)對旱改水展開了充分研究：任永星等[34]指出吉林省西部“旱改水”的趨勢逐漸增加；此外，向長玉等[35]采用定量化模型計算通河縣的許可最大水田面積，以許可轉(zhuǎn)換度來表征區(qū)域旱地改水田的極限比例；周浩等[36]基于遙感和GIS手段，從旱改水角度出發(fā)探討流域耕地變化下的水土資源平衡效應(yīng)問題。然而，在旱改水對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響方面的研究較少，而作為我國糧食大省的黑龍江省，了解其農(nóng)田生態(tài)狀況十分必要。因此，本研究擬以黑龍江省農(nóng)田為研究區(qū)域，在旱改水背景下，研究1995—2020年黑龍江省4類關(guān)鍵性農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，了解旱改水對研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響，對農(nóng)田管理和土地利用優(yōu)化配置提出對策與建議，以期實現(xiàn)更有效的土地利用管理，從而達(dá)到協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展與農(nóng)田保護的目的。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省，位于中國最東北部，北緯43°26′～53°33′，東經(jīng)121°11′～135°05′，面積47.3萬km2。黑龍江西部屬松嫩平原，東北部為三江平原，北部、東南部為山地。全省年平均氣溫多在-5～5 ℃，年降水量大多介于400～650 mm。黑龍江省是我國的產(chǎn)糧大省，地勢低洼易澇，土質(zhì)以黑鈣土、草甸土和沙壤土為主，非常適合水稻生產(chǎn)，且水田灌區(qū)控制面積寬闊，適宜水田開發(fā)的土地資源較為豐富。近年來，隨著水稻經(jīng)濟效益的提高，農(nóng)民把旱地改為水田，把低洼易澇的土地、鹽堿地變?yōu)榉侍?，水田所占比重大幅提高?/p>

1.2 數(shù)據(jù)來源

黑龍江省土地利用LUCC數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，分辨率為1 km×1 km。本研究選擇4期影像，分別為1995年、2005年、2015年、2020年黑龍江LUCC數(shù)據(jù)，以及90 m×90 m分辨率的黑龍江省DEM數(shù)據(jù)以提取坡度坡長。降雨等氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，土壤數(shù)據(jù)來自于中國土壤數(shù)據(jù)庫，糧食產(chǎn)量、主要農(nóng)作物種植面積等數(shù)據(jù)來自于黑龍江省及各市統(tǒng)計年鑒。

1.3 研究方法

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類眾多，且受農(nóng)田建設(shè)工程、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型和結(jié)構(gòu)也發(fā)生著顯著變化。近些年來，黑龍江省開展了以旱改水為主的農(nóng)田提質(zhì)改造項目，通過實施一系列生物、工程以及綜合措施，對農(nóng)田進行改造，顯著改變了土地利用方式和種植結(jié)構(gòu)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了一定的影響。研究表明，旱改水對區(qū)域農(nóng)田產(chǎn)能提升[37]、碳儲量增加[38]以及提供土壤保持[39]等具有積極作用。與此同時，部分研究也對旱改水對水分平衡的干擾[40]進行了實證分析。本研究結(jié)合謝高地等[41]制定的中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分的結(jié)構(gòu)，以黑龍江省旱改水工程為背景，選取糧食供應(yīng)、碳固定、水文調(diào)節(jié)、土壤保持4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行研究。

1.3.1糧食供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食供應(yīng)服務(wù)主要是指糧食資源或經(jīng)濟作物的產(chǎn)出能力，作為區(qū)域糧食供應(yīng)和農(nóng)田的基本生態(tài)服務(wù)，本研究選擇糧食產(chǎn)量進行量化和繪圖。采用農(nóng)田綜合生產(chǎn)能力對農(nóng)田食物供給能力進行衡量。具體計算公式如下：

E=∑Gj×Kj

(1)

式中：E為標(biāo)準(zhǔn)耕作制度核算鄉(xiāng)鎮(zhèn)(村)實際單產(chǎn)；Gj為不同種類基準(zhǔn)作物統(tǒng)計單產(chǎn)；Kj為不同種類標(biāo)準(zhǔn)糧換算系數(shù)。

1.3.2碳固定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

碳固定是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維持碳平衡的一項關(guān)鍵服務(wù)，旱改水工程會直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的碳循環(huán)過程，本研究選擇碳儲量進行量化和繪圖，采用谷家川農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算模型[42]計算得到。具體計算公式如下：

(2)

(3)

式中：Wi為第i類農(nóng)作物的碳儲量，t；Ci為第i類農(nóng)作物單位生物量的含碳量，%；Ki為第i類農(nóng)作物產(chǎn)量，t；Vi為第i類農(nóng)作物水分系數(shù)，%；Hi為第i類農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)；Ri為第i類農(nóng)作物的根冠系數(shù)比系數(shù)，%；n為農(nóng)作物種類數(shù)；D為區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被的平均碳密度，t/hm2；A為區(qū)域耕地面積，hm2。

1.3.3水文調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

水文調(diào)節(jié)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的供水密切相關(guān)，其內(nèi)涵為生態(tài)系統(tǒng)的淡水供給和虧缺，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，本研究選擇水分盈虧量這一指標(biāo)進行量化。采用Penman-Monteith公式計算參考蒸散量，主要涉及降水和蒸發(fā)兩個過程，即計算降水量與蒸散量的差值得到。具體計算公式如下：

(4)

D=Q-ET0

(5)

式中：ET0為參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；D為水分盈虧量，mm；Q為降雨量，mm。

1.3.4土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

土壤保持指有機質(zhì)積累及植被根物質(zhì)和生物在土壤保持中的作用，是重要的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)，可有效防止土地退化、降低洪澇災(zāi)害的風(fēng)險，本研究選擇土壤保持量進行量化。采用土壤流失模型(USLE)，即潛在的土壤侵蝕與實際土壤侵蝕強度之間的差值得到。具體計算公式如下：

Ar=R×K×L×S×C×P

(6)

Ap=R×K×L×S

(7)

Ac=Ap-Ar

(8)

式中：Ar為實際土壤侵蝕量；Ap為潛在土壤侵蝕量；Ac為土壤保持量(也稱土壤流失量)；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物經(jīng)營因子；P為水土保持措施因子。

1.3.5權(quán)衡與協(xié)同分析

本研究以糧食供應(yīng)、碳固定、水文調(diào)節(jié)和土壤保持4類農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果為基礎(chǔ)，采用Spearman秩相關(guān)性分析，即一種雙變量相關(guān)性的非參數(shù)度量，用以確定判斷黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的作用關(guān)系，即4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間是否存在協(xié)同和權(quán)衡作用[43]，計算公式如下：

(9)

1.3.6生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組合

多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以定性地解釋為一個聚集的景觀，它不僅描述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系，而且支持了土地利用規(guī)劃的空間策略，可采用K-均值聚類分析對從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中獲得的農(nóng)田生態(tài)功能區(qū)進行分析和識別[44]。聚類分析是指通過衡量不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相似性，把相似的生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的區(qū)域劃分為一類，便于有效的管理生態(tài)系統(tǒng)[45]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估結(jié)果，采用熱點分析來識別具有統(tǒng)計意義的熱點的位置，明確不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的強度以及各類服務(wù)空間分布，并對4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行極差法標(biāo)準(zhǔn)化分析，確定各地區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省農(nóng)田變化特征

1995—2020年黑龍江省農(nóng)田空間分布特征見圖1。由圖1可見：1995—2020年黑龍江農(nóng)田面積呈現(xiàn)先緩后快的增加態(tài)勢：1995—2005年農(nóng)田面積增加7 170 km2，以水田為主；2005—2015年，增加面積2 582 km2，旱地轉(zhuǎn)變?yōu)樗飸B(tài)勢明顯；2015—2020年，增加面積9 315 km2，因土地開發(fā)，旱地同步增加。隨著“以稻治澇”工程[46]的實施，黑龍江省水田面積逐年擴張。1995—2020年黑龍江省農(nóng)田旱改水空間分布情況見圖2。由由圖2可知：期間水田面積增加25 729 km2，增長率為162.45%，水田面積翻番，范圍集中在三江平原區(qū)域。

2.2 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

1995—2020年黑龍江省4類關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化結(jié)果見圖3。由圖3可知：與1995年的3 456 kg/hm2的糧食單產(chǎn)相比，2020年的單產(chǎn)提高了51.13%；從糧食總量看，1995—2020年糧食總量增加了4.95×107t，漲幅達(dá)190.82%。其中，鶴崗、雙鴨山、雞西、佳木斯糧食總產(chǎn)量增長幅度最高，鶴崗產(chǎn)量增長率達(dá)132.26%，均處于三江平原，是黑龍江省集中開展旱改水工程最大的區(qū)域，因此其糧食產(chǎn)量貢獻最為突出。

本研究選擇水稻、玉米、大豆3種主要農(nóng)作物來計算黑龍江省農(nóng)田的碳固定量。就整個研究區(qū)域而言，主要農(nóng)作物碳固定量和碳密度均呈上升趨勢，農(nóng)作物的碳固定量從1995年的1.87×107t上升至2020年的6.28×107t。而農(nóng)作物的碳密度從2.08 t/hm2上升至4.35 t/hm2。黑龍江省各市的碳固定總量均呈上升趨勢，其中，哈爾濱總量增加最多，鶴崗、雙鴨山增長幅度最高，究其原因，主要是由于哈爾濱糧食產(chǎn)量增長最高，而鶴崗、雙鴨山均位于三江平原，實施了旱改水工程。

在不考慮人為影響和地下滲漏、地表徑流等情況下，水分盈虧量主要取決于降水量和作物蒸散量，其差值即為水分盈虧量。當(dāng)水分盈虧量>0時，水分盈余；當(dāng)水分盈虧量<0時，水分虧缺；而當(dāng)水分盈虧量為0時，水分盈虧平衡。研究結(jié)果表明，1995年黑龍江省水分虧缺量總量為8.11×109m3，2020年為2.29×1010m3，所有城市的水分虧缺量均在上升，其中，齊齊哈爾市、綏化市、哈爾濱市的水分虧缺量上升最多。作為黑龍江省主要農(nóng)作物的水稻、玉米和大豆，作物日需水量大小排序為：水稻>玉米>大豆[47]。哈爾濱、齊齊哈爾、綏化是黑龍江省種植水稻較多的3個市，加上旱改水工程的大力實施開展，水分虧缺量逐年增長。

就黑龍江省農(nóng)田的土壤保持總量而言，1995年和2020年分別為8.19×108、9.78×108t。土壤保持功能受自然和人為的極大影響，自然因素包括降雨量、土壤結(jié)構(gòu)、坡長及坡度因子等，人為因素包括基礎(chǔ)設(shè)施與配套設(shè)施等，都對土壤保持有著重要的影響。近些年來，黑龍江省大力實施開展土地整治工程、旱改水工程以及黑土地保護工程，在一定程度上提高了農(nóng)田質(zhì)量以及土壤保持能力。

圖1 1995年、2005年、2015年及2020年黑龍江省農(nóng)田空間分布Fig.1 Spatial distribution of farmland in Heilongjiang Province on 1995， 2005， 2015 and 2020

2.3 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

黑龍江省農(nóng)田4類主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系見表1?？芍?995—2020年相關(guān)性基本一致，但相關(guān)程度存在差異，呈現(xiàn)的特征如下：

1)糧食供應(yīng)與水文調(diào)節(jié)具有權(quán)衡關(guān)系。自旱改水工程實施以來，農(nóng)田糧食生產(chǎn)能力不斷提高，農(nóng)作物的需水量也在不斷增加，降水量穩(wěn)定的情況下，糧食產(chǎn)量的提高定會導(dǎo)致水分虧缺量的增加，進而出現(xiàn)糧食供應(yīng)和水文調(diào)節(jié)更加顯著的權(quán)衡關(guān)系。

2)糧食供應(yīng)與土壤保持具有權(quán)衡關(guān)系。由于人類的種植耕作，土壤表層松散，易隨風(fēng)力、水力運移導(dǎo)致，農(nóng)田的固土效果遠(yuǎn)不及林地，因此糧食供應(yīng)與土壤保持具有權(quán)衡關(guān)系。在追求糧食產(chǎn)量的同時，人類加大了對林地以及草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞，特別是在以農(nóng)田為主的松嫩平原和三江平原地區(qū)。

3)水文調(diào)節(jié)與土壤保持具有協(xié)同關(guān)系。水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能較強的為森林生態(tài)系統(tǒng)，樹木可以利用其發(fā)達(dá)的根系防止水土流失，樹冠和枯枝落葉也可截留水分，從而能夠較好地保護水資源，另一方面林地又可以很好地固土。在追求效益的同時，應(yīng)考慮充分發(fā)揮水文調(diào)節(jié)和土壤保持的協(xié)同關(guān)系，以增強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

圖2 1995—2020年黑龍江省旱改水區(qū)域Fig.2 Drought and water conversion area in Heilongjiang Province from 1995 to 2020

圖3 1995年、2005年、2015年及2020年黑龍江省各市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)Fig.3 Ecosystem services in Heilongjiang Province on 1995， 2005， 2015 and 2020

表1 1995—2020年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系Table 1 Trade-offs and synergistic relationships of farmland ecosystem services in Heilongjiang Province from 1995 to 2020

2.4 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間熱點分析

2.4.1黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點識別

本研究采用空間熱點分析的方法，歸納出4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點的空間模式，結(jié)果見圖4。其主要特征如下：

1)由于地形平坦、面積廣闊，哈爾濱、齊齊哈爾、綏化一直是黑龍江省產(chǎn)糧的主要地市，隨著旱改水等耕地提質(zhì)工程的開展，佳木斯市糧食產(chǎn)量持續(xù)上升，逐漸成為糧食供應(yīng)的熱點區(qū)域，但4個地市也是水分虧缺集中發(fā)生的地區(qū)。

2)糧食供應(yīng)與碳固定存在著隨時間增加的協(xié)同關(guān)系，碳固定的熱點地區(qū)不斷擴大至與糧食產(chǎn)能熱點區(qū)域相似，其擴張地區(qū)與旱改水區(qū)域吻合度較高，土壤保持與糧食供應(yīng)熱點區(qū)域的空間格局重疊率較低。近些年來，黑龍江省的土壤保持量一直處于低等級狀態(tài)。就土壤保持能力而言，森林最強，且保持量呈上升趨勢；而農(nóng)田的土壤保持能力最弱，且有所降低[48]。大興安嶺地區(qū)作為黑龍江省森林覆蓋率最高的城市，其土壤保持量一直為熱點區(qū)域，隨著旱改水面積的擴大，其余熱點區(qū)域隨時間不斷縮小。

圖4 黑龍江省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點分布Fig.4 Distribution of cold hot spots of ecosystem service in Heilongjiang Province

3)黑龍江省農(nóng)田主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點分布見圖5。由圖5可知：農(nóng)田主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點區(qū)存在明顯的空間差異性和動態(tài)性。隨著旱改水工程在三江平原的擴大，糧食主產(chǎn)區(qū)逐漸增多，但隨之而來的是需水量的增加和土壤保持量的下降。亟需通過制定管理政策、采取措施來改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用，提高協(xié)同作用，降低權(quán)衡作用，以更好地改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

圖5 黑龍江省主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點分布Fig.5 Distribution of cold hot spots of the leading ecosystem services in Heilongjiang Province

2.4.2黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理分區(qū)

根據(jù)黑龍江省土壤類型、耕作模式等差異，水田、旱地、水澆地等農(nóng)田地類，科學(xué)分區(qū)分類，實施差異化治理。結(jié)合對黑龍江省4種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化評估以及權(quán)衡與協(xié)同分析的結(jié)果，對研究區(qū)進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理分區(qū)，詳見圖6。

圖6 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理分區(qū)Fig.6 Farmland ecosystem service and management division of Heilongjiang Province

由圖6可見：農(nóng)產(chǎn)品供給區(qū)包括齊齊哈爾、綏化、哈爾濱等8個地市。該區(qū)土壤肥沃，土壤類型以黑土為主，土地利用類型主要為耕地，或地勢平坦，幅員遼闊，或是旱改水工程的主要地區(qū)，糧食生產(chǎn)生態(tài)服務(wù)突出。在保證糧食供給的同時，應(yīng)建立嚴(yán)格的耕地保護制度，在《中華人民共和國東北黑土地保護法》的指導(dǎo)下，形成適宜黑龍江本地的管理措施和法律保障；同時，可對耕地質(zhì)量進行長期監(jiān)測，適時采取措施，提高土壤肥力和土地利用效率。采取生物、工程措施，提高土壤肥力，堅持生態(tài)優(yōu)先，用養(yǎng)結(jié)合，改善農(nóng)田的生態(tài)質(zhì)量。

生態(tài)保護區(qū)包括大慶市和黑河市。目前黑龍江省耕地開發(fā)強度較大，耗水嚴(yán)重，普遍存在地下水資源匱缺的狀況。因此該區(qū)域在開展耕地利用和管理活動時應(yīng)優(yōu)先考慮水資源的限制性，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮好生態(tài)功能。在滿足區(qū)域用水需求的同時，促進水資源的合理開發(fā)利用，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的實現(xiàn)提供實踐基礎(chǔ)；與此同時，應(yīng)采取低碳土地整治模式，提倡免耕或少耕盡量減少碳排放。以水文調(diào)節(jié)為該區(qū)的主要功能，加快形成自然保護地體系，完善生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，提高重點流域生態(tài)環(huán)境和水域生態(tài)功能，推動生態(tài)系統(tǒng)功能整體性提升。

土壤保持區(qū)包括大興安嶺地區(qū)、伊春市和牡丹江市。目前，東北黑土面臨著土壤侵蝕的嚴(yán)重問題，土壤侵蝕會導(dǎo)致黑土層變薄、土壤肥力降低、持水性能下降等多重危害。黑龍江省可結(jié)合生物、工程手段，建立防風(fēng)林以防治土壤侵蝕，調(diào)整農(nóng)業(yè)措施如少耕免耕等幫助地力恢復(fù)。進一步強化農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)，采取秸稈還田、增施有機肥、擴種大豆等措施，改善土壤結(jié)構(gòu)。

3 討 論

黑龍江省作為國家商品糧的生產(chǎn)和儲備基地，來自全國的糧食需求對黑龍江省的農(nóng)田生產(chǎn)能力提出了更高的要求，省外耕地補充壓力也使得農(nóng)田面積的進一步擴張。黑龍江省也是國家生態(tài)安全格局“三區(qū)四帶”中東北森林帶的重要組成部分。農(nóng)田擴張侵占了大量濕地、草地和森林，造成了生態(tài)退化、水文調(diào)節(jié)功能下降等，過度地集約化利用導(dǎo)致黑土退化。近年來，黑龍江省實施了土地整治、旱改水工程等項目。旱改水工程增加了對地下水的抽取，致使地下水水位下降，與濕地、草原、森林競爭水資源。種植結(jié)構(gòu)的改變，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也發(fā)生了相應(yīng)的改變。

面對區(qū)域農(nóng)田利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能改變的現(xiàn)實，本研究在黑龍江省農(nóng)田大面積旱改水背景下，選取了4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以期實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最大化，為政府決策對農(nóng)田管理提供建議。研究結(jié)果表明，綏化、佳木斯、齊齊哈爾、哈爾濱等糧食產(chǎn)量高的區(qū)域，水分虧缺量隨產(chǎn)量增加一致，由于大面積旱改水工程的實施，農(nóng)田用水急劇增加，農(nóng)田水分虧缺量大幅增長，致使地下水位持續(xù)下降，糧食供應(yīng)與水文調(diào)節(jié)呈現(xiàn)出此消彼長的權(quán)衡狀況，這與周璟茹[49]的研究結(jié)果一致，其冷熱點的空間轉(zhuǎn)移也印證了該結(jié)論。實施旱改水工程，改善了農(nóng)田的規(guī)劃布局，道路通達(dá)度、灌排通達(dá)度不斷提升，使得糧食產(chǎn)量、生產(chǎn)效益提高。但由于人類的種植耕作及擴張，綏化等糧食主產(chǎn)區(qū)土壤保持功能逐漸下降，而大興安嶺等非糧食主產(chǎn)區(qū)域的土壤保持呈現(xiàn)穩(wěn)步增長狀態(tài)，因此本研究中糧食產(chǎn)能與土壤保持具有權(quán)衡關(guān)系，這與祁寧[44]等的研究結(jié)果一致。

大面積旱改水工程，在造成區(qū)域地下水資源脅迫的同時，影響毗鄰區(qū)域旱地農(nóng)作物的出苗率和產(chǎn)量。在建設(shè)社會主義生態(tài)文明背景下，黑龍江省農(nóng)田在提升糧食產(chǎn)量的同時，如何通過合理利用農(nóng)田、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)以促進各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同發(fā)展是亟需解決的問題。對此，本研究采取分區(qū)管控措施，探索綠色和現(xiàn)代化發(fā)展模式，多維度考慮農(nóng)田利用，實現(xiàn)生態(tài)和效益的協(xié)同發(fā)展。針對每個區(qū)域的自然資源以及現(xiàn)狀，采取相應(yīng)的治理方案以實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)分區(qū)因地制宜控制旱改水規(guī)模、調(diào)整旱改水工程布局，在農(nóng)產(chǎn)品供給區(qū)允許適當(dāng)水改旱，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，完善水利設(shè)施工程，提高水資源利用效率；在生態(tài)保護區(qū)加快形成自然保護地體系，完善生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，提高重點流域生態(tài)環(huán)境和水域生態(tài)功能，推動生態(tài)系統(tǒng)功能整體性提升；在土壤保護區(qū)實行輪作、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以恢復(fù)地力。與此同時，完善糧食生產(chǎn)利益協(xié)調(diào)機制，在大力開展農(nóng)田建設(shè)和實施占用耕地易地占補工程同時，加大省際生態(tài)補償力度。

本研究存在一些局限，只考慮4種主要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，未涉及生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)以及文化傳承等服務(wù)，無法全面地反映旱改水對黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響。權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系方面，本研究使用相關(guān)性分析僅能識別一對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的線性關(guān)系，無法探測2種以上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜線性關(guān)系。此外，以行政區(qū)為研究單元無法揭示行政區(qū)內(nèi)部的空間異質(zhì)性。未來研究將考慮更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，引入非線性的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系識別方法，從更精細(xì)的格網(wǎng)尺度探討旱改水對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4 結(jié) 論

本研究以黑龍江省為研究區(qū)域，定量評估1995—2020年黑龍江省農(nóng)田的4類關(guān)鍵性生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，主要結(jié)論如下：

1)從耕地變化來看，1995—2020年黑龍江省農(nóng)田結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化，尤以旱改水工程驅(qū)動的旱地轉(zhuǎn)為水田最為明顯。期間，農(nóng)田面積增長率達(dá)12.36%，水田面積增長了162.45%，其中，25.89%的水田增加源于旱改水工程，在空間上看，集中分布在三江平原區(qū)域。

2)從權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系來看，在降水、地表水和地下水資源相對穩(wěn)定的情況下，旱改水工程造成局部水資源短缺情況，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估及其權(quán)衡中得到印證：水文調(diào)節(jié)與碳固定、土壤保持之間具有空間協(xié)同關(guān)系；而糧食產(chǎn)能與水文調(diào)節(jié)、土壤保持之間存在顯著的權(quán)衡關(guān)系。1995—2020年的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系基本一致，但相關(guān)程度存在差異。

3)從分區(qū)管理來看，為統(tǒng)籌兼顧農(nóng)民增收和農(nóng)田可持續(xù)利用關(guān)系，可將具有較高糧食產(chǎn)量且地下水開采條件較好的區(qū)域劃分為農(nóng)產(chǎn)品供給區(qū)；將水文調(diào)節(jié)適宜，生態(tài)功能良好的區(qū)域劃分為生態(tài)保護區(qū)；將土壤保持為主導(dǎo)服務(wù)、林區(qū)資源豐富，可保持地區(qū)土壤穩(wěn)定，降低土壤侵蝕的區(qū)域劃分為土壤保持區(qū)，加強對農(nóng)田利用活動引導(dǎo)，強化旱改水工程的規(guī)劃布局和總量控制。