隴東耕地凈第一性生產力及生態服務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重點實驗室 甘肅農業大學，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州730070；4.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州730070；5.中科院寒區旱區環境與工程研究所 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“生態系統服務”概念，生態系統服務功能的價值評估逐漸受到廣泛關注，成為國內外生態學家、經濟學家研究的熱點［1－6］。生態系統服務功能是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務［2］。農業生態服務功能指特定農業生態系統產生的包括農產品生產經濟功能以及影響當前生態環境質量和維持現有農業資源數量的作用，在一定時空條件下可以進行客觀量化評估［7］。由于農業生態系統的優勢物種和所處自然環境千差萬別，因而其產生的生態服務功能具有明顯的時空差異［8］。

甘肅隴東地區位于甘肅省東部，屬黃土高原溝壑立地亞區［9］，是黃土高原土壤侵蝕非常嚴重的地區之一。而黃土高原是我國西部水土流失最為嚴重、生態環境極為脆弱的地區之一［9，10］。由于土質疏松、降水集中、水土流失嚴重和極度脆弱的生態環境嚴重制約著該區域的經濟可持續發展。在近年來退耕還林還草工作的實施中，大量研究主要集中修復土壤、控制水土流失、徹底改善生態環境等方面，隨著植被的建立和恢復，土壤得到修復，水土流失得到控制，生態環境得到改善［10］。然而甘肅隴東耕地生態系統生產力和生態服務所處位置、作用和空間格局等相關的研究和報道較少。為此，本研究在大量實地調查和查閱相關文獻的基礎上，根據統計資料，運用生產力和生態系統服務功能評估的相關理論和GIS（geographic information system）等方法，選擇第一性生產力和生態服務功能價值為研究對象，對區域的生產力和生態服務價值進行定量的時空異質性評價，旨在為區域生態環境建設與發展經濟的一致性提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

慶陽市位于甘肅省東部，習稱“隴東”，位于東經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個市轄區和7個縣，即西峰區、慶陽、華池、寧縣、鎮原、合水、正寧和環縣。研究區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，年降水600～650mm，屬溫涼濕潤性氣候，土壤為灰褐色森林土；中部為殘原溝壑農業區，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牧區，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；全區年均溫7～9℃。

1.2 研究方法

1.2.1 耕地凈第一性生產力測算

式中，Qi為凈第一性生產力（NPP）（t／hm2·a）；Q總為總物質量（t·a）；Bi為經濟產量（t／hm2·a）；ri為經濟產量含水率（%）；Si為第i類耕地的面積（hm2）；fi為經濟系數［11］（表1）。

表1 農作物經濟系數及經濟產量含水率Table 1 Economical coefficient and economical output water ratio of crops

1.2.2 生態服務價值測算 結合黃土高原生態脆弱的主要特點，選取了土壤保持、涵養水源、維持營養物質循環、固碳釋氧、凈化空氣5類評價指標，推算出生態系統服務功能的價值量，以評價隴東地區的生態效應。

1）大氣調節價值

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

式中，V為固碳或制氧價值（元）；Q為凈第一性生產力（t／hm2·a）；E為固碳或制氧系數；P為固碳或制氧成本（元／t）。固碳系數1.63；制氧系數為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生部網站（http：／／www.moh.gov.cn）中2007年春季氧氣平均價格］［12］。

2）水源涵養價值

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

式中：V為涵養水源的價值（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；W為單位體積水價（元），取6.110 7元／t（根據1993－1999年《中國水利年鑒》平均水庫庫容造價為2.17元／t，2005年價格指數為2.82，即得到單位庫容造價）［12］，根據李玉山［13］黃土高原坡耕地年徑流系數一般小于5%，本研究取3%。

3）土壤保持功能價值

運用美國通用土壤侵蝕方程［14，15］以及結合研究區具體情況的各因子計算方法，計算耕地生態系統不同年份保土物質量，運用機會成本法計算植被保持表土的價值、運用影子價格法計算植被保持養分的價值、運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、有機質價格（元／t），分別取2 400，2 200和320元／t［采用農業部中國農業信息網（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、鉀和有機質的含量（%）；W為1m3水庫庫容的工程費用，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為現實土壤侵蝕量（t／hm2·a）。R為降水侵蝕力指標；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［17－19］。由于潛在土壤流失量是指生態系統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）營養物質循環功能價值

利用各類作物實際經濟產量，所需營養元素（有機質、N、P、K的含量等數據）估算各類型作物營養物質的累積量，然后運用影子價格法，定量評價耕地生態系統維持營養物質循環的價值。其公式為：

式中，V維持營養物質循環的經濟價值（元）；Q為凈第一性生產力；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、鉀和有機質的含量（%）；C1，C2，C3分別為磷酸二銨、氯化鉀化肥、有機質價格（元／t），取值同上。

5）凈化環境功能價值

農業特別是種植業，具有降解污染物和清潔環境的顯著效應。主要計算農田對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 結果與分析

2.1 耕地凈第一性生產力的時空異質性分析

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

耕地生產力總物質量的大小取決于NPP和耕地面積。在研究期內，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，隴東黃土高原耕地各作物的總物質量略有上升。1997－2005年降水量為362.8～743.3mm，平均值為517.6mm，變異系數21.8%，可以看出，在研究期內，降水量呈不穩定波動情況。通過生產力與降水量的變異分析研究表明，生產力與降水量相關不顯著（圖2）。

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

2.1.2 耕地凈第一性生產力的空間異質性分析 根據隴東各區縣1997－2005年耕地NPP的平均值，用GIS進行分區統計分析（圖3），慶陽市耕地的NPP差異可以分成2個區：一個是生產力相對較低的西北區（環縣、鎮原、慶城和華池的西北部）；一個是生產力相對較高的東南區（西峰、正寧、寧縣、合水和華池的東南部）。西北低值區生產力低下，耕地平均NPP只有3.54t／（hm2·a），變異系數為11.5%；而東南高值區生產力相對較高，耕地平均NPP為5.94t／（hm2·a），變異系數為6.3%?？梢钥闯?，西北低值區生產力只有東南高值區的59.7%，變異系數遠大于東南高值區，表明西北低值區生產力低下，同時生產力極其不穩定。

2.2 生態服務功能價值測算及時空異質性分析

2.2.1 生態服務功能價值測算及時間異質性分析 利用生態服務功能價值的研究方法，對研究區生態服務價值進行了測算（圖4）。1997－2005年慶陽市耕地生態服務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；而生態服務單位面積價值在研究期內從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服務功能有所改善，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 慶陽市耕地生態服務功能價值動態變化Fig.4 Dynamic change of ecological service value of cultivated land in Qingyang

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

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

2.2.2 生態服務功能價值的空間異質性分析 生態服務價值總量取決于耕地面積和生態服務單位面積價值，在已知耕地面積的情況下，生態服務單位面積價值是生態服務價值總量的決定因素。為此，對1997－2005年生態服務單位面積價值取其平均值，并運用GIS工具對生態服務單位面積價值空間異質性進行分析表明，生態服務價值分布情況與生產力的分布情況基本一致（表2，圖5），可以看出，生態服務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，平均生態服務單位面積價值為10.2萬元／（hm2·a），最大值為11.0萬元／（hm2·a）；在西北區，平均生態服務單位面積價值為7.7萬元／（hm2·a），最小值只有6.8萬元／（hm2·a）。

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

圖5 慶陽市耕地生態服務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

耕地生態系統是典型的人工生態系統，過去人們在農業生產中注重農業生態系統的直接服務價值（生產力），卻忽略整個生態系統至關重要的生產副產品和環境調節功能［21－24］。同時，對耕地生態系統生產力和生態服務價值的研究，除確保糧食安全之外，對生態環境，特別對土壤保持、涵養水源和大氣調節等，服務功能具有較大貢獻。

生態服務功能價值的大小取決于耕地的NPP，為此提高耕地NPP是提高生態服務功能的根本所在。甘肅隴東黃土高原屬于旱作農業區，水和肥是制約系統生產力的2個主導因素［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（R2＝0.255 977）較低。2003年降水量達到最大，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），表明生產力不僅取決于年降水量，而且還取決于降水的季節分配等因素，這與徐為根等［29］及李廣和黃高寶［30］研究結果一致。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 NPP（10.82t／hm2·a）的50%［11］，生產力低下，生態功能服務價值也不高，說明生產力是生態服務價值的決定因素。而生產力受土地利用科技投入、種植結構和土地集約利用程度的影響［31］。因此，通過合理調整種植結構和作物布局，充分利用降水資源，以提高耕地的NPP和生態服務功能。

本研究僅對慶陽市耕地的生產力和生態服務價值進行了計算，考慮的影響因素都是一般性質，并未對自然、經濟、社會過程中的突發事件進行分析，由此而產生的損失也未計算。同時耕地的NPP和生態服務價值總量略有上升趨勢，反映出慶陽市耕地利用結構是基本合理的，利用是可持續的，但影響土地合理性和可持續性的因素很多。因此，有待于進一步更加深入地研究影響其合理性機制，對整個慶陽市的耕地利用變化及其生態安全進行科學合理地評價，為隴東地區經濟發展提供有力保障。

4 結論

在測評過程中，耕地的NPP和生態服務價值計算考慮到不同作物之間參數的差異，根據不同作物確定相應參數，根據不同氣候特點進行推算同一作物不同年份參數，如實際土壤侵蝕量等，力求使測算結果更能反映區域的實際情況。主要結論有：

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

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

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