鹽堿地冬閑農田綠肥種植生態服務價值評價

賈龍，王敬寬，張楷悅，高楓舒，柳新偉

（青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109）

山東濱海鹽堿地面積為5 926.73 km2，占耕地面積的16.67%［1］。鹽堿土含有大量可溶性鹽，抑制作物出苗生長和產量［2］。特別是秋季至次年春季，降水少、蒸發量大，致使土壤表層鹽度高［3］，21%的鹽堿地處于閑置狀態［1］，而此時期≥5℃的積溫為1 039.5℃·日，≥10℃的積溫為510.5℃·日，占全年總積溫的10%以上，可滿足很多作物生長需求，因此耕地資源沒有得到充分利用。

生態效益是農業三大效益之一，就是要在農業生產中使系統的各組成部分相互適應、相互協調，達到物質與能量輸出輸入的數量、結構處于平衡狀態，農業自然資源得到合理開發、利用和保護，促進農業和農村經濟持續、穩定發展［4－7］。因此，如何做到充分利用冬閑農田，獲得更好的經濟、生態效益是農業綠色發展的重要一環，而種植綠肥不失為一種有效手段。

綠肥作為一種清潔的有機肥源，不僅在增加作物產量方面具有較高的經濟價值［8］，更在提高土壤肥力［9，10］、保持土壤［11，12］、涵養水源［13，14］、降低面源污染［15，16］和調節氣體［17，18］等方面具有更為顯著的生態價值。尤其是在當前國家實施“化肥使用量零增長”“耕地質量提升”“耕地輪作休耕”等戰略的宏觀背景下推動綠肥種植，充分發揮綠肥的生態功能，改善農業生態環境，對農業綠色、生態化轉型及高質量發展作用明顯［19］。但是，前人的研究主要針對稻田和旱地綠肥生態服務功能價值評價，并且局限于農產品供給、土壤養分累積、氣體調節等方面［19－21］，而對鹽堿地綠肥生態價值評價的研究較為缺乏，特別是缺乏種植綠肥降低面源污染的功能及效益相關評價標準和方法。

為此，本研究以4年大田定位試驗為基礎，應用生態系統服務功能價值理論和生態經濟學方法，評價綠肥引入鹽堿地冬閑農田產生的生態服務功能價值，以期為鹽堿地冬閑農田種植綠肥推廣提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省東營市利津縣汀羅鎮毛坨村，地理坐標為37°83′N、118°49′E，為暖溫帶季風型大陸性氣候。冬寒夏熱，四季分明，光照充足，雨熱同季。自然植被以草本為主體，類型少，結構單一。年均氣溫12.8℃，年均降水量、蒸發量分別為556、1 755 mm，無霜期206 d，年均日照時數2 702 h。供試土壤為濱海鹽漬土，pH值8.16，有機質含量7.25 g／kg、堿解氮55.47 mg／kg、全氮523.75 mg／kg、有效磷10.37 mg／kg、速效鉀85.63 mg／kg、鹽分2.75‰。

1.2 試驗設計

于2016年10月到2020年4月進行4年大田定位試驗。供試綠肥品種為冬牧70黑麥、大麥和油菜。前茬作物為棉花，品種為魯棉研28號。試驗設置4個處理，分別為冬閑及種植冬牧70黑麥、大麥和油菜，每處理重復3次。小區面積70 m2（7 m×10 m）。前茬棉花于每年10月中下旬秸稈還田，綠肥于次日播種，播種量225 kg／hm2，行距15 cm，不施肥料。綠肥于次年4月中下旬翻壓還田，種植棉花。

1.3 綠肥生態服務功能評價指標選取

依據4年鹽堿地綠肥種植定位試驗數據，利用機會成本法、影子工程法、替代成本法、市場價值法等生態經濟學方法評價冬閑農田綠肥種植的生態服務價值。選取冬綠肥氣體調節、土壤養分累積、水分涵養、土壤保持、抑鹽脫鹽、降低面源污染6項服務功能作為評估對象，構建鹽堿地冬閑農田綠肥種植利用價值綜合評價指標體系。

1.4 數據來源

田間試驗數據主要為4年大田定位試驗最后一年（2020年4月）的實測數據，包括綠肥產量、耕層（0～20 cm）土壤養分（堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質）含量、土壤含鹽量、土壤含水量和土壤物理性狀（容重、比重和孔隙度）等。

在綠肥青刈期采集植株和耕層（0～20 cm）土壤樣品。土壤水分含量采用烘干法測定；土壤水溶性鹽總量采用殘渣烘干－質量法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀滴定法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提－硫酸鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提－火焰光度法測定；土壤容重和孔隙度采用環刀法測定［22］。

價格參數主要參照《森林生態系統服務功能評估規范》（LY／T 1721—2008）［23］和中國統計年鑒數據。為了降低年際間各個價格參數的差異，設置2019年為價格計算基準年份，通過2019年居民消費價格指數（CPI）將所需價格參數均轉化為2019年的價格，從而使評估結果具有可比性。

1.5 評估方法

1.5.1 氣體調節價值 綠肥植物通過光合作用和呼吸作用與大氣進行CO2和O2交換，固定CO2，同時釋放O2。農田土壤同時也排放CO2、CH4、N2O等溫室氣體，對全球變暖有著重要影響。在鹽堿地冬閑農田種植冬綠肥改變了農田植被覆蓋類型，從而增強了對SO2、NOX、HF和滯塵等主要空氣污染物的凈化功能［20］。

因此，冬綠肥氣體調節功能價值由固碳釋氧價值、排放溫室氣體負價值和凈化空氣價值共同組成，均采用影子價格法進行計算。

Vg＝Vg1－Vg2＋Vg3。

式中，Vg為氣體調節功能價值（元／hm2），Vg1為固碳釋氧價值（元／hm2），Vg2為排放溫室氣體負價值（元／hm2），Vg3為凈化空氣價值（元／hm2）。

Vg1＝0.44×B×EC＋1.2×B×EO。

式中，B為農田作物生物量（kg／hm2）；EC為固定CO2成本（元／kg）；EO為制造O2成本（元／kg）。固碳成本采用瑞典碳稅價格，為150美元／t［23］，折合人民幣1 034.78元／t（匯率取2019年人民幣對美元平均匯率，為6.8985）；制造O2價格參考評估規范［23］取1 000元，結合2019年相對價格指數為0.997，制造O2價格為997元／t。冬閑農田雜草生物量為1 220 kg／hm2，冬牧70黑麥生物量為4 326 kg／hm2，大麥生物量為3 881 kg／hm2，油菜生物量為2 727 kg／hm2。

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）1992年提出的全球增溫潛勢（GWP）原理，以100年影響尺度計，CH4和N2O的GWP值分別為23和296［24］。據此，將農田排放CH4、N2O的負價值轉換為排放等量CO2的負價值。采用靜態箱法［25］測定冬閑田、冬牧70黑麥田、大麥田和油菜田CH4排放量分別為8.76、21.23、19.84、13.26 kg／hm2，N2O排放量分別為0.12、1.01、0.96、0.54 kg／hm2。

Vg2＝（FCH×23＋FNO×296）×EC。

式中，FCH、FNO分別為農田CH4和N2O的排放量（kg／hm2）。

由于市場中缺乏直接交易價格，故采取機會成本法，以治理SO2、NOX、HF和滯塵所需成本作為綠肥凈化空氣價值。

Vg3＝D×I×P 。

式中，D為單位面積農田作物吸收污染氣體的量（kg／hm2），SO2、NOX、HF、滯塵取值分別為45、33.5、0.38、0.95 kg／hm2［26］；I為農田覆蓋作物修正系數，冬閑田、冬牧70黑麥田、大麥田和油菜田取值分別為0.20、1.70、1.60、1.40［27］；P為治理空氣污染物成本（元／kg），依據評估規范［23］，SO2、NOX、HF、滯塵治理成本取值分別為1 167.60、612.99、671.37、145.95元／t。

1.5.2 土壤養分累積價值 以耕層堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質積累量來評估綠肥種植土壤養分累積功能價值。由于土壤養分在市場中缺乏直接價格，故采用影子價格法，用含有等量營養物質的肥料和有機碳的市場價值分別替代農田生態系統中堿解氮、有效磷、速效鉀以及有機質的累積價值。

VN＝ρ×H×∑Ni×EN。

式中，VN為土壤養分累積價值（元／hm2）；ρ為土壤容重（g／cm3）；H為每公頃（20 cm）土壤體積（m3／hm2）；Ni為 單 位 面 積 土 壤 養 分 累 積 量（t／hm2）；EN為土壤養分價格（元／t），依據評估規范［23］并結合2019年相對價格指數1.022，有機質、N、P2O5、K2O 養 分 價 格 分 別 為327.04、1 077.90、2 754.60、3 747.27元／t。

1.5.3 水分涵養價值 綠肥通過增加土壤蓄水能力、減少直接土壤水分損失或限制蒸騰損失來增加水分蓄積能力，以達到水分涵養功能。因此，本研究以土壤耕層飽和含水量來反映冬綠肥的水分涵養價值。由于市場中缺乏土壤水的直接價格，本研究依據土壤涵養水分的主要功能類似水庫蓄水功能的特點，采用影子工程法計算水分涵養功能價值。

Vw＝Ew×h×θf×10－4。

式中，Vw為水分涵養價值（元／hm2）；Ew為水庫庫容建造價格（元／t）；h為土壤厚度，為0.2 m；θf為土壤飽和含水量（%）。根據評估規范［23］中2005年水庫庫容建造價格為6.1107元／t，結合2019年價格指數1.028，得到2019年水庫庫容建造價格為6.28元／t。

1.5.4 土壤保持價值 農田生態系統的土壤保持價值主要表現為農作物對地表的覆蓋作用對抵抗水力、風力、重力等侵蝕的固土價值、保肥價值、減淤價值。鹽堿地冬閑田綠肥使裸露地表得以覆蓋，能夠降低農田土壤侵蝕量。由于缺少對農田土壤保持量的直接測量，本研究運用土壤流失方程（USLE）［28－30］計算農田作物土壤保持量AC，得到冬閑田、冬牧70黑麥田、大麥田、油菜田土壤保持量分別為54.78、154.91、153.90、149.84 t／hm2。

由于市場不存在直接土壤交易價格，故采用機會成本法，分別以農田單位面積土地收益、土壤養分價值、承載泥沙淤積的水庫庫容建造成本來估算系統固土價值、保肥價值及減少泥沙淤積價值，得到冬綠肥土壤保持功能價值。

VSC＝VSE＋VFC＋VSD。

式中，VSC為土壤保持功能價值（元／hm2）；VSE為固土價值（元／hm2）；VFC為保肥價值（元／hm2）；VSD為減少泥沙淤積價值（元／hm2）。

固土價值為土地面積與土地收益的乘積，計算公式為：

式中，ρ為土壤容重（g／cm3）；EA為單位面積的土地收益（元／hm2），通過周邊農戶調研所得，取平均值為15 000元／hm2。

保肥價值計算運用影子價格法，根據土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量算出種植綠肥保肥經濟價值，計算公式為：

VFC＝AC×∑Nj×EN。

式中，∑Nj為單位面積土壤養分保持量（t／hm2）。

減少泥沙淤積價值運用替代工程法，以水庫蓄水成本計算每年減少泥沙淤積的經濟價值，公式為：

式中，Ew為水庫庫容建造成本，為6.28元／t［23］；24%為泥沙淤積于水庫、江河、湖泊的量占土壤侵蝕量的百分比［31］。按照我國主要流域的泥沙運動規律，全國一般土壤侵蝕流失的泥沙有24%淤積，這部分泥沙直接造成了水庫、江河、湖泊蓄水量的下降，在一定程度上增加了干旱、洪澇災害發生的機會；另有33%滯留，37%入海［32］。

1.5.5 抑鹽脫鹽價值 鹽堿地土壤的含鹽量、含堿量較高，不適合普通農作物的生長［33］。選擇適宜的耐鹽植物種植普遍被認為是最經濟有效的鹽堿地土壤改良方式［34］。在鹽堿地塊配置區域性排水設施，通過引用常年流通的活水進行灌溉，達到區域脫鹽的目的［35］。由于綠肥種植降低含鹽量、改良鹽堿地的價值較難計算，所以運用影子價格法估算鹽堿地使用灌水洗鹽措施改良鹽堿地的價值，計算公式為：

VS＝S×W×T 。

式中，VS為抑鹽脫鹽價值（元／hm2）；S為土壤鹽分降低量（%）；W 為灌水系數1 327.7 m3／hm2（土壤鹽分每降低0.1%的灌水系數［36］）；T為每方灌水量所投入的成本（元／m3，水電、勞動力等成本），通過市場調研得水電和勞動力等成本為0.72元／m3。

1.5.6 降低面源污染價值 灌水洗鹽作為目前鹽堿地改良的一種常見方式，僅將土壤中的鹽分含量降低，沒有改善土壤結構，同時還會通過徑流和滲漏的方式將土壤中的水溶性養分淋洗掉，引起地表水富營養化和地下水污染，造成土壤相對瘠薄［37］。而鹽堿地種植綠肥不僅能抑鹽脫鹽，還能保土保肥，降低土壤中氮素、磷素和鉀素淋失量，減少對地下水污染的風險。由于土壤中磷具有吸附性，綠肥對磷素淋溶無顯著影響［38－41］；土壤中水溶態鉀易被植物直接吸收利用，也容易淋溶，但含量較低［42］。所以本研究只考慮綠肥對降低氮素淋溶的影響。采用邊際消減成本法評估冬綠肥－棉花農田生態系統降低面源污染的功能。計算公式為：

VP＝B×Nc×（Rc＋Lc） 。

式中，VP為降低面源污染價值（元／hm2）；B為農田生物量（kg／hm2）；Nc為每噸覆蓋作物降低氮素淋溶量，為3.69 kg／t［43］；Rc和Lc分別為治理徑流損失氮素成本和滲漏損失氮素成本（元／kg）。根據李文華［44］研究，治理徑流損失氮素成本和滲漏損失氮素成本分別為79.15、81.80元／kg，2019年相對價格指數1.002，得到Rc和Lc分別為79.31、81.96元／kg。

2 結果與分析

2.1 氣體調節功能價值

冬綠肥的氣體調節功能價值主要表現為固碳釋氧價值，以釋放氧氣為主（表1）。冬牧70黑麥、大麥、油菜固定CO2價值分別是冬閑處理的3.55、3.00、2.24倍，釋放O2價值分別是冬閑處理的3.36、3.16、2.24倍，固碳釋氧價值分別是冬閑處理的3.41、3.12、2.24倍，凈化空氣功能價值分別是冬閑處理的8.50、8.00、7.00倍，氣體調節價值分別是冬閑處理的3.47、3.16、2.31倍。

表1 不同冬綠肥的氣體調節功能價值 （元／hm2）

2.2 土壤養分累積功能價值

冬綠肥處理土壤養分累積價值均明顯高于冬閑處理（表2）。種植冬牧70黑麥的耕層土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質養分累積價值分別比冬閑處理增加2.83、10.35、12.86、2.60倍，種植大麥分別比冬閑處理增加1.28、2.41、9.23、2.51倍，種植油菜分別比冬閑處理增加1.79、5.64、7.55、2.44倍。種植冬牧70黑麥、大麥、油菜的土壤養分累積總價值分別是冬閑處理的4.17、3.89、3.82倍。

表2 不同冬綠肥處理耕層土壤養分累積價值 （元／hm2）

2.3 水分涵養功能價值

三種冬綠肥處理的水分涵養價值均大于冬閑（表3）。與冬閑處理相比，種植冬牧70黑麥、大麥和油菜的土壤涵養水分量分別提高16.64%、11.47%和6.10%。種植冬牧70黑麥、大麥和油菜的水分涵養功能價值分別提高16.64%、11.47%和6.10%。

表3 不同冬綠肥的水分涵養功能價值

2.4 土壤保持功能價值

三種冬綠肥的土壤保持功能價值均大于冬閑處理，主要體現在固土價值方面（表4）。與冬閑處理相比，種植冬牧70黑麥的固土價值、保肥價值和減少泥沙淤積價值分別增加564.91、148.75、113.52元／hm2，種 植 大 麥 分 別 增 加541.06、133.38、108.73元／hm2，種植油菜分別增加549.30、132.38、110.39元／hm2。種植冬牧70黑麥、大麥、油菜的土壤保持功能價值分別是冬閑處理的3.29、3.17、3.20倍。

表4 不同冬綠肥的土壤保持功能價值

2.5 抑鹽脫鹽功能價值

三種冬綠肥的抑鹽脫鹽功能價值均大于冬閑處理（表5）。種植冬牧70黑麥、大麥和油菜的綠肥脫鹽率達到64.64%、66.08%和56.67%，分別比冬閑處理提高51.45%、54.82%和32.77%；抑鹽脫鹽價值比冬閑處理分別提高62.77%、61.09%和48.91%。

表5 不同冬綠肥的抑鹽脫鹽功能價值

2.6 降低面源污染功能價值

三種冬綠肥降低徑流污染價值和降低滲漏污染價值對總價值的貢獻率基本一致（表6）。種植冬牧70黑麥、大麥、油菜降低徑流污染價值分別比冬閑處理增加889.27、761.87、431.40元／hm2，降低滲漏污染價值分別比冬閑處理增加918.99、787.32、445.81元／hm2，降低面源污染功能價值分別是冬閑處理的3.55、3.18、2.24倍。

表6 不同冬綠肥降低面源污染功能價值

2.7 冬閑田種植綠肥的生態服務功能價值綜合評估

三種冬綠肥的生態服務功能總價值均高于冬閑處理（表7）。與冬閑處理相比，種植冬牧70黑麥的生態服務功能總價值提高122.54%，種植大麥的提高107.90%，種植油菜的提高78.25%。

表7 種植不同綠肥的生態系統服務功能價值總量 （元／hm2，%）

種植冬牧70黑麥、大麥和油菜的各功能服務價值對總價值貢獻率基本一致。其中，氣體調節功能價值最高，分別占總價值的31.95%、31.13%和26.60%；其次為水分涵養功能價值，分別占總價值的23.22%、23.75%和26.37%；土壤保持功能價值貢獻率最小，分別占總價值的6.13%、6.32%和7.43%。種植冬牧70黑麥和大麥降低面源污染功能價值貢獻率大于抑鹽脫鹽功能價值，而種植油菜表現效果相反。

3 討論

綠肥干草含碳量一般為48%，據推算，0.15億hm2綠肥每年可以固定1.13億t二氧化碳，同時放出0.97億t氧氣［45］。本研究表明種植三種綠肥的固碳釋氧價值和凈化空氣價值顯著高于冬閑處理。在鹽堿地冬閑田種植綠肥，增加了農田生態系統的生物覆蓋度，從而提高了固碳量和氧氣釋放量，也提高了對SO2、NOX、HF和粉塵等主要空氣污染物的凈化功能［20］。但是種植和翻壓綠肥對農田休閑期的擾動以及土壤微生物活性的增強，會加強土壤呼吸，增加溫室氣體的排放［46］。

綠肥能固持養分，提高土壤養分含量。本研究4年綠肥種植試驗表明，冬閑土壤堿解氮和速效鉀累積價值表現為負價值，而種植三種綠肥表現均為正價值。這可能是由于棉花種植過多消耗了堿解氮和速效鉀，而冬閑期無植被覆蓋又導致了土壤養分的淋失［21］。

合理種植綠肥通過增加農田覆蓋度、改變土壤孔隙度等作用而增強土壤田間持水保水能力，進而改善土壤水分環境［13］。Andrea等［14］研究表明長期使用冬黑麥綠肥可以在不影響經濟作物生長的情況下改善土壤水分動態，顯著增加10% ～11%的田間持水量和21% ～22%的植物有效水。本研究也表明種植三種綠肥增加了水分涵養功能價值。冬閑田種植綠肥可降低土壤耕層容重，提高土壤團聚體的穩定性和耕層土壤的總孔隙度，從而增強土壤蓄水能力。

綠肥根深、莖葉茂盛，對地面的覆蓋度高，能有效阻止大風對土壤的直接侵蝕［47］。郭從陽等［11］發現麥后復種飼用綠肥油菜（Brassica napus）有效增加土壤覆蓋面積，減少風蝕和水蝕，提高了土壤肥力，具有顯著的經濟、生態和社會效益。本研究表明種植三種綠肥均增加土壤保持功能價值。主要原因在于將綠肥引入鹽堿地冬閑田，提高農田系統年植被覆蓋度，增加農田年土壤保持量，從而提高了土壤保持功能［19］。

通常情況下，地下水與表層土壤水處于一定的動態平衡狀態，地下水位與表層土壤中的離子都相對穩定［48］。但當氣候干旱時，土壤蒸發量增大，引起下部土壤水分沿土壤毛細管上移，同時土壤中的鹽分也隨之向上運動；水分到達土壤表層后發生蒸發損失，而鹽分則在土壤表層累積，如此長期反復進行，當表層土壤鹽分離子達到一定濃度時，就會造成土壤鹽漬化，毒害農作物的正常生長［49］。在冬閑田種植與翻壓綠肥，既可建立地面覆蓋，抑制地表返鹽，又可改善土壤結構，促進土壤脫鹽，并可增加土壤有機質，提高土壤肥力［50］。本研究表明，相較于冬閑處理，種植三種綠肥顯著增加抑鹽脫鹽功能價值，脫鹽率達到64.64%、66.08%和56.67%，與前人研究結果一致［51－53］，脫鹽效果顯著。

土壤氮素流失會導致碳的流失，從而導致土地退化［54］。綠肥翻壓還田對氮素轉化和土壤微環境都有積極影響，可降低氮素流失，提高氮素供應能力，降低氮素化肥投入，提高作物產量［15］。Elena等［16］研究發現非豆科綠肥（主要是黑麥草）秋季氮素淋溶量平均減少50%，土壤硝態氮或無機氮減少35%。本研究表明種植三種綠肥降低面源污染功能價值顯著高于冬閑處理。冬閑期種植綠肥可固持主作物生長期間由于化肥施用過量造成的土壤中剩余的速效養分，減輕深層土壤養分淋失對地下水體的污染［8］，同時綠肥還田后增加的有機質可以增強土壤的有機養分庫容，提高土壤對養分的吸納能力［55］。

4 結論

將綠肥納入冬閑田，顯著提高氣體調節、土壤養分累積、水分涵養、土壤保持、抑鹽脫鹽和降低面源污染功能價值，其中氣體調節價值貢獻率為26.60%～31.95%，水分涵養貢獻率為23.22% ～26.37%，土壤養分累積貢獻率為14.63% ～16.78%，抑鹽脫鹽和降低面源污染貢獻率分別為11.01%～12.57%和10.24% ～13.01%，土壤保持功能價值貢獻率<10%。