長江經濟帶重點區域農田生態系統服務價值評價

熊 文，幸 悅，孫 曉 玉，肖 驄，李 紅 濤

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068； 2.湖北省長江水生態保護研究院，湖北 武漢 430080； 3.湖北工業大學 河湖生態修復及藻類利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068； 4.珠江水資源保護科學研究所，廣東 廣州 510000； 5.武漢中科瑞華生態科技股份有限公司，湖北 武漢 430080)

0 引 言

農田生態系統是在自然資源基礎上經過人工管理構成的農業生態系統中的一個亞生態系統[1]。農田生態系統是人類生存和發展的基石，為全世界提供了66%的食物供給，是重要的生態系統之一。在經濟社會快速發展過程中，中國農田生態系統加速退化[2]，對生態系統服務功能與價值造成了一定影響。評估農田生態系統服務功能與價值，掌握其時空演變規律，對促進農業可持續發展和降低碳排放，推進農業高質量發展具有重大意義。

農田生態系統具有糧食產品供給、涵養水源、改善生態環境等多種服務功能[3-4]，而關于農田生態系統服務價值和生態管控體系缺乏全面認識。目前關于生態系統服務評估的研究主要集中于水生態系統服務[5-11]，而針對農田生態系統服務開展價值評估的研究相對較少。農田生態系統服務價值評估不僅是評價其潛在經濟、環境效益，更需要為政府決策者在實現糧食安全和農田固碳減排雙贏以及完善生態文明建設方面提升決策的科學性、針對性提供依據和建議。已有文獻僅分別對湖南、重慶等省市農田生態系統服務價值進行了定量評估[12-13]，而均未根據評價結果對農田生態系統開發利用與有效保護提出建議對策。

作為農業生產重要生產要素的農田，是固碳的重要單元(碳匯)。2020年9月22日中國在第75屆聯合國大會一般性辯論上提出了“中國的二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和”這一目標，農田生態系統有條件在平衡國家糧食安全與碳中和中發揮更大的作用，降低生產中的碳投入，增加農田生態系統碳匯能力。因此，在保證糧食安全的基礎上，結合國家糧食生產功能區和重要農產品生產保護區布局，開展農田差異化研究，分析不同地區、不同作物固碳的效益是非常必要的，在統籌考慮國家糧食安全、碳中和、生態系統功能等多種因素后，引導農戶種植增加碳匯的作物來實現碳中和的目標。然而，目前有關農田生態系統固碳減排的研究鮮有報道。

長江經濟帶作為全國生態文明建設先行示范帶，肩負著守牢全國糧食安全底線的重要任務，湖北省作為長江經濟帶中的重點區域，在維護糧食安全和促進農業高質量發展中起到重要作用。農田生態系統是農業發展的根本，客觀科學核算評估農田生態系統服務價值，對于科學利用和有效保護農田生態系統至關重要。本研究選取長江經濟帶中部重點區域湖北省為研究區域，針對農田生態系統特征，選取氣體調節、凈化大氣、水資源調節、水土調節、氣候調節、生物多樣性維持和農產品供給7個服務價值指標，采取造林成本法、碳稅法、替代工程法和成果參照法等環境經濟學評價方法，核算2010～2020年間湖北省及各市州農田生態產品價值的時空變化，與同期國民經濟發展進行協調性分析[14]。同時對農田生態系統中氣體調節降低碳排放促進碳中和進行分析研究，為長江經濟帶其他省份農田生態系統可持續發展提供數據支撐和借鑒參考，為助力實現國家“雙碳”目標提供重要支撐。

1 研究區域概況

湖北省位于長江中游，域內長江干流總長1 062 km，在全國沿江各省市中位居第一。國土面積為54 168.5 km2，全省常住人數達5 775萬人(2021年)[15]。湖北省的地級行政區域有武漢市、黃石市、十堰市、宜昌市、襄陽市、鄂州市、荊門市、孝感市、荊州市、黃岡市、咸寧市、隨州市、恩施土家族苗族自治州、仙桃市、潛江市、天門市、神農架林區。湖北省東部連接長三角城市群，西部緊挨成渝城市群，處于承東啟西的要道，是長江經濟帶的中心區域。湖北農業以優質糧棉油、蔬菜和水產品為主體，農林牧副漁全面發展。湖北省大部分地區為亞熱帶季風性氣候，年均降雨量為800～1 600 mm，降水地域分布呈由南向北遞減趨勢，鄂西南最多達1 400～1 600 mm，鄂西北最少為800～1 000 mm。降水量呈現出明顯的季節變化，一般是夏多冬少，全省夏季雨量在300～700 mm之間，冬季雨量在30～190 mm之間。6月中旬至7月中旬雨最多，強度最大，是湖北的梅雨期[15]。湖北省東、西、北三面環山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地，在湖北省總面積中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區占20%。通過第三次國土調查公報[16]可以得知，湖北省農田面積476.86萬hm2。其中，水田254.66萬hm2，占53.4%；水澆地37.53萬hm2，占7.8%；旱地184.7萬hm2，占38.73%。農田主要分布在荊州、襄陽、荊門、黃岡和孝感等地，占全省農田的57.32%。主要糧食作物有稻谷、小麥、玉米、薯類和大豆等，以水稻為主，并且水田是廣義的人工濕地生態系統，具有潛在的生態價值。

2 研究方法

2.1 農田生態產品價值的評價指標體系構建

基于Costanza等[17]及Reid等[18]的研究，在綜合考慮湖北省農田生態系統特征的基礎上，構建湖北省農田生態系統服務價值核算指標體系[19]，具體評級指標如表1所列。

表1 湖北省農田生態系統服務價值評價指標體系

2.2 評價方法

綜合分析相關文獻中各服務指標的評價方法，并根據湖北省農田生態系統的相關服務指標的屬性及數據的可獲得性，7個核算指標中氣體調節采用造林成本法和碳稅法共同進行評價，凈化大氣、水資源調節和水土調節選取替代工程法，氣候調節和生物多樣性維持選取成果參照法，農產品供給采用市場價值法進行核算。具體核算方法見表2。

表2 湖北省農田生態系統服務價值評估指標核算方法

2.3 數據來源

本研究數據來源于2010，2015年和2020年的《湖北省統計年鑒》，年降水量來源于《湖北水資源公報》，化肥含量以及價格來源于化肥產品說明以及中國化肥網。

3 結果與分析

3.1 農田生態系統服務時間變化

從湖北省農田生態系統服務價值中各服務功能價值(見表3)中可以看出，農田生態系統服務價值總量呈現出逐年增長趨勢，10 a間增加了304.53億，提高了28%，總價值量增加的主要原因是由于農產品供給價值、水資源調節價值和氣體調節價值的提高，分別增加了197.12億，46.60億元和28.90億元。

表3 湖北省2010～2020年農田生態系統中各服務功能價值

2010～2020年湖北省農田系統服務功能構成基本保持不變，均是農產品供給占主導地位，其次是氣候調節，而其他服務總占比均小于10%。10 a間農產品供給和氣候調節價值呈先增加后減少的趨勢；水資源調節價值呈先減少后增加的趨勢，其他服務指標價值均呈持續增加的趨勢。農產品供給和氣候調節價值變化與農產品年產量和其市場價格有關，2010～2020年農產品年產量呈先增長后減少的趨勢(從2 631.51萬t先增長到3 146.24萬t，后減少到3 057.37萬t)，2020年農產品年產量減少可能是與百年不遇的新冠疫情和嚴重的洪澇災害等有關，疫情的肆虐與嚴峻的自然災害的多重打擊導致農產品的產量有所減少。水資源調節價值變化主要受年降雨量影響(2010～2020年的年降水量呈先降低后增加的趨勢)。

2010～2020年各服務功能價值對湖北農田水土系統總服務價值貢獻率隨時間變化的波動較小(見圖1)，其中農產品供給呈先增加后減少的趨勢，氣候調節呈持續減少的趨勢，其他服務指標均呈先減少后增加的趨勢。貢獻率排列前三的指標分別為農產品供給(年均占比68.75%)、氣體調節(年均占比22.21%)、水資源調節(年均占比4.70%)，表明農產品供給、水資源調節和氣體調節是影響湖北省農田生態系統的服務價值的主要因素。主要原因是湖北省耕地面積較多，各種農作物產量較大，提供了較多的產品供給價值和氣體調節價值。涵養水源價值與湖北省的地理位置有關，因為湖北省地處長江經濟帶，省域內常年降雨豐沛，水資源豐富，所以湖北省農田生態系統可以提供較高的涵養水源價值。

圖1 2010～2020年湖北省農田生態系統服務功能價值構成比例

3.2 農田生態系統服務價值的空間分布特征

2010，2015年和2020年湖北省各市州農田生態系統服務價值量變化范圍分別是0.78億～188.68億元、0.78億～203.45億元和0.80億～217.84億元(見表4)。襄陽市、荊門市、咸寧市、恩施州農田生態系統服務價值量在2010～2020年呈現持續增長趨勢。2010～2020年農田生態系統服務價值上升最快的城市為襄陽市，增加了132.82億元，2020年是2010年的2.66倍；上升最少的城市是神農架林區，增加了0.03億元，2020年是2010年的1.03倍。

表4 湖北省各市、州2010～2020年農田生態系統服務價值

“十二五”期間，除潛江市、天門市和神龍架外，湖北省其他市州農田生態系統服務價值量均呈增長趨勢；“十三五”期間，襄陽市、荊州市、荊門市、咸寧市、恩施州、天門市和神農架農田生態系統服務價值量呈增長趨勢，其他市州均呈減少趨勢。其中，黃岡市、宜昌市、荊州市、襄陽市、鄂州市、孝感市的農田生態系統服務年均價值量超過了100億元，表明這6個城市的農業較為發達，這也與湖北省的省情相符。《湖北省第三次國土調查主要數據公報》[28]顯示，耕地主要分布在荊州市、襄陽市、黃岡市和孝感市等地，占全省耕地的57.32%；最少的是神農架，農田生態系統服務價值量僅增長了0.03億元，原因在于該區域耕地面積最少，僅占湖北省面積2.2%，主要是林地，占湖北省林地面積的90.8%。

利用ArcGIS對湖北省農田生態系統服務單位面積價值進行空間化處理，得到湖北省各市州農田生態系統服務價值量的空間分布特征。總體上來看，“十二五”期間，除宜昌市、潛江市、天門市以外，湖北省其他各市州農田生態系統服務單位面積價值均呈增長趨勢；“十三五”期間，襄陽市、荊州市、荊門市、咸寧市農田生態系統服務單位面積價值呈增長趨勢，其他市州均呈減少趨勢。從圖2中可以看到，湖北省農田生態系統服務單位面積價值整體呈現出從東到西逐步減少的趨勢。通過相關性計算可知，各市州農田生態系統服務單位面積價值與農產品供給(3 a相關性分別為0.32，0.35和0.32)和氣體調節價值(3 a相關性分別為0.39，0.40和0.32)具有一定的相關性。由前面分析可知，農產品供給和氣體調節價值受農產品年產量及年降雨量影響，農產品的年產量(200萬t以上)和年降雨量(1 300 mm以上)較高的城市主要分布在湖北省的中東部，導致湖北省農田生態系統服務單位面積價值整體呈中東部高，西部低的趨勢。

圖2 湖北各市州單位面積農田生態系統服務價值空間分布(萬元/hm2)

不同年份湖北省單位面積農田生態產品價值的最大值與最小值的城市有所不同，2010年分別是鄂州市(40.21萬元/hm2)和荊門市(0.81萬元/hm2)，2015年分別是鄂州市(41.72萬元/hm2)和荊門市(0.88萬元/hm2)，2020年分別是是仙桃市(3.27萬元/hm2)和神農架(1.11萬元/hm2)，說明在經濟發展過程中，湖北省各市州對農田生態系統的保護力度有所差距，各市州間發展速度差距仍然較大，發展不平衡。

3.3 農田生態系統服務價值與GDP的協調性分析

通過比較分析湖北省各市州的農田生態系統服務價值與各市州的GDP，有助于解決農田生態協同平衡發展，有利于地區的社會-經濟-生態平衡發展，同時根據GDP與農田生態產品價值兩個指標的協調性來評估該地區的生態文明的建設效果，可為相關部門將農田生態考核納入國民經濟考核體系提供建議。根據文獻[14]歸納總結的具體評價方法見表5。

表5 生態系統服務價值與GDP發展模式

由表6可知，2010～2020年全省農田生態系統服務總價值與GDP一直同步增長，從整體上來看，湖北省的社會經濟與生態保護協調發展，生態文明建設取得效果。

表6 湖北省各市州2010～2020年農田生態系統服務價值與GDP的比較分析

從湖北省各市州農田生態系統服務價值和GDP數據來看，2010～2015年大部分市州社會經濟與生態保護協調發展狀況良好，但潛江等3個市州是經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調發展模式；2015～2020年僅襄陽市等5個市州生態保護與經濟呈協調發展，占全省29%，而其他市州均是經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調發展模式。

綜上可知，2010～2020年襄陽市、荊門市、荊州市、咸寧市和恩施州生態保護成效明顯，與社會經濟協調發展，生態文明建設取得效果。武漢市、黃石市、十堰市、宜昌市、鄂州市、孝感市、黃岡市、隨州市和仙桃市這9個城市從社會經濟與生態保護協調發展模式轉變為經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調發展模式，主要原因是2015～2020年農作物的年產量下降，農作物的年產量下降導致釋氧價值減少，導致氣體調節價值和農產品供給價值均下降，進而農田生態系統服務價值相應下降。天門市和神農架從經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調發展模式轉變為社會經濟與生態保護協調發展模式，表明積極保護和恢復生態系統及其服務能力起到了關鍵作用。需要重點關注的是，潛江市在2010～2020年一直處于經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調發展模式，雖然社會經濟得到高速發展(GDP增長近2.5倍)，但生態環境遭到了破壞(農田生態系統服務價值下降一半)，可能與近五年興起的小龍蝦養殖產業有關，“挖田養蝦”等養殖方式使潛江農田生態系統結構功能發生很大變化，導致農田生態系統服務總價值明顯下降，希望引起地方政府的關注。

3.4 雙碳目標下農田生態系統的固碳減排

雙碳目標下的農田固碳通過農作物的光合作用和呼吸作用得到凈光合產物，包括農作物的經濟產出、秸稈和根系等部分[29]。通過下述計算公式得到的結果見表7。

表7 2010～2020年湖北省農田生態系統固碳量與單位播種面積碳吸收強度

Ct=∑Ci

(1)

式中：Ct為區域農作物碳吸收總量，t CO2eq；i為第i種農作物；Ci為第i種作物的碳吸收量，t；Fi為第i種作物的含碳率，%；Yi為第i種作物的產量，t；Wi為第i種作物的水分系數，%；Ri為第i種農作物的根冠比系數；Hi為第i種農作物的經濟系數；44/12是C轉換為CO2的轉換系數。湖北省主要農作物的H、F、W參數見《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》。

由表7可得，2010～2020年湖北省農田生態系統的固碳總量的變化趨勢為：2010～2015年農田生態系統碳固定總量表現為整體上升的趨勢，年均增幅為3.4%；2015～2020年湖北省農田生態系統的固碳總量表現為下降趨勢，年均下降幅度為1.2%。

2010～2020年湖北省農田生態系統的不同農作物的碳固定量隨時間變化差異性較大，其中水稻、薯類和花生保持碳固定量穩定增長，棉花的碳固定量呈逐年減少趨勢，其他農作物碳固定量呈先增長后減少趨勢。由計算公式可知，湖北省農田生態系統的固碳總量和各農作物碳固定量的變化主要受年產量控制。2020年湖北省農田生態系統的固碳總量減少是由于小麥等旱地作物減產導致的，原因可能是與2020年的疫情和水澇等自然災害有關。

湖北省農田生態系統的各農作物碳固定量相差較大的原因除與產量有關，還跟各作物固碳能力有關。通過優化公式(1)推導得到農作物固碳系數(見表7)，即各作物的固碳能力。可以看出，棉花固碳能力最強，薯類固碳能力最弱。在一定程度上，農作物的碳固定量取決于各作物的固碳能力，但無法反映區域作物總固碳量。因此，根據公式(1)優化得到農作物單位播種面積碳吸收強度公式，用來衡量區域內農作物的碳固定能力，公式如下：

各作物單位播種面積碳吸收強度=各作物產率×

各作物固碳系數

(2)

公式(2)可以為不同地區引導農戶種植增加碳匯的作物來實現碳中和提供理論指導。從表7中可以看出，水稻是湖北省農田生態系統的優勢作物，其固碳量占總固碳量一半左右，因此根據研究區實際農情，可以通過增加單位播種面積碳吸收強度較大的其他農作物(如大豆和玉米)播種面積，減少花生和油菜籽的播種面積，來提升湖北省農田生態系統的固碳減排能力。

通過研究發現，調整農業種植結構，種植高產低排放農作物并采用水旱輪作方式可以促進固碳減排，提高農田生態系統價值；多種植豆科植物等經濟作物，比如大豆，其單位播種面積碳吸收強度較高；還可以采用農林混合種植的方式提高農田土壤固碳量；提高秸稈還田可以增加農田土壤生物質，在耕種方式上可以采用少耕免耕、綠肥輪作等措施。

4 結 論

本文定量核算了湖北省各市州在2010～2020年間的農田生態產品價值，分析了其時空變化特征，評估了湖北省農田生態系統固碳減排現狀，優化了表征農田生態系統固碳能力的計算公式。主要結論如下：

(1)從時間上來看，長江經濟帶重點區域湖北省農田生態產品價值呈逐年上升的趨勢，關鍵因素是耕地面積，其次是年降雨量和農產品年產量。湖北省農田生態系統服務單位面積價值整體呈現出從東到西逐步減少的趨勢，與湖北省各市州的年降雨量及農產品年產量分布有關。

(2)襄陽市等5個市州生態保護成效明顯，與社會經濟協調發展，生態文明建設取得效果。天門市和神農架積極保護和恢復生態系統起到關鍵作用，農田生態系統價值由負增長變為正增長。武漢市等9個市從社會經濟與生態保護協調發展模式轉變為經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調模式，潛江市一直處于經濟發展以犧牲生態環境為代價的不協調模式，這10個市的生態環境保護需要引起相關部門的重視。

(3)湖北省農田生態系統總固碳量呈先增加后減少趨勢，主要受農作物產量和固碳系數影響。優化得到農作物單位播種面積碳吸收強度公式，用來衡量區域內各農作物的碳固定能力，為不同地區引導農戶種植增加碳匯的作物來實現碳中和提供理論指導。主要通過改變農業種植結構，種植單位播種面積碳吸收強度較大的農作物，同時采用水旱輪作、綠肥輪作和秸稈還田等耕種措施實現糧食安全與農田生態保護雙贏。