黑龍江農田生態系統服務權衡與協同

劉洪秀 趙華甫,2* 馮新偉 韓 偉

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083； 2.自然資源部 土地整治重點實驗室，北京 100035； 3.河南農業大學 資源與環境學院，鄭州 450002； 4.黑龍江省自然資源生態保護修復監測中心，哈爾濱 150000)

生態系統服務是生態系統及生態過程所形成和維持的、人類賴以生存和發展所必不可少的環境條件與效用[1-2]，人類直接或間接從生態系統中得到的效益[3]。已有研究表明不同生態系統服務之間相互作用，通常表現為協同作用或權衡作用[4-6]。當2種服務同時增加時，就會產生協同的效應；一種服務的增強導致另一種服務的減弱，就會產生權衡的效應[7]。開展生態系統服務間權衡與協同研究，有助于針對特定生態系統服務制定相應的管理方案[8-9]。

生態系統服務主要包括供給、調節、支持和文化服務4個方面。國內外生態系統服務權衡與協同的相關研究呈增長趨勢[10]，在生態系統服務價值方面，楊騰等[11]核算了中國稻田生態系統服務凈價值，徐億楠等[12]對靈丘縣土地利用變化對生態系統服務價值的影響進行了評價；在生態系統服務的評價方法與模型方面，王曉萌等[13]采用InVEST模型計算生態系統服務，謝高地等[14]基于單位面積價值當量因子對生態系統服務價值化，姚禮堂等[15]在復合系統的基礎上劃分子系統以評價張掖市生態系統服務權衡關系；此外，陳悅[16]以生態系統服務為路徑探索應對氣候變化與生物多樣性保護的協同機制，陳華陽等[17]將生態承載力與生態系統生產總值耦合以評價福建省長汀縣的生態系統服務價值。隨著生態系統服務研究的不斷深入，逐漸從理論研究走向實踐應用，生態學、地理學等相關學科的結合，不斷豐富自然資源管理、規劃設計、生態恢復工程等新領域，支撐決策者權衡利弊，從而促進社會與自然環境的可持續發展[18]。統計學分析方法與空間制圖法的結合是識別和具體體現生態系統服務權衡較為有效的工具[19]，已有研究還應用了生態系統服務簇等方法，來定義功能分區、時空格局，從而更好地進行社會-生態系統管理[20-21]。

黑龍江省典型黑土區的面積約14.9萬km2，占典型黑土區總面積的44.7%，涉及81個縣(區)[22]。近年來，針對黑龍江省農田管理的研究主要集中在承載力評價[23-26]、生態安全[27-30]、糧食產能[31]、耕地質量[32]等方面。為了實現農業發展、鄉村振興，我國對現有中低產田、低洼易澇地實施“旱改水”工程，以提高土地的產出效益，形成穩定的生產能力，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工程建設。隨著大面積農田實施旱改水提質改造工程，在全省糧食產量持續上漲的同時，對農田生態系統產生了顯著的影響。國內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，以許可轉換度來表征區域旱地改水田的極限比例；周浩等[36]基于遙感和GIS手段，從旱改水角度出發探討流域耕地變化下的水土資源平衡效應問題。然而，在旱改水對農田生態系統服務影響方面的研究較少，而作為我國糧食大省的黑龍江省，了解其農田生態狀況十分必要。因此，本研究擬以黑龍江省農田為研究區域，在旱改水背景下，研究1995—2020年黑龍江省4類關鍵性農田生態系統服務，了解旱改水對研究區域生態系統服務產生的影響，對農田管理和土地利用優化配置提出對策與建議，以期實現更有效的土地利用管理，從而達到協調區域發展與農田保護的目的。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黑龍江省，位于中國最東北部，北緯43°26′～53°33′，東經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糧大省，地勢低洼易澇，土質以黑鈣土、草甸土和沙壤土為主，非常適合水稻生產，且水田灌區控制面積寬闊，適宜水田開發的土地資源較為豐富。近年來，隨著水稻經濟效益的提高，農民把旱地改為水田，把低洼易澇的土地、鹽堿地變為肥田，水田所占比重大幅提高。

1.2 數據來源

黑龍江省土地利用LUCC數據來自于中國科學院資源環境科學與數據中心，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數據，以及90 m×90 m分辨率的黑龍江省DEM數據以提取坡度坡長。降雨等氣象數據來自于國家氣象科學數據共享平臺，土壤數據來自于中國土壤數據庫，糧食產量、主要農作物種植面積等數據來自于黑龍江省及各市統計年鑒。

1.3 研究方法

農田生態系統服務種類眾多，且受農田建設工程、種植結構調整的影響，其生態系統服務類型和結構也發生著顯著變化。近些年來，黑龍江省開展了以旱改水為主的農田提質改造項目，通過實施一系列生物、工程以及綜合措施，對農田進行改造，顯著改變了土地利用方式和種植結構，對區域生態系統服務產生了一定的影響。研究表明，旱改水對區域農田產能提升[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。本研究結合謝高地等[41]制定的中國農業生態系統服務劃分的結構，以黑龍江省旱改水工程為背景，選取糧食供應、碳固定、水文調節、土壤保持4種生態系統服務進行研究。

1.3.1糧食供應生態系統服務

農田生態系統糧食供應服務主要是指糧食資源或經濟作物的產出能力，作為區域糧食供應和農田的基本生態服務，本研究選擇糧食產量進行量化和繪圖。采用農田綜合生產能力對農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為標準耕作制度核算鄉鎮(村)實際單產；Gj為不同種類基準作物統計單產；Kj為不同種類標準糧換算系數。

1.3.2碳固定生態系統服務

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

(2)

(3)

式中：Wi為第i類農作物的碳儲量，t；Ci為第i類農作物單位生物量的含碳量，%；Ki為第i類農作物產量，t；Vi為第i類農作物水分系數，%；Hi為第i類農作物經濟系數；Ri為第i類農作物的根冠系數比系數，%；n為農作物種類數；D為區域農田生態系統植被的平均碳密度，t/hm2；A為區域耕地面積，hm2。

1.3.3水文調節生態系統服務

水文調節與農業生產中的供水密切相關，其內涵為生態系統的淡水供給和虧缺，對農田生態系統具有重要意義，本研究選擇水分盈虧量這一指標進行量化。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，kPa/℃；D為水分盈虧量，mm；Q為降雨量，mm。

1.3.4土壤保持生態系統服務

土壤保持指有機質積累及植被根物質和生物在土壤保持中的作用，是重要的生態系統調節服務，可有效防止土地退化、降低洪澇災害的風險，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為作物經營因子；P為水土保持措施因子。

1.3.5權衡與協同分析

本研究以糧食供應、碳固定、水文調節和土壤保持4類農田生態系統服務評價結果為基礎，采用Spearman秩相關性分析，即一種雙變量相關性的非參數度量，用以確定判斷黑龍江省農田生態系統服務之間的作用關系，即4種生態系統服務兩兩之間是否存在協同和權衡作用[43]，計算公式如下：

(9)

1.3.6生態系統服務組合

多種生態系統服務可以定性地解釋為一個聚集的景觀，它不僅描述了生態系統服務之間的關系，而且支持了土地利用規劃的空間策略，可采用K-均值聚類分析對從生態系統服務中獲得的農田生態功能區進行分析和識別[44]。聚類分析是指通過衡量不同生態系統服務之間的相似性，把相似的生態系統權衡與協同關系的區域劃分為一類，便于有效的管理生態系統[45]。基于生態系統服務的評估結果，采用熱點分析來識別具有統計意義的熱點的位置，明確不同地區生態系統服務的強度以及各類服務空間分布，并對4類生態系統服務進行極差法標準化分析，確定各地區的主導生態系統服務。

2 結果與分析

2.1 黑龍江省農田變化特征

1995—2020年黑龍江省農田空間分布特征見圖1。由圖1可見：1995—2020年黑龍江農田面積呈現先緩后快的增加態勢：1995—2005年農田面積增加7 170 km2，以水田為主；2005—2015年，增加面積2 582 km2，旱地轉變為水田態勢明顯；2015—2020年，增加面積9 315 km2，因土地開發，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域。

2.2 黑龍江省農田生態系統服務

1995—2020年黑龍江省4類關鍵生態系統服務量化結果見圖3。由圖3可知：與1995年的3 456 kg/hm2的糧食單產相比，2020年的單產提高了51.13%；從糧食總量看，1995—2020年糧食總量增加了4.95×107t，漲幅達190.82%。其中，鶴崗、雙鴨山、雞西、佳木斯糧食總產量增長幅度最高，鶴崗產量增長率達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域，因此其糧食產量貢獻最為突出。

本研究選擇水稻、玉米、大豆3種主要農作物來計算黑龍江省農田的碳固定量。就整個研究區域而言，主要農作物碳固定量和碳密度均呈上升趨勢，農作物的碳固定量從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。當水分盈虧量>0時，水分盈余；當水分盈虧量<0時，水分虧缺；而當水分盈虧量為0時，水分盈虧平衡。研究結果表明，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、土壤結構、坡長及坡度因子等，人為因素包括基礎設施與配套設施等，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田質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 黑龍江省農田生態系統服務權衡與協同關系

黑龍江省農田4類主要生態系統服務權衡與協同關系見表1。可知1995—2020年相關性基本一致，但相關程度存在差異，呈現的特征如下：

1)糧食供應與水文調節具有權衡關系。自旱改水工程實施以來，農田糧食生產能力不斷提高，農作物的需水量也在不斷增加，降水量穩定的情況下，糧食產量的提高定會導致水分虧缺量的增加，進而出現糧食供應和水文調節更加顯著的權衡關系。

2)糧食供應與土壤保持具有權衡關系。由于人類的種植耕作，土壤表層松散，易隨風力、水力運移導致，農田的固土效果遠不及林地，因此糧食供應與土壤保持具有權衡關系。在追求糧食產量的同時，人類加大了對林地以及草地生態系統的破壞，特別是在以農田為主的松嫩平原和三江平原地區。

3)水文調節與土壤保持具有協同關系。水文調節服務功能較強的為森林生態系統，樹木可以利用其發達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，應考慮充分發揮水文調節和土壤保持的協同關系，以增強生態系統服務功能。

圖2 1995—2020年黑龍江省旱改水區域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系統服務Fig.3 Ecosystem services in Heilongjiang Province on 1995， 2005， 2015 and 2020

表1 1995—2020年黑龍江省農田生態系統服務權衡協同關系Table 1 Trade-offs and synergistic relationships of farmland ecosystem services in Heilongjiang Province from 1995 to 2020

2.4 黑龍江省農田生態系統服務空間熱點分析

2.4.1黑龍江省農田生態系統服務熱點識別

本研究采用空間熱點分析的方法，歸納出4種生態系統服務冷熱點的空間模式，結果見圖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糧的主要地市，隨著旱改水等耕地提質工程的開展，佳木斯市糧食產量持續上升，逐漸成為糧食供應的熱點區域，但4個地市也是水分虧缺集中發生的地區。

2)糧食供應與碳固定存在著隨時間增加的協同關系，碳固定的熱點地區不斷擴大至與糧食產能熱點區域相似，其擴張地區與旱改水區域吻合度較高，土壤保持與糧食供應熱點區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。就土壤保持能力而言，森林最強，且保持量呈上升趨勢；而農田的土壤保持能力最弱，且有所降低[48]。大興安嶺地區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域，隨著旱改水面積的擴大，其余熱點區域隨時間不斷縮小。

圖4 黑龍江省生態系統服務冷熱點分布Fig.4 Distribution of cold hot spots of ecosystem service in Heilongjiang Province

3)黑龍江省農田主導生態系統服務冷熱點分布見圖5。由圖5可知：農田主導生態系統服務的熱點區存在明顯的空間差異性和動態性。隨著旱改水工程在三江平原的擴大，糧食主產區逐漸增多，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系統服務之間的相互作用，提高協同作用，降低權衡作用，以更好地改善農田生態系統服務。

圖5 黑龍江省主導生態系統服務冷熱點分布Fig.5 Distribution of cold hot spots of the leading ecosystem services in Heilongjiang Province

2.4.2黑龍江省農田生態系統服務管理分區

根據黑龍江省土壤類型、耕作模式等差異，水田、旱地、水澆地等農田地類，科學分區分類，實施差異化治理。結合對黑龍江省4種農田生態系統服務的量化評估以及權衡與協同分析的結果，對研究區進行生態系統服務管理分區，詳見圖6。

圖6 黑龍江省農田生態系統服務管理分區Fig.6 Farmland ecosystem service and management division of Heilongjiang Province

由圖6可見：農產品供給區包括齊齊哈爾、綏化、哈爾濱等8個地市。該區土壤肥沃，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，糧食生產生態服務突出。在保證糧食供給的同時，應建立嚴格的耕地保護制度，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，可對耕地質量進行長期監測，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，堅持生態優先，用養結合，改善農田的生態質量。

生態保護區包括大慶市和黑河市。目前黑龍江省耕地開發強度較大，耗水嚴重，普遍存在地下水資源匱缺的狀況。因此該區域在開展耕地利用和管理活動時應優先考慮水資源的限制性，在此基礎上發揮好生態功能。在滿足區域用水需求的同時，促進水資源的合理開發利用，為農田生態系統服務的實現提供實踐基礎；與此同時，應采取低碳土地整治模式，提倡免耕或少耕盡量減少碳排放。以水文調節為該區的主要功能，加快形成自然保護地體系，完善生態廊道和生物多樣性保護網絡，提高重點流域生態環境和水域生態功能，推動生態系統功能整體性提升。

土壤保持區包括大興安嶺地區、伊春市和牡丹江市。目前，東北黑土面臨著土壤侵蝕的嚴重問題，土壤侵蝕會導致黑土層變薄、土壤肥力降低、持水性能下降等多重危害。黑龍江省可結合生物、工程手段，建立防風林以防治土壤侵蝕，調整農業措施如少耕免耕等幫助地力恢復。進一步強化農業設施建設，采取秸稈還田、增施有機肥、擴種大豆等措施，改善土壤結構。

3 討 論

黑龍江省作為國家商品糧的生產和儲備基地，來自全國的糧食需求對黑龍江省的農田生產能力提出了更高的要求，省外耕地補充壓力也使得農田面積的進一步擴張。黑龍江省也是國家生態安全格局“三區四帶”中東北森林帶的重要組成部分。農田擴張侵占了大量濕地、草地和森林，造成了生態退化、水文調節功能下降等，過度地集約化利用導致黑土退化。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。種植結構的改變，使得生態系統服務功能也發生了相應的改變。

面對區域農田利用變化和生態系統服務功能改變的現實，本研究在黑龍江省農田大面積旱改水背景下，選取了4種生態系統服務，以期實現區域生態系統服務最大化，為政府決策對農田管理提供建議。研究結果表明，綏化、佳木斯、齊齊哈爾、哈爾濱等糧食產量高的區域，水分虧缺量隨產量增加一致，由于大面積旱改水工程的實施，農田用水急劇增加，農田水分虧缺量大幅增長，致使地下水位持續下降，糧食供應與水文調節呈現出此消彼長的權衡狀況，這與周璟茹[49]的研究結果一致，其冷熱點的空間轉移也印證了該結論。實施旱改水工程，改善了農田的規劃布局，道路通達度、灌排通達度不斷提升，使得糧食產量、生產效益提高。但由于人類的種植耕作及擴張，綏化等糧食主產區土壤保持功能逐漸下降，而大興安嶺等非糧食主產區域的土壤保持呈現穩步增長狀態，因此本研究中糧食產能與土壤保持具有權衡關系，這與祁寧[44]等的研究結果一致。

大面積旱改水工程，在造成區域地下水資源脅迫的同時，影響毗鄰區域旱地農作物的出苗率和產量。在建設社會主義生態文明背景下，黑龍江省農田在提升糧食產量的同時，如何通過合理利用農田、調整種植結構以促進各生態系統服務的協同發展是亟需解決的問題。對此，本研究采取分區管控措施，探索綠色和現代化發展模式，多維度考慮農田利用，實現生態和效益的協同發展。針對每個區域的自然資源以及現狀，采取相應的治理方案以實現預期目標。根據分區因地制宜控制旱改水規模、調整旱改水工程布局，在農產品供給區允許適當水改旱，推廣節水灌溉技術，完善水利設施工程，提高水資源利用效率；在生態保護區加快形成自然保護地體系，完善生態廊道和生物多樣性保護網絡，提高重點流域生態環境和水域生態功能，推動生態系統功能整體性提升；在土壤保護區實行輪作、農業種植結構調整以恢復地力。與此同時，完善糧食生產利益協調機制，在大力開展農田建設和實施占用耕地易地占補工程同時，加大省際生態補償力度。

本研究存在一些局限，只考慮4種主要的農田生態系統服務，未涉及生物多樣性、氣候調節以及文化傳承等服務，無法全面地反映旱改水對黑龍江省農田生態系統的影響。權衡/協同關系方面，本研究使用相關性分析僅能識別一對生態系統服務之間的線性關系，無法探測2種以上生態系統服務的復雜線性關系。此外，以行政區為研究單元無法揭示行政區內部的空間異質性。未來研究將考慮更多的生態系統服務類型，引入非線性的權衡/協同關系識別方法，從更精細的格網尺度探討旱改水對農田生態系統的影響。

4 結 論

本研究以黑龍江省為研究區域，定量評估1995—2020年黑龍江省農田的4類關鍵性生態系統服務，主要結論如下：

1)從耕地變化來看，1995—2020年黑龍江省農田結構發生深刻變化，尤以旱改水工程驅動的旱地轉為水田最為明顯。期間，農田面積增長率達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域。

2)從權衡/協同關系來看，在降水、地表水和地下水資源相對穩定的情況下，旱改水工程造成局部水資源短缺情況，在生態系統服務評估及其權衡中得到印證：水文調節與碳固定、土壤保持之間具有空間協同關系；而糧食產能與水文調節、土壤保持之間存在顯著的權衡關系。1995—2020年的農田生態系統服務權衡與協同關系基本一致，但相關程度存在差異。

3)從分區管理來看，為統籌兼顧農民增收和農田可持續利用關系，可將具有較高糧食產量且地下水開采條件較好的區域劃分為農產品供給區；將水文調節適宜，生態功能良好的區域劃分為生態保護區；將土壤保持為主導服務、林區資源豐富，可保持地區土壤穩定，降低土壤侵蝕的區域劃分為土壤保持區，加強對農田利用活動引導，強化旱改水工程的規劃布局和總量控制。