李福奪, 尹昌斌

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南方稻區(qū)綠肥生態(tài)服務(wù)功能及生態(tài)價(jià)值評估研究*

李福奪, 尹昌斌**

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081)

為探究我國南方稻區(qū)綠肥種植的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 本文以我國南方稻區(qū)農(nóng)田引入綠肥紫云英為例, 界定了稻田種植紫云英的生態(tài)服務(wù)功能, 并運(yùn)用實(shí)際市場法、替代市場法和虛擬市場法等研究方法, 構(gòu)建了綠肥生態(tài)價(jià)值評估的理論模型, 核算了綠肥的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 得到了以下研究結(jié)論: 1)南方稻區(qū)綠肥生態(tài)服務(wù)功能主要涉及調(diào)節(jié)和支持兩類, 調(diào)節(jié)服務(wù)包括氣體調(diào)節(jié)、水分涵養(yǎng)和土壤保持3種功能, 支持服務(wù)則包括土壤有機(jī)質(zhì)累積和土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)兩種功能; 對應(yīng)地, 南方稻區(qū)農(nóng)田輪作冬綠肥紫云英的生態(tài)價(jià)值也被界定為以上5種。2)南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英在一個(gè)輪作周期中能夠產(chǎn)生1.125萬元·hm-2的生態(tài)價(jià)值, 其中, 氣體調(diào)節(jié)價(jià)值最大, 為0.380萬元·hm-2, 其次是土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值, 為0.279萬元·hm-2, 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值和土壤保持價(jià)值分別為0.204萬元·hm-2和0.214萬元·hm-2, 土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值最小, 為0.048萬元·hm-2。3)南方稻區(qū)綠肥種植投入成本為0.173萬元·hm-2, 綠肥種植所產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值是種植投入成本的6.5倍。研究表明農(nóng)田冬種綠肥紫云英的生態(tài)服務(wù)價(jià)值是客觀存在的。該研究為南方稻區(qū)綠肥引入冬閑田后生態(tài)價(jià)值的評估提供了較為科學(xué)的研究方法和基礎(chǔ)參數(shù), 同時(shí), 也為未來政府制定綠肥種植的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供了理論依據(jù)。

南方稻區(qū); 冬閑田; 綠肥; 紫云英; 生態(tài)價(jià)值評估

近年來, 伴隨我國糧食產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品保障能力的不斷提升, 資源短缺、面源污染、地力退化等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題日趨凸顯, 我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨著越來越多的不確定性。為應(yīng)對農(nóng)業(yè)發(fā)展的新形勢, 國家積極推進(jìn)“質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)”戰(zhàn)略, 并把“生產(chǎn)更綠色、資源更節(jié)約、環(huán)境更友好”作為農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鄉(xiāng)村振興背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新導(dǎo)向。在此背景下, 如何探索一條更加綠色、更加生態(tài)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展道路成為推進(jìn)農(nóng)業(yè)深化改革的關(guān)鍵。我國在建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的過程中, 可以把建立良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)切入點(diǎn), 而發(fā)展綠肥是建立良好農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要抓手[1]。綠肥作為一種清潔的有機(jī)肥源, 不僅在增加作物產(chǎn)量方面具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 更在提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物養(yǎng)分循環(huán)、防止水土流失、消解農(nóng)業(yè)面源污染和節(jié)能減排等方面具有更為顯著的生態(tài)價(jià)值。尤其是在當(dāng)前國家實(shí)施“化肥使用量零增長”、“耕地質(zhì)量提升”和“耕地輪作休耕”等戰(zhàn)略的宏觀背景下, 推動綠肥種植, 充分發(fā)揮綠肥的生態(tài)功能、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境, 對于農(nóng)業(yè)綠色、生態(tài)化轉(zhuǎn)型及高質(zhì)量發(fā)展作用明顯。

當(dāng)前, 學(xué)術(shù)界對綠肥價(jià)值的探討較為缺乏, 僅有的少數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)也主要集中在種植綠肥能否提高主作物產(chǎn)量以及化肥替代等直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值的核算分析[2], 對包括理論方法和研究范式在內(nèi)的綠肥生態(tài)價(jià)值的研究仍是空白, 生態(tài)價(jià)值核算的困境也直接導(dǎo)致了一切關(guān)于綠肥重要性的探討都成為缺乏理論基礎(chǔ)支撐的“空中樓閣”[3]。本文基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論, 參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果, 結(jié)合我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的特性, 以南方稻區(qū)農(nóng)田冬種紫云英(L.)為例, 嘗試構(gòu)建綠肥生態(tài)價(jià)值評估的方法模型, 核算綠肥生態(tài)價(jià)值, 為后續(xù)研究提供可參考的研究方法和基礎(chǔ)性技術(shù)參數(shù); 同時(shí), 該研究也可以為將來政府制定農(nóng)戶種植綠肥的生態(tài)補(bǔ)償和激勵(lì)制度提供理論依據(jù)。此外, 已有研究在評估生態(tài)價(jià)值時(shí), 均以整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)作為研究目標(biāo), 難以看出由于引入某種外部因素后生態(tài)價(jià)值的變化量, 本文則力圖突破這一固有研究范式, 構(gòu)建模型把綠肥的生態(tài)價(jià)值在整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合價(jià)值中剝離出來, 從而更加直觀地反映研究目的, 這也是本研究具有創(chuàng)新意義的一個(gè)特色。

1 綠肥生態(tài)服務(wù)功能的界定

生態(tài)服務(wù)功能是生物有機(jī)體生理活動過程中對人類產(chǎn)生正效應(yīng)的功能部分[4]。由于相關(guān)研究起步較晚, 當(dāng)前學(xué)術(shù)界對綠肥生態(tài)服務(wù)功能的內(nèi)涵及其界定還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識, 被大多數(shù)學(xué)者所接受的認(rèn)知為: 綠肥生態(tài)服務(wù)功能是指在綠肥種植過程中所形成的、可以為人類帶來福利的農(nóng)業(yè)自然環(huán)境條件及其效用[5]。盡管對綠肥生態(tài)服務(wù)功能的認(rèn)識有所不同, 但由于生態(tài)服務(wù)功能分類是價(jià)值評估的基礎(chǔ), 會對價(jià)值評估結(jié)果產(chǎn)生直接影響, 因此幾乎所有學(xué)者在開展相關(guān)研究時(shí)都不得不首先對目標(biāo)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行界定[6]。目前綠肥生態(tài)功能的界定方法仍然以Costanza提出的分類標(biāo)準(zhǔn)以及2001—2005年實(shí)施的“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”(millennium ecosystem assessment, MA)和“生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)學(xué)”(economics of ecosystems and biodiversity, TEEB)項(xiàng)目發(fā)布的生態(tài)服務(wù)功能分類標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者歐陽志云等[7]、謝高地等[8]在Costanza、MA和TEEB界定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合我國自身情況提出了我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的界定方法, 成為指導(dǎo)我國生態(tài)價(jià)值研究與實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)Costanza、MA和TEEB的界定標(biāo)準(zhǔn), Sandhu等[9]對新西蘭坎特伯雷地區(qū)退化草場種植綠肥的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了界定, 認(rèn)為應(yīng)該包括牧草生產(chǎn)、碳蓄積及氧釋放、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、土壤保持、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、維持生物多樣性7方面內(nèi)容; Schipanski等[10]把賓夕法尼亞地區(qū)玉米(L.)種植園引入綠肥的生態(tài)服務(wù)功能分為: 氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、生物多樣性保護(hù)5個(gè)方面, 并對每種功能的形成和作用發(fā)揮機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述; Mendes等[11]在研究瑞典哥德堡地區(qū)濱河綠肥景觀帶的生態(tài)價(jià)值時(shí), 歸納出了涵養(yǎng)水源、保護(hù)土壤、調(diào)節(jié)氣候、吸收分解污染物以及休閑游憩等10種功能類型。國內(nèi)相關(guān)研究大都以歐陽志云等[7]、謝高地等[8]的標(biāo)準(zhǔn)為基本的界定依據(jù), 結(jié)合不同地區(qū)不同種植模式所形成的不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的分類。如王開磊等[12]把江南丘陵區(qū)農(nóng)田冬種綠肥紫云英的生態(tài)功能界定為大氣調(diào)節(jié)、土壤有機(jī)質(zhì)積累、維持土壤養(yǎng)分循環(huán)3大類; 王鑫芯[13]將湖南省油菜(L.)-水稻(L.)輪作系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能界定為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源、保持土壤、生物多樣性和休閑娛樂6種; 而周志明等[14]把冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能界定為農(nóng)產(chǎn)品供給、氣體調(diào)節(jié)、土壤養(yǎng)分累積、土壤保持和水分涵養(yǎng)5類。

本研究意在界定我國南方稻區(qū)農(nóng)田冬種綠肥紫云英所產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)功能。南方稻區(qū)包括華東的上海、江蘇、山東、浙江、安徽、江西和福建, 華中的河南、湖南、湖北, 華南的廣東、廣西和海南以及西南的重慶、四川、貴州和云南17個(gè)省市, 這一區(qū)域是我國最主要的水稻主產(chǎn)區(qū), 也是水稻-紫云英輪作模式最主要的推廣區(qū)域。本文數(shù)據(jù)取樣主要來自處于南方稻區(qū)核心位置的湖南、江西、廣西3省區(qū)。稻田輪作紫云英, 實(shí)現(xiàn)冬閑田綠肥作物覆蓋, 不僅可以起到輪作倒茬作用, 同時(shí)也可以充分利用南方充足的光、熱、水資源, 實(shí)現(xiàn)固氮、吸碳功能, 促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán), 對于培肥改良土壤、優(yōu)化農(nóng)業(yè)環(huán)境、提高水稻產(chǎn)量、改善稻谷品質(zhì)都具有重要的作用。參考相關(guān)研究, 結(jié)合我國南方稻區(qū)農(nóng)田綠肥系統(tǒng)實(shí)際情況, 本文把綠肥生態(tài)服務(wù)功能界定為土壤有機(jī)質(zhì)累積功能、土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)功能、水土保持功能、土壤水分涵養(yǎng)功能和氣體調(diào)節(jié)功能5種, 具體如表1所示。

表1 南方稻區(qū)農(nóng)田紫云英生態(tài)服務(wù)功能

2 綠肥生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估方法

生態(tài)價(jià)值是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本用經(jīng)濟(jì)法則所做的估計(jì)。綠肥生態(tài)價(jià)值評估研究初期, 其評估方法在強(qiáng)調(diào)社會環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù))的影響及其相關(guān)性分析方面取得了很大進(jìn)展[15]。之后, 引入了遙感等空間信息數(shù)據(jù)以及空間化方法對綠肥種植的生態(tài)價(jià)值開展評估研究, 促進(jìn)了生態(tài)價(jià)值評估的進(jìn)一步發(fā)展[16]。當(dāng)前, 綠肥生態(tài)價(jià)值定量評估的理論基礎(chǔ)為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論, 而核心的評估方法為基于市場理論的價(jià)值評估法[17]。根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)和資源經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究成果, 目前較為常用的基于市場理論的綠肥生態(tài)價(jià)值定價(jià)方法主要分為3類: 實(shí)際市場法、替代市場法和假想(虛擬)市場法[18]。實(shí)際市場法是指具有實(shí)際市場, 經(jīng)濟(jì)價(jià)值以市場價(jià)格來體現(xiàn)的方法, 包括費(fèi)用支出法和市場價(jià)值法等[19]; 替代市場法是指沒有實(shí)際市場和市場價(jià)格, 通過估算替代商品的市場價(jià)格間接獲取經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法, 包括機(jī)會成本法、替代成本法、恢復(fù)和防護(hù)費(fèi)用法、影子工程法和旅行費(fèi)用法等[20]; 虛擬市場法(模擬市場價(jià)值法)是指不存在實(shí)際市場和市場價(jià)格, 通過虛擬市場來評估經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法, 包括條件價(jià)值法和意愿選擇法等[21]。

南方稻區(qū)農(nóng)田輪作冬綠肥紫云英, 此模式具有高效養(yǎng)地、生態(tài)友好等特點(diǎn)。種植紫云英可減少冬閑田, 增加農(nóng)田冬季綠肥覆蓋, 改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境; 同時(shí), 紫云英作為一種豆科綠肥, 能固定空氣中的氮、碳, 翻壓后能替代部分化肥, 對于培肥土壤、提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)作用明顯。基于紫云英的這些特性, 上文界定了農(nóng)田種植紫云英在土壤有機(jī)質(zhì)累積、土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、土壤保持、土壤水分涵養(yǎng)和氣體調(diào)節(jié)5個(gè)方面的功能。相應(yīng)地, 本文把南方稻區(qū)農(nóng)田輪作冬綠肥紫云英的生態(tài)價(jià)值界定為土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值、土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值、土壤保持價(jià)值、土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值和氣體調(diào)節(jié)價(jià)值5種, 通過構(gòu)建評估模型, 分別計(jì)算單位耕地面積(1 hm2)上由于種植綠肥所帶來的各種生態(tài)價(jià)值量及總量變化, 旨在全面、客觀認(rèn)識綠肥引入農(nóng)田對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的必要性和重要性。

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值

土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)是土壤的重要組成物質(zhì), 為作物生長提供必要的營養(yǎng)元素, 對改善土壤物化性質(zhì)起著重要作用。研究表明, 綠肥的種植增加了糧食產(chǎn)量, 同時(shí)增加了作物殘茬和根系的生物量, 而土壤中生物量的增加, 會使得微生物活動不斷加強(qiáng), 從而加速了SOM的累積[22]。

式中:ASOM為土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值;為綠肥種植面積;為表層土壤厚度, 取值0.20 m[22];為土壤容重, 取值1 250 kg?m-3[23]; OM為種植綠肥后增加的有機(jī)質(zhì)量(%), 采用機(jī)會成本法, 按照綠肥干草轉(zhuǎn)換成有機(jī)質(zhì)的比例2∶1[24]換算得到;SOM為土壤有機(jī)質(zhì)價(jià)格(元?kg-1), 取市場上所調(diào)查的10個(gè)腐殖土有機(jī)質(zhì)樣本的均價(jià)1.56 元?kg-1;G為綠肥干草經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg?hm-2), 取值3 580 kg?hm-2[25]。據(jù)此, 計(jì)算南方稻區(qū)1 hm2農(nóng)田種植紫云英后的土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值為:

2.2 土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值

生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)主要發(fā)生在生物庫、凋落物庫和土壤庫之間[26]。對于水稻-綠肥輪作生態(tài)系統(tǒng)來說, 紫云英在生長期翻壓還田, 因此從生物庫和土壤庫兩個(gè)方面考慮養(yǎng)分持留, 能更為準(zhǔn)確、直觀地反映系統(tǒng)維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的功能。基于此, 本研究只考慮土壤庫和生物庫, 評估的營養(yǎng)元素僅考慮含量相對較大的氮、磷、鉀。

式中:NSC為土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值;BP為生物庫參與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的價(jià)值;SP為土壤庫參與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的價(jià)值;G為綠肥生物庫總量(kg·hm-2);N、P、K分別為綠肥生物質(zhì)中含N、P、K的百分比, 取值3.09%、0.74%和3.28%[27];N、P、K分別為N、P、K的市場價(jià)格, 由于土壤養(yǎng)分在市場中缺乏直接價(jià)格, 采用影子價(jià)格法, 用含有等量營養(yǎng)物質(zhì)的肥料的市場價(jià)值分別替代農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中堿解氮、有效磷、速效鉀的價(jià)值, 根據(jù)紫云英營養(yǎng)元素N、P、K占干草物重含量(N 2.75%, P2O50.66%, K2O 1.91%)以及當(dāng)前化肥平均價(jià)格(4.155元?kg-1)等數(shù)據(jù), 換算后取N、P、K的價(jià)格分別為3.15元?kg-1、8.82元?kg-1和3.46元?kg-1;G為綠肥土壤庫總量;N、P、K分別為綠肥土壤庫中含N、P、K的百分比, 取值分別為0.09%、0.08%、0.35%;NPK分別為N、P、K在土壤中的周轉(zhuǎn)率, 其值分別為0.08、0.01和0.01[28]。據(jù)此計(jì)算南方稻區(qū)1 hm2農(nóng)田種植紫云英后的土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值為:

2.3 土壤保持價(jià)值

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要通過農(nóng)作物對地表的覆蓋來減輕土壤水蝕, 從而起到保持水土的作用[29]。南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英, 能有效減小農(nóng)田土壤侵蝕損失[16], 其土壤保持價(jià)值主要體現(xiàn)在減少土壤侵蝕、減少土壤養(yǎng)分流失和減少河流泥沙淤積3個(gè)方面。

式中:SC為綠肥的土壤保持價(jià)值;SER為減少土壤侵蝕價(jià)值;NLR為減少土壤養(yǎng)分流失價(jià)值;SDR為減少河流泥沙淤積價(jià)值;A為減少耕地資源損失面積(hm2);A為南方稻區(qū)耕地的年平均收益(元·hm-2), 通過查閱《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》等文獻(xiàn)資料, 取均值22 000元?hm-2;SER為由于種植綠肥減少的土壤侵蝕量(kg), 等于耕地侵蝕模數(shù)(kg?hm-2?a-1)與綠肥種植面積(hm2)的乘積, 根據(jù)南方稻田的侵蝕模數(shù)[30], 采用機(jī)會成本法, 計(jì)算得南方稻區(qū)土壤侵蝕量平均值為每年18 300 kg?hm-2;為表層土壤厚度,為土壤平均密度, 取值為1 300 kg?m-3;R為單位侵蝕物中第種養(yǎng)分元素的含量(g?kg-1), 取稻田土壤中有機(jī)質(zhì)、N、P、K含量分別為15.3 g?kg-1、0.9 g?kg-1、0.8 g?kg-1、21 g?kg-1[24];P為單位侵蝕物中第種養(yǎng)分元素的價(jià)格(元?kg-1);CON為水庫庫容建造成本, 采用影子工程法和機(jī)會成本法, 取值0.007 99元?kg-1(LY/T 1721─2008, 2008), 按照我國長江流域的泥沙運(yùn)動規(guī)律, 一般土壤侵蝕流失的泥沙有33%滯留、37%入海, 另有24%淤積于水庫、江河、湖泊, 這部分淤積的泥沙會導(dǎo)致水庫、江河、湖泊蓄水量下降, 提高干旱、洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率, 因此, 本文在計(jì)算綠肥的減少河流泥沙淤積價(jià)值時(shí), 僅考慮淤積于水庫、江河湖泊的24%。據(jù)此計(jì)算南方稻區(qū)1 hm2農(nóng)田種植紫云英后的土壤保持價(jià)值為:

2.4 土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值

水分涵養(yǎng)主要指生態(tài)系統(tǒng)對降水的截留、吸收和貯存的作用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 水分涵養(yǎng)功能主要體現(xiàn)在農(nóng)作物涵養(yǎng)水源和土壤涵養(yǎng)水源兩個(gè)方面[31], 由于土壤水分涵養(yǎng)能力明顯高于農(nóng)作物對水分的涵養(yǎng)能力, 本文在研究綠肥引入農(nóng)田后水分涵養(yǎng)價(jià)值變化時(shí), 僅考慮土壤的水分涵養(yǎng)價(jià)值。種植翻壓綠肥能夠改善土壤物理性質(zhì), 增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 減小土壤容重, 提高土壤飽和含水量[32], 從而增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤的蓄水能力。基于此, 本研究以種植綠肥前后土壤耕層飽和含水量的變化來核算綠肥引入農(nóng)田后的水分涵養(yǎng)價(jià)值。

2.5 氣體調(diào)節(jié)價(jià)值

綠肥的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值, 主要反映在固碳釋氧和凈化空氣兩個(gè)方面。在固碳釋氧方面, 綠肥引入農(nóng)田, 增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的凈生物量, 從而提高了農(nóng)田系統(tǒng)的固碳量和釋氧量; 在凈化空氣方面, 綠肥引入冬閑田增加了冬季農(nóng)田的植被覆蓋度, 改變了農(nóng)田植被覆蓋類型, 提高了對SO2、NO和灰塵等主要空氣污染物的凈化功能, 同時(shí), 由于綠肥的種植翻壓對冬閑田進(jìn)行了擾動, 在一定程度上也影響了農(nóng)田系統(tǒng)CH4和N2O的排放[33]。

式中:CFOR為固碳釋氧價(jià)值;AP為凈化空氣價(jià)值;GR即為綠肥的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值;CF為固碳價(jià)值;OR為釋氧價(jià)值;G為綠肥年凈生物量(kg?hm-2), 它等于綠肥干草經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與相應(yīng)經(jīng)濟(jì)系數(shù)的比值,取值0.46;CF、OR分別為綠肥的固碳和釋氧系數(shù), 采用替代成本法計(jì)算得到, 取值0.45和1.19;CF、OR分別為固碳和釋氧的價(jià)格, 采取造林成本法計(jì)算綠肥的固碳價(jià)格, 取值為0.26元·kg-1, 采用工業(yè)成本法計(jì)算綠肥的釋氧價(jià)格, 取值為0.40元·kg-1[34];SA、NA、DD、CE、NE分別為綠肥吸收SO2、NO和滯塵的價(jià)值以及排放CH4、N2O的負(fù)價(jià)值, 需要進(jìn)一步指出, 由于難以獲取南方稻區(qū)冬綠肥-水稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對CH4、N2O調(diào)節(jié)的具體數(shù)據(jù), 本文僅以固碳釋氧和凈化SO2、NO和滯塵來估算紫云英種植的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值;SA、NA、DD、UCE和UNE分別為單位面積綠肥吸收SO2、NO和滯塵以及排放CH4、N2O的量, 本文考慮的前3個(gè)指標(biāo)取值45 kg?hm-2?a-1、33.8 kg?hm-2?a-1、0.95 kg?hm-2?a-1[35];SA、NA、DD、CE和NE分別為治理SO2、NO、滯塵、CH4和N2O的單位成本, 前3個(gè)指標(biāo)取值3.00元?kg-1、16元?kg-1和0.17元?kg-1。據(jù)此計(jì)算南方稻區(qū)1 hm2農(nóng)田種植紫云英后的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值為:

2.6 綠肥生態(tài)服務(wù)總價(jià)值

可見, 南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英在一個(gè)輪作周期中能夠產(chǎn)生1.125萬元·hm-2的生態(tài)價(jià)值, 具體如表2所示。

3 結(jié)果與分析

通過界定冬綠肥紫云英引入農(nóng)田后所產(chǎn)生的生態(tài)功能, 本文把南方稻區(qū)農(nóng)田輪作紫云英的生態(tài)價(jià)值界定為土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值、土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值、土壤保持價(jià)值、土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值和氣體調(diào)節(jié)價(jià)值5種, 之后, 通過構(gòu)建評估模型, 把綠肥的生態(tài)價(jià)值在整個(gè)農(nóng)田系統(tǒng)綜合價(jià)值中進(jìn)行剝離, 研究單位耕地面積(1 hm2)上種植綠肥所帶來生態(tài)價(jià)值量變化, 為后續(xù)綠肥重要性的探討和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐。

表2 南方稻區(qū)稻田輪作紫云英的生態(tài)價(jià)值

ASOM: 土壤有機(jī)質(zhì)累積; NSC: 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán); BP: 生物庫; SP: 土壤庫; SC: 土壤保持; SER: 減少土壤侵蝕; NLR: 減少土壤養(yǎng)分流失; SDR: 減少河流泥沙淤積; SWC: 土壤水分涵養(yǎng); GR: 氣體調(diào)節(jié); CFOR: 固碳釋氧; CF: 固碳; OR: 釋氧; AP: 空氣凈化; SA: 吸收SO2; NA: 吸收NO; DD: 滯塵。ASOM: accumulation of soil organic matter; NSC: nutrient substance cycling; BP: biotic pool; SP: soil pool; SC: soil conservation; SER: soil erosion reduction; NLR: nutrient loss reduction; SDR: sediment deposition reduction; SWC: soil water conservation; GR: gas regulation; CFOR: carbon fixation and oxygen release; CF: carbon fixation; OR: oxygen release; AP: air purification; SA: SO2absorption; NA: NOabsorption; DD: dust detention.

研究表明, 南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英在一個(gè)輪作周期中能夠產(chǎn)生1.125萬元·hm-2的生態(tài)價(jià)值, 而同期綠肥種植投入成本為0.173萬元·hm-2(表3), 前者大約是后者的6.5倍, 相當(dāng)于1元種植投入能夠產(chǎn)出6.5元的服務(wù)價(jià)值, 這說明南方稻區(qū)農(nóng)田冬種綠肥紫云英的生態(tài)服務(wù)價(jià)值是客觀存在的, 并且其生態(tài)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其投入成本。其中, 氣體調(diào)節(jié)價(jià)值最大, 為0.380萬元·hm-2, 其次是土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值, 為0.279萬元·hm-2, 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值和土壤保持價(jià)值分別為0.204萬元·hm-2和0.214萬元·hm-2, 土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值最小, 為0.048萬元·hm-2。

國內(nèi)外研究在一定程度上驗(yàn)證了本文分析得到的稻田種植綠肥會顯著改變局域氣體結(jié)構(gòu)、改善區(qū)域小氣候的研究結(jié)論[36], 尤其在我國南方稻區(qū), 冬種紫云英翻壓還田對化學(xué)N素的替代效果明顯, 在減少水稻化學(xué)氮肥用量和化學(xué)氮肥生產(chǎn)的同時(shí), 也減少了溫室氣體排放, 從而起到對溫室氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)和對空氣進(jìn)行凈化的作用[37]; 研究發(fā)現(xiàn), 綠肥種植的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值主要表現(xiàn)在固碳釋氧方面, 每公頃稻田種植紫云英后能產(chǎn)生0.312萬元的固碳釋氧價(jià)值, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對空氣凈化的作用, 這與已有大部分研究得出的結(jié)論一致[38]。在土壤有機(jī)質(zhì)累積方面, 如果僅為水稻單作, 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將由于水稻生長消耗有機(jī)質(zhì)而呈現(xiàn)消耗負(fù)效益[39], 種植豆科綠肥紫云英后, 由于其能固定大氣中氮素, 加快有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速率、提高轉(zhuǎn)化效率, 顯著提高了稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量以及土壤活性有機(jī)質(zhì)和土壤微生物碳、氮比例, 輪作系統(tǒng)呈現(xiàn)出累積正效益。在土壤保持方面, 綠肥引入冬閑田, 提高了農(nóng)田系統(tǒng)年植被覆蓋度, 進(jìn)而增加了農(nóng)田年土壤保持量; 研究表明, 綠肥的土壤保持價(jià)值主要體現(xiàn)在減少土壤養(yǎng)分流失方面, 每公頃稻田種植紫云英后能產(chǎn)生0.194萬元的減少土壤養(yǎng)分流失價(jià)值, 是減少土壤侵蝕價(jià)值的近14倍, 是減少河流泥沙淤積價(jià)值的近13倍, 占綠肥土壤保持價(jià)值的90%以上。在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)方面, 綠肥種植可提高土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量, 改善土壤理化性狀、提高土壤營養(yǎng)物質(zhì)有效性, 從而顯著提升生物庫和土壤庫中的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值; 從營養(yǎng)庫來看, 稻田種植紫云英后, 生物庫和土壤庫中的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值均得到明顯提升, 并且土壤庫價(jià)值提升程度高于生物庫; 從營養(yǎng)物質(zhì)種類來看, 每公頃稻田種植綠肥產(chǎn)生的0.204萬元營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值中, 有0.092萬元以N循環(huán)的形式體現(xiàn), 占比超過45%, 而P、K循環(huán)價(jià)值占總營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值的比重分別為20%和35%, 均低于N循環(huán)價(jià)值, 這與豆科綠肥根瘤固N(yùn)、減少了N素流失有關(guān)。在土壤水分涵養(yǎng)方面, 紫云英根系密集且深長, 密集的根系在生產(chǎn)和腐解過程中, 增加了水穩(wěn)性團(tuán)聚體, 減小了土壤耕層的容重, 從而增加了土壤耕層孔隙度, 進(jìn)而在一定程度上增強(qiáng)了土壤的蓄水能力[40]; 每公頃稻田種植紫云英能產(chǎn)生0.048萬元的水分涵養(yǎng)價(jià)值, 在紫云英5種生態(tài)功能中價(jià)值量最小, 這由我國南方稻區(qū)土壤特殊的理化性質(zhì)所決定: 土壤飽和水含量已經(jīng)很大, 種植綠肥對土壤水分涵養(yǎng)提升潛在空間有限。

表3 南方稻區(qū)稻田輪作紫云英的種植投入情況

數(shù)據(jù)來源于2018年4月份課題組對南方稻區(qū)所做的調(diào)查。The data comes from the survey conducted by the research group on the southern China in April 2018.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

對綠肥價(jià)值的認(rèn)識經(jīng)歷了由無到有, 由定性認(rèn)知到單一的經(jīng)濟(jì)價(jià)值核算, 再到生態(tài)價(jià)值核算的發(fā)展過程。近年來, 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥用量不斷增加, 農(nóng)業(yè)面源污染加劇, 農(nóng)業(yè)宏微觀生態(tài)環(huán)境問題越來越受到關(guān)注, 綠肥作為推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要抓手, 其生態(tài)功能與生態(tài)價(jià)值逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。然而, 由于綠肥生態(tài)價(jià)值本身的影響因素復(fù)雜多樣且多難以定量, 當(dāng)前學(xué)術(shù)界對綠肥生態(tài)價(jià)值的研究依然很匱乏, 對包括價(jià)值評估方法在內(nèi)的綠肥生態(tài)價(jià)值研究范式探索尚處于起步階段, 沒有固有模式可參考, 生態(tài)價(jià)值核算的困境直接導(dǎo)致了關(guān)于綠肥重要性的探討都缺乏理論依據(jù), 降低了可信度。這種情況下, 結(jié)合我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的特性, 探索建立綠肥生態(tài)價(jià)值評估的理論模型, 成為了本文的研究重點(diǎn)和難點(diǎn), 運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)核算研究區(qū)種植綠肥后所產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值, 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇? 為后續(xù)研究提供可參考的依據(jù), 也是本文做出的主要突破之一。

在研究過程中, 受生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)體系在指標(biāo)選取方面局限性以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取困難性的影響, 關(guān)于稻田引入綠肥紫云英后的生態(tài)服務(wù)功能仍有部分未能在本研究中體現(xiàn), 如未包括提供生態(tài)產(chǎn)品、維持農(nóng)田系統(tǒng)生物多樣性以及生態(tài)觀光游憩等功能的價(jià)值, 也沒有考慮由于不合理的農(nóng)業(yè)活動所帶來的負(fù)面影響(綠肥在生長過程中也要釋放CO2等溫室氣體), 在計(jì)算氣體調(diào)節(jié)價(jià)值時(shí)由于難以獲取南方稻區(qū)冬綠肥-水稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對CH4、N2O調(diào)節(jié)的具體數(shù)據(jù), 本文也沒有進(jìn)行考慮, 這些都會對研究結(jié)果的精確性造成一定影響, 下一步研究將繼續(xù)完善核算方法, 并且有針對性地建立綠肥引入農(nóng)田長期定位試驗(yàn)、擴(kuò)大監(jiān)測指標(biāo), 以期獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù), 進(jìn)而得到更為全面、準(zhǔn)確的評估結(jié)果。盡管如此, 但可以肯定的是農(nóng)田引入綠肥后生態(tài)系統(tǒng)的正面價(jià)值要遠(yuǎn)大于其負(fù)面價(jià)值, 由計(jì)量方法和研究手段限制所帶來的計(jì)算結(jié)果精確性損失也不會對生態(tài)價(jià)值效應(yīng)帶來顛覆性影響, 因此仍然具有重要的參考價(jià)值, 對于引導(dǎo)和促進(jìn)對南方冬季農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的認(rèn)知有也依然具有重要意義。

針對研究結(jié)論, 農(nóng)田引入綠肥紫云英后所產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值大小排序?yàn)闅怏w調(diào)節(jié)價(jià)值>土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值>土壤保持價(jià)值>營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值>土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值, 這一研究結(jié)論也僅適用于本文所考察的南方稻區(qū), 對紫云英適宜種植的其他區(qū)域不具有普適性, 更不適用于其他區(qū)域的其他綠肥種植模式。因此, 如何針對不同種類綠肥的生態(tài)服務(wù)功能特點(diǎn), 結(jié)合不同地區(qū)的生態(tài)需求, 因地制宜地引入綠肥、有針對性的發(fā)揮其生態(tài)價(jià)值, 將是下一步綠肥研究中的重要問題。此外, 針對綠肥種植農(nóng)戶目標(biāo)和國家目標(biāo)不一致的矛盾(對農(nóng)戶來說, 直接經(jīng)濟(jì)效益直接決定農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為; 而對國家來說, 生態(tài)效益考慮甚至大于直接經(jīng)濟(jì)效益的考慮), 如何改變傳統(tǒng)綠肥利用方式, 加強(qiáng)綠肥多元化利用以獲取更高的生態(tài)產(chǎn)品產(chǎn)值, 同時(shí)參考生態(tài)價(jià)值量與種植成本的比例、結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平, 從政策上制定合理的綠肥種植生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制, 也將是未來綠肥研究的一個(gè)焦點(diǎn)。

4.2 結(jié)論

本文基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論, 結(jié)合我國南方稻區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的特性, 確定了稻田種植冬綠肥紫云英的生態(tài)服務(wù)功能, 構(gòu)建了綠肥生態(tài)價(jià)值評估的理論模型, 核算了綠肥的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 得到了以下研究結(jié)論:

1)綠肥生態(tài)服務(wù)功能主要涉及調(diào)節(jié)和支持兩類, 調(diào)節(jié)服務(wù)應(yīng)該包括氣體調(diào)節(jié)、水分涵養(yǎng)和土壤保持3種功能, 作用是維持生態(tài)系統(tǒng)水、土、氣等物質(zhì)組分平衡; 支持服務(wù)應(yīng)該包括土壤有機(jī)質(zhì)累積和土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)兩種功能, 作用是為作物生長提供必要的營養(yǎng)元素并維持養(yǎng)分在生物庫、土壤庫中的持留與循環(huán)。據(jù)此, 把南方稻區(qū)農(nóng)田輪作冬綠肥紫云英的生態(tài)價(jià)值也對應(yīng)地界定為土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值、土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值、土壤保持價(jià)值、土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值和氣體調(diào)節(jié)價(jià)值5種。

2)南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英在一個(gè)輪作周期中能夠產(chǎn)生1.125萬元?hm-2的生態(tài)價(jià)值。其中, 氣體調(diào)節(jié)價(jià)值最大, 為0.380萬元?hm-2, 并且80%以上的氣體調(diào)節(jié)價(jià)值體現(xiàn)在固碳釋氧方面, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對空氣凈化的價(jià)值; 其次是土壤有機(jī)質(zhì)累積價(jià)值, 為0.279萬元?hm-2, 通過提高土壤活性有機(jī)質(zhì)和土壤微生物碳、氮比例呈現(xiàn)出典型累積正效益; 土壤保持價(jià)值為0.214萬元?hm-2, 主要體現(xiàn)在減少土壤養(yǎng)分流失方面, 每公頃稻田種植紫云英后能產(chǎn)生0.194萬元的減少土壤養(yǎng)分流失價(jià)值, 占綠肥土壤保持價(jià)值的90%以上; 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值為0.204萬元?hm-2, 從營養(yǎng)庫來看, 稻田種植紫云英后生物庫和土壤庫中的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值均得到明顯提升, 并且土壤庫價(jià)值提升程度高于生物庫, 從營養(yǎng)物質(zhì)種類來看, 每公頃稻田種植綠肥產(chǎn)生的0.204萬元營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值中, 有0.092萬元以N循環(huán)的形式體現(xiàn), 占比超過45%, 而P、K循環(huán)價(jià)值占總營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值的比重分別為20%和35%, 均低于N循環(huán)價(jià)值; 土壤水分涵養(yǎng)價(jià)值最小, 為0.048萬元?hm-2。

3)我國南方稻區(qū)綠肥種植投入成本為0.173萬元?hm-2, 綠肥種植所產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值大約是種植投入成本的6.5倍, 相當(dāng)于1元種植投入能夠產(chǎn)出6.5元的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 這表明南方稻區(qū)農(nóng)田冬種綠肥紫云英的生態(tài)服務(wù)價(jià)值是客觀存在的, 并且其生態(tài)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其投入成本, 該研究結(jié)論為政府制定農(nóng)戶種植綠肥的生態(tài)補(bǔ)償制度提供了理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)參考。

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Assessment of the functions and ecological services values of green manure in paddy fields in South China*

LI Fuduo, YIN Changbin**

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

In the context of deepened promotion of rural revitalization, exploration of greener and more ecological path to agricultural modernization has become the mode of deepening agricultural reform. In the process of building modern agriculture, China has led the establishment of good agricultural ecosystems as a breakthrough point and the development of green manure as an important starting point in the establishment of good agricultural ecosystems and promotion of green transformation of agriculture. In order to explore ecological services values of green manure (L.) in winter paddy fields in South China, we defined ecological services functions of green manure in paddy fields in winter and used research methods (such as actual market method, alternative market method and virtual market method) to construct an initial theoretical model of ecological services value assessment from which ecological services values of green manure in South China were calculated. The following conclusions were reached: 1) that ecological services functions of green manure in paddy fields in South China were mainly of 2 kinds — regulation and support services. Regulation services included gas regulation, water conservation and soil conservation. The support services included accumulation of soil organic matter and soil nutrient cycle, corresponding to ecological services values defined for the above 5 species. 2) For a rotation cycle, ecological services value of winter green manure in paddy fields in South China was 1.13×104￥?hm-2. Among these, the value of gas regulation was the largest (3.80×103￥?hm-2), the cumulative value of soil organic matter followed next (2.79×103￥?hm-2), next were nutrient cycle (2.04×103￥?hm-2) and soil conservation (2.14×103￥?hm-2) values, and soil water conservation value was the smallest (4.80×102￥?hm-2). 3) The cost of winter green manure was 1.73×103￥?hm-2in paddy fields in South China. The ecological services value of green manure was 6.5 times the cost of planting, indicating that the existence of ecological services value of green manure was objective. This study provided further detail on scientific methods and the basic parameters for ecological services value assessment for green manure in paddy fields in South China. Meanwhile, it also provided the theoretical basis for the formulation of ecological compensation mechanisms for future green manure plantations.

Paddy field in South China; Winter fallowing field; Green manure;L.; Ecological valuation

, E-mail: yinchangbin@caas.cn

Jun. 4, 2018;

Sep. 15, 2018

F323.22

A

2096-6237(2019)02-0327-10

10.13930/j.cnki.cjea.180525

* 國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS–22)和國家社會科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2018ZDA048)資助

尹昌斌, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源利用與管理。E-mail: yinchangbin@caas.cn

李福奪, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)。E-mail: lifuduo2010@163.com

2018-06-04

2018-09-15

* This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS–22) and the Major Program of National Social Science Foundation of China (2018ZDA048).

李福奪, 尹昌斌. 南方稻區(qū)綠肥生態(tài)服務(wù)功能及生態(tài)價(jià)值評估研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(2): 327-336

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