摘要
长江中游地区是我国重要的水稻生产基地,为全国粮食安全和生态系统安全健康作出了重要贡献。科学合理评估稻田生态系统服务功能价值,可为其服务功能价值演变、改善和推广稻田绿色可持续发展模式提供重要依据。本文在梳理稻田生态系统服务功能内涵和服务功能价值评估体系、方法的基础上,对评估长江中游地区不同稻田生态系统服务功能的方法进行了分类对比,并归纳总结了该区稻田生态系统服务功能价值评估研究框架和研究思路。因稻田类型、稻区分布区域和价值评估指标体系不同,各稻田生态系统服务功能价值评估的方法和单位面积服务功能价值量存在一定差异,认为未来研究需要不断完善不同稻田生态系统服务功能价值评估指标体系,改进评估方法,提高评估准确性;同时本文还对长江中游地区部分稻田的服务功能进行了分析,发现研究主要集中在稻田微观试验和省市县区域宏观测算2个维度上,对稻田生态系统某一部分服务功能或系统整体服务功能价值进行了静态评估,而对其价值评估的长期动态跟踪研究不足,对稻田生态系统服务功能净价值研究也有待于进一步深入。
长江中游地区(包括湖南、湖北和江西)是我国华中地区重要的单双季稻生产基地,为全国粮食安全和生态系统健康安全作出了重要贡献。根据湖南、湖北和江西省统计局官网数据,2016—2021年,3省的水稻种植面积呈现稳中微降趋势,3省6年内水稻的年平均产量分别为1 898.71万、2 678.54万和2 088.06万t ,保持产量总量水平基本稳定;3省水稻种植面积总和占全国水稻种植面积的比由2016年的33.06%下降至2021年的31.39%,其水稻产量总和占全国水稻产量总和由2016年的31.92%下降至2020年的30.94%,2021年上升至31.18%。
长江中游地区稻田生态系统多年所取得的粮食生产成就引起了社会各界对稻田生态系统产品生产功能的重视,但对稻田生态系统的其他功能(诸如气候调节、维持土壤肥力、涵养水源、景观美学等)的关注还有待于提升。近些年来,随着世界自然生态环境的恶化及各国各级政府和人民对生态环境保护问题的逐渐重视,尤其是对农田生态环境的保护越来越重视,稻田生态系统的非粮食生产功能才逐渐引起重视。因此,稻田生态系统服务功能和价值评估研究也从此成为研究热点之一。
稻田生态系统是一种半自然半人工系统,是由稻田生物系统、环境系统和人为干扰调节控制系统组成的复杂系统,具有生产、生态和社会等复合功能,还具有波动性、多样性、人为性和经济生态社会等特性,稻田生态系统可为人类提供极为丰富的物质财富,还为人类提供各种各样功能性服务,具有重要的生态服务价值,对稻田生态系统服务功能价值评估具有重要的现实意义。
自1997年Costanza
随着生态系统服务功能概念及内涵的不断丰富,生态系统服务功能对人类的影响也在不断扩大,如稻田生态系统、湖泊湿地生态系统和林草地生态系统等重要生态系统,各特定生态系统的服务功能及内涵不断丰富。稻田生态系统除生产供应农产品及副产品外,更重要的是为支撑与维持自然及人类生命健康可持续发展提供相应服务。当前,众多研究人员从生态系统与功能间的对应关系出发,从生态系统服务功能评价体系的角
在明确稻田生态系统服务功能范畴的基础上,对稻田生态系统服务功能价值大小进行评估具有重要的理论和现实意义。从稻田生态系统本身看,一方面,评估稻田生态系统服务功能可以准确了解其各生态服务功能价值量的大小,也可为探索在不同施肥措
生态系统服务功能价值的重要性逐渐得到人们的高度重视。Costanza 团队测算出2014年全球生态系统的生态系统服务价值为124万亿~145万亿美元(https://www.huanbao-world.com/foreign/109662.html)。20世纪80年代,我国学者也从不同空间尺度对不同的生态系统进行了服务功能价值研究,如对陆地生态系
传统价值观认为稻田生态系统服务价值主要体现在粮食生产功能上,而其对生态环境与社会的负面影响受到忽
在梳理稻田生态系统服务功能的内涵、价值评估现实意义及研究方向后,结合长江中游地区稻田生态系统特点,对稻田生态系统服务功能类型进行分类,针对功能类型构建相应指标体系,确定其评估方法是稻田生态系统服务功能价值评估的关键。
针对生态系统的不同服务功能,依据不同的标准,国内外学者对生态系统类型划分的研究较多,但并没有形成统一标准。Freema
长江中游地区汛期一般出现在每年的5—10月,也正值水稻生产周期,该区强降雨周期长、蓄水防洪能力较弱和耕地面积减少等往往导致洪涝灾害频发。在水稻生产周期内,大量使用的农药、化肥可能导致长江中游地区面源污染加剧,在对长江中游地区稻田生态系统服务功能评估时应重点考虑由农药、化肥而带来的环境损害成本。另外,由于历史原因,长江中游的江汉平原地区、环鄱阳湖和洞庭湖地区,曾经围垦水面而创造了大量的圩田、垸田,造成江河湖泊湿地生态系统服务功能减弱,增加的稻田也为增加温室气体排放创造了条件。因此,根据已有经典分
服务价值类型 Type of service value | 功能类型Func-tion type | 功能子类型Functional subtype | 功能说明Function Description | 价值效应 Value effect | 价值评估方法Valuation methods | 对应价值评估方法下的计算方法及其说明 Calculation method and explanation under the corresponding value assessment method | 适用稻田类型及特点 Applicable paddy field types and characteristics |
---|---|---|---|---|---|---|---|
稻田生态系统服务功能收益 The benefits of rice field ecosystem services |
供给 功能 |
粮食生产 功能 | 提供粮食 | 正向 |
市场价值 | MVy=TRV-TRC ,其中MVy 为粮食生产价值, TRV为粮食生产总价值,TRC为粮食生产总成本。 | 常规稻田/普遍性 |
秸秆生产 功能 | 提供秸秆 | 正向 |
市场价值 | Vp =M×P,其中VP是农田生态系统提供的秸秆总价值;M为秸秆的年产量;P为秸秆的市场价格。 | 常规稻田/普遍性 | ||
调节 功能 |
气体调节 功能 | 固定大气中的CO2、释放O2,减缓温室效应 | 正向 |
造林成本 | =1.19×NPP×、=1.63×NPP×,其中、、NPP,与分别代表释放O2的价值、固定CO2的价值、水稻干物质总量、释氧的造林成本和固碳的造林成本。 | 常规稻田/普遍性 | |
气温调节 功能 | 调节稻田周边气温 | 正向 |
成果参数和市场价值 模型 |
MVT=Hf×30×1.3×6×Pe,其中稻区能降温约1.3 ℃,有效降温时间为30 d左右,每天降温约6 h,稻区覆盖家庭户数为Hf,Pe为电的市场价格,MVT为气温调节价值;ET0=[0.408Δ(Rn-G)+900γu2(es-ea)/T+273]/Δ+γ(1+0.34u2),其中ET0 是作物蒸散量 ,(mm/d),Δ是蒸汽压力-温度曲线的斜率(kPa /℃),Rn 是净辐射(MJ/ ( | 城乡结合部周边稻田/特殊性 | ||
土壤有机质 积累功能 | 改善土壤质量 |
机会成本 | V= S×T×q×OM×CSOM,其中V表示土壤有机质积累价值,S 为作物种植面积,T 为耕层厚度,q 为土壤容重,OM 为土壤有机质含量,CSOM 为土壤有机质价格。 | 常规稻田/普遍性 | |||
营养物质循环功能 | 改良土壤,减少化肥使用 | 正向 |
采用影子价格 | V= Lr×(CN +CP+ CK×P),其中V 表示营养物质循环价值,Lr 为各作物产量,CN 为各类型作物 N 的百分比,CP 为各类型作物 P 的百分比,CK 为各类型作物 K 的百分比, P 为化肥平均价格。 | 常规稻田/普遍性 | ||
蓄水防洪 功能 | 蓄水防洪 | 正向 |
替代成本 | MVf=(Hr-Dw)×Cd,其中MVf为防洪价值,Hr为田埂的平均高度,Dw为日常平均水深,Cd为单位调洪容量的防洪水库建设成本及维护运行费。 | 常规稻田/普遍性 | ||
水源涵养 功能 | 对地下水源起支配作用 | 正向 |
市场价值 | MVg=Ir×Ar×Di×P,其中MVg为涵养水源的价值,Ir为土壤水分的渗透率,Ar为稻田面积,Di为淹水期天数,P为水市场的价格。 | 常规稻田/普遍性 | ||
净化污水 功能 | 可降解水体中的BOD等物质 | 正向 |
替代成本 | MVd=(CI-CO)×VI×PC,其中MVd为净化污水的价值,CI为灌溉用水中的污染物浓度,CO为流出浓度,VI为灌溉用水量,PC为净化污染物的市场价格。 | 常规稻田/普遍性 | ||
净化环境 功能 | 吸收空气中的SO2、HF、NOx等有害气体和粉尘 | 正向 |
成果参照法市场价值 | V =(Qf×Pf + Qs×Ps + Qh×Ph+Qn×Pn)×A,其中V为稻田生态系统净化空气质量的价值,Qf、Qs、Qh、Qn为稻田生态系统吸收粉尘、 SO2 、HF、NOx的平均通量,Pf、Ps、Ph、Pn为稻田生态系统吸收粉尘、SO2、 HF、NOx的成本,A为稻田的面积。 | 常规稻田/普遍性 | ||
消纳废弃物功能 | 减少废弃物对环境的污染 | 正向 |
治理费用 | V= EP ×Cf,其中V 表示消纳废弃物的价值, EP 为作物单位面积畜禽粪便施入量,Cf 为粪便处理平均成本 。 | 常规稻田/普遍性 | ||
支持文化 服务功能 |
保持多样 性功能 |
保持生物多 样性 | 正向 |
当量因子 |
M=SV×A,其中M为保持生物多样性价值,SV为维持生物多项性单位价 | 梯田稻田、城乡结合部周边稻田、综合种养共生稻田/特殊性 | |
美学景观功能 | 维持景观文化 | 正向 |
旅行费用 条件价值评估 当量因子 | V=∑vi,其中V为景观文化价值,vi为第i种费用的实际支出,包括交通费、门票费、住宿费、餐饮费和时间费用等;问卷调查,即通过虚拟市场法,选择累积频度为50%的支付额度作为所评估的环境物品的年人均制度意愿WTP值,经过校正后,乘以合适范围的总人数;V=S×A,其中V为景观文化价值,S为景观休闲的单位面积价值,A为景观面积。 | 梯田稻田、城乡结合部周边稻田、综合种养共生稻田/特殊性 | ||
旅游休闲功能 | 观光旅游 | 正向 |
价格替代 | TR= ∑ TRi,其中TR为稻区年旅游总收入,TRi为包括门票、旅馆、景点内消费、收取旅游费等收入。 | 梯田稻田、综合种养稻田/特殊性 | ||
文化传承功能 | 传承文化 | 正向 |
市场价值 | TC= ∑TCi,其中TC为总费用,TCi为各项支出,包括申请中国重要农业文化遗产及开展相关保护措施和传承活动等实际支出费用等。 | 梯田稻田、综合种养稻田/特殊性 | ||
稻田生态系统服务功 能成本The cost of rice field ecosystem services | 化肥农药污染功能 | 对水体、土壤、空气造成污染 | 负向 |
防护费 防护费用 市场价值 | MPV=TVP×C其中,MPV为农药化肥污染的负经济价值,TVP为稻谷总产量,C为每公斤稻谷产生的农药化肥的外部成本;VP=M×(1-R)×P,其中VP为农药化肥污染的负经济价值,M为农药化肥使用量,(1-R)为农药化肥利用系数,P为农药化肥价格;TC=P×Q×1%,其中TC为为农药化肥污染的负经济价值,P为粮食价格,Q为粮食总产量,1%为成本系数。 | 常规稻田/普遍性 | |
水资源消耗功能 | 消耗水资源 | 负向 |
替代成本法/影子工程 | Vw=W×R×Cw,其中Vw为水资源消耗的负经济价值,W为各地农业用水量,R为各地农业耗水率,Cw为农业用水蓄水成本;Vw=Wr×Vr×Cw,其中Vw为水资源消耗的负经济价值,Wr为总面积,Vr为水稻单位面积需水量,Cw为农业用水蓄水成本。 | 常规稻田/普遍性 | ||
温室气体排放功能 | 主要排放CO2、CH4和N2O三种温室气体 | 负向 |
影子价格 |
VGWP = ∑(Fi×24× n×0.01×GWPi)×,其中Fi和GWPi分别为不同气体的平均排放通量和增温趋势,对于100 a时间尺度的气候变化,CH4和N2O的GWPi分别为25和298 | 常规稻田/普遍性 | ||
围湖造田 | 对江河湖泊等湿地造成损害 | 负向 |
影子工程 |
EC=S×A×Q×W×P,其中EC为围湖造田的负经济价值,S为每围垦1 k | 常规稻田/普遍性 |
一方面,将稻田生态系统的服务功能类型划分为提供初级产品服务的经济功能、调节维持稻田生态系统的生态功能和提供文化科教服务的社会文化服务功能三大类正向服务功能:(1)经济服务功能(2项):指稻田生态系统提供粮食和秸秆的服务;(2)生态服务功能(10项):指从稻田生态系统的调节、维持、发展作用中获得的各种生态效益的功能,即土壤保持、蓄水防洪、水源涵养、气体调节、气温调节、处理生活废弃物、净化污水、净化空气、维持生物多样性和病虫草害控制功能;(3)社会文化服务功能(2项):指从稻田生态系统获得的景观文化传承和旅游科教休闲服务功能。
另一方面,稻田生态系统与其他生态系统不同,稻田生态系统具备许多特殊的功能。由于人类活动的强烈干扰,稻田生态系统给人类带来一定的正面效益的同时也带来了负面效应,也即以消耗水资源、围湖造
稻田生态系统服务功能收益是指稻田生态系统对人类经济社会发展的贡献在于人类可以从稻田生产中获得实际利用或潜在利用的效益,所获得负向效益为稻田生态系统服务功能成
从
对湖南、湖北和江西地区稻田生态系统服务功能价值评估研究已积累了较多成果,基本遵循稻田供给功能、稻田调节功能、稻田支持文化服务功能和稻田生态系统服务成本四大功能的研究脉络和研究思路,根据功能构建相应的指标体系,并采用适当的评估方法进行。主要从试验田微观尺度和省市县宏观尺度2个研究维度进行了稻田相关服务功能评估。
试验田微观尺度的稻田生态系统服务功能价值的评估,主要是探索试验田内的不同施肥措施、不同耕作措施、节肥节水节药措施和不同种植模式(或不同的冬季种植模式)等的一种或多种措施对稻田生态系统服务功能差异的影响,试图筛选出长江中游地区更优、高效和环保的稻田种植模式和种植方式,为提高稻田生态系统服务功能提供参考。
在不同施肥措施对稻田生态系统服务功能价值的影响方面,通过优化施肥措施提高稻田生态系统服务功能。马艳芹
不同耕作措施对稻田生态系统服务功能价值的影响方面,在秸秆还田条件下,耕作措施对双季稻田的碳循环和生态系统服务功能的影响较大。肖玉
在不同种植模式对稻田生态系统服务功能价值的影响方面,种植模式多是结合优化施肥处理对稻田生态系统服务价值共同产生较大影响。在长江上游地区,普燕爽
从省市县尺度稻田生态系统服务功能价值评估角度,众多研究者在考虑稻田生态系统水稻的生产成本时,主要聚焦在某地区稻田生态系统服务某一或某些功能大小的估算上,同时比较研究不同地区(同省不同市县、不同稻区)稻田生态系统服务功能差异,研究探讨了稻田生态系统服务功能净值。从省市县角度,对稻田生态系统的服务价值进行评价对整个农业生态系统及区域农业生态环境保护研究也具有重要意义。如薛宝林
国内外已在稻田生态系统服务功能价值评估的研究领域积累了较多研究成果,现有研究不断拓展延伸了稻田生态系统服务功能的内涵,同时也逐渐完善了稻田生态系统服务功能价值评估体系和方法。长江中游地区稻田生态系统服务功能价值评估研究的角度主要有:从稻田生态系统单一服务功能的价值研究到多功能综合系统研究,从微观尺度研究到中观、宏观尺度研究,从常规稻田到特色稻田(城乡结合部、梯田稻田和综合种养稻田)研究,从服务功能价值总量研究到服务价值净价值总量研究,从稻田静态服务价值研究到动态服务价值研究,从区域内稻田生态系统服务价值研究到区域间稻田服务价值比较研究,从对稻田不同干扰措施对稻田生态系统服务价值的影响研究到提高稻田生态系统服务价值的策略研究。上述研究角度,都可以从某一方面(或系统地)直接或间接反映稻田生态系统服务功能价值,但不同的研究角度、不同的研究区域和不同的稻田类型,在评估稻田生态系统服务功能价值时,由于研究区域收集数据难易程度和稻田特点不同,各研究者所采用的评估方法有所差异,其所评估得到的单位面积稻田生态系统服务功能价值大小也有一定差异,这给研究者在评估特定稻田生态系统服务功能价值时指标体系和评估方法的选取带来了一定难度。
稻田生态系统服务功能价值评估研究的关键在于建立合理科学的评估指标体系和方法,同时明确研究目标、找准研究角度,通过选用适当的评价指标体系和方法,对特定稻田生态系统服务功能价值(或净价值)进行评估。未来首先还需对特定稻田生态系统服务功能价值评估的指标体系和评价方法进行不断完善,建立与所研究的稻田生态系统特点相适应的评估指标体系,选取合适的评估方法。其次,稻田生态系统服务功能价值是个动态的概念,需要后续研究者对相关稻田生态系统服务功能价值进行动态研究,长期跟踪探索不同肥、水、药、农艺和耕作制度措施等影响下稻田生态系统服务功能价值变化规律和特点,为掌握稻田生态系统服务功能演变规律提供依据。第三,稻田生态系统服务功能价值不仅具有正外部性效应,也有一定的负外部性效应,在评估稻田生态系统服务功能净价值时,静态(或某一年)的净价值评估难以合理合理反映稻田生态系统真正的服务净价值,对筛选科学合理的稻田生态系统绿色发展路径和方法增加了不确定性。同时不同类型和不同特点的稻田生态系统,在综合评价稻田生态系统服务净价值时要注意其可比性,为不同地区制定稻田生态系统价值补偿标准差异提供参考。第四,基于长江中游稻田生态系统的整体、长期动态的价值评估研究较少,需要加快开展流域内稻田生态系统服务功能净价值动态评估研究步伐,这对强化流域内稻田面源污染及生态环境管理具有重要意义。
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