四川省耕地生態系統涵養水源價值評估及其空間特征

馬偉龍++任平++陶曉明

摘要：為更好地發揮耕地生態系統調節水源的作用，科學量化耕地涵養水源價值就顯得尤為重要。在收集整理相關數據的基礎上，借助GIS技術分析了四川省耕地涵養水源總量及空間特征，并且運用影子工程法、替代市場法估算了耕地涵養水源功能價值。結果表明，2011年四川省耕地生態系統涵養水源總量為309.70×108 m3，涵養水源的總價值為596.17億元，其中水田涵養水源總量為159.76×108 m3，價值為307.54億元；旱地涵養水源總量為149.94×108 m3，價值為288.63億元；農作物的枝葉層、耕地土壤層是耕地涵養水源的主要作用層，其涵養水源的總量分別為1.48×108、308.22×108 m3，價值分別為2.84億、593.33億元。四川省耕地生態系統涵養水源價值較大，為當年農業總產值的24.29%；水田、旱地涵養水源能力分別占總價值的51.59%、48.41%，土層蓄水能力遠高于農作物枝葉涵養水源能力；耕地涵養水源空間分布特征為川東部盆地、平原地區涵養水源能力高于川西南山地、川西北高原。四川省耕地涵養水源功能及生態經濟效益不容忽視，研究結果對四川省耕地資源保護有著重要的理論參考價值。

關鍵詞：涵養水源量；涵養水源價值；耕地生態系統；空間分析；四川省

中圖分類號： S181文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0399-04

耕地生態系統是受人類干預最為明顯的經過人類改造的自然-人工復合生態系統[1]，也是地球上最重要的陸地生態系統之一，在為人類提供糧食的同時，也為人類提供涵養水源等生態服務功能[2]。涵養水源功能是耕地生態系統生態效益的重要組成部分[3]，被經濟學家稱為耕地環境資源的非消耗性利用價值[4]。城市化進程加快導致城市人口快速增加、城鎮建設用地面積迅速擴張[5]、經濟快速發展，對土地資源和水資源的需求不斷上升，進而出現土地資源尤其是耕地資源不斷減少[6]、水資源短缺[7-8]。不合理的耕地利用方式也導致耕地生態系統以前所未有的速度退化，耕地生態價值損失空前。因此，開展耕地生態系統涵養水源服務價值研究不僅可以認識耕地生態系統的重要性[3]，豐富生態系統服務功能理論體系，而且可以在一定程度上對防治水土流失、保護耕地具有一定的現實意義。

生態系統涵養水源服務價值研究始于1997年Costanza等的報道[9]，目前生態系統涵養水源服務價值的研究對象多為森林生態系統[10]、濕地生態系統、草地生態系統[11]，以耕地生態系統為對象研究其涵養水源價值的案例較少。現有研究主要采用區域水量平衡法[12-13]、土壤蓄水估算法[14]、多因子回歸法[15]、地下徑流增長法[16]計算耕地涵養水源物質量，然后運用影子工程法[17-18]、替代市場法[1]等方法來評價生態系統涵養水源的效益。但耕地生態系統與人類的關系最為密切且受人類活動的影響較為深刻，至今尚未形成準確、統一的評價模型[3]。本研究在總結前人有關生態系統涵養水源研究成果基礎上，進一步考慮降水強度因素、農閑田土季節性差異，即冬季休耕、春夏秋播種對耕地生態系統涵養水源量的影響，同時以研究區內每個研究單元平均蓄水庫容成本的加權平均值修正單位蓄水成本；采用修正后的土壤蓄水估算法測算耕地涵養水源物質量[16，19]，用影子工程法、替代市場法測算耕地涵養水源價值；并在地理信息系統（GIS）技術支持下，對耕地生態系統涵養水源價值空間特征進行分析，以期為四川省耕地資源保護提供參考。

1研究區概況與數據來源

四川省位于我國西南腹地，地理位置為97°21′～108°31′E，26°03′～34°19′N，東西長1 075 km，南北寬 921 km，土地面積4 850萬 hm2。2011年末實有耕地面積398.34萬 hm2，其中水田面積206.93萬 hm2，旱地面積191.41萬 hm2，分別占耕地面積的51.95%、48.05%，年內共減少2.73萬 hm2。該區域地形復雜，氣候類型多樣，以亞熱帶季風氣候為主，降水集中在夏季，年均降水量900～1 200 mm。

數據主要來源于《四川省統計年鑒：2012》[20]、《四川省土地利用總規劃》，結合四川省地形圖、行政區劃圖、耕地類型圖、氣候圖、四川省多個氣象站觀測資料和氣候公報等資料，在GIS軟件平臺下，對所得數據進行數字化處理，建立空間數據庫、屬性數據庫。

2研究方法

生態系統涵養水源功能主要涉及林冠層、枯枝落葉層、土壤層，由于耕地生態系統中基本沒有枯枝落葉，所以本研究重點考慮農作物枝葉層、土壤層的水文特征。耕地主要由水田、旱地組成，水田以種植水稻為主，旱地以種植玉米為主，因此，計算時水田以水稻為標準，旱地以玉米為標準，其他農作物換算成這2種農作物來測算。計算枝葉截留降水量時以農作物播種面積為準，計算土壤持水能力時以旱地水田實有面積為準，使測算結果更加符合實際。

2.1耕地涵養水源量的估算方法

2.1.1農作物截留降水量測算農作物枝葉截留降水量與降水量強度、植被覆蓋度、枝葉葉面積指數密切相關。已有眾多學者提出了植被截留降水量估算方法[21-22]，但何東進等認為，這些方法存在唯象因素使得結果存在不確定性，并提出不含唯象性質的植被截留降水量測算方法[23-24]。不唯象研究方法也存在1個問題，即對降水量因素考慮不夠深入。本研究以最大截留降水量為臨界點分段計算截留降水量，替代平均降水量測算截留降水量，修正后的測算模型如下：

式中：Q1為單位面積農作物截留降水量，m3；VEG為單位面積農作物覆蓋度，%；LAI為單位面積農作物葉面積指數；J為1個降水過程水量，mm；α為農作物類型；Q1為單位面積農作物最大截留降水量，mm；A為葉面上平均最大持水深度，mm，變動范圍約為0.1～0.3 mm[25]。endprint

2.1.2土壤蓄水量測算土壤降水儲存量與土壤類型及面積、土壤地下水深度、土壤粗孔隙率成正比[26]，按土壤類型測算后再求和。測算土壤蓄水量時以土壤的飽和含水量為臨界點分段計算土壤蓄水量，彌補過去研究中不考慮降水強度因素的不足，修正后模型如下：

式中：Q2為單位面積土壤降水儲存量，m3；J為降水過程的單位面積水雨量，mm；Hi為第i類耕地土層深度，m；ρi為第i類耕地的土壤容重，kg/m3；λi為第i類耕地的田間持水量，m3；Q2*為單位面積土壤最大蓄水量，m3。

2.2耕地涵養水源價值評估

2.2.1耕地涵養水源總量測算耕地生態系統涵養水源總量關系式為：

QW=∑i（QSi×mi） 。 （5）

式中：QW為四川省耕地生態系統涵養水源總量，m3；QSi為第i類耕地單位面積土壤涵養水源量，m3/hm2；mi為第i類耕地面積，hm2；i為耕地類型。

2.2.2耕地水源涵養量經濟價值測算本研究在考慮人們對生態價值的支付意愿、替代工程易于計價的基礎上，運用替代市場法計算耕地生態系統涵養水源價值總量，測算時用經過生態價值發展階段系數修正后的每個研究單元平均蓄水庫容成本的加權平均值，替代研究區單位蓄水量庫容成本，公式如下：

V= QW×P 。（6）

式中：V為耕地涵養水源價值，元；QW為四川省耕地生態系統涵養水源總量，m3；P為研究單元平均蓄水庫容成本的加權平均值修正單位蓄水成本，為1.925元/m3。

3結果與分析

3.1四川省耕地生態系統水源涵養量及其價值分析

運用式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分別計算Q1、Q2值，根據式（5）、式（6）以及水田、旱地的面積計算四川省耕地水源涵養能力（表1）。由表1可知，四川省2011年耕地生態系統水源涵養總量為309.70×108 m3，總價值為596.17億元。其中農作物截留水量1.48×108 m3，價值為2.84億元；土層蓄水量308.22×108 m3，價值為593.33億元。表12011年四川省耕地水源涵養總量及價值

耕地類別2011年耕地面積

（萬hm2）農作物截留降水量土層蓄水量合計總量（×108 m3）價值（億元）總量（×108 m3）價值（億元）總量（×108 m3）價值（億元）水田206.930.841.62158.92305.92159.76307.54旱地191.410.641.22149.30287.41149.94288.63合計398.341.482.84308.22593.33309.70596.17

由表1還可以看出，四川省耕地分為水田、旱地，其面積分別占總耕地面積的51.95%、48.05%，水田、旱地涵養水源總量分別為159.76×108、149.94×108 m3；價值分別為30754億、288.63億元，分別占總價值的51.59%、48.41%。水田涵養水源價值大于旱地涵養水源的價值（表1、圖1）。2種耕地生態系統均以土層涵養水源價值為主，農作物截留降水量價值相對土層蓄水價值較小，但也不能忽視農作物截留降水總價值。

隨著城市化進程加快，城市建設占用大量耕地以及人類不合理利用耕地導致四川省耕地面積逐漸減少。截至2011年年底，四川省年末實有耕地面積398.34萬hm2，年內減少了27 300 hm2（其中，水田減少26 500 hm2，旱地減少800 hm2），導致耕地涵養水源總量減少了2.11×108 m3，總價值減少了4.06億元。從圖1 還可以看出，在氣候、地形等因素的影響下，四川省的攀枝花市、綿陽市、廣元市、遂寧市、南充市、雅安市、資陽市和3大自治州耕地涵養水源價值以旱地為主，均達到50%以上，其中3大自治州旱地涵養水源能力更為突出，占其耕地涵養水源價值的80%以上；其他市（州）則以水田涵養水源能力為主。

3.2四川省耕地生態系統涵養水源功能空間特征分析

根據表2計算結果，在Arcgis10.1軟件中建立空間數據庫，并用自然斷點分級法對耕地涵養水源價值進行分級，得到四川省耕地涵養水源價值空間分布情況（圖2），將單位面積涵養水源價值與行政區劃圖疊加得到耕地單位面積涵養水源價值分布情況（圖3）。

在耕地涵養水源價值中，涼山州涵養水源價值最高，為52.97億元，占四川省耕地涵養水源總價值的8.89%；其次為成都市，價值為48.56億元，占8.15%；攀枝花市涵養水源價值最低，為6.10億元，占1.02%；雅安市涵養水源價值比攀枝花市多2.26億元，名列倒數第2（表2）。耕地生態系統涵養水源能力受多方面因素影響，不同研究單元耕地涵養水源能力差異主要體現在耕地面積、降水量等方面。涼山州耕地涵養水源價值最大，究其原因是其耕地面積最大，且降水豐富；成都市價值僅次于涼山州是因為成都市地處成都平原，耕地面積廣，尤其是水田面積占比大；攀枝花市價值最低有2個方面原因，即耕地面積有限、年降水量相對較少；雅安市雖然降水量豐富，但退耕還林導致耕地面積大為減少，所以耕地涵養水源價值也不高。

從單位面積涵養水源價值看，四川省耕地涵養水源生態服務功能單位面積價值為14 966元/hm2，受耕地面積數量的影響，單位面積價值高于15 030元/hm2的有阿壩州、甘孜州；單位面積價值低于14 931元/hm2有成都市、瀘州市、廣安市、眉山市；其他介于14 931～15 030元/hm2（圖3）。

從整體上看，四川省耕地涵養水源功能價值空間分布特征為：平原、盆地>川西南山地>川西北高原。在盆地內部尤其是成都平原因地勢平坦且耕地面積廣闊，利于耕地涵養水源，耕地涵養水源總價值相對較高；而川西南山地和川西北高原地區受地形、氣候等因素影響，耕地涵養水源能力不如盆地底部及邊緣地區。endprint

4結論與討論

4.1結論

從耕地生態系統作為人類干預最為深刻的自然-人工復合生態系統角度出發，綜合考慮不同農作物、不同耕地類型、耕地復種指數、天氣狀況、人類經濟活動等因素，使修正后的指標更符合耕地涵養水源價值指標體系，最大限度反映耕地特有屬性，具有一定的可行性和科學性。

總體來看，2011年四川省耕地涵養水源總量為30970×108 m3，總價值為596.17億元，占當年農業總產值 2 454.26 億元的24.29%，可見耕地生態系統涵養水源價值巨大，而當年由于耕地面積減少導致的耕地涵養水源價值損失為2.59億元，損失也相對較大。

從耕地類型來看，四川省水田涵養水源價值為30754億元，旱地涵養水源價值為288.63億元，分別占耕地涵養水源總價值的51.59%、48.41%，說明水田和旱地涵養水源能力相當。另外，土層蓄水量價值為593.33億元，占涵養水源總價值的99.52%，其涵養水源能力遠高于農作物枝葉涵養水源能力。

從空間上來看，四川省耕地涵養水源價值空間分布特征表2四川省耕地水源涵養價值（V）

地區面積

表現為川東部盆地、平原地區高于川西南山地和川西北高原，涼山州、成都市、達州市、南充市屬于總價值最高的區域，而甘孜州、阿壩州、雅安市、攀枝花市屬于總價值最低的區域，說明耕地涵養水源價值深受耕地面積、地形、氣候等因素的影響。

4.2討論

耕地生態系統受較多外來不確定因素的影響，目前尚未形成公認統一的測算耕地涵養水源模型。本研究在參考前人有關涵養水源測算模型的基礎上，對測算模型的相關參數進行改進，即以最大截留降水量為臨界點分段計算截留降水量，替代平均降水量測算截留降水量；以土壤的飽和含水量為臨界點分段計算土壤蓄水量，彌補了已有研究中不考慮降水強度因素的不足；用經過生態價值發展階段系數修正后的每個研究單元平均蓄水庫容成本的加權平均值，替代單位蓄水量庫容成本，形成新的耕地涵養水源測評模型，更能準確反映四川省耕地生態系統涵養水源價值及空間分布特征，為以后相關研究提供了一種新思路。值得說明的是，耕地實際水源涵養價值如同價值規律一般圍繞理論水源涵養價值上下波動，在后續的研究中應圍繞理論值與實際值的差距或者實際值圍繞理論值波動的規律及其深層原因進行討論，將評價單元放在具體的環境中研究，考慮功能的區域差異，引入耕地水循環模型，同時考慮各分量間以及耕地生態系統與人類活動的相互關系，才能更準確地度量耕地生態系統涵養水源的價值，這是今后進一步研究的方向。

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