艾比湖流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化及其影響因子的回歸分析
----以精河縣為例

王曉艷，塔西甫拉提·特依拜，張 飛

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046； 2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)的各種過程以直接或間接的方式得到的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指依靠生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用[2]。目前，在國外，有許多學者運用不同的方法對不同生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行了研究。Mendon[3]等人利用種群生存分析模型探討了個別物種的貨幣價值，Loomis J[4]等人運用條件價值評價法，估算了受損河流的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。此外還有眾多國外學者如 Holmund C，Turner，Lal，Sala，Konarska 等人[5-9]，也從不同方面評估了生態(tài)系統(tǒng)的服務價值。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究始于20世紀90年代，開展的相對較晚但近些年發(fā)展比較迅速。歐陽志云[10,11]初步評估了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的6種服務功能。謝高地[12]等參考Costanza[1]的研究成果，通過對我國200位生態(tài)學家進行問卷調(diào)查，并結(jié)合中國的實際情況，最終建立中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值表。徐中民等[13]采用條件價值法，對黑河流域額濟納旗綠洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)作了大量的實地調(diào)查評估工作，得到了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的恢復價值。國內(nèi)學者對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究，很多是對單一類型的生態(tài)系統(tǒng)進行的價值評價和估算。目前已有的研究涉及森林[14-17]、草原[18-22]、濕地[23-25]和水域[26,27]等各種生態(tài)系統(tǒng)方面。總體來看，主要特點是從特定的某種生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)，或者是從某少數(shù)幾項或單項生態(tài)服務功能轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N服務功能[28]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是一個在人類參與控制和管理之下并且滿足人類各種生產(chǎn)生活需要的生態(tài)系統(tǒng)[4]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不僅為人們的生活提供了重要保障，而且其各種服務功能的運轉(zhuǎn)對促進地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展起到重要作用。正確評價和量化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的服務功能和價值，可以為更科學更高效地管理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域生態(tài)安全，促進干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。目前，有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究已取得不少成果，主要的研究進展包括對農(nóng)產(chǎn)品供給、碳匯、保持水土等功能的評價以及對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務及其價值化的綜合研究[29]，并且已經(jīng)有較為統(tǒng)一的評價指標和研究方法[30-32]。艾比湖流域精河縣位于西北內(nèi)陸干旱區(qū)，鹽漬化和沙漠化現(xiàn)象非常嚴重，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。以往，許多學者大量研究了精河縣的具體土地利用[33-35]和生態(tài)環(huán)境[36]問題，而對精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值變化趨勢，以及對其主要影響因子的定量分析研究并不多見。鑒于此，本文以艾比湖流域精河縣為例，采用前人提出的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)價值的評估算法和多元回歸模型，對精河縣2002-2012年間農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行定量計算，并分析影響其價值變化的影響因子，得出精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各種服務功能價值的變化趨勢及規(guī)律，為該區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)科學有效地管理和區(qū)域社會經(jīng)濟的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

精河縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準噶爾盆地西南邊緣，天山支脈婆羅科北麓，距烏魯木齊市約423 km。東鄰烏蘇市，南接伊寧縣和尼勒克縣，西與博樂市毗鄰，北與托里縣接壤。地理坐標為東經(jīng)81°46′～83°51′，北緯44°00′～45°10′，總面積11 275 km2。行政隸屬于博爾塔拉蒙古自治州(博州)，約占博州總面積的37%。地形南高北低，自南向北呈扇狀坡面，南部為山區(qū)，屬婆羅科努山及其支脈；中部為平原區(qū)，地形相對平坦開闊，有中部山前沖積-洪積傾斜平原，北部沖積-洪積平原，這些地區(qū)大多為鹽堿沼澤地帶，大部分地下水位偏高，其中艾比湖位于扇形下緣最北；縣內(nèi)有四條較大的河流即精河、托托河、大河沿子河和阿恰勒河，還有艾比湖等水系。精河縣氣候是典型的大陸性氣候，總體特征表現(xiàn)為光照資源充沛，春季風多風大、沙塵暴等天氣比較頻繁，冬夏冷熱懸殊，降水稀少而蒸發(fā)量很大導致氣候比較干燥，并且晝夜溫差大；日照時間長，年日照多達2 700 h，無霜期170 d；精河縣1月和7月的平均氣溫分別為-15和26 ℃，極端最低溫和極端最高溫分別為-34和42 ℃；年平均降水量102 mm。平原地區(qū)年平均氣溫7.2 ℃，最高9. 1 ℃，最低5.3 ℃。精河縣下轄2個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)，共有耕地約4.87萬hm2，農(nóng)作物以小麥、玉米、棉花、枸杞等為主，2010年末，精河縣總?cè)丝跒?4.3萬人(含兵團)。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究所用的數(shù)據(jù)來自2002-2012年《精河統(tǒng)計年鑒》和《新疆統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計資料，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要涉及精河縣社會經(jīng)濟和人們生活發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、水資源利用等方面。

2 研究方法

(1)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值評估方法。Costanza等[1]提出了全球生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值估算方法的模型，岳東霞等[31]對其模型進行了簡化：

V1=CA

(1)

式中：V1為研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務總價值；C為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值；A為研究區(qū)內(nèi)耕地的面積。

(2)食物生產(chǎn)服務價值的計算。單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)的服務價值估算方法表達式如下[31]：

(2)

式中：C0為單位面積內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)服務功能產(chǎn)生的經(jīng)濟價值，元/hm2；i表示農(nóng)作物種類；mi表示i種農(nóng)作物的面積，hm2；pi表示i類農(nóng)作物的全國平均價格，元/t；qi表示i種農(nóng)作物單產(chǎn)，t/hm2；T為作物總面積，hm2。

精河縣主要糧食作物為小麥和玉米，經(jīng)濟作物為棉花和枸杞。

(3)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)其他服務價值的計算。計算出單位面積內(nèi)食物生產(chǎn)服務產(chǎn)生的經(jīng)濟價值后，就可以根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子計算出精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)其他服務的單位面積經(jīng)濟價值。Costanza等[1]在1997年提出了全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估模式，謝高地等[12]通過對該方法的改進，制定了“中國生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值當量因子表”。該表表示若將1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年糧食產(chǎn)量所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值設(shè)定為1，則生態(tài)系統(tǒng)其他生態(tài)服務價值的當量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生該類生態(tài)服務的相對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)服務的貢獻大小。相對于大尺度區(qū)域而言，精河縣地區(qū)小，而且該地區(qū)棉花、枸杞等經(jīng)濟作物的種植面積大、產(chǎn)量高，其產(chǎn)生的經(jīng)濟價值大于小麥和玉米等糧食作物的經(jīng)濟價值。岳東霞[31]等認為可將經(jīng)濟作物歸類為原材料生產(chǎn)，并對原材料服務價值的當量因子進行修正。通過計算得知近11年精河縣年均經(jīng)濟作物的經(jīng)濟價值與糧食作物的經(jīng)濟價值比值為2.29，并將該值作為精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)原材料服務價值的當量因子。其他當量因子依舊采用謝高地[12]等提出的當量因子，并合并得到精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表(見表1)。

表1 精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的當量因子[12]Tab.1 The equivalence factors of farm land ecosystem in Jinghe County

(4)環(huán)境污染服務價值的計算。在農(nóng)田中使用化肥、農(nóng)藥和除草劑等在一定程度上會提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，但是頻繁使用會使農(nóng)田遭受環(huán)境污染而使其經(jīng)濟價值損失，這部分損失的價值為環(huán)境污染服務價值。因數(shù)據(jù)收集有限，本研究以化肥的使用來估算[32]：

V2=o(r-1)s

(3)

式中：V2為使用化肥造成的污染價值；o為化肥的使用量；r為化肥的利用率；s為化肥價格。

當前我國的化肥平均利用率為34. 17%[37]。

(5)水資源消耗服務價值的計算。灌溉是農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，積極有效地灌溉能夠在很大程度上提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，但過度地消耗水資源也會產(chǎn)生很多環(huán)境問題。農(nóng)田消耗的水資源價值可用水庫蓄水成本法來計算，表達式為[32]：

V3=-(WRCω)

(4)

式中：V3為水資源消耗的服務價值；W為農(nóng)業(yè)灌溉用水量；R為農(nóng)業(yè)耗水率；Cω為水庫蓄水成本，取1.17元/m3。

農(nóng)業(yè)耗水率的均值為35%[31]。

(6)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的計算。將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的正面生態(tài)服務價值和負面生態(tài)服務價值相加，就可以得到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的總服務價值。農(nóng)田基本服務價值V1屬于正面生態(tài)服務價值，環(huán)境污染服務價值V2和水資源消耗價值V3屬于負面生態(tài)服務價值。則農(nóng)田總的生態(tài)服務經(jīng)濟價值表達式如下：

V總=V1+V2+V3

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值變化

由表2可以看出，精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務總價值2002年為26 081.01元/hm2， 2012年為77 230.93元/hm2，年均增加4 649.99元/hm2。其中，單位面積農(nóng)田所提供的食物生產(chǎn)服務價值由2002年的2 869.20元/hm2增加為2012年的8 496.25元/hm2；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)其他服務單位面積產(chǎn)生的經(jīng)濟價值也越來越高，說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在其他服務功能方面的貢獻越來越大。總體來看，2002-2012年，精河縣各類農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務的單位面積的服務價值大致均呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。

表2 2002-2012年精河縣各類農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的單位面積服務價值 元/hm2Tab.2 Ecosystem services value per unit area of Jinghe farm land ecosystem for 2002-2012

3.2 精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務總價值變化

由表3和圖1可以看出，精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務總價值也表現(xiàn)出逐年增長趨勢，由2002年的5.12億元，增加到2012年的34.98億元，并表現(xiàn)出明顯的階段性，第一階段為2002-2007年，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務總價值由5.12億元，增加到6.44億元，年均增加0.22億元；第二階段為2007-2009年，其總價值由6.44億元，增加到14.68億元，年均增加2.75億元；第三階段為2009-2012年，其總價值由14.68億元，增加到34.98億元，年均增加5.08億元。其中，精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值增長相應也分為3個階段，第一階段年均增長0.36億元，第二階段年均增長2.87億元，第三階段年均增長5.20億元。精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值在2007年后迅速增長進而導致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務總價值快速增長，這主要與2007年后棉花種植面積大幅擴增有關(guān)，而且2007年后枸杞市場價格逐年大幅上漲也有很大影響。從表3中還可以看出，使用化肥使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受到環(huán)境污染而損失的價值也越來越大，2002年為0.05億元，2012年為0.48億元，年均增加0.04億元。隨著農(nóng)田種植面積的擴大，農(nóng)業(yè)用水量也不斷地增大，使得水資源損耗的價值也在增長，從2002到2012年，平均每年增加0.11億元。

表3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值匯總 億元Tab.3 Farm land ecosystem service value summary in Jinghe county

圖1 精河縣2002-2012年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化Fig.1 Farm land ecosystem service value changes from 2002 to 2012 in Jinghe county

3.3 精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響因子多元回歸分析

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化受自然因素和人為因素的共同影響，由于在短期內(nèi)自然因素是相對不變的，而人類活動的影響較大。基于綜合性和可獲得性的原則，根據(jù)精河縣的實際情況，本文總結(jié)出如下10個指標，采用回歸分析方法，定量分析研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化規(guī)律。各指標如下。

(1)社會經(jīng)濟發(fā)展及農(nóng)業(yè)投入：包括農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值X1、第一產(chǎn)業(yè)投資X2、農(nóng)村勞動力X3。

(2)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化：包括農(nóng)業(yè)機械總動力X4、化肥使用量X5、農(nóng)業(yè)用電量X6、機電井數(shù)量X7。

(3)水資源利用：包括農(nóng)業(yè)用水量X8、有效灌溉面積X9、地表水平均徑流量X10。

在SPSS軟件中，利用多元逐步回歸模型，通過對選出的上述10個指標和精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的總價值進行多元逐步回歸分析，可以得到符合精度的模型如下所示：

Y=-5.342+5.485X2+0.629X4+15.795X6+

0.097X9-0.734X10

(6)

式中：Y為精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

回歸分析結(jié)果如表4所示，可以看出，第一產(chǎn)業(yè)投資X2、農(nóng)業(yè)機械總動力X4、農(nóng)業(yè)用電量X6、有效灌溉面積X9和地表水平均徑流量X105個人為因素對精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響比較顯著。本文采用非標準線性回歸方程表示精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化模型，即公式(6)。該模型中，所有指標變量所對應的偏回歸系數(shù)檢驗統(tǒng)計量t的顯著性概率值均小于0.05，表明在置信水平α=0.05條件下，所有解釋變量與0有顯著性差異。

表4 回歸系數(shù)與顯著性檢驗Tab.4 Coefficients and significant testing

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，精河縣地區(qū)生產(chǎn)總值越來越高，對農(nóng)業(yè)的投入也不斷地增加，從2002到2012年，精河縣第一產(chǎn)業(yè)投資X2年均增長802.45萬元，在 2010年投資高達17 161萬元。其偏回歸系數(shù)檢驗統(tǒng)計量t2為9.406，達到了極顯著水平，說明第一產(chǎn)業(yè)投資對精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化有很大的影響。第一產(chǎn)業(yè)的大力投資，使得各種農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施能夠順利建立，確保了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

農(nóng)業(yè)機械總動力X4和農(nóng)業(yè)用電量X6的增加，表明了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程不斷加快，即隨著各種大中小型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的使用，提高了農(nóng)田管理水平及科技水平，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了極大的促進作用。大量農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的使用必然會導致農(nóng)業(yè)用電量的增大。從偏回歸系數(shù)檢驗統(tǒng)計量t4= 4.430、t6=13.126可以看出，農(nóng)業(yè)機械總動力和農(nóng)業(yè)用電量的增加對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基本服務價值起到了積極的影響。

精河縣各種農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建立，修筑的引水溝渠，確保了農(nóng)業(yè)灌溉用水的需要。精河縣有效灌溉面積X9從2002年的2.28萬hm2增加到了2012年的4.85萬hm2，其偏回歸系數(shù)檢驗統(tǒng)計量t9為4.034，達到了極顯著水平，說明精河縣有效灌溉面積對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響也是顯著的，促進了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)功能。但是有效灌溉面積的增加也會導致該區(qū)農(nóng)業(yè)耗水的增加，增大了農(nóng)田的水資源消耗價值。

對于干旱區(qū)而言，水資源對農(nóng)業(yè)的發(fā)展尤為重要。水資源的充沛與否直接影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況，進而會影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的經(jīng)濟價值。精河縣境內(nèi)水資源較為豐富，水質(zhì)較好，地表水平均徑流量X10為8.96億m3。其偏回歸系數(shù)檢驗統(tǒng)計量t10為-10.415達到了極顯著水平。

4 結(jié) 語

通過對艾比湖流域精河縣近11年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算，可以得出以下結(jié)論。

(1)精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積基本服務價值逐年增長，單位面積農(nóng)田所提供的總服務價值由2002年的26 081.01 元/hm2，增加到2012年的77 230.93元/hm2， 年均增加4 649.99 元/hm2。其農(nóng)田系統(tǒng)總服務價值由2002年的5.12億元，增加到2012年的34.98億元，增長了6.8倍。

(2)精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總服務價值呈逐年增長趨勢，但表現(xiàn)出明顯的階段性，第一階段2002-2007年，年均增長0.22億元，第二階段2007-2009年年均增長2.75億元，第三階段2009-2012年年均增長5.08億元，在2007年和2009年后增長較快，這主要與2007年后該區(qū)棉花種植面積大幅擴增和枸杞的市場銷售價格大幅上漲有關(guān)。

(3)精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本服務價值的增長也相應表現(xiàn)為3個階段，且三階段年均增長分別為0.36、2.87、5.20億元；使用化肥使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受到環(huán)境污染而損失的價值也越來越大，從2002到2012年，年均增加0.04億元；農(nóng)業(yè)用水量的不斷增大，使得水資源損耗的價值也在增長，從2002到2012年，平均每年增加0.11億元。

(4)從多元逐步回歸分析的結(jié)果可知，精河縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的服務功能的經(jīng)濟價值受精河縣第一產(chǎn)業(yè)投資、農(nóng)業(yè)機械總動力、農(nóng)業(yè)用電量、有效灌溉面積和地表水平均徑流量等多種因素的影響。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有多種多樣的服務功能，本文研究過程中，由于資料收集有限，僅對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要功能進行了定量評價，其他服務價值有待于進一步開展研究和估算。

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