土地整治生態潛力研究

楊金澤 耿其明 陳青鋒 陳召亞 陳亞恒

摘要：生態系統作為地球生命的支撐系統，是人類賴以生存和發展的物質基礎。隨著人類社會對可持續發展理念理解的不斷深入，生態系統的保護及其服務價值的量化已經變得越來越重要。近年來，各國學者對全球尺度、國家尺度、區域尺度及單個生態系統類型的生態系統服務價值進行測算，對縣域尺度及土地整治前后生態系統服務價值變動的研究較少。基于國內外研究成果，以Constanza生態系統服務價值評估模型為基礎，通過當量因子修訂、功能性修正與經濟性調整等過程，結合耕地整治前后土地利用變化及不同利用方式下生態系統服務價值的差值，對河北省懷來縣耕地整治生態系統服務價值變化進行測算。結果表明，懷來縣2014—2015年耕地整治提升區面積為13 750 hm2，新增耕地面積為4 592 hm2，耕地整治生態潛力值為2 376.21萬元，其中原有耕地生態服務價值提升 356.47萬元，新增耕地生態服務價值為2 019.73萬元。該研究探索適用于縣域尺度的生態系統服務價值測算方法，并結合土地整治項目對懷來縣土地整治生態潛力進行測算，通過該研究為縣域尺度下生態系統服務價值測算、土地整治生態系統服務變化、土地整治生態潛力測算、生態文明安全保護等相關研究提供理論參考與技術支持。

關鍵詞：耕地整治;生態潛力;懷來縣;生態系統;服務價值;當量因子

中圖分類號： F323.211 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0270-07

收稿日期：2017-09-08

基金項目：河北省社會科學基金（編號：HB16YJ060）;河北農業大學社會科學基金（編號：SK201616）。

作者簡介：楊金澤（1994—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事土地資源持續利用研究。

通信作者：陳亞恒，博士，教授，主要從事土地整理、土地評價、土地規劃等方面的研究與教學工作。

生態系統作為地球上一切生命體的支持系統和生存載體，其健康狀況直接決定了人類與自然環境相處的和諧程度[1]。長期以來，由于現有社會經濟系統對生態系統資產與其提供的服務價值沒有進行充分的評價，導致生態系統服務被大眾認為是一種取之不盡、用之不竭的免費公共資源與服務，對生態系統服務的過度消費現象頻頻發生[2]。我國是人均生態資源稀缺的國家，為解決對生態系統服務的浪費現象[3]，緩解生態系統服務稀缺，以生態系統服務價值量化評估為基礎，進行生態系統資產化管理、生態服務使用償還等政策的制定成為保護生態系統、構建可持續發展社會的迫切需求[4]。

近年來，關于生態系統服務價值量化評估的研究不斷取得進展，自1997年Costanza將全球生態系統服務功能劃分為17種類型并將成果發表在《Nature》雜志上之后，各國學者在此基礎上分別發表了不同的成果。謝高地等在Costanza的成果基礎上，根據國內的實際情況，以實物量計算方法為主，結合遙感數據和專家經驗分別于2008、2010、2015年修訂并分析了我國二級生態系統服務基準價值。在這些研究基礎上，曾杰等基于遙感影像、王剛等基于土地利用/覆被變化、杜加強等基于水源涵養功能、孫榮等基于固碳功能都分別從不同方面對生態系統服務進行價值量化。在這些學者的努力下，區域生態系統服務的理論和評估方法得到了大眾與政府的重視與應用，在世界、國家、區域、流域等不同尺度與河流、草地、森林等不同類型的土地上陸續開展了生態服務價值的評價與測算[5-7]。但關于縣域尺度生態系統服務價值測算、土地整治工程生態系統服務價值變化測算、土地整治生態潛力等的研究尚處于初級階段，在研究數量和研究成果上與其他方面相比存在不小的差距[8]。

本研究以河北省懷來縣土地整治項目為研究對象，基于Costanza與謝高地的研究成果對其進行功能性調整和邊際性調整，構建適用于縣域的生態價值測算模型，從生態系統服務價值的折算方面對土地整治造成的生態系統服務價值變化進行定量分析[9-11]，以此為基礎得到土地整治生態可提升潛力，為縣域尺度的生態系統服務價值測算及土地整治生態價值提升、土地整治生態潛力測算等相關工作提供理論依據以及技術指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

懷來縣位于河北省西北部，隸屬張家口市，地處冀西北山地，燕山山脈的西南端，115°16′～115°58′E、30°3′～30°35′N，東部及東南部接壤北京市的昌平區、延慶縣、門頭溝區，西北部和張家口市的宣化縣、下花園區毗鄰，北部和張家口市的赤城縣相連，西南與張家口市涿鹿縣交界，為內蒙古高原與華北平原的過渡地帶，具有明顯的生態環境過渡性。懷來縣域面積為1 782 hm2，19%縣域面積為丘陵地區，19%縣域面積為山區面積，2013—2015年耕地整治項目區為13 750 hm2，新增耕地為3 592 hm2。

懷來縣內南部和北部多是山區，中部盆地，研究區涉及范圍以丘陵山區為主，生態環境面臨巨大的挑戰。近年來，懷來縣大力開展土地整治，土地整治的實施使區域耕地質量/面積發生明顯變化。因此，選取懷來縣作為研究區，分析和測算耕地質量/面積變化及帶來的生態價值的變化，以此推算出土地整治生態潛力。

進行生態價值測算的數據包括整治前后的平均糧食單價、單位產量等，均可以從《懷來縣統計年鑒》《懷來縣國民經濟和社會發展統計》和《全國農產品成本收益資料匯編》得到。

1.2 研究方法

對懷來縣土地整治生態潛力測算主要分為3個步驟：（1）在參照全國生態系統服務價值當量的基礎上，根據懷來縣當地的實際情況進行功能性調整與邊際性調整，得到懷來縣土地生態系統服務價值當量表，并結合懷來縣耕地面積得到整治前耕地生態系統服務價值量。（2）通過整治前耕地面積與整治后生態系統服務基準價值的乘積得到原有耕地整治后生態系統服務價值量，新增耕地與整治前生態系統服務基礎價值乘積得到新增耕地面積生態系統服務價值量，兩者之和為整治后懷來縣耕地生態系統服務價值總量[12-15]。（3）懷來縣耕地整治前后生態系統服務價值總量差值為懷來縣耕地整治生態潛力。

1.2.1 生態系統服務價值測算模型

生態系統服務價值當量因子指各地類所對應的生態系統的生態服務功能體現出價值相對貢獻大小的潛在的能力，具體是指將1個單位面積內（1 hm2）農田糧食平均產量的經濟價值賦值為1，其他各地類的生態服務價值當量因子由此進行修正。單位面積生態系統服務價值當量因子的經濟價值由下式進行計算。

E=（1/7）·PQ。（1）

式中：E為1 hm2生態系統服務價值當量因子的經濟價值，元/hm2;P為懷來縣當年糧食平均價格，元/kg;Q為懷來縣糧食單產，kg/hm2。

根據式（1），建立研究區單位面積生態系統服務價值當量表，基于Costanza生態系統服務價值測算方法，構建研究區生態系統服務價值評估模型[16]，具體模型如下式：

V=A·C·S·B。（2）

其中：

C=E·d;（3）

S=NPPNPPmean;（4）

B=r·p。（5）

式中：V為生態系統服務價值;A為懷來縣耕地面積，hm2;C為單位面積耕地生態系統服務價值系數;S為生態系統服務功能調整系數;B為生態系統服務邊際性調整指數;d為單位面積生態系統服務價值調整后的當量值;NPP為懷來縣耕地凈初級第一生產力;NPPmean為全國范圍內耕地凈初級第一生產力的平均值;r為研究區居民對生態系統服務價值的支付能力指數;p為研究區居民生態系統服務價值的支付意愿指數。

1.2.1.1 功能性調整指數計算

生物生產力是描述生態系統中生態功能的最基礎的指標。采用材積量生物量法對生物量進行計算，采用植物光合作用方程式及NPP計算公式對第一性生產力進行測算得到生物生產力[17]。植物光合作用方程式如下：

CO2+H2O→C6H12O6+O2。（6）

1.2.1.2 邊際性調整指數計算

通過對現有生態系統服務價值評估體系構建方法尤其是Costanza和謝高地等測算方法的研究發現，大多數生態系統服務價值的形成是構建在民眾的支付意愿這一基礎之上的。對于相同的生態系統服務功能，因區域自然條件及地區之間經濟發展水平、居民的收入狀況、價值認識和消費偏好甚至政策制度的差異，民眾對生態系統服務的支付能力以及支付意愿也有很大差別[18]。

1.2.2 土地整治生態潛力測算

整治后的生態系統服務價值增加值主要來自于耕地質量提升和耕地數量提升等2個方面[19-20]，耕地質量提升主要來自于原有耕地在經過整治后耕地生態系統服務價值的增加，耕地數量提升主要來自于對未利用地開發利用、荒地復墾等方式對耕地數量進行補充[17]。考慮到新增耕地由于之前大多屬于開發程度低、土壤條件差的土地，在新開發的一段時間內狀態并不穩定，因此新增耕地的生態系統服務價值測算采用新增耕地面積與整治前的單位面積生態系統服務價值量的乘積來計算[18]。綜上所述整治后的懷來縣土地生態系統服務總價值公式如下：

ESVip=EipA+Ei a。（7）

式中：ESVip為懷來縣耕地整治后的生態系統服務價值總量，Eip為懷來縣整治后的生態系統服務價值基準價值，元;A為懷來縣原有耕地面積，hm2;Ei為懷來縣整治前的生態系統服務價值基準價值，元;a為懷來縣的新增耕地面積，hm2。

整治前后生態系統服務總價值差即為懷來縣生態系統服務價值潛力，公式如下：

ESV潛=ESVip-Ei A。（8）

式中：ESV潛為懷來縣的總生態系統服務價值潛力，元。

2 結果與分析

2.1 懷來縣土地整治生態潛力計算

通過查詢與計算，得出懷來縣進行土地整治前2013年單位面積農田平均糧食產量經濟價值713.32元/hm2，進行土地整治后2015年單位面積農田平均糧食產量經濟價值 731.18元/hm2。

在參考謝高地等的生態系統單位面積服務價值系數法[16]的前提下，根據懷來縣的單位面積農田平均糧食產量與全國單位面積農田平均糧食產量進行第1次修正，最終得到懷來縣單位面積耕地生態系統生態服務價值當量表（表1）。

通過數據整理與計算，得到懷來縣耕地凈初級第一生產力，結合式（3），計算出生態系統服務功能的調整指數：懷來縣耕地生態系統服務功能調整指數為1.186，由于受歷年林種統計數據限制，對功能調整指數2013—2015年保持不變[20]。最終得到功能調整后懷來縣單位面積生態系統服務價值當量表，如表2所示。

以小康與富裕階段的過渡點作為支付意愿聚集上升的拐點，選取恩格爾系數0.3作為支付意愿曲線的拐點，并借用Logisti_curve模型來刻畫，所確定的2013、2015年的支付意愿指數分別為1.111、1.108。

通過支付能力系數的調節服務價值當量表，能夠有效解釋因支付意愿存在能力不足所造成生態系統服務價值支付的困境，利用2013—2015年的懷來縣人均GDP與對應的國家人均GDP的比值對支付能力進行模擬，從而確定生態服務價值支付能力調整系數。2013、2015年的支付能力調整指數分別為0.683、0.663。根據式（5）得出，2013年整治前、2015年整治后的邊際性調整指數分別為0.759、0.768。

通過計算，確定土地整治前后即2013、2015年懷來縣單位面積的耕地生態系統服務價值系數（表3），通過式（2）計算耕地生態系統服務總價值，可以確定整治前后的耕地生態服務經濟價值（表4）。

通過對懷來縣土地整治規劃文件及驗收報告等資料、數據的收集與匯總，得到懷來縣土地整治總共涉及土地面積為18 320 hm2，包含對原有耕地進行土壤改良、土地平整、水土流失防治工程等土地面積13 728 hm2，以及在適合開發利用的地塊進行重新開發作為耕地使用的土地面積 4 592 hm2。原有耕地單位面積生態潛力值為262.37元/hm2，新增耕地單位面積生態潛力值為4 336.36元/hm2。經計算，懷來縣土地整治生態潛力值為2 351.44萬元，原有耕地生態潛力值為360.18萬元，占總生態潛力值的15.32%，新增耕地生態潛力值為1 991.25萬元，占總生態潛力之的84.68%。因本研究默認新增耕地由裸土地開發而來，在參照謝高地等的研究成果[16]后發現裸土地的生態系統服務價值幾乎不計，故新增耕地在本研究中生態潛力較高，可能與實際情況有所偏差，如有新的研究成果給予更有說服力的裸土地生態系統服務價值，在參照本研究方法的基礎上可以予以修改。

2.2 不同整治項目生態潛力

懷來縣土地整治包含農村建設用地整治、農用地整治、土地復墾、宜耕后備地開發、土地綜合整治等5個具體的整治項目。由于懷來縣地處丘陵地區，與平原地區交界處，導致當地地形起伏較大，各地土地條件存在很大的差異性，這5種土地整治項目按照各地不同的土地條件及各地的整治需求，較為零散地分布在各個鄉鎮。通過對懷來縣土地整治規劃Arcgis文件中各土地整治項目整治面積及新增耕地面積的提取，在參考《2016年懷來縣土地整治驗收報告》下，計算出各土地整治項目具體的原有耕地提升面積及新增耕地面積，再根據式（7）、式（8），計算各土地整治項目原有耕地生態潛力值與新增耕地生態潛力值，各項土地整治項目的此兩值之和即為懷來縣土地整治生態潛力。

由表5可知，土地綜合整治在原有耕地提升面積和新增耕地面積2個方面均占較大比重，因此生態潛力值在所有土地整治項目中為最高值，經計算得出結果為1 120.45萬元，占懷來縣土地整治生態潛力值的47.65%;其次是宜耕后備地開發項目和農用地整治項目，分別為647.79萬、446.37萬元，占總生態潛力值的27.55%、18.98%;因農村建設用地整治項目和土地復墾項目中可開發利用的相關土地資源緊缺，涉及土地面積較少，因此這兩者只占總生態潛力的一少部分，分別為1.5%、4.32%。

2.3 懷來縣土地整治生態潛力與水域分布分析

考慮到灌溉保證率在土地開發限制因素中權重較大，尤其是在本研究所選取的山區地區，機井等傳統提升灌溉保證率的方式具有實施難度大、施工經費高等缺點，因此在山區地區土地整治中水域分布對整治區的選取具有重大意義。

通過對懷來縣土地整治生態潛力與水域分布進行分析，在Arcgis中將懷來縣土地整治項目與水域分布融合，得到懷來縣耕地整治區域（圖3）。將水域分布作緩沖處理，緩沖間隔100 m為1個單位，共設置10個間隔，完成后再與懷來縣耕地整治項目作融合得到圖3，相交的部分取最近水源距離，將各整治區與最近水源距離導入Excel表中，通過數據的整理，得到整治區與水域距離關系（表6）。由表6可知，在距水域1 km以內的34個項目區中，距離水域100 m以內的項目區最多，共有20個，占34個項目區的58.82%，占總項目105個的19.05%，原有耕地提升面積3 883 hm2，原有耕地生態潛力值101.88萬元，新增耕地面積1 390 hm2，新增耕地生態潛力值602.75萬元，共704.63萬元，占懷來縣耕地整治生態潛力總值的29.97%。距水域101～1 000 m的項目區數量較少，共有13個，占總項目區數量的12%，原有耕地提升面積531 hm2，原有耕地生態潛力值13.93萬元，新增耕地面積 288 hm2，新增耕地生態潛力值124.89萬元，共138.82萬元，占懷來縣耕地整治生態潛力總值的5.90%。距水域1 km以上的項目區共71個，占總項目區數量的68%，原有耕地提升面積 9 314 hm2，原有耕地生態潛力值244.37萬元，新增耕地面積2 914 hm2，新增耕地生態潛力值1 263.61萬元，共 1 507.99萬元，占懷來縣耕地整治生態潛力總值的64.13%。

3 結論與討論

本研究在參考Constanza等的研究成果及在應用了功能性調整和邊際性調整的前提下，以2013—2015年懷來縣土地整治調查數據為基礎數據，構建適用于縣域的生態系統服務價值修正方法，并創建土地整治生態潛力測算模型，對懷來縣土地整治生態潛力進行科學計算，從而為縣域尺度生態系統服務價值測算和縣域尺度土地整治生態潛力測算作出貢獻，其結果可為耕地整治、生態保護、生態補償等進行指導提供參考。結果表明，懷來縣具有很高的土地整治生態潛力，總量達到23 758 930萬元。在15個鄉鎮中，潛力值較高的鄉鎮為土木鎮、狼山鄉、孫莊子鄉、小南辛堡鎮，潛力值較低的土地利用區為西八里鎮、沙城鎮、雞鳴驛鄉、大黃莊鎮;除此之外，土地整治生態潛力還與整治項目不同、整治區與水域距離等存在關系。

本研究成果可服務于合理分配基本農田保護指標、生態補償和生態系統服務價值的測算、土地整治規劃的制定等政策的制定和實施提供積極的借鑒意義，并能為區域土地整治尤其是山地丘陵地區的土地整治生態系統服務價值變化提供科學的測算方法。

本研究對土地整治的生態潛力測算方法進行探索，并針對縣域尺度的特點，在現有研究基礎上作出修正，須要注意的是土地整治生態潛力具有豐富的內涵，采用生態系統服務價值的變化值表示耕地整治生態潛力，除本研究提到的生態系統服務價值之外，還有環境提升、景觀改善、生態風險等多方面的內容，內涵更為豐富、表征更為全面的耕地整治生態潛力測算將是未來研究的重點。除此之外，本研究中耕地整治之后新增耕地部分在增加耕地的生態系統服務價值的同時，轉變為耕地的田坎、荒草地、裸地等在轉變為耕地之前同樣存在一定的生態系統服務價值，在本研究中僅僅計算了這類地塊轉變為耕地之后增加的生態系統服務價值，卻忽略了它們作為原地類時本身持有的生態系統服務價值的損失值，在未來的研究中，關于土地整治前后整個項目區多種地類之間的生態系統服務動態變化及耕地占補平衡的生態系統服務價值動態變化應該成為人們關注的焦點。

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