稻田生態系統服務價值評價
——以湖南省為例

薛寶林，張路方，張鐵亮，孫文超，李占杰

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875；3.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191)

0 引 言

水稻是全球最主要的糧食作物之一，為超過世界1/3人口提供糧食來源。中國擁有世界上最大的稻田生態系統。稻田生態系統是以人類為主體，結合非生命物質(如光、熱)、水稻、土壤及病蟲害等所構成的一個相互作用、相互聯系的人工濕地生態系統[1]。在人們傳統的觀念中，稻田的功能主要是提供初級產品的生產功能，通常忽略了該系統的生態服務功能：氣候調節、氣體調節、涵養水源、景觀美學等。

目前，研究人員根據生態系統服務與功能之間的對應關系，將稻田生態系統主要的服務功能分成三種，即為人類生活提供初級產品經濟功能、對人類生命系統的調節的生態功能及豐富人類精神世界的社會功能[2-4]。第一種主要是通過第一性生產與第二性生產為人類提供稻谷與秸稈等直接商品．第二類通常是不被人們所關注的對人類生存環境的保護與調節功能如氣候、氣體的調節、涵養水源、維持生物多樣性。第三類是為人類提供景觀休閑娛樂的服務功能。針對稻田生態系統的服務價值國內外已經展開大量的評價。在國外，YOSIHIRO[5]通過對日本水稻田生態系統服務進行研究發現，在日本稻田生態系統的調節功能約為年均728億美元。TAKAKAZU等[6]通過調查發現，在調查人口中10%以上的人口愿意住進農村地區，這一結果顯示了生態系統文化價值在生態價值中的重要性。在國內的研究中，周錫躍等[7]研究表明2003年浙江省稻田生態系統服務總價值為1 331.9 億元。鄭春利等[8]研究表明元陽梯田稻田生態系統景觀美學的總產值為560 萬元。謝寧寧[9]的研究表明武漢市稻田生態系統提供農產品價值14.992 億元，僅占總服務價值的29%。

本文以湖南省稻田生態系統為研究對象，在已有的研究成果基礎上，選取八項生態服務功能，包括經濟方面(提供稻谷與秸稈、氣體與氣候的調節、水質凈化、土壤保持、維持生物多樣性、涵養水源和景觀美學)價值等，運用直接市場評估法、間接市場評估法以及假想市場評估法等[10,11]一系列方法對湖南省稻田生態系統服務價值進行貨幣化的評價，旨在正確的了解和評估該系統生態價值。同時為政府制定生態可持續發展的相關政策提供理論支持。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況與資料來源

湖南省是我國中部地區重要的省份之一，同時屬于長江中游地區，省內絕大部分區域均位于洞庭湖以南。全省境內土地總面為21.18 萬km2，占我國國土總面積2.2%，在全國23個省中面積中第10位。湖南省年均降水量為1 200～1 700 mm，水資源十分豐富，年均氣溫在15～18 ℃之間，全年日照時長可達1 800 h。湖南省優質的自然條件使其成為我國重要的水稻產區，2016年水稻的播種面積與產量均在我國糧食主產區的首位，且湖南省稻田生態系統是我國南方各省中最大的稻田生態系統，因此對整個南方地區的研究具有很強的代表性。

本研究中所使用的2016年湖南省稻谷年產量、2016年湖南省稻谷種植面積、2016年湖南省秸稈產量等基礎數據均來源于2017年中國統計年鑒[12]、2017年湖南省農村統計年鑒[13]。研究中所使用的2016年市場水價，鄉村用電價格等數據均來自于實地調查獲取。通過以上的數據收集對湖南省稻田生態系統提供初級產品、氣體調節、水質凈化等八項生態服務功能進行評價。

1.2 生態服務類型及價值計算方法

1.2.1 提供初級產品

稻谷和秸稈是兩種被主要提供的初級產品，稻谷是作為人類的主要的糧食來源，而秸稈可以作為造紙和家用燃料的原料以及動物飼料等[14]。由于稻谷與秸稈兩種產品可以以確切的經濟價格在市場進行交換，所以該指標的評估選取市場價值法。見式(1)[15]。

V1=TDPD+TJPJ

(1)

式中：V1表示產出稻谷及秸稈等服務的價值，元；TD為評價區域稻谷的年總產量，t；PD為評價區域水稻的市場價格，元/t；TJ為評價區域產生秸稈的年總產量，t；PJ為評價區域秸稈的市場價格，元/t。

1.2.2 氣體調節

水稻在生長過程中通過光合作用固定了CO2釋放了大量的O2，同時稻田生態系統還能夠吸收大氣中的有害氣體，所以氣體調劑主要包括：固定CO2服務價值、釋放O2服務價值以及吸收有害氣體服務價值[15]。對于固定CO2服務價值的評價，采用瑞典碳稅法與造林成本法計算結果的均值作為最終的評價結果，公式為：

VTS=LγαNcCTS

(2)

VZLC=LγαNcCZL

(3)

V21=(VTS+VZLC)/2

(4)

式中：VTS為碳稅法固定CO2的價值，元/a；VZLC表示造林成本法中固定CO2價值，元/a；L表示水稻總產量，t/a；γ表示水稻經濟系數，本研究取0.5[15]；α為稻田產出1 g稻谷干物質需要固定1.63 g CO2；Nc表示碳占CO2的百分比為27.27%；CTS表示瑞典碳稅率，約等于950 元/t；CZL中國造林成本(260.90 元/t碳)；V21為兩種方法固定CO2價值的平均值，元/a。

對于釋放O2服務價值的評價，利用造林成本法和制氧工業成本法兩方法的計算均值作為釋放O2的計算結果，公式為：

VGYO=QγεCGYC

(5)

VZLO=QγεCZLC

(6)

V22=(VGYO+VZLO)/2

(7)

式中：VGYO、VZLO分別為上述兩種方法釋放O2的價值，元/a；Q為水稻年產量，t/a；ε為稻田每產出1 g稻谷干物質釋放1.19 g O2；CGYO、CZLO是兩方法的成本400 元/t與352.93 元/t O2；V22為兩種方法釋放O2價值的平均值，元/a。

對于吸收有害氣體服務價值的評價，稻田生態系統吸收的有害氣體基本上包括粉塵、SO2、HF和NOx四種，其中粉塵的平均通量與吸收成本分別為33.2 kg/(hm2·a)與170 元/t，SO2的平均通量與吸收成本分別為45 kg/(hm2·a)和0.6 元/kg，HF兩項為0.57 kg/(hm2·a)與0.9 元/kg，NOx為33.3 kg/(hm2·a)與0.6 元/kg[16]，公式為：

V23=(TaKa+TbKb+TcKc+TdKd)C

(8)

式中：V23為稻田生態系統吸有害氣體的價值，元；Ta、Tb、Tc、Td表示稻田生態系統吸收粉塵、SO2、NOx、HF的平均通量 /，kg/(hm2· a)；其中Ta的單位為t/(hm2· a))；Ka、Kb、Kc、Kd分別為稻田生態系統凈化粉塵、SO2、NOx、HF 的成本，元/kg，其中Ka的單位為元/t；C為評價區域稻田面積，hm2。

稻田生態系統氣體調節服務價值為定CO2服務價值、釋放O2服務價值以及吸收有害氣體服務價值的總和，公式為：

V2=V21+V22+V23

(9)

式中：V2為稻田生態系統氣體調節功能的價值，元。

1.2.3 氣候調節

稻田的水分蒸發在大氣的水循環過程中起到重要作用，通過吸收熱量、調節氣溫起到緩解“熱島效應”的作用，稻田生態系統在溫度偏高的夏季具有顯著的降溫效應。根據Kentaro等[17]提出的，水稻生長期間稻田周圍的問題比附近城區的溫度低1.3 ℃，因此可以用稻田降低溫度的效益來作為農村夏季節約空調使用的效益，根據聶佳燕的研究[18]，湖南省夏季需要使用空調時間為30 d左右，日均使用時長為6 h，公式為：

V3=N×30×1.3×6×P

(10)

式中：V3為稻田生態系統的氣候調節的服務價值，元；N為湖南省鄉村家庭戶數；P消耗電能的價格，元/kWh。

1.2.4 涵養水源

稻田的土壤具有較好的保水和透水能力，對涵養水源起到重要作用。對于該指標的價值評估采用稻田土壤中入滲的水量乘以農業用水的價格，公式為：

V4=βKPwD

(11)

式中：V4為評價區域稻田生態系統涵養地下水源價值，元/a；β為評價區域稻田土壤水分入滲率，mm/d；K為評價區域稻田面積，hm2；PW為水價，元/m3；D為水稻水下生長天數，d。

1.2.5 水質凈化

稻田生態系統的水質凈化的能力主要表現為其排灌系統可以對水中的污染物質進行分解。因此，估算稻田生態系統水質凈化的經濟價值，可以通過稻田灌溉用水中污染物流入與流出濃度的差值，去乘以灌溉用水總量，然后再乘以處理污水中污染物的市場價格。所以，可通過代替成本法對該指標進行測算，公式為：

V5=(Ci-Co)ViPc

(12)

式中：V5為稻田生態系統水質凈化的價值，元；Ci表示為用于灌溉的水中污染物的流入濃度，%；Co表示污染物流出濃度，%；Vi為用于稻田灌溉的總水量，m3；Pc為污水處理的市場價格，元/m3。

1.2.6 土壤保持

水稻在生長過程中能夠有效緩解土壤侵蝕，改善土質，增加土壤有機質積累。所以稻田生態系統土壤保持服務價值主要通過對稻田土壤中有機質的輸入與輸出之間的平衡來評價。稻田土壤中有機質的輸入主要包括：根系沉析作用增加的有機肥以及收獲后殘留的植株地下部分和一些秸稈，有機質的輸出主要包括稻田向大氣排放CH4與CO2所消耗的有機質，公式為：

V61=Ka×5×λ1+Kb×11%×λ2

(13)

式中：V61為土壤有機質輸入量，kg/hm2；Ka為水稻根系生物量，kg/hm2；Kb為水稻秸稈生物量，kg/hm2；λ1、λ2分別為根系與秸稈含碳量，kg/hm2。

土壤中有機質的輸出主要包括：淹沒于水下的稻田土壤向大氣排放CH4與土壤中微生物排放CO2所消耗的有機質，公式為：

V62=Z1×0.27+Z2×0.75

(14)

式中：V62為土壤有機質輸出量，kg/hm2；Z1、Z2分別為稻田CO2、CH4的排放量，kg/hm2；0.27和0.75為CO2和CH4中的含碳率。

對于土壤保持服務價值的評價，采用土壤有機質輸入與輸出的差值，乘以有機質肥料的市場價格，公式為：

V63=V61-V62

(15)

V6=V63PFC

(16)

式中：V63累積的土壤有機質，kg/hm2；V6表示土壤保持服務功能的貨幣價值，元；PF為通過純碳來計量的有機肥的價值，1.47 元/kg；C為評價區域稻田面積，hm2。

1.2.7 維持生物多樣性

作為一個人工-自然復合的半自然生態系統，稻田生態系統在提供糧食產品的同時可以為動植物及土壤微生物等提供了良好的生長環境，起到維持生態平衡的作用。因此對于該指標的測算可以使用成果參照法，以謝高地等[19]得出的維持生物多樣性的單位面積價值量628.2 元/hm2作為計算標準，公式為：

V7=ε1C

(17)

式中：V7表示維持生物多樣性服務功能的價值；ε1單位面積該功能的價值，元/hm2；其余符號意義同前。

1.2.8 景觀美學

稻田生態系統所形成的獨具特點的自然景觀，可以是人們通過主要映像進行娛樂和美學體驗，進而從稻田生態系統中得到非物質利益[20]。對于該指標的測算以謝高地等[16]應用當量因子法估算出農田景觀文化單位面積價值量8.8 元/hm2作為計算標準，代替計算稻田生態系統該部分價值，公式為：

V8=ε2C

(18)

式中：V8為稻田生態系統景觀美學價值，元；ε2為景觀文化的單位面積價值量，元/hm2；其余符號意義同前。

1.2.9 有害氣體排放

稻田生態系統可以通過氣體調節功能固定CO2，產生正面的生態價值。與此同時，該系統同樣釋放出CH4與N2O等有毒的溫室氣體，溫室氣體的釋放給生態環境造成負擔，產生負面的生態價值。對于這一指標的測算可以使用類推法[21]，通過全國范圍內稻田生態系統的實際情況與湖南省做對比，推算出該部分價值，公式為：

V9=K1K2K3K4G

(19)

式中：V9表示稻田生態系統釋放有害氣體的價值；K1是湖南省與全國稻田種植面積的比值；K2溫室氣體釋放對我國社會產生的影響與我國GDP的比值；K3表示CH4與N2O兩種溫室氣體排放對氣候變化的影響與所有溫室氣體排放對氣候變化產生影響的比值；K4稻田生態系統排放N2O與CH4與這兩種溫室氣體排放總量的比值；G表示2016年我國GDP總值。

2 湖南省稻田生態系統服務價值測算

2.1 正面生態價值計算

2.1.1 提供初級產品價值

根據調查統計結果發現，2016年湖南省水稻總產量是2 602.3 萬t，水稻的市場價格平均在2.8 元/kg，根據我國農作物秸稈折算比，2016年我國水稻秸稈總產量為4 400 萬t，水稻秸稈的市場價格平均在0.4 元/kg[22]，通過(1)式可以計算出2016年湖南省水稻生態系統提供初級產品功能的總價值為904.64 億元。

2.1.2 氣體調節價值

通過式(4)得到2016年湖南省稻田在CO2固定方面貢獻35.02 億元，通過碳稅法得到的價值是54.94 億元而造林成本法得到的價值是15.09 億元。通過式(7)得到2016年湖南省稻田釋放O2價值為58.29 億元，通過制氧工業法得到的價值是61.93億元，通過造林成本法得到結果54.65 億元。通過式(8)得到2016年湖南省稻田吸收粉塵、SO2、HF和NOx等所創造價值為2.17 億元。式(9)得到氣體調節服務功能的總價值為95.48 億元。

2.1.3 氣候調節價值

2016年湖南省鄉村戶籍數為5 130.99 萬戶，2016年湖南省鄉村居民生活用電為0.59 元/kWh。因此根據式(10)得到氣候調節功能價值約為70.84 億元。

2.1.4 涵養水源價值

土壤的種類對稻田的滲水量有重要的影響，本文利用6 mm/d作為入滲量來進行計算[23]，2016年湖南省稻田種植面積408.55 萬hm2[13]。2016年，水稻水下生長天數100 d左右，根據2016年湖南省水的市場標準2.5 元/m3。通過式(11)得出涵養水源功能價值為612.83 億元。

2.1.5 水質凈化價值

稻田生態系統對生化需氧量與化學需氧量(以下簡稱BOD與COD)的去除率分別約為4%～17%以及4%～16%[24]。通過灌溉水量與不同污染物質流入與流出濃度的差值的乘積，可以得到污染的總量，再將得到的污染總量取平均，分別可以得出每公頃BOD與COD的去除量分別為：BOD為 17.07 kg/hm2，COD為26.34 kg/hm2。稻田生態系統水質凈化的價值可以通過BOD的去除量來估算，BOD的去除單價為處理成本人民幣約47.5 元/kg(臺幣218.7元)[24]。這樣經計算可以得出，湖南省稻田生態系統的水質凈化功能約為33.13 億元。

2.1.6 土壤保持價值

水稻秸稈的生物量年際變化波動不大，根據馬占云等[25]的研究，約為5 910 kg/hm2，假設根冠比為0.2，根系生物量為1 182 kg/hm2。根據式(13)計算出土壤有機質總的輸入量為3 280 kg/hm2。稻田CO2和CH4的排放量分別為6 189，388 kg/hm2。根據式(14)與(15)分別計算出2016年湖南省稻田平均土壤有機質輸出與累積量分別為1 962，1 318 kg/hm2。根據式(16)計算出湖南省稻田生態系統土壤保持總價值為38.68 億元。

2.1.7 維持生物多樣性價值

根據式(17)計算出2016年湖南省稻田維持生物多樣性總價值為25.67 億元。

2.1.8 景觀美學價值

2016年湖南省稻田播種總面積408.55 萬hm2[22]，根據式(18)計算出湖南省2016年稻田農業生態系統景觀美學總價值為0.36 億元。

2.2 負面生態價值計算(有害氣體排放價值)

根據2017年全國統計年鑒數據顯示[12]，2016年湖南省稻田播種面積約占全國總播種面積3 017.6 萬hm2的13.5%，2016年我國GDP為740 000 億元，溫室氣體釋放對我國社會產生的影響占我國GDP約5%，CH4與N2O兩種溫室氣體占溫室氣體總體約30%，稻田排放的兩種溫室氣體站總排放量的50%，根據式(19)可算出2016年湖南省稻田生態系統帶來的負面價值為750 億元。

2.3 測算結果與分析

湖南省稻田生態系統2016年生態價值統計如表1所示。由表1可知，稻田生態系統在涵養地下水源，提供初級產品和氣體調節等方面具有重大的生態價值。

表1 2016年湖南省稻田生態系統生態價值統計表

根據表1所示，正面生態價值中提供初級產品以2.21 萬元/hm2，總價值904.65億元占總體50.78%居所有服務功能的首位，根據2017年全國統計年鑒數據資料顯示，湖南省水稻種植面積以408.55 萬hm2居我國首位，因此湖南稻田生態系統可以提供較多的生產功能價值。涵養水源價值以1.5 萬元/hm2元占第二位，此項價值與湖南省地理位置有關，湖南省地處長江中游地區，常年雨量充沛，水資源豐富，所以稻田生態系統可以貢獻較多的涵養水源效益，假設研究區為常年干旱的省份地區，涵養水源價值可能較低或為零。景觀美學占比最小，其生態價值僅為100 元/hm2。由于湖南省水稻種植面積較大，稻田中植被覆蓋度較高，光合作用明顯，因此氣體調節功能的效益也十分明顯。氣候調節、土壤保持、消納廢棄物、維持生物多樣性四項功能貢獻較低分別為0.17、0.09、0.08、0.06 萬元/hm2，四項服務功能價值之和占生態服務總價值的9.45%。景觀美學價值最小，僅為100 元/hm2，僅占總服務價值的0.02%，對湖南省整個稻田生態系統的服務價值影響較小。就負面生態價值而言，有害氣體排放的生態價值為1.83 萬元/hm2。湖南省稻田生態系統正面生態價值是其負面價值的2.4倍。這充分說明了稻田生態系統作為一個復雜的人工濕地生態系統，其生態功能對區域環境服務起到很重要的影響。

圖2 各項正面價值生態服務占比圖

3 討 論

(1)通過對2016年湖南省稻田生態系統服務價值評價結果，與2015年荊州市[1]、2014年江西省萬載縣[26]、2006年浙江省[7]等研究的稻田生態系統服務價值評價進行對比。主要是從兩個方面進行對比分析：①不同研究區生態服務功能不同，提供初級產品、氣體調節、氣候調節等這項功能為普遍均進行評價的幾項功能。在本研究中沒有對維持養分循環、蓄水防洪、社會保障等功能進行評價。分析主要原因為：水稻田中土壤的物化性質對維持養分循環功能產生較大的影響，同時會影響這一功能的價值，蓄水防洪與社會保障由于采集數據的困難較大并且社會保障功能具有較大的不確定性，因此本研究也沒有對其進行評價。相對于本研究而言，有的研究在評價中沒有涉及到涵養水源這一功能，考慮到北方地區受不同地理條件影響會出現干旱少雨、水資源短缺的可能，因此就不存在涵養水源這一服務功能。②不同研究區生態服務價值的評價結果不同。本研究中，價值最高的前三項生態服務分別為提供初級產品、涵養水源、氣體調節。2015年荊州市價值最高的前三項生態服務分別為氣體調節、農產品生產以及維持生物多樣性。2014年江西省萬載縣價值最高的三項生態服務為生產糧食、消納廢棄物、肥力維持。2006年浙江省稻田生態系統價值最高的三項生態服務為凈化空氣、提供初級產品、氣體調節。分析主要原因為：2016年湖南省稻田播種面積居我國首位，由于提供初級產品功能的價值主要受市場價格與稻田種植面積控制。因此，針對湖南省而言，最大面積的稻田決定了該項功能的價值貢獻最大。對于涵養水源功能，湖南省多年平均降水量在1 200～1 700 mm之間,雨量充沛,屬我國降水較豐富省份之一。豐富的降水量使得水稻更好的生長環境，保證了水下生長天數。因此，相對其他功能而言，涵養水源功能也提供了較大的生態價值。氣體調節功能主要受水稻產量影響，稻田播種面積對水稻產量有直接影響。因此，湖南省得益于稻田播種面積在全國各省份最大，湖南省稻田生態系統氣體調節功能也貢獻了較大的生態價值。全國不同地區因地理位置、氣候條件等因素影響，根據已有的研究成果，使用同一種方法在不同地區評估的同一種指標的誤差大小不同。因此，想要更為準確的評估稻田生態系統的生態價值需要建立更科學、更合理的評價指標與方法體系。另外，現階段的研究中，仍無法實現動態化的評估，這是需要在未來研究中進行深入的探索。

(2)本研究針對稻田生態系統的8項正面價值生態服務功能的經濟價值進行了評估，事實上稻田生態系統是一個十分復雜的系統，因現階段研究的局限性，很多外部性功能仍不能被確定。同時，稻田生態系統還有許多服務功能已經被確定，但是因其功能產品無法在市場上進行交換，所有很難以貨幣經濟的角度對其價值能行量化。盡管用貨幣去衡量稻田生態系統服務價值評價并不被所有研究者認同，但是作為一種估算，貨幣量化可以是人們對其價值量的大小有更直觀的感知。

(3)稻田生態系統服務價值有正負之分，由于負面服務功能產生機理等方面因素的影響難以確定。本文結合湖南省稻田生態系統的特點，評估了其8項正面生態價值，而對于負面生態價值，僅針對到稻田生態系統的有害氣體排放這一項指標進行了評估，對稻田生態系統產生負面生態價值的評估存在一定的局限性，在稻田生態系統服務價值的綜合評價方面還不夠完善，需要今后進一步探索與完善。通過對正負價值的對比研究可以更加直觀的了解稻田生態系統服務價值對人類生活的影響。

4 結 語

本研究表明2016年湖南省稻田生態系統服務總價值為1 031.63 億元，相當于全國GDP的3.27%，其中為水稻生態系統經濟價值904.64 億元，生態服務功能價值量為經濟價值量的1.14 倍。對2016年湖南省稻田生態系統正面服務價值各部分進行排序，可以發現：提供初級產品(50.78%)>涵養水源(34.40%)>氣體調節(5.36%)>氣候調節(3.98%)>土壤保持(2.17%)>消納廢棄物(1.86%)>維持生物多樣性(1.44%)>景觀美學(0.02%)。2016年湖南省稻田生態系統負面價值為1.83 萬元/hm2，為正面價值的42%。作為我國產糧大省，通過研究湖南省稻田生態系統服務價值的研究，提高了對稻田生態系統的認識，同時為高效利用稻田生態系統自然資源及現代農業可持續發展產生積極的影響。

□