城市近郊型鄉鎮農業生態經濟系統生態潛力及產業空間布局
——以延安市河莊坪鎮為例

韓曉佳,王繼軍,趙曉翠,王超遠,夏 雨

1 中國科學院水土保持與生態環境研究中心, 楊陵 712100 2 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊陵 712100 3 中國科學院大學, 北京 100049 4 延安市寶塔區河莊坪鎮人民政府, 延安 716000

新時代背景下,隨著生態文明建設新要求的提出,實現綠色轉型、建設生命共同體等理念相繼被提上日程。而實現資源的有效利用與生態保護的有機統一是走向社會經濟發展與環境保護雙贏的必經之路[1]。其中,為實現兩者的協同發展,需進一步明確生態系統的生態潛力,在潛力的基礎上開發利用區域內資源是促進可持續發展、完成“兩山理論”落地的關鍵。作為人類生存的基本系統,農業生態經濟系統交互耦合了農業生態系統和經濟系統[2],其整體結構和功能的定量化研究,尋求系統內部經濟穩定、環境良好、資源合理且高效利用的有序狀態是長期以來不同領域學者所具有的共同關注點[3-5],且研究成果多集中在構建指標體系[6],運用能值理論[7]、耦合協調度模型[8]等,分別在干旱區綠洲[9]、黃土丘陵區[10]、農牧交錯區[11]、喀斯特地區[12]等對農業生態經濟系統的演變規律[13]、耦合過程與態勢[14]、耦合機制[15]、安全評價[16]及其預警機制[17]加以探討。其中,對于生態系統生態潛力的研究多集中于基于能值分析,注重生態系統的生產過程,且首要考慮無機環境的能量與物質循環,并綜合運用農業生態系統生產潛力模型加以研究[18]。而農業實質上是由自然系統經人為干擾后,以其農業化的結構和功能獲取更多產品的特定生態系統,在其潛力研究中僅基于能值討論初級生產力,對于農業生態經濟系統的整體性功能缺乏整合,因此需要引入生態系統服務價值(Ecosystem Service Value)。

生態系統服務是人類從生態系統中得到的直接或間接的全部收益,是人類賴以生存的自然環境條件與效用[19]。自生態系統被視為一種自然資本被提出后,對生態系統提供的服務加以經濟價值量化,將有助于避免自然資源的過度消耗與生態系統破壞。由此,生態系統服務價值的評估在學術界開始進入白熱化階段,在研究對象[20]、價值構成[21]、評估方法[22]以及時空變化[23]等方面取得豐富的研究成果。研究尺度經歷了從全球[24]、區域[25]、流域[26]、城市[27]到單項生態系統服務功能價值評估[28],直接市場法、條件價值法以及環境選擇模型法等相繼被應用于價值量的評估之中。而生態系統服務功能作為農業生態經濟系統生產力的重要組成部分,將服務價值轉化為生態經濟系統潛力,對于科學合理測算農業生態經濟系統生態潛力,制定相應區域農業生態經濟系統開發警戒線具有重要的意義。

延安市河莊坪鎮地處生態環境脆弱的黃土高原上,是城市化進程中三產融合的典型代表鄉鎮,兼具了生態環境脆弱與經濟發展強度較高的特點。因此,了解其農業生態經濟系統生態潛力及其主導產業的時空變化,對于指導轉型中的鄉村實現人地協調發展,建立持續高效的農業生態經濟系統具有重要的意義。鑒于此,本文選取近郊型河莊坪鎮為研究對象,基于生態系統服務價值的定量計算結果,嘗試將服務價值量轉化為生態經濟系統生態潛力,同時對退耕還林后近20年研究區的主導產業進行分析,最后基于生態系統服務價值加以功能區劃分,以期把握研究區資源開發適度性與產業間的相互關系,從而促進農業生態系統中社會經濟發展與資源環境的合理高效利用。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

河莊坪鎮位于延安市寶塔區北部(36°40′—36°45′N,109°20′—109°25′E),延河中上游地帶,是延安市北部的城郊鎮,包茂高速、省道206南北向縱貫鎮區,交通區位優勢明顯(圖1)。該地屬典型的黃土高原地貌特征,以丘陵、溝壑為主,高原大陸性氣候特征顯著,自然生態條件差,主要以種植玉米、谷子等農作物為主。全鎮行政區域面積102 km2,總人口3.24萬人,其中農業人口9912人。在城鄉統籌、美麗鄉村建設、環境綜合整治以及人居環境建設等工程的推進下,河莊坪鎮于2014年被確定為國家級重點鎮。目前全鎮已初步形成三大主導產業,至2018年底,全鎮人均純收入達到16200元。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源

基于退耕還林工程實施20年的背景下,本研究采用1995年、2005年和2018年三個時間節點的數據以分別表征退耕還林工程實施的三個階段,即退耕前(1999年前)、前退耕時期(2000—2010年)和后退耕時期(2010年—至今)。其中使用的土地利用數據和社會經濟數據來源于寶塔區河莊坪鎮人民政府提供的土地變更數據和統計數據,各行政村的主導產業演變情況來源于對村干部的半結構化訪談。參考土地資源分類標準,河莊坪鎮土地利用劃分為林地、草地、耕地、園地、水域、建設用地以及未利用地7種土地利用類型。

1.3 研究方法

1.3.1生態系統服務價值估算法

本研究采用謝高地[29]等提出的當量因子法來測算河莊坪鎮的生態系統服務價值。該方法將生態系統服務功能確定為氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性維持、食物生產、原材料生產和休閑娛樂9項服務。同時,結合河莊坪鎮的實際生產情況,即主要播種糧食作物,包括玉米、谷子、大豆等的播種面積和產量,以2015年全國農作物平均價格計算單位農田生態系統服務價值量,按單位面積農田生態系統服務價值為平均糧食單產市場經濟價值的1/7計算[30],最終確定不同土地類型單位面積生態系統服務價值系數(表1)。

表1 研究區不同生態系統單位服務價值系數/(元/hm2)

最后依據研究區不同時段、不同土地利用類型的面積和單位面積生態系統服務價值計算生態系統服務總價值[31](表2)。計算公式如下：

表2 研究區1995—2018年不同土地利用類型生態系統服務價值變化

(2)

式中,ET為生態系統服務價值(元/a)；Si為i類土地類型的面積(hm2)；Cij為單位面積的生態系統服務價值(元 hm-2a-1)。

為進一步描述生態系統服務價值的空間變化,借鑒景觀生態學中網格采樣法,對研究區進行系統采樣,采樣單元為1km×1km,共102個樣方(圖2),分別計算每一個樣方的生態系統服務價值,并將其作為樣方單元格的中心點的屬性,在ArcGIS地統計模塊中采用Kriging插值法得到研究區生態系統服務價值的空間分布圖。

圖2 研究區網格采樣Fig.2 Grid division of the study area

1.3.2農業生態經濟系統生態潛力測算

生態系統服務價值的量化實質上反映了生態系統在理論上所能提供的最大價值量。而其中,生態系統的經濟價值有多少能夠為人類所開發利用,又有多少經濟價值仍停留在理論層面,是我們有待進一步解決的問題。在本研究中,生態經濟系統生態潛力用來表示生態系統服務中未能全部轉化為實際經濟的部分,是生態系統中存在的生態潛力,潛力的大小衡量了實際經濟活動對生態系統的開發利用是否合理,若潛力值為正,說明生態系統未被充分利用,仍存在尚可利用的部分；若潛力值為負值,則說明對生態系統的開發和利用已迫近生態承載力,需要對該利用方式加以重新的考量；若潛力值為零,則說明生態系統服務價值量已全部轉化為實際經濟價值。農業生態經濟系統提供食物生產和原材料生產功能,是能夠為人類所直接利用的終端生態系統服務[32],因此,在本研究中,選擇食物生產和原材料生產兩項服務的生態系統服務價值量作為農業生態經濟系統提供的理論價值量,通過測算不同土地利用上農業生產活動的實際經濟價值,包括各項農業生產活動的經濟收入等,可得到農業生態經濟系統的實際經濟價值量。結合研究區的實際農業生產活動,對不同土地利用類型之上的產業活動加以歸類和劃分,即耕地主要為種植產業,林地為原材料加工業,園地為山地蘋果產業,水域為漁業,草地為養殖業。由于建設用地提供的生態系統服務價值默認為零,所以在本文中沒有考慮以建設用地為主要活動場地的第三產業。以不同土地類型上產業的經濟收入代表該土地類型上產生的經濟價值,分別構建不同土地類型之上產業活動價值量系數(即單位面積上農業經濟活動價值量),最后以面積和價值系數的乘積表示實際生產經濟價值量。

其中,農業生態經濟系統生態潛力為生態系統的理論價值量與實際生產經濟價值量之差(表3)。計算公式如下：

表3 研究區1995—2018年農業生態經濟系統潛力/(×106元/a)

DP=DESV-DAP

(3)

式中,DESV為理論價值量,DAP為實際生產經濟價值量,DP為農業生態經濟系統生態潛力。

2 結果分析

2.1 生態系統服務價值的時空變化

退耕前,研究區的生態系統服務主要由耕地和草地提供,其服務價值量占總價值量的59.8%,廢物處理、土壤形成與保護、水源涵養和生物多樣性保護是這一階段生態系統的主要服務功能。前退耕時期,隨退耕還林工程的開展,林地面積增加,原材料生產、氣體調節、生物多樣性保護以及娛樂文化等服務功能價值量增加明顯,分別以3.18、1.10、0.65和1.82的變化率增加。耕地面積的減少,直接導致了食物生產功能價值量的減少,10年間共減少0.36%。后退耕時期,生態系統服務價值總量繼續增加,增速開始減緩,耕地的生態系統服務價值量繼續下降(表4)。

表4 研究區1995—2018年生態系統服務價值變化

從生態系統服務價值量的空間分異來看,大致呈現出中間低兩邊高的空間格局,并隨時間的變化,高值區面積擴大,出現沿川道向兩邊增加的趨勢(圖3)。退耕前,生態系統服務價值量北高南低,高值和較高值區覆蓋面積達14.23 km2,中值區面積約34.39 km2,占到總面積的33.7%。較低值區和低值區覆蓋面積最廣,主要分布在沿川道的中部村域,總面積達53.55 km2,生態系統服務價值量較低是該階段的主要特征。前退耕時期,生態系統服務價值量大幅的增加,空間分布上仍呈現北高南低。其中低價值量在空間上以河莊坪、井家灣等村域為中心,向四周擴散,低值區面積開始減小,逐漸向較高和高價值區轉換。后退耕時期,生態系統服務價值量基本形成兩翼高中間低的空間分布格局,低值區和高值區面積都有所減少,研究區呈現出生態系統服務價值量的空間差異性減少、價值總量上升的特點。

圖3 1995—2018年研究區生態系統服務價值空間分異Fig.3 Spatial distribution of ESV from 1995 to 2018 in the study area

2.2 農業生態經濟系統生態潛力及其空間分異

農業生態經濟系統生態潛力測算結果顯示(圖4),在研究期間,退耕還林工程的推進直接導致了林地生態經濟系統生態潛力增加,耕地生態潛力的下降。隨生態系統服務價值量的增加,農業生態經濟系統生態潛力的峰值出現在前退耕時期。而后,隨著不同土地類型之上的農業活動的開展,研究區內實際經濟價值量大幅增加,系統潛力開始下降,表現在耕地、林地、水域和園地潛力值的下降。伴隨封山禁牧的力度加大,牧業的生產經濟價值量開始減少,草地生態經濟系統潛力的上升是其重要的表現。其中,耕地面積的減少,由耕地提供的以糧食生產為主的生態系統服務價值量隨之降低,而設施農業在研究區內的迅速發展,進一步加劇了耕地生態經濟系統潛力的降低,說明研究區內耕地生態系統服務價值量被較好地轉換成實際經濟價值,注重其經濟系統潛力價值的過度開發,是研究區當下所要關注的重點。

圖4 1995—2018年研究區農業生態經濟系統潛力空間分異Fig.4 Spatial distribution of agro-ecological economic system potential from 1995 to 2018 in the study area

農業生態經濟系統生態潛力與生態系統服務價值量的分布在空間上相對一致,均呈現出“兩翼高川道低,北高南低”的分布格局。退耕前,該階段的農業活動多以自給自足的生產為主,并未形成規模型經濟活動,農業生態經濟系統生態潛力值較高,各等級潛力面積之間差異較小。其中,潛力的高值分布在林地面積覆蓋較廣,人類干擾較少的劉興莊、崔圪嶗和萬莊。潛力的低值區分布在鎮區中心周圍,呈現出向外增加的趨勢。前退耕時期,各村域規模產業逐漸成型,生態經濟系統潛力高值重心向產業單一的西北方向偏移。潛力低值面積開始向北擴大,較1995年增加了14.67 km2,該階段的生態經濟系統潛力值在空間上形成由東南向西北方向依次遞減的空間格局。后退耕時期,潛力低值沿川道南北方向延伸明顯,潛力值由中間向兩側依次遞增,這一階段低值區和高值區面積下降,較高值區面積增加顯著,說明生態經濟系統潛力的空間分異性降低,由生態系統提供的潛在價值量被較好地利用。

2.3 主導產業演變及其布局

研究區在城鎮化和退耕還林政策推動下,內部村域的主要農業生產活動發生了變遷,由傳統的農業生產,逐漸向集約化、專業化、組織化和社會化相結合的新型農業經營體系發展。各村域的主體功能演變,可追溯20世紀80年代,結合退耕還林時段,主導產業在三階段內呈現出不同的生產功能和特點(表5)。從變化過程來看,主導產業呈現出由傳統農業向集約式設施農業、勞務輸出和服務行業為主的第三產業方向發展,以李家洼、康家溝、井家灣、小溝和石窯等村為代表。其中,萬莊和紅莊因其適宜的自然地理條件,且種植山地蘋果歷時較長,外加成熟的管理經驗和完善的種植技術,在退耕還林后,主導產業未有明顯變化,至今仍以山地蘋果為主。

表5 研究區行政村主導產業演變及其驅動要素

從空間變化來看(圖5),退耕前,以種植業為代表的傳統農業為研究區的主導產業,且多分布在地勢平坦的川道地區,林果產業主要分布在川道兩側的山地拐溝村。其中,河莊坪和井家灣村因其便利的交通條件和市場需求,大棚蔬菜開始推廣,率先興起大棚為代表的設施農業。退耕還林后,人均耕地減少,糧食種植效益低下,大多數農戶實現了生計的初步轉型,集約經營式的設施大棚和外出務工成為該階段農戶的主要選擇,設施農業成為研究區的主導產業。位于拐溝位置的劉興莊和崔屹嶗則由于缺乏山地蘋果種植技術外加品種老化,設施大棚和外出務工逐漸替代了果樹種植。而位于鎮中心的河莊坪和石屹塔,在城鎮一體化趨勢的帶動下,以商貿等各種服務業為主的第三產業開始發展。后退耕時期,交通等各種基礎設施相繼完善,第三產業開始以鎮區(河莊坪、井家灣)為中心,向周邊輻射發展,在空間上形成了以鎮區分布為主的第三產業、依托拐溝坡地的林果產業和沿川道展開的設施大棚的產業空間格局。其中第三產業在距鎮區中心遠近呈現出功能演變,由中心向四周依次呈現出商業功能、生活服務功能和居住功能。

圖5 研究區1995—2018年主導產業空間布局及其演化特征Fig.5 Leading industry spatial layout and its evolution characteristics from 1995 to 2018 in the study area

2.4 農業生態經濟系統功能分區

基于生態系統服務價值制定不同的生態系統戰略分區管理目標,以采取不同的空間開發保護策略。以各村域的生態系統服務價值為基準,在SPSS中完成系統聚類分區(圖6和表6)。河莊坪鎮農業生態經濟系統可劃分為3個區：即第Ⅰ類型區以川道兩側村域為主的城鎮環境維護區,該區域建設用地比重較大,提供的生態系統服務價值量和生態系統潛力值也最低,平均值約為2.76×106元 hm-2a-1；第Ⅱ類型區為農業生態保護區,該區域農田生態系統覆蓋面積大,生態系統服務價值量居于中等水平,平均為6.81×106元 hm-2a-1；第Ⅲ類為生態安全屏障區,該區域林草面積廣,人類干擾少,生態系統服務功能價值量最高,達到10.09×106元 hm-2a-1。

圖6 研究區農業生態經濟系統功能分區Fig.6 Functional division of agro-ecological economic system in the study area

表6 農業生態經濟系統功能分區面積比例

3 討論

參照并對比已有退耕還林區生態系統服務價值的研究成果顯示,退耕還林工程對土地利用程度影響較大,退耕區內生態系統服務價值量的變化主要集中在耕地、林地和草地之間[33]。其中,林地和草地提供的服務價值量比重最大,且生態系統服務價值的變化主要發生在前退耕階段[34]。退耕后,退耕區內儲蓄了較大的碳匯潛力,其生態系統的服務功能以調節和支持功能為主,進一步說明了退耕還林工程對生態系統的優化和改善[35]。而耕地面積的銳減,導致生態系統的食物生產能力下降[36],但從生態經濟系統生態潛力結果來看,單位面積耕地的實際經濟價值量在增加,耕地提供的生態系統服務價值量被較好地轉化為經濟價值量。從生態系統服務價值與生態經濟系統生態潛力來看,生態系統服務價值作為自然資本的貨幣轉化形式,蘊含了自然生態環境所提供的巨大潛在價值量,以生態系統服務價值表征農業生態經濟系統生態潛力,與唐秀美等研究的切入視角相一致[37]。而生態系統服務價值量作為理論上提供的經濟價值,最大程度上反映了生態系統的功能價值的最高供給力,即生態系統的潛在價值量。因此,在相關研究中,生態系統服務價值即等同與生態系統的生態潛力值。而在本研究中,農業生態經濟系統生態潛力則是由理論經濟價值和實際農業活動的經濟價值之差,用以表征生態系統之中未被充分利用的狀態,即反映生態經濟價值量的轉化效率,以此能更為直觀地反應資源的利用與環境之間的關系。

而基于生態系統服務價值的功能區劃分,充分體現了三生空間(“生活-生產-生態”空間)的功能在空間中的聚集性[38]。其中,城鎮環境維護區在城鎮一體化的推動下,建設面積比重逐漸增大,承載著研究區內居住、交通、存儲和公共服務的功能[39],同時也是維持區域系統運行的基地,是研究區內的生活空間。針對該區域的調控應當以優化經濟社會發展規模和格局為主,重點加強城鎮建設用地的布局與擴張,同時加強綠化用地面積以提升該類型區域內氣候調節、廢物處理以及娛樂文化等功能,在提供基本物質生活保障的同時,提升精神生活保障功能。農業生態保護區則是研究區內的生產空間,兼具有物質能源供給與生產功能,該區域農田生態系統覆蓋面積大,是河莊坪鎮的主要農業生產區,該區域應當加強對農田保護,以提升土壤形成與保護、食物生產、原材料提供等功能。生態安全屏障區主要以林地和草地為主,氣體和氣候調節是主要的生態服務功能,也是研究區的生態空間。對于該區域的發展需要注重開發建設用地的強度和速度,保護生態用地,以維護區域的氣體、氣候調節功能、水源涵養功能、土壤形成與保護功能以及生物多樣性保護等功能。

從生態經濟系統潛力與主導產業互動關系來看,第三產業和設施農業的發展,帶動了生態系統潛在價值量的轉換,潛力低值區沿川道南北延伸趨勢明顯,而潛力高值區則主要以兼具生態和經濟效益為一體的山地蘋果產業為主,在研究區內生態潛力的高、低值的空間差異性明顯。因此,如何在產業發展中科學地轉換生態系統的潛在價值,需要進一步科學且合理地測度生態潛力,從生態經濟系統最低開發控制標準和最高開發警戒線切入確定區域合理開發閾值,對于避免因過度開發造成資源枯竭或因閑置造成資源浪費具有重要的意義。同時,鑒于生態系統服務價值包含有直接或間接服務價值的估算,而實際農業生產活動中主要以考量原材料生產、糧食生產等直接為人類所使用的服務功能,因此,在農業生態經濟系統生態潛力測算中,需要進一步完善對間接服務價值的開發和利用,亦是今后關于農業生態經濟系統生態潛力測算精準性的需求。

4 結論

調節服務和支持服務是研究區生態系統提供的主要服務功能。林地對于生態系統服務價值的貢獻率最大,表現在隨退耕還林工程的實施,林地面積的增大致使生態系統的服務價值量隨之上升。生態系統服務價值在空間上沿川道向兩邊增加,呈現出“中間低兩翼高”的空間格局。

農業生態經濟系統生態潛力與生態系統服務價值在空間上相對一致,大致呈現“兩翼高中間低、北高南低”的空間分布格局。退耕還林工程的推進直接導致了林地的生態經濟系統潛力的顯著增加,耕地的生態經濟系統潛力下降。其中,生態系統潛在價值量的轉化效率是影響生態經濟系統生態潛力的主要原因。

研究區在退耕過程中形成以大棚種植為主的設施農業、以農林特產銷售為主的商品型種植業、以山地蘋果為主的林果產業以及以酒店商貿為主的服務行業,在空間上形成了以鎮區分布為主的第三產業、依托拐溝坡地的林果產業和沿川道展開的設施大棚的產業空間格局。

研究區的功能區劃分為城鎮生態環境維護區(第Ⅰ類型區)、農業生態保護區(第Ⅱ類型區)、生態安全屏障區(第Ⅲ類區)3個區域。