廣西稻田生態系統服務價值評估及其時空演變特征

蔣琳莉，黃好欽，何蘇榕，熊 娜，望飛勇

(1.五邑大學經濟管理學院，廣東 江門 529020；2.廣西民族大學管理學院，南寧 530006；3.廣西農業科學院園藝研究所，南寧 530007)

【研究意義】糧食安全與生態平衡是稻田生態系統服務價值的核心內涵。在傳統生產模式下，水稻產量的提升通常伴隨著化肥、農藥和農膜等化學投入品的大量使用，稻田面源污染不斷加劇，甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)和二氧化碳(CO2)等農業溫室氣體過量排放，進而導致稻田生態效益不斷減弱，并在一定程度上加快全球氣候變暖進程[1]。廣西是水稻主產省份之一，稻田生態環境污染時有發生，稻田生態系統服務價值波動較大[2]。鑒于此，有效評估廣西稻田生態系統服務價值的變化情況，對政府部門推進農業綠色發展以維護糧食安全和生態平衡具有重要意義。【前人研究進展】稻田是一種人工濕地生態系統，其服務價值可劃分為經濟服務價值、文化服務價值和生態服務價值[3-5]，其中，經濟服務價值表現為生產初級產品(稻谷和秸稈)，文化服務價值是指稻田生態系統帶給人類的景觀文化價值，生態服務價值包括氣體調節、氣候調節、涵養水源、水質凈化、土壤保持和維持生物多樣性方面的價值。但水稻植株生長特性及傳統水稻種植模式產生的污染，也會引起稻田生態系統產生負面生態服務價值，分別為溫室氣體排放和農用化學品污染[4，6]。同時，稻田生態效益具有外部特征，而稻田生態服務交易市場尚未建立，無法通過市場交易價格直接評估其價值[7-8]，已有研究主要通過市場價值法、替代成本法和成果參照法等方法評估稻田生態系統的服務價值[9-11]。在生態系統服務價值量方面，鄭春利等[12]評價以景觀文化價值為核心的元陽梯田景區稻田生態價值為1.79億元，Yosihiro[13]測算日本稻田生態系統調節功能總量約728億美元。部分學者也評估了稻田負面生態服務價值，如劉利花等[6]評估蘇州市稻田正面生態服務價值總量為68.49億元，負面生態服務價值為7.7億元，薛寶林等[14]測算湖南省稻田生態系統服務凈價值為2.47萬元/hm2，負面生態服務價值為1.83萬元/hm2。在生態系統服務價值量的時空演變特征方面，相關學者對農田、草原和森林等各類農業生態系統進行了研究，如熊文等[15]研究指出，2010—2020年長江經濟帶重點區域農田生態系統服務價值量呈現明顯的增長趨勢，穆松林[16]研究認為，1982—2014年內蒙古全區溫帶草原生態系統服務價值在空間分布上由東北向西南逐漸降低，楊青和劉耕源[17]研究表明，2012年京津冀森林生態系統各類服務價值空間分布格局呈現西北高、東南低的特征。【本研究切入點】目前，全面揭示廣西稻田生態系統服務價值時空動態變化過程的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】利用廣西區級層面數據，評估2011—2020年廣西全區稻田生態系統服務價值量，揭示近十年來各類服務價值量的變化趨勢；利用廣西市級層面數據，評估2011—2019年廣西14個地級市稻田生態系統服務價值的時空演變特征，以及各類生態服務價值的空間分布格局，以期為廣西各地政府制定稻田生態環境保護相關政策提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

選取廣西稻田生態系統經濟文化服務價值(產生初級產品和景觀文化)和生態服務價值(氣體調節、氣候調節、涵養水源、水質凈化、土壤保持和維持生物多樣性6項正面價值，以及溫室氣體排放和農用化學品污染2項負面價值)[3-5]，采用市場價值法、替代成本法和成果參照法等評估廣西稻田生態系統服務價值[9-11]。

廣西水稻種植面積和稻谷產量的基礎統計數據來源于2011—2020年廣西統計年鑒、各地級市統計年鑒及國民經濟和社會發展統計公報；水稻價格來源于國家發展和改革委員會；早稻、中稻和晚稻生長周期及非水淹期天數來源于廣西農業科學院水稻研究所；針對部分年份秸稈價格、農用水價格和有機肥價格等相關數據缺失的問題，本研究采用2011—2020年廣西全區消費者價格指數估算結果作為對應年份的數據指標；碳稅率、農用電價格和污水處理市場價格等數據來源于相關網站。

1.2 服務價值及其測算方法

1.2.1 經濟文化服務價值 經濟文化服務價值(V1)是稻田生產初級產品的經濟價值與景觀文化服務價值之和[3]。稻田生態系統生產的初級產品包括稻谷和秸稈，其中稻谷是人類的糧食來源，秸稈可作為造紙、纖維制品和動物飼料原料等，具有一定經濟價值[18]。同時，廣西以稻田為基礎的民族文化、獨特的稻田自然景觀(如桂林龍脊梯田、柳州苗寨梯田和靖西巴澤梯田等)能帶給人們美學感受等非物質價值。稻田生產初級產品的經濟價值(V11)采用市場價值法計算[6]，景觀文化服務價值(V12)采用成果參照法進行測算，以單位面積景觀文化價值量[19]作為計算標準。

1.2.2 正面生態服務價值 (1)氣體調節。稻田生態系統氣體調節價值(V2)為固定CO2、釋放O2和吸收有害氣體價值的總和，參考薛寶林等[14]的方法進行測算。其中，固定CO2的價值取瑞典碳稅法和造林成本法計算結果的平均值(V21)；釋放O2的價值取制氧工業成本法和造林成本法計算結果的平均值(V22)；吸收有害氣體的價值(V23)包括吸收粉塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和氟化氫(HF)。

(2)氣候調節。在夏季，水稻植株的蒸騰作用和稻田的水分蒸發均會吸收周圍環境的熱量，降低周圍空氣的溫度，緩解“熱島效應”[20]。氣候調節價值(V3)可用農村居民節約使用空調的效益來衡量[21]。

(3)涵養水源。在水稻生長過程中，其根系大部分時間被水層覆蓋，體現了稻田良好的保水性。稻田涵養水源價值(V4)參考胡曉燕[4]的測算方法，以土壤中滲入的水量乘以農用水的價格替代。

(4)水質凈化。稻田生態系統對污水的處理不僅有吸附和沉降物理凈化過程，還有氧化和還原分解化學凈化過程[22]，稻田水質凈化價值(V5)參考李松[23]的測算方法，以農村生活污水的凈化成本替代。

(5)土壤保持。稻田生態系統具有攔截泥沙、防止土壤侵蝕及增加土壤有機質等土壤保持功能[24]，該功能價值(V6)參考肖玉和謝高地[25]的測算方法，以土壤有機質輸入量(V61)和輸出量(V62)的差值乘以有機肥的市場價格來衡量。稻田土壤有機質主要來源于水稻根系的沉析作用和水稻收割后殘留稻田的秸稈。同時，水稻與土壤微生物均會消耗土壤有機質，其消耗量主要通過二者的CO2和CH4排放量計算。

(6)維持生物多樣性。稻田作為人工濕地生態系統，不僅向人類提供糧食，同時也是植物、動物和土壤微生物等賴以生存的生態環境。該項服務價值(V7)采用成果參照法進行測算，以單位面積維持生物多樣性價值量作為計算標準[19]。

1.2.3 負面生態服務價值 (1)溫室氣體排放。稻田生態系統向大氣排放的溫室氣體主要包括CH4、N2O和CO2。本研究將稻田生態系統排放的CH4和N2O負面價值統一折算為排放CO2的負面價值，即1.00 kg CH4與24.50 kg CO2所產生的溫室效應相同，1.00 kg N2O與320.00 kg CO2所產生的溫室效應相同[6]。稻田溫室氣體排放的負面價值(V8)參考劉利花等[6]的方法測算，取瑞典碳稅法和造林成本法計算結果的平均值。

(2)農用化學品污染。水稻在種植過程中使用化學肥料易造成周邊水體富營養化，農藥的施用可能導致土壤與空氣污染，同時危及稻田生態系統的生物多樣性，該項負面價值(V9)參考劉利花等[6]的方法，以農用化學品造成的污染成本乘以水稻種植面積進行測算。

1.3 統計分析

采用Excel 2019進行廣西稻田生態系統服務價值數據測算與評估，以ArcGIS 10.2繪制廣西稻田生態服務價值的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 廣西稻田生態系統服務價值的時間變化趨勢

2.1.1 各類服務價值總量的時間變化趨勢 從圖1-A可看出，在2011—2020年，廣西稻田生態系統服務價值總量呈先升高后降低再升高的變化趨勢。其中，2011年的服務價值總量為488.52億元，2020年為568.17億元，上升16.30%，數值變化不明顯；2011—2014年為服務價值總量增長時期，從488.52億元上升至629.62億元，增長28.88%；2014—2019年為服務價值總量下降時期，從629.62億元下降至546.78億元，下降13.16%；2020年服務價值總量較2019年略有增長，為568.17億元。在2011—2020年，經濟文化價值的變化趨勢與服務價值總量的變化趨勢基本一致，從256.48億元上升至284.08億元，增長10.76%。具體而言，經濟文化價值由2011年的256.48億元上升至2014年的342.02億元，增長33.35%；隨后下降至2019年的276.06億元，最后又回升至2020年的284.08億元。在2011—2020年，生態凈價值(正面生態服務價值與負面生態服務價值之差)總體上保持穩定，但也存在一定幅度的波動。其中，2011—2012年為生態凈價值增長時期，從232.04億元上升至最大值306.54億元，增長32.11%；2013—2020年為生態凈價值穩定時期，均值為277.57億元。

2.1.2 各類生態服務價值的時間變化趨勢 從圖1-B可看出，2011—2020年廣西稻田生態系統正面生態服務價值的變化趨勢與生態凈價值的變化趨勢基本一致。其中，2011—2012年正面生態服務價值從最小值370.76億元上升至最大值448.00億元，增長20.83%；2013—2020年正面生態服務價值較穩定，均值為420.78億元；2011—2020年負面生態服務價值持續保持穩定，均值為142.59億元。

C：實線對應左側縱坐標軸，虛線對應右側縱坐標軸C：The solid lines corresponded to the left vertical axis，and the dotted lines corresponded to the right vertical axis圖1 2011—2020年廣西稻田生態系統服務價值的變化趨勢Fig.1 Change trend of paddy field ecosystem service value in Guangxi from 2011 to 2020

從圖1-C可看出，2011—2020年廣西稻田生態系統正面生態服務功能中水質凈化的價值位于6項正面生態服務價值首位，但其數值波動較明顯。其中，2011—2012年水質凈化價值由最小值156.95億元上升至最大值225.75億元，增長43.84%；2012—2016年水質凈化價值總體上呈下降趨勢，由225.75億元下降至179.08億元，降低20.67%；2016—2020年水質凈化價值呈上升趨勢，由179.08億元上升至195.64億元，增長9.25%。2011—2020年涵養水源價值、氣體調節價值、土壤保持價值、維持生物多樣性價值和氣候調節價值均保持穩定，均值依次為131.15億、35.62億、33.84億、15.97億和6.59億元。

從圖1-D可看出，2011—2018年為廣西稻田生態系統溫室氣體排放負面價值穩定時期，均值為130.86億元，而2018—2020年略有上升，由128.85億元上升至138.05億元，增長7.14%。同時，2011—2020年農用化學品污染負面價值保持穩定，數值波動不明顯，均值為11.73億元。

2.2 廣西稻田生態系統服務價值的時空演變特征

2.2.1 服務價值總量和生態服務價值的時空演變特征 (1)服務價值總量的時空演變特征 由圖2-A和圖2-B可知，2011—2015年廣西稻田生態系統服務價值總量的空間集聚程度明顯增強；服務價值總量的空間格局呈由桂東南的玉林市向外降低的階梯狀分布，逐漸演變為南北地區較高、東西地區(以賀州市、百色市、來賓市為主)較低的分布特征；在桂東北和桂東南表現出Ⅱ級區域向西收縮、Ⅲ級區域向西擴張的空間演變過程，其中，桂東北柳州市、桂林市和桂東南梧州市服務價值總量的空間演變過程由Ⅱ級區域轉變為Ⅲ級區域，服務價值總量有所提高。而在桂南地區，服務價值總量的空間演變過程由Ⅳ級區域全部轉變為Ⅴ級區域，主要集聚在南寧市、貴港市和玉林市，服務價值總量居于全區前三位。2015—2019年廣西稻田生態系統服務價值總量的空間集聚程度逐步減弱，其空間分布格局逐漸轉變為以南寧市為中心向四周遞減的階梯狀分布(圖2-B，2-C)。其中，Ⅱ級區域向桂北和桂東城市蔓延，桂北地區的柳州市、桂林市和桂東地區的梧州市由Ⅲ級區域再次轉變為Ⅱ級區域，服務價值總量有所降低。同時，桂南地區的貴港市和玉林市由Ⅴ級區域轉變為Ⅳ級區域。從總體上看，2011—2019年廣西稻田生態系統服務價值總量以百色市、來賓市和梧州市為分界線，包括上述3個城市在內的桂北地區服務價值總量的空間分布格局基本保持不變，均為Ⅱ級區域，且占比達42.86%；在分界線以南，服務價值總量中心由東南邊界城市玉林市轉移至中心城市南寧市，形成了以南寧市為中心向四周遞減的階梯狀分布格局。可見，近十年來廣西稻田生態系統服務價值總量的空間分布格局基本上保持南高北低的態勢，其中心在桂南地區的城市間轉移。

(2)生態服務凈價值的時空演變特征 從圖2D～F可看出，2011—2015年廣西稻田生態系統生態服務凈價值基本保持南高北低的態勢，桂南Ⅴ級區域增多，桂北Ⅲ級區域增多，但仍以Ⅱ級區域為主；在桂南地區，Ⅲ級區域和Ⅳ級區域均轉變為Ⅴ級區域，主要集聚在南寧市、貴港市和玉林市，且呈現連片分布；桂北邊緣地區生態服務凈價值由Ⅱ級區域連片分布逐步演變為自東向西從Ⅲ級區域至Ⅰ級區域逐級遞減的階梯狀分布；2015—2019年桂北Ⅱ級區域以河池市為中心向東西兩側擴張，其西側的百色市由Ⅰ級區域升為Ⅱ級區域，其東側的柳州市和桂林市由Ⅲ級區域降為Ⅱ級區域，最終形成Ⅱ級區域連片分布的空間特征；在桂南地區，貴港市和玉林市均由Ⅴ級區域降為Ⅳ級區域，南寧市成為廣西全區唯一的Ⅴ級區域。從總體上看，在2011—2019年廣西稻田生態服務凈價值的空間分布格局中，桂北地區格局基本保持不變，以Ⅱ級區域連片分布為主，占總城市數的50%；在桂南地區，生態凈價值中心由玉林市向西北遷移至南寧市，形成以南寧市為中心向四周逐級遞減的空間分布特征。

(3)負面生態服務價值的時空演變特征 從圖2-G和圖2-H還可看出，2011—2015年廣西稻田生態系統負面生態服務價值基本保持南高北低的態勢，桂北Ⅲ級區域有所增加，桂南Ⅳ級區域分別向Ⅲ級區域和Ⅴ級區域轉變。其中，Ⅲ級區域自南向北擴展，形成南北一線的空間分布特征，城市數量增加至4個，分別為欽州市、貴港市、柳州市和桂林市；Ⅱ級區域以梧州市、來賓市和河池市為主，形成東西一線的空間分布格局。同時，在桂南地區的貴港市由Ⅳ級區域降為Ⅲ級區域，而南寧市由Ⅳ級區域升至Ⅴ級區域，負面生態服務價值總體上呈現南高北低的分布特征。2015—2019年桂北邊緣城市柳州市和桂林市由Ⅲ級區域降為Ⅱ級區域(圖2-H，2-I)，使桂北地區Ⅱ級區域呈現連片分布的空間特征；桂南地區Ⅳ級區域向北蔓延，其中貴港市由Ⅲ級區域轉變為Ⅳ級區域。綜上所述，2011—2019年廣西稻田生態系統負面生態服務價值的時空演變呈現周期性變化特征，2019年負面生態服務價值的空間分布格局與2011年基本一致。

圖2 2011—2019年廣西稻田生態系統服務價值的時空演變特征Fig.2 Spatial-temporal evolution characteristics of paddy field ecosystem service value in Guangxi from 2011 to 2019

2.2.2 各類生態服務價值的空間分布格局 (1)正面生態服務價值的空間分布格局 由圖3A～F可知，涵養水源價值與水質凈化價值在2019年廣西稻田生態系統的正面生態服務價值中占據主導地位，主要分布在桂東南和桂北地區，在其他區域分布相對較少。其中，涵養水源價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市、欽州市及桂北地區的桂林市，價值量分別為20.01億、17.20億、15.54億、10.43億和16.47億元，合計占涵養水源價值總量的60.05%；水質凈化價值空間分布特征與涵養水源價值的空間分布特征較一致，其價值量也主要分布于上述5個地級市，分別為29.18億、25.05億、22.63億、15.18億和23.84億元，合計占水質凈化價值總量的60.05%。其余4項正面生態服務價值量相對較小，但其空間分布仍以桂南地區為主。其中，氣體調節價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市及桂北地區的桂林市，價值量分別為5.26億、5.09億、4.36億和4.82億元，合計占氣體調節價值總量的54.00%；氣候調節價值主要分布在桂南地區的貴港市、欽州市、玉林市、南寧市，桂西地區的百色市，以及桂北地區的桂林市，價值量分別為1.04億、0.59億、0.52億、0.51億、0.51億和0.60億元，合計占氣候調節價值總量的71.70%；土壤保持價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市及桂北地區的桂林市，價值量分別為5.22億、4.46億、4.03億和4.16億元，合計占土壤保持價值總量的52.17%；維持生物多樣性價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市及桂北地區的桂林市，價值量分別為2.44億、2.10億、1.89億和2.00億元，合計占維持生物多樣性價值總量的52.18%。

(2)負面生態服務價值的空間分布格局 在2項負面生態服務價值中，溫室氣體排放是主要來源，農用化學品污染價值量占比相對較少。其中，溫室氣體排放負面價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市及桂北地區的桂林市，價值量分別為19.96億、17.16億、15.50億和16.44億元，合計占溫室氣體排放負面價值總量的52.19%；農用化學品污染負面價值主要分布在桂南地區的南寧市、玉林市、貴港市、欽州市及桂北地區的桂林市，價值量分別為1.73億、1.68億、1.44億、0.92億和1.59億元，合計占農用化學品污染負面價值總量的61.90%(圖3-G，3-H)。

圖3 2019年廣西稻田生態系統服務價值的正面與負面生態服務價值Fig.3 Positive and negative ecological service value of paddy field ecosystem in Guangxi in 2019

3 討 論

在稻田生態系統服務價值評估方面，劉利花等[6]評估的是2012年蘇州市稻田生態系統服務價值，薛寶林等[13]評估的是2020年湖南省稻田生態系統服務價值，涉及的均是單一區域和單一年度，而本研究在評估區域上涵蓋了廣西區級和市級2個空間層面，且時間跨度長達10年，能更全面地揭示稻田生態系統服務價值的時空變化特征。在西部地區，2008—2017年新疆農田生態系統服務價值總量呈先升高再略微下降的變化趨勢[26]；在中部地區，2010—2020年湖南省農田生態系統服務價值總量呈現顯著增長趨勢[14]；在東部地區，2005—2015年山東省聊城市農田生態系統服務價值總量持續增長[27]。結合本研究2011—2020年廣西全區稻田生態系統服務價值總量變化不明顯，但總體上呈先升高后降低再升高變化趨勢的分析結果可發現，針對全國各區域農田生態系統服務價值總量變化趨勢的研究結果較一致，均認為隨著時間的變化，農田生態系統服務價值總量總體上保持上升趨勢，表明近年來我國農田生態修復與保護工程取得了較好成效。

本研究結果顯示，2011—2019年廣西稻田生態系統服務價值主要集中在桂南地區，且呈現南高北低的空間分布格局，應與桂南地區的南寧市、玉林市、欽州市和貴港市等均為廣西水稻產區，其中南寧盆地、玉林盆地和貴港以西的郁江平原均為水稻生長的氣候適宜區有關。諸多學者對草原、森林和流域等各類農業生態系統服務價值空間分布特征的研究結果表明，1982—2014年內蒙古全區溫帶草原生態系統服務價值呈現由東北向西南逐漸降低的空間分布特征[16]，2012年京津冀森林生態系統各類服務價值呈現西北高、東南低的空間分布特征[17]，2005—2013年鄱陽湖流域生態服務價值空間分布不均衡，其中鄱陽湖及附近區域的生態服務價值遠高于其他地區[28]。以上研究結果表明，不同農業生態系統的服務價值空間分布格局具有差異性。其原因主要在于農業生態系統類型受到地理與氣候因素的影響，且其所包含的動植物和農業生產活動存在差異。本研究還發現，2019年廣西稻田生態系統的正面和負面生態服務價值呈現南北高、東西低的空間分布特征，與熊娜等[29]研究得出廣西水稻秸稈資源主要分布在其南、北地區的空間格局基本一致，均顯示廣西稻田生態系統的空間分布以桂南與桂北地區為主，說明本研究結論具有一定的合理性，可為廣西各地政府部門保護稻田生態環境、維護糧食產量安全和農業生態平衡提供決策參考。

目前，廣西正在逐步推廣間歇灌溉、綠肥種植和生物農藥施用等水稻綠色生產技術[30]。受限于數據的可獲得性，本研究忽略了水稻綠色生產技術在降低水稻溫室氣體排放量及減輕農用化學品污染方面的貢獻。針對以上不足，在未來的研究中將進一步完善稻田生態系統服務價值的指標體系構建，并通過大田試驗數據精確評估各項水稻綠色生產技術對稻田生態系統服務價值的提升效果。

4 結 論

2011—2020年廣西稻田生態系統服務價值總量變化不明顯，但總體上呈先升高后降低再升高的變化趨勢；在其時空演變進程中，桂北地區稻田生態服務價值的空間分布格局基本保持不變，桂南地區稻田生態服務價值總量中心由東南邊界的玉林市轉移至中心城市南寧市，形成以南寧市為中心向四周遞減的階梯狀分布格局；2019年廣西稻田生態系統的正面和負面生態服務價值主要分布在桂南和桂北地區，形成南北高、東西低的空間分布格局。