農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估——以嘉馥農(nóng)場為例

牛端丹，余文暢，高力，楊正新，樊丹，李兆華

(1. 湖北大學資源環(huán)境學院， 湖北 武漢 430062； 2.宜昌市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)保站， 湖北 宜昌 443000；3.黃岡市浠水農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)保站， 湖北 黃岡 438000； 4.宜昌嘉馥農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司， 湖北 宜昌 443000；5.湖北省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)保站， 湖北 武漢 430000)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)這一概念的提出之后，形成了很多以生態(tài)系統(tǒng)為基礎的科學性系統(tǒng)學科體系，比如生態(tài)系統(tǒng)的服務功能.首先是Daily[1](1997)定義生態(tài)系統(tǒng)的服務功能為生態(tài)系統(tǒng)在維持人類生存所產(chǎn)生的效應.緊接著Costanza 等[2](1997)對其做了更加詳細的劃分，他們將生態(tài)系統(tǒng)的服務功能分為如干擾調(diào)節(jié)、土壤形成、營養(yǎng)循環(huán)、廢物處理、授粉、生物控制、棲息地、基因資源、娛樂、文化等17種類型.由于生態(tài)系統(tǒng)的空間分布的差異性，所以對于每個地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的服務價值的評估就存在一定的誤差，我國也開始對生態(tài)系統(tǒng)的服務功能價值的研究.歐陽志云等[3]對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的定義作出了解釋，并且得出陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值，對促進人類可持續(xù)發(fā)展有重大作用.謝高地等[4]指出全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的代表是基于全球靜態(tài)總平衡輸入輸出模型的評估和基于全球靜態(tài)部分平衡模型的評估.在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究中，趙榮欽等[5]對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了界定和分類，指出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能可分為提供農(nóng)產(chǎn)品和輕工業(yè)原料來源、碳匯功能、維待區(qū)域生態(tài)平衡、改良土壤、提供自然環(huán)境的美學、社會文化科學、教育、精神和文化的價值等方面，并且給出了對每個功能的單項評價和綜合評價方法.肖玉等[6]對稻田生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)服務功能和價值進行了評估.尹飛等[7]對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的形成機制進行了歸納.肖玉等[8]將華北平原的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能分成了初級產(chǎn)品生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、土壤有機質積累、水調(diào)節(jié)和碳素轉化5個，提出在計算服務功能的正效應同時，也要關注負效應產(chǎn)生.

生態(tài)系統(tǒng)一般劃分為森林、濕地、草地、農(nóng)田和水域等，而每個地區(qū)的各種服務價值所占的比例也不相同.目前對于森林、濕地、草地等生態(tài)系統(tǒng)服務功能的研究較多，但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)缺少統(tǒng)一的價值評估方法和標準，只能體現(xiàn)其外部經(jīng)濟價值.

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類依靠土地資源，利用農(nóng)田生物與非生物環(huán)境之間以及農(nóng)田生物種群之間的關系來進行人類所需食物和其他農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的半自然人工生態(tài)系統(tǒng)[9].農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)屬于復合生態(tài)系統(tǒng)，人們往往重視其產(chǎn)生的經(jīng)濟價值，而忽略了它帶來的生態(tài)價值，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈化空氣、涵養(yǎng)水源、保持水土、消納廢物等生態(tài)功能，認知啟迪、怡情養(yǎng)性等社會功能對于人類社會的持續(xù)發(fā)展同樣具有重要的作用.另外，在過去的50年中，世界范圍內(nèi)40%的農(nóng)田出現(xiàn)退化[10]，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能被弱化.而我國是典型的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的服務功能除了可以直觀體現(xiàn)的農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量收入以外，其他都是間接表現(xiàn)出來的價值.所以需要一定的統(tǒng)一計算方式，可以明顯地看出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的價值，很好地評估農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為人類生活提供的服務，還可以橫向比較幾年間農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，從而得出周圍環(huán)境的變化和提醒人們對于環(huán)境的優(yōu)化所需要的一些行為和建議.本文中重點研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能，對于一些難以準確計算出來的服務功能價值，采用層次分析法和模糊評價法，對得出的結果進行評價.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域介紹嘉馥農(nóng)場是以“豬-沼-菜”為主要循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的生態(tài)農(nóng)場，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量增加、帶動農(nóng)村人均收入的經(jīng)濟效益，成為循環(huán)農(nóng)業(yè)示范點，具有一定農(nóng)業(yè)推廣影響的社會效益，以及改善周圍生態(tài)環(huán)境的生態(tài)效益，形成了穩(wěn)定的養(yǎng)分循環(huán)利用和農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術.本次研究選擇湖北省宜昌市嘉馥生態(tài)菜園的蔬菜基地作為試驗區(qū)，選擇整個基地區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)提供的服務功能作為研究對象.基地蔬菜土地面積為150畝(6 667 m2，全文同)，果樹面積為60畝.研究區(qū)域與江漢平原相連，地勢平坦，主要由丘陵崗地組成，位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降雨量1 215.6 mm，平均氣溫16.9 ℃.基地分為ABC 3大功能區(qū)，其中A區(qū)為“豬-沼-菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)，種養(yǎng)殖示范區(qū)；B區(qū)為高效綠色蔬菜種植區(qū)，采用輪作的種植方式，使用水肥一體化技術；C區(qū)為集綠色產(chǎn)品采摘、體驗、休閑、餐飲、科普宣傳、農(nóng)耕文化于一體的多功能綜合區(qū).基地具體分布圖如圖1所示.

圖1 嘉馥農(nóng)場地圖

1.2 研究方法

1.2.1 服務價值評估指標體系的構建 將生態(tài)系統(tǒng)的服務功能綜合效益評價(表1)分成2個準則層，分別是直接價值(B1)和間接價值(B2).其中直接價值是農(nóng)場的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量以及農(nóng)場所帶來的旅游方面可以直接反映出來的價值，包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能價值(C11)和觀光旅游帶來的價值(C12)；間接價值就是整個生態(tài)系統(tǒng)實際產(chǎn)出的有益的生態(tài)效益，但是無法直接明了地反映出來，只能通過一定的轉化或者替代的方法計算出來，包括調(diào)節(jié)大氣功能(C21)、水土保持功能(C22)、環(huán)境凈化功能(C23)、養(yǎng)分循環(huán)功能(C24).

表1 農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價體系

1.2.2 各指標權重計算 首先確定目標層次的權重，本研究采用層次分析法來確定各指標相對于目標層的權重值，邀請了專家對各指標的因子進行判斷統(tǒng)計打分.專家根據(jù)自己的經(jīng)驗對各項指標進行打分，重要性用1、3、5、7、9表示，重要性依次增加[11].最終根據(jù)專家打分檢驗一致性和符合實際情況等原則，得出各準則層判斷矩陣(表2～4)為：

表2 準則層權重

表3 直接價值權重

表4 間接價值權重

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可以得出權重WA=(0.33,0.67),WB1=(0.875,0.125),WB2=(0.54,0.24,0.23,0.09),權重值匯總如下表所示：

表5 各指標權重匯總

由圖2可知，要素層占目標層比重大于0.1的有3項，分別為：農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能價值、調(diào)節(jié)大氣功能價值和水文調(diào)節(jié)功能價值.農(nóng)場建設的主要目的還是生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，所以農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)價值是十分重要的.再者在農(nóng)場品生產(chǎn)的過程中，植物對大氣的調(diào)節(jié)作用，以及農(nóng)場的灌溉水和雨水的調(diào)節(jié)作用，都是農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)服務功能中重要的一環(huán)，這也體現(xiàn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要性.

圖2 綜合效益指標權重圖

1.2.3 單項指標評判標準 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估指標體系主要包括定性指標和定量指標2大類.對于可以計算出來的定量化的指標，對其歸一化處理，對于剩下的定性類的指標應該盡可能使它數(shù)量化.

1)歸一化.由于定量指標的每個值的范圍不同，所以需要進行歸一化處理，將定量的值轉化到[0,1]之間.根據(jù)指標選擇一個合適的最大值和最小值，分別用Rmax和Rmin表示，再用下面的公式來表示標準值r.

2)定量指標單因素評判.設立某指標的合理范圍的最大最小值域[a,b]，將[a,b]分成5個子集[a1,b1],[a2,b2],[a3,b3],[a4,b4],[a5,b5],再根據(jù)各指標的數(shù)據(jù)所在的范圍求得隸屬矩陣.

通過農(nóng)場最近3年的農(nóng)產(chǎn)品銷量收入和農(nóng)場期望達到的農(nóng)場收入標準，從而得出農(nóng)場的服務功能中定量指標(表6)的最大值最小值范圍，用Bmax和Bmin表示.農(nóng)場在2015年的農(nóng)場收入為1 650萬元，而農(nóng)場計劃進一步建成綠色產(chǎn)品供應和現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)，年收入達到8 000萬元.農(nóng)場觀光旅游帶來的收益主要來自于草莓、番茄等水果的采摘，計算了3年的采摘收入，2017年為2 160萬元，2018年為1 995萬元，而2019年的采摘收入為1 080萬元.

表6 定量指標取值范圍

再根據(jù)各指標取值范圍(表7)劃分為：“非常好”(V1)、“較好”(V2)、“一般”(V3)、“不太好”(V4)、“很不好”(V5)5個級別[12-15].

表7 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估等級指標

2 結果與分析

2.1 單項指標隸屬矩陣

2.1.1 定量指標隸屬度 定量指標都屬于越大越好型指標，當計算值大于或等于最大值時，則認為隸屬度是1.

1)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能價值.嘉馥農(nóng)場種植蔬菜的土地面積150畝，2019年蔬菜瓜果播種面積306.7畝，產(chǎn)量841.1噸，平均單產(chǎn)2 742 kg.莖葉菜類的總產(chǎn)量為392.65噸，根菜類的產(chǎn)量為74.7噸，豆角類產(chǎn)量為20.25噸，瓜菜類產(chǎn)量為132.5噸，瓜果類產(chǎn)量為91噸.根據(jù)農(nóng)場售出的價格進行計算，得出的年農(nóng)場品生產(chǎn)功能價值為7 277.216萬元，帶入上述隸屬度的計算公式，得出RC11=(0.587,0.413,0,0,0).

2.1.2 定性指標隸屬度 定性指標隸屬度計算，根據(jù)間接價值的評估體系的層次結構圖，邀請了循環(huán)農(nóng)業(yè)方面和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)保站的5位專家，參照評價標準，進行定性指標的單因素評價.

1)調(diào)節(jié)大氣功能價值.嘉馥農(nóng)場是一個現(xiàn)代化的生態(tài)農(nóng)場，在園區(qū)種植的樹木很多.并且農(nóng)場建設在郊區(qū)，環(huán)境優(yōu)美，周圍沒有工廠，基本都是樹木和農(nóng)田等.空氣質量良好，農(nóng)場也是采取循環(huán)農(nóng)業(yè)的方式經(jīng)營，植物對二氧化碳的固定和氧氣的釋放的功能都有一定的效果，所以調(diào)節(jié)大氣的單因素隸屬度RC21=(0.6,0.4,0,0,0).

2) 水土保持功能價值.嘉馥農(nóng)場采用的是種養(yǎng)結合的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，從源頭上減少了化肥和農(nóng)藥的使用，通過無害化養(yǎng)豬，從肥料源頭消除重金屬與抗生素污染，將豬、雞等畜禽糞便，固液分離后，固體糞便與秸稈一起堆漚發(fā)酵后作底肥，液體摻入粉碎后的秸稈在密封的沼氣池中微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼液用于灌溉蔬菜果樹.對園區(qū)的土壤的養(yǎng)分情況進行檢測(表8)，根據(jù)土壤養(yǎng)分等級分級標準，A區(qū)土壤中有機質和全氮達到四級肥力水平，堿解氮和速效鉀達到二級肥力水平，全磷達到三級肥力水平，有效磷達到一級肥力水平，土壤養(yǎng)分含量很高，適合蔬菜生長；B區(qū)土壤中有機質、速效鉀和全氮達到四級肥力水平，堿解氮和有效磷達到二級肥力水平，全磷達到五級肥力水平，土壤養(yǎng)分含量較為豐富.而農(nóng)場的內(nèi)外部灌溉水基本上是符合IV類水質的標準，種植農(nóng)作物也會減少耕地的廢棄以及泥沙淤積的危害，有一定的抵抗能力.種植農(nóng)作物或者植物會降低水土流失，而土壤也具有一定的保水能力，增加降水截留.因此水土保持的單因素隸屬度為RC22=(0,0.7,0.3,0,0).

表8 基地農(nóng)業(yè)環(huán)境主要指標檢測

3)環(huán)境凈化功能價值.嘉馥農(nóng)場所使用的肥料都是畜禽糞便和秸稈發(fā)酵產(chǎn)生，可以減少畜禽糞便和秸稈所帶來的環(huán)境污染，同時還有效利用了資源.農(nóng)作物會吸收其中的營養(yǎng)物質，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣也能提供居民的日常做飯所需.由于農(nóng)場在郊區(qū)，空氣質量良好，周圍沒有工業(yè)源等，所以對大氣的凈化功能的價值比較低，因此環(huán)境凈化的單因素隸屬度為RC23=(0,0,0.8,0.2,0).

4)養(yǎng)分循環(huán)價值.嘉馥農(nóng)場選擇的是“豬-沼-菜”模式的循環(huán)農(nóng)業(yè)，是一個全循環(huán)模式，規(guī)模化養(yǎng)殖生豬產(chǎn)生的糞便，經(jīng)過發(fā)酵堆肥生成有機肥料，用于農(nóng)作物施肥，秋后農(nóng)作物收貨后剩余的尾菜進行加工后，與玉米、豆粕等用于豬飼料(圖3)，其養(yǎng)分循環(huán)流程見圖4.農(nóng)場的養(yǎng)分充足，氮元素有些盈余，而磷元素有少許虧損，總的來說土壤養(yǎng)分含量較高，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量較高，所以養(yǎng)分循環(huán)的單因素隸屬度為RC24=(0.5,0.5,0,0,0).

圖3a 尾菜的堆肥

圖3b 畜禽糞便的發(fā)酵堆肥

圖4 嘉馥農(nóng)場養(yǎng)分循環(huán)流程圖

2.2 分組綜合評價在確立了指標體系、隸屬矩陣和權重因子，現(xiàn)在對其服務功能進行評估，將單因子劃分為5個等級，并且賦予一定的分值，“非常好”為1分，“較好”為0.75分，“一般”為0.5分，“較差”為0.25分，“非常差”為0分，這樣就形成了相應的分值向量F=(1，0.75,0.5,0.25,0).

將權重矩陣W和隸屬矩陣R相乘組成評價矩陣H,再將評價矩陣和分值向量相乘F，最后可以得到生態(tài)系統(tǒng)的服務功能的評估值G，計算公式為：

H=W*R，G=H*F.

1)直接價值.

根據(jù)得出的評價矩陣HB1=(0.514,0.361,0,0.1,0.025)，可以看出農(nóng)場的直接價值有51.4%來自于“非常好”，36.1%來自于“較好”，10%來自于“不太好”，2.5%來自于“非常不好”.說明農(nóng)場的直接生產(chǎn)效益情況較好，基本完成了農(nóng)場的經(jīng)濟生產(chǎn)效益，提高了農(nóng)場經(jīng)濟收入，對于農(nóng)場的經(jīng)濟建設的評估結果是基本合格的.

農(nóng)場的服務功能直接價值的評分為0.810，說明農(nóng)場總體的經(jīng)濟生產(chǎn)效益良好，但是還有可以提高的空間，可以多種一些經(jīng)濟價值高或者產(chǎn)量高的農(nóng)產(chǎn)品，提高農(nóng)場的經(jīng)濟收入.

2)間接價值.

根據(jù)得出的評價矩陣HB2=(0.364,0.354,0.226,0.046,0)，可以看出農(nóng)場的直接價值有36.9%來自“非常好”，35.9%來自于“較好”，22.6%來自于“一般”,4.6%來自于較差.該農(nóng)場是生態(tài)農(nóng)場建設的示范點，能夠促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境，對于農(nóng)場的生態(tài)建設的評估結果是合格的，可以繼續(xù)推行發(fā)展.

農(nóng)場的服務功能間接價值的評分為0.763，說明農(nóng)場對生態(tài)環(huán)境的改善效果良好，但是農(nóng)場的生態(tài)效益主要的來源還是農(nóng)場的農(nóng)田，因此可以適當?shù)財U大農(nóng)場的建設規(guī)模，建設生態(tài)水系等，更加有利于生態(tài)農(nóng)場的推廣.

2.3 總體綜合評價對于整體的服務功能進行評價，將權重矩陣WA和隸屬矩陣RA(HB1,HB2)相乘的HA，再和分值向量F相乘，得出最后的總體綜合評估值GA，觀察在分值的哪個范圍.

根據(jù)得出的評價矩陣HA=(0.417,0.360,0.151,0.064,0.008)，可以看出農(nóng)場的總體服務價值有41.7%來自“非常好”，36%來自于“較好”，15.1%來自于“一般”,6.4%來自于:“較差”，0.8%來自于“非常差”.該農(nóng)場的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值屬于較好.

農(nóng)場的總體服務功能的評分為0.779，其中間接價值的占比較大，直接價值的占比略低.農(nóng)場可以改善農(nóng)村的生活環(huán)境，提高農(nóng)場的經(jīng)濟收入，保護生態(tài)環(huán)境.但是農(nóng)場的建設總的來說還是以農(nóng)產(chǎn)品的種植和畜禽養(yǎng)殖為主，生態(tài)環(huán)境的建設為輔，所以要更加重視農(nóng)場的生態(tài)環(huán)境的建設，對于農(nóng)田的灌溉水以及畜禽糞便的處理等資源的利用，都要做到循環(huán)和不浪費，要防止面源污染.

3 討論

整個農(nóng)場的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值評價結果表明：農(nóng)場直接價值評價為“非常好”，農(nóng)場的間接價值評價為“較好”，綜合整體的評價結果為“較好”，直接價值在綜合整體評價結果中貢獻值最大.而劉小丹等[16]對北戴河區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價中，所算的間接價值是直接價值的1.09倍，謝志堅等[17]對紫云英-早稻-晚稻和冬閑-早稻-晚稻農(nóng)田系統(tǒng)中農(nóng)產(chǎn)品和輕工業(yè)原料供給服務占系統(tǒng)服務總價值的比例均超過60%.元媛等[18]評價欒城縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能正負效應時，認為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能價值是最主要的服務功能，與其他研究結果不同，這可能是計算和評價方法不一樣.另外，本文中的農(nóng)產(chǎn)品主要是蔬菜瓜果，蔬菜的種植期短，一年可種植多批次[19]，所以表現(xiàn)的直接價值功能好.在蔬菜種植期間，為了得到良好的收益效果，也會使用化肥來增產(chǎn)，這也就會產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)服務功能負效應，造成環(huán)境污染，需要在施肥方面進行優(yōu)化調(diào)整.

農(nóng)場的直接價值評價結果比間接價值高，說明農(nóng)場非常好地提供了農(nóng)產(chǎn)品作物等外部經(jīng)濟價值，但在生態(tài)環(huán)境保護方面還有提高的空間.周湛[19]將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)劃分為茶園、稻田、蔬菜園和葡萄園進行對比分析，蔬菜和葡萄的經(jīng)濟效益高，在生態(tài)效益中固氮釋氧提供的價值最高，生態(tài)效益和經(jīng)濟效益呈正相關關系.因此，多使用有機肥，減少面源污染，土壤養(yǎng)分流失，充分發(fā)揮生態(tài)效益.本研究是對農(nóng)場一年所提供的間接生態(tài)系統(tǒng)服務功能采用模糊評價法，可能存在一定誤差，下一步研究將有針對性地對農(nóng)場進行長期定位監(jiān)測，獲得準確數(shù)據(jù)，使評價結果更加準確、全面.

4 結論

農(nóng)場提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能由直接價值和間接價值組成，每個功能占比不同，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能、調(diào)節(jié)大氣功能和水文調(diào)節(jié)功能占比最大，從評價結果來看，直接價值的貢獻值大于間接價值，說明農(nóng)場還是以提供經(jīng)濟價值為主.但是隨著生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對生態(tài)資源的保護和減少化肥的使用，提供的生態(tài)效益會不斷增加，超過經(jīng)濟效益.發(fā)展現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)是提高農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)服務功能的有效途徑.