农田生态系统服务功能价值评估——以嘉馥农场为例

牛端丹，余文畅，高力，杨正新，樊丹，李兆华

(1. 湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062； 2.宜昌市农业生态环保站， 湖北 宜昌 443000；3.黄冈市浠水农业生态环保站， 湖北 黄冈 438000； 4.宜昌嘉馥农业开发有限公司， 湖北 宜昌 443000；5.湖北省农业生态环保站， 湖北 武汉 430000)

0 引言

生态系统这一概念的提出之后，形成了很多以生态系统为基础的科学性系统学科体系，比如生态系统的服务功能.首先是Daily[1](1997)定义生态系统的服务功能为生态系统在维持人类生存所产生的效应.紧接着Costanza 等[2](1997)对其做了更加详细的划分，他们将生态系统的服务功能分为如干扰调节、土壤形成、营养循环、废物处理、授粉、生物控制、栖息地、基因资源、娱乐、文化等17种类型.由于生态系统的空间分布的差异性，所以对于每个地区的生态系统的服务价值的评估就存在一定的误差，我国也开始对生态系统的服务功能价值的研究.欧阳志云等[3]对生态系统服务功能的定义作出了解释，并且得出陆地生态系统服务功能价值，对促进人类可持续发展有重大作用.谢高地等[4]指出全球生态系统服务价值评估的代表是基于全球静态总平衡输入输出模型的评估和基于全球静态部分平衡模型的评估.在农田生态系统的研究中，赵荣钦等[5]对农田生态系统服务功能进行了界定和分类，指出农田生态系统的功能可分为提供农产品和轻工业原料来源、碳汇功能、维待区域生态平衡、改良土壤、提供自然环境的美学、社会文化科学、教育、精神和文化的价值等方面，并且给出了对每个功能的单项评价和综合评价方法.肖玉等[6]对稻田生态系统的气体调节服务功能和价值进行了评估.尹飞等[7]对农田生态系统服务功能的形成机制进行了归纳.肖玉等[8]将华北平原的农田生态系统服务功能分成了初级产品生产、气体调节、土壤有机质积累、水调节和碳素转化5个，提出在计算服务功能的正效应同时，也要关注负效应产生.

生态系统一般划分为森林、湿地、草地、农田和水域等，而每个地区的各种服务价值所占的比例也不相同.目前对于森林、湿地、草地等生态系统服务功能的研究较多，但农田生态系统缺少统一的价值评估方法和标准，只能体现其外部经济价值.

农田生态系统是人类依靠土地资源，利用农田生物与非生物环境之间以及农田生物种群之间的关系来进行人类所需食物和其他农产品生产的半自然人工生态系统[9].农田生态系统属于复合生态系统，人们往往重视其产生的经济价值，而忽略了它带来的生态价值，农田生态系统的净化空气、涵养水源、保持水土、消纳废物等生态功能，认知启迪、怡情养性等社会功能对于人类社会的持续发展同样具有重要的作用.另外，在过去的50年中，世界范围内40%的农田出现退化[10]，农田生态系统服务功能被弱化.而我国是典型的农业大国，农业生态系统的服务功能除了可以直观体现的农产品的产量收入以外，其他都是间接表现出来的价值.所以需要一定的统一计算方式，可以明显地看出农业生态系统所表现出来的价值，很好地评估农业生态系统为人类生活提供的服务，还可以横向比较几年间农业生态系统服务价值的变化，从而得出周围环境的变化和提醒人们对于环境的优化所需要的一些行为和建议.本文中重点研究农田生态系统服务功能，对于一些难以准确计算出来的服务功能价值，采用层次分析法和模糊评价法，对得出的结果进行评价.

1 材料与方法

1.1 研究区域介绍嘉馥农场是以“猪-沼-菜”为主要循环农业模式的生态农场，实现农产品产量增加、带动农村人均收入的经济效益，成为循环农业示范点，具有一定农业推广影响的社会效益，以及改善周围生态环境的生态效益，形成了稳定的养分循环利用和农业废弃物资源化利用技术.本次研究选择湖北省宜昌市嘉馥生态菜园的蔬菜基地作为试验区，选择整个基地区域的生态系统提供的服务功能作为研究对象.基地蔬菜土地面积为150亩(6 667 m2，全文同)，果树面积为60亩.研究区域与江汉平原相连，地势平坦，主要由丘陵岗地组成，位于中亚热带与北亚热带的过渡地带，属亚热带季风性湿润气候，年平均降雨量1 215.6 mm，平均气温16.9 ℃.基地分为ABC 3大功能区，其中A区为“猪-沼-菜”循环农业，种养殖示范区；B区为高效绿色蔬菜种植区，采用轮作的种植方式，使用水肥一体化技术；C区为集绿色产品采摘、体验、休闲、餐饮、科普宣传、农耕文化于一体的多功能综合区.基地具体分布图如图1所示.

图1 嘉馥农场地图

1.2 研究方法

1.2.1 服务价值评估指标体系的构建 将生态系统的服务功能综合效益评价(表1)分成2个准则层，分别是直接价值(B1)和间接价值(B2).其中直接价值是农场的农产品产量以及农场所带来的旅游方面可以直接反映出来的价值，包括农产品生产功能价值(C11)和观光旅游带来的价值(C12)；间接价值就是整个生态系统实际产出的有益的生态效益，但是无法直接明了地反映出来，只能通过一定的转化或者替代的方法计算出来，包括调节大气功能(C21)、水土保持功能(C22)、环境净化功能(C23)、养分循环功能(C24).

表1 农场生态系统服务功能评价体系

1.2.2 各指标权重计算 首先确定目标层次的权重，本研究采用层次分析法来确定各指标相对于目标层的权重值，邀请了专家对各指标的因子进行判断统计打分.专家根据自己的经验对各项指标进行打分，重要性用1、3、5、7、9表示，重要性依次增加[11].最终根据专家打分检验一致性和符合实际情况等原则，得出各准则层判断矩阵(表2～4)为：

表2 准则层权重

表3 直接价值权重

表4 间接价值权重

根据上表数据，可以得出权重WA=(0.33,0.67),WB1=(0.875,0.125),WB2=(0.54,0.24,0.23,0.09),权重值汇总如下表所示：

表5 各指标权重汇总

由图2可知，要素层占目标层比重大于0.1的有3项，分别为：农产品生产功能价值、调节大气功能价值和水文调节功能价值.农场建设的主要目的还是生产农产品，所以农产品的生产价值是十分重要的.再者在农场品生产的过程中，植物对大气的调节作用，以及农场的灌溉水和雨水的调节作用，都是农场生态系统服务功能中重要的一环，这也体现了生态农业的重要性.

图2 综合效益指标权重图

1.2.3 单项指标评判标准 生态系统服务功能评估指标体系主要包括定性指标和定量指标2大类.对于可以计算出来的定量化的指标，对其归一化处理，对于剩下的定性类的指标应该尽可能使它数量化.

1)归一化.由于定量指标的每个值的范围不同，所以需要进行归一化处理，将定量的值转化到[0,1]之间.根据指标选择一个合适的最大值和最小值，分别用Rmax和Rmin表示，再用下面的公式来表示标准值r.

2)定量指标单因素评判.设立某指标的合理范围的最大最小值域[a,b]，将[a,b]分成5个子集[a1,b1],[a2,b2],[a3,b3],[a4,b4],[a5,b5],再根据各指标的数据所在的范围求得隶属矩阵.

通过农场最近3年的农产品销量收入和农场期望达到的农场收入标准，从而得出农场的服务功能中定量指标(表6)的最大值最小值范围，用Bmax和Bmin表示.农场在2015年的农场收入为1 650万元，而农场计划进一步建成绿色产品供应和现代化生态农业示范区，年收入达到8 000万元.农场观光旅游带来的收益主要来自于草莓、番茄等水果的采摘，计算了3年的采摘收入，2017年为2 160万元，2018年为1 995万元，而2019年的采摘收入为1 080万元.

表6 定量指标取值范围

再根据各指标取值范围(表7)划分为：“非常好”(V1)、“较好”(V2)、“一般”(V3)、“不太好”(V4)、“很不好”(V5)5个级别[12-15].

表7 生态系统服务价值评估等级指标

2 结果与分析

2.1 单项指标隶属矩阵

2.1.1 定量指标隶属度 定量指标都属于越大越好型指标，当计算值大于或等于最大值时，则认为隶属度是1.

1)农产品生产功能价值.嘉馥农场种植蔬菜的土地面积150亩，2019年蔬菜瓜果播种面积306.7亩，产量841.1吨，平均单产2 742 kg.茎叶菜类的总产量为392.65吨，根菜类的产量为74.7吨，豆角类产量为20.25吨，瓜菜类产量为132.5吨，瓜果类产量为91吨.根据农场售出的价格进行计算，得出的年农场品生产功能价值为7 277.216万元，带入上述隶属度的计算公式，得出RC11=(0.587,0.413,0,0,0).

2.1.2 定性指标隶属度 定性指标隶属度计算，根据间接价值的评估体系的层次结构图，邀请了循环农业方面和农业生态环保站的5位专家，参照评价标准，进行定性指标的单因素评价.

1)调节大气功能价值.嘉馥农场是一个现代化的生态农场，在园区种植的树木很多.并且农场建设在郊区，环境优美，周围没有工厂，基本都是树木和农田等.空气质量良好，农场也是采取循环农业的方式经营，植物对二氧化碳的固定和氧气的释放的功能都有一定的效果，所以调节大气的单因素隶属度RC21=(0.6,0.4,0,0,0).

2) 水土保持功能价值.嘉馥农场采用的是种养结合的循环农业模式，从源头上减少了化肥和农药的使用，通过无害化养猪，从肥料源头消除重金属与抗生素污染，将猪、鸡等畜禽粪便，固液分离后，固体粪便与秸秆一起堆沤发酵后作底肥，液体掺入粉碎后的秸秆在密封的沼气池中微生物发酵产生沼液用于灌溉蔬菜果树.对园区的土壤的养分情况进行检测(表8)，根据土壤养分等级分级标准，A区土壤中有机质和全氮达到四级肥力水平，碱解氮和速效钾达到二级肥力水平，全磷达到三级肥力水平，有效磷达到一级肥力水平，土壤养分含量很高，适合蔬菜生长；B区土壤中有机质、速效钾和全氮达到四级肥力水平，碱解氮和有效磷达到二级肥力水平，全磷达到五级肥力水平，土壤养分含量较为丰富.而农场的内外部灌溉水基本上是符合IV类水质的标准，种植农作物也会减少耕地的废弃以及泥沙淤积的危害，有一定的抵抗能力.种植农作物或者植物会降低水土流失，而土壤也具有一定的保水能力，增加降水截留.因此水土保持的单因素隶属度为RC22=(0,0.7,0.3,0,0).

表8 基地农业环境主要指标检测

3)环境净化功能价值.嘉馥农场所使用的肥料都是畜禽粪便和秸秆发酵产生，可以减少畜禽粪便和秸秆所带来的环境污染，同时还有效利用了资源.农作物会吸收其中的营养物质，发酵产生的沼气也能提供居民的日常做饭所需.由于农场在郊区，空气质量良好，周围没有工业源等，所以对大气的净化功能的价值比较低，因此环境净化的单因素隶属度为RC23=(0,0,0.8,0.2,0).

4)养分循环价值.嘉馥农场选择的是“猪-沼-菜”模式的循环农业，是一个全循环模式，规模化养殖生猪产生的粪便，经过发酵堆肥生成有机肥料，用于农作物施肥，秋后农作物收货后剩余的尾菜进行加工后，与玉米、豆粕等用于猪饲料(图3)，其养分循环流程见图4.农场的养分充足，氮元素有些盈余，而磷元素有少许亏损，总的来说土壤养分含量较高，农产品产量较高，所以养分循环的单因素隶属度为RC24=(0.5,0.5,0,0,0).

图3a 尾菜的堆肥

图3b 畜禽粪便的发酵堆肥

图4 嘉馥农场养分循环流程图

2.2 分组综合评价在确立了指标体系、隶属矩阵和权重因子，现在对其服务功能进行评估，将单因子划分为5个等级，并且赋予一定的分值，“非常好”为1分，“较好”为0.75分，“一般”为0.5分，“较差”为0.25分，“非常差”为0分，这样就形成了相应的分值向量F=(1，0.75,0.5,0.25,0).

将权重矩阵W和隶属矩阵R相乘组成评价矩阵H,再将评价矩阵和分值向量相乘F，最后可以得到生态系统的服务功能的评估值G，计算公式为：

H=W*R，G=H*F.

1)直接价值.

根据得出的评价矩阵HB1=(0.514,0.361,0,0.1,0.025)，可以看出农场的直接价值有51.4%来自于“非常好”，36.1%来自于“较好”，10%来自于“不太好”，2.5%来自于“非常不好”.说明农场的直接生产效益情况较好，基本完成了农场的经济生产效益，提高了农场经济收入，对于农场的经济建设的评估结果是基本合格的.

农场的服务功能直接价值的评分为0.810，说明农场总体的经济生产效益良好，但是还有可以提高的空间，可以多种一些经济价值高或者产量高的农产品，提高农场的经济收入.

2)间接价值.

根据得出的评价矩阵HB2=(0.364,0.354,0.226,0.046,0)，可以看出农场的直接价值有36.9%来自“非常好”，35.9%来自于“较好”，22.6%来自于“一般”,4.6%来自于较差.该农场是生态农场建设的示范点，能够促进农业的发展和改善生态环境，对于农场的生态建设的评估结果是合格的，可以继续推行发展.

农场的服务功能间接价值的评分为0.763，说明农场对生态环境的改善效果良好，但是农场的生态效益主要的来源还是农场的农田，因此可以适当地扩大农场的建设规模，建设生态水系等，更加有利于生态农场的推广.

2.3 总体综合评价对于整体的服务功能进行评价，将权重矩阵WA和隶属矩阵RA(HB1,HB2)相乘的HA，再和分值向量F相乘，得出最后的总体综合评估值GA，观察在分值的哪个范围.

根据得出的评价矩阵HA=(0.417,0.360,0.151,0.064,0.008)，可以看出农场的总体服务价值有41.7%来自“非常好”，36%来自于“较好”，15.1%来自于“一般”,6.4%来自于:“较差”，0.8%来自于“非常差”.该农场的生态系统服务功能价值属于较好.

农场的总体服务功能的评分为0.779，其中间接价值的占比较大，直接价值的占比略低.农场可以改善农村的生活环境，提高农场的经济收入，保护生态环境.但是农场的建设总的来说还是以农产品的种植和畜禽养殖为主，生态环境的建设为辅，所以要更加重视农场的生态环境的建设，对于农田的灌溉水以及畜禽粪便的处理等资源的利用，都要做到循环和不浪费，要防止面源污染.

3 讨论

整个农场的生态系统服务功能的价值评价结果表明：农场直接价值评价为“非常好”，农场的间接价值评价为“较好”，综合整体的评价结果为“较好”，直接价值在综合整体评价结果中贡献值最大.而刘小丹等[16]对北戴河区农田生态系统服务功能评价中，所算的间接价值是直接价值的1.09倍，谢志坚等[17]对紫云英-早稻-晚稻和冬闲-早稻-晚稻农田系统中农产品和轻工业原料供给服务占系统服务总价值的比例均超过60%.元媛等[18]评价栾城县农田生态系统服务功能正负效应时，认为农产品生产功能价值是最主要的服务功能，与其他研究结果不同，这可能是计算和评价方法不一样.另外，本文中的农产品主要是蔬菜瓜果，蔬菜的种植期短，一年可种植多批次[19]，所以表现的直接价值功能好.在蔬菜种植期间，为了得到良好的收益效果，也会使用化肥来增产，这也就会产生生态系统服务功能负效应，造成环境污染，需要在施肥方面进行优化调整.

农场的直接价值评价结果比间接价值高，说明农场非常好地提供了农产品作物等外部经济价值，但在生态环境保护方面还有提高的空间.周湛[19]将农田生态系统划分为茶园、稻田、蔬菜园和葡萄园进行对比分析，蔬菜和葡萄的经济效益高，在生态效益中固氮释氧提供的价值最高，生态效益和经济效益呈正相关关系.因此，多使用有机肥，减少面源污染，土壤养分流失，充分发挥生态效益.本研究是对农场一年所提供的间接生态系统服务功能采用模糊评价法，可能存在一定误差，下一步研究将有针对性地对农场进行长期定位监测，获得准确数据，使评价结果更加准确、全面.

4 结论

农场提供的生态系统服务功能由直接价值和间接价值组成，每个功能占比不同，农产品生产功能、调节大气功能和水文调节功能占比最大，从评价结果来看，直接价值的贡献值大于间接价值，说明农场还是以提供经济价值为主.但是随着生态循环农业的发展，对生态资源的保护和减少化肥的使用，提供的生态效益会不断增加，超过经济效益.发展现代循环农业是提高农场生态系统服务功能的有效途径.