四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值評(píng)估及其空間特征

馬偉龍++任平++陶曉明

摘要：為更好地發(fā)揮耕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水源的作用，科學(xué)量化耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值就顯得尤為重要。在收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助GIS技術(shù)分析了四川省耕地涵養(yǎng)水源總量及空間特征，并且運(yùn)用影子工程法、替代市場(chǎng)法估算了耕地涵養(yǎng)水源功能價(jià)值。結(jié)果表明，2011年四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總量為309.70×108 m3，涵養(yǎng)水源的總價(jià)值為596.17億元，其中水田涵養(yǎng)水源總量為159.76×108 m3，價(jià)值為307.54億元；旱地涵養(yǎng)水源總量為149.94×108 m3，價(jià)值為288.63億元；農(nóng)作物的枝葉層、耕地土壤層是耕地涵養(yǎng)水源的主要作用層，其涵養(yǎng)水源的總量分別為1.48×108、308.22×108 m3，價(jià)值分別為2.84億、593.33億元。四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值較大，為當(dāng)年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的24.29%；水田、旱地涵養(yǎng)水源能力分別占總價(jià)值的51.59%、48.41%，土層蓄水能力遠(yuǎn)高于農(nóng)作物枝葉涵養(yǎng)水源能力；耕地涵養(yǎng)水源空間分布特征為川東部盆地、平原地區(qū)涵養(yǎng)水源能力高于川西南山地、川西北高原。四川省耕地涵養(yǎng)水源功能及生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益不容忽視，研究結(jié)果對(duì)四川省耕地資源保護(hù)有著重要的理論參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：涵養(yǎng)水源量；涵養(yǎng)水源價(jià)值；耕地生態(tài)系統(tǒng)；空間分析；四川省

中圖分類(lèi)號(hào)： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0399-04

耕地生態(tài)系統(tǒng)是受人類(lèi)干預(yù)最為明顯的經(jīng)過(guò)人類(lèi)改造的自然-人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]，也是地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，在為人類(lèi)提供糧食的同時(shí)，也為人類(lèi)提供涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務(wù)功能[2]。涵養(yǎng)水源功能是耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益的重要組成部分[3]，被經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱為耕地環(huán)境資源的非消耗性利用價(jià)值[4]。城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致城市人口快速增加、城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)張[5]、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)土地資源和水資源的需求不斷上升，進(jìn)而出現(xiàn)土地資源尤其是耕地資源不斷減少[6]、水資源短缺[7-8]。不合理的耕地利用方式也導(dǎo)致耕地生態(tài)系統(tǒng)以前所未有的速度退化，耕地生態(tài)價(jià)值損失空前。因此，開(kāi)展耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值研究不僅可以認(rèn)識(shí)耕地生態(tài)系統(tǒng)的重要性[3]，豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能理論體系，而且可以在一定程度上對(duì)防治水土流失、保護(hù)耕地具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值研究始于1997年Costanza等的報(bào)道[9]，目前生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源服務(wù)價(jià)值的研究對(duì)象多為森林生態(tài)系統(tǒng)[10]、濕地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)[11]，以耕地生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象研究其涵養(yǎng)水源價(jià)值的案例較少。現(xiàn)有研究主要采用區(qū)域水量平衡法[12-13]、土壤蓄水估算法[14]、多因子回歸法[15]、地下徑流增長(zhǎng)法[16]計(jì)算耕地涵養(yǎng)水源物質(zhì)量，然后運(yùn)用影子工程法[17-18]、替代市場(chǎng)法[1]等方法來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的效益。但耕地生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)的關(guān)系最為密切且受人類(lèi)活動(dòng)的影響較為深刻，至今尚未形成準(zhǔn)確、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)模型[3]。本研究在總結(jié)前人有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮降水強(qiáng)度因素、農(nóng)閑田土季節(jié)性差異，即冬季休耕、春夏秋播種對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量的影響，同時(shí)以研究區(qū)內(nèi)每個(gè)研究單元平均蓄水庫(kù)容成本的加權(quán)平均值修正單位蓄水成本；采用修正后的土壤蓄水估算法測(cè)算耕地涵養(yǎng)水源物質(zhì)量[16，19]，用影子工程法、替代市場(chǎng)法測(cè)算耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值；并在地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)支持下，對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值空間特征進(jìn)行分析，以期為四川省耕地資源保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

四川省位于我國(guó)西南腹地，地理位置為97°21′～108°31′E，26°03′～34°19′N(xiāo)，東西長(zhǎng)1 075 km，南北寬 921 km，土地面積4 850萬(wàn) hm2。2011年末實(shí)有耕地面積398.34萬(wàn) hm2，其中水田面積206.93萬(wàn) hm2，旱地面積191.41萬(wàn) hm2，分別占耕地面積的51.95%、48.05%，年內(nèi)共減少2.73萬(wàn) hm2。該區(qū)域地形復(fù)雜，氣候類(lèi)型多樣，以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，降水集中在夏季，年均降水?00～1 200 mm。

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒：2012》[20]、《四川省土地利用總規(guī)劃》，結(jié)合四川省地形圖、行政區(qū)劃圖、耕地類(lèi)型圖、氣候圖、四川省多個(gè)氣象站觀測(cè)資料和氣候公報(bào)等資料，在GIS軟件平臺(tái)下，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

2研究方法

生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能主要涉及林冠層、枯枝落葉層、土壤層，由于耕地生態(tài)系統(tǒng)中基本沒(méi)有枯枝落葉，所以本研究重點(diǎn)考慮農(nóng)作物枝葉層、土壤層的水文特征。耕地主要由水田、旱地組成，水田以種植水稻為主，旱地以種植玉米為主，因此，計(jì)算時(shí)水田以水稻為標(biāo)準(zhǔn)，旱地以玉米為標(biāo)準(zhǔn)，其他農(nóng)作物換算成這2種農(nóng)作物來(lái)測(cè)算。計(jì)算枝葉截留降水量時(shí)以農(nóng)作物播種面積為準(zhǔn)，計(jì)算土壤持水能力時(shí)以旱地水田實(shí)有面積為準(zhǔn)，使測(cè)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

2.1耕地涵養(yǎng)水源量的估算方法

2.1.1農(nóng)作物截留降水量測(cè)算農(nóng)作物枝葉截留降水量與降水量強(qiáng)度、植被覆蓋度、枝葉葉面積指數(shù)密切相關(guān)。已有眾多學(xué)者提出了植被截留降水量估算方法[21-22]，但何東進(jìn)等認(rèn)為，這些方法存在唯象因素使得結(jié)果存在不確定性，并提出不含唯象性質(zhì)的植被截留降水量測(cè)算方法[23-24]。不唯象研究方法也存在1個(gè)問(wèn)題，即對(duì)降水量因素考慮不夠深入。本研究以最大截留降水量為臨界點(diǎn)分段計(jì)算截留降水量，替代平均降水量測(cè)算截留降水量，修正后的測(cè)算模型如下：

式中：Q1為單位面積農(nóng)作物截留降水量，m3；VEG為單位面積農(nóng)作物覆蓋度，%；LAI為單位面積農(nóng)作物葉面積指數(shù)；J為1個(gè)降水過(guò)程水量，mm；α為農(nóng)作物類(lèi)型；Q1為單位面積農(nóng)作物最大截留降水量，mm；A為葉面上平均最大持水深度，mm，變動(dòng)范圍約為0.1～0.3 mm[25]。endprint

2.1.2土壤蓄水量測(cè)算土壤降水儲(chǔ)存量與土壤類(lèi)型及面積、土壤地下水深度、土壤粗孔隙率成正比[26]，按土壤類(lèi)型測(cè)算后再求和。測(cè)算土壤蓄水量時(shí)以土壤的飽和含水量為臨界點(diǎn)分段計(jì)算土壤蓄水量，彌補(bǔ)過(guò)去研究中不考慮降水強(qiáng)度因素的不足，修正后模型如下：

式中：Q2為單位面積土壤降水儲(chǔ)存量，m3；J為降水過(guò)程的單位面積水雨量，mm；Hi為第i類(lèi)耕地土層深度，m；ρi為第i類(lèi)耕地的土壤容重，kg/m3；λi為第i類(lèi)耕地的田間持水量，m3；Q2*為單位面積土壤最大蓄水量，m3。

2.2耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值評(píng)估

2.2.1耕地涵養(yǎng)水源總量測(cè)算耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總量關(guān)系式為：

QW=∑i（QSi×mi） 。 （5）

式中：QW為四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總量，m3；QSi為第i類(lèi)耕地單位面積土壤涵養(yǎng)水源量，m3/hm2；mi為第i類(lèi)耕地面積，hm2；i為耕地類(lèi)型。

2.2.2耕地水源涵養(yǎng)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值測(cè)算本研究在考慮人們對(duì)生態(tài)價(jià)值的支付意愿、替代工程易于計(jì)價(jià)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用替代市場(chǎng)法計(jì)算耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值總量，測(cè)算時(shí)用經(jīng)過(guò)生態(tài)價(jià)值發(fā)展階段系數(shù)修正后的每個(gè)研究單元平均蓄水庫(kù)容成本的加權(quán)平均值，替代研究區(qū)單位蓄水量庫(kù)容成本，公式如下：

V= QW×P 。（6）

式中：V為耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值，元；QW為四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總量，m3；P為研究單元平均蓄水庫(kù)容成本的加權(quán)平均值修正單位蓄水成本，為1.925元/m3。

3結(jié)果與分析

3.1四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量及其價(jià)值分析

運(yùn)用式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分別計(jì)算Q1、Q2值，根據(jù)式（5）、式（6）以及水田、旱地的面積計(jì)算四川省耕地水源涵養(yǎng)能力（表1）。由表1可知，四川省2011年耕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量為309.70×108 m3，總價(jià)值為596.17億元。其中農(nóng)作物截留水量1.48×108 m3，價(jià)值為2.84億元；土層蓄水量308.22×108 m3，價(jià)值為593.33億元。表12011年四川省耕地水源涵養(yǎng)總量及價(jià)值

耕地類(lèi)別2011年耕地面積

（萬(wàn)hm2）農(nóng)作物截留降水量土層蓄水量合計(jì)總量（×108 m3）價(jià)值（億元）總量（×108 m3）價(jià)值（億元）總量（×108 m3）價(jià)值（億元）水田206.930.841.62158.92305.92159.76307.54旱地191.410.641.22149.30287.41149.94288.63合計(jì)398.341.482.84308.22593.33309.70596.17

由表1還可以看出，四川省耕地分為水田、旱地，其面積分別占總耕地面積的51.95%、48.05%，水田、旱地涵養(yǎng)水源總量分別為159.76×108、149.94×108 m3；價(jià)值分別為30754億、288.63億元，分別占總價(jià)值的51.59%、48.41%。水田涵養(yǎng)水源價(jià)值大于旱地涵養(yǎng)水源的價(jià)值（表1、圖1）。2種耕地生態(tài)系統(tǒng)均以土層涵養(yǎng)水源價(jià)值為主，農(nóng)作物截留降水量?jī)r(jià)值相對(duì)土層蓄水價(jià)值較小，但也不能忽視農(nóng)作物截留降水總價(jià)值。

隨著城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)占用大量耕地以及人類(lèi)不合理利用耕地導(dǎo)致四川省耕地面積逐漸減少。截至2011年年底，四川省年末實(shí)有耕地面積398.34萬(wàn)hm2，年內(nèi)減少了27 300 hm2（其中，水田減少26 500 hm2，旱地減少800 hm2），導(dǎo)致耕地涵養(yǎng)水源總量減少了2.11×108 m3，總價(jià)值減少了4.06億元。從圖1 還可以看出，在氣候、地形等因素的影響下，四川省的攀枝花市、綿陽(yáng)市、廣元市、遂寧市、南充市、雅安市、資陽(yáng)市和3大自治州耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值以旱地為主，均達(dá)到50%以上，其中3大自治州旱地涵養(yǎng)水源能力更為突出，占其耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值的80%以上；其他市（州）則以水田涵養(yǎng)水源能力為主。

3.2四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能空間特征分析

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，在Arcgis10.1軟件中建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并用自然斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值進(jìn)行分級(jí)，得到四川省耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值空間分布情況（圖2），將單位面積涵養(yǎng)水源價(jià)值與行政區(qū)劃圖疊加得到耕地單位面積涵養(yǎng)水源價(jià)值分布情況（圖3）。

在耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值中，涼山州涵養(yǎng)水源價(jià)值最高，為52.97億元，占四川省耕地涵養(yǎng)水源總價(jià)值的8.89%；其次為成都市，價(jià)值為48.56億元，占8.15%；攀枝花市涵養(yǎng)水源價(jià)值最低，為6.10億元，占1.02%；雅安市涵養(yǎng)水源價(jià)值比攀枝花市多2.26億元，名列倒數(shù)第2（表2）。耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源能力受多方面因素影響，不同研究單元耕地涵養(yǎng)水源能力差異主要體現(xiàn)在耕地面積、降水量等方面。涼山州耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值最大，究其原因是其耕地面積最大，且降水豐富；成都市價(jià)值僅次于涼山州是因?yàn)槌啥际械靥幊啥计皆?，耕地面積廣，尤其是水田面積占比大；攀枝花市價(jià)值最低有2個(gè)方面原因，即耕地面積有限、年降水量相對(duì)較少；雅安市雖然降水量豐富，但退耕還林導(dǎo)致耕地面積大為減少，所以耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值也不高。

從單位面積涵養(yǎng)水源價(jià)值看，四川省耕地涵養(yǎng)水源生態(tài)服務(wù)功能單位面積價(jià)值為14 966元/hm2，受耕地面積數(shù)量的影響，單位面積價(jià)值高于15 030元/hm2的有阿壩州、甘孜州；單位面積價(jià)值低于14 931元/hm2有成都市、瀘州市、廣安市、眉山市；其他介于14 931～15 030元/hm2（圖3）。

從整體上看，四川省耕地涵養(yǎng)水源功能價(jià)值空間分布特征為：平原、盆地>川西南山地>川西北高原。在盆地內(nèi)部尤其是成都平原因地勢(shì)平坦且耕地面積廣闊，利于耕地涵養(yǎng)水源，耕地涵養(yǎng)水源總價(jià)值相對(duì)較高；而川西南山地和川西北高原地區(qū)受地形、氣候等因素影響，耕地涵養(yǎng)水源能力不如盆地底部及邊緣地區(qū)。endprint

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

從耕地生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)干預(yù)最為深刻的自然-人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，綜合考慮不同農(nóng)作物、不同耕地類(lèi)型、耕地復(fù)種指數(shù)、天氣狀況、人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素，使修正后的指標(biāo)更符合耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值指標(biāo)體系，最大限度反映耕地特有屬性，具有一定的可行性和科學(xué)性。

總體來(lái)看，2011年四川省耕地涵養(yǎng)水源總量為30970×108 m3，總價(jià)值為596.17億元，占當(dāng)年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值 2 454.26 億元的24.29%，可見(jiàn)耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值巨大，而當(dāng)年由于耕地面積減少導(dǎo)致的耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值損失為2.59億元，損失也相對(duì)較大。

從耕地類(lèi)型來(lái)看，四川省水田涵養(yǎng)水源價(jià)值為30754億元，旱地涵養(yǎng)水源價(jià)值為288.63億元，分別占耕地涵養(yǎng)水源總價(jià)值的51.59%、48.41%，說(shuō)明水田和旱地涵養(yǎng)水源能力相當(dāng)。另外，土層蓄水量?jī)r(jià)值為593.33億元，占涵養(yǎng)水源總價(jià)值的99.52%，其涵養(yǎng)水源能力遠(yuǎn)高于農(nóng)作物枝葉涵養(yǎng)水源能力。

從空間上來(lái)看，四川省耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值空間分布特征表2四川省耕地水源涵養(yǎng)價(jià)值（V）

地區(qū)面積

表現(xiàn)為川東部盆地、平原地區(qū)高于川西南山地和川西北高原，涼山州、成都市、達(dá)州市、南充市屬于總價(jià)值最高的區(qū)域，而甘孜州、阿壩州、雅安市、攀枝花市屬于總價(jià)值最低的區(qū)域，說(shuō)明耕地涵養(yǎng)水源價(jià)值深受耕地面積、地形、氣候等因素的影響。

4.2討論

耕地生態(tài)系統(tǒng)受較多外來(lái)不確定因素的影響，目前尚未形成公認(rèn)統(tǒng)一的測(cè)算耕地涵養(yǎng)水源模型。本研究在參考前人有關(guān)涵養(yǎng)水源測(cè)算模型的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)算模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，即以最大截留降水量為臨界點(diǎn)分段計(jì)算截留降水量，替代平均降水量測(cè)算截留降水量；以土壤的飽和含水量為臨界點(diǎn)分段計(jì)算土壤蓄水量，彌補(bǔ)了已有研究中不考慮降水強(qiáng)度因素的不足；用經(jīng)過(guò)生態(tài)價(jià)值發(fā)展階段系數(shù)修正后的每個(gè)研究單元平均蓄水庫(kù)容成本的加權(quán)平均值，替代單位蓄水量庫(kù)容成本，形成新的耕地涵養(yǎng)水源測(cè)評(píng)模型，更能準(zhǔn)確反映四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價(jià)值及空間分布特征，為以后相關(guān)研究提供了一種新思路。值得說(shuō)明的是，耕地實(shí)際水源涵養(yǎng)價(jià)值如同價(jià)值規(guī)律一般圍繞理論水源涵養(yǎng)價(jià)值上下波動(dòng)，在后續(xù)的研究中應(yīng)圍繞理論值與實(shí)際值的差距或者實(shí)際值圍繞理論值波動(dòng)的規(guī)律及其深層原因進(jìn)行討論，將評(píng)價(jià)單元放在具體的環(huán)境中研究，考慮功能的區(qū)域差異，引入耕地水循環(huán)模型，同時(shí)考慮各分量間以及耕地生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)活動(dòng)的相互關(guān)系，才能更準(zhǔn)確地度量耕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的價(jià)值，這是今后進(jìn)一步研究的方向。

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