河西走廊山地-绿洲-荒漠区农田生态系统服务价值变化及回归分析3.doc

河西走廊山地-绿洲-荒漠复合农田生态系统服务价值变化及其影响因子的多元回归分析 摘要: 农田生态系统是河西走廊山地-绿洲-荒漠复合生态系统最重要的生态系统之一，农田生态系统的质量变化将在很大程度上影响到该区社会经济的可持续发展。以肃南山地-张掖中部绿洲-北部民勤荒漠区为例，采用生态经济学的方法，计算了河西走廊山地-绿洲-荒漠不同生态功能区2002-2009年近10年的农田生态系统服务价值变化，结果表明：河西走廊农田生态系统单位面积的服务价值北部荒漠中部绿洲南部山地；不同生态区农田生态系统服务总价值都呈增长趋势，其中北部干旱荒漠区增加了1.83108元，中部绿洲增加了0.7108元，南部山地增加了0.13108元；北部荒漠区生态系统基本服务价值年均增加约0.158108元，使用化肥等导致农田环境污染损失的价值年均增加约0.043108元，由于节水技术的采用，农业耗水价值平均每年减少0.113108元；中部绿洲区生态系统基本服务价值年均增加约0.109108元，使用化肥等导致农田环境污染损失的价值年均增加约0.005108元，由于有效灌溉面积的增大，农业耗水损失价值平均每年增加0.028108元；南部山地生态系统基本服务价值年均增加约0.018108元，使用化肥等导致农田环境污染和农业耗水损失价值基本稳定。采用多元逐步回归分析法研究了人类活动对农田生态系统服务价值变化的影响，结果表明：河西走廊农田生态系统服务价值的变化是由社会经济发展水平、农业现代化投入、水资源利用、种植结构、农业产量等多种因素共同驱动下的结果，不同地区影响的主要因子具有一定差异性。关键词: 河西走廊；农田生态系统；服务价值；影响因子；多元回归分析生态系统是生物圈的基本组织单元，它不仅为人类提供各种商品，同时在维持生命的支持系统和环境的动态平衡方面起着不可取代的重要作用（李文华等，2009）。自2005年联合国千年生态系统评估发布以来，生态系统评估与管理研究越来越受到世界各国的广泛关注和重视（张永民和赵士洞，2007），其中生态系统服务研究被认为是生态系统评估的核心和热点（李文华，2006）。农田生态系统是在自然基础上经人工控制形成的农业生态系统中的亚生态系统，是地球上最重要的生态系统之一，提供着全世界66%的粮食供给，具有巨大的生态系统服务价值（于书霞等，2004）。它除了提供农产品外，还具有生态环境服务的功能，对维系区域的生态环境平衡起着重要作用。干旱区由于降雨稀少、蒸发量大，被普遍认为是生态环境脆弱的敏感地区（Reynolds JF, et al., 2007）。干旱区的农业生态稳定性关系到生态系统可持续发展、农户生计和社会稳定，而且全球气候变化使干旱区农业生态系统的管理面临更加严峻的挑战（赵旭喆等，2011），作为干旱区农业生态系统最为基础和重要的农田生态系统也毫无疑问的将受到前所未有的冲击。河西走廊是地处西北干旱半干旱区，是全国重要的商品粮基地之一。该区由于特殊的的地理位置，以水资源为纽带，形成了山地绿洲荒漠级复合农田生态系统（任继周和侯扶江，2010）。自 20世纪 50年代以来，特别近10年的大规模的水土资源开发，使该区土地利用/覆被发生巨大变化，对生态环境产生重要影响。资料显示，河西地下水位正在以0.501m/a 的速度下降（李福兴，1998），盐碱化和沙漠化仍在不断加剧，资源利用不合理、生产技术落后，造成了农业生态环境的进一步恶化。人们在获取农田生态系统服务的同时，又以非可持续的方式导致了农田生态系统的退化（杨志新等，2005），从而引发了一系列的生态安全和粮食安全问题，阻碍了该地区社会经济的可持续发展（岳东霞等，2011）。鉴于此，本文以肃南山地-张掖中部绿洲-北部民勤荒漠区为例，采用生态经济学的方法，科学合理评价了河西走廊山地-荒漠-绿洲复合农田生态系统的生态环境效益差异、探讨其变化过程和驱动力，以期为干旱半干旱地区农业生态系统科学管理和社会经济的可持续发展提供借鉴意义。1 研究区概况 河西走廊地处西北干旱荒漠区，位于甘肃省黄河以西，东起乌鞘岭，西至星星峡。共有土地面积2760万hm2，其中可耕地面积200万hm2，戈壁沙漠面积1500万hm2，占总面积的54%以上，生态环境十分脆弱。河西走廊属温带气候，日照充足，热量丰富，但干燥少雨，年均温度 28，无霜期150180d（贺访印等，2006）。从生态学上讲，河西走廊可划分为三个不同的生态功能区（张贞明，2008）：1）南部祁连山生态区 本区地势高寒、湿润，海拔26003200m，年平均气温为25.50，年降水量在200mm以上，最高达800mm，蒸发量700mm，是农业向牧业的过渡地带，是重要的牧业区。2）中部走廊平原生态区 本区属于温带干旱荒漠、半荒漠气候，光热资源丰富，气温高。年平均气温为510，日照时间长达3 0004000h。相对湿度50%，年蒸发量在2000mm 以上，是发展农业的理想区域，但水分条件是制约该区的重要生态因子。3）北部干旱荒漠生态区 本区气候温冷，干燥缺水，年降水量在100mm以下，相对湿度40%，年蒸发量达3 000mm以上，戈壁、荒漠构成本区地理生态特征，生态环境极端脆弱，生态条件严酷，植被稀少，是河西走廊经济发展的制约性生态区（金自学，1996）。三个不同的生态功能区既相互独立又密切联系，构成了河西走廊特殊的山地-绿洲-荒漠复合生态系统景观格局，其中山地子系统为水资源形成区，绿洲、平原荒漠子系统为水资源利用消耗散失区，绿洲的发展必须以山地为依托，以荒漠为屏障和后备基地（林慧龙等，2004）。本文选取这3个相对独立的生态功能区中的典型样县（区）进行农田生态系统服务价值的研究，具体为：以民勤县代表北部干旱荒漠区的典型样区，中部绿洲以甘州区为例，南部祁连山区则以肃南县为样区。各典型样区2009年的社会经济概况如表1所示。表1 2009年河西走廊不同生态功能区典型样县基本概况地区样区总人口（万人）农村劳动力（万人）农业总产值（亿元）农民人均纯收入（元）年末耕地（万公顷）有效灌溉面积（万公顷）农业用水量（亿立方米）北部荒漠民勤31.31 12.10 16.46 4666 5.96 5.27 6.50 中部绿洲甘州51.87 21.50 19.99 5261 4.90 4.90 7.76 南部山地肃南3.64 1.30 0.89 6098 0.58 0.25 0.30 数据来源：2010年甘肃省农村统计年鉴。2 研究方法2.1 数据来源 本文在进行河西走廊不同生态功能区农田生态系统服务价值估算中所采用的有关农业生产、人们生活水平、水资源利用方面的基础数据均来源于 2003-2010年甘肃省统计年鉴和甘肃省农村统计年鉴，并对其数据的准确性进行了实地调研校正。2.2 农田生态系统服务价值估算方法 2.2.1食物生产服务价值计算方法 农田生态系统基本服务价值主要包括食物生产、气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性维持、原材料（经济作物）、娱乐文化等服务价值。其中，食物生产服务价值是计算其他服务价值的基础。Costanza等（1997）提出的生态系统服务价值估算方法涉及各类生态系统，即各类生态系统的面积与各类生态系统服务价值相乘，然后相加。其模型为： 式中，V0为研究区生态系统服务总价值；Ci为单位面积上第i类生态系统服务价值；Ai为研究区内土地利用类型i的面积。本文涉及的农田生态系统服务价值估算方法利用岳东霞等 （2011）的简化模型计算： 式中，V0 为研究区农田生态系统服务总价值；C 为单位面积农田生态系统服务价值；A 为研究区内耕地的面积。每年单位面积农田生态系统食物生产的服务价值估算如下： 式中，C0为单位面积农田生态系统食物生产服务价值，以经济价值(元/hm2)表示，i为作物种类；mi为 i种粮食作物面积 ( hm2)；pi为 i类作物全国平均价格(元/ t )；qi为 i种粮食作物单产(t/hm2)；T为粮食作物总面积(hm2)。主要粮食作物为小麦、玉米，其价格按照全国最低统一价格分别为 1480、1500元/t计算。2.2.2其他服务价值计算方法其他农田生态系统服务的单位面积经济价值是利用生态系统服务价值当量因子将单位面积食物生产服务的经济价值进行转换而得到的。由于costanza等研究结果中某些数据存在较大偏差，如对耕地的估计过低，对湿地又偏高等，引起学者广泛而强烈的争论（Toman, 1998；Balmford., et al., 2002 ）。因此，我国学者谢高地等（2003）在Costanza等提出的评价模型基础上，通过对国内200位生态学学者的问卷调查，得出了“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”。生态系统生态服务价值当量因子是指生态系统产生的生态服务的相对贡献大小的潜在能力，定义为lhm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值为1，其它生态系统生态服务价值当量因子是指生态系统产生该生态服务相对于农田食物生产服务贡献的大小，并确定单位生态服务价值当量因子的经济价值量等于全国平均粮食单产市场价值的1/7，以此将价值因子表转换成生态系统服务单价表。由于河西走廊大量种植棉花、葵花籽等经济作物，其经济价值较粮食作物高，岳东霞等（2011）认为可将该区经济作物归类为原材料生产，并将原材料服务价值的当量因子修正为2.3，其他当量因子仍采用谢高地等提出的当量因子，合并得到表2，以便计算其他各类农田生态系统服务价值的单位面积经济价值。表2 农田生态系统服务价值的当量因子（谢高地等，2003；岳东霞等，2011）Table2 The equivalence factors of farm land ecosystem in Hexi气体调节气候调节水源涵养土壤形成与保护废物处理生物多样性食物生产原材料娱乐文化农田0.50.890.61.461.640.7112.30.012.3 环境污染服务价值随着农业现代化的发展，农田生态系统也受到严重的环境污染，其中以使用化肥、农药、除草剂等造成的污染最为严重。因资料所限，农田生态系统受到的负面经济价值仅以化肥的使用来评估，表达式为（孙新章等，2007）：式中，V1,1为化肥的污染价值；O为化肥用量，r为化肥利用率，S 为化肥价格。当前我国的化肥平均利用率为 34.17%（陈同斌等，2002）；化肥平均价格以 1500元/ t计算（岳东霞等，2011）。2.4 水资源消耗服务价值 农业灌溉使农田生态系统提供物质产品的能力大大提高，使广大干旱区和半干旱区人类物质保障和生活水平得到提高，但同时也带来诸多环境问题，如过度开采地下水导致地下水漏斗的形成、土地盐碱化等。水资源消耗价值可用水库蓄水成本法来计算，表达式为（孙新章等，2007）： 式中，V3为水消耗价值；W为农业灌溉用水量；R为农业耗水率；Cw为水库蓄水成本，取 1.17元/m3。农业耗水率均值为35%（取水分利用率为63%-66 %（丁宏伟等，2003）的平均值）。2.5 综合服务价值 农田生态系统服务功能的总经济价值包括农田产生的正面经济价值和负面经济价值之和。正面生态服务价值为农田基本服务价值V0，负面生态服务价值为环境污染服务价值V1和水资源消耗服务价值V2。表达式如下： 式中，V为总的生态服务经济价值；V0、V1、V2意义同上。3 结果与分析3.1 农田生态系统单位面积的服务价值变化 3.1.1食物生产服务价值变化 总体来看，河西走廊单位面积食物生产服务价值存在明显的区域差异，单位面积食物生产服务价值北部荒漠和中部绿洲区远大于南部山地（图1）。从2002年到2009年，河西走廊不同地区单位面积食物生产服务价值均呈增加趋势。其中，北部荒漠区由2002年的1300.35元/hm2，增加到2009年的1632.73元/hm2，平均每年每公顷增加41.55元；中部绿洲由2002年的1493.03元/hm2，增加到2009年的1588.62元/hm2，平均每年每公顷增加11.95元；南部山地由2002年的622.71元/hm2，增加到2009年的695.32元/hm2，平均每年每公顷减少9.08元。图1 河西走廊各区单位面积食物生产服务价值变化3.1.2其它基本生态服务价值变化 由表3可以看出，2002-2009年间，河西走廊各区各类农田生态系统基本服务的单位面积服务价值均呈逐年增加趋势。其中，北部荒漠区单位面积农田所提供的总服务价值由 2002年的11846.19元/hm2，增加到2009年的14874.19元/hm2，年均增加378.50元/hm2；中部绿洲由 2002年的13601.50元/hm2，增加到2009年的14472.36元/hm2，年均增加108.86元/hm2；南部山地由 2002年的5672.92元/hm2，减少到2009年的6334.36元/hm2，年均减少82.68元/hm2。农田生态系统的气候调节、保持水土、环境净化、食物生产、原材料提供等方面的贡献越来越突出。表3 河西走廊各区其它农田生态系统服务的单位面积服务价值/（元hm-2）Table3 Ecosystem services value per unit area of Hexi in farmland ecosystem for 2000 and 2009年份样区气体调节气候调节水源涵养土壤形成与保护废物处理生物多样性食物生产原材料娱乐文化合计2002北部650.181157.31780.211898.512132.57923.251300.352990.8113.0011846.19中部746.521328.80895.822179.822448.571060.051493.033433.9714.9313601.50南部311.36554.21373.63909.161021.25442.13622.711432.246.235672.922009北部816.371453.13979.642383.792677.681159.241632.733755.2816.3314874.19中部794.311413.88953.172319.392605.341127.921588.623653.8415.8914472.36南部347.66618.83417.191015.171140.32493.68695.321599.236.956334.36注：北部为民勤县、中部为甘州区、南部为肃南县。3.2 农田生态系统服务总价值变化 由表4可知，河西各地区农业生态系统服务总价值呈增加趋势。北部荒漠区农田生态系统服务总价值由2002年的3.18108元，增加到2009年的5.01108元，年均增长 0.229108元，其中，生态系统基本服务价值年均增加约0.158108元，使用化肥等导致农田环境污染，使得农田生态系统损失的价值年均增加约0.043108元；由于节水技术的采用，农业耗水价值在不断减少，平均每年减少0.113108元。中部绿洲农田生态系统服务总价值由2002年的2.32108元，增加到2009年的3.02108元，年均增长 0.088108元，其中生态系统基本服务价值年均增加约0.109108元，使用化肥等导致农田环境污染，使得农田生态系统损失的价值年均增加约0.005108元；由于有效灌溉面积的增大，农业耗水损失价值平均每年增加0.028108元。南部山地由2002年的0.08108元，增加到2009年的0.21108元，年均增加0.016108元，其中生态系统基本服务价值年均增加约0.018108元，使用化肥等导致农田环境污染和农业耗水损失价值基本稳定。表4 河西走廊各区农田生态系统服务价值汇总/（108元）Table 4 Farmland ecosystem service value summary in Hexi area地区V0V1V2V2002年2009年2002年2009年2002年2009年2002年2009年北部荒漠7.608.86-0.86-1.20-3.56-2.663.185.01中部绿洲6.227.09-0.95-0.89-2.96-3.182.323.02南部山地0.230.37-0.03-0.03-0.13-0.120.080.21注：北部为民勤县、中部为甘州区、南部为肃南县。3.3 农田生态系统服务价值变化的影响因子多元回归分析 农田生态系统服务价值的变化除了自然条件本身限制外，还受到人类活动的影响，涉及到人类活动的诸多因素。本文遴选总结出四大类15项影响农田生态系统服务价值变化的人文因素指标。采用逐步回归分析法，对河西走廊各地区影响下的农田生态系统服务价值的变化规律进行了定量分析。各指标如下：（1）社会经济发展及农业投入。包括：GDP(X1 )、农业总产值(X2 )、农民人均纯收入(X3 )、第一产业投资(X4 )、农村劳动力(X5)。（2）农业现代化。包括：农业机械总动力(X6)、化肥使用量(X7)、塑料薄膜使用面积(X8)、 农业用电量(X9)、机电井数量(X10)。（3）水资源利用。包括：农业用水量(X11)、有效灌溉面积(X12)。（4）种植结构变化。包括：经济作物面积(X13)、粮食单产(X14)、饲料作物面积(X15)。通过对河西走廊8a农田生态系统服务价值的变化和人文因素指标进行多元逐步回归分析，发现在不同地区对其产生影响的指标具有一定差异性。利用 SPSS软件得到符合精度的模型如表5所示：表5 河西走廊各地区农田生态系统服务价值多元线性回归模型地区多元线性回归模型判定系数R2F检验值总体显著性水平Sig北部荒漠Y = -11.037+0.533X5-0.256X7+0.024X140.97247.1490.001中部绿洲Y = -11.239-0.047X1+0.322X5+0.001X9-0.033X130.996211.9450.001南部山地Y = -0.679+0.033X4+0.002X140.88819.7760.004注：北部为民勤县、中部为甘州区、南部为肃南县。式中，Y为农田生态系统服务价值。该模型中，所有变量对应的偏回归系数检验统计量t的显著性概率P值均满足Sig0.05，表明在置信水平=0.05条件下，所有解释变量与0有显著性差异。表6中B列为非标准线性回归系数、t列为回归系数检验统计量、Sig列为显著性水平，采用非标准线性回归方程表示河西走廊不同地区农田生态系统服务价值变化模型，即表5。由该模型可知有GDP(X1)、第一产业投资(X4)、农村劳动力(X5)、化肥使用量(X7)、农业用电量(X9)、经济作物面积(X13)和粮食单产(X14) 6个人为因素对河西走廊不同地区农田生态系统服务价值变化影响较为显著。表6 回归系数与显著性检验 Table6 Coefficients and significant testing 模型 Model北部荒漠中部绿洲南部山地非标准回归系数回归系数检验统计量显著性水平非标准回归系数回归系数检验统计量显著性水平非标准回归系数回归系数检验统计量显著性水平BtSigBtSigBtSig常数项 Constant-11.037-7.7270.002-11.239-8.4020.004-0.679-5.4780.003GDP(X1)-0.047-12.320.001第一产业投资(X4)0.0333.2030.024农村劳动力(X5)0.5332.9320.0430.3226.5420.007化肥使用量(X7)-0.256-5.2920.006农业用电量(X9)0.00115.6390.001经济作物面积(X13)-0.033-8.7120.003粮食单产(X14)0.0246.4750.0030.0026.0130.002注：北部为民勤县、中部为甘州区、南部为肃南县。对于北部荒漠生态区来说，影响农田生态系统服务价值变化的主要因素是农村劳动力(X5 )、化肥使用量(X7)和粮食单产(X14) 3个指标。从回归模型看，本生态区的农田生态系统服务价值与农村劳动力和粮食单产呈正比，与化肥使用量呈反比。其中农村劳动力(X5 )的弹性系数最高为0.533，说明近年来农业收入增加吸引部分劳动力向种植业转移，促使其对农业增加投入，促进了农田生态系统的生产功能；粮食单产的(X14)的变化反应了由于现代化农业的投入和管理技术的改进，尤其是农田施肥使民勤粮食单位产量由2002年的446.55公斤/亩增加到了2009年的522.43公斤/亩，增强了农田生态系统生产食物的能力；化肥使用量(X7)的偏回归系数检验统计量t=-5.292，说明农药化肥的投入产生的农田环境污染价值超出了其对农业生态系统基本服务价值增长的部分，其虽然在一定程度上增加了农业的生产能力，但也加重了农田生态系统的承载负荷，增加了环境污染服务价值，从而削弱了总服务价值，产生了严重的负面效应（岳东霞等，2011）。中部绿洲农田生态系统服务价值变化的影响因素与北部荒漠区有一定差异，GDP(X1)、第一产业投资(X4 )、农村劳动力(X5)、农业用电量(X9)和经济作物面积(X13)是主要的影响因子。从回归模型看，本生态区的农田生态系统服务价值与国内生产总值和经济作物面积呈反比，与农村劳动力和农业用电量呈正比。经济作物种植面积(X13)的变化，映射着中部绿洲区农业种植结构的变化，由于市场经济的导向作用，人们趋于种植效益高的经济作物，甘州区粮、经的种植面积比例已由2002年的10.41:1演变为2009年的3.57:1，经济作物的广泛种植，对农田生态系统服务价值产生了积极地影响，农田提高食物生产的能力比重降低，提供原材料（棉花、瓜果等经济作物）的能力增强，而且由于种植经济作物(如棉花)比粮食作物(如小麦)的需水量要小，因此适当调整种植结构，不仅有利于提高农田生态系统服务价值，而且也可以增加农民的收入，是干旱区绿洲农田生态系统可持续管理的重要手段；同时农业经济效益的增加带动了劳动力向农业回流，据调查甘州区农村劳动力由2002年的20.90万人增加到了21.50万人，从而对农田生态服务价值造成影响；农业用电量(X9)的弹性系数为0.001，反映了农业现代化投入的增加，如拖拉机、收割机等数量的增多对于有效提高农业生产能力作用显著，因此今后要继续增加投入。南部山地农田生态系统服务价值变化的主要影响因素相对于河西绿洲-荒漠区来说比较单一，农田生态服务价值与第一产业投资和粮食单产呈正比例。河西走廊南部以山地为主，肃南县可利用天然草原面积达142.21万公顷，年末耕地面积仅为0.58万公顷，畜牧业产值占农业总产值达到了56%，再加上水热条件的限制，使该区农田生产能力有限，仅在河流谷局部地区种植一些小麦等粮食作物。但随着该区总人口的增加，迫使政府对农业增加投入，化肥等农业现代化的投入使该区粮食单产由2002年的327.04公斤/亩增加到了2009年的344.24公斤/亩，从而在一定程度上增加了农田生态系统食物生产的能力，从而影响农田生态系统服务价值。4 结论与讨论 近年来，河西各地区农田生态系统总服务价值都呈一定增长趋势，北部荒漠区增加了1.83108元，中部绿洲增加了0.7108元，南部山地增加了0.13108元。农业现代化投入，特别是农药化肥使用量的增加一定程度上促进了河西地区农业生产力的提高，但也使得河西地区农田生态系统损失的价值呈增大趋势，因此在实现农业现代化过程中，要特别注意对生态环境的破坏。北部干旱荒漠区由于采用了现代节水技术，提高了水资源利用效率，农业耗水价值在不断减少，对于其它地区具有积极的借鉴意义。生态系统服务研究是一项极为复杂的工作，它不仅取决于生态系统本身的自然特点，同时也取决于社会经济条件（李文华，2009）。引起生态系统变化的驱动力主要包括直接驱动力和间接驱动力2种，直接驱动力主要指地方的土地利用与土地覆盖、物种的引入或迁移、技术适应和使用、外部输入（如化肥施用、害虫控制和农田灌溉等）、收获与资源消费（如采伐森林和开采矿山）、气候变化，以及自然物理与生物驱动（如火山、生物进化）等；而间接驱动力主要指来自人口增长、经济发展、社会政治变革、科学与技术进步，以及文化与宗教的驱动（赵士洞和张永民，2004）。基于影响因子的多元逐步回归分析可知，河西走廊农田生态系统服务价值的变化是由社会经济发展水平、农业现代化投入、水资源利用、种植结构、农业产量等多种因素共同驱动下的结果，不同地区影响的主要因子具有一定差异性，但某些因子具有趋同性。河西地区农田生态系统服务价值逐年攀升的一个重要原因是由于人们改变种植结构，缩小粮食作物面积，扩大经济作物种植面积，使农民收入增加，从而带动了劳动力向农业回流，以促使对农业资金和现代化投入的增加，提高了水资源利用率和农业管理水平所致。农田生态系统是河西走廊山地-绿洲-荒漠复合生态因子最重要的生态系统，基于时间序列的农田生态系统服务价值变化及动态趋势的评价研究能够对该区政府制定农业结构调整方案和管理措施提供科学依据。参考文献：李文华, 张彪, 谢高地. 中国生态系统服务研究的回顾与展望. 自然资源学报, 2009, 24(1): 1-10.李文华. 生态系统服务研究是生态系统评估的核心. 资源科学, 2006 , 28(4): 4.赵士洞, 张永民. 生态系统评估的概念、内涵及挑战介绍生态系统与人类福利: 评估框架. 地球科学进展, 2004, 19 (4): 650-657. 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