周志明，張立平，曹衛(wèi)東，黃元仿*

1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院//農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081

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冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估

周志明1，張立平1，曹衛(wèi)東2，黃元仿1*

1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院//農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081

摘要：冬閑田種植綠肥是中國華北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結構調整的重要措施之一。文章基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值理論，結合綠肥作用特性，選取農(nóng)產(chǎn)品供給、氣體調節(jié)、土壤養(yǎng)分累積、土壤保持和水分涵養(yǎng)5類服務功能，采用生態(tài)經(jīng)濟學方法，構建了冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估體系。在此基礎上，對華北主要豆科綠肥作物毛葉苕子（Vicia villosa Roth）和非豆科綠肥作物二月蘭（Orychophragmus violaceus）輪作春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值進行評估并與春玉米單作對照。結果表明，二月蘭、毛葉苕子輪作春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值分別為7.14和6.90萬元·hm-2，較常規(guī)春玉米單作分別提高23.45%和19.15%。冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各項服務功能中，氣體調節(jié)價值最高，占總價值的60.84%～61.13%；其次為農(nóng)產(chǎn)品供給功能價值，占總價值的19.92%～20.30%；其他功能價值貢獻率從大到小依次為水分涵養(yǎng)功能、土壤養(yǎng)分累積功能和土壤保持功能。兩種冬綠肥輪作春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在土壤養(yǎng)分累積功能價值上表現(xiàn)差異最大，二月蘭-春玉米主要表現(xiàn)為提高土壤有效磷和有機質累積價值，毛葉苕子-春玉米則主要表現(xiàn)為提高土壤堿解氮累積價值。該研究實現(xiàn)了對冬綠肥引入農(nóng)田的綜合價值核算，有利于全面認識綠肥的綜合效益，同時可為種植綠肥的生態(tài)補償政策提供理論依據(jù)。

關鍵詞：冬綠肥；生態(tài)系統(tǒng)服務功能；價值評估；毛葉苕子；二月蘭

引用格式：周志明，張立平，曹衛(wèi)東，黃元仿.冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2016，25（4）:597-604.

ZHOU Zhiming，ZHANG Liping，CAO Weidong，HUANG Yuanfang.Appraisal of Agro-ecosystem Services in Winter Green Manure-spring Maize ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:597-604.

近年來，由于華北地區(qū)地下水限采、種植業(yè)結構調整等原因，傳統(tǒng)的糧食種植制度由夏玉米輪作冬小麥轉化為一年一熟制的春玉米單作，以致華北地區(qū)出現(xiàn)了大量的冬季閑田。冬閑田引入綠肥不僅能夠提高主作物產(chǎn)量、減少化肥使用量（曹衛(wèi)東等，2009；王衛(wèi)等，2013），而且具備培肥土壤、涵養(yǎng)水分和調節(jié)大氣等作用（Kim et al.，2012；Tosti et al.，2012）。另一方面，綠肥的播種、翻壓等環(huán)節(jié)加大了農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的人力、物力等成本投入。傳統(tǒng)的綠肥效益評估主要集中于對提高主作物產(chǎn)量、替代化肥用量等直接經(jīng)濟價值的核算（高菊生等，2010；謝樹果等，2010；徐昌旭等，2011），缺少能夠綜合評估綠肥引入農(nóng)田生態(tài)價值的理論方法，評估結果難以全面反映綠肥引入農(nóng)田的綜合價值。

自Costanza et al.（1997）提出了自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估理論，將生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟商品和生態(tài)功能統(tǒng)稱為生態(tài)服務功能，該理論首次以貨幣形式評估了自然生態(tài)系統(tǒng)各項服務功能價值，為評估不同類別的生態(tài)系統(tǒng)包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟、生態(tài)綜合價值提供了理論基礎（Porter et al.，2009；虞依娜等，2010；韓永偉等，2010）。當前，國內外學者運用農(nóng)田生態(tài)服務功能價值評估理論，成功地對不同種植模式農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綜合價值進行了估算：Schipanski et al.（2014）對賓夕法尼亞地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在有無覆蓋作物條件下，進行了生態(tài)服務功能價值估算，結果表明覆蓋作物能顯著增加農(nóng)田的生態(tài)效益，但對農(nóng)田的直接經(jīng)濟效益沒有顯著影響；Sandhu et al.（2008）基于生態(tài)服務功能價值理論對新西蘭坎特伯雷地區(qū)的傳統(tǒng)種植業(yè)和有機種植業(yè)進行了綜合效益評估，結果反映有機種植模式的經(jīng)濟、生態(tài)效益均優(yōu)于傳統(tǒng)種植模式；國內秦鐘等（2010）對稻鴨共作農(nóng)田系統(tǒng)的生態(tài)服務功能進行了價值評估，發(fā)現(xiàn)稻鴨共作系統(tǒng)生態(tài)服務價值主要表現(xiàn)為環(huán)境調節(jié)功能價值，占總功能價值的62.88%，是直接經(jīng)濟價值的1.69倍；張丹等（2009）對貴州省從江縣稻魚共作系統(tǒng)的生態(tài)服務功能價值進行了估算，結果得出稻魚共作系統(tǒng)生態(tài)服務功能總價值為7.99萬元·hm-2·a-1；肖玉等（2011）對華北冬小麥輪作夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值進行了評估，發(fā)現(xiàn)冬小麥輪作夏玉米農(nóng)田所提供生態(tài)服務的經(jīng)濟價值為5.48～6.25萬元·hm-2·a-1，是糧食生產(chǎn)價值的3倍左右。因此，如何運用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估理論對綠肥引入農(nóng)田的綜合價值進行評估，從而明確綠肥引入農(nóng)田的綜合價值是綠肥研究過程中亟待解決的問題。

本文以冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值理論，采用生態(tài)經(jīng)濟學方法，建立了冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估方法。并運用該方法對華北主要推廣豆科綠肥作物毛葉苕子（Vicia villosa Roth）和非豆科綠肥作物二月蘭（Orychophragmus violaceus）輪作春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值進行評估，同時與常規(guī)春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行對照分析，旨在全面、客觀認識綠肥引入農(nóng)田的綜合價值。

1　評估方法

冬綠肥-春玉米是指在9月中旬春玉米收獲后，種植冬綠肥作物，翌年4月中旬進行翻壓，充當下茬春玉米綠肥的生產(chǎn)方式。該生產(chǎn)方式較春玉米單作對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中春玉米生產(chǎn)、土壤養(yǎng)分累積消耗、溫室氣體調節(jié)以及水土保持等方面具有重要影響（趙秋等，2011；楊璐等，2013）。因此，本研究在突出綠肥引入冬閑田所產(chǎn)生的經(jīng)濟、生態(tài)效益的原則下，選取冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品供給、氣體調節(jié)、土壤養(yǎng)分累積、土壤保持和水分涵養(yǎng)5項服務功能作為評估對象，采用市場替代法、影子價格法和機會成本法等生態(tài)經(jīng)濟學方法，建立冬綠肥-春玉米生態(tài)服務功能價值評估體系。具體評估方法如下：

1.1農(nóng)產(chǎn)品供給功能

農(nóng)產(chǎn)品供給功能是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對人類福利最重要的貢獻（Porter et al.，2009）。冬綠肥-春玉米較春玉米單作能夠在提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中春玉米、飼料糧等農(nóng)產(chǎn)品的供給的同時，減少化肥施入量（楊璐等，2013）。與此同時，由于增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，冬綠肥-春玉米需要更多的種子、機械和人工等的投入。本研究中，冬綠肥作物均在春玉米播種前全部翻壓，因此，產(chǎn)出僅考慮春玉米產(chǎn)值。投入成本由種子、農(nóng)機、化肥和農(nóng)藥等組成。

由于上述投入、產(chǎn)出指標均具有明確的市場價格，可以進行市場交換，故采用市場價值法來估算其服務價值（見公式1）。

式中，Vg為農(nóng)產(chǎn)品供給服務價值（元·hm-2）；My、Mi分別為春玉米經(jīng)濟產(chǎn)量和投入的物質資料（種子、農(nóng)機、化肥和農(nóng)藥）（kg·hm-2）；Ey、Ei分別為春玉米市場價格和投入物質資料（種子、農(nóng)機、化肥和農(nóng)藥）的市場價格（元·kg-1）。各項農(nóng)資價格參數(shù)如下：春玉米單價為2.42元·kg-1；春玉米、二月蘭和毛葉苕子種子單價分別為8、30和22元·kg-1；化肥的市場單價以《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》中推薦價格為基期價格，結合2014年相對價格指數(shù)為1.16，得到磷酸二銨2.79元·kg-1，氯化鉀2.55元·kg-1；農(nóng)機、農(nóng)藥投入成本基期價格參考《2003年至2005年北京市國家級保護性耕作項目工作總結報告》，結合2014年相對價格指數(shù)為1.31，得到重耙0.03萬元·hm-2，翻耕0.04萬元·hm-2，鎮(zhèn)壓0.01萬元·hm-2，輕耙0.02萬元·hm-2，播種0.03萬元·hm-2，打藥0.01萬元·hm-2。

1.2氣體調節(jié)功能

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具備氣體調節(jié)功能，主要反映在調節(jié)溫室氣體和凈化空氣的作用（Porter et al.，2009）。在調節(jié)溫室氣體服務功能上，冬綠肥-春玉米較春玉米單作一方面增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的凈生物量從而提高了農(nóng)田系統(tǒng)年固碳量和釋放氧氣量；另一方面，由于綠肥的種植翻壓對冬閑田進行了擾動，在一定程度可能影響了農(nóng)田系統(tǒng)CH4和N2O的排放（胡立峰等，2009）。因此，本研究采取影子價格法，以造林成本法和工業(yè)制氧法分別計算系統(tǒng)中固碳價值和釋氧價值（見公式2）；根據(jù)IPCC（1992）提出的增溫潛勢（GWP）原理，其中以100年影響尺度計，CH4和N2O的GWP值分別為21和310（Shine，2000）。據(jù)此，將CH4、N2O排放量轉化為具有同等增溫效應的CO2排放量，然后用排放CO2負價值來代替農(nóng)田排放CH4、N2O的負價值（見公式3）。其中，固碳價格采用瑞典碳稅價格為150美元·t-1（LY/T 1721─2008，2008），折合人民幣920元·t-1（匯率取2014年人民幣對美元平均匯率為6.1428）；氧氣價格參考《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》中推薦價格，結合2014年相對價格指數(shù)為1.16，取氧氣價格為1160元·t-1。

在凈化空氣污染物功能上，不同植被類型降塵以及凈化有毒氣體能力也有所不同（郭偉等，2010；彭立等，2015）。冬綠肥引入冬閑田增加了冬季農(nóng)田的植被覆蓋度，并且改變了農(nóng)田植被覆蓋類型，從而提高了對SO2、NOx和滯塵等主要空氣污染物的凈化功能。因此，本文采取機會成本法，以治理SO2、NOx和滯塵所需成本作為農(nóng)田系統(tǒng)凈化空氣價值（見公式4）。參考唐衡等（2008）的研究，獲取單位面積北京耕地年平均凈化空氣污染物量：SO2為45 kg·hm-2、NOx為33 kg·hm-2、滯塵為1500 kg·hm-2。各種污染物治理成本參考《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》，結合2014年相對價格指數(shù)為1.38，取治理成本分別為：SO2為1.66元·kg-1、NOx為0.87元·kg-1、滯塵為0.21元·kg-1。

綜上所述，得到冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)氣體調節(jié)功能價值評估方法如下：

式中，Va1為固碳釋氧價值（元·hm-2）；Q為農(nóng)田生物量（kg·hm-2）；Ec為固碳成本（元·kg-1）；Eo為制造氧氣成本（元·kg-1）。

式中，Va2為排放溫室氣體負價值（元·hm-2）；FCH、FNO分別為排放甲烷和氧化亞氮量（kg·hm-2）。

式中，Va3為凈化空氣污染物價值（元·hm-2）；D為單位面積農(nóng)田系統(tǒng)吸收空氣污染物基本量（kg·hm-2）；I為不同類型農(nóng)田覆蓋作物修正系數(shù)，取值分別為春玉米單作為1、二月蘭-春玉米為2.25、毛葉苕子-春玉米為2.25（唐衡等，2008）；Ed為治理各項空氣污染物成本（元·kg-1）。

式中，Va為氣體調節(jié)功能價值（元·hm-2）。

1.3土壤養(yǎng)分累積功能

農(nóng)田中土壤與作物之間的養(yǎng)分交換過程是生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分累積循環(huán)的重要環(huán)節(jié)（謝高地等，2013）。冬綠肥在生長過程中能夠活化土壤中的難溶性磷和緩效鉀，提高土壤有效磷和速效鉀的含量，翻壓至土壤能夠提高土壤中有機質的含量（Cherr et al.，2006；Fageria，2007）。其中，豆科綠肥能夠通過生物固氮作用，固定大氣中的氮氣，翻壓至土壤能夠提高土壤堿解氮含量。

因此，本研究以土壤耕層堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質積累量來評估冬綠肥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分累積功能價值。由于土壤養(yǎng)分在市場中缺乏直接價格，故采用影子價格法，用含有等量營養(yǎng)物質的肥料和有機碳的市場價值分別替代農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中堿解氮、有效磷、速效鉀以及有機質的累積價值（見公式6）。

式中，VN為土壤養(yǎng)分累積價值（元·hm-2）；ρ為土壤耕層容重（g·cm-3）；B為每公頃的耕層（20 cm）土壤體積（m3·hm-2）；N1為單位面積土壤養(yǎng)分（堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質）累積量（t·hm-2）；En為土壤養(yǎng)分的價格（元·t-1）。

1.4土壤保持功能

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要通過農(nóng)作物對地表的覆蓋作用，減輕土壤風蝕、水蝕的發(fā)生，從而保持土壤數(shù)量（孫禹等，2013；王萬忠等，1996）。冬綠肥-春玉米使冬閑田的裸露地表得以覆蓋，能夠減小農(nóng)田土壤侵蝕損失（Kim et al.，2012），其保持土壤功能價值主要體現(xiàn)在3個方面，分別為減少耕地產(chǎn)值的潛在損失、減少土壤養(yǎng)分的流失和減少河流泥沙淤積。

由于缺少對農(nóng)田土壤保持量的直接測量，本研究運用通用土壤流失方程（USLE，Universal Soil Loss Equation）計算土壤侵蝕模數(shù)，通過無植被覆蓋的潛在土壤侵蝕量和實際土地覆蓋的土壤侵蝕量之差來估算研究區(qū)的土壤保持量。具體計算公式如下：

式中，A為農(nóng)田土壤保持量（t·hm-2）；R為降雨侵蝕因子（t·hm-2）；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。其中潛在侵蝕量默認土地無覆蓋即C=1以及無水土保持措施即P=1。

其中，R值采用王萬忠等（1996）關于中國主要站點年平均R值計算結果，取天津站R值為319.4 t·hm-2；試驗地土壤耕層有機質為15.68～16.58 g·kg-1且土壤質地為粘壤土，采用諾謨圖法（王萬忠等，1996），確定K值為0.56；參考徐艷杰等（2012）關于華北地區(qū)LS計算方法，取試驗地坡長為10 m，坡度為2°，得到LS為0.13；試驗區(qū)二月蘭-春玉米、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作農(nóng)田年植被覆蓋度分別為0.62、0.74和0.36，植被覆蓋因子C值采用蔡崇法等（2000）提出的計算公式：

式中，c為不同農(nóng)田系統(tǒng)年均覆蓋度，得二月蘭-春玉米、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作農(nóng)田C值分別為0.0349、0.0085和0.1161；根據(jù)華北地區(qū)不同土地利用類型P值表（徐艷杰等，2012），取旱地水土保持措施因子值，P為0.6。

在價格參數(shù)取值方面，由于市場并不存在土壤直接交易價格，因此，本研究采用機會成本法，分別以農(nóng)田單位面積產(chǎn)值、土壤養(yǎng)分價值、承載泥沙淤積的水庫庫容建造成本來估算系統(tǒng)減少土壤廢棄價值（見公式9）、減少土壤養(yǎng)分流失價值（見公式10）以及減少泥沙淤積價值（見公式11）。綜上所述，得到冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)土壤保持功能價值（見公式12）。

式中，VA1為減少土壤廢棄價值（元·hm-2）； ?為耕層厚度，取0.2 m；Eq為耕地單位面積的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，通過周邊農(nóng)戶調研所得，取平均值為19000元·hm-2。

式中，VA2減少土壤養(yǎng)分流失價值（元·hm-2）；N2為單位面積土壤耕層養(yǎng)分（堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質）保有量（t·hm-2）。

式中，VA3為減少泥沙淤積價值（元·hm-2）；Ew為水庫庫容建造成本為7.99元·t-1（LY/T 1721─2008，2008）；24%為泥沙淤積量占土壤侵蝕量的百分比（盛莉等，2010）。

式中，VA為土壤保持功能價值（元·hm-2）。

1.5水分涵養(yǎng)功能

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要通過土壤對水分的蓄積，以達到水分涵養(yǎng)功能。研究表明種植翻壓綠肥能夠改善土壤物理性質，增加土壤團粒結構，減小土壤容重，提高土壤飽和含水量（Kim et al.，2012；Tosti et al.，2012），從而增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤的蓄水能力。因此，本研究以土壤耕層飽和含水量來反映農(nóng)田系統(tǒng)水分涵養(yǎng)服務功能。由于市場中缺乏土壤水的直接價格，本研究依據(jù)土壤涵養(yǎng)水分的主要功能類似與水庫蓄水功能的特點，采用影子工程法以建造同等持水量水庫庫容成本替代涵養(yǎng)水分功能價值（見公式13）。

式中，Vw為水分涵養(yǎng)價值（元·hm-2）；θf為土壤飽和含水量（%）；h為耕層厚度，取0.2 m。

2　數(shù)據(jù)來源

根據(jù)上述評估方法，本文選取華北地區(qū)推廣面積較大的禾本科冬綠肥二月蘭和豆科冬綠肥毛葉苕子-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為評估對象，對兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的1個生產(chǎn)周期的服務功能價值進行評估，并與常規(guī)春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行對照。

本研究所需田間試驗數(shù)據(jù)主要由天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所試驗站提供。主要包括春玉米、綠肥產(chǎn)量等農(nóng)田生產(chǎn)數(shù)據(jù)和土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，以及土壤容重、孔隙度等土壤物理數(shù)據(jù)。試驗中，兩種冬綠肥二月蘭和毛葉苕子均于2010年9月中旬播種，2011年4月中旬全部翻壓，翻壓之后于月末進行玉米播種，并于2011年9月中旬收獲。

生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估中所需的價格參數(shù)主要參照《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》（LY/T 1721─2008，2008）以及相關統(tǒng)計年鑒。由于年際之間各種價格參數(shù)會有所變化，故本文設置2014年為價格計算基準年份，通過2014年居民消費價格指數(shù)（CPI）將本文所有價格參數(shù)轉化為2014年的價格，使價值評估結果具備可比性。

3　結果與分析

3.1農(nóng)產(chǎn)品供給功能價值評估

冬綠肥-春玉米生態(tài)系統(tǒng)的投入主要有種子、農(nóng)機、化肥和農(nóng)藥等人工輔助能，產(chǎn)出的初級產(chǎn)品主要有春玉米和綠肥作物。本研究中，冬綠肥作物均在春玉米播種前全部翻壓，因此，產(chǎn)出僅考慮春玉米產(chǎn)值。

其中，二月蘭-春玉米、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中春玉米產(chǎn)量分別為7740、7800和7320 kg·hm-2；春玉米單作農(nóng)田系統(tǒng)化肥施用量為N 225.0 kg·hm-2、P2O545.0 kg·hm-2、K2O 225.0 kg·hm-2，兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)較春玉米單作均減少25%的化肥施用量；二月蘭、毛葉苕子和春玉米播種量分別為20.5、45.0和30.0 kg·hm-2；農(nóng)機投入方面，傳統(tǒng)春玉米單作系統(tǒng)為重耙、翻耕、播種和鎮(zhèn)壓，冬綠肥-春玉米系統(tǒng)較春玉米單作增加了輕耙、播種、翻耕3道工序。

綜合上述參數(shù)，根據(jù)公式（1）計算得到不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田農(nóng)產(chǎn)品供給功能價值投入產(chǎn)出（見表1）。

表1　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田農(nóng)產(chǎn)品供給功能價值投入產(chǎn)出表Table 1 Values of food production in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

如表1所示，在不同種植模式農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的成本投入中，冬綠肥-春玉米較春玉米單作系統(tǒng)減少了化肥的投入，增加了種子和農(nóng)機的投入，其中毛葉苕子-春玉米系統(tǒng)成本投入最高為0.49萬元·hm-2，較春玉米單作增加了35.34%，二月蘭-春玉米系統(tǒng)成本投入為0.45萬元·hm-2，較春玉米單作增加了24.93%。在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出方面，兩種冬綠肥-春玉米系統(tǒng)均高于春玉米單作，其中毛葉苕子-春玉米較春玉米單作增加6.56%，二月蘭-春玉米較春玉米單作系統(tǒng)增加5.74%。

綜合不同生態(tài)系統(tǒng)中的成本投入和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出，3種種植模式農(nóng)田系統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品供給服務價值無明顯差異，但在產(chǎn)投比方面差異顯著：春玉米單作產(chǎn)投比為491%，較冬綠肥-春玉米約提高了18.03%～26.87%，表明兩種冬綠肥-春玉米較春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的直接經(jīng)濟效率偏低。

3.2氣體調節(jié)功能價值評估

由于難以獲取冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對CH4和N2O調節(jié)的具體數(shù)據(jù)，本文僅以固定CO2量和釋放O2量來估算冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體調節(jié)功能價值。需要說明的是，本研究只對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中春玉米和冬綠肥在其生長期的固碳釋氧功能進行計量評估，對于冬綠肥還田和玉米收獲后碳素在各種生態(tài)系統(tǒng)中的流動和循環(huán)不予考慮。

本研究取冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)生物量為春玉米、冬綠肥生物量的和，春玉米單作農(nóng)田系統(tǒng)生物量由春玉米和冬閑期雜草生物量組成。根據(jù)天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所試驗場提供數(shù)據(jù)，二月蘭-春玉米、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中春玉米生物量分別為18550、18720和17100 kg·hm-2。冬綠肥二月蘭生物量為5103 kg·hm-2，毛葉苕子生物量為4202 kg·hm-2。春玉米單作農(nóng)田系統(tǒng)冬閑期間雜草生物量為1600 kg·hm-2。

綜合上述參數(shù)，根據(jù)氣體調節(jié)服務功能價值評估方法（公式2、公式3、公式4、公式5）計算得到3種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氣體調節(jié)服務功能價值（見表2）。結果表明，冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)氣體調節(jié)價值主要表現(xiàn)為對溫室氣體的調節(jié)功能，其中又以釋放氧氣為功能為單項價值最高。與春玉米單作農(nóng)田系統(tǒng)相比，兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)調節(jié)氣體價值均有所提高。其中，二月蘭-春玉米系統(tǒng)提高幅度最大，為27.69%；毛葉苕子-春玉米其次，提高23.83%。

3.3土壤養(yǎng)分累積功能價值評估

冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年周期前后的土壤養(yǎng)分含量變化取自天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所趙秋等（2013）試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（6）計算得到不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分累積功能價值（見表3）。

計算結果顯示，冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)土壤養(yǎng)分累積價值均明顯高于春玉米單作，是其價值的4～5倍。兩種冬綠肥-春玉米系統(tǒng)中，二月蘭-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)土壤養(yǎng)分累積價值最高為0.44萬元·hm-2，較毛葉苕子-春玉米提高23.4%。

表2　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田氣體調節(jié)功能價值Table 2 Values of gas regulation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems 104Yuan·hm-2

表3　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田土壤養(yǎng)分累積功能價值Table 3 Values of soil nutrient accumulation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems 104Yuan·hm-2

不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在土壤堿解氮、有效磷的累積價值均為正值，表現(xiàn)為累積正效益，同時兩種冬綠肥-春玉米系統(tǒng)均高于春玉米單作。主要原因可能是試驗中施入的氮、磷肥量高于春玉米生長的吸收量，另一方面冬綠肥的翻壓還田有提高土壤中堿解氮、有效磷含量的作用（Cherr et al.，2006）。在土壤速效鉀累積價值方面，3種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)價值均為負值，表現(xiàn)為消耗負效益。主要原因在于試驗中施入的鉀肥量低于春玉米生長的吸收量，另一方面冬綠肥的翻壓還田有富集鉀素的作用，降低了土壤速效鉀消耗負效益（Fageria，2007）。土壤有機質累積價值方面，春玉米單作系統(tǒng)呈消耗負效益，冬綠肥輪作系統(tǒng)呈累積正效益。主要原因在于春玉米的生長消耗了土壤中的有機質，而冬綠肥的翻壓可以使土壤有機質含量得到提高（Lockwell et al.，2012）。

3.4土壤保持功能價值評估

通過公式（7）計算，二月蘭-春玉米農(nóng)田土壤保持量為22.69 t·hm-2，毛葉苕子-春玉米農(nóng)田土壤保持量為23.06 t·hm-2，春玉米單作農(nóng)田土壤保持量為21.56 t·hm-2。根據(jù)保持土壤功能價值估算方法（公式9、公式10、公式11、公式12），分別計算得出3種不同種植模式下的農(nóng)田土壤保持功能價值，見表4。

結果可知，在農(nóng)田土壤保持功能價值方面，兩種冬綠肥-春玉米價值基本相同，較春玉米單作高出5.3%～6.9%，其中又以減少土壤養(yǎng)分流失和減少耕地廢棄為主要功能價值，主要原因在于綠肥引入冬閑田，提高了農(nóng)田系統(tǒng)年植被覆蓋度，進而增加了農(nóng)田年土壤保持量。另一方面，二月蘭、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作土壤年保持量分別為22.69、23.06和21.56 t·hm-2，三者相差不大，這是由于試驗地年降雨量偏小，地勢平坦，致使該區(qū)域土壤潛在侵蝕量較低，僅為23.25 t·hm-2，土壤侵蝕程度較低（徐艷杰等，2012）。因而，冬綠肥引入冬閑田對提高農(nóng)田保持土壤功能價值不明顯。

3.5水分涵養(yǎng)功能價值評估

取二月蘭-春玉米、毛葉苕子-春玉米和春玉米單作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤耕層容重分別為1.24、1.26和1.30 g·cm-3（趙秋等，2013），依據(jù)容重計算得到土壤飽和含水量，分別為通過公式（11）得到不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分功能價值（見表5）。

由結果可知，兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)水分涵養(yǎng)價值均大于春玉米單作，其中二月蘭-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)水分涵養(yǎng)價值較春玉米單作約增加0.04萬元·hm-2，提高4.59%；毛葉苕子-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)水分涵養(yǎng)價值較春玉米單作約增加0.03萬元·hm-2，提高3.11%。主要原因可能是兩種冬綠肥作物的根系密集且深長，密集的根系在腐解過程中，增加了水穩(wěn)性團聚體，減小了土壤耕層的容重，從而增加了土壤耕層孔隙度，進而增強了土壤的蓄水能力（焦彬，1986）。

表4　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田保持土壤功能價值Table 4 Values of soil conservation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

表5　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田涵養(yǎng)水分功能價值Table 5 Values of water conservation in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

表6　不同冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)服務功能價值總量Table 6 Ecological service value items and their proportions in different winter green manure-spring maize agro-ecosystems

3.6生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值綜合評估

綜合3.1～3.5所有類型生態(tài)服務功能價值的計算結果，得到華北冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值（見表6）。

兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值均高于春玉米單作。其中，二月蘭-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值最高為7.14萬元·hm-2，較春玉米單作提高23.45%；毛葉苕子-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能總價值為6.90萬元·hm-2，較春玉米單作提高19.15%。

兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，各功能服務價值對總價值貢獻率基本一致。其中，調節(jié)氣體功能價值最高，占總價值的60.84%～61.13%；其次為農(nóng)產(chǎn)品供給功能價值，占總價值的19.92%～20.30%；其他功能價值貢獻率從大到小依次為水分涵養(yǎng)功能、土壤養(yǎng)分累積功能、土壤保持功能。

4　結論與討論

4.1討論

（1）本文構建的冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估體系在指標選取方面，限于數(shù)據(jù)難以獲取和缺少定量評估方法等原因，仍有部分生態(tài)服務功能未能體現(xiàn)，如農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的教育認知功能、生物多樣性等服務功能。因此，需要對上述難以量化的生態(tài)服務功能指標作進一步研究，以期建立更為全面的評估方法。在價值量核算方法的選擇層面，研究發(fā)現(xiàn)同一指標在不同替代市場法中價值量相差甚大，因此，如何根據(jù)各類型服務功能的本質，更有針對性地選擇價值量評估方法是價值評估結果準確的前提。

（2）本文僅評估了周期為1年的華北冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值，對于長期冬綠肥-春玉米條件下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的動態(tài)變化，還有待進一步的研究。此外，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在向社會提供正效益的同時也產(chǎn)生了負效益，如甲烷和氮氧化物等溫室氣體的排放以及化肥與農(nóng)藥施用所帶來的環(huán)境污染。限于研究資料收集等因素，本文在評估華北冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值過程中并未對上述負效益進行估算。因此，本文評估結果可能較實際農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值偏高。下一步研究將有針對性地建立綠肥引入農(nóng)田長期定位試驗，并擴大監(jiān)測指標，以期獲得準確數(shù)據(jù)，進而得到更為全面、準確的評估結果。

（3）評估結果表明，兩種冬綠肥-春玉米農(nóng)田系統(tǒng)的直接經(jīng)濟效益產(chǎn)投比低于常規(guī)春玉米單作，一定程度上解釋了中國綠肥種植推廣過程中，農(nóng)民積極性不高的現(xiàn)象。不同主體對象關注的價值類型是不同的，在農(nóng)戶角度上，直接經(jīng)濟效益是第一生產(chǎn)力，將直接決定農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為；而在國家層面上，可持續(xù)發(fā)展是最終目的，不僅需要考慮為社會提供農(nóng)產(chǎn)品供給服務的直接經(jīng)濟效益，還應該考慮其它服務功能所帶來的生態(tài)效益。因此，筆者建議，在綠肥種植層面，改變傳統(tǒng)綠肥全部翻壓還田的單一利用方式，加強綠肥多元化利用以獲取更高的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值，同時從政策上對種植綠肥進行生態(tài)補償。

（4）本文中，二月蘭-春玉米和毛葉苕子-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的總服務功能價值雖然基本相同，但表現(xiàn)在土壤養(yǎng)分累積功能有所差異。因此，如何針對不同種類綠肥的生態(tài)服務功能特點，結合不同地區(qū)的生態(tài)需求，因地制宜地引入綠肥是下一步綠肥研究中的重要問題。

4.2結論

（1）本文基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值理論，結合綠肥引入冬閑田效應特點，初步構建了冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估體系。該體系由農(nóng)產(chǎn)品供給、氣體調節(jié)、土壤養(yǎng)分累積、土壤保持和水分涵養(yǎng)5類服務功能和20個具體評估指標組成，并采用生態(tài)經(jīng)濟學方法建立了各項服務功能價值核算方法。

（2）將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)產(chǎn)品供給服務價值作為直接經(jīng)濟效益，其他生態(tài)服務價值作為生態(tài)效益，在冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)效益占總服務功能價值的79.70%～80.08%，約為直接經(jīng)濟效益的4倍。因此，冬綠肥-春玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)除了為社會提供農(nóng)產(chǎn)品供給服務的直接經(jīng)濟效益以外，更多的是提供調節(jié)氣體、涵養(yǎng)水分、土壤養(yǎng)分累積和保持土壤等生態(tài)效益。

本研究為綠肥引入冬閑田的綜合價值核算提供了較為全面的評估方法，研究結果有利于完善綠肥發(fā)展過程中的價值核算方法，同時為種植綠肥生態(tài)補償政策提供理論依據(jù)。

致謝：感謝天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所趙秋老師為本研究提供部分田間試驗數(shù)據(jù)！

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Appraisal of Agro-ecosystem Services in Winter Green Manure-spring Maize

ZHOU Zhiming1，ZHANG Liping1，CAO Weidong2，HUANG Yuanfang1*
1.College of Resources and Environment，China Agricultural University； Key Laboratory of Arable Land Conservation （North China），Beijing 100193，China；2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China

Abstract：Planting green manure crops in fallow farm land in winter is a very important strategy for optimizing the agricultural cropping structure in China.However，it is critical to evaluate the benefit of introducing green manure crop to farm land before the planting.In this study，based on the Agro-Ecosystem Service Appraisal Theory，we used methods from ecological economics to develop a systematic model to evaluate the ecological services value of practicing winter green manure and spring maize rotation in North China Plain for farm land.This model has considered the unique properties of green manuring and the ecological services value were estimated by considering influence of green manure on five ecological services function including crop production，gas regulation，water conservation，soil conservation，and soil nutrient accumulation.Then we used the model to estimate ecological services value of practicing Vicia villosa Roth or Orychophragmus violaceus and spring maize rotation by comparing with the model of planting spring maize only in North China Plain.Results show that the ecological services value of rotation of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus with spring maize rotation were 71 449 and 68 962 Yuan per hectare，respectively.Compared to planting spring maize only，the introductions of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus increased with ecological services value by 23.45% and 19.15%，respectively.Planting green manure crops had greatest effect on gas regulation and this benefit accounts for 60.84%～61.13% of the total ecological services value.Planting green manure crops had the second greatest effect on crop production and this benefit accounts for 19.92%～20.30% of the total values.For other function，the benefit of planting green manure crops follows the order of water conservation ＞ soil nutrient accumulation ＞ soil conservation.There were different effects of the introductions of Vicia villosa Roth and Orychophragmus violaceus on soil nutrient accumulation.Specifically，planting Vicia villosa Roth mainly increases available phosphorus and soil organic matter，whereas planting Orychophragmus violaceus mainly increases alkali-hydro nitrogen.The results of our study show that the model developed is effective to estimate the benefits of planting green manure crops in fallow farm land in winter，and the findings have provided theoretical basis for decision maker about the planting.

Key words:winter green manure； ecological service function； appraisal； Orychophragmus violaceus； Vicia villosa Roth

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.008

中圖分類號：S142； X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）04-0597-08

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201103005-01-01）

作者簡介：周志明（1989年生），男，博士研究生，主要從事綠肥綜合效益評價研究。E-mail:ZMZHOU163@163.com

*通信作者：黃元仿（1968年生）男，教授，博士，研究方向為土壤水分、養(yǎng)分模型與水土資源管理。E-mail:yfhuang@cau.edu.cn

收稿日期：2016-01-29