农田生态系统服务及其价值量化研究进展

李胜男，张建军，陈　静，赵亚辉

（1.唐山市地产评估咨询中心，河北　唐山　063000；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京　100083）

农田生态系统服务及其价值量化研究进展

李胜男1，2，张建军2*，陈静1，赵亚辉1

（1.唐山市地产评估咨询中心，河北唐山063000；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京100083）

农田生态系统是陆地生态系统重要的组成部分，不仅为人类提供各种农产品，还在维系生命的支持系统和环境的动态平衡等方面起着不可替代的重要作用，是人类生存和生产的必要基础。本文综述了农田生态系统服务类型及其内涵、价值量化方法，并简要地阐述了各方法的优缺点及适用范围，高度概括了农田生态系统服务价值在实践中的应用，充分认识到农田生态系统服务量化是进一步农田生态系统服务供给和消费分析、生态补偿、农地市场流转及农村绿色GDP核算的基础和依据。研究结论有助于深刻理解农田生态系统服务功能的量化思路及途径。

农田生态系统；内涵；分类；功能；价值

20世纪30年代生态系统概念被首次提出［1］，20世纪90年代“生态系统服务”一词的提出开启了人们对生态系统功能的研究。Costanza［2］和Daily［3］研究认为，生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的产品和服务的总称。随后生态学家和经济学家对各种类型生态系统的功能服务进行了研究［4～7］。

农田生态系统是陆地生态系统重要的组成部分，其功能服务对人类生存和发展产生了重要的影响。农田生态系统每年都以生态产品和服务等形式为人类提供着巨大价值，按其最小估计，在传统的农业生产模式下，自然能够提供的生态系统服务价值为6 114.3元/（hm2·a）［8］。在城市化高速发展的今天，工业体系达到较高水平，人类文明赖以创造经济繁荣的自然资本的储量和生态服务供给能力正在急剧下降，而农田生态系统非市场服务的无偿或低价消费却带来了生态服务的消费总量急剧攀升，生态服务的供给与消费出现极不均衡的现象，长此以往将破坏农田生态系统的可持续发展，提高农业生产成本［9，10］。因此，对农田生态系统服务内涵及其分类、价值量化进行深入研究，对于科学认识农田生态系统服务功能，合理开发利用农业资源，提高农户对农田生态系统服务的认知，实现现代生态农业具有重要意义。

1　农田生态系统服务内涵及其分类

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［11］。该系统是社会-经济-自然复合而成，具有高度的目的性、开放性、高效性、易变性、脆弱性及依赖性［12，13］，其服务同时具有特殊性。

1.1农田生态系统服务内涵

农田生态系统服务是农业生态系统及其生态经济过程向人类所提供的一系列功能与效益和所维持的人类赖以生存的环境，是在农业生态系统的自然过程（自然资源禀赋与农业生物互作）和人工活动（人类对原有农田环境的改良，包括良种、化肥、灌溉、机械、农药等外部投入以获得系统生产力的提高）双重影响下表现出来的对人类直接和间接的效应［14］。不同学者从不同角度对不同农田生态系统服务进行了诠释。

1.1.1农产品及原材料生产农田生态系统的供给服务是指人类从农田生态系统获取的各种农产品和原材料生产服务。农田生态系统为人类提供粮食、蔬菜、瓜果等维持生命的食物以及饲料、药材等经济作物，这些是农田生态系统的首要服务，是人类生存、繁衍和发展的基础［15，16］；同时还为工业发展提供纤维、木材、橡胶等原料，例如秸秆作为可再生资源，其热值为14.50～15.00 MJ/kg［17］，中国作为农业生产大国，秸秆产量约为7亿t/a［18］，可用于燃烧、饲养、直接还田、工业加工和食用菌栽培等，具有较高的可收集性和经济利用价值［19］。

1.1.2净化大气农田中的许多作物能够吸收空气中的有害气体并进行分解，如稻田生长期间植株释放O2、吸收CO2，对人类有积极贡献的服务功能；同时释放N2O、CH4将导致温室效应增强，表现为负效应［20］。农田生态系统的净化大气服务主要包括固定CO2服务、吸收SO2、NO2、HF及释放O2服务［21］，通过光合作用固定太阳能，将CO2等转化为有机质。目前对农田土壤的碳储存是比较认可的，占全球碳存储总量的8%～10%。

1.1.3废弃物处理消纳分解畜禽粪便废弃物是农田生态系统独特而重要的服务之一。目前对畜禽废弃物处理和利用的方式主要是直接还田，这种方式不仅可维持农田养分的平衡，而且降低了环境污染以及处理成本［22］。数据显示，北京城郊农田生态系统每年消纳废弃物的价值达16.49亿元。

1.1.4水源涵养农田具有水源涵养功能，特别是稻田，与其相邻的沟渠、山塘构成隐形的水库［23］。农田土壤具有渗透水资源和蓄水功能，能够减少和滞后降水进入河流，进而减少洪水发生［24］。土壤的保水能力由其孔隙度大小决定，涵养水源的功能主要是土壤非毛管空隙的作用。农作物根系深入土壤，也能截留降水，进而减少和推迟地面径流，地表径流较缓慢且均匀［25］。涵养水源是农田生态系统服务的一个重要组成部分，而水又维持着农田生态系统正常运行和保持生态平衡。

1.1.5土壤形成与保护土壤是陆地生态系统的核心组成，在全球生物地球化学循环中起着重要作用［26］。农作物对地表土覆盖以及各种水资源涵养具有积极的作用。土壤保持服务包含减少侵蚀和阻拦泥沙，在预防土壤侵蚀、维持区域生态安全及可持续发展中发挥着重要作用，可以从减少土壤侵蚀、保护土壤肥力、减少废弃地和减轻泥沙淤积灾害等方面对农田保持服务进行评价［27］。

1.1.6维持养分循环维持养分循环是农田生态系统支持服务中的1项重要服务，为作物产量提供物质保障。生态系统的营养物质循环主要是在生物库、凋落物库和土壤库之间进行，对于农田生态系统来说，因其凋落物量较小，因此从生物和土壤之间的养分交换过程考虑农田生态系统的养分循环［28］。

1.1.7维持生物多样性农田生物多样性是农田生态系统功能及其提供生态系统服务的基础。农田生态系统是生物多样性富集的“野生生境岛屿”，有许多边际土地是珍稀野生生物物种聚集的地点，因此农田生态系统中生物的多样性是全球生物多样性的重要组成部分［29］。

1.1.8提供美学景观即农田生态系统为人们提供的生态旅游服务。20世纪90年代我国农业旅游发展迅速，生态旅游、民俗旅游、农节旅游日趋旺盛，乡村新鲜的空气、寂静的环境及美丽的风景深受城市居民的喜爱。

1.1.9负服务农田生态系统是人类改造自然而形成的，由于人类对的农产品的特殊需求，大量化肥、农药和地膜等农资的使用，对农田生态系统造成一定的负面影响［30］。目前农田生态系统的负服务主要包括由化肥利用率不高、农药及农膜污染、有毒害物质残留、水资源浪费以及农田生产活动所排放的温室气体排放等问题［31～36］。

综上所述，农田生态系统不仅提供各种农产品，还在维系生命的支持系统和环境的动态平衡等方面提供着大量的生态服务，具有不可替代的重要作用。因此协调农产品生产与其他生态服务系统的供给关系，量化其服务价值，有助于人们对农田生态系统服务进行直观认识，从而为实现农田生态系统可持续发展提供保障。

1.2农田生态系统服务类型

关于农田生态系统服务的分类标准有很多，且相互交叉重叠。大量文献将农田生态系统服务范围分为2类：（1）生态系统产品（如粮食、蔬菜、水果、纤维、原材料等可以商品化的服务）；（2）支撑与维持人类赖以生存的服务（如气候调节、水源涵养、水土保持、土壤肥力维持、养分循环等难以商品化的功能），表现为间接价值［37，38］。作者对农田生态系统服务进行归纳总结，将其分为5个一级指标和10个二级指标（表1）。

表1　农田生态系统服务的类型及服务内涵［15，39～49］Table 1　Types and connotation of farmland ecosystem services

2　农田生态系统服务价值量化方法及应用

2.1农田生态系统服务价值评估方法

国内对于生态系统服务价值的评估，主要通过2种途径。（1）基于Costanza［2］、谢高地等［8］研究的基准值参数修正法。该方法具有数据获取方便，使用较简单，适于较大尺度的宏观总体评价等优点，但不能反映区域差异性等问题。（2）基于影子工程法、替代成本法、意愿调查法等环境经济学评价方法。这些方法能针对具体的生态系统服务特点进行差异性量化，反映不同区域的特性，更具有现实指导意义；但是存在评价过程较复杂，数据获取相对困难等问题。根据价值评估技术的市场基础不同，该类环境经济评价方法又分为实际市场价值评估技术、替代市场评估技术和假想市场评估技术。实际市场价值评估技术是针对能够在市场进行交易的生态系统产品和服务，以其市场价格作为生态系统服务的经济价值进行评估；替代市场评估技术是对不能直接获得其价值货币表现（价格）的产品和服务，利用替代市场技术在市场寻找相同价值物品（等效替代物）进行评估，替代物的市场价格即为影子价格；假想市场评估技术是针对用于不能以任何形式表现价值的生态系统服务，在假想的市场中通过被询问者确定其经济价值进行评估。

2.1.1供给服务价值评估技术

2.1.1.1食物生产。采用市场定价法［50，51］进行测算农产品的服务价值，具有数据易获得、计算简单、结算结果与社会经济整体水平相吻合的特点，借助实际市场价值评估技术，具体公式为：

V1=∑Si·Ki·Pi（i=1，2，……，n）

式中，V1：作物价值（104元）；Si：第i类作物种植面积（hm2）；Ki：第i类作物单位面积产量（kg/hm2）；Pi：第i类作物市场价格（元/kg）。

2.1.1.2原材料生产。由于原材料生产价值数据获取难度较大，且计算复杂，适于区域小尺度价值估算。在计算原材料生产价值时，以秸秆为例，具体计算公式为：

V2=Pc·k·M

Pc=∑ηiλiGi（i=1，2，……，n）

式中，V2：秸秆价值（104元）；Pc：可用秸秆量（t）；k：秸秆实际利用比例（%）；M：秸秆价格（元/kg）；ηi：第i类作物秸秆的收集系数；λi：第i类作物秸秆的谷草比例（%）；Gi：第i类作物年产量（t）。

2.1.2调节服务价值评估技术

2.1.2.1净化大气。净化大气服务包括固碳制氧和吸收污染气体服务，均采用替代市场评估技术。评估固碳制氧服务价值，仅从作物光合作用反应式考虑固碳量和释氧量，具有一定的局限性；若考虑每种作物的初生产值，则计算量巨大；在实际工作中一般采用碳税法和工业制氧法［28，52］进行评估，具体计算公式为：

VCO2=NPP S1.63 L VO2=NPP S1.20 PO2

式中，VCO2：农田生态系统固定CO2的价值（104元）；VO2：农田生态系统释放O2的价值（104元）；NPP：农田净初级生产力（t）；S：作物播种面积（hm2）；L：碳税率（元/t）；PO2：工业制氧成本（元/t）。

NPP=∑Yj（1-wi）/fi

式中，Yi：第i类作物的产量（t）；fi：第i类作物的经济系数；wi：第i类作物的含水率。

估算农田生态系统吸收SO2、NO2、HF及滞尘的价值，计算公式为：

V3=∑qjSpj

式中，V3：农田生态系统吸收SO2、NO2、HF及滞尘的价值；qj：农田生态系统对各污染气体的吸收量（j=1，2，3，4分别表示SO2、NO2、HF及滞尘）（kg/hm2）；Pj：削减各污染气体的单位成本（元/kg）；S：作物播种面积（hm2）。

2.1.2.2废弃物处理。废弃物处理价值通常采用替代市场评估技术（替代成本法）进行测算。该方法数据较易获取，但只考虑了畜禽粪便废弃物，价值量可能偏小，适用于有粪便还田的区域小尺度价值测算。计算公式如下：

式中，V4：农田生态系统处理废物的价值（104元），pl：废弃物处理成本（元/t）；i：牲畜型（大牲畜和小牲畜）；Wi：不同类型的牲畜数量；r：不同类型牲畜个体年粪便量（t）。

2.1.2.3水源涵养。农田生态系统水源涵养服务价值评估一般采用3种方法进行测算。

（1）土壤非毛管静态蓄水量法［21］。该方法借助替代市场评估技术，以土壤蓄水研究为指导，充分体现土壤保水功能，但数据获取较难，适于区域小尺度研究；计算公式为：

V5=104hp0rwA Cw

式中，V5为涵养水源价值量（104元）；h：土层厚度（cm）；p0：非毛管孔隙度（%）；rw：水容重（kg/m3）；Cw：水库蓄水成本（元/t）；A：农田生态系统面积（hm2）。

（2）插值法［22］。此方法计算简单，数据易获取，适合大尺度研究。计算公式为：

V5=（Wi-W0）PwSi

式中，V5：涵养水源价值量（104元）；Wi：第i类作物覆被条件下土壤含水量（g）；W0：裸沙地土壤含水量（g）；Pw：水价（元/t），可用水库建设平均成本费替代水价；Si：第i类作物播种面积（hm2）。

（3）降水储存量法［53，54］。以相关水文、气象研究为指导，能体现作物蓄水能力，数据获取较困难，适于区域小尺度研究。计算公式为：

V5=A·（R0-Rg）·J0·θ·Cw

式中，V5：与裸地相比农田涵养水源的增加量（104元）；J0：研究区多年平均降雨总量（mm）；θ：产流降雨量占降雨总量的比例（%）；R0：产流降雨条件下裸地降雨径流率（%）；Rg：产流降雨条件下农田降雨径流率（%）；A：农田生态系统面积（hm3）；Cw：水库蓄水成本（元/m3）。

2.1.3支持服务评价技术

2.1.3.1土壤形成与保护。土壤形成与保护服务价值采用替代市场评估技术（替代成本法）进行测算，该方法需以土壤学科知识研究为指导，能体现植物所需必须大量元素N、P、K在土壤中的循环利用，计算复杂，但结果具有说服力，适于区域小尺度研究。计算公式为［27，55］：

V6=V7+V8+V9

=（CN+CP+CK）·Acp+B Ac/（h 10 000 ρ）+20%Acc/ρ =（CN+CP+CK）·A（Ep-Er）p+BA（Ep-Er）（h 10 000 ρ）+ 20%·A（Ep-Er）/ρ

式中，V6：农田生态系统土壤保持价值（104元）；V7：保持土壤肥力价值（104元）；V8：减少废弃土地的经济价值（104元）；V9：减少泥沙淤积价值（104元）；CN、CP、CK分别为土壤中N、P、K的含量（%）；p：肥料价格（元/t）；Ac：土壤保持量（t）；B：研究区农业年均收益（元/hm2）；ρ：土壤容重（t/m3）；c：水库工程费用（元/m3）；Ep：潜在的土壤侵蚀模数（kg/m2）；Er：现实土壤侵蚀模数（kg/m2），A：农田生态系统面积（hm2）。

2.1.3.2维持养分循环。农田生态系统维持养分循环的服务价值均借助替代市场评估技术，分别采用影子价格法和收获指数法进行评估。

（1）影子价格法［21］以作物研究为指导，体现作物的养分积累功能，但数据获取较难，适于任何尺度研究；计算公式为：

V10=p∑（CNi+CPi+CKi）Qi

式中，V10：农田生态系统维持营养物质循环价值（104元），CNi、CPi、CKi分别为作物中N、P、K的含量〔用形成50 kg经济产量吸收的养分数量（kg）表示〕，Qi；各种作物产量（t）；p：肥料价格（元/t）。

（2）收获指数法［56］需考虑收获能力以及作物本身的养分固有能力，体现土壤的养分循环功能，但只考虑留在土壤中的服务价值，且数据获取较难，适于区域小尺度研究。具体公式为：

V10=∑piCi（1-ri）

式中，V10：农田生态系统维持营养物质循环价值（104元）；Ci：代表各类作物N、P、K养分积累量（kg）；pi：N、P、K肥的市场价格（元/t）。

2.1.3.3维持生物多样性。维持生物多样性服务价值运用意愿价值评估法进行测算，即借助假想市场评估技术，以大量的问卷调查为基础，获取最高支付意愿。运用该方法时要注意问卷设计的合理性，检验结果的有效性和可靠性，其适于任何尺度。

2.1.4文化服务评价技术农田生态系统的提供美学景观价值可采用旅行费用法、意愿价值法、观光农业收益法［57］等方法进行测算，其原理是借助替代市场评估技术或假想市场评估技术，以大量调查为基础。该方法数据获取较难，计算简单，适于有观光农业和旅游业发展的区域小尺度研究。

2.1.5负服务评估技术农田生态系统的负服务包括温室气体排放、水资源消耗、化肥流失、农药污染和地膜污染。负服务的价值量均是借助替代市场评估技术，采用替代成本法进行测算。

2.1.5.1温室气体排放。以增温趋势研究为基础，考虑不同类型农田生态系统温室气体排放类型，数据获取较难，适于任何尺度研究。计算公式为：

V11=P∑ZiWPi

式中，V11：温室气体排放成本（104元）；P：碳交易成本（元/t）；Zi：第i类温室气体的排放量（t）；WPi：第i类温室气体的增温潜势。

2.1.5.2水资源消耗。以农业灌溉研究为指导，只考虑农业灌溉用水，计算简单，数据易获取，适于干旱、半干旱地区的区域大、小尺度研究，不适合全球、国家大尺度研究。计算公式为：

V12=A W Pw

式中，V12：农田生态系统水资源消耗价值（104元）；A：农田生态系统面积（hm2）；Pw：水价（元/t）；W：单位农田的灌溉水量（t/hm2）。

2.1.5.3化肥流失。区分化肥用量区，以农田化肥利用研究为基础，数据获取容易，适于区域大尺度研究。计算公式为：

V13=MP（1-α）P

式中，V13：农田生态系统化肥流失成本（104元），MP：化肥用量（t）；α：化肥利用率（%）；P：碳交易成本（元/t）。

2.1.5.4农药污染评估技术。以农田农药利用研究为基础，分农药施用引起的成本价值流失和作物减产损失两部分，计算较复杂，数据较难获取，适于区域大、小尺度研究。计算公式如下：

V14=Vp（1-β）Pp+ε∑PiKiSi

式中，V14：农田生态系统施用农药的负面经济价值（104元）；Vp：农药使用量（t）；β：农药利用率（%）；Pp：农药当前价格（元/kg）；ε：农药污染造成的粮食减产率（%）；Si：第i类作物种植面积（hm2）；Ki：第i类作物单位面积产量（kg/hm2）；Pi：第i类作物市场价格（元/kg）。

2.1.5.5地膜污染。以地膜残留研究为基础，数据较难获得，计算简单且易于理解，适于使用地膜的小尺度地区。计算公式为：

V15=σ∑PiKiSi

式中：V15：农田生态系统地膜污染损失价值（104元）；σ：地膜污染造成的作物减产率（%）；Si：第产量（kg/hm2）；Pi：第i类作物市场价格（元/kg）。

图1　农田生态系统服务价值应用方向Fig.1　Application direction of farmland ecosystem service value

2.2农田生态系统服务价值应用方向

农田生态系统服务价值应用范围主要包括农村绿色GDP核算与农田生态系统服务供给需求2个方面的内容，其中，生态系统服务供给需求又包括农田生态补偿和农地市场流转决策2方面的内容（图1）。

2.2.1农村绿色GDP核算农业绿色GDP需要考虑自然和人工“双重”投入所产出的产品和生态服务价值［58］。将农田生态系统服务价值理论及其核算方法用于农业绿色GDP的核算，纳入农田生态服务价值，同时扣减生态环境代价，清楚农业生产所带来的环境代价，以及农田生态系统补偿这些代价的服务功能，可以为农业生产和政府决策以及农田生态环境保护提供较为详实的指导，实现生态农业的发展［59］。2.2.2农田生态系统服务供给需求分析供给和需求这个经济学模型被应用作决定市场均衡价格和均衡产量。农田生态系统服务的价值是一个效用价值，有需求即有供给，应用生态服务价值评估方法量化其供给量和需求量，探讨两者之间的相互关系，有助于我们充分认识当前农业区发展现状，从而为农业区进行科学的生态管理、实现人与自然的和谐发展提供理论依据［60］。2.2.2.1农地市场流转。农地和城市用地之间巨大的经济收益差异是加剧农地城市流转的1个重要原因。长期以来，正是由于人们对农地资源的认识仅限于经济产出价值，忽视社会和生态效益在内的非市场价值，从而大大降低了农地的真实价值，促使农地流转，难以实现土地资源优化配置，农田生态系统保护缺乏依据［61］。对农田生态系统服务进行价值量化，并应用于农地市场流转决策，有助于减少和防止破坏性的经济作为，同时弥补市场机制作用不足给农地流转决策带来的影响，缓解农地流失，有助于保障粮食安全。

2.2.2.2农田生态补偿。农田生态系统的经济与生态服务生产持续协调发展是农田生态系统可持续发展的关键，要解决这一问题，必须采取一定的手段对农业生产活动进行人为调控，而政府通过财政手段采取生态补偿是诸多措施中较为有效的一种。基于生态系统服务功能本身的价值或修正后的价值来确定生态补偿标准［62］，运用市场价值法、替代成本法、机会成本法、影子工程法等使用价值估算方法和意愿价值调查法等非使用价值估价法测算出生态系统服务功能的价值，并进一步确定生态补偿标准［63，64］。

3　结论与讨论

作者对目前国内外农田生态系统服务类型进行了归纳与总结，将农田生态系统服务划分为5个一级服务类型和10个二级服务类型，并阐述了各农田生态系统服务指标的内涵，并对各个类型指标的计算方法进行了梳理，结果发现，不同的指标在实际操作过程用要使用不同的市场评估技术，评估结果才更具客观性与科学性，对人们直观地了解农田生态系统巨大的服务功能，对农田生态补偿、农地市场流转、研究生态服务供给-消费以及未来农村绿色GDP计算提供数据参考和决策依据，推进相关领域研究。

农田生态系统为人类生存和发展提供多种农产品和其他重要的非市场服务。尽管在今后相当长的时间里，农产品的供给仍然是农田生态系统服务供给的主体，但是追求生态服务最大化的多功能农业将会逐步发展，未来农田生态系统服务应该实现区域尺度上协调发展，加强政府管理职能，建立积极地鼓励性农业政策，由商品补贴政策和贸易保护政策转为保护农业环境和刺激农民从事增产生态服务活动的政策，农民将收获的不仅仅是经济利益，同时还获得生态效益和社会效益，最终使农田生态系统达到动态平衡。

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Review on Farmland Ecosystem Services and Its Valuation

LI Sheng-nan1，2，ZHANG Jian-jun2*，CHEN Jing1，ZHAO Ya-hui1
（1.Real Estate Assessment and Advisory Center of Tangshan City，Tangshan 063000，China；2.College of Land Science and Technology of China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Farmland ecosystem is an important part of terrestrial ecosystems，it not only offers a variety of agricultural products for humans，but still plays an irreplaceable role in maintaining life support systems and dynamic balance of environment，which are necessary base for human survival and production.This paper reviews the farmland ecosystem service types and their content，evaluating methods，then briefly describes the advantages and disadvantages，sustainable scope of each method.We highly summarize the use of farmland ecosystem service value in practice，and fully realize that evaluating farmland ecosystem services is the base and foundation to further quantify farmland ecosystem service supply and consumption analysis，ecological compensation，farmland market circulation，rural green GDP accounting，and supplyconsumer research is to further the basis of ecological compensation and farmland market circulation.The findings would contribute to a deep understanding of ideas and ways to quantify farmland ecosystem service functions.

Farmland ecosystem；Connotation；Classification；Function；Valuation

S181

A

1008-1631（2016）03-0087-08

2015-11-19

李胜男（1989-），女，河北张北人，硕士，从事农田生态系统服务及土地评估工作。E-mail：lsn_huihui@sina.com。

张建军（1982-），男，山西太原人，副教授，博士，主要从事土地持续利用与生态经济研究。E-mail：zhangjj_cugb@163.com。