紫云英-早稻-晚稻农田系统的生态功能服务价值评价
谢志坚1a, 贺亚琴1b,*, 徐昌旭2
1. 江西农业大学 a. 国土资源与环境学院, b. 经济管理学院,南昌 330045
2. 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,南昌 330200
*通信作者简介:贺亚琴(1988- ),女,湖北监利人,讲师,博士,研究方向为产业经济。E-mail: sophiaheyaqing@163.com

第一作者简介:谢志坚(1982- ),男,江西萍乡人,讲师,博士,研究方向为农田生态与肥料资源利用。E-mail: hoblecat@126.com

摘要

紫云英是南方双季稻区最主要种植的冬季绿肥作物,是我国传统农业的精髓,曾对我国粮食安全做出了重要贡献。针对紫云英-早稻-晚稻系统的生态功能服务价值进行综合评估,有助于人们更深入了解紫云英对现代生态农业发展的重要性及其直接贡献,有利于恢复发展与推广种植紫云英等稻区冬季绿肥作物和政府部门制定相关政策。论文以连续8 a的大田定位试验数据为基础,选取农产品与轻工业原料供给、大气调节与净化、土壤养分累积和水分涵养等功能服务价值,采用生态经济学方法,构建紫云英-早稻-晚稻系统的生态功能服务价值评价体系。结果表明:冬闲-早稻-晚稻和紫云英-早稻-晚稻系统生态功能服务总价值分别为64 230.89元/(hm2·a)和87 438.46元/(hm2·a),后者较之前者平均显著增加36.13%。该评价体系的各项功能服务指标中,冬闲-早稻-晚稻和紫云英-早稻-晚稻生态系统的农产品与轻工业原料供给服务价值分别达到38 777.03元/(hm2·a)和56 635.83元/(hm2·a),占系统功能服务总价值的比例均超过60%;其次为大气调节与净化和水分涵养服务价值(占比15%~22%),而土壤养分累积服务价值最低(占比<2%)。紫云英-早稻-晚稻系统的土壤养分累积服务价值主要表现为土壤有机质、速效钾和碱解氮的累积价值。由此可见,紫云英-早稻-晚稻系统能更好地兼顾经济和生态价值,而且评估结果还可为恢复发展与推广种植紫云英等稻田冬季绿肥作物的生态补偿政策提供理论依据。

关键词: 大田定位试验; 紫云英-双季稻; 稻田系统; 生态功能
中图分类号:S55;S181 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)05-0735-12
Appraisal on Ecological Services from Chinese Milk Vetch-Early Rice-Late Rice Cropping Ecosystem
XIE Zhi-jian1a, HE Ya-qin1b, XU Chang-xu2
1. a. College of Land Resource and Environment, b. School of Economics and Management, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
2. Institute of Soil & Fertilizer and Resource & Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China
Abstract

Cultivating winter green manure crops (e.g. Astragalus sinicus L., etc.) after the harvest of main crops (e.g. rice, etc.), which was the essence of traditional agriculture and has made important contribution to food security, is a very important strategy for optimizing the agricultural cropping structure in China. Evaluating the economic values on the main ecological services of Chinese milk vetch (CMV)-early rice-late rice cropping ecosystem will help people better understand the importance of CMV to modern ecological agriculture development and its direct contribution. Furthermore, it will be conducive to the development and promotion of planting winter green manure crops (e.g. CMV) and help governments making policies. In this study, based on the data of a continuous field location experiment from 2007 to 2015 and the agro-ecosystem service appraisal theories, the economic values of CMV-early rice-late rice rotation system in South China were evaluated by developing a systematic model with methods of eco-economics. This model mainly estimated the economic values by considering the influences of CMV on four ecological functions, i.e., agricultural product and industrial raw materials, atmospheric regulation and purification, water conservation, and soil nutrient accumulation. Results showed that the total economic values of ecological services in CMV-double rice rotation system (87 438.46 yuan/(hm2·a)) was 36.13% higher than that from fallow-double rice system (64 230.89 yuan/(hm2·a)). The economic values of agricultural product and industrial raw material in fallow- and CMV-double rice cropping ecosystems were 38 777.03 yuan/(hm2·a) and 56 635.83 yuan/(hm2·a), respectively, which accounted for 60.37% and 64.77% of the total values, followed by the economic values of atmospheric regulation and purification and water conservation (accounted for 15%-22%). The economic value of soil nutrient accumulation (accounted for less than 2%) was the least one in double-rice cropping system. The economic value of soil nutrient accumulation was mainly because of increasing economic values of the accumulative soil organic matter, available potassium and alkali-hydro nitrogen in CMV-double rice rotation system. Hence, the CMV-early rice-late rice rotation system has both economic values and ecological values. The results can provide theoretical basis for making ecological compensation policies of redeveloping and promoting winter green manure crops (e.g. CMV) in paddy fields of South China.

Keyword: field location experiment; Chinese milk vetch-double rice cropping system; paddy field; ecological services

种植冬季作物是可持续农业的重要组成部分, 不仅不会与主作物争时抢地, 还充分利用冬春季的光、温、水、土等自然资源[1], 在改善土壤性状、增加水稻经济产量、提升稻田系统生产力及其可持续性[2, 3]、增加稻田冬季绿色覆盖度而减少土壤裸露与侵蚀、抑制杂草生长与水稻病虫害等方面均具有积极作用[4, 5, 6], 但也可能促进CH4和N2O等温室气体排放[7, 8, 9]

农田系统不仅可为人类提供粮食和轻工业原材料, 而且通过其结构与生态过程还可提供生态功能服务, 但长期以来人们忽视了大自然赋予的这种环境福利。在大豆-冬小麦-夏玉米农田系统中, 间作和种植覆盖作物显著增加其生态效益, 但对直接经济效益影响不显著[10]; 冬绿肥-春玉米农田系统的气体调节功能价值显著高于农产品供给价值[11]。稻田生态系统是半自然的人工生态系统, 其功能价值是农田系统功能价值的具体体现, 但人类活动对生态系统功能价值有重要影响[12]。稻-鸭共作和稻-麦轮作农田系统的功能服务价值均主要为环境调节功能价值, 而且显著高于其直接经济价值[13, 14]

目前, 关于紫云英的效益评价仍多集中在提高水稻产量、减少化肥用量等直接经济效益方面[3]。虽然孙卫民等[15]评估了不同冬季作物-双季稻系统的生态功能服务价值, 却未考虑温室气体排放的负效应、水稻秸秆作为轻工业原料和冬季作物关联产业的附加价值, 而且存在一定的时间局限性。因此, 如何运用农田生态系统功能服务价值理论对紫云英-双季稻系统的服务价值进行综合评估, 是稻田绿肥作物研究和推广过程中亟待解决的重要问题。本研究以8 a大田定位试验为基础, 采用生态经济学相关方法, 建立紫云英-双季稻系统的功能服务价值评估体系, 以期为客观认识紫云英-双季稻生态系统的综合功能服务价值提供数据支撑, 为资源合理利用及政府政策制定提供理论依据。

1 研究方法
1.1 功能服务指标选取

本研究以紫云英-早稻-晚稻生态系统为对象, 通过2007— 2015年连续8 a大田定位试验, 采用市场价值法、影子工程法和机会成本法等生态经济学理论与方法, 评估生态系统一个生产周期内的功能服务价值量。主要选取农产品与轻工业原料供给、大气调节与净化、土壤养分累积和水分涵养等评价指标。

1.2 研究区域概况

大田定位试验从2007年10月至2015年11月在江西省丰城市进行, 共计8个作物生产周期。该地属中亚热带季风气候区, 年平均气温为17.7 ℃, 大于10 ℃积温为5 581.9 ℃, 年平均降雨量1 552.1 mm, 年日照时数1 935.7 h, 平均总辐照为4 637.9 MJ/m2, 年均无霜期为274 d。试验开始前耕层土壤的基础理化性状分别为:有机质25.0 g/kg, 总氮1.8 g/kg, 碱解氮155.0 mg/kg, 有效磷6.0 mg/kg, 速效钾109.0 mg/kg和pH 5.2。土壤类型为由河流冲积物发育而成的黄泥田。

1.3 试验设计

选取长期种植双季稻的稻田, 设计两种不同种植模式:1)冬闲-早稻-晚稻; 2)紫云英-早稻-晚稻。小区面积20 m2, 重复3次, 随机排列。其中, 冬闲-早稻-晚稻系统冬季未种植任何冬季作物, 紫云英-早稻-晚稻系统从试验开始年份冬季种植紫云英。晚稻收获后, 水稻秸秆(稻茬除外)全部移出稻田。

供试早稻品种为株两优35, 4月下旬移栽, 7月中下旬收获; 晚稻品种为Ⅱ 优305, 7月下旬移栽, 11月上旬收获。供试紫云英(Astragalus sinicusL.)品种为丰城青秆种, 于晚稻收获前20 d左右按22.5 kg/hm2套播, 紫云英生长期间不施除草剂。

早稻和晚稻分别按N、P2O5、K2O 150、75、120 kg/hm2和180、75、150 kg/hm2施用。盛花期紫云英作为绿肥于早稻移栽前10~15 d按22 500 kg/hm2翻压。供试氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)和氯化钾(K2O 60%)。晚稻所有处理的施肥量和方法均相同。早、晚稻的磷、钾肥全部作基肥, 40%氮肥作为基肥施用, 30%氮肥于移栽后5~7 d作为分蘖肥, 剩余30%氮肥于主茎幼穗长1~2 cm时作为穗肥施用。

1.4 数据来源

本文所需数据主要包括:成熟期水稻籽粒与秸秆、盛花期紫云英和田间杂草地上部生物量(折算为干物质量)、耕层土壤养分(有机质、碱解氮、有效磷和速效钾)含量和物理性状(容重、比重和孔隙度)、蜂蜜产量、CH4和N2O排放量等数据。其中, 植物生物量、土壤养分含量和物理性状等数据为8 a大田定位试验实测数据的平均值; 蜂蜜产量通过调研获得; 双季稻系统温室气体排放量参照唐海明等的研究结果[7, 8, 9]

水稻成熟期分小区单打实收测定稻谷和秸秆产量, 紫云英盛花期分小区实测紫云英鲜草和田间杂草地上部生物量(所有生物量数据均用水分含量进行修正)。

在水稻成熟期和紫云英盛花期采集植株和耕层土壤样品。水分含量采用烘干法; 土壤有机质测定采用重铬酸钾滴定法; 碱解氮测定采用扩散吸收法; 有效磷测定采用0.5 mol· L-1 NaHCO3提取-钼锑钪比色法; 速效钾测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法; 土壤比重采用比重瓶法测定; 土壤容重和孔隙度采用环刀法测定[16]

农田生态系统服务功能价值评估中所需的价格参数主要参照《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721— 2008)和中国统计年鉴。由于不同年份间的各类价格参数有所不同, 为使各功能服务价值的评价结果具有可比性, 本研究设置2015年为价格计算基准年份, 并通过2015年居民消费价格指数(CPI)将所有价格参数均转化为2015年的价格。

1.5 评估方法

1.5.1 农产品和轻工业原料供给功能价值

农产品和轻工业原料供给价值主要包括:水稻稻谷、秸秆和蜂蜜价值。由多年(2007— 2015年)连续大田定位试验数据可得:冬闲-早稻-晚稻种植系统中, 早稻和晚稻稻谷产量分别平均为6 414.5和7 400.6 kg/hm2, 秸秆(稻茬除外, 下同)产量分别平均为6 167.8和7 436.2 kg/hm2, 冬闲期稻田杂草地上部生物量平均为345.5 kg/hm2; 紫云英-早稻-晚稻种植系统中, 早稻和晚稻稻谷产量分别平均为7 212.2和7 708.2 kg/hm2, 秸秆产量分别平均为6 740.3和7 407.2 kg/hm2, 填闲期紫云英和杂草地上部生物量分别平均为3 654.6和100.4 kg/hm2

紫云英绿肥田的采蜜时间平均约10 d。蜜蜂养殖密度为3.70箱/hm2, 每箱(群)蜂每日可采蜜约8.0 kg, 可得紫云英绿肥田采蜜量为296.3 kg/hm2

2015年国家稻谷最低收购价格为2.70元/kg; 水稻秸秆作为轻工业原料(如造纸和纤维制品等)的市场价格, 结合2015年相对价格指数为0.988, 取值75.88元/t; 2015年紫云英蜂蜜的市场价格平均按50.00元/kg计。显然, 以上参数均有明确的市场价格, 故采用市场价值法估算其服务功能价值:

Vg=(My×Ey)(1)

式中:Vg为农产品与轻工业原料供给功能服务价值(元/hm2); My为稻谷、秸秆或紫云英蜂蜜的经济产量(kg/hm2); Ey为稻谷、秸秆或紫云英蜂蜜的市场价格(元/kg)。

1.5.2 大气调节与净化功能服务价值

农田系统的大气调节功能主要包括释放O2、吸收CO2、排放CH4和N2O等, 大气净化功能主要包括植物吸收大气中SO2、HF和NOx等有毒有害气体和对粉尘等的滞留作用[17, 18]

1)大气调节功能服务价值

利用农作物产品和相应作物的经济系数计算农田生态系统的净初级生产量数据, 根据光合作用方程式, 生态系统每生产1.00 g植物干物质能固定1.63 g CO2和释放1.19 g O2, 从而推算固定CO2量(折算为纯碳量)和释放O2的量。固碳价值分别按照碳税法(瑞典碳税率150美元/t, LY/T 1721— 2008), 折合人民币934.26元/t(2015年美元兑换人民币平均汇率为6.228 4)和造林成本法(结合2015年相对价格指数为0.979, 取值255.42元/t), 以其平均值作为稻田生态系统的固碳价值; 释氧价值根据造林成本法(结合2015年相对价格指数为0.979, 取值345.52元/t)和工业制氧成本(结合2015年的相对价格指数为0.937, 取值374.80元/t), 以其平均值作为农田生态系统释放O2的价值:

VCO2=Ef-CO2+Et2×Q×1.63×Nc(2)

VO2=Ef-O2+Ep2×Q×1.19(3)

式中: Ef-CO2为固定CO2的造林成本(元/t); Et为排放CO2碳税(元/t); Q为农田作物生物量(kg/hm2); Nc为CO2中的含碳量(27.3%); Ef-O2为释放单位质量O2的造林成本(元/t); Ep为工业制O2的成本(元/t)。

CH4和N2O是大气中重要的温室气体, 其对地球系统的能量收支和全球气候变化具有重要影响[19]。调节温室气体是农田生态系统重要的大气调节功能[18]。研究表明[7, 8, 9], 冬闲-双季稻种植系统中, 早稻、晚稻、冬闲期间稻田CH4和N2O排放量分别为74.38和0.20 kg/hm2、274.03和0.76 kg/hm2、5.04和2.36 kg/hm2; 紫云英-双季稻种植系统中, 早稻、晚稻和紫云英生长期间稻田CH4和N2O排放量则分别为137.78和0.84 kg/hm2、307.87和1.62 kg/hm2、7.47和3.25 kg/hm2。根据IPCC提出的全球增温潜势(Global Warming Potential, GWP)原理, CH4和N2O在100 a时间尺度上的GWP分别为CO2的25倍和298倍[20]。将CH4、N2O排放量转化为具有同等增温效应的CO2排放量后, 用排放CO2价值代替稻田CH4和N2O的排放价值。由于稻田生态系统向大气排放温室气体导致气温升高以及很多环境问题。因此, 该功能对环境产生负效应, 其所带来的功能服务价值表示为 负值。

Va1=(FCH4×25+FN2O×298)×Ef-CO2+Et2×Nc(4)

式中:Va1为排放温室气体的负价值(元/hm2); FCH4FN2O分别为CH4和N2O排放量(kg/hm2)。

2)吸收有毒有害气体和滞尘服务价值

空气净化同样是农田系统重要的大气调节功能[18]。将紫云英引入双季稻系统, 不仅增加冬季稻田植被覆盖度, 还改变植被覆盖类型, 从而影响了其对SO2、HF、NOx等有毒有害气体和粉尘等空气主要污染物的净化功能。根据马新辉等[21]研究的参数, 稻田吸收各种污染气体量分别为:SO245 kg/(hm2· a)、HF 0.57 kg/(hm2· a)、NOx 33.3 kg/(hm2· a)和滞尘33.2 kg/(hm2· a)。各种污染物治理成本参考《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721— 2008), 结合2015年相对价格指数为0.937, 得到治理SO2、NOx、HF和粉尘的成本分别为1 124.40、590.31、646.53和140.55元/t。由于市场中缺乏直接交易价格, 故采用机会成本法, 以治理SO2、HF、NOx和粉尘所需成本作为农田系统净化空气的价值:

Va2=D×I×Ed(5)

式中:Va2为净化空气污染物的价值(元/hm2); D为单位面积农田系统吸收空气污染物的基本量(kg/hm2); I为不同类型农田覆盖物修正系数(根据不同种植模式大田生育期长短的比值计算, 冬闲-早稻-晚稻取值为1, 则紫云英-早稻-晚稻为1.98); Ed为治理各项空气污染物的成本(元/kg)。

因此, 稻田生态系统的大气调节与净化服务价值为: Va=Va1+Va2(6)

1.5.3 土壤养分累积功能服务价值

有机质和化肥市场单价以《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721— 2008)中推荐价格为基期价格, 结合2015年相对价格指数1.006, 得到各养分单价分别为:有机质321.92元/t、N 1 061.02元/t、P2O52 711.48元/t、K2O 3 688.6元/t。由于市场中缺乏土壤养分的直接交易价格, 故采用机会成本法, 用含有等量营养物质的肥料和有机碳的市场价值分别代替农田生态系统中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的累积价值:

VN=ρ×B×(N1×En)(7)

式中:VN为土壤养分累积价值(元/hm2); ρ 为耕层(0.18 m)土壤容重(g/cm3); BN1分别为单位面积耕层土壤体积(m3/hm2)和养分(有机质、碱解氮、有效磷、速效钾)累积量(t/hm2); En为土壤养分的价格(元/t)。

1.5.4 水分涵养功能服务价值

农田生态系统主要通过土壤对水分的蓄积实现水分涵养功能。种植绿肥能改善农田土壤物理性状(如土壤团聚体、容重和孔隙度等), 提高土壤饱和水含量[23], 进而可能提高农田土壤的保水持水能力。根据《森林生态系统服务功能价值评估规范》(LY/T 1721— 2008)中2005年水库建造单位库容投资成本为6.110 7元/t, 结合2015年相对价格指数为0.973, 得到2015年水库库容建造成本为5.95元/t。由于市场中缺乏土壤水的直接交易价格, 而土壤涵养水分的功能与水库蓄水功能特点相似, 故采用影子工程法, 以建造等量持水量水库库容的成本来评估稻田系统的水分涵养功能服务价值:

Vw=θf×h×ρw×Ew(8)

式中:Vw为水分涵养价值(元/hm2); θ f为土壤饱和水含量(%); ρ w为水的密度(取 1 000 kg/m3); h为耕层土壤厚度(取0.18 m); Ew为水库建造单位库容投资成本(元/t)。

2 结果与分析
2.1 农产品与轻工业原料供给功能服务价值

本研究中稻田生态系统的农产品包括稻谷和紫云英蜂蜜, 水稻秸秆则作为造纸和纤维制品等轻工业原料计算其价值。种植和利用紫云英增加双季稻系统农产品与轻工业原料供给价值(表1)。与冬闲-早稻-晚稻系统相比, 紫云英-早稻-晚稻系统稻谷与轻工业原料供给价值增加7.85%(其中, 早稻、晚稻供给价值分别增加12.4%、4.03%), 结合蜂蜜供给价值可得系统供给服务总价值显著增加46.1%。

表1 双季稻生态系统农产品与轻工业原料供给功能服务价值 (元/(hm2· a)) Table 1 Values of the agricultural products and industrial raw materials in double rice cropping systems
2.2 大气调节与净化功能价值

将紫云英纳入双季稻种植系统主要增加填闲季期间的大气调节功能服务价值, 最终显著增加系统的服务价值(表2)。与冬闲-早稻-晚稻系统相比, 紫云英-早稻-晚稻系统不仅分别增加水稻季和填闲季的固碳释氧价值3.67%(早稻与晚稻分别平均增加10.9%与1.88%)和9.87倍, 从而增加系统固碳释氧价值19.1%; 还分别增加水稻季和填闲季的温室气体排放负价值30.2%(早稻和晚稻分别增加80.8%和15.6%)和43.0%。紫云英-早稻-晚稻系统显著增加其大气调节功能服务总价值17.5%。

表2 双季稻生态系统的大气调节功能服务价值 (元/(hm2· a)) Table 2 Values of atmospheric regulation in double rice cropping systems

表3可知, 种植紫云英显著增加稻田地表的绿色覆盖度, 进而增加地表植被吸收和吸附大气中有毒有害气体与滞留粉尘等环境污染物的价值98.0%。

表3 双季稻生态系统的大气净化功能服务价值 (元/(hm2· a)) Table 3 Values of atmospheric purification in double rice cropping systems

因此, 综合表2表3结果可知, 与冬闲-早稻-晚稻系统相比, 紫云英-早稻-晚稻种植系统的大气调节与净化功能服务总价值平均增加18.0%。

2.3 土壤养分累积功能服务价值

表4可知, 与冬闲-早稻-晚稻系统相比, 紫云英-早稻-晚稻种植系统显著增加耕层土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等养分累积价值4.75、1.62、13.0和2.10倍, 最终显著增加系统土壤养分累积的功能总价值3.56倍。

表4 双季稻生态系统的土壤养分累积功能服务价值 (元/(hm2· a)) Table 4 Values of soil nutrient accumulation in double cropping system
2.4 水分涵养功能服务价值

表5可知, 与冬闲-早稻-晚稻系统相比, 紫云英-早稻-晚稻系统分别增加水稻季和填闲季的水分涵养服务功能价值11.1%(其中, 早稻季和晚稻季分别增加12.7%和9.49%)和14.6%, 从而增加系统水分涵养服务总价值12.2%。

表5 双季稻生态系统水分涵养功能服务价值 (元/(hm2· a)) Table 5 Values of water conservation in double rice cropping system
2.5 双季稻田生态系统功能服务价值综合评估

紫云英-双季稻生态系统的服务功能总价值显著高于冬闲-双季稻系统(表6)。与冬闲-双季稻系统相比, 紫云英-双季稻生态系统的服务功能总价值显著增加36.13%。

表6 双季稻田生态系统功能服务价值总量 Table 6 Ecological service values and their proportions in different double rice cropping agro-ecosystems

表6还可知, 本研究条件下, 冬闲-双季稻和紫云英-双季稻生态系统的农产品与轻工业原料供给功能价值为主要服务价值, 分别占总服务价值的60.37%和64.77%, 其次为大气调节与净化功能和水分涵养功能服务价值, 占总服务价值的15.68%~21.25%, 而土壤养分累积功能价值最低(< 2%)。

3 讨论

紫云英-早稻-晚稻生态系统的农产品与轻工业原料供给服务价值显著高于冬闲-早稻-晚稻系统(表1)。这可能主要是由于, 原位翻压紫云英绿肥不仅可平衡供应水稻植株所需各种营养元素[25], 还有效提高稻田氮素等养分有效性与利用率, 促进水稻生长发育, 提高有效穗数、穗实粒数和千粒重, 进而提高籽粒和秸秆产量[3, 26, 27]。此外, 紫云英是优质的蜜源植物, 而且其花期较长, 即使是非留种田的采蜜期平均也有8~12 d(平均为10 d左右)。双季稻田的冬闲期(每年10月下旬至次年4月中下旬)一般长达近6个月, 在此期间种植紫云英, 可通过养殖蜜蜂进一步提高稻田系统的农产品供给价值。

绿色植物通过光合作用吸收CO2将大气中的碳固定下来, 同时生产有机物质和释放O2, 这是地球生态系统大气调节的重要机制。本研究表明, 紫云英-早稻-晚稻生态系统的固碳释氧服务价值显著高于冬闲-早稻-晚稻生态系统(表2)。紫云英鲜草作为绿肥促进水稻植株生长发育而提高地上部生物产量(籽粒和秸秆), 而且冬季种植紫云英显著增加稻田植物地上部生物量, 从而增加稻田系统的固碳释氧功能服务价值。

南方稻田土壤在水稻生育期内长期处于持续淹水的还原性厌氧环境, 水面将土壤和大气隔绝, 为产甲烷细菌和反硝化厌氧细菌等微生物提供了适宜的生存环境[28, 29], 促进CH4和N2O等温室气体的产生并排放到大气中, 加剧全球温室效应。种植和利用紫云英显著增加了双季稻田系统中温室气体排放的负效应及其价值(表2)。这可能是由于, 冬季种植紫云英显著增加了稻田系统地上部生物量, 而植物也是一个潜在的N2O排放源[30], 从而促进冬季稻田CH4和N2O的排放量[7, 9]; 而大量新鲜紫云英作为绿肥还田, 为土壤微生物活动提供了丰富的碳源和能源物质, 促进其生长的同时, 也加速其对土壤氧的消耗, 从而降低氧化还原电位(Eh), 促进土壤中反硝化作用的进行, 而且大量新鲜碳源的输入也为产甲烷菌提供充足的基质, 进而促进CH4和N2O的产生与排放及其增温潜势[8]。然而, 植物能通过吸收或吸附空气中的有毒有害气体(SO2、HF和NOx)和粉尘等环境污染物而净化空气。种植和利用紫云英不仅促进了水稻的生长, 而且提高了冬季稻田地表覆盖度, 延长稻田植被吸收与分解大气中有毒有害气体和滞留粉尘等大气污染物的时间, 进而提升其对大气的净化功能服务价值(表3)。

农田土壤与植物之间的养分交换过程是生态系统中土壤养分累积循环的重要环节[31]。本研究结果表明, 冬闲-早稻-晚稻系统耕层土壤中各养分累积价值均呈现负增长, 而紫云英-早稻-晚稻生态系统却显著增加了耕层土壤中各养分累积服务价值(表4)。这可能主要由于, 在冬闲-早稻-晚稻生态系统中, 双季水稻的生产长期主要依靠持续大量化肥的投入, 破坏耕层土壤结构和性状, 其保水保肥能力随种植时间的延长逐渐下降, 故而其养分累积价值表现为负价值。紫云英生长发育过程中分泌的根系分泌物或其鲜草还田后的腐解过程释放的有机酸类物质, 均能活化稻田耕层土壤中的难溶性磷和缓效钾, 从而提高土壤有效磷和速效钾含量[32, 33], 而且翻压紫云英绿肥与化肥配施还可有效增加和更新土壤有机质的数量与质量[34, 35]。另外, 紫云英能通过固氮作用将空气中的N2固定至土壤[36], 从而提高土壤中碱解氮含量。可见, 在以持续投入大量化肥获得水稻高产的集约化双季稻种植系统中, 种植和利用紫云英是用地养地有机结合以及水稻可持续生产的有效途径。

紫云英-早稻-晚稻生态系统显著增加了稻田土壤的水分涵养功能服务价值(表5)。研究表明, 将紫云英纳入双季稻种植系统可降低稻田土壤容重, 提高土壤团聚体的团聚度及其稳定性和耕层土壤的总孔隙度及其连续性, 从而改善土壤的通透性, 并提高其保水能力[37, 38]

综合评估结果表明, 本研究条件下, 双季稻种植系统的农产品与轻工业原料供给服务价值占总功能服务价值的比例均超过60%(表6), 与其他研究结果有所不同[11], 这可能是由于计算方法(尤其是固碳和温室气体排放功能服务价值的计算)不同所致。另外, 综合双季稻系统一个作物生产周期内的各项功能服务价值, 冬闲-早稻-晚稻系统和紫云英-早稻-晚稻系统的总服务价值分别为64 230.89和87 438.46元/(hm2· a), 后者比前者显著增加了23 207.57元/(hm2· a)。这也就意味着, 在双季稻区, 如果每年减少种植1 hm2紫云英, 那么政府就必须至少额外投入23 207.57元/(hm2· a)来获得与之相同的功能服务价值。

综上所述, 笔者建议, 在紫云英等冬季绿肥作物种植和利用方面, 应加强相关基础科学研究和应用技术研发, 由简单地将紫云英作为绿肥的传统利用方式向加强开发紫云英作物的多元化利用途径和关联产业开发改变, 以获取更多的附加经济产值; 而在政府政策制定方面, 则应从政策上对种植紫云英等冬季绿肥作物进行适当生态补偿。双管齐下, 两者相互促进, 共同为现代生态农业可持续发展保驾护航。下一步研究将在现有大田定位试验的基础上, 扩大监测指标(如生物多样性、游憩娱乐等), 以期建立健全紫云英-双季稻系统的生态功能服务价值评估方法和体系, 进而得到更全面、准确的评估结果。

4 结论

本研究条件下, 农产品与轻工业原料供给服务价值是双季稻种植系统中主要的生态功能服务价值(> 60%), 其次为大气调节与净化和水分涵养服务价值(15%~22%), 而土壤养分累积服务价值最低(< 2%)。将紫云英纳入双季稻种植系统可显著增加各项生态功能服务价值, 尤其是显著增加稻田系统在冬闲期间的农产品供给、大气调节与净化、水分涵养和土壤养分累积等生态功能服务价值, 对充分利用我国南方稻区丰富的自然资源、深度开发冬季农业及其关联产业和发展现代可持续生态农业均具有积极影响, 值得大面积推广。

The authors have declared that no competing interests exist.

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