黑龙江农田生态系统服务权衡与协同
刘洪秀 赵华甫,2* 冯新伟 韩 伟
(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；
2.自然资源部 土地整治重点实验室，北京 100035；
3.河南农业大学 资源与环境学院，郑州 450002；
4.黑龙江省自然资源生态保护修复监测中心，哈尔滨 150000)
生态系统服务是生态系统及生态过程所形成和维持的、人类赖以生存和发展所必不可少的环境条件与效用[1-2]，人类直接或间接从生态系统中得到的效益[3]。已有研究表明不同生态系统服务之间相互作用，通常表现为协同作用或权衡作用[4-6]。当2种服务同时增加时，就会产生协同的效应；
一种服务的增强导致另一种服务的减弱，就会产生权衡的效应[7]。开展生态系统服务间权衡与协同研究，有助于针对特定生态系统服务制定相应的管理方案[8-9]。
生态系统服务主要包括供给、调节、支持和文化服务4个方面。国内外生态系统服务权衡与协同的相关研究呈增长趋势[10]，在生态系统服务价值方面，杨腾等[11]核算了中国稻田生态系统服务净价值，徐亿楠等[12]对灵丘县土地利用变化对生态系统服务价值的影响进行了评价；
在生态系统服务的评价方法与模型方面，王晓萌等[13]采用InVEST模型计算生态系统服务，谢高地等[14]基于单位面积价值当量因子对生态系统服务价值化，姚礼堂等[15]在复合系统的基础上划分子系统以评价张掖市生态系统服务权衡关系；
此外，陈悦[16]以生态系统服务为路径探索应对气候变化与生物多样性保护的协同机制，陈华阳等[17]将生态承载力与生态系统生产总值耦合以评价福建省长汀县的生态系统服务价值。随着生态系统服务研究的不断深入，逐渐从理论研究走向实践应用，生态学、地理学等相关学科的结合，不断丰富自然资源管理、规划设计、生态恢复工程等新领域，支撑决策者权衡利弊，从而促进社会与自然环境的可持续发展[18]。统计学分析方法与空间制图法的结合是识别和具体体现生态系统服务权衡较为有效的工具[19]，已有研究还应用了生态系统服务簇等方法，来定义功能分区、时空格局，从而更好地进行社会-生态系统管理[20-21]。
黑龙江省典型黑土区的面积约14.9万km2，占典型黑土区总面积的44.7%，涉及81个县(区)[22]。近年来，针对黑龙江省农田管理的研究主要集中在承载力评价[23-26]、生态安全[27-30]、粮食产能[31]、耕地质量[32]等方面。为了实现农业发展、乡村振兴，我国对现有中低产田、低洼易涝地实施“旱改水”工程，以提高土地的产出效益，形成稳定的生产能力，做到藏粮于田[33]，自2008年以来，水利工程取得了很大进展，加快推进了三江平原灌区工程建设。随着大面积农田实施旱改水提质改造工程，在全省粮食产量持续上涨的同时，对农田生态系统产生了显著的影响。国内对旱改水展开了充分研究：任永星等[34]指出吉林省西部“旱改水”的趋势逐渐增加；
此外，向长玉等[35]采用定量化模型计算通河县的许可最大水田面积，以许可转换度来表征区域旱地改水田的极限比例；
周浩等[36]基于遥感和GIS手段，从旱改水角度出发探讨流域耕地变化下的水土资源平衡效应问题。然而，在旱改水对农田生态系统服务影响方面的研究较少，而作为我国粮食大省的黑龙江省，了解其农田生态状况十分必要。因此，本研究拟以黑龙江省农田为研究区域，在旱改水背景下，研究1995—2020年黑龙江省4类关键性农田生态系统服务，了解旱改水对研究区域生态系统服务产生的影响，对农田管理和土地利用优化配置提出对策与建议，以期实现更有效的土地利用管理，从而达到协调区域发展与农田保护的目的。
1.1 研究区概况
黑龙江省，位于中国最东北部，北纬43°26′～53°33′，东经121°11′～135°05′，面积47.3万km2。黑龙江西部属松嫩平原，东北部为三江平原，北部、东南部为山地。全省年平均气温多在-5～5 ℃，年降水量大多介于400～650 mm。黑龙江省是我国的产粮大省，地势低洼易涝，土质以黑钙土、草甸土和沙壤土为主，非常适合水稻生产，且水田灌区控制面积宽阔，适宜水田开发的土地资源较为丰富。近年来，随着水稻经济效益的提高，农民把旱地改为水田，把低洼易涝的土地、盐碱地变为肥田，水田所占比重大幅提高。
1.2 数据来源
黑龙江省土地利用LUCC数据来自于中国科学院资源环境科学与数据中心，分辨率为1 km×1 km。本研究选择4期影像，分别为1995年、2005年、2015年、2020年黑龙江LUCC数据，以及90 m×90 m分辨率的黑龙江省DEM数据以提取坡度坡长。降雨等气象数据来自于国家气象科学数据共享平台，土壤数据来自于中国土壤数据库，粮食产量、主要农作物种植面积等数据来自于黑龙江省及各市统计年鉴。
1.3 研究方法
农田生态系统服务种类众多，且受农田建设工程、种植结构调整的影响，其生态系统服务类型和结构也发生着显著变化。近些年来，黑龙江省开展了以旱改水为主的农田提质改造项目，通过实施一系列生物、工程以及综合措施，对农田进行改造，显著改变了土地利用方式和种植结构，对区域生态系统服务产生了一定的影响。研究表明，旱改水对区域农田产能提升[37]、碳储量增加[38]以及提供土壤保持[39]等具有积极作用。与此同时，部分研究也对旱改水对水分平衡的干扰[40]进行了实证分析。本研究结合谢高地等[41]制定的中国农业生态系统服务划分的结构，以黑龙江省旱改水工程为背景，选取粮食供应、碳固定、水文调节、土壤保持4种生态系统服务进行研究。
1.3.1粮食供应生态系统服务
农田生态系统粮食供应服务主要是指粮食资源或经济作物的产出能力，作为区域粮食供应和农田的基本生态服务，本研究选择粮食产量进行量化和绘图。采用农田综合生产能力对农田食物供给能力进行衡量。具体计算公式如下：
E=∑Gj×Kj
(1)
式中：E为标准耕作制度核算乡镇(村)实际单产；
Gj为不同种类基准作物统计单产；
Kj为不同种类标准粮换算系数。
1.3.2碳固定生态系统服务
碳固定是农田生态系统维持碳平衡的一项关键服务，旱改水工程会直接影响生态系统服务的碳循环过程，本研究选择碳储量进行量化和绘图，采用谷家川农田生态系统碳储量估算模型[42]计算得到。具体计算公式如下：
(2)
(3)
式中：Wi为第i类农作物的碳储量，t；
Ci为第i类农作物单位生物量的含碳量，%；
Ki为第i类农作物产量，t；
Vi为第i类农作物水分系数，%；
Hi为第i类农作物经济系数；
Ri为第i类农作物的根冠系数比系数，%；
n为农作物种类数；
D为区域农田生态系统植被的平均碳密度，t/hm2；
A为区域耕地面积，hm2。
1.3.3水文调节生态系统服务
水文调节与农业生产中的供水密切相关，其内涵为生态系统的淡水供给和亏缺，对农田生态系统具有重要意义，本研究选择水分盈亏量这一指标进行量化。采用Penman-Monteith公式计算参考蒸散量，主要涉及降水和蒸发两个过程，即计算降水量与蒸散量的差值得到。具体计算公式如下：
(4)
D=Q-ET0
(5)
式中：ET0为参考作物蒸散发量，mm/d；
Rn为作物表面净辐射，MJ/(m2·d)；
G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；
T为2 m高处日平均气温，℃；
u2为2 m高处风速，m/s；
es为饱和水汽压，kPa；
ea为实际水汽压，kPa；
δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；
γ为干湿表常数，kPa/℃；
D为水分盈亏量，mm；
Q为降雨量，mm。
1.3.4土壤保持生态系统服务
土壤保持指有机质积累及植被根物质和生物在土壤保持中的作用，是重要的生态系统调节服务，可有效防止土地退化、降低洪涝灾害的风险，本研究选择土壤保持量进行量化。采用土壤流失模型(USLE)，即潜在的土壤侵蚀与实际土壤侵蚀强度之间的差值得到。具体计算公式如下：
Ar=R×K×L×S×C×P
(6)
Ap=R×K×L×S
(7)
Ac=Ap-Ar
(8)
式中：Ar为实际土壤侵蚀量；
Ap为潜在土壤侵蚀量；
Ac为土壤保持量(也称土壤流失量)；
R为降雨侵蚀力因子；
K为土壤可蚀性因子；
L为坡长因子；
S为坡度因子；
C为作物经营因子；
P为水土保持措施因子。
1.3.5权衡与协同分析
本研究以粮食供应、碳固定、水文调节和土壤保持4类农田生态系统服务评价结果为基础，采用Spearman秩相关性分析，即一种双变量相关性的非参数度量，用以确定判断黑龙江省农田生态系统服务之间的作用关系，即4种生态系统服务两两之间是否存在协同和权衡作用[43]，计算公式如下：
(9)
1.3.6生态系统服务组合
多种生态系统服务可以定性地解释为一个聚集的景观，它不仅描述了生态系统服务之间的关系，而且支持了土地利用规划的空间策略，可采用K-均值聚类分析对从生态系统服务中获得的农田生态功能区进行分析和识别[44]。聚类分析是指通过衡量不同生态系统服务之间的相似性，把相似的生态系统权衡与协同关系的区域划分为一类，便于有效的管理生态系统[45]。基于生态系统服务的评估结果，采用热点分析来识别具有统计意义的热点的位置，明确不同地区生态系统服务的强度以及各类服务空间分布，并对4类生态系统服务进行极差法标准化分析，确定各地区的主导生态系统服务。
2.1 黑龙江省农田变化特征
1995—2020年黑龙江省农田空间分布特征见图1。由图1可见：1995—2020年黑龙江农田面积呈现先缓后快的增加态势：1995—2005年农田面积增加7 170 km2，以水田为主；
2005—2015年，增加面积2 582 km2，旱地转变为水田态势明显；
2015—2020年，增加面积9 315 km2，因土地开发，旱地同步增加。随着“以稻治涝”工程[46]的实施，黑龙江省水田面积逐年扩张。1995—2020年黑龙江省农田旱改水空间分布情况见图2。由由图2可知：期间水田面积增加25 729 km2，增长率为162.45%，水田面积翻番，范围集中在三江平原区域。
2.2 黑龙江省农田生态系统服务
1995—2020年黑龙江省4类关键生态系统服务量化结果见图3。由图3可知：与1995年的3 456 kg/hm2的粮食单产相比，2020年的单产提高了51.13%；
从粮食总量看，1995—2020年粮食总量增加了4.95×107t，涨幅达190.82%。其中，鹤岗、双鸭山、鸡西、佳木斯粮食总产量增长幅度最高，鹤岗产量增长率达132.26%，均处于三江平原，是黑龙江省集中开展旱改水工程最大的区域，因此其粮食产量贡献最为突出。
本研究选择水稻、玉米、大豆3种主要农作物来计算黑龙江省农田的碳固定量。就整个研究区域而言，主要农作物碳固定量和碳密度均呈上升趋势，农作物的碳固定量从1995年的1.87×107t上升至2020年的6.28×107t。而农作物的碳密度从2.08 t/hm2上升至4.35 t/hm2。黑龙江省各市的碳固定总量均呈上升趋势，其中，哈尔滨总量增加最多，鹤岗、双鸭山增长幅度最高，究其原因，主要是由于哈尔滨粮食产量增长最高，而鹤岗、双鸭山均位于三江平原，实施了旱改水工程。
在不考虑人为影响和地下渗漏、地表径流等情况下，水分盈亏量主要取决于降水量和作物蒸散量，其差值即为水分盈亏量。当水分盈亏量>0时，水分盈余；
当水分盈亏量<0时，水分亏缺；
而当水分盈亏量为0时，水分盈亏平衡。研究结果表明，1995年黑龙江省水分亏缺量总量为8.11×109m3，2020年为2.29×1010m3，所有城市的水分亏缺量均在上升，其中，齐齐哈尔市、绥化市、哈尔滨市的水分亏缺量上升最多。作为黑龙江省主要农作物的水稻、玉米和大豆，作物日需水量大小排序为：水稻>玉米>大豆[47]。哈尔滨、齐齐哈尔、绥化是黑龙江省种植水稻较多的3个市，加上旱改水工程的大力实施开展，水分亏缺量逐年增长。
就黑龙江省农田的土壤保持总量而言，1995年和2020年分别为8.19×108、9.78×108t。土壤保持功能受自然和人为的极大影响，自然因素包括降雨量、土壤结构、坡长及坡度因子等，人为因素包括基础设施与配套设施等，都对土壤保持有着重要的影响。近些年来，黑龙江省大力实施开展土地整治工程、旱改水工程以及黑土地保护工程，在一定程度上提高了农田质量以及土壤保持能力。
图1 1995年、2005年、2015年及2020年黑龙江省农田空间分布Fig.1 Spatial distribution of farmland in Heilongjiang Province on 1995， 2005， 2015 and 2020
2.3 黑龙江省农田生态系统服务权衡与协同关系
黑龙江省农田4类主要生态系统服务权衡与协同关系见表1。可知1995—2020年相关性基本一致，但相关程度存在差异，呈现的特征如下：
1)粮食供应与水文调节具有权衡关系。自旱改水工程实施以来，农田粮食生产能力不断提高，农作物的需水量也在不断增加，降水量稳定的情况下，粮食产量的提高定会导致水分亏缺量的增加，进而出现粮食供应和水文调节更加显著的权衡关系。
2)粮食供应与土壤保持具有权衡关系。由于人类的种植耕作，土壤表层松散，易随风力、水力运移导致，农田的固土效果远不及林地，因此粮食供应与土壤保持具有权衡关系。在追求粮食产量的同时，人类加大了对林地以及草地生态系统的破坏，特别是在以农田为主的松嫩平原和三江平原地区。
3)水文调节与土壤保持具有协同关系。水文调节服务功能较强的为森林生态系统，树木可以利用其发达的根系防止水土流失，树冠和枯枝落叶也可截留水分，从而能够较好地保护水资源，另一方面林地又可以很好地固土。在追求效益的同时，应考虑充分发挥水文调节和土壤保持的协同关系，以增强生态系统服务功能。
图2 1995—2020年黑龙江省旱改水区域Fig.2 Drought and water conversion area in Heilongjiang Province from 1995 to 2020
图3 1995年、2005年、2015年及2020年黑龙江省各市生态系统服务Fig.3 Ecosystem services in Heilongjiang Province on 1995， 2005， 2015 and 2020
表1 1995—2020年黑龙江省农田生态系统服务权衡协同关系Table 1 Trade-offs and synergistic relationships of farmland ecosystem services in Heilongjiang Province from 1995 to 2020
2.4 黑龙江省农田生态系统服务空间热点分析
2.4.1黑龙江省农田生态系统服务热点识别
本研究采用空间热点分析的方法，归纳出4种生态系统服务冷热点的空间模式，结果见图4。其主要特征如下：
1)由于地形平坦、面积广阔，哈尔滨、齐齐哈尔、绥化一直是黑龙江省产粮的主要地市，随着旱改水等耕地提质工程的开展，佳木斯市粮食产量持续上升，逐渐成为粮食供应的热点区域，但4个地市也是水分亏缺集中发生的地区。
2)粮食供应与碳固定存在着随时间增加的协同关系，碳固定的热点地区不断扩大至与粮食产能热点区域相似，其扩张地区与旱改水区域吻合度较高，土壤保持与粮食供应热点区域的空间格局重叠率较低。近些年来，黑龙江省的土壤保持量一直处于低等级状态。就土壤保持能力而言，森林最强，且保持量呈上升趋势；
而农田的土壤保持能力最弱，且有所降低[48]。大兴安岭地区作为黑龙江省森林覆盖率最高的城市，其土壤保持量一直为热点区域，随着旱改水面积的扩大，其余热点区域随时间不断缩小。
图4 黑龙江省生态系统服务冷热点分布Fig.4 Distribution of cold hot spots of ecosystem service in Heilongjiang Province
3)黑龙江省农田主导生态系统服务冷热点分布见图5。由图5可知：农田主导生态系统服务的热点区存在明显的空间差异性和动态性。随着旱改水工程在三江平原的扩大，粮食主产区逐渐增多，但随之而来的是需水量的增加和土壤保持量的下降。亟需通过制定管理政策、采取措施来改变生态系统服务之间的相互作用，提高协同作用，降低权衡作用，以更好地改善农田生态系统服务。
图5 黑龙江省主导生态系统服务冷热点分布Fig.5 Distribution of cold hot spots of the leading ecosystem services in Heilongjiang Province
2.4.2黑龙江省农田生态系统服务管理分区
根据黑龙江省土壤类型、耕作模式等差异，水田、旱地、水浇地等农田地类，科学分区分类，实施差异化治理。结合对黑龙江省4种农田生态系统服务的量化评估以及权衡与协同分析的结果，对研究区进行生态系统服务管理分区，详见图6。
图6 黑龙江省农田生态系统服务管理分区Fig.6 Farmland ecosystem service and management division of Heilongjiang Province
由图6可见：农产品供给区包括齐齐哈尔、绥化、哈尔滨等8个地市。该区土壤肥沃，土壤类型以黑土为主，土地利用类型主要为耕地，或地势平坦，幅员辽阔，或是旱改水工程的主要地区，粮食生产生态服务突出。在保证粮食供给的同时，应建立严格的耕地保护制度，在《中华人民共和国东北黑土地保护法》的指导下，形成适宜黑龙江本地的管理措施和法律保障；
同时，可对耕地质量进行长期监测，适时采取措施，提高土壤肥力和土地利用效率。采取生物、工程措施，提高土壤肥力，坚持生态优先，用养结合，改善农田的生态质量。
生态保护区包括大庆市和黑河市。目前黑龙江省耕地开发强度较大，耗水严重，普遍存在地下水资源匮缺的状况。因此该区域在开展耕地利用和管理活动时应优先考虑水资源的限制性，在此基础上发挥好生态功能。在满足区域用水需求的同时，促进水资源的合理开发利用，为农田生态系统服务的实现提供实践基础；
与此同时，应采取低碳土地整治模式，提倡免耕或少耕尽量减少碳排放。以水文调节为该区的主要功能，加快形成自然保护地体系，完善生态廊道和生物多样性保护网络，提高重点流域生态环境和水域生态功能，推动生态系统功能整体性提升。
土壤保持区包括大兴安岭地区、伊春市和牡丹江市。目前，东北黑土面临着土壤侵蚀的严重问题，土壤侵蚀会导致黑土层变薄、土壤肥力降低、持水性能下降等多重危害。黑龙江省可结合生物、工程手段，建立防风林以防治土壤侵蚀，调整农业措施如少耕免耕等帮助地力恢复。进一步强化农业设施建设，采取秸秆还田、增施有机肥、扩种大豆等措施，改善土壤结构。
黑龙江省作为国家商品粮的生产和储备基地，来自全国的粮食需求对黑龙江省的农田生产能力提出了更高的要求，省外耕地补充压力也使得农田面积的进一步扩张。黑龙江省也是国家生态安全格局“三区四带”中东北森林带的重要组成部分。农田扩张侵占了大量湿地、草地和森林，造成了生态退化、水文调节功能下降等，过度地集约化利用导致黑土退化。近年来，黑龙江省实施了土地整治、旱改水工程等项目。旱改水工程增加了对地下水的抽取，致使地下水水位下降，与湿地、草原、森林竞争水资源。种植结构的改变，使得生态系统服务功能也发生了相应的改变。
面对区域农田利用变化和生态系统服务功能改变的现实，本研究在黑龙江省农田大面积旱改水背景下，选取了4种生态系统服务，以期实现区域生态系统服务最大化，为政府决策对农田管理提供建议。研究结果表明，绥化、佳木斯、齐齐哈尔、哈尔滨等粮食产量高的区域，水分亏缺量随产量增加一致，由于大面积旱改水工程的实施，农田用水急剧增加，农田水分亏缺量大幅增长，致使地下水位持续下降，粮食供应与水文调节呈现出此消彼长的权衡状况，这与周璟茹[49]的研究结果一致，其冷热点的空间转移也印证了该结论。实施旱改水工程，改善了农田的规划布局，道路通达度、灌排通达度不断提升，使得粮食产量、生产效益提高。但由于人类的种植耕作及扩张，绥化等粮食主产区土壤保持功能逐渐下降，而大兴安岭等非粮食主产区域的土壤保持呈现稳步增长状态，因此本研究中粮食产能与土壤保持具有权衡关系，这与祁宁[44]等的研究结果一致。
大面积旱改水工程，在造成区域地下水资源胁迫的同时，影响毗邻区域旱地农作物的出苗率和产量。在建设社会主义生态文明背景下，黑龙江省农田在提升粮食产量的同时，如何通过合理利用农田、调整种植结构以促进各生态系统服务的协同发展是亟需解决的问题。对此，本研究采取分区管控措施，探索绿色和现代化发展模式，多维度考虑农田利用，实现生态和效益的协同发展。针对每个区域的自然资源以及现状，采取相应的治理方案以实现预期目标。根据分区因地制宜控制旱改水规模、调整旱改水工程布局，在农产品供给区允许适当水改旱，推广节水灌溉技术，完善水利设施工程，提高水资源利用效率；
在生态保护区加快形成自然保护地体系，完善生态廊道和生物多样性保护网络，提高重点流域生态环境和水域生态功能，推动生态系统功能整体性提升；
在土壤保护区实行轮作、农业种植结构调整以恢复地力。与此同时，完善粮食生产利益协调机制，在大力开展农田建设和实施占用耕地易地占补工程同时，加大省际生态补偿力度。
本研究存在一些局限，只考虑4种主要的农田生态系统服务，未涉及生物多样性、气候调节以及文化传承等服务，无法全面地反映旱改水对黑龙江省农田生态系统的影响。权衡/协同关系方面，本研究使用相关性分析仅能识别一对生态系统服务之间的线性关系，无法探测2种以上生态系统服务的复杂线性关系。此外，以行政区为研究单元无法揭示行政区内部的空间异质性。未来研究将考虑更多的生态系统服务类型，引入非线性的权衡/协同关系识别方法，从更精细的格网尺度探讨旱改水对农田生态系统的影响。
本研究以黑龙江省为研究区域，定量评估1995—2020年黑龙江省农田的4类关键性生态系统服务，主要结论如下：
1)从耕地变化来看，1995—2020年黑龙江省农田结构发生深刻变化，尤以旱改水工程驱动的旱地转为水田最为明显。期间，农田面积增长率达12.36%，水田面积增长了162.45%，其中，25.89%的水田增加源于旱改水工程，在空间上看，集中分布在三江平原区域。
2)从权衡/协同关系来看，在降水、地表水和地下水资源相对稳定的情况下，旱改水工程造成局部水资源短缺情况，在生态系统服务评估及其权衡中得到印证：水文调节与碳固定、土壤保持之间具有空间协同关系；
而粮食产能与水文调节、土壤保持之间存在显著的权衡关系。1995—2020年的农田生态系统服务权衡与协同关系基本一致，但相关程度存在差异。
3)从分区管理来看，为统筹兼顾农民增收和农田可持续利用关系，可将具有较高粮食产量且地下水开采条件较好的区域划分为农产品供给区；
将水文调节适宜，生态功能良好的区域划分为生态保护区；
将土壤保持为主导服务、林区资源丰富，可保持地区土壤稳定，降低土壤侵蚀的区域划分为土壤保持区，加强对农田利用活动引导，强化旱改水工程的规划布局和总量控制。