盐碱地冬闲农田绿肥种植生态服务价值评价

贾龙，王敬宽，张楷悦，高枫舒，柳新伟

（青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109）

山东滨海盐碱地面积为5 926.73 km2，占耕地面积的16.67%［1］。盐碱土含有大量可溶性盐，抑制作物出苗生长和产量［2］。特别是秋季至次年春季，降水少、蒸发量大，致使土壤表层盐度高［3］，21%的盐碱地处于闲置状态［1］，而此时期≥5℃的积温为1 039.5℃·日，≥10℃的积温为510.5℃·日，占全年总积温的10%以上，可满足很多作物生长需求，因此耕地资源没有得到充分利用。

生态效益是农业三大效益之一，就是要在农业生产中使系统的各组成部分相互适应、相互协调，达到物质与能量输出输入的数量、结构处于平衡状态，农业自然资源得到合理开发、利用和保护，促进农业和农村经济持续、稳定发展［4－7］。因此，如何做到充分利用冬闲农田，获得更好的经济、生态效益是农业绿色发展的重要一环，而种植绿肥不失为一种有效手段。

绿肥作为一种清洁的有机肥源，不仅在增加作物产量方面具有较高的经济价值［8］，更在提高土壤肥力［9，10］、保持土壤［11，12］、涵养水源［13，14］、降低面源污染［15，16］和调节气体［17，18］等方面具有更为显著的生态价值。尤其是在当前国家实施“化肥使用量零增长”“耕地质量提升”“耕地轮作休耕”等战略的宏观背景下推动绿肥种植，充分发挥绿肥的生态功能，改善农业生态环境，对农业绿色、生态化转型及高质量发展作用明显［19］。但是，前人的研究主要针对稻田和旱地绿肥生态服务功能价值评价，并且局限于农产品供给、土壤养分累积、气体调节等方面［19－21］，而对盐碱地绿肥生态价值评价的研究较为缺乏，特别是缺乏种植绿肥降低面源污染的功能及效益相关评价标准和方法。

为此，本研究以4年大田定位试验为基础，应用生态系统服务功能价值理论和生态经济学方法，评价绿肥引入盐碱地冬闲农田产生的生态服务功能价值，以期为盐碱地冬闲农田种植绿肥推广提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东营市利津县汀罗镇毛坨村，地理坐标为37°83′N、118°49′E，为暖温带季风型大陆性气候。冬寒夏热，四季分明，光照充足，雨热同季。自然植被以草本为主体，类型少，结构单一。年均气温12.8℃，年均降水量、蒸发量分别为556、1 755 mm，无霜期206 d，年均日照时数2 702 h。供试土壤为滨海盐渍土，pH值8.16，有机质含量7.25 g／kg、碱解氮55.47 mg／kg、全氮523.75 mg／kg、有效磷10.37 mg／kg、速效钾85.63 mg／kg、盐分2.75‰。

1.2 试验设计

于2016年10月到2020年4月进行4年大田定位试验。供试绿肥品种为冬牧70黑麦、大麦和油菜。前茬作物为棉花，品种为鲁棉研28号。试验设置4个处理，分别为冬闲及种植冬牧70黑麦、大麦和油菜，每处理重复3次。小区面积70 m2（7 m×10 m）。前茬棉花于每年10月中下旬秸秆还田，绿肥于次日播种，播种量225 kg／hm2，行距15 cm，不施肥料。绿肥于次年4月中下旬翻压还田，种植棉花。

1.3 绿肥生态服务功能评价指标选取

依据4年盐碱地绿肥种植定位试验数据，利用机会成本法、影子工程法、替代成本法、市场价值法等生态经济学方法评价冬闲农田绿肥种植的生态服务价值。选取冬绿肥气体调节、土壤养分累积、水分涵养、土壤保持、抑盐脱盐、降低面源污染6项服务功能作为评估对象，构建盐碱地冬闲农田绿肥种植利用价值综合评价指标体系。

1.4 数据来源

田间试验数据主要为4年大田定位试验最后一年（2020年4月）的实测数据，包括绿肥产量、耕层（0～20 cm）土壤养分（碱解氮、有效磷、速效钾和有机质）含量、土壤含盐量、土壤含水量和土壤物理性状（容重、比重和孔隙度）等。

在绿肥青刈期采集植株和耕层（0～20 cm）土壤样品。土壤水分含量采用烘干法测定；土壤水溶性盐总量采用残渣烘干－质量法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾滴定法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提－硫酸钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提－火焰光度法测定；土壤容重和孔隙度采用环刀法测定［22］。

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）［23］和中国统计年鉴数据。为了降低年际间各个价格参数的差异，设置2019年为价格计算基准年份，通过2019年居民消费价格指数（CPI）将所需价格参数均转化为2019年的价格，从而使评估结果具有可比性。

1.5 评估方法

1.5.1 气体调节价值 绿肥植物通过光合作用和呼吸作用与大气进行CO2和O2交换，固定CO2，同时释放O2。农田土壤同时也排放CO2、CH4、N2O等温室气体，对全球变暖有着重要影响。在盐碱地冬闲农田种植冬绿肥改变了农田植被覆盖类型，从而增强了对SO2、NOX、HF和滞尘等主要空气污染物的净化功能［20］。

因此，冬绿肥气体调节功能价值由固碳释氧价值、排放温室气体负价值和净化空气价值共同组成，均采用影子价格法进行计算。

Vg＝Vg1－Vg2＋Vg3。

式中，Vg为气体调节功能价值（元／hm2），Vg1为固碳释氧价值（元／hm2），Vg2为排放温室气体负价值（元／hm2），Vg3为净化空气价值（元／hm2）。

Vg1＝0.44×B×EC＋1.2×B×EO。

式中，B为农田作物生物量（kg／hm2）；EC为固定CO2成本（元／kg）；EO为制造O2成本（元／kg）。固碳成本采用瑞典碳税价格，为150美元／t［23］，折合人民币1 034.78元／t（汇率取2019年人民币对美元平均汇率，为6.8985）；制造O2价格参考评估规范［23］取1 000元，结合2019年相对价格指数为0.997，制造O2价格为997元／t。冬闲农田杂草生物量为1 220 kg／hm2，冬牧70黑麦生物量为4 326 kg／hm2，大麦生物量为3 881 kg／hm2，油菜生物量为2 727 kg／hm2。

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）1992年提出的全球增温潜势（GWP）原理，以100年影响尺度计，CH4和N2O的GWP值分别为23和296［24］。据此，将农田排放CH4、N2O的负价值转换为排放等量CO2的负价值。采用静态箱法［25］测定冬闲田、冬牧70黑麦田、大麦田和油菜田CH4排放量分别为8.76、21.23、19.84、13.26 kg／hm2，N2O排放量分别为0.12、1.01、0.96、0.54 kg／hm2。

Vg2＝（FCH×23＋FNO×296）×EC。

式中，FCH、FNO分别为农田CH4和N2O的排放量（kg／hm2）。

由于市场中缺乏直接交易价格，故采取机会成本法，以治理SO2、NOX、HF和滞尘所需成本作为绿肥净化空气价值。

Vg3＝D×I×P 。

式中，D为单位面积农田作物吸收污染气体的量（kg／hm2），SO2、NOX、HF、滞尘取值分别为45、33.5、0.38、0.95 kg／hm2［26］；I为农田覆盖作物修正系数，冬闲田、冬牧70黑麦田、大麦田和油菜田取值分别为0.20、1.70、1.60、1.40［27］；P为治理空气污染物成本（元／kg），依据评估规范［23］，SO2、NOX、HF、滞尘治理成本取值分别为1 167.60、612.99、671.37、145.95元／t。

1.5.2 土壤养分累积价值 以耕层碱解氮、有效磷、速效钾和有机质积累量来评估绿肥种植土壤养分累积功能价值。由于土壤养分在市场中缺乏直接价格，故采用影子价格法，用含有等量营养物质的肥料和有机碳的市场价值分别替代农田生态系统中碱解氮、有效磷、速效钾以及有机质的累积价值。

VN＝ρ×H×∑Ni×EN。

式中，VN为土壤养分累积价值（元／hm2）；ρ为土壤容重（g／cm3）；H为每公顷（20 cm）土壤体积（m3／hm2）；Ni为 单 位 面 积 土 壤 养 分 累 积 量（t／hm2）；EN为土壤养分价格（元／t），依据评估规范［23］并结合2019年相对价格指数1.022，有机质、N、P2O5、K2O 养 分 价 格 分 别 为327.04、1 077.90、2 754.60、3 747.27元／t。

1.5.3 水分涵养价值 绿肥通过增加土壤蓄水能力、减少直接土壤水分损失或限制蒸腾损失来增加水分蓄积能力，以达到水分涵养功能。因此，本研究以土壤耕层饱和含水量来反映冬绿肥的水分涵养价值。由于市场中缺乏土壤水的直接价格，本研究依据土壤涵养水分的主要功能类似水库蓄水功能的特点，采用影子工程法计算水分涵养功能价值。

Vw＝Ew×h×θf×10－4。

式中，Vw为水分涵养价值（元／hm2）；Ew为水库库容建造价格（元／t）；h为土壤厚度，为0.2 m；θf为土壤饱和含水量（%）。根据评估规范［23］中2005年水库库容建造价格为6.1107元／t，结合2019年价格指数1.028，得到2019年水库库容建造价格为6.28元／t。

1.5.4 土壤保持价值 农田生态系统的土壤保持价值主要表现为农作物对地表的覆盖作用对抵抗水力、风力、重力等侵蚀的固土价值、保肥价值、减淤价值。盐碱地冬闲田绿肥使裸露地表得以覆盖，能够降低农田土壤侵蚀量。由于缺少对农田土壤保持量的直接测量，本研究运用土壤流失方程（USLE）［28－30］计算农田作物土壤保持量AC，得到冬闲田、冬牧70黑麦田、大麦田、油菜田土壤保持量分别为54.78、154.91、153.90、149.84 t／hm2。

由于市场不存在直接土壤交易价格，故采用机会成本法，分别以农田单位面积土地收益、土壤养分价值、承载泥沙淤积的水库库容建造成本来估算系统固土价值、保肥价值及减少泥沙淤积价值，得到冬绿肥土壤保持功能价值。

VSC＝VSE＋VFC＋VSD。

式中，VSC为土壤保持功能价值（元／hm2）；VSE为固土价值（元／hm2）；VFC为保肥价值（元／hm2）；VSD为减少泥沙淤积价值（元／hm2）。

固土价值为土地面积与土地收益的乘积，计算公式为：

式中，ρ为土壤容重（g／cm3）；EA为单位面积的土地收益（元／hm2），通过周边农户调研所得，取平均值为15 000元／hm2。

保肥价值计算运用影子价格法，根据土壤中碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量算出种植绿肥保肥经济价值，计算公式为：

VFC＝AC×∑Nj×EN。

式中，∑Nj为单位面积土壤养分保持量（t／hm2）。

减少泥沙淤积价值运用替代工程法，以水库蓄水成本计算每年减少泥沙淤积的经济价值，公式为：

式中，Ew为水库库容建造成本，为6.28元／t［23］；24%为泥沙淤积于水库、江河、湖泊的量占土壤侵蚀量的百分比［31］。按照我国主要流域的泥沙运动规律，全国一般土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积，这部分泥沙直接造成了水库、江河、湖泊蓄水量的下降，在一定程度上增加了干旱、洪涝灾害发生的机会；另有33%滞留，37%入海［32］。

1.5.5 抑盐脱盐价值 盐碱地土壤的含盐量、含碱量较高，不适合普通农作物的生长［33］。选择适宜的耐盐植物种植普遍被认为是最经济有效的盐碱地土壤改良方式［34］。在盐碱地块配置区域性排水设施，通过引用常年流通的活水进行灌溉，达到区域脱盐的目的［35］。由于绿肥种植降低含盐量、改良盐碱地的价值较难计算，所以运用影子价格法估算盐碱地使用灌水洗盐措施改良盐碱地的价值，计算公式为：

VS＝S×W×T 。

式中，VS为抑盐脱盐价值（元／hm2）；S为土壤盐分降低量（%）；W 为灌水系数1 327.7 m3／hm2（土壤盐分每降低0.1%的灌水系数［36］）；T为每方灌水量所投入的成本（元／m3，水电、劳动力等成本），通过市场调研得水电和劳动力等成本为0.72元／m3。

1.5.6 降低面源污染价值 灌水洗盐作为目前盐碱地改良的一种常见方式，仅将土壤中的盐分含量降低，没有改善土壤结构，同时还会通过径流和渗漏的方式将土壤中的水溶性养分淋洗掉，引起地表水富营养化和地下水污染，造成土壤相对瘠薄［37］。而盐碱地种植绿肥不仅能抑盐脱盐，还能保土保肥，降低土壤中氮素、磷素和钾素淋失量，减少对地下水污染的风险。由于土壤中磷具有吸附性，绿肥对磷素淋溶无显著影响［38－41］；土壤中水溶态钾易被植物直接吸收利用，也容易淋溶，但含量较低［42］。所以本研究只考虑绿肥对降低氮素淋溶的影响。采用边际消减成本法评估冬绿肥－棉花农田生态系统降低面源污染的功能。计算公式为：

VP＝B×Nc×（Rc＋Lc） 。

式中，VP为降低面源污染价值（元／hm2）；B为农田生物量（kg／hm2）；Nc为每吨覆盖作物降低氮素淋溶量，为3.69 kg／t［43］；Rc和Lc分别为治理径流损失氮素成本和渗漏损失氮素成本（元／kg）。根据李文华［44］研究，治理径流损失氮素成本和渗漏损失氮素成本分别为79.15、81.80元／kg，2019年相对价格指数1.002，得到Rc和Lc分别为79.31、81.96元／kg。

2 结果与分析

2.1 气体调节功能价值

冬绿肥的气体调节功能价值主要表现为固碳释氧价值，以释放氧气为主（表1）。冬牧70黑麦、大麦、油菜固定CO2价值分别是冬闲处理的3.55、3.00、2.24倍，释放O2价值分别是冬闲处理的3.36、3.16、2.24倍，固碳释氧价值分别是冬闲处理的3.41、3.12、2.24倍，净化空气功能价值分别是冬闲处理的8.50、8.00、7.00倍，气体调节价值分别是冬闲处理的3.47、3.16、2.31倍。

表1 不同冬绿肥的气体调节功能价值 （元／hm2）

2.2 土壤养分累积功能价值

冬绿肥处理土壤养分累积价值均明显高于冬闲处理（表2）。种植冬牧70黑麦的耕层土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质养分累积价值分别比冬闲处理增加2.83、10.35、12.86、2.60倍，种植大麦分别比冬闲处理增加1.28、2.41、9.23、2.51倍，种植油菜分别比冬闲处理增加1.79、5.64、7.55、2.44倍。种植冬牧70黑麦、大麦、油菜的土壤养分累积总价值分别是冬闲处理的4.17、3.89、3.82倍。

表2 不同冬绿肥处理耕层土壤养分累积价值 （元／hm2）

2.3 水分涵养功能价值

三种冬绿肥处理的水分涵养价值均大于冬闲（表3）。与冬闲处理相比，种植冬牧70黑麦、大麦和油菜的土壤涵养水分量分别提高16.64%、11.47%和6.10%。种植冬牧70黑麦、大麦和油菜的水分涵养功能价值分别提高16.64%、11.47%和6.10%。

表3 不同冬绿肥的水分涵养功能价值

2.4 土壤保持功能价值

三种冬绿肥的土壤保持功能价值均大于冬闲处理，主要体现在固土价值方面（表4）。与冬闲处理相比，种植冬牧70黑麦的固土价值、保肥价值和减少泥沙淤积价值分别增加564.91、148.75、113.52元／hm2，种 植 大 麦 分 别 增 加541.06、133.38、108.73元／hm2，种植油菜分别增加549.30、132.38、110.39元／hm2。种植冬牧70黑麦、大麦、油菜的土壤保持功能价值分别是冬闲处理的3.29、3.17、3.20倍。

表4 不同冬绿肥的土壤保持功能价值

2.5 抑盐脱盐功能价值

三种冬绿肥的抑盐脱盐功能价值均大于冬闲处理（表5）。种植冬牧70黑麦、大麦和油菜的绿肥脱盐率达到64.64%、66.08%和56.67%，分别比冬闲处理提高51.45%、54.82%和32.77%；抑盐脱盐价值比冬闲处理分别提高62.77%、61.09%和48.91%。

表5 不同冬绿肥的抑盐脱盐功能价值

2.6 降低面源污染功能价值

三种冬绿肥降低径流污染价值和降低渗漏污染价值对总价值的贡献率基本一致（表6）。种植冬牧70黑麦、大麦、油菜降低径流污染价值分别比冬闲处理增加889.27、761.87、431.40元／hm2，降低渗漏污染价值分别比冬闲处理增加918.99、787.32、445.81元／hm2，降低面源污染功能价值分别是冬闲处理的3.55、3.18、2.24倍。

表6 不同冬绿肥降低面源污染功能价值

2.7 冬闲田种植绿肥的生态服务功能价值综合评估

三种冬绿肥的生态服务功能总价值均高于冬闲处理（表7）。与冬闲处理相比，种植冬牧70黑麦的生态服务功能总价值提高122.54%，种植大麦的提高107.90%，种植油菜的提高78.25%。

表7 种植不同绿肥的生态系统服务功能价值总量 （元／hm2，%）

种植冬牧70黑麦、大麦和油菜的各功能服务价值对总价值贡献率基本一致。其中，气体调节功能价值最高，分别占总价值的31.95%、31.13%和26.60%；其次为水分涵养功能价值，分别占总价值的23.22%、23.75%和26.37%；土壤保持功能价值贡献率最小，分别占总价值的6.13%、6.32%和7.43%。种植冬牧70黑麦和大麦降低面源污染功能价值贡献率大于抑盐脱盐功能价值，而种植油菜表现效果相反。

3 讨论

绿肥干草含碳量一般为48%，据推算，0.15亿hm2绿肥每年可以固定1.13亿t二氧化碳，同时放出0.97亿t氧气［45］。本研究表明种植三种绿肥的固碳释氧价值和净化空气价值显著高于冬闲处理。在盐碱地冬闲田种植绿肥，增加了农田生态系统的生物覆盖度，从而提高了固碳量和氧气释放量，也提高了对SO2、NOX、HF和粉尘等主要空气污染物的净化功能［20］。但是种植和翻压绿肥对农田休闲期的扰动以及土壤微生物活性的增强，会加强土壤呼吸，增加温室气体的排放［46］。

绿肥能固持养分，提高土壤养分含量。本研究4年绿肥种植试验表明，冬闲土壤碱解氮和速效钾累积价值表现为负价值，而种植三种绿肥表现均为正价值。这可能是由于棉花种植过多消耗了碱解氮和速效钾，而冬闲期无植被覆盖又导致了土壤养分的淋失［21］。

合理种植绿肥通过增加农田覆盖度、改变土壤孔隙度等作用而增强土壤田间持水保水能力，进而改善土壤水分环境［13］。Andrea等［14］研究表明长期使用冬黑麦绿肥可以在不影响经济作物生长的情况下改善土壤水分动态，显著增加10% ～11%的田间持水量和21% ～22%的植物有效水。本研究也表明种植三种绿肥增加了水分涵养功能价值。冬闲田种植绿肥可降低土壤耕层容重，提高土壤团聚体的稳定性和耕层土壤的总孔隙度，从而增强土壤蓄水能力。

绿肥根深、茎叶茂盛，对地面的覆盖度高，能有效阻止大风对土壤的直接侵蚀［47］。郭从阳等［11］发现麦后复种饲用绿肥油菜（Brassica napus）有效增加土壤覆盖面积，减少风蚀和水蚀，提高了土壤肥力，具有显著的经济、生态和社会效益。本研究表明种植三种绿肥均增加土壤保持功能价值。主要原因在于将绿肥引入盐碱地冬闲田，提高农田系统年植被覆盖度，增加农田年土壤保持量，从而提高了土壤保持功能［19］。

通常情况下，地下水与表层土壤水处于一定的动态平衡状态，地下水位与表层土壤中的离子都相对稳定［48］。但当气候干旱时，土壤蒸发量增大，引起下部土壤水分沿土壤毛细管上移，同时土壤中的盐分也随之向上运动；水分到达土壤表层后发生蒸发损失，而盐分则在土壤表层累积，如此长期反复进行，当表层土壤盐分离子达到一定浓度时，就会造成土壤盐渍化，毒害农作物的正常生长［49］。在冬闲田种植与翻压绿肥，既可建立地面覆盖，抑制地表返盐，又可改善土壤结构，促进土壤脱盐，并可增加土壤有机质，提高土壤肥力［50］。本研究表明，相较于冬闲处理，种植三种绿肥显著增加抑盐脱盐功能价值，脱盐率达到64.64%、66.08%和56.67%，与前人研究结果一致［51－53］，脱盐效果显著。

土壤氮素流失会导致碳的流失，从而导致土地退化［54］。绿肥翻压还田对氮素转化和土壤微环境都有积极影响，可降低氮素流失，提高氮素供应能力，降低氮素化肥投入，提高作物产量［15］。Elena等［16］研究发现非豆科绿肥（主要是黑麦草）秋季氮素淋溶量平均减少50%，土壤硝态氮或无机氮减少35%。本研究表明种植三种绿肥降低面源污染功能价值显著高于冬闲处理。冬闲期种植绿肥可固持主作物生长期间由于化肥施用过量造成的土壤中剩余的速效养分，减轻深层土壤养分淋失对地下水体的污染［8］，同时绿肥还田后增加的有机质可以增强土壤的有机养分库容，提高土壤对养分的吸纳能力［55］。

4 结论

将绿肥纳入冬闲田，显著提高气体调节、土壤养分累积、水分涵养、土壤保持、抑盐脱盐和降低面源污染功能价值，其中气体调节价值贡献率为26.60%～31.95%，水分涵养贡献率为23.22% ～26.37%，土壤养分累积贡献率为14.63% ～16.78%，抑盐脱盐和降低面源污染贡献率分别为11.01%～12.57%和10.24% ～13.01%，土壤保持功能价值贡献率<10%。