王正淑,王繼軍,2
(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 楊凌712100)
種植業(yè)具有生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3],長期以來,人們僅關(guān)注種植業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提高,通過投入大量化肥、農(nóng)藥、機(jī)械等來增加種植業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,造成環(huán)境的污染與破壞[4],即在經(jīng)濟(jì)價(jià)值增加的同時(shí)導(dǎo)致了生態(tài)價(jià)值的縮減,而種植業(yè)生態(tài)價(jià)值的維持與提高對(duì)于協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值關(guān)系,提升系統(tǒng)整體功能,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。已有研究大多是對(duì)種植業(yè)生態(tài)價(jià)值進(jìn)行定性化描述,例如Scott M.Swinton指出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能夠提供水資源和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)、審美和文化服務(wù)、加強(qiáng)的支持服務(wù),并且近年其提供多種生態(tài)服務(wù)的潛力已被公認(rèn),將潛力變成價(jià)值的科學(xué)和國家政策設(shè)計(jì)是生態(tài)經(jīng)濟(jì)的重要部分[5];任春燕對(duì)生態(tài)價(jià)值的指標(biāo)體系進(jìn)行了闡述[6];傅瓦利對(duì)土地利用改變前后生態(tài)效益的變化進(jìn)行了定性的比較[7];對(duì)生態(tài)價(jià)值的少許定量研究主要是借鑒Costanza、謝高地團(tuán)隊(duì)等關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)研究,如葉延瓊、張雅杰對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)價(jià)值的核算[8-9],這些生態(tài)價(jià)值的定量研究主要針對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),而對(duì)種植業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值貨幣化定量表征的研究相對(duì)而言更為薄弱,且其中部分價(jià)值核算不具有現(xiàn)實(shí)可操作性,對(duì)種植業(yè)生產(chǎn)者的直觀感覺不明顯,種植業(yè)生態(tài)價(jià)值和系統(tǒng)價(jià)值的研究相對(duì)滯后。在《京都議定書》生效并實(shí)施以后,基于碳匯視角是目前生態(tài)價(jià)值貨幣化的著眼點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)顯化的有效途徑,故本文用年凈碳匯價(jià)值定量表征土地利用結(jié)構(gòu)保持不變情況下作物一個(gè)生命周期可實(shí)現(xiàn)的生態(tài)價(jià)值,用年凈碳匯價(jià)值與經(jīng)濟(jì)純收入之和表征種植業(yè)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值,選取黃土高原丘陵溝壑區(qū)的典型代表流域—縣南溝作為研究對(duì)象,測(cè)算并分析種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值,探索目前現(xiàn)實(shí)條件下種植業(yè)生態(tài)價(jià)值定量化的可實(shí)現(xiàn)途徑,為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整、資源的優(yōu)化配置提供參考。
縣南溝流域位于安塞縣沿河灣鎮(zhèn)(109°12′12″—109°22′12″E,36°41′24″—36°46′12″N),流域面積50.64 km2,該區(qū)位于森林草原區(qū),屬典型暖溫帶干旱半干旱氣候,年平均氣溫8.8℃,年降水量500~550mm,降雨年際差異大,且年內(nèi)分配不均,集中于夏季。該流域包括5個(gè)行政村(磚窯溝、方家河、畔坡山、崖窯、寨子灣)和1個(gè)自然村(何塌),2014年有農(nóng)戶544戶,人口2529人。農(nóng)戶收入主要來自于種植業(yè)、副業(yè)、外出務(wù)工、畜牧業(yè)等,種植業(yè)主要類型包括糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蘋果,糧食作物主要為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),經(jīng)濟(jì)作物主要為設(shè)施農(nóng)業(yè),種植業(yè)純收入由2001年的907元/人增長至2014年的2945元/人,總體呈上升趨勢(shì)??h南溝流域的土地利用類型和結(jié)構(gòu)、種植模式及耕作技術(shù)等在陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)均具有典型的代表性。
基于碳匯視角的種植業(yè)生態(tài)價(jià)值計(jì)算關(guān)鍵在于測(cè)算其固碳量和碳排量;生長季中作物固碳量與生產(chǎn)投入碳排量的差值為凈碳匯,凈碳匯與碳匯價(jià)格的乘積即為凈碳匯價(jià)值(生態(tài)價(jià)值)。
2.1.1 糧食和經(jīng)濟(jì)作物固碳量測(cè)算方法 種植業(yè)固碳量主要考慮農(nóng)作物生長全生命周期中的碳吸收[10],農(nóng)作物碳吸收的計(jì)算公式[11]為:
式中:C——固碳量;Ci——某種作物的固碳量(kg C);αi——作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg);βi——作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品部分的干重比;Cfi——作物經(jīng)濟(jì)系數(shù);γi——作物合成有機(jī)質(zhì)(干質(zhì)量)所需吸收的碳。流域農(nóng)作物的參數(shù)主要引自《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》(發(fā)改辦氣候[2011]1041號(hào))、王修蘭[12](表1)。
表1 主要農(nóng)作物參數(shù)
2.1.2 蘋果園固碳量測(cè)算方法 每年的固碳量用異速生長方程[13](表2)和碳轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算,其計(jì)算公式為:
C=∑Aiρ[0.46(WBi+WSi+WRi+0.127WFi)+0.176WLi]
式中:C——固碳量(kg C);i——樹齡;WBi,WSi,WRi,WFi,WLi——樹枝、干、根、果、葉的生物量干重(kg/株);ρ——種植 密 度(株/hm2);Ai——面 積(hm2);0.46,0.176為碳轉(zhuǎn)化系數(shù)[13];0.127為蘋果的干濕比[14]。
表2 蘋果樹的異樹生長方程(D為胸徑)
2.2.1 直接或間接碳排放 此部分碳排放的計(jì)算公式為:
E=∑Ei=∑ωiki
式中:Ei——各項(xiàng)生產(chǎn)投入的碳排放量;ωi——各項(xiàng)投入的數(shù)量;ki——各項(xiàng)投入的碳排放系數(shù)(表3)。
流域內(nèi)農(nóng)民使用的農(nóng)作物種子有購買種子和自備種子,購買種子的碳排通過種子的零售價(jià)格來估算種子生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸過程中能源消耗產(chǎn)生的碳排放[15]。蘋果園的碳排還包括剪枝、套袋等。
表3 農(nóng)地各項(xiàng)投入碳排放系數(shù)及參考來源
2.2.2 氧化亞氮排放引起的碳源量 氧化亞氮排放包括直接和間接氧化亞氮排放[21],直接氧化亞氮排放量為氮肥、糞肥、殘留根[22]的含氮量與直接排放因子的乘積,其中根的含氮量=作物總干重×根冠比×含氮率(表1),排放因子取陜西農(nóng)用地的平均值0.0056。間接氧化亞氮排放量包括施肥土壤的NH3,NOX揮發(fā)經(jīng)大氣氮沉降和土壤氮淋溶、徑流損失進(jìn)入水體的氧化亞氮[23],其中氮沉降引起的排放量=(N畜禽×20%+N輸入×10%)×0.01,20%,10%,0.01 分 別 為N畜禽揮發(fā)率、N輸入揮發(fā)率、排放因子[24];氮淋溶和徑流引起的排放量=N輸入×20%×0.007 5,20%為氮淋溶和徑流損失的氮量占農(nóng)用地總氮輸入量的比例,0.0075為排放因子[19]。氧化亞氮排放量乘以其全球增溫潛勢(shì)值298即為碳排放量當(dāng)量。
本文用年凈碳匯價(jià)值表征種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值,經(jīng)濟(jì)純收入表征種植業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,生態(tài)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值之和表征種植業(yè)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值。目前尚缺乏公認(rèn)的碳匯價(jià)值的計(jì)算方法[25],國內(nèi)碳匯貨幣化多用碳稅法和造林成本法[26],歐陽志云比較運(yùn)用兩種方法,結(jié)果顯示碳稅法計(jì)算的價(jià)值約為造林成本法計(jì)算價(jià)值的10倍,可見碳稅法估計(jì)的價(jià)值量過高,因此取碳稅率和造林成本的平均值作為碳匯價(jià)格[27]。碳稅率采用國家林業(yè)局的推薦使用價(jià)格1 200元/t C[28],造林成本采用國家林業(yè)部的公布數(shù)據(jù)240.03元/m3,換算后為260.9元/t C[27]。由于通貨膨脹,物價(jià)波動(dòng)變化,需將碳稅率和造林成本用每年的通貨膨脹率進(jìn)行調(diào)整,通貨膨脹率數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局及trading economics網(wǎng)站。
種植業(yè)投入產(chǎn)出情況、經(jīng)濟(jì)收入和面積數(shù)據(jù)等來自課題組2001—2014年調(diào)研資料的累積;不同樹齡果樹胸徑、栽植密度數(shù)據(jù)來自于2014年8月的野外實(shí)地測(cè)量;不同樹齡果樹的產(chǎn)果量、剪枝量和套袋量數(shù)據(jù)來自2014年10月的實(shí)地補(bǔ)充農(nóng)戶調(diào)研。利用SPSS 16.0和 Microsoft Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,用SigmaPlot 10.0軟件作圖。
根據(jù)《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》(GB/T4754-2011)和縣南溝流域的現(xiàn)實(shí)狀況,將流域內(nèi)的種植業(yè)分為糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蘋果園三大類,流域內(nèi)的糧食作物主要有玉米、谷子、糜子、薯類等,經(jīng)濟(jì)作物主要有大棚蔬菜、西瓜、紅蔥等。各類作物歷年的固碳與碳排情況如表4所示。
表4 各類作物的碳匯量 t
由表4可知,絕大部分年份種植業(yè)各類作物的凈碳匯量為正。
2001—2004年新增果園面積131.53hm2,原有32.20hm2,剛栽植果樹生物量增長慢、固碳能力低,使得流域內(nèi)平均果園固碳能力較低,而生產(chǎn)投入的碳排量平均為5.47t/hm2,高于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的單位碳排,因此凈碳匯量為負(fù),成為碳源;2003年經(jīng)濟(jì)作物雖有大的生產(chǎn)投入(單位碳排為歷年平均的1.56倍),但因氣候、種植技術(shù)等各種偶然原因,使其單位固碳僅為歷年平均的72%,出現(xiàn)碳排量大于固碳量的情況。
種植業(yè)生態(tài)價(jià)值(凈碳匯價(jià)值)與生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比例如表5所示。
表5 生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比例
種植業(yè)生態(tài)價(jià)值呈穩(wěn)步遞增趨勢(shì),由2001年的35.34萬元增至2014年的901.71萬元,其中蘋果園的生態(tài)價(jià)值逐年增加,主要原因是果樹的自然生長和果樹面積的不斷增加;糧食作物的生態(tài)價(jià)值先波動(dòng)上升后波動(dòng)下降,由于前幾年化肥投入的增加及種子的改良等,糧食作物的產(chǎn)量波動(dòng)增加,近幾年,大量青壯勞動(dòng)力外出從事工副業(yè),導(dǎo)致部分耕地撂荒且農(nóng)地缺乏管護(hù),糧食作物的產(chǎn)量波動(dòng)下降;經(jīng)濟(jì)作物的生態(tài)價(jià)值年際波動(dòng)較大,除2003年外,2002年,2006年,2013年,2014年亦出現(xiàn)了極低值,原因在于2002年經(jīng)濟(jì)作物的種植面積僅為歷年平均值的58%,2006年的夏季高溫少雨,2013年遭遇自1945年有氣象記錄以來的大暴雨,致使經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物的產(chǎn)量驟跌,糧食作物受災(zāi)更為嚴(yán)重,產(chǎn)量驟減至歷年最低,2014年在作物的生長季遭遇冰雹且種植面積僅為歷年平均值的78%。
2001—2014年,種植業(yè)生態(tài)價(jià)值占生態(tài)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值的比重總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),增量為39.79%;蘋果園生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比重呈穩(wěn)步上升趨勢(shì),2007年后,其生態(tài)價(jià)值超過經(jīng)濟(jì)價(jià)值;糧食作物生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比重逐漸下降,降幅為41.94%;經(jīng)濟(jì)作物生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比重波動(dòng)較大,呈三峰型??偟亩?,蘋果園的生態(tài)價(jià)值大于其經(jīng)濟(jì)價(jià)值,糧食作物的生態(tài)價(jià)值約為經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/2,經(jīng)濟(jì)作物的生態(tài)價(jià)值極其小,僅為經(jīng)濟(jì)價(jià)值的3.69%。
2005年之前,蘋果園的生態(tài)價(jià)值水平低于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物;之后,生態(tài)價(jià)值水平遠(yuǎn)高于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物,歷年糧食作物的生態(tài)價(jià)值水平均略高于經(jīng)濟(jì)作物(圖1),2005年之前新增的大量蘋果園使流域內(nèi)蘋果園總的凈碳匯量、生態(tài)價(jià)值為負(fù),生態(tài)價(jià)值水平亦為負(fù),低于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物;經(jīng)濟(jì)作物的單位面積固碳能力與糧食作物相當(dāng),但其單位面積的碳排量約為糧食作物的4倍,因此經(jīng)濟(jì)作物的生態(tài)價(jià)值水平低于糧食作物。2005年之前,蘋果園的經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平低于糧食作物;之后,蘋果園的經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平高于糧食作物,歷年經(jīng)濟(jì)作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平遠(yuǎn)高于蘋果園和糧食作物(圖2),2005年之前大部分果樹還沒有掛果,因此此時(shí)間段其經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平最低。對(duì)于生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平而言,2005年之前,經(jīng)濟(jì)作物>糧食作物>蘋果園;2005—2010年,經(jīng)濟(jì)作物>蘋果園>糧食作物;2011年至今,蘋果園>經(jīng)濟(jì)作物>糧食作物(圖3)。
圖1 各類作物的生態(tài)價(jià)值水平
圖2 各類作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平
圖3 各類作物的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平
本研究基于碳匯視角,以陜北黃土高原典型流域縣南溝為研究對(duì)象,利用實(shí)地調(diào)研和測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)流域主要種植業(yè)類型生長季的固碳量和碳排量進(jìn)行了測(cè)算,用貨幣化的凈碳匯價(jià)值定量表征碳匯交易下種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值,并將種植業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值作為對(duì)比參照對(duì)象,對(duì)比分析種植業(yè)的生態(tài)效益。結(jié)果表明:2001—2014年,種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值總體上呈穩(wěn)步遞增過程,由2001年的35.34萬元增至2014年的901.71萬元;種植業(yè)價(jià)值的演變過程可分為三個(gè)階段,第一階段(2001—2004年),經(jīng)濟(jì)作物>糧食作物>蘋果園;第二階段(2005—2010年),經(jīng)濟(jì)作物>蘋果園>糧食作物;第三階段(2011年至今),蘋果園>經(jīng)濟(jì)作物>糧食作物。
長期來看,蘋果園每年果樹自然生長而增加的生物量高于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物,因此其生態(tài)價(jià)值水平高于后兩者;糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的單位固碳量相當(dāng),但相比經(jīng)濟(jì)作物而言,流域內(nèi)糧食作物沒有農(nóng)藥、地膜、灌溉等碳排,化肥投入引起的碳排量也大大少于經(jīng)濟(jì)作物,因此糧食作物的生態(tài)價(jià)值水平高于經(jīng)濟(jì)作物;雖然經(jīng)濟(jì)作物的生態(tài)價(jià)值水平最低,但由于經(jīng)濟(jì)作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值水平約為蘋果園的3.5倍、糧食作物的6.6倍,使得經(jīng)濟(jì)作物的生態(tài)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值水平最高,蘋果園和糧食作物次之。
在碳匯市場(chǎng)交易下,種植業(yè)可實(shí)現(xiàn)的生態(tài)價(jià)值占總價(jià)值的比重達(dá)42.28%,其中蘋果園、糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物生態(tài)價(jià)值占生態(tài)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值的比重為58.22%,31.19%,3.60%,即蘋果園的生態(tài)價(jià)值已超過其經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此,種植業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中,應(yīng)重視其生態(tài)價(jià)值,強(qiáng)化低碳生產(chǎn)理念,謹(jǐn)慎出臺(tái)設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)鼓勵(lì)政策,避免因盲目擴(kuò)大設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模而影響生態(tài)價(jià)值的發(fā)揮[29],做到宜果則果、宜菜則菜、宜糧則糧;改變以大量使用化肥、農(nóng)藥為標(biāo)志的高投入、高能耗發(fā)展模式,逐步增加有機(jī)肥、生物農(nóng)藥等[30],降低種植業(yè)生產(chǎn)中的碳排放[31],實(shí)現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
基于碳匯視角測(cè)算種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值具有一定的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性,能夠揭示生態(tài)價(jià)值在系統(tǒng)中的地位和作用,在目前情況下可為種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源高效利用及系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。但對(duì)于全面揭示種植業(yè)的生態(tài)價(jià)值,還有待于在可測(cè)量的生態(tài)指標(biāo)及計(jì)算模型方面做深一步的探討。
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