基于河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量研究

成 波， 李懷恩, 黃 康， 范遠航

(西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

如何處理農業(yè)用水和生態(tài)用水之間的矛盾已成為了國際熱點話題。根據 calzadilla等[1]統(tǒng)計，70%左右的河道水資源總量用于農業(yè)灌溉；農業(yè)灌溉用水是中國北方最大的用水需求，2008年農業(yè)灌溉消耗了水資源總量的74.4%[2]；且近些年來氣候變化和人類活動導致河道來水量逐漸減少，人口數量劇增以及保障糧食安全的農業(yè)發(fā)展致使農業(yè)用水量逐漸增多，生態(tài)用水和農業(yè)用水爭水矛盾加劇。同時，在來水量減少的情況下，持續(xù)增加農業(yè)用水會嚴重擠占環(huán)境用水量。河道生態(tài)基流是徑流的一部分，也是生態(tài)環(huán)境流量中最基礎的流量，河道中存在一定流動水量是維持河道生態(tài)環(huán)境功能的基本條件[3]。為了維持河道生態(tài)環(huán)境的基本功能，河道中應該長期保有相對量的流量，防止河道萎縮、斷流以及河道基本功能損失，這一相對量的流量被稱為河道生態(tài)基流[4-5]。河道生態(tài)基流對農戶沒有產生直接的經濟效益，所以農戶對河道生態(tài)基流并不重視。因此，河道生態(tài)基流難以得到保障，導致河道萎縮、斷流以及河道基本功能損失，流域環(huán)境嚴重惡化，造成了難以逆轉的損壞。

河道生態(tài)基流定量化的研究[6-8]以及河道生態(tài)基流價值的研究[9-10]讓人們意識到河道生態(tài)基流的重要性。于是學者們展開了河道生態(tài)基流保障的研究，如林啟才等[11]根據渭河干流寶雞段的實際情況,在農業(yè)灌溉節(jié)水、區(qū)域調水、有效管理和政策的基礎上,提出了保障河道生態(tài)基本流量的具體措施；朱磊等[12]通過建立渭河干流關中段水質水量響應關系的計算程序，為渭河干流關中段枯水期河道生態(tài)基流保障及水質改善提供技術支持。但是，尚未有學者對河道生態(tài)基流保障的經濟損失量做出定量分析，難以給河道生態(tài)基流保障的決策者提供定量化依據。國外學者對農業(yè)用水和生態(tài)用水的相互轉化的經濟損失量做了定量化研究，如Qureshi等[13]在澳大利亞墨累流域的水資源管理中，研究保障生態(tài)用水產生的農業(yè)機會成本。Jones等[14]考慮多因素的共同影響，構建隨機動力過程模型，分析了灌溉農業(yè)用水轉移到生態(tài)用水而產生的農業(yè)經濟損失。Malano等[15]以印度 Krishna 流域和澳大利亞 Murray-Darling 流域為例，提出了農業(yè)用水和生態(tài)用水的權衡分析框架，采用殘差法來研究農業(yè)用水短缺的經濟損失量。目前，關于河道生態(tài)基流保障產生的農業(yè)經濟損失量以及針對渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流保障引起的農業(yè)經濟損失量的研究相對較少。

本研究的主要目的是建立一個河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量模型，為河道生態(tài)基流保障的決策者提供定量化依據。以渭河干流寶雞段為例，建立渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量計算模型。通過分析計算渭河干流寶雞段河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量，可以為河道生態(tài)基流合理保障提供定量依據，同時，為政府部門對河道生態(tài)基流保障的決策提供理論支持。

2 研究方法

2.1 河道生態(tài)基流保障的農業(yè)缺水量

WAL=WG-WQ

(1)

式中：WAL為河道生態(tài)基流保障的農業(yè)缺水量，108m3；WG為河道生態(tài)基流保障值，108m3；WQ為河道實測來水量，108m3。

2.2 河道生態(tài)基流保障的糧食產量損失量

作物需水系數最初是為了計算作物需水量、水分虧損和不同供水條件下的作物產量，本研究將作物需水系數引進分析計算由于缺水量而導致的糧食產量損失量，作物需水系數定義為作物全生育期的蒸發(fā)蒸騰水量與收獲的干物質量或產量之比。糧食產量損失量用農業(yè)缺水量和作物需水系數的比值表示,計算如公式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

式中：YL為糧食產量損失量，108kg；KC為糧食作物需水系數，m3/kg；ET為某時段內的作物需水量，m3；M為作物全生育期收獲的干物質量或產量，108kg。

2.3 河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量

2.3.1 河道生態(tài)基流保障的單位面積糧食產量損失量 用河道生態(tài)基流保障的糧食產量損失量和研究區(qū)域農田面積的比值表示單位面積糧食產量損失量，計算公式如(4)所示。

Responses of stratospheric temperature and Brewer-Dobson circulation to 11-year solar cycle in boreal winter

(4)

式中：Ta為河道生態(tài)基流保障的單位面積糧食產量損失量，kg/hm2；A為研究區(qū)域糧食作物種植面積，hm2。

2.3.2 河道生態(tài)基流保障的單位面積服務價值損失量 謝高地等[16]根據中國的實際情況,參考Costanza等[17]的研究成果,在概括綜合的基礎上,制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)基準服務價值表。單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)食物生產服務功能的經濟價值，計算公式為(5)所示。

(5)

式中：VCL為農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數總和，108元/hm2。Ccrop為農田生態(tài)系統(tǒng)單位面積食物生產服務功能的經濟價值，元/hm2；Tb為渭河寶雞市平均糧食單價，元/kg；c為農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的當量因子和。

2.3.3 河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量 糧食產量的變化同時也會引起農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數的變化，進而引起農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變動。河道生態(tài)基流保障造成農田灌溉用水量減小，進而導致農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失，計算公式如(6)所示。

VL=A·VCL

(6)

式中：VL為河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量，108元。

3 研究區(qū)域

渭河流域關中段位于陜西省中部，東經 106°30′～110°30′，北緯 33°30′～35°40′。其中渭河干流寶雞段(林家村-常興橋)全長224 km，處于渭河中下游，該段用水量大，特別是農業(yè)灌溉用水量，供需矛盾突出。同時渭河天然來水量減少，造成河道非汛期流量銳減甚至斷流，無法保障河道生態(tài)基流量，導致河道生態(tài)系統(tǒng)惡化、斷流、萎縮。

寶雞峽灌區(qū)位于關中西部，地理位置緯度為34.350°N,經度為107.90°E，總控制面積2 355 km2，在林家村和魏家堡建有2座引水樞紐，形成塬上、塬下兩大灌溉系統(tǒng)。寶雞峽塬上灌區(qū)從寶雞市林家村引渭河水，設計引水流量50 m3/s，灌溉面積12.8×104hm2。寶雞峽渠首引水主要灌溉寶雞峽塬上灌區(qū)，寶雞峽塬上灌區(qū)行政區(qū)主要包括寶雞市的金臺、寶雞、岐山，咸陽市的楊凌、武功、乾縣、涇陽、秦都、渭城及西安市的高陵等縣區(qū)。

數據主要來源于《中華人民共和國水文年鑒》第4卷的黃河流域水文資料、《陜西省統(tǒng)計年鑒》以及《陜西省水利統(tǒng)計年鑒》。

4 計算結果

4.1 基于河道生態(tài)基流保障的農業(yè)缺水量

據調查，近幾年來寶雞峽塬上灌區(qū)采用地表水和地下水聯合灌溉方式，但目前為止多為非充分灌溉模式，因為兩種主要水源無法滿足寶雞峽塬上灌區(qū)的用水量，那么減少地表水水資源量勢必會降低灌區(qū)作物產量。10月下旬至次年6月上旬，寶雞峽塬上灌區(qū)的優(yōu)勢物種為冬小麥，而6月下旬至次年10月上旬灌區(qū)的優(yōu)勢物種為夏玉米，因此，選擇了冬小麥和夏玉米作為典型作物。

結合林家村(三)站2000-2015年徑流資料和河道生態(tài)基流保障值4 m3/s[18-19]，采用公式(1)以年份為時段計算了農業(yè)缺水量，如圖1所示。

圖1 保障河道生態(tài)基流的農業(yè)缺水量

4.2 基于河道生態(tài)基流保障的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量

4.2.1 作物需水系數 采用陜西省寶雞峽塬上灌區(qū)冬小麥和夏玉米所對應時段的水面蒸發(fā)量，以及冬小麥和夏玉米所對應時段的需水量，通過式(2)得到不同典型年冬小麥和夏玉米的作物需水系數，如表1所示。

結合河道生態(tài)基流保障的農業(yè)缺水量和冬小麥和夏玉米作物需水系數，采用式(3)計算了河道生態(tài)基流不同保障水平的糧食產量損失量，如表1所示。

表1 冬小麥和夏玉米的糧食產量損失量

4.2.2 單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量 結合謝高地等[16]的生態(tài)系統(tǒng)服務功能劃分類型，選定食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、水文調節(jié)、廢物處理、土壤保持、維持生物多樣性以及提供美學景觀等九種農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

《陜西省統(tǒng)計年鑒》給出了寶雞市冬小麥和夏玉米價格，其值分別為2.52和1.68 元/kg，并結合謝高地等[16]給出農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的當量因子以及單位面積糧食產量損失量，采用公式(5)和(6)可以得到河道生態(tài)基流保障水平為4 m3/s的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量，如圖2所示。

圖2 保障河道生態(tài)基流的農田生態(tài)系統(tǒng)

從圖2可以看出，基于河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量呈不規(guī)則變化，且非市場價值損失量相對市場價值損失量較大；2006年的非市場和市場價值損失量均為損失量最小，2003年損失量均為最大。

5 結果討論

5.1 農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量變化規(guī)律分析

分析河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量變化規(guī)律，可以為河道生態(tài)基流合理保障的決策者提供定量化依據，將2000-2015的徑流量和農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量繪制成圖3。

圖3 徑流量和農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量變化過程

從圖3可以看出，來水量影響著農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量的變化，但是兩者并無明顯的相關關系，兩個年份來水量相同情況下也會出現價值損失量差異較大的情況，如2003和2013年；或是價值損失量差異不大但兩年來水量差異較大，如2002和2005年，其主要原因是年內不同月份水資源分配差異較大，使得各月河道生態(tài)基流保障的缺水量不同，進而造成河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量差異較大。

5.2 市場價格變化對價值損失量的影響

前文中給出冬小麥和夏玉米價格分別為2.52和1.68 元/kg，是為了分析在2015糧食價格變化情況下的河道生態(tài)基流保障引起的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量，但是糧食價格的年際和年內變化是不同的，糧食市場價格變化會引起農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量的變化，如圖4所示。圖4中分別采用了歷年冬小麥和夏玉米不同市場價格、2000年冬小麥和夏玉米市場價格、2008年冬小麥和夏玉米市場價格以及2015年冬小麥和夏玉米市場價格(圖例中前面為冬小麥價格，后者為夏玉米價格)。

圖4 不同糧食價格變化的價值損失量變化過程

由圖4可以看出，農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量隨著糧食市場價格變化也在變化，同時，糧食市場價格越大，農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量也越大，兩者呈正相關變化。

5.3 農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量處理探索

本文所研究的河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量包括兩部分，即非市場價值損失量和市場價值損失量，如圖5所示。市場價值損失量會給農業(yè)水資源擁有者帶來直接的經濟損失量，非市場價值損失量是對人類有益的其他服務的價值損失量，這種價值損失量會引起河道生態(tài)基流系統(tǒng)服務價值的提高，也會增強河道的其他服務功能。

針對農田用水農戶的確會產生一定的經濟損失量，如果對這部分損失量處理不得當，河道生態(tài)基流保障就會受阻。因此，要采用農業(yè)生態(tài)補償的形式對農戶的經濟損失量進行補償，并要以市場價值為底線補償寶雞峽塬上灌區(qū)因保障河道生態(tài)基流而產生損失的農戶。資金來源于河道管理相關部門以及河道生態(tài)基流保障后產生的經濟效益，比如水產品生產或是排污權賣出等形式產生的經濟效益，作為河道生態(tài)基流保障的農業(yè)經濟損失補償量。且農業(yè)生態(tài)補償量的形式不僅可以以現金形式補償，也可以改造水利工程等其他模式對寶雞峽塬上灌區(qū)進行補償。

圖5 農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值非市場損失量和市場損失量

5.4 單方水損失量研究結果對比

河道生態(tài)基流保障的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量不僅可以為河道生態(tài)基流合理保障水平提供定量化依據，而且可以分析水資源對農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的影響程度。

河道生態(tài)基流保障勢必會導致灌區(qū)糧食產量損失，且糧食產量損失進而會導致單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失。該法將河道生態(tài)基流和農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化聯系起來，也是將河道生態(tài)基流價值轉移到了農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值。因此，單方水農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值的實質是單方水河道生態(tài)基流價值。通過計算得到單方水農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量(河道生態(tài)基流價值)均值為2.56 元/m3。

黃文菁[3]采用模糊數學法計算了渭河干流關中段不同斷面的單方河道生態(tài)基流價值，其值如表2所示。

表2 渭河關中段4個斷面的單方生態(tài)基流價值[3]

單方水農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量計算結果和黃文菁[3]的單方生態(tài)基流價值比較接近，較為合理。

6 結 論

農業(yè)用水量對河道生態(tài)基流保障的同時，勢必會導致灌區(qū)糧食作物產量損失，進而會引起灌區(qū)單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失?；诖?，本研究提出了河道生態(tài)基流不同保障水平的農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量計算方法，并分析了糧食市場價格變化、典型作物選取、來水量對該服務價值損失量的影響。同時，也探討了由農業(yè)用水量保障河道生態(tài)基流會對社會造成的影響。結果表明：

(1)通過對單方水價值損失量合理性分析，該法計算河道生態(tài)基流保障的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量切實可行；

(2)河道來水量是計算農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量的基礎，但兩者之間并無明顯的相關關系，且來水量年內分配的差異同樣影響農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量。

(3)通過水權交易和生態(tài)補償等兩種方法對有利于河道生態(tài)基流保障的經濟損失量進行處理，促進農田生態(tài)系統(tǒng)與河道生態(tài)基流保障的協(xié)調發(fā)展。

(4)糧食市場價格越大，農田生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量也越大，兩者呈正相關變化。

展望：采用冬小麥和夏玉米作物需水系數確定河道生態(tài)基流保障的糧食損失量，并未考慮諸如其他自然災害等糧食產量影響因素。因此，糧食產量損失量結果有所偏差，進而導致農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失量有所偏差，后面研究中盡量將自然災害、氣候變化等因素考慮進去。