成六三，時偉宇

(1.重慶工程職業(yè)技術學院 地質與測繪工程學院，重慶 江津 400037;

2.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710075)

1 研究背景

在過去的幾十年里，我國經濟實體得到了快速發(fā)展，已成為影響世界經濟的重要要素。但同時也帶來了相當多的生態(tài)環(huán)境問題，其中礦區(qū)的環(huán)境問題則顯得特別突出，比如山西、陜西、內蒙古等煤炭生產大省，出現了大規(guī)模地面塌陷，造成了“有井無水，有田無種”等惡劣的生態(tài)環(huán)境［1－2］，已經給區(qū)域生態(tài)、經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

生態(tài)文明建設是當前及將來社會、經濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主線。煤炭工業(yè)在促進國民經濟發(fā)展的同時所帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題，已經產生了巨大的經濟損失，據有關統(tǒng)計年損失約為2.8×1010元人民幣［3］。如果從根本上對煤炭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題進行有效治理將使礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展變得更加艱難，畢竟生態(tài)環(huán)境問題已不是單純的自然科學的問題，而是更多地涉及到社會經濟諸多因素，更是關系到區(qū)域生態(tài)、社會和經濟協(xié)調發(fā)展的一個關鍵問題。這些問題要想行之有效，必須建立有效的生態(tài)補償機制［4－6］。

生態(tài)補償機制一直是生態(tài)學、經濟學和社會學等關注的焦點問題之一。其中生態(tài)補償標準的界定是難點［7］，雖然生態(tài)環(huán)境損失成本計算方法得到了不斷發(fā)展和完善，特別是生態(tài)經濟計量和生態(tài)系統(tǒng)服務功能計量方面，但基本上是針對林草地生態(tài)系統(tǒng)損失評估，其估算補償數額非常巨大，在實際操作性方面受到較大的限制［8］。在煤炭塌陷區(qū)水改旱補償的研究中，幾乎全部的補償方式采取土地生產效益補償，這種補償方式僅僅考慮了土地收益，忽視了水田生態(tài)系統(tǒng)的功能和作用，極其不利于礦區(qū)水田生態(tài)系統(tǒng)的保護。

本論文擬在運用“虛擬水貿易”理論來評估水改旱損失價值，把當前由生產補償轉變到生態(tài)補償方式，喚起礦區(qū)群眾對生態(tài)環(huán)境重視，將會更加有利于礦區(qū)環(huán)境保護的宣傳，這對于礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

松藻煤礦區(qū)(屬于南桐煤田)地處渝黔兩地交界處(E106°45'～106°51'，N28°38'～28°46')，東南面以煤層露頭為界;北西面以六號煤層±0 m等高線(打通埡、大坪子、石壕、張獅壩、梨園壩井田)或12煤層－200 m(同華井田)、－500 m(松藻井田)等高線為界。除羊叉灘井田外，深部均為無限型井田。本區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，屬海陸過渡帶沉積，厚66～80 m，平均73 m。從1965年開始建設，礦區(qū)走向長26 km，傾斜寬1.1～11 km，面積約117.0 km2。經過50余年建設、技術改造和擴建，礦井設計生產規(guī)模為4 500 kt/a，2004年礦區(qū)實際生產原煤3 780 kt，成為重慶市主要的能源生產基地［9］。

礦區(qū)地貌主要有山地和丘陵，廣泛分布可溶性石灰?guī)r，屬于典型的喀斯特地貌區(qū)，發(fā)育著形態(tài)各異和大小不一的溶洞、落水洞、巖溶漏斗等。水文地質條較復雜。礦區(qū)屬于亞熱帶濕潤氣候，年均降雨量為1 240.9 mm，年均氣溫15℃，水田主要種植水稻。主要分布紫色土性水稻土，也有一部分紫色土、黃壤、石灰?guī)r土、潮土等零星分布。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻收集材料

采用探地雷達與高密度電法探測水田中裂縫可能存在區(qū)域如圖1和圖2所示［7］。

圖1 水田裂縫開始形成位置Fig.1 Position of fissures in the paddy field

圖2 水田裂縫的彌合位置Fig.2 Position of fissures closing in paddy field

2.2.2 實地調查考察資料

(1)2011年對松藻礦區(qū)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)12個村進行了野外調查，從20世紀70年代采煤開始到現在，在塌陷區(qū)幾乎近上千灌溉水田的溶洞泉水、井和泉相繼出現嚴重萎縮和干涸。同時存在大量池塘也因裂縫的原因無法蓄水，從而導致采空塌陷區(qū)近3 800 hm2(1999—2008年SPOT遙感影像解譯)的水田演變?yōu)楹档?，即由種植水稻變?yōu)榉N植玉米、紅薯或者撂荒。目前研究區(qū)給每公頃水改旱提供4 500元的損失補償，但在與農戶交流中，農戶認為其補償標準遠不及以前水田的生產效益。另外，農戶以前都吃自己的種植的水稻，現在要去市場購買水稻，一方面成本增加，另一方面在水稻的品質和飲食習慣受到影響。農戶怨言較多，不利于礦區(qū)社會的安全與和諧建設。

(2)重慶地質礦產研究院松藻礦區(qū)塌陷區(qū)水田野外監(jiān)測試驗站提供的數據有:2011年(降水量800 mm)漏水水田與未漏水水田的灌溉水量與產量見表1;2011年對漏水水田(160樣本)與未漏水水田(60樣本)土壤層物理特性見表2。

表1 2011年松藻礦區(qū)塌陷區(qū)水田灌溉量和產量Table 1 Amount of irrigation water and output of paddy field in Songzao mining area in 2011

表2 2011年采煤塌陷區(qū)水田土壤物理特性Table 2 Physical properties of soil in paddy field in coal mining collapse area in 2011

2.2.3 虛擬水計算

對于任一種農作物產品的虛擬水含量計算公式如下［10］:

式中:CWR［e，c］為某區(qū)域 e作物 c產品需水量(m3/hm2)，是作物在整個生長過程中蒸散量ET的累積;CY［e，c］為作物產量(t/hm2);SWD［e，c］為該區(qū)域e作物產品c虛擬水含量(m3/t)。

依重慶地區(qū)水稻農作物和玉米的單位產品虛擬水含量［11］，計算出研究區(qū)每hm2水稻和玉米的虛擬水總含量(表3)。

表3 農產品虛擬水含量Table 3 Contents of virtual water of agricultural productions

2.2.4 生態(tài)經濟法(機會成本法)

式中，E為采煤塌陷水田改旱的生態(tài)補償的標準(元);M為水稻單產量(t/hm2);W為區(qū)域現行水價價格(元/m3)。

選一般市場2元/t水價(采煤塌陷區(qū)水價要高于一般市場水價)，可以直接計算出基于虛擬水理論的生態(tài)補償標準。另外，對水稻和玉米的投資生產成本差價(生產收益)和礦區(qū)現實施補償標準，就是在每hm2水改旱提供4 500元的損失補償基礎上，再實施生產收益33 750元/hm2和虛擬水14 130元/hm2的補償標準。

3 結果分析

3.1 水田與水改旱生態(tài)系統(tǒng)土壤水循環(huán)

在采煤塌陷前后，水稻生長期間的水田生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)主要包括水田土壤表層以上的蓄水量水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、土/石坎側滲、土壤下滲、降雨/灌溉水量以及農作物蒸騰量［12］(如圖3所示)，其水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)組成都是相同的。但各個環(huán)節(jié)的水循環(huán)過程中，土壤含水系統(tǒng)介質和水流系統(tǒng)要素不同程度地發(fā)生了某些變化。

圖3 水田與水改旱生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)對比Fig.3 Comparison of water cycle between paddy field and dry land transferred from paddy field

首先，在采煤塌陷后水改旱后土壤表層以下，特別是犁底層及其以下出現了不同寬度的裂縫隙(圖1)，但在土壤耕作表層裂縫隙會有不同程度彌合(圖2)，其原因在耕作層表層土壤黏粒(﹤0.05 mm)比分在90%以上(表1)。通過耕作方式或者根系擠壓作用使黏?？梢猿涮畹揭恍ち＜壍牧严懂斨?在耕作層表層未完全彌合裂縫隙存在，漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分別小 0.25～0.35 g/cm3，而平均孔隙度大 8.6%～11.1%。

其次，一般情況下，水田犁底層較為堅硬密實，土壤具有一定的片狀結構，在一定程度上起著隔水層的作用，保護水稻耕作層土壤水庫。但采煤塌陷后在犁底層和淀積層或其以下層，甚至到基巖也出現不同程度裂縫隙(圖1)，是由于漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分別小0.35～0.6 g/cm3，而平均孔隙度大11.1%～17.9%(表1)。從表2可以看出，水田漏水在犁底層均入滲率變化起伏較大，即8.73×10－4～139.78 ×10－4cm/s之間，這表明裂縫貫穿犁底層以下可能性較大;而未漏水水田入滲率維持在5.3×10－4cm/s，比較平穩(wěn)。犁底層及其以下土層裂縫隙的存在，將直接導致耕作層根系“小水庫”的土壤重力水流的捷徑式快速滲漏。據實地考察，在幾塊大約36 m2水田，灌溉水田土壤表層10 cm蓄水，大約3～7min水就完全滲漏掉。水稻根系就會很難吸收到土壤水分，這樣造成水稻因“缺水”嚴重減產，甚至枯死，最終演變退化為旱田。據實地考察研究自1999年以來，已有3 800 hm2水田改旱。

再次，從水田灌溉水的來源環(huán)節(jié)看，由于采煤塌陷造成不同巖層發(fā)生裂隙，致使原有地下水運移通道和儲存介質發(fā)生變化，最終導致依靠泉和溶洞水來水通道破壞，出現泉水、井水和溶洞水逐漸干枯。在調查中得知，自20世紀70年代來，塌陷區(qū)近上千大小泉井和溶洞都干枯了，同時飲水都面臨困難，蓄水的池塘開裂也無法蓄水干涸。

最后，從水田漏水種植水稻的灌溉水量看，未漏水的水田灌溉水量要比漏水的水田少灌溉2 397 m3/hm2。由表2分析，如果水田土壤犁底層出現最大的穩(wěn)定入滲系數139.78×10－4cm/s，那么灌溉水量會更多。另據有關研究［9］表明，在研究區(qū)有70%以上犁底層穩(wěn)定入滲系數在100×10－4cm/s以上，對采煤塌陷區(qū)水田灌溉就要有相當大水量的來源，否則只有改旱。

總之，采煤塌陷區(qū)水改旱不僅僅表現在產量和秸稈干重分別減少85.5 kg/hm2和220.5 kg/hm2上，而且還體現在不同層次的土壤物理性質、水循環(huán)要素的變化上，所以采煤塌陷后把一個健康水田生態(tài)系統(tǒng)退化到一個旱地生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 水改旱生態(tài)補償標準的確定

目前，經查閱相關文獻資料，因采煤塌陷水改旱補償標準確定幾乎都是采用水田與旱田產量之間的差異確定的。這種補償方式不能完全體現出水田含水系統(tǒng)和水流系統(tǒng)受損退化。這種退化最主要由于水田土壤隔水層功能的損毀不能蓄水?，F將這部分水要素和水稻生產效益結合起來考慮，引入虛擬水理論，從農作物的生產角度定義虛擬水的量就是農產品的生產用水量。而水資源管理的目的都是為了解決水資源短缺問題，實現“自然資源的恢復重建”，即自然資源的提取率低于自然資源的可持續(xù)性狀態(tài)［13］。

表3可以看出生產每公斤水稻比玉米虛擬含水量多0.24 m3，每hm2總多出471 t水量，相當于一畝地蓄高691 mm水量;每hm2水稻收益比玉米多33 750元，幾乎是玉米的3.6倍收益。這與現行水改旱補償標準4 500元/hm2而言，僅僅是水稻與玉米生產效益差的1/7。對此礦區(qū)農戶怨言較多，非常顯而易見。由表4得每hm2水稻比玉米的虛擬水價值多20 610元，是生產效益差的3/5，現行補償標準的4.5倍(表4)。這3種補償標準相差較大，對于補償主體而言，補償標準越少越好，對于補償客體而言，補償標準越多越好。而虛擬水生態(tài)補償標準不僅能夠體現水田生態(tài)環(huán)境受損價值，而且能夠協(xié)調平衡補償主客體之間的利益。

4 結論與討論

采煤塌陷區(qū)水改旱是水田生態(tài)系統(tǒng)退化主要的表現形式，具體表現在水田土壤犁底層蓄水損壞及其水流以捷徑式快速下滲流失，造成水田犁底層“保水”功能基本喪失，迫使漏水水田改為旱地生產模式。

運用“虛擬水”概念來確定采煤塌陷區(qū)水改旱生態(tài)補償標準(虛擬水)的方法，是對礦區(qū)生態(tài)補償標準確定的一種有意義的探索，這對于區(qū)域生態(tài)補償政策制定有重要的現實參考價值。

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