成 波， 李懷恩, 黃 康， 范遠航

(西安理工大學(xué) 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(nóng)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(jù) calzadilla等[1]統(tǒng)計，70%左右的河道水資源總量用于農(nóng)業(yè)灌溉；農(nóng)業(yè)灌溉用水是中國北方最大的用水需求，2008年農(nóng)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(dǎo)致河道來水量逐漸減少，人口數(shù)量劇增以及保障糧食安全的農(nóng)業(yè)發(fā)展致使農(nóng)業(yè)用水量逐漸增多，生態(tài)用水和農(nóng)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(nóng)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(chǔ)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(yīng)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(nóng)戶沒有產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，所以農(nóng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(xué)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(jù)渭河干流寶雞段的實際情況,在農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水、區(qū)域調(diào)水、有效管理和政策的基礎(chǔ)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(guān)中段水質(zhì)水量響應(yīng)關(guān)系的計算程序，為渭河干流關(guān)中段枯水期河道生態(tài)基流保障及水質(zhì)改善提供技術(shù)支持。但是，尚未有學(xué)者對河道生態(tài)基流保障的經(jīng)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(jù)。國外學(xué)者對農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水的相互轉(zhuǎn)化的經(jīng)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(chǎn)生的農(nóng)業(yè)機會成本。Jones等[14]考慮多因素的共同影響，構(gòu)建隨機動力過程模型，分析了灌溉農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)移到生態(tài)用水而產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)經(jīng)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(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水的權(quán)衡分析框架，采用殘差法來研究農(nóng)業(yè)用水短缺的經(jīng)濟損失量。目前，關(guān)于河道生態(tài)基流保障產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)經(jīng)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(nóng)業(yè)經(jīng)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)。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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)，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(nóng)業(yè)缺水量

WAL=WG-WQ

(1)

式中：WAL為河道生態(tài)基流保障的農(nóng)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(chǎn)量損失量

作物需水系數(shù)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(chǎn)量，本研究將作物需水系數(shù)引進分析計算由于缺水量而導(dǎo)致的糧食產(chǎn)量損失量，作物需水系數(shù)定義為作物全生育期的蒸發(fā)蒸騰水量與收獲的干物質(zhì)量或產(chǎn)量之比。糧食產(chǎn)量損失量用農(nóng)業(yè)缺水量和作物需水系數(shù)的比值表示,計算如公式(2)和(3)所示。

(2)

(3)

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

2.3 河道生態(tài)基流保障的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(chǎn)量損失量 用河道生態(tài)基流保障的糧食產(chǎn)量損失量和研究區(qū)域農(nóng)田面積的比值表示單位面積糧食產(chǎn)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(chǎn)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(wù)價值損失量 謝高地等[16]根據(jù)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(chǔ)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(wù)價值表。單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值，計算公式為(5)所示。

(5)

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

2.3.3 河道生態(tài)基流保障的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量 糧食產(chǎn)量的變化同時也會引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的變化，進而引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變動。河道生態(tài)基流保障造成農(nóng)田灌溉用水量減小，進而導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量，108元。

3 研究區(qū)域

渭河流域關(guān)中段位于陜西省中部，東經(jīng) 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(nóng)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(dǎo)致河道生態(tài)系統(tǒng)惡化、斷流、萎縮。

寶雞峽灌區(qū)位于關(guān)中西部，地理位置緯度為34.350°N,經(jīng)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(shè)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(shù)據(jù)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(jié)果

4.1 基于河道生態(tài)基流保障的農(nóng)業(yè)缺水量

據(jù)調(diào)查，近幾年來寶雞峽塬上灌區(qū)采用地表水和地下水聯(lián)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(chǎn)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(jié)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(nóng)業(yè)缺水量，如圖1所示。

圖1 保障河道生態(tài)基流的農(nóng)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(wù)價值損失量

4.2.1 作物需水系數(shù) 采用陜西省寶雞峽塬上灌區(qū)冬小麥和夏玉米所對應(yīng)時段的水面蒸發(fā)量，以及冬小麥和夏玉米所對應(yīng)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(shù)，如表1所示。

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

表1 冬小麥和夏玉米的糧食產(chǎn)量損失量

4.2.2 單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量 結(jié)合謝高地等[16]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分類型，選定食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、土壤保持、維持生物多樣性以及提供美學(xué)景觀等九種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jié)合謝高地等[16]給出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的當量因子以及單位面積糧食產(chǎn)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量，如圖2所示。

圖2 保障河道生態(tài)基流的農(nóng)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jié)果討論

5.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)，將2000-2015的徑流量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量繪制成圖3。

圖3 徑流量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量變化過程

從圖3可以看出，來水量影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量的變化，但是兩者并無明顯的相關(guān)關(guān)系，兩個年份來水量相同情況下也會出現(xiàn)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(nèi)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量，但是糧食價格的年際和年內(nèi)變化是不同的，糧食市場價格變化會引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量也越大，兩者呈正相關(guān)變化。

5.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)業(yè)水資源擁有者帶來直接的經(jīng)濟損失量，非市場價值損失量是對人類有益的其他服務(wù)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(wù)價值的提高，也會增強河道的其他服務(wù)功能。

針對農(nóng)田用水農(nóng)戶的確會產(chǎn)生一定的經(jīng)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(nóng)業(yè)生態(tài)補償?shù)男问綄r(nóng)戶的經(jīng)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(chǎn)生損失的農(nóng)戶。資金來源于河道管理相關(guān)部門以及河道生態(tài)基流保障后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，比如水產(chǎn)品生產(chǎn)或是排污權(quán)賣出等形式產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，作為河道生態(tài)基流保障的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失補償量。且農(nóng)業(yè)生態(tài)補償量的形式不僅可以以現(xiàn)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jié)果對比

河道生態(tài)基流保障的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)，而且可以分析水資源對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量的影響程度。

河道生態(tài)基流保障勢必會導(dǎo)致灌區(qū)糧食產(chǎn)量損失，且糧食產(chǎn)量損失進而會導(dǎo)致單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失。該法將河道生態(tài)基流和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化聯(lián)系起來，也是將河道生態(tài)基流價值轉(zhuǎn)移到了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。因此，單方水農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的實質(zhì)是單方水河道生態(tài)基流價值。通過計算得到單方水農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(shù)學(xué)法計算了渭河干流關(guān)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(guān)中段4個斷面的單方生態(tài)基流價值[3]

單方水農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量計算結(jié)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(jié) 論

農(nóng)業(yè)用水量對河道生態(tài)基流保障的同時，勢必會導(dǎo)致灌區(qū)糧食作物產(chǎn)量損失，進而會引起灌區(qū)單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失。基于此，本研究提出了河道生態(tài)基流不同保障水平的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)價值損失量的影響。同時，也探討了由農(nóng)業(yè)用水量保障河道生態(tài)基流會對社會造成的影響。結(jié)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(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量切實可行；

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

(3)通過水權(quán)交易和生態(tài)補償?shù)葍煞N方法對有利于河道生態(tài)基流保障的經(jīng)濟損失量進行處理，促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與河道生態(tài)基流保障的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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

展望：采用冬小麥和夏玉米作物需水系數(shù)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(zāi)害等糧食產(chǎn)量影響因素。因此，糧食產(chǎn)量損失量結(jié)果有所偏差，進而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量有所偏差，后面研究中盡量將自然災(zāi)害、氣候變化等因素考慮進去。