李茂森,王繼軍,2,成思敏,李 玥,喬 梅

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

1999年，縣南溝作為退耕還林的試點(diǎn)流域，認(rèn)真落實(shí)黨中央的“退耕還林(草)”政策,截至2015年，該流域共退耕還生態(tài)林634.14 hm2,荒山造林587.07 hm2，流域內(nèi)的碳匯儲(chǔ)量得到了顯著增加[1]。但資源并沒(méi)有得到充分合理利用，資源與產(chǎn)業(yè)不相協(xié)調(diào)現(xiàn)象依然存在[2-3]，資源短缺與資源浪費(fèi)并存，其本質(zhì)集結(jié)在以農(nóng)用地為核心的第一產(chǎn)業(yè)與以農(nóng)用地為承載的資源間的矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所以，本研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題主要集中于農(nóng)用地的優(yōu)化配置及相關(guān)方面。

科學(xué)的農(nóng)用地優(yōu)化配置其目的則應(yīng)是以生態(tài)適宜性為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。隨著清潔發(fā)展機(jī)制(簡(jiǎn)稱CDM)的實(shí)施與不斷完善，碳匯這種農(nóng)業(yè)中只具有生態(tài)服務(wù)功能的資源，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值成為可能，即碳匯產(chǎn)業(yè)成為可能[4]。而將碳匯產(chǎn)業(yè)這種能使生態(tài)服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)顯化的產(chǎn)業(yè)融入到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)優(yōu)化中，對(duì)于現(xiàn)階段以農(nóng)用地為核心的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與資源保護(hù)矛盾、農(nóng)業(yè)資源利用率低、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)內(nèi)鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)不完善、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)處于相悖態(tài)勢(shì)[5-6]的狀況會(huì)起到很好的改善作用。

而隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視和城鎮(zhèn)化率的不斷提高[7-8]，為了維持和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，流域農(nóng)業(yè)必定朝著低碳、環(huán)保以及高效、高產(chǎn)的生產(chǎn)模式發(fā)展。為了促使這種改善和適應(yīng)未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式，我們將碳匯產(chǎn)業(yè)融入到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)優(yōu)化中，根據(jù)對(duì)流域未來(lái)可能發(fā)展路徑的預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)各發(fā)展模式下的不同情景。在保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，發(fā)揮流域資源的最大使用價(jià)值，對(duì)流域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

縣南溝流域位于延安市北部，安塞縣沿河灣鎮(zhèn)內(nèi)(東經(jīng)109°12′12″—109°22′12″，北緯36°41′24″—36°46′12″)。流域內(nèi)梁峁起伏、溝谷縱橫，最高地海拔為1 404 m,最低點(diǎn)海拔為1 012 m，平均海拔為1 219 m。該區(qū)域年降水量為500～550 mm，降雨年分配不均，主要集中在7—9月，年平均氣溫8.8℃，屬暖溫帶大陸性干旱半干旱氣候。流域內(nèi)共有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)。到2015年，共有農(nóng)戶544戶，人口2 534人。流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)分為糧食、經(jīng)濟(jì)作物、果園和畜牧養(yǎng)殖業(yè)，其中糧食作物主要以玉米為主，其次為薯類，以及部分小米及雜糧類作物；經(jīng)濟(jì)作物主要為設(shè)施大棚、弓棚種植的蔬菜、瓜類等；果園主要以蘋(píng)果為主，以及少量山杏、棗樹(shù)、核桃等經(jīng)濟(jì)樹(shù)種；畜牧養(yǎng)殖業(yè)主要為舍施養(yǎng)羊，以及個(gè)別養(yǎng)豬場(chǎng)、養(yǎng)雞場(chǎng)等。流域林地絕大部分為刺槐林，多數(shù)從1999年退耕還林開(kāi)始栽種，樹(shù)齡基本在10 a以上。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 農(nóng)用地的適宜性結(jié)構(gòu)

縣南溝流域總面積為4 426.04 hm2，現(xiàn)階段土地利用類型中規(guī)模最大的為荒草地，面積2 243.60 hm2；其次為林地，面積1 589.30 hm2；流域耕地面積377.37 hm2；果園面積148.86 hm2；水域、居民區(qū)等非生產(chǎn)用地面積66.91 hm2。從縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果得到各適宜性土地利用類型面積為：宜耕宜園地面積225.46 hm2；宜耕地面積405.68 hm2；宜林宜園地面積156.96 hm2；宜園地面積773.15 hm2；宜林宜草地面積881.43 hm2；宜林地面積409.91 hm2；宜草地面積1 490.00 hm2；不適宜和非生產(chǎn)用地面積83.43 hm2[9](表1)。

2.2 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)確定

2.2.1 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)的確定 利用本課題組縣南溝流域研究數(shù)據(jù)，以近5 a農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品單位面積純收入的年平均值作其經(jīng)濟(jì)系數(shù)(表2)。

表1 縣南溝流域農(nóng)用地適宜性

2.2.2 碳匯價(jià)值的確定 由于目前尚缺乏公認(rèn)的碳匯價(jià)值的計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳匯價(jià)值的計(jì)算一般采用碳稅法和造林成本法[10]，但由于碳稅法相較于造林成本法價(jià)值量過(guò)高，因此取碳稅率和造林成本的平均價(jià)值作為碳匯價(jià)格[11]。碳匯率采用國(guó)家林業(yè)局的推薦使用價(jià)格1 200元/t C[12]，造林成本采用國(guó)家林業(yè)部公布的數(shù)據(jù)240.3元/m3，換算后為260.9元/t C[11]。

2.2.3 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)碳匯系數(shù)計(jì)算與碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)確定 根據(jù)農(nóng)作物碳吸收計(jì)算公式[13-14],得到糧食、經(jīng)濟(jì)作物碳匯系數(shù)分別為：糧食作物2.787 t/(hm2·a),經(jīng)濟(jì)作物為1.725 t/(hm2·a)。而蘋(píng)果則參照蘋(píng)果樹(shù)異速生長(zhǎng)方程[15]以其整個(gè)種植周期(以25 a計(jì))年平均凈碳匯量作為蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)碳匯系數(shù)2.319 t/(hm2·a),其中果實(shí)碳匯系數(shù)為1.207 t/(hm2·a)。

表2 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)

流域內(nèi)林地樹(shù)種主要以刺槐為主，對(duì)于刺槐生物量的測(cè)算采用國(guó)家林業(yè)局公布的刺槐異速生長(zhǎng)方程[16]，以退耕栽種時(shí)刺槐存活密度的均值(1 492株/hm2)作為林分密度，由于在樹(shù)齡37 a后生物量的連年生長(zhǎng)量低于平均生長(zhǎng)量[17]，所以以37 a作為刺槐生長(zhǎng)年限，得到林業(yè)碳匯系數(shù)為1.075 t/(hm2·a)。由于流域退耕還林栽種的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種基本無(wú)管理且種植密度與生態(tài)林相同，所以本文經(jīng)濟(jì)林凈碳匯效益與生態(tài)林相同。流域草地自從退耕還林以來(lái)一直處于封育狀態(tài)，根據(jù)程積民等[18]對(duì)黃土高原草地植被碳密度的研究,以0.288 t/(hm2·a)作為本文草地的碳匯系數(shù)。養(yǎng)殖業(yè)為碳排產(chǎn)業(yè)，流域養(yǎng)殖牲畜主要為山羊，年碳排量約為0.010 t/(只·a)[19]。根據(jù)每tC的碳匯價(jià)值和各產(chǎn)業(yè)的碳匯系數(shù)可得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)(表3)。

表3 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)

2.3 優(yōu)化模型的建立與求解

2.3.1 建模思路 為了解決現(xiàn)階段縣南溝流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)不相協(xié)調(diào)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題以及規(guī)劃流域未來(lái)最優(yōu)發(fā)展模式，根據(jù)流域生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，以農(nóng)用地土地利用類型適宜性范圍設(shè)置約束條件，以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入最大化為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于流域可能的不同發(fā)展情景，通過(guò)一定的方法和技術(shù)手段得到最優(yōu)解，最終得到優(yōu)化配置的方案。

2.3.2 決策變量 決策變量包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)資源的配置量，具體分為兩大類，一是分配給種植業(yè)、林業(yè)和牧草地的農(nóng)用地使用面積，二是養(yǎng)殖業(yè)各牲畜的養(yǎng)殖數(shù)量。

2.3.3 目標(biāo)函數(shù) 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)最優(yōu)化發(fā)展，必定是保持農(nóng)業(yè)生態(tài)適宜性穩(wěn)定下的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，所以目標(biāo)函數(shù)的確定應(yīng)是以農(nóng)業(yè)生態(tài)適宜性為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。目標(biāo)函數(shù)為：

式中：F為流域純收入(元)；i為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)類型；Ci為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)系數(shù)；Xi為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的農(nóng)用地面積或數(shù)量(hm2，只)；n為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的種類數(shù)量。

2.3.4 約束條件 以縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合流域的發(fā)展現(xiàn)狀，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與規(guī)模，以資源有效利用和可持續(xù)發(fā)展為前提，以實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，設(shè)置約束方程。

(1) 總農(nóng)用地面積約束。各產(chǎn)業(yè)農(nóng)用地面積之和應(yīng)不大于適宜性農(nóng)用地總面積。

式中：Xi為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的農(nóng)用地面積(hm2)；m為土地類農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的種類數(shù)量，m=6。流域適宜性農(nóng)用地總面積為4 342.59 hm2。

(2) 種植業(yè)面積約束。X1為糧食作物面積，X2為大棚、弓棚、大田西瓜等經(jīng)濟(jì)作物面積，由于大棚、弓棚等經(jīng)濟(jì)作物對(duì)農(nóng)用地要求苛刻只能在川地和壩地上種植，所以設(shè)置X2應(yīng)不超過(guò)現(xiàn)有川地、壩地適宜性耕地的總面積，即58.08 hm2；根據(jù)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的結(jié)果，糧食、經(jīng)濟(jì)作物總面積應(yīng)不超過(guò)適宜性耕地的總面積，即631.14 hm2；X3為蘋(píng)果園面積，為了保證蘋(píng)果園的高產(chǎn)應(yīng)將其種植在高度適宜宜園地內(nèi)，即X3應(yīng)不超過(guò)573.34 hm2；X4為經(jīng)濟(jì)林面積，由于高度適宜宜園地種植蘋(píng)果，所以經(jīng)濟(jì)林面積應(yīng)不小于其余僅宜園地面積，即329.51 hm2，果園和耕地總面積應(yīng)大于只適宜于耕地和果園的總面積，即960.03 hm2，且不大于適宜性面積的總和，即1 093.77 hm2，即：

X2≤58.08

X1+X2≤631.14

X3≤573.34

329.51≤X4

960.03≤X1+X2+X3≤1093.77

(3) 生態(tài)林、草地面積約束。由于生態(tài)林和草地在水土保持與環(huán)境保護(hù)方便具有重要作用，根據(jù)縣南溝農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的結(jié)果，縣南溝流域生態(tài)林地面積X5應(yīng)大于僅宜林地面積，且不高于適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中宜林地總面積。同樣草地面積X6，也應(yīng)保持在縣南溝農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)宜草地范圍內(nèi)，即：

409.91≤X5≤1448.30

1490.00≤X6≤2371.43

2781.34≤X5+X6

(4) 養(yǎng)殖業(yè)牲畜約束。由于縣南溝流域內(nèi)幾乎不種植人工草地，牲畜的飼料主要以刈割天然飼草為主。為了提高流域資源的利用率，加之流域內(nèi)養(yǎng)殖類型主要為養(yǎng)羊，本文設(shè)定牲畜飼料量全部由天然草地提供，根據(jù)孔正紅研究[20]縣南溝流域改良后天然草地年產(chǎn)鮮草可達(dá)4 500 kg/hm2，根據(jù)對(duì)專家的咨詢草地利用率以50%計(jì)，則流域天然草地載畜量為1.03只/hm2。為了保持生態(tài)穩(wěn)定性，坡度25°[21-22]以上適宜性草地不作為飼草使用，所以令養(yǎng)殖業(yè)養(yǎng)羊數(shù)量X7約束條件為：

X7≤1.03(X6-458.97)

2.3.5 可能的發(fā)展路徑 為了促進(jìn)流域高效、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，在國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)，以及城市化進(jìn)程的背景下，根據(jù)縣南溝流域發(fā)展現(xiàn)狀，以流域生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，可設(shè)置3個(gè)模式7種情景，分析碳匯產(chǎn)業(yè)融入前后流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)優(yōu)化后各生產(chǎn)要素配置狀況。

(1) 模式Ⅰ：現(xiàn)狀發(fā)展模式。情景A，即現(xiàn)狀態(tài)情景。在此發(fā)展情景下不考慮碳匯產(chǎn)業(yè)的融入，目標(biāo)函數(shù)經(jīng)濟(jì)系數(shù)C為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)值，即目標(biāo)函數(shù)為：

式中：C1i為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

(2) 模式Ⅱ：碳匯產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。由于農(nóng)業(yè)作物的部分碳匯最終被人類消耗或焚燒又釋放回大氣中，所以對(duì)農(nóng)業(yè)作物是否具有碳匯價(jià)值還有待商榷，所以在此模式設(shè)置兩個(gè)情景：含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品(糧食、蔬菜、水果)碳匯情景(B-1),不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景(B-2)，此時(shí)目標(biāo)函數(shù)中的經(jīng)濟(jì)系數(shù)C為碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)的和，即目標(biāo)函數(shù)為：

式中：C2i為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

情景B-1，該模式情景下碳匯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)融入到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)中，且農(nóng)業(yè)作物的全部碳匯都具有經(jīng)濟(jì)效益。

情景B-2，在該情景下，碳匯產(chǎn)業(yè)也已融入到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)中，但農(nóng)業(yè)作物中除了糧食作物根系與果樹(shù)的樹(shù)體外其他不具有碳匯價(jià)值。由于糧食作物主要以玉米為主，大棚、弓棚則以蔬菜為主，參考《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》(發(fā)改辦氣候[2011]1041號(hào))玉米根冠比為0.17，蔬菜為0.25。由于糧食和經(jīng)濟(jì)作物在種植過(guò)程中使用的化肥、農(nóng)藥產(chǎn)生大量的碳排放，根系碳匯根本無(wú)法彌補(bǔ)這部分碳排，所以在此情景下糧食和經(jīng)濟(jì)作物碳匯價(jià)值為負(fù)值，得到糧食作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為-61.19元/(hm2·a)，經(jīng)濟(jì)作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為-832.52元/(hm2·a)，此時(shí)蘋(píng)果園碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為果園總碳匯減去果實(shí)碳匯的值，其值為812.26/(hm2·a)。

(3) 模式Ⅲ：生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)優(yōu)化耦合發(fā)展模式。為了符合國(guó)家、社會(huì)以及流域發(fā)展的需要，在此模式下將根據(jù)流域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)設(shè)置兩種發(fā)展情景：一種是以農(nóng)林特產(chǎn)為主的農(nóng)戶普通種植情景(C-1)，另一種是在城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程下的企業(yè)(家庭農(nóng)場(chǎng))規(guī)?；N植情景(C-2)。此時(shí)目標(biāo)函數(shù)中的經(jīng)濟(jì)系數(shù)C同樣為碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)的和，即目標(biāo)函數(shù)為：

情景C-1，由于縣南溝流域位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，大規(guī)模機(jī)械化的農(nóng)業(yè)發(fā)展形勢(shì)很難實(shí)現(xiàn)，和平原區(qū)的農(nóng)業(yè)相比，縣南溝流域農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到了很大限制。但由于山區(qū)得天獨(dú)厚的氣候環(huán)境，為一些農(nóng)林特色產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了很好的生產(chǎn)條件，使其可以生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的農(nóng)林作物，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如山地蘋(píng)果、小米、蕎麥等。

對(duì)于該模式的農(nóng)業(yè)發(fā)展，糧食作物將不再以玉米、土豆為主，而是以小米、蕎麥等五谷雜糧為主，對(duì)于適合于發(fā)展蘋(píng)果的農(nóng)用地將大力發(fā)展蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)。同時(shí)雜糧使用生態(tài)綠色的種植方式，即肥料以綠肥、農(nóng)家肥為主，殺蟲(chóng)劑為低毒或無(wú)毒，從而生產(chǎn)出無(wú)公害、有機(jī)的特色農(nóng)產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)農(nóng)戶的走訪，農(nóng)林特產(chǎn)在銷售價(jià)格上是以高于同類普通農(nóng)產(chǎn)品2～3倍出售，而效益上將達(dá)到普通農(nóng)產(chǎn)品的1.5倍，所以此時(shí)糧食作物的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)可達(dá)到22 017.14元/(hm2·a)。

在C-1情景下也將設(shè)置含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯(C-1-1)和不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯(C-1-2)兩個(gè)亞情景。由于該情景下糧食作物種類及耕作方式的改變碳匯系數(shù)也隨之變化，所以此時(shí)C-1-1糧食作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為4 028.53元/(hm2·a)，C-1-2糧食作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為382.06元/(hm2·a)。

情景C-2，隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化率的不斷提高，農(nóng)村人口急劇減少已成為現(xiàn)階段農(nóng)村的主要社會(huì)現(xiàn)象，但隨著農(nóng)村人口的減少，為了維持和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，農(nóng)業(yè)向高效、高產(chǎn)發(fā)展將成為必然趨勢(shì)。采取個(gè)人、企業(yè)大規(guī)模承包的方式發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)即是現(xiàn)階段農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展的普遍走向，也是未來(lái)農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展的普遍方式。

在此情景下，由于全部采取雇傭勞力的方式，再加上個(gè)人、企業(yè)投資資金充足，流域內(nèi)川、壩地將全面種植大棚等高效設(shè)施農(nóng)業(yè)，其余耕地將繼續(xù)發(fā)展農(nóng)林特色產(chǎn)業(yè)，同時(shí)果園也將全面采用滴灌、粘蟲(chóng)板、防雹網(wǎng)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技措施的管理方式。在此模式下由于常住農(nóng)戶減少，所以經(jīng)濟(jì)林主要發(fā)揮其生態(tài)價(jià)值，牲畜蓄養(yǎng)則以養(yǎng)殖廠的形式存在，但不在流域內(nèi)而在地勢(shì)更加平坦交通更加方便的區(qū)域。同時(shí)設(shè)置含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯(C-2-1)和不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯(C-2-2)兩個(gè)亞情景，同樣由于經(jīng)濟(jì)作物種植方式的改變，此時(shí)C-2-1經(jīng)濟(jì)作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為5 762.76元/(hm2·a),C-2-2經(jīng)濟(jì)作物碳匯經(jīng)濟(jì)系數(shù)為-3 389.69元/(hm2·a)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 C-2-2農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)品經(jīng)濟(jì)系數(shù)

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源與模型運(yùn)算

各產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出情況、經(jīng)濟(jì)收入和面積數(shù)據(jù)來(lái)自課題組2010—2015年調(diào)研數(shù)據(jù)的累積；果樹(shù)以及刺槐碳匯價(jià)值的測(cè)算數(shù)據(jù)來(lái)自2014—2015年8—10月的野外測(cè)量、采樣及室內(nèi)試驗(yàn)；本模型運(yùn)算使用線性規(guī)劃軟件lingo 11.0計(jì)算完成。

3 結(jié)果與分析

縣南溝流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果(表5)可以看出，優(yōu)化后各個(gè)模式流域的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)顯著提高。從各模式來(lái)看，由于對(duì)現(xiàn)階段流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)要素進(jìn)行了合理配置，改變了系統(tǒng)相悖態(tài)勢(shì)，使模式Ⅰ流域經(jīng)濟(jì)效益得到了顯著提升；模式Ⅱ由于碳匯產(chǎn)業(yè)的加入使碳匯具有了經(jīng)濟(jì)效益，不僅總的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提升，碳匯效益也得到了很大提高，同時(shí)系統(tǒng)生產(chǎn)要素配置也得到了進(jìn)一步優(yōu)化；而模式Ⅲ在模式Ⅱ發(fā)展的基礎(chǔ)上改善了流域種植方式，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，經(jīng)濟(jì)效益最有顯著(圖1)；在碳匯產(chǎn)業(yè)融入系統(tǒng)以后，在是否含有農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景上，由于在含有農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景中，對(duì)糧食、經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行了優(yōu)化，生產(chǎn)效率提高，流域碳匯效益呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但在不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景中，由于生態(tài)林、草地等凈碳匯產(chǎn)業(yè)的存在，流域碳匯效益則趨于穩(wěn)定(圖2)。

模式Ⅰ，情景A，雖然優(yōu)化后流域經(jīng)濟(jì)效益得到了很大的提升，但生態(tài)林面積相比于優(yōu)化前是有較大減少的，這主要是在以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主要目的的流域發(fā)展模式下，在沒(méi)有碳匯產(chǎn)業(yè)的加入，生態(tài)林幾乎不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，致使部分生態(tài)林向經(jīng)濟(jì)林、果園、耕地和草地進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，雖然該情景在生態(tài)適宜性范圍內(nèi)，但并不符合國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的需要，也不符合流域發(fā)展的持久穩(wěn)定，所以該情景僅僅是理論上的結(jié)果，并不可能真正出現(xiàn)。所以，如何發(fā)揮生態(tài)林的經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)發(fā)展方向，碳匯產(chǎn)業(yè)的融入就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

模式Ⅱ，不管是否含有農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯，由于碳匯產(chǎn)業(yè)融入農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)，各個(gè)產(chǎn)業(yè)都附帶了碳匯價(jià)值，從而導(dǎo)致流域各產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)改變，流域生產(chǎn)要素進(jìn)行了重新分配。在此模式下，生態(tài)林的碳匯經(jīng)濟(jì)效益已大于由草地所帶來(lái)的畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)林面積相比于模式Ⅰ大幅度提高，流域生態(tài)效益顯著提升。而且即使在不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景中，流域內(nèi)糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物都以碳源的形式存在，流域碳匯效益依然良好，所以此模式各個(gè)情景都能作為可行的發(fā)展情景使用。

模式Ⅲ，作為模式Ⅱ發(fā)展下的最終狀態(tài)，在情景C-1中由于黃土高原丘陵溝壑區(qū)本身的自然環(huán)境，根據(jù)因地制宜的原則選擇了農(nóng)林特色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情景。在此情景下流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)生產(chǎn)要素在優(yōu)化配置上相較于模式Ⅱ并沒(méi)發(fā)生改變，但由于農(nóng)林特產(chǎn)的高效益流域總的經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)顯著(圖2)。而且由于綠色、有機(jī)的生產(chǎn)方式，降低了耕作過(guò)程中的碳排放，流域碳匯效益也得到了相應(yīng)提升。而在情景C-2個(gè)人、企業(yè)大規(guī)模承包的方式下，由于有更好的資金、技術(shù)和人力的投入使流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力得到了巨大提升，經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)顯著。不過(guò)在情景C-2不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景中，流域碳匯效益相比于情景C-1則有所減少，原因是高效的生產(chǎn)模式下大量農(nóng)藥化肥的使用導(dǎo)致了大量碳源物質(zhì)的釋放，在不含農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)品碳匯情景下，流域經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)業(yè)成為了一個(gè)巨大的碳源，降低了流域的碳匯效益。但由于此情景下流域生態(tài)林、天然草地等凈碳匯產(chǎn)業(yè)依然保持著較大規(guī)模，流域總的碳匯效益影響不大。

表5 各情景優(yōu)化結(jié)果

圖1 流域各模式經(jīng)濟(jì)效益變化

圖2 流域各模式碳匯經(jīng)濟(jì)效益變化

4 結(jié) 論

(1) 生態(tài)文明建設(shè)是我國(guó)今后發(fā)展的重要方向、重大領(lǐng)域和重大任務(wù)[23]。發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)不僅是中國(guó)農(nóng)業(yè)本身可持續(xù)發(fā)展的需要，而且也是中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的戰(zhàn)略選擇[24]。將碳匯產(chǎn)業(yè)融入農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)，首先農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)—資源系統(tǒng)生產(chǎn)要素配置將發(fā)生改變，生態(tài)林等具有較強(qiáng)碳匯能力的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)面積將得到不同程度的增加。其次，在經(jīng)濟(jì)利益的刺激下，農(nóng)民將自發(fā)選擇低碳生產(chǎn)的方式來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動(dòng)，在大幅度提升流域碳匯效益的同時(shí)流域經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)得到相應(yīng)增長(zhǎng)。這樣的發(fā)展情景不僅符合國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的需求，也符合國(guó)家低碳發(fā)展的需求。

(2) 隨著國(guó)家社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)民在農(nóng)產(chǎn)品需求上將越來(lái)越傾向于選取綠色、有機(jī)、且具有地方特色的產(chǎn)品，而且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，隨著城鄉(xiāng)一體化的不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也將朝著高效、高產(chǎn)的方式轉(zhuǎn)變。所以農(nóng)林特產(chǎn)和高效、高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向。模式Ⅲ作為模式Ⅱ發(fā)展下的最終狀態(tài)，從C-1情景的優(yōu)化來(lái)看，綠色、有機(jī)的種植方式不僅能生產(chǎn)出綠色無(wú)公害的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)也降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，增加了碳匯效益，在滿足國(guó)民對(duì)綠色食品需求的同時(shí)也滿足了國(guó)家低碳發(fā)展的需要；但從C-2情景的優(yōu)化來(lái)看，高效、高產(chǎn)的生產(chǎn)方式也必將帶來(lái)高碳排，所以此情景在生產(chǎn)要素的配置上必須嚴(yán)格遵循生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的結(jié)果，保證生態(tài)林、草地等主要碳匯產(chǎn)業(yè)在流域中的主導(dǎo)地位，最大限度的發(fā)揮生產(chǎn)要素的使用價(jià)值。只有這樣才能在大幅度提升流域經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)保持流域的碳匯效益與生態(tài)效益，保證流域發(fā)展的長(zhǎng)久穩(wěn)定。