王志宇，邵光成,姚俊琪

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210029)

農(nóng)業(yè)是用水大戶，也是節(jié)水潛力所在，但由于農(nóng)業(yè)用水管理不到位、農(nóng)業(yè)水價形成機(jī)制不合理、水權(quán)分配混亂等一系列體制機(jī)制原因，農(nóng)業(yè)用水管理不能有效反映水資源稀缺程度和生態(tài)環(huán)境成本，農(nóng)業(yè)用水方式粗放，水資源浪費嚴(yán)重。另外農(nóng)田面源污染的產(chǎn)生量和排放量逐漸增大，通過地表徑流、農(nóng)田排水等方式進(jìn)入外部水體，產(chǎn)生負(fù)外部性，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前我國僅通過農(nóng)業(yè)用水定額管理并結(jié)合價格機(jī)制，實行超定額累進(jìn)加價征收水資源費和水費的辦法來促進(jìn)農(nóng)戶節(jié)約用水，尚沒有清晰界定用水定額的可交易性及水權(quán)歸屬問題。一些國家和地區(qū)已經(jīng)證明，水權(quán)交易可以實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的目的。

當(dāng)前，針對水權(quán)配置和水權(quán)交易的研究集中在水權(quán)分配的原則和方法[1]、水權(quán)分配模型的構(gòu)建[2-7]、水權(quán)與排污權(quán)的轉(zhuǎn)化[8]、水權(quán)交易對水資源及生態(tài)系統(tǒng)的影響[9]、水權(quán)及水價變化對農(nóng)戶的影響[10-11]、水價定價方法[12-13]、環(huán)境成本[14]和水資源配置[15]等方面。以往水權(quán)交易研究過程中，部分涉及因河道污染而引起的排污權(quán)限制的問題，但從農(nóng)戶的視角將水權(quán)交易和農(nóng)田面源污染控制有機(jī)結(jié)合的研究較少。筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上，建立了基于水權(quán)交易和面源污染控制的農(nóng)戶灌溉施肥行為模型，利用邊際分析方法研究了農(nóng)戶的灌溉行為和施肥行為，試圖達(dá)到農(nóng)業(yè)節(jié)水和控制面源污染的目的。

1 模型假設(shè)

a. 影響農(nóng)作物產(chǎn)量的因素有很多，如氣候、灌溉技術(shù)等，筆者將其他影響因素折算為灌溉用水量和肥料施用量，且假設(shè)產(chǎn)量是關(guān)于灌溉用水量或肥料施用量的二次函數(shù)，其最高項系數(shù)為負(fù)值。

b. 影響農(nóng)田水質(zhì)的因素有很多，筆者將其他影響因素折算為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料的施用量。

c. 灌溉成本以灌溉用水量進(jìn)行計算，將其他影響因素如勞動力的機(jī)會成本、灌水方法等折算為灌溉用水量。

d. 施肥成本僅考慮肥料價格和肥料施用量，忽略肥料種類等因素造成的差異。

e. 環(huán)境成本為肥料對土壤、植被、水和大氣等的負(fù)外部效應(yīng)長期累積值，或為了降低負(fù)外部效應(yīng)而采取一定措施的成本，本文僅考慮肥料施用量因素。

f. 不考慮超定額累進(jìn)加價制度帶來的附加成本，僅認(rèn)為當(dāng)農(nóng)戶所需灌溉用水量大于所擁有的用水定額時即通過水權(quán)交易在水市場上購買水量。

2 模型建立

水權(quán)包括水資源的所有權(quán)和各種利用水的權(quán)利。本文探討的水權(quán)特指農(nóng)業(yè)用水定額范圍內(nèi)的水權(quán)。在水權(quán)交易中，由地方水主管部門為農(nóng)戶分配初始水權(quán)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水量不足的農(nóng)戶則可以在水市場上購買水量，成為購買水權(quán)的農(nóng)戶(Hbuy)，農(nóng)戶有富余的水量時可以出售，成為出售水權(quán)的農(nóng)戶(Hsell)。農(nóng)戶行為以利益最大化為原則，并且受種植面積、農(nóng)田污染物濃度、農(nóng)業(yè)用水定額等條件的約束。

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

式中：Π為年收益函數(shù)；j為農(nóng)作物類型，j=1，…，J；Sj為農(nóng)作物j的耕種面積(帶有下標(biāo)j的字母均代表農(nóng)作物j的某種屬性)；Pj為農(nóng)作物j的市場價格；Yj為單位面積水分生產(chǎn)函數(shù)；Wj為單位面積所需灌溉用水量；Fj為單位面積肥料施用量；Wjd為單位面積灌溉用水定額內(nèi)的用水量；Pw為灌溉用水定額內(nèi)水價；Wjm為單位面積購買的用水量；Pm為農(nóng)戶交易的水權(quán)市場價格；|Wjm|為農(nóng)戶在水市場上交易的水量；T為交易成本，假設(shè)交易成本由買賣雙方共同負(fù)擔(dān)；Cjw(Wj)為單位面積灌溉成本；Cjf(Fj)為單位面積施肥成本；Cjp(Wj,Fj)為單位面積排污成本；Cje(Fj)為單位面積環(huán)境成本；Cjo(others)為單位面積其他成本。

約束條件：

a. 種植面積約束:

(2)

b. 農(nóng)業(yè)用水定額約束:

(3)

c. 污染物濃度約束:

(4)

0≤Fj≤Fmax

(5)

式中：p為污染物價格懲罰系數(shù)；cmax為要求的污染物濃度上限；cmin為要求的污染物濃度下限；Fmax為單位面積污染物排放量上限。

d. 非負(fù)約束:

Sj,Wj,T,Fj,p≥0,?j

(6)

且

(7)

且

(8)

且

(9)

與Hbuy不同的是，Hsell的邊際條件中多了Pw項，即最優(yōu)灌溉用水量與灌溉定額內(nèi)的水價有關(guān)，且由于Hsell出售水權(quán)，所以Wjm<0。

且

(10)

且

(11)

3 農(nóng)戶行為分析

根據(jù)模型假設(shè)，

Cw=k1W，Cf=k2F，Ce=k3F

(12)

(13)

式中：k1,k3為擬合系數(shù)；k2為肥料價格；c為實際檢測得到的農(nóng)田污染物濃度；k4為農(nóng)田面源污染折減系數(shù)，即水肥被吸收和耗散后的濃度與初始濃度之比。其中p,cmin和cmax需根據(jù)各地區(qū)不同社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、作物種植結(jié)構(gòu)、土壤條件并經(jīng)過專家論證確定。由式(13)可知

(14)

(15)

假設(shè)Y(W)=-k5W2+k6W-c1,Y(F)=-k7F2+k8F-c2,其中k5，k6，k7，k8，c1，c2均為擬合參數(shù)，且k1，k2，k3，k4，k5，k6，k7，k8，c1以及c2均大于零，則Yw=-2k5W+k6，Yf=-2k7F+k8。

3.1 農(nóng)戶灌溉行為

如圖1所示，橫坐標(biāo)為農(nóng)戶單位面積灌溉用水量W，縱坐標(biāo)為灌溉用水的邊際收益MR與邊際成本MC。假設(shè)初始時刻Hbuy或Hsell的邊際收益曲線與邊際成本曲線分別為MR1和MC1，由圖1可知，初始時刻灌溉用水量為W1。

圖1 農(nóng)作物價格、定額內(nèi)水價、交易水價、交易成本及邊際灌溉成本對農(nóng)戶灌溉行為的影響

綜上所述，灌溉用水量與農(nóng)作物價格成正相關(guān)，與交易水價和邊際灌溉成本成負(fù)相關(guān)。對于購買水權(quán)的農(nóng)戶Hbuy，灌溉用水量與交易成本成負(fù)相關(guān)；對于出售水權(quán)的農(nóng)戶Hsell，灌溉用水量與定額內(nèi)水價成負(fù)相關(guān)，與交易成本成正相關(guān)。因此，對所有的農(nóng)戶，在保證糧食產(chǎn)量的前提下，降低農(nóng)作物價格，提高交易水價或邊際灌溉成本，有利于減少灌溉用水量，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水。而邊際灌溉成本的提高主要依賴于市場農(nóng)業(yè)勞動力機(jī)會成本的增加，交易水價和農(nóng)作物價格則受政府和市場的共同調(diào)節(jié)作用。

3.2 農(nóng)戶施肥行為

根據(jù)式(11)～(15)可得，農(nóng)戶的肥料施用量與農(nóng)作物價格P、施肥成本Cf或邊際施肥成本k2、邊際環(huán)境成本Cfe、污染物價格懲罰系數(shù)p、農(nóng)田面源污染折減系數(shù)k4以及灌溉用水量W有關(guān)。污染物價格懲罰系數(shù)p和農(nóng)田面源污染折減系數(shù)k4的隨機(jī)性較大，且不是人為可輕易控制的，不作深入探討。灌溉用水量W對農(nóng)戶施肥行為的影響較為復(fù)雜，由于篇幅限制不作考慮。以下僅對其他3種因素作簡要分析(假設(shè)圖形的相對位置如圖2所示)。

圖2 農(nóng)作物的市場價格、邊際施肥成本及邊際環(huán)境成本對農(nóng)戶施肥行為的影響

如圖2所示，橫坐標(biāo)為農(nóng)戶單位面積肥料施用量F,縱坐標(biāo)為肥料施用的邊際收益MR與邊際成本MC。假設(shè)初始時刻的邊際收益曲線與邊際成本曲線分別為MR1和MC1，由圖2可知，初始時刻肥料施用量為F1。

總結(jié)農(nóng)戶施肥行為的影響因素，肥料施用量與農(nóng)作物價格成正相關(guān)，與邊際施肥成本或邊際環(huán)境成本成負(fù)相關(guān)。為了減少污染物的排放量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的影響，可采取降低農(nóng)作物價格、增加邊際施肥成本或邊際環(huán)境成本的措施，這些措施的實行依賴于政府和市場的共同調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié) 語

a. 引入污染物價格懲罰系數(shù)、農(nóng)田面源污染折減系數(shù)、施肥成本、環(huán)境成本等參數(shù)，建立了基于水權(quán)交易和面源污染控制的農(nóng)戶灌溉施肥行為模型，探討了不同情境下農(nóng)戶的灌溉行為、交易行為和施肥行為。模型建立在成熟的農(nóng)業(yè)用水交易的基礎(chǔ)上，較為理想化，對未來農(nóng)業(yè)水權(quán)分配及相應(yīng)政策制定具有一定指導(dǎo)意義，在實際運用前需結(jié)合地區(qū)背景確定各項參數(shù)的數(shù)值。

b. 農(nóng)作物價格、交易水價、交易成本、邊際灌溉成本和定額內(nèi)水價等的變化會影響農(nóng)戶的灌溉行為，農(nóng)作物價格、邊際施肥成本和邊際環(huán)境成本等的變化會影響農(nóng)戶的施肥行為。管理者或決策者可以依據(jù)此模型在用水量和用水效率、肥料用量和水環(huán)境污染程度以及農(nóng)民收入、糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r之間進(jìn)行權(quán)衡，在保障糧食安全的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的要求做出決策。

c. 水權(quán)交易應(yīng)包括水量權(quán)和排污權(quán)兩方面的交易內(nèi)容。筆者以肥料施用量為例進(jìn)行面源污染控制的探討，然而，由于影響農(nóng)田水質(zhì)的因素較多，且水肥耦合作用較為復(fù)雜，該模型的運用尚需大量實踐數(shù)據(jù)支持。防治和控制農(nóng)業(yè)面源污染是一項長期的工作，不僅限于通過市場手段控制污染物的排放量，更應(yīng)該運用系統(tǒng)學(xué)的方法，結(jié)合農(nóng)業(yè)面源污染的特點進(jìn)行多方面的調(diào)控。