呂翠美， 曹繼鵬， 凌敏華， 李會勤

(鄭州大學水利科學與工程學院， 鄭州 450001)

當今，水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問題越來越受到廣大學者和社會關注，尤其在干旱半干旱區(qū)，農業(yè)和生態(tài)依賴于水資源，水與經濟、社會和生態(tài)之間的矛盾愈加突出[1-2]。大力發(fā)展節(jié)水農業(yè)是改善灌區(qū)灌溉條件，提高灌區(qū)農業(yè)綜合生產能力的重要措施，也是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的有效手段[3]。從目前節(jié)水農業(yè)的理論與實踐來看，節(jié)水農業(yè)綜合效益作為節(jié)水農業(yè)的重要組成部分，其量化方法還處于探索階段，尚未形成成熟理論體系。因此研究科學合理的節(jié)水農業(yè)綜合效益量化方法，有利于提高農業(yè)節(jié)水工程決策的科學水平，對農業(yè)節(jié)水技術的推廣應用和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

對于節(jié)水農業(yè)綜合效益量化問題，中外學者主要從以下兩方面展開研究。

(1)效益構成方面，目前關于節(jié)水農業(yè)綜合效益總體可分為經濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。如王建勛等[4]將農業(yè)節(jié)水灌溉經濟效益體現(xiàn)在節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、增產等方面。遲俊民等[5]認為灌區(qū)節(jié)水改造具有經濟效益和社會效益兩大方面，其中經濟效益主要包括改善灌溉效益、新增灌溉效益、節(jié)水效益和節(jié)能效益。Amerasinghe等[6]認為發(fā)展灌溉農業(yè)帶來的一些典型的環(huán)境負面影響包括：移民、流域退化、對單一生態(tài)系統(tǒng)和歷史文化景點的侵犯、生物多樣性喪失與變化、無脊椎動物與有害脊椎動物和疾病傳播動物的增殖、土壤侵蝕、土壤肥力、沉積、地表水、地下水、滲漏、水澇以及富營養(yǎng)化。杜麗娟等[3]通過分析灌區(qū)節(jié)水改造對環(huán)境的影響因素，認為環(huán)境效應可分為正效應和負效應，其中，正效應主要包括提高水資源利用效率、增加灌溉面積、改善河道斷流、減輕土壤次生鹽堿化等；而負效應主要包括減少地表水入滲導致地下水量的減少、改變區(qū)域水文循環(huán)系統(tǒng)、改變區(qū)域小氣候、對區(qū)域生物多樣性的影響等。

(2)量化方法方面，目前，節(jié)水農業(yè)綜合效益量化方法還處于探索性研究階段，多數(shù)方法以定性描述為主，如層次分析[7]、模糊綜合評判[8]、主成分分析[9]等方法。褚琳琳等[10]建立以貨幣為衡量標準的節(jié)水農業(yè)綜合效益評估模式，認為皂河灌區(qū)社會效益占綜合效益比例最高，其次是環(huán)境效益和經濟效益。姚增福等[11]利用層次分析法和Delphi法計算了甘肅省節(jié)水農業(yè)綜合效益，得出效益價值呈現(xiàn)逐年線性增長趨勢。Hussain[12]采用定性描述與定量評估相結合的方法，評估灌溉產生的直接、間接效益以及存在的不利影響。

根據以上研究成果可以看出，多數(shù)研究只考慮了節(jié)水農業(yè)產生的正效益，而現(xiàn)實中節(jié)水措施也會給經濟、社會和生態(tài)環(huán)境造成一些負面影響，很少有學者考慮節(jié)水農業(yè)對經濟、社會和生態(tài)環(huán)境造成的負效益；量化方法方面，偏重于對節(jié)水效益和經濟效益的評估，對于環(huán)境效益和社會效益，只能給出效益的程度而無法給出確切的量值。因此，借鑒生態(tài)經濟學能值理論，從能量流動觀點出發(fā)，以太陽能為標準，將不同物質和能量轉化為形成它的太陽能的多少，并與貨幣建立聯(lián)系，實現(xiàn)生態(tài)經濟價值客觀、統(tǒng)一的量化，可用于量化節(jié)水農業(yè)綜合效益[13]。因此，現(xiàn)充分考慮節(jié)水農業(yè)對經濟、社會和生態(tài)環(huán)境造成的正面和負面影響，從能量轉化的角度，采用能值分析方法定量估算河套灌區(qū)沈烏灌域2016年節(jié)水農業(yè)綜合效益，以期為量化節(jié)水農業(yè)綜合效益提供一種新途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)地處黃河上中游內蒙古段左岸的沖積平原，地理坐標為40°13′～42°28N′，105°12′～109°53′E，北依陰山山脈，南臨黃河，東至包頭市郊，西接烏蘭布和沙漠[14]。本文研究區(qū)沈烏灌域位于河套灌區(qū)最西部，如圖1所示。沈烏灌域地勢東南高西北低，平均海拔約1 050 m，灌域內灌溉面積約58 110 hm2[15]。灌域日照充足，降水稀少，蒸發(fā)強烈，多年平均降水量為147.05 mm，多年平均蒸發(fā)量2 505.2 mm[16]。灌域天然植被主要包括堿草豬毛草、針茅盾等，耕地主要種植小麥、玉米、葵花、瓜菜等[17]。2014年沈烏灌域被選為內蒙古黃河干流水權盟市間轉讓試點，試點工程主要節(jié)水改造措施是進行渠道防滲襯砌及渠系建筑物配套、畦塊改造、地下水滴灌改造等[18]。2016年，沈烏灌域續(xù)建配套與節(jié)水改造工程投資5.43億元，2016年襯砌節(jié)水總量為3 725.31 萬m3。

圖1 沈烏灌域位置圖Fig.1 Location of Shenwu irrigation area

1.2 節(jié)水農業(yè)綜合效益構成分析

從宏觀上考慮，節(jié)水農業(yè)實施過程中所產生的直接和間接影響稱之為農業(yè)節(jié)水綜合效益。根據效果形態(tài)和特征的不同，可將節(jié)水農業(yè)綜合效益分為節(jié)水農業(yè)經濟效益、環(huán)境效益、社會效益。三類效益中既有正效益也有負效益，如在經濟效益中，一般節(jié)水工程后，農產品會提高產量和品質，給節(jié)水主體帶來正效益；而節(jié)水工程建設，節(jié)水主體需要投入高昂的工程成本，則給節(jié)水主體帶來負效益。在社會效益中，節(jié)水改造工程可以節(jié)省土地，提高土地利用率，給節(jié)水主體帶來正效益；也會導致水庫濕地水量減少，造成景觀娛樂價值損失，給節(jié)水主體帶來負效益。在生態(tài)環(huán)境效益中，節(jié)水灌溉會一定程度減輕土壤鹽漬化問題，給節(jié)水主體帶來正效益；節(jié)水工程的建設，可能會導致地下水位下降，下游濕地湖泊蓄水量減少，周圍植被受到影響，造成水環(huán)境污染、水體功能受損、生物棲息地破壞等問題，給節(jié)水主體帶來負效益。節(jié)水農業(yè)的正效益增加了節(jié)水主體的利益，而負效益則使節(jié)水主體的利益受損。

基于以上分析可得出節(jié)水農業(yè)綜合效益的構成，如圖2所示，其中，經濟效益包括農業(yè)增產正效益、工程成本投入負效益；社會效益包括節(jié)地正效益、景觀娛樂損失負效益；生態(tài)環(huán)境效益包括減輕土壤鹽漬化正效益、回水減少負效益、降溫增濕減弱負效益、固碳釋氧減弱負效益、水質凈化減弱負效益、生物多樣性減少負效益。

圖2 節(jié)水農業(yè)綜合效益構成圖Fig.2 Composition of comprehensive benefits of water saving agriculture

1.3 能值理論簡介

能值(emergy)理論是由美國著名生態(tài)學家Odum[19]于20世紀80年代提出的一種新的科學理論和度量方法，后經中國著名學者藍盛芳引入。Odum將能值定義為一種流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數(shù)量，能值轉換率是實現(xiàn)不同類別能量轉換的工具[20]。通過能值分析，能夠將生態(tài)經濟系統(tǒng)各種不同來源、不同性質的能量統(tǒng)一轉換成同一標準的能值來度量和分析，實現(xiàn)能流、物流、貨幣流和其他生態(tài)流的統(tǒng)一定量分析。任何能量均直接或間接來源于太陽能，故實際中以太陽能為標準，將其他類別的能量通過太陽能值轉換率轉化為太陽能值(sej)。計算公式為

EM=τB

(1)

式(1)中：EM為太陽能值，sej；τ為太陽能值轉化率，sej/J或sej/g；B為物質的能量或質量，J或g。

通過大量研究實踐，已換算出自然界和人類經濟社會主要物質的太陽能值轉換率[20]。然而水體能值轉換率受時空差異影響較大，需要結合區(qū)域社會經濟狀況和水資源狀況單獨計算。呂翠美[21]遵循亞系統(tǒng)和儲存資源太陽能值轉換率計算原理，研究區(qū)域自然水體的太陽能值轉換率計算方法，公式為

(2)

式(2)中：τw為地表水體的能值轉化率，sej/m3；EMR為集水區(qū)年降雨的總能值，sej/a；WS為集水區(qū)的年地表徑流量，m3/a。

能值量可通過能值/貨幣比率折合為貨幣價值，計算公式為

(3)

式(3)中：CEM為能值相當?shù)呢泿艃r值，￥；EDR為能值貨幣比率，sej/￥。

1.4 節(jié)水農業(yè)綜合效益的能值量化方法

根據上述分析，節(jié)水農業(yè)綜合效益可認為是經濟、社會、生態(tài)環(huán)境中正負效益的綜合。計算公式為

EMCB=EMEC+EMSC+EMEEC

(4)

(5)

式(5)中：EMCB為節(jié)水農業(yè)綜合能值效益，sej；EMEC為經濟能值效益，sej；EMSC為社會能值效益，sej；EMEEC為生態(tài)環(huán)境能值效益，sej；CEMCB為節(jié)水農業(yè)綜合效益的貨幣價值，￥。

1.4.1 經濟效益能值量化方法

節(jié)水農業(yè)的經濟效益等于農業(yè)增產正效益與工程成本投入負效益的差值，計算公式為

EMEC=EMA-EME

(6)

式(6)中：EMA為農業(yè)增產的能值效益，sej；EME為工程成本投入的能值效益，sej。

1)農業(yè)增產正效益

由于高效節(jié)水灌溉技術可以結合農作物需水規(guī)律適時適量供水，因此會提高農產品產量和品質；另一方面由于投入節(jié)水技術費用高昂，農民一般會選擇種植經濟價值高、抗旱、高產的作物。假定農業(yè)生產中除水資源供給條件改變外其他條件均不變，可根據農產品增加的能值計算農業(yè)增產效益，計算公式為

(7)

式(7)中：Ti為農業(yè)產品產量增加值，t；τai為對應農產品的能值轉換率，sej/t；i=1，2，…，n為農產品的不同種類。

2)工程成本投入負效益

節(jié)水改造工程，需要渠道襯砌、整治溝道，修建滴灌、噴灌等水利工程。工程成本費主要包括工程建設成本、運行維護成本及工程更新改造成本等。工程成本投入的能值效益計算公式為

EME=CEDR

(8)

式(8)中：C為工程建設和管理維護費用之和，￥；EDR為能值貨幣比率，sej/￥。

1.4.2 社會效益能值量化方法

節(jié)水農業(yè)的社會效益等于節(jié)地正效益與景觀娛樂損失負效益的差值，計算公式為

EMSC=EMSL-EMLE

(9)

式(9)中：EMSL為節(jié)省土地的能值效益，sej；EMLE為景觀娛樂損失的能值效益，sej。

1)節(jié)地正效益

采用農業(yè)節(jié)水灌溉后，土地利用率均有不同程度的增加，尤其是噴、滴灌等管道灌溉方式，可以節(jié)省渠道和畦埂的占地，擴大種植面積，提高復種指數(shù)。節(jié)省的土地復種經濟作物，可增加農民收入。可根據復種作物產量的能值來計算節(jié)地能值效益，計算公式為

EMSL=ΔAYτa

(10)

式(10)中：ΔA為節(jié)省土地面積，hm2；Y為復種作物平均產量，t/hm2，τa為對應農作物的能值轉換率，sej/t。

2)景觀娛樂損失負效益

一定量的水資源可以提供美學享受和水上娛樂服務。水域面積直接關系到生態(tài)系統(tǒng)的景觀娛樂功能和價值。節(jié)水工程的實施，可能造成河流、湖泊和水庫等娛樂用水量減少，帶來景觀娛樂價值損失。景觀娛樂價值反映在人類主觀的精神感受中，可通過單位水域面積的景觀娛樂服務的價值當量進行計算[22]。計算公式為

EMLE=VΔAEDR

(11)

式(11)中：V為單位水域面積的景觀娛樂服務的價值當量，￥/hm2；ΔA為水域面積減少量，hm2。

1.4.3 生態(tài)環(huán)境效益能值量化方法

節(jié)水農業(yè)的生態(tài)環(huán)境效益等于減輕土壤鹽漬化正效益減去各負效益，計算公式為

EMEEC=EMSS-EMB-EMCH-EMCO-

EMP-EMBR

(12)

式(12)中：EMSS為減輕土壤鹽漬化的能值效益，sej；EMB為回水減小的能值效益，sej，EMCH為降溫增濕減弱的能值效益，sej；EMCO為固碳釋氧減弱的能值效益，sej；EMP為水質凈化減弱的能值效益，sej；EMBR為生物多樣性減少的能值效益，sej。

1)減輕土壤鹽漬化正效益

土壤鹽漬化與氣候、土壤質地、地形、植被、地下水等自然因素及灌溉、排水、施肥等人類活動有著密切的關系[17]。地下水埋深對土壤鹽漬化有著重要影響。由于節(jié)水灌溉，灌區(qū)地下水埋深不斷下降，土壤鹽分與地下水鹽關聯(lián)度較小，因此土壤鹽漬化不斷減輕。減輕土壤鹽漬化能值效益計算公式為

EMSS=MSS(βbαb+βcαc+βdαd+βeαe)τs

(13)

式(13)中：MSS為土壤總重量，g；βi為不同程度鹽漬化面積占總面積比例，%；αi為不同程度鹽漬化對應土壤損耗面積比例，%；i=b(輕度)、c(中度)、d(重度)、e(鹽堿池)；τs為土壤損耗能值轉換率，sej/g。

2)回水減少負效益

從區(qū)域水循環(huán)路徑來看，天然水循環(huán)是以取水-輸水-用水-排水-回歸為基本路徑[23]。由于節(jié)水改造工程的建設，渠道襯砌和田間節(jié)水技術的推廣，將影響區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)，可能導致回水量減少，造成地下水位下降，影響農業(yè)、工業(yè)和生活下游用水。因此，渠道襯砌造成回水損失對灌區(qū)有著直接影響[24]?；厮疁p少能值效益計算公式為

EMB=ΔIτB

(14)

式(14)中：ΔI為減少的回流水量，m3；τB為水體的能值轉換率，sej/m3。

3)調節(jié)氣候效益

水資源的調節(jié)氣候價值主要體現(xiàn)在水體降溫增濕功能和固碳釋氧功能上。降溫增濕功能指水分蒸發(fā)增加空氣濕度，同時吸收熱量降低大氣溫度。固碳釋氧作用體現(xiàn)在綠色植物通過光合作用固定CO2并釋放O2。大規(guī)模農業(yè)節(jié)水使灌區(qū)周邊湖泊濕地水面面積逐年減小，周圍植被面積縮減，可能導致水分蒸發(fā)減弱及綠色植物減產等后果。計算如下。

(1)降溫增濕減少負效益：

EMCH=LGτCH

(15)

L=2 507.4-2.39t

(16)

式中：L為蒸發(fā)潛熱，J/g；G為蒸發(fā)減少量，g；τCH為蒸汽的能值轉化率，sej/J；t為研究區(qū)年平均氣溫，℃。

(2)固碳釋氧減少負效益：

EMCO=FCO2τCO2+RO2τO2

(17)

式(17)中：FCO2和RO2分別為綠色植物固碳量和釋氧量，g；τCO2和τO2分別為固碳和釋氧的能值轉換率，sej/g。

4)水質凈化減弱負效益

農業(yè)節(jié)水導致灌區(qū)水域面積減少，水庫湖泊濕地水量減少，水體稀釋凈化功能受損，水質下降。農業(yè)節(jié)水前后，水體污染物含量發(fā)生變化，可通過實際減少水量在當?shù)仄骄|標準下可容納的主要污染物量間接求得。計算公式為

EMP=M1τ1+M2τ2+…+Mnτn

(18)

式(18)中：M1、M2、Mn分別為節(jié)約水體中能容納的各主要污染物的含量，g；τ1、τ2、τn分別為各污染物的能值轉換率，sej/g。

5)生物多樣性減少負效益

農業(yè)節(jié)水影響周圍湖泊濕地魚類、野生動植物的物種多樣性。農業(yè)節(jié)水導致周圍湖泊水量減少，可能引發(fā)濕地動植物棲息地的破壞，導致水生生物的物種多樣性減少。計算公式為

EMBR=τBRNR

(19)

式(19)中：τBR為物種能值轉換率，取1.26×1025sej/種[20]；N為計算區(qū)河道生物物種總數(shù)；R為生物活動面積占全球面積的比例。

2 結果與分析

2.1 能值貨幣比率及水體能值轉換率計算

利用上述方法計算2016年沈烏灌域節(jié)水農業(yè)綜合效益。河套灌區(qū)沈烏灌域位于內蒙古巴彥淖爾市，社會經濟數(shù)據來源于《巴彥淖爾市統(tǒng)計年鑒2017》，水文數(shù)據來源于《巴彥淖爾市水資源公報》，太陽能值轉換率參考文獻[19-20]。收集巴彥淖爾市各種貨幣流、物質流和能量流的原始數(shù)據資料，核算了2016年巴彥淖爾市能值/貨幣比率和地表水能值轉換率，如表1和表2所示。

2.2 節(jié)水農業(yè)綜合效益估算

2.2.1 經濟效益能值量化

1)農業(yè)增產正效益

表1 2016年巴彥淖爾市能值/貨幣比率計算表

表2 2016年巴彥淖爾市地表水能值轉換率

=-450×1.39×1015+765×26.9×1015

=20.0×1018sej

(20)

2)工程成本投入負效益

根據調查，河套灌區(qū)2016年續(xù)建配套與節(jié)水改造工程共投資5.43億元。因此C=5.43×108￥，根據表1計算可知金巴彥淖爾市能值/貨幣比率3.16×1011sej/￥，代入式(8)得到工程成本投入能值效益，計算過程為

EME=CEDR=5.43×108×3.16×1011

=17.16×1019sej

(21)

2.2.2 社會效益能值量化

1)節(jié)地正效益

根據程冬玲等[26]的研究，滴灌可提高土地利用率3%～5%。根據萬崢[18]統(tǒng)計，河套灌區(qū)沈烏灌域滴灌實際完成面積為813.3 hm2。因此，可節(jié)省土地面積為24.4 hm2(提高土地利用率取3%)；假設節(jié)省土地全部種植經濟作物花葵，由前文可知，花葵平均產量為2.81 t/hm2，花葵能值轉換率τa2=26.9×1015sej/t。代入式(10)計算得節(jié)地能值效益結果為

EMSL=ΔAYτa=24.4×2.81×26.9×1015

=1.85×1018sej

(22)

2)景觀娛樂損失負效益

根據萬崢[18]的研究，2018年沈烏灌域水域面積相對于2014年減少606.67 hm2，平均每年減少151.7 hm2，則2016年水域面積減少151.7 hm2。根據李佳鳴[27]研究可知，內蒙古單位水域面積的景觀娛樂服務的價值當量V=2 999.45 ￥/hm2，代入式(11)得到景觀娛樂損失能值效益，計算過程為

EMLE=VΔAEDR

=2 999.45×151.7×3.16×1011

=1.44×1017sej

(23)

2.2.3 生態(tài)環(huán)境效益能值量化

結合數(shù)據資料和實地調查情況，河套灌區(qū)沈烏灌域生物多樣性減少生態(tài)環(huán)境問題還未發(fā)現(xiàn)，暫不進行計算。以2016年為例，河套灌區(qū)沈烏灌域生態(tài)環(huán)境效益各項原始數(shù)據及計算過程如下。

1)減輕土壤鹽漬化正效益

根據萬崢[18]研究，節(jié)水改造前(2012年)和節(jié)水改造后(2016年)的沈烏灌域不同土壤鹽漬化程度面積和比例，如表3所示。

表3 不同鹽漬化程度面積與比例統(tǒng)計表

根據董書鑫[28]的研究，河套灌區(qū)土壤平均容重1.54 g/cm3，灌區(qū)耕作層厚度20 cm，通過計算可得土壤總重量為MSS=2.52×1014g。根據王成棟[29]的研究，土壤損耗能值轉換率τs=1.68×109sej/g。土壤鹽漬化不同程度對應土壤損耗面積比例分別為：非鹽漬化αa=0，輕度鹽漬化αb=15%，中度鹽漬化αc=30%，重度鹽漬化αd=70%，鹽堿池=100%。代入式(13)得到土壤鹽堿化能值效益，計算結果如下：

EMSS2012=MSS(βbαb+βcαc+βdαd+βeαe)τs

=2.52×1014×(15%×39.98%+30%×14.10%+70%×5.49%+100%×7.66%)×1.68×109

=9.20×1022sej

(24)

EMSS2016=MSS(βbαb+βcαc+βdαd+βeαe)τs

=2.52×1014×(15%×40.31%+30%×13.92%+70%×5.75%+100%×6.90%)×(1.68×109)

=8.95×1022sej

(25)

通過計算，2016年相對2012年，減輕土壤鹽堿化能值效益為EMSS2012-EMSS2016=0.25×1022sej，則年平均減輕土壤鹽堿化能值效益為6.25×1020sej，所以2016年減輕土壤鹽堿化能值效益為6.25×1020sej。

2)回水減少負效益

回水損失主要由渠道襯砌工程產生。渠系滲漏水首先將包氣帶填滿，剩余部分可能通過水文循環(huán)重新流回地表及地下從而成為回水，這部分回水由于渠系加固而減少。因此可采用渠道滲漏減少量作為回水補給量I=3.73×107m3[18]，由表2得地表水能值轉換率3.65×1012sej/m3，代入式(14)可得回水減少能值效益，計算結果為

EMB=ΔIτB=3.73×107×3.65×1012

=13.61×1019sej

(26)

3)降溫增濕減弱負效益

降溫增濕減弱效益主要為灌區(qū)水域面積減少后引發(fā)的蒸發(fā)量損失。根據萬崢[18]的研究可知，沈烏灌域自農業(yè)節(jié)水工程實施以來，年均水域面積減少約為120 hm2。根據趙曉瑜等[30]調查可知，河套灌區(qū)年均水面蒸發(fā)深為1 160 mm。因此蒸發(fā)損失量G=1.39×1012g，根據式(16)及年平均氣溫可得蒸發(fā)潛熱L=2 490.67 J/g，蒸汽能值轉換率12.20 sej/J，代入式(15)得降溫增濕減弱能值效益計算過程為

EMCH=LGτCH=2 490.67×1.39×1012×12.20

=4.22×1016sej

(27)

4)固碳釋氧減弱負效益

固碳釋氧主要體現(xiàn)在大規(guī)模節(jié)水改變了灌區(qū)水循環(huán)過程，進而會影響灌區(qū)周邊植被，2012—2016年河套灌區(qū)周圍天然植被面積減小了11 433 hm2[18]，則2016年平均天然植被面積減小2 860 hm2，減少的植被會造成固碳釋氧損失。參考文獻[31]可得河套灌區(qū)平均固碳量為8.9×102g/m2，則損失的固碳量為FCO2=2.55×1010g；平均釋氧量為6.6×102g/m2，則損失的釋氧量為RO2=1.89×1010g。參照文獻[32]可得固碳釋氧能值轉化率τCO2=3.78×107sej/g，τO2=5.11×107sej/g，代入式(17)可得固碳釋氧減弱能值效益，計算過程為

EMCO=FCO2τCO2+RO2τO2=2.55×1010×

3.78×107+1.89×1010×5.11×107

=19.3×1017sej

(28)

5)水質凈化減弱負效益

根據調查，沈烏灌域典型湖泊主要污染物為化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、總氮、總磷，平均水質為Ⅴ類，由《地表水環(huán)境質量標準》可得該水質條件下COD、總氮、總磷單方水體可容納的污染物量分別為40、2、0.4 mg/L，根據朱科[16]的研究，施行節(jié)水灌溉工程，2016年沈烏灌域典型湖泊水量減少34.4萬m3，求得交易水體可容納各項污染物的質量分別為：MCOD=137.6×105g，MN=6.9×105g，MP=1.4×105g，能值轉換率分別為：τCOD=3.16×104sej/g，τN=3.80×109sej/g，τP=3.90×109sej/g，代入式(17)得到水質凈化減弱能值效益結果為

EMP=MCODτCOD+MPτP+MNτN

=137.6×105×3.16×104+6.9×105×3.8×109+1.4×105×3.9×109

=3.17×1015sej

(29)

2.2.4 結果分析

參照上述過程可求得2016年沈烏灌域節(jié)水農業(yè)綜合效益，如表4所示；2016年沈烏灌域各效益的比重如圖3所示。

(1)根據表4計算結果，可以得出：2016年沈烏灌域節(jié)水農業(yè)綜合能值效益為337.04×1018sej，總的效益貨幣價值為10.67億元。①經濟能值效益為-151.60×1018sej，其中農業(yè)增產能值正效益為20.00×1018sej，工程成本投入負效益-171.60×1018sej，主要由于節(jié)水改造巨大的成本投入遠大于短期內農業(yè)增產帶來的正效益，導致經濟能值效益為負值；②社會能值效益為1.71×1018sej，其中節(jié)地能值正效益為1.85×1018sej，景觀娛樂損失能值負效益為-0.14×1018sej，主要由于灌區(qū)內主要以農業(yè)成產為主，景觀娛樂產業(yè)較少，因此社會能值效益為正值；③生態(tài)環(huán)境能值效益為486.93×1018sej，其中減輕土壤鹽漬化能值正效益為625.00×1018sej，回水減少能值負效益為-136.10×1018sej，降溫增濕減弱能值負效益為-0.04×1018sej，固碳釋氧減弱能值負效益為-1.93×1018sej，水質凈化減弱能值負效益為-0.003×1018sej，主要由于農業(yè)節(jié)水對于改善灌區(qū)鹽漬化問題起到了重要作用，雖然回水減少帶來一定負效益，但對于生態(tài)環(huán)境的正效益是大于負效益，因此生態(tài)環(huán)境能值效益為正值。

表4 2016年沈烏灌域節(jié)水農業(yè)綜合效益

圖3 2016年沈烏灌域節(jié)水農業(yè)綜合效益比重圖Fig.3 Comprehensive benefit proportion of water saving agriculture in Shenwu irrigation area in 2016

(2)從圖3來看，沈烏灌域節(jié)水農業(yè)經濟、社會和生態(tài)環(huán)境效益分別占總效益的20.0%、0.2%和79.8%?？梢钥闯?，生態(tài)環(huán)境效益占據了較大的比重，說明節(jié)水農業(yè)對沈烏灌域的生態(tài)環(huán)境影響較為突出，節(jié)水農業(yè)綜合效益量化中以經濟效益為主是不科學的。經濟效益比重次之，社會效益比重最小，說明沈烏灌域節(jié)水灌溉對于社會影響相對較小。

(3)從各類效益的構成來看。①經濟效益中，工程成本投入負效益占經濟效益的比重為89.6%，占節(jié)水農業(yè)綜合效益比重為17.9%，主要由于節(jié)水工程前期需要投入大量的資金，而一年的農業(yè)增產效益相對較少，導致總的經濟效益為負值，但從長遠來看，節(jié)水農業(yè)會持續(xù)帶來農業(yè)增產正效益，而不會繼續(xù)有大量的工程成本投入，因此，未來經濟效益會朝正向發(fā)展；②社會效益中，節(jié)地效益比重大于景觀娛樂損失效益，節(jié)地效益比重為93.0%，占綜合效益比重為0.19%，由于灌區(qū)內主要是以農業(yè)生產為主，景觀娛樂產業(yè)較少，因此節(jié)地正效益大于景觀娛樂損失負效益，社會效益為正值；③生態(tài)環(huán)境效益中，減輕土壤鹽漬化正效益比重最大，達到81.9%，占綜合效益比重為65.3%，說明土壤鹽漬化是灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的重點問題，減輕土壤鹽漬化對于灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義；回水減少效益比重為17.8%，占綜合效益比重為14.2%，降溫增濕減弱效益、固碳釋氧減弱效益和水質凈化減弱效益比重較少，說明水資源自身價值損失是對生態(tài)環(huán)境負面影響的主要原因，而節(jié)水灌溉對于灌域調節(jié)區(qū)域小氣候和水質凈化功能影響較小。節(jié)水農業(yè)對于生態(tài)環(huán)境有一定負面影響，但總體正效益大于負效益，使得生態(tài)環(huán)境效益為正值。

3 結論

(1)運用生態(tài)經濟學—能值理論方法，分析節(jié)水農業(yè)中經濟、社會、生態(tài)環(huán)境綜合效益的構成，提出了基于能值理論定量估算節(jié)水農業(yè)綜合效益的方法，為節(jié)水農業(yè)綜合效益定量化估算提供了一種新途徑。

(2)將節(jié)水農業(yè)綜合效益能值量化方法應用于2016年河套灌區(qū)沈烏灌域的節(jié)水改造工程案例，計算結果表明節(jié)水農業(yè)綜合效益價值為10.67億元，其中生態(tài)環(huán)境效益比重最大，達到了79.8%，經濟效益比重為20.0%，社會效益比重為0.2%。表明節(jié)水農業(yè)對于生態(tài)環(huán)境有較大的影響，且在取得正效益的同時，也會帶來一定的負效益，綜合來看，節(jié)水農業(yè)是正效益大于負效益。

(3)由于節(jié)水農業(yè)綜合效益涉及的因素較多，在效益的量化方面尚不能將全部因素納入考慮范圍；另外由于收集數(shù)據有限，只計算了2016年的效益，隨著沈烏灌域節(jié)水改造工程實施，農業(yè)節(jié)水綜合效益還會動態(tài)變化，有待于后續(xù)工作的進一步開展。