基于能值理論方法的農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益估算

何冰晶，王雙銀，楊建國，程冬玲，賈子燁

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊陵 712100)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)在我國的產(chǎn)業(yè)中處于基礎地位，灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中是重要的一環(huán)，這就要求提供豐沛的農(nóng)田灌溉，只有這樣才能保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠持續(xù)性地向好向穩(wěn)發(fā)展[1]。通常人們只關(guān)注農(nóng)田灌溉所帶來的直接效益(糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收等)，忽略了其間接效益(氣候調(diào)節(jié)、土壤凈化等)。生態(tài)環(huán)境正效益一直被整個區(qū)域所享用，卻沒有在市場交易中體現(xiàn)。因此研究農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益，有利于明確農(nóng)業(yè)供水成本分擔關(guān)系，對促進鄉(xiāng)村振興和保障糧食安全、水安全具有重要的意義。

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的飛躍式發(fā)展，社會公眾對于物質(zhì)層面以及精神層面上的追求與日俱增，對生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注度也越來越高。國內(nèi)外學者對氣候調(diào)節(jié)生態(tài)服務價值的研究主要集中在湖泊、河流、草地、濕地、森林等領(lǐng)域[2-8]，而對農(nóng)田灌溉所帶來的氣候調(diào)節(jié)效益鮮有研究。

目前，研究農(nóng)田灌溉水蒸發(fā)產(chǎn)生的降溫增濕效益的方法主要有3種，即當量因子法[9-10]、替代市場法[11-12]、能值分析法[13]。其中能值理論分析方法能夠在一定程度上避免人為影響及隨機性[14-15]，它在反映生態(tài)效益的客觀性方面的優(yōu)勢是無法被替代的。同時由于能值分析方法在旱作物灌溉氣候調(diào)節(jié)效益的研究中，尤其是在反映旱作物和稻田作物灌溉氣候調(diào)節(jié)效益的時空差異性方面應用較少，故有較好的研究價值。

基于以上背景，結(jié)合農(nóng)業(yè)、灌溉、氣象、水文、生態(tài)經(jīng)濟等相關(guān)學科理論，以陜西省為例，從時間和空間上利用能值理論方法構(gòu)建農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益模型，并對主要旱作物和水稻灌溉氣候調(diào)節(jié)效益進行評估，為陜西省灌區(qū)供水效益分析和水價分擔提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)田灌溉用水量數(shù)據(jù)來源于《2008-2018年陜西省水資源公報》，自然資源和經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《2009-2019年陜西省統(tǒng)計年鑒》《2018年陜西省區(qū)域統(tǒng)計年鑒》《2008-2018年各市(區(qū))國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《2019年中國統(tǒng)計年鑒》。

2.2 能值理論方法

能值理論是對自然資源及其社會和經(jīng)濟活動進行定量評估相對科學合理的理論，它最初是由美國著名專家Odum教授提出的，當前已經(jīng)廣泛應用于社會、生態(tài)、經(jīng)濟領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究中。該理論基于太陽能的能值，利用能值轉(zhuǎn)化率將許多種類的不可比較的能量轉(zhuǎn)化為相同體系下的太陽能能值，在更深層次上對資源、環(huán)境以及一系列的經(jīng)濟活動進行計量以測算真實價值[16]。換算計算公式為：

EM=τB

(1)

式中：EM為能值，sej；τ為能值轉(zhuǎn)換率，sej/J或sej/g，本文取值參照文獻[17]；B為能量或物質(zhì)的質(zhì)量，J或g。

在效益價值定量計算中，效益能值與其相應的貨幣價格之間存在定量關(guān)系，計算公式為：

(2)

式中：P為效益能值對應的價值，元；EDR為能值貨幣比率，sej/元，其值由研究區(qū)全年所利用的太陽能值與國民生產(chǎn)總值之比確定[18]。

2.3 農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益分析方法

作物在生長過程中，通過植株蒸騰和棵間蒸發(fā)的作用，將植物體內(nèi)的水分和土壤水分以氣體形式擴散到空氣中去，為此消耗熱量，從而降低溫度增加濕度[19]，體現(xiàn)了氣候調(diào)節(jié)功能。農(nóng)田灌溉總蒸散發(fā)能量為：

EB=106L·ET

(3)

式中：EB為農(nóng)田灌溉總蒸散發(fā)能量，J；L為蒸發(fā)潛熱(本文采用文獻[20]中蒸發(fā)潛熱公式，即L=2500-2.2T，其中T為年平均溫度，℃，J/m3；ET為農(nóng)田灌溉總蒸散發(fā)量，m3。

農(nóng)田灌溉分為旱作物灌溉和稻田灌溉。對于旱作物，凈灌溉用水量全部作用于植物蒸散發(fā)量；對于稻田，灌溉用水量除了用于植株蒸騰和棵間蒸發(fā)外，還有一部分消耗于田間滲漏。適當?shù)臐B漏量起到促進土壤通氣和消除有毒物質(zhì)等作用，有利于水稻生長[21]，這部分水量不計入稻田蒸散發(fā)量。在水稻生長發(fā)育期內(nèi)需要進行灌溉排水，分為分蘗期曬田排水和黃熟期落干排水，其排水量也不能計入稻田蒸散發(fā)量。因此稻田凈灌溉用水量除去田間滲漏量和排水量則為稻田的蒸散發(fā)量。

對于整個農(nóng)田灌溉而言，其作物的蒸散發(fā)量為：

ET≈I-∑10(Fd+D)·A稻田

(4)

式中：I為農(nóng)田凈灌溉用水量，m3；Fd為稻田滲漏量，mm；D為稻田排水量，mm；A稻田為稻田灌溉面積，hm2。

結(jié)合公式(1)、(2)和(3)，可得到不同年份不同區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)總效益(價值)和單方水效益(價格)模型：

(5)

(6)

式中：P(ij)為不同年份不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)總效益值，元；EBij為不同年份不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益能量，J；τs為蒸發(fā)能值轉(zhuǎn)化率，sej/J，取τs=12.2 sej/J[13，17]；EDRij為不同年份不同區(qū)域能值貨幣比率，sej/元；Pcr (ij)為不同年份不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)單方水效益值，元/m3；Wij為不同年份不同區(qū)域的農(nóng)田灌溉用水量，m3。

3 實例研究

3.1 研究區(qū)域概況

陜西省位于我國西北部，屬于大陸季風性氣候，根據(jù)地理氣候可由北向南分為陜北、關(guān)中和陜南3大區(qū)域。由于橫跨3個氣候區(qū)，南、北氣候之間存在顯著差異，水資源分布不均衡，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)差別較大。全省年平均氣溫由北到南逐漸升高，多年平均氣溫為5.9 ℃～15.7 ℃，季節(jié)和晝夜溫差大；年平均降水量呈現(xiàn)明顯的南多北少態(tài)勢,全省多年平均降水量為666.9 mm，降水主要集中在7-8月份[22]；陜北和關(guān)中地區(qū)以種植旱作物為主，陜南地區(qū)以種植水稻為主。

水利灌溉事業(yè)的發(fā)展對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有舉足輕重的作用，陜西省因其獨特的地理位置與自然環(huán)境，在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域有著悠久的歷史和豐富的經(jīng)驗。截止2018年底，全省大、中、小灌區(qū)共有187個，總耕地面積301.466×104hm2，總灌溉面積143.179×104hm2，全年農(nóng)田灌溉用水量47.21×108m3，關(guān)中、陜北和陜南農(nóng)田灌溉用水量分別占52.21%、10.15%和37.64%。

3.2 農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量的估算

根據(jù)前文構(gòu)造的農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量估算模型可知，由于旱作物和水稻的灌溉水消耗途徑不同，在估算農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量時只考慮稻田排水量和滲漏量。陜西省水稻整個生長期在5月下旬至9月中旬，大約115 d[23]，再加上此前5～10 d的泡田時間，共約120 d。本文計算稻田滲漏量時，陜南地區(qū)平均滲漏量取3.81 mm/d，關(guān)中地區(qū)取2.5 mm/d，陜北地區(qū)取4.9 mm/d[24]。水稻在分蘗期和黃熟前期控制水層在0～40 mm[25]，分蘗末期和黃熟期的排水量取20 mm。將上述數(shù)據(jù)代入公式(4)，估算2008-2018年陜西省不同區(qū)域的農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量，計算結(jié)果見表1。

表1 2008-2018年陜西省不同區(qū)域的農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量 108 m3

3.3 能值貨幣比率

在能值分析理論的基礎之上，通過其基本操作流程與方式方法，收集并匯總陜西省各市、各地區(qū)社會經(jīng)濟和自然環(huán)境狀況數(shù)據(jù)，借助相關(guān)的計算公式以及能值轉(zhuǎn)換率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，編制出了相應的能值分析表。為了方便不同年份價值量的綜合對比，消除價格變動的因素，本文選用2005年為基準期，以不變價計算經(jīng)濟數(shù)值，并選用國內(nèi)生產(chǎn)總值指標替代國民生產(chǎn)總值指標。以2008年陜西省關(guān)中地區(qū)為例進行計算，陜西省關(guān)中地區(qū)2008年水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析結(jié)果見表2。

表2 2008年陜西關(guān)中地區(qū)水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表

根據(jù)能值分析表的能值流量指標，分別計算2008-2018年陜西省不同區(qū)域水資源生態(tài)系統(tǒng)的能值貨幣比率指標，計算結(jié)果匯總于表3。

表3 2008-2018年陜西省不同區(qū)域水資源生態(tài)系統(tǒng)主要能值指標匯總表

3.4 農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益估算

將上述計算得出的農(nóng)田灌溉蒸散發(fā)量、能值貨幣比率和相關(guān)參數(shù)代入模型(5)和(6)，分區(qū)域計算農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益，計算結(jié)果見表4。

由于本文所計算的農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益是通過蒸發(fā)量、蒸發(fā)潛熱和能值貨幣比率來實現(xiàn)的(蒸發(fā)量的大小主要取決于地區(qū)的灌溉用水量和種植結(jié)構(gòu)；蒸發(fā)潛熱的大小主要取決于地區(qū)的年平均溫度；能值貨幣比率的大小主要取決于各地區(qū)的資源利用程度和GDP高低)。因此，各地區(qū)的氣候調(diào)節(jié)價值不同。根據(jù)表4繪制出的2008-2018年陜西省不同區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益對比圖見圖1。由圖1可見，陜南、關(guān)中、陜北區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益差異較大，關(guān)中地區(qū)氣候調(diào)節(jié)價值最大，而陜北地區(qū)氣候調(diào)節(jié)價值最小。

表4 2008-2018年陜西省不同區(qū)域的農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益值

圖1 2008-2018年陜西省不同區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益對比圖

3.5 農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益影響因素分析

為探究不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益的差異性，分別將灌溉用水量、稻田種植面積、年平均溫度、蒸發(fā)能量和能值貨幣比率與不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。由表5可以看出：(1)陜南和關(guān)中各影響因素與氣候調(diào)節(jié)效益的相關(guān)性基本一致，但陜南地區(qū)水稻的種植面積對氣候調(diào)節(jié)效益影響較大，關(guān)中地區(qū)卻不明顯。這是由于陜南地區(qū)以種植水稻為主，關(guān)中地區(qū)幾乎全部種植旱作物，稻田的滲漏量和排水量直接影響蒸發(fā)量，進而影響氣候調(diào)節(jié)效益。說明氣候調(diào)節(jié)效益與種植結(jié)構(gòu)有關(guān)，種植結(jié)構(gòu)不同導致氣候調(diào)節(jié)效益不同；(2)陜南、關(guān)中地區(qū)與陜北地區(qū)各影響因素與氣候調(diào)節(jié)效益呈相反關(guān)系，這是由濕潤區(qū)域與干旱區(qū)域的氣候條件不同而導致的氣候調(diào)節(jié)效益不同；(3)能值貨幣比率對3個區(qū)域的氣候調(diào)節(jié)效益的影響均較大，相關(guān)系數(shù)達到顯著水平，說明能值貨幣比率是影響不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益的直接因素。

表5 2008-2018年陜西省不同區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益和各影響因素的相關(guān)系數(shù)

結(jié)合表3和4中的數(shù)據(jù)，分別繪制2008-2018年陜西省不同區(qū)域的氣候調(diào)節(jié)單方水效益值與能值貨幣比率的變化趨勢圖，結(jié)果見圖2，據(jù)此可以定量地分析陜西省各區(qū)域的社會、經(jīng)濟、環(huán)境的變化。由圖2可以看出，區(qū)域氣候調(diào)節(jié)單方水效益隨著能值貨幣比率的增長而減小。它反映了每年資源利用程度和經(jīng)濟發(fā)展程度的不同會導致貨幣購買力的不同。一般來說，能值貨幣比率越小，表明經(jīng)濟越發(fā)達，生活水平相對較高[26]?？傮w來看，陜西省3大典型區(qū)域的農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)單方水效益呈上升趨勢，一定程度上體現(xiàn)了氣候調(diào)節(jié)的貨幣價值與區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)達程度呈正比關(guān)系。

圖2 2008-2018年陜西省不同區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)單方水效益值和能值貨幣比率變化趨勢

4 結(jié) 論

綜上研究表明，農(nóng)田灌溉不僅可以帶來糧食增產(chǎn)的直接經(jīng)濟效益，而且還產(chǎn)生了外部生態(tài)效益。本文依據(jù)農(nóng)田灌溉水量、自然資源和經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，利用能值理論方法對陜西省3大區(qū)域農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益進行估算，并得出以下結(jié)論：

(1)關(guān)中農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益最大，陜北農(nóng)田灌溉氣候調(diào)節(jié)效益最小。陜南、關(guān)中和陜北平均氣候調(diào)節(jié)單方水效益分別約為0.011 0、0.035 0、0.006 9元/m3。

(2)不同區(qū)域種植結(jié)構(gòu)、灌溉用水量、經(jīng)濟發(fā)展水平程度等因素的不同會造成氣候調(diào)節(jié)效益值的差異。基于各影響因素與氣候調(diào)節(jié)效益相關(guān)顯著性比較，得出能值貨幣比率是影響不同區(qū)域氣候調(diào)節(jié)效益的關(guān)鍵要素。

(3)2008-2018年陜西省3大區(qū)域農(nóng)田氣候調(diào)節(jié)單方水效益總體呈上升趨勢，其中增長趨勢最為明顯的是關(guān)中區(qū)域，平均增長率為3.8%。氣候調(diào)節(jié)效益的變化與當?shù)孛磕甑馁Y源利用程度和經(jīng)濟發(fā)展程度緊密相關(guān)。