基于虚拟水概念的水改旱生态补偿标准确定研究——以重庆松藻矿区为例

成六三，时伟宇

(1.重庆工程职业技术学院 地质与测绘工程学院，重庆 江津 400037;

2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075)

1 研究背景

在过去的几十年里，我国经济实体得到了快速发展，已成为影响世界经济的重要要素。但同时也带来了相当多的生态环境问题，其中矿区的环境问题则显得特别突出，比如山西、陕西、内蒙古等煤炭生产大省，出现了大规模地面塌陷，造成了“有井无水，有田无种”等恶劣的生态环境［1－2］，已经给区域生态、经济和社会的可持续发展带来了严峻的挑战。

生态文明建设是当前及将来社会、经济和生态可持续发展的主线。煤炭工业在促进国民经济发展的同时所带来的一系列生态环境问题，已经产生了巨大的经济损失，据有关统计年损失约为2.8×1010元人民币［3］。如果从根本上对煤炭矿区生态环境问题进行有效治理将使矿区的可持续发展变得更加艰难，毕竟生态环境问题已不是单纯的自然科学的问题，而是更多地涉及到社会经济诸多因素，更是关系到区域生态、社会和经济协调发展的一个关键问题。这些问题要想行之有效，必须建立有效的生态补偿机制［4－6］。

生态补偿机制一直是生态学、经济学和社会学等关注的焦点问题之一。其中生态补偿标准的界定是难点［7］，虽然生态环境损失成本计算方法得到了不断发展和完善，特别是生态经济计量和生态系统服务功能计量方面，但基本上是针对林草地生态系统损失评估，其估算补偿数额非常巨大，在实际操作性方面受到较大的限制［8］。在煤炭塌陷区水改旱补偿的研究中，几乎全部的补偿方式采取土地生产效益补偿，这种补偿方式仅仅考虑了土地收益，忽视了水田生态系统的功能和作用，极其不利于矿区水田生态系统的保护。

本论文拟在运用“虚拟水贸易”理论来评估水改旱损失价值，把当前由生产补偿转变到生态补偿方式，唤起矿区群众对生态环境重视，将会更加有利于矿区环境保护的宣传，这对于矿区的可持续发展意义重大。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

松藻煤矿区(属于南桐煤田)地处渝黔两地交界处(E106°45'～106°51'，N28°38'～28°46')，东南面以煤层露头为界;北西面以六号煤层±0 m等高线(打通垭、大坪子、石壕、张狮坝、梨园坝井田)或12煤层－200 m(同华井田)、－500 m(松藻井田)等高线为界。除羊叉滩井田外，深部均为无限型井田。本区含煤地层为二叠系上统龙潭组，属海陆过渡带沉积，厚66～80 m，平均73 m。从1965年开始建设，矿区走向长26 km，倾斜宽1.1～11 km，面积约117.0 km2。经过50余年建设、技术改造和扩建，矿井设计生产规模为4 500 kt/a，2004年矿区实际生产原煤3 780 kt，成为重庆市主要的能源生产基地［9］。

矿区地貌主要有山地和丘陵，广泛分布可溶性石灰岩，属于典型的喀斯特地貌区，发育着形态各异和大小不一的溶洞、落水洞、岩溶漏斗等。水文地质条较复杂。矿区属于亚热带湿润气候，年均降雨量为1 240.9 mm，年均气温15℃，水田主要种植水稻。主要分布紫色土性水稻土，也有一部分紫色土、黄壤、石灰岩土、潮土等零星分布。

2.2 研究方法

2.2.1 文献收集材料

采用探地雷达与高密度电法探测水田中裂缝可能存在区域如图1和图2所示［7］。

图1 水田裂缝开始形成位置Fig.1 Position of fissures in the paddy field

图2 水田裂缝的弥合位置Fig.2 Position of fissures closing in paddy field

2.2.2 实地调查考察资料

(1)2011年对松藻矿区6个乡镇12个村进行了野外调查，从20世纪70年代采煤开始到现在，在塌陷区几乎近上千灌溉水田的溶洞泉水、井和泉相继出现严重萎缩和干涸。同时存在大量池塘也因裂缝的原因无法蓄水，从而导致采空塌陷区近3 800 hm2(1999—2008年SPOT遥感影像解译)的水田演变为旱地，即由种植水稻变为种植玉米、红薯或者撂荒。目前研究区给每公顷水改旱提供4 500元的损失补偿，但在与农户交流中，农户认为其补偿标准远不及以前水田的生产效益。另外，农户以前都吃自己的种植的水稻，现在要去市场购买水稻，一方面成本增加，另一方面在水稻的品质和饮食习惯受到影响。农户怨言较多，不利于矿区社会的安全与和谐建设。

(2)重庆地质矿产研究院松藻矿区塌陷区水田野外监测试验站提供的数据有:2011年(降水量800 mm)漏水水田与未漏水水田的灌溉水量与产量见表1;2011年对漏水水田(160样本)与未漏水水田(60样本)土壤层物理特性见表2。

表1 2011年松藻矿区塌陷区水田灌溉量和产量Table 1 Amount of irrigation water and output of paddy field in Songzao mining area in 2011

表2 2011年采煤塌陷区水田土壤物理特性Table 2 Physical properties of soil in paddy field in coal mining collapse area in 2011

2.2.3 虚拟水计算

对于任一种农作物产品的虚拟水含量计算公式如下［10］:

式中:CWR［e，c］为某区域 e作物 c产品需水量(m3/hm2)，是作物在整个生长过程中蒸散量ET的累积;CY［e，c］为作物产量(t/hm2);SWD［e，c］为该区域e作物产品c虚拟水含量(m3/t)。

依重庆地区水稻农作物和玉米的单位产品虚拟水含量［11］，计算出研究区每hm2水稻和玉米的虚拟水总含量(表3)。

表3 农产品虚拟水含量Table 3 Contents of virtual water of agricultural productions

2.2.4 生态经济法(机会成本法)

式中，E为采煤塌陷水田改旱的生态补偿的标准(元);M为水稻单产量(t/hm2);W为区域现行水价价格(元/m3)。

选一般市场2元/t水价(采煤塌陷区水价要高于一般市场水价)，可以直接计算出基于虚拟水理论的生态补偿标准。另外，对水稻和玉米的投资生产成本差价(生产收益)和矿区现实施补偿标准，就是在每hm2水改旱提供4 500元的损失补偿基础上，再实施生产收益33 750元/hm2和虚拟水14 130元/hm2的补偿标准。

3 结果分析

3.1 水田与水改旱生态系统土壤水循环

在采煤塌陷前后，水稻生长期间的水田生态系统水循环主要包括水田土壤表层以上的蓄水量水面蒸发、土壤蒸发、土/石坎侧渗、土壤下渗、降雨/灌溉水量以及农作物蒸腾量［12］(如图3所示)，其水循环的各个环节组成都是相同的。但各个环节的水循环过程中，土壤含水系统介质和水流系统要素不同程度地发生了某些变化。

图3 水田与水改旱生态系统水循环对比Fig.3 Comparison of water cycle between paddy field and dry land transferred from paddy field

首先，在采煤塌陷后水改旱后土壤表层以下，特别是犁底层及其以下出现了不同宽度的裂缝隙(图1)，但在土壤耕作表层裂缝隙会有不同程度弥合(图2)，其原因在耕作层表层土壤黏粒(﹤0.05 mm)比分在90%以上(表1)。通过耕作方式或者根系挤压作用使黏粒可以充填到一些黏粒级的裂隙当中;在耕作层表层未完全弥合裂缝隙存在，漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分别小 0.25～0.35 g/cm3，而平均孔隙度大 8.6%～11.1%。

其次，一般情况下，水田犁底层较为坚硬密实，土壤具有一定的片状结构，在一定程度上起着隔水层的作用，保护水稻耕作层土壤水库。但采煤塌陷后在犁底层和淀积层或其以下层，甚至到基岩也出现不同程度裂缝隙(图1)，是由于漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分别小0.35～0.6 g/cm3，而平均孔隙度大11.1%～17.9%(表1)。从表2可以看出，水田漏水在犁底层均入渗率变化起伏较大，即8.73×10－4～139.78 ×10－4cm/s之间，这表明裂缝贯穿犁底层以下可能性较大;而未漏水水田入渗率维持在5.3×10－4cm/s，比较平稳。犁底层及其以下土层裂缝隙的存在，将直接导致耕作层根系“小水库”的土壤重力水流的捷径式快速渗漏。据实地考察，在几块大约36 m2水田，灌溉水田土壤表层10 cm蓄水，大约3～7min水就完全渗漏掉。水稻根系就会很难吸收到土壤水分，这样造成水稻因“缺水”严重减产，甚至枯死，最终演变退化为旱田。据实地考察研究自1999年以来，已有3 800 hm2水田改旱。

再次，从水田灌溉水的来源环节看，由于采煤塌陷造成不同岩层发生裂隙，致使原有地下水运移通道和储存介质发生变化，最终导致依靠泉和溶洞水来水通道破坏，出现泉水、井水和溶洞水逐渐干枯。在调查中得知，自20世纪70年代来，塌陷区近上千大小泉井和溶洞都干枯了，同时饮水都面临困难，蓄水的池塘开裂也无法蓄水干涸。

最后，从水田漏水种植水稻的灌溉水量看，未漏水的水田灌溉水量要比漏水的水田少灌溉2 397 m3/hm2。由表2分析，如果水田土壤犁底层出现最大的稳定入渗系数139.78×10－4cm/s，那么灌溉水量会更多。另据有关研究［9］表明，在研究区有70%以上犁底层稳定入渗系数在100×10－4cm/s以上，对采煤塌陷区水田灌溉就要有相当大水量的来源，否则只有改旱。

总之，采煤塌陷区水改旱不仅仅表现在产量和秸秆干重分别减少85.5 kg/hm2和220.5 kg/hm2上，而且还体现在不同层次的土壤物理性质、水循环要素的变化上，所以采煤塌陷后把一个健康水田生态系统退化到一个旱地生态系统。

3.2 水改旱生态补偿标准的确定

目前，经查阅相关文献资料，因采煤塌陷水改旱补偿标准确定几乎都是采用水田与旱田产量之间的差异确定的。这种补偿方式不能完全体现出水田含水系统和水流系统受损退化。这种退化最主要由于水田土壤隔水层功能的损毁不能蓄水。现将这部分水要素和水稻生产效益结合起来考虑，引入虚拟水理论，从农作物的生产角度定义虚拟水的量就是农产品的生产用水量。而水资源管理的目的都是为了解决水资源短缺问题，实现“自然资源的恢复重建”，即自然资源的提取率低于自然资源的可持续性状态［13］。

表3可以看出生产每公斤水稻比玉米虚拟含水量多0.24 m3，每hm2总多出471 t水量，相当于一亩地蓄高691 mm水量;每hm2水稻收益比玉米多33 750元，几乎是玉米的3.6倍收益。这与现行水改旱补偿标准4 500元/hm2而言，仅仅是水稻与玉米生产效益差的1/7。对此矿区农户怨言较多，非常显而易见。由表4得每hm2水稻比玉米的虚拟水价值多20 610元，是生产效益差的3/5，现行补偿标准的4.5倍(表4)。这3种补偿标准相差较大，对于补偿主体而言，补偿标准越少越好，对于补偿客体而言，补偿标准越多越好。而虚拟水生态补偿标准不仅能够体现水田生态环境受损价值，而且能够协调平衡补偿主客体之间的利益。

4 结论与讨论

采煤塌陷区水改旱是水田生态系统退化主要的表现形式，具体表现在水田土壤犁底层蓄水损坏及其水流以捷径式快速下渗流失，造成水田犁底层“保水”功能基本丧失，迫使漏水水田改为旱地生产模式。

运用“虚拟水”概念来确定采煤塌陷区水改旱生态补偿标准(虚拟水)的方法，是对矿区生态补偿标准确定的一种有意义的探索，这对于区域生态补偿政策制定有重要的现实参考价值。

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