不同发展路径下县南沟流域农业产业-资源系统优化

李茂森,王继军,2,成思敏,李 玥,乔 梅

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌712100; 3.中国科学院大学,北京100049)

1999年，县南沟作为退耕还林的试点流域，认真落实党中央的“退耕还林(草)”政策,截至2015年，该流域共退耕还生态林634.14 hm2,荒山造林587.07 hm2，流域内的碳汇储量得到了显著增加[1]。但资源并没有得到充分合理利用，资源与产业不相协调现象依然存在[2-3]，资源短缺与资源浪费并存，其本质集结在以农用地为核心的第一产业与以农用地为承载的资源间的矛盾运动过程中，所以，本研究区域的农业产业—资源系统优化问题主要集中于农用地的优化配置及相关方面。

科学的农用地优化配置其目的则应是以生态适宜性为基础的农业产业经济效益最大化。随着清洁发展机制(简称CDM)的实施与不断完善，碳汇这种农业中只具有生态服务功能的资源，实现其经济价值成为可能，即碳汇产业成为可能[4]。而将碳汇产业这种能使生态服务功能经济显化的产业融入到农业产业—资源系统优化中，对于现阶段以农用地为核心的农业生产与资源保护矛盾、农业资源利用率低、农业产业—资源系统内链网结构不完善、农业生态系统和社会经济系统处于相悖态势[5-6]的状况会起到很好的改善作用。

而随着国家对生态文明建设的重视和城镇化率的不断提高[7-8]，为了维持和提高农业生产力，流域农业必定朝着低碳、环保以及高效、高产的生产模式发展。为了促使这种改善和适应未来农业的发展模式，我们将碳汇产业融入到农业产业—资源系统优化中，根据对流域未来可能发展路径的预测，设计各发展模式下的不同情景。在保持生态系统稳定的前提下，发挥流域资源的最大使用价值，对流域的农业产业—资源系统进行优化。

1 研究区概况

县南沟流域位于延安市北部，安塞县沿河湾镇内(东经109°12′12″—109°22′12″，北纬36°41′24″—36°46′12″)。流域内梁峁起伏、沟谷纵横，最高地海拔为1 404 m,最低点海拔为1 012 m，平均海拔为1 219 m。该区域年降水量为500～550 mm，降雨年分配不均，主要集中在7—9月，年平均气温8.8℃，属暖温带大陆性干旱半干旱气候。流域内共有5个行政村(砖窑沟、方家河、畔坡山、崖窑、寨子湾)和1个自然村(何塌)。到2015年，共有农户544户，人口2 534人。流域内产业分为粮食、经济作物、果园和畜牧养殖业，其中粮食作物主要以玉米为主，其次为薯类，以及部分小米及杂粮类作物；经济作物主要为设施大棚、弓棚种植的蔬菜、瓜类等；果园主要以苹果为主，以及少量山杏、枣树、核桃等经济树种；畜牧养殖业主要为舍施养羊，以及个别养猪场、养鸡场等。流域林地绝大部分为刺槐林，多数从1999年退耕还林开始栽种，树龄基本在10 a以上。

2 研究方法和数据来源

2.1 农用地的适宜性结构

县南沟流域总面积为4 426.04 hm2，现阶段土地利用类型中规模最大的为荒草地，面积2 243.60 hm2；其次为林地，面积1 589.30 hm2；流域耕地面积377.37 hm2；果园面积148.86 hm2；水域、居民区等非生产用地面积66.91 hm2。从县南沟流域农用地生态适宜性评价结果得到各适宜性土地利用类型面积为：宜耕宜园地面积225.46 hm2；宜耕地面积405.68 hm2；宜林宜园地面积156.96 hm2；宜园地面积773.15 hm2；宜林宜草地面积881.43 hm2；宜林地面积409.91 hm2；宜草地面积1 490.00 hm2；不适宜和非生产用地面积83.43 hm2[9](表1)。

2.2 农业产业经济系数确定

2.2.1 农业产业经济品经济系数的确定 利用本课题组县南沟流域研究数据，以近5 a农业产业经济品单位面积纯收入的年平均值作其经济系数(表2)。

表1 县南沟流域农用地适宜性

2.2.2 碳汇价值的确定 由于目前尚缺乏公认的碳汇价值的计算方法，国内对于碳汇价值的计算一般采用碳税法和造林成本法[10]，但由于碳税法相较于造林成本法价值量过高，因此取碳税率和造林成本的平均价值作为碳汇价格[11]。碳汇率采用国家林业局的推荐使用价格1 200元/t C[12]，造林成本采用国家林业部公布的数据240.3元/m3，换算后为260.9元/t C[11]。

2.2.3 农业产业碳汇系数计算与碳汇经济系数确定 根据农作物碳吸收计算公式[13-14],得到粮食、经济作物碳汇系数分别为：粮食作物2.787 t/(hm2·a),经济作物为1.725 t/(hm2·a)。而苹果则参照苹果树异速生长方程[15]以其整个种植周期(以25 a计)年平均净碳汇量作为苹果产业碳汇系数2.319 t/(hm2·a),其中果实碳汇系数为1.207 t/(hm2·a)。

表2 农业产业经济品经济系数

流域内林地树种主要以刺槐为主，对于刺槐生物量的测算采用国家林业局公布的刺槐异速生长方程[16]，以退耕栽种时刺槐存活密度的均值(1 492株/hm2)作为林分密度，由于在树龄37 a后生物量的连年生长量低于平均生长量[17]，所以以37 a作为刺槐生长年限，得到林业碳汇系数为1.075 t/(hm2·a)。由于流域退耕还林栽种的经济林树种基本无管理且种植密度与生态林相同，所以本文经济林净碳汇效益与生态林相同。流域草地自从退耕还林以来一直处于封育状态，根据程积民等[18]对黄土高原草地植被碳密度的研究,以0.288 t/(hm2·a)作为本文草地的碳汇系数。养殖业为碳排产业，流域养殖牲畜主要为山羊，年碳排量约为0.010 t/(只·a)[19]。根据每tC的碳汇价值和各产业的碳汇系数可得农业产业碳汇经济系数(表3)。

表3 农业产业碳汇经济系数

2.3 优化模型的建立与求解

2.3.1 建模思路 为了解决现阶段县南沟流域农业产业—资源系统不相协调的现实问题以及规划流域未来最优发展模式，根据流域生态适宜性评价结果，以农用地土地利用类型适宜性范围设置约束条件，以农业产业经济收入最大化为目标构建目标函数，对于流域可能的不同发展情景，通过一定的方法和技术手段得到最优解，最终得到优化配置的方案。

2.3.2 决策变量 决策变量包括农业产业和农业资源的配置量，具体分为两大类，一是分配给种植业、林业和牧草地的农用地使用面积，二是养殖业各牲畜的养殖数量。

2.3.3 目标函数 农业产业—资源系统最优化发展，必定是保持农业生态适宜性稳定下的农业产业经济效益最大化，所以目标函数的确定应是以农业生态适宜性为基础，实现农业产业经济效益最大化。目标函数为：

式中：F为流域纯收入(元)；i为农业产业类型；Ci为第i种农业产业的经济系数；Xi为第i种农业产业的农用地面积或数量(hm2，只)；n为农业产业的种类数量。

2.3.4 约束条件 以县南沟流域农用地生态适宜性评价结果为基础，结合流域的发展现状，产业结构与规模，以资源有效利用和可持续发展为前提，以实现流域生态经济效益最大化为目标，设置约束方程。

(1) 总农用地面积约束。各产业农用地面积之和应不大于适宜性农用地总面积。

式中：Xi为第i种农业产业的农用地面积(hm2)；m为土地类农业产业的种类数量，m=6。流域适宜性农用地总面积为4 342.59 hm2。

(2) 种植业面积约束。X1为粮食作物面积，X2为大棚、弓棚、大田西瓜等经济作物面积，由于大棚、弓棚等经济作物对农用地要求苛刻只能在川地和坝地上种植，所以设置X2应不超过现有川地、坝地适宜性耕地的总面积，即58.08 hm2；根据生态适宜性评价的结果，粮食、经济作物总面积应不超过适宜性耕地的总面积，即631.14 hm2；X3为苹果园面积，为了保证苹果园的高产应将其种植在高度适宜宜园地内，即X3应不超过573.34 hm2；X4为经济林面积，由于高度适宜宜园地种植苹果，所以经济林面积应不小于其余仅宜园地面积，即329.51 hm2，果园和耕地总面积应大于只适宜于耕地和果园的总面积，即960.03 hm2，且不大于适宜性面积的总和，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) 生态林、草地面积约束。由于生态林和草地在水土保持与环境保护方便具有重要作用，根据县南沟农用地生态适宜性评价的结果，县南沟流域生态林地面积X5应大于仅宜林地面积，且不高于适宜性评价结果中宜林地总面积。同样草地面积X6，也应保持在县南沟农用地生态适宜性评价宜草地范围内，即：

409.91≤X5≤1448.30

1490.00≤X6≤2371.43

2781.34≤X5+X6

(4) 养殖业牲畜约束。由于县南沟流域内几乎不种植人工草地，牲畜的饲料主要以刈割天然饲草为主。为了提高流域资源的利用率，加之流域内养殖类型主要为养羊，本文设定牲畜饲料量全部由天然草地提供，根据孔正红研究[20]县南沟流域改良后天然草地年产鲜草可达4 500 kg/hm2，根据对专家的咨询草地利用率以50%计，则流域天然草地载畜量为1.03只/hm2。为了保持生态稳定性，坡度25°[21-22]以上适宜性草地不作为饲草使用，所以令养殖业养羊数量X7约束条件为：

X7≤1.03(X6-458.97)

2.3.5 可能的发展路径 为了促进流域高效、稳定、可持续发展，在国家生态文明建设，以及城市化进程的背景下，根据县南沟流域发展现状，以流域生态适宜性评价结果为基础，可设置3个模式7种情景，分析碳汇产业融入前后流域农业产业—资源系统优化后各生产要素配置状况。

(1) 模式Ⅰ：现状发展模式。情景A，即现状态情景。在此发展情景下不考虑碳汇产业的融入，目标函数经济系数C为农业产业经济品经济系数值，即目标函数为：

式中：C1i为第i种农业产业的农业产业经济品经济系数。

(2) 模式Ⅱ：碳汇产业发展模式。由于农业作物的部分碳汇最终被人类消耗或焚烧又释放回大气中，所以对农业作物是否具有碳汇价值还有待商榷，所以在此模式设置两个情景：含农业经济品(粮食、蔬菜、水果)碳汇情景(B-1),不含农业经济品碳汇情景(B-2)，此时目标函数中的经济系数C为碳汇经济系数和农业产业经济品经济系数的和，即目标函数为：

式中：C2i为第i种农业产业的碳汇经济系数。

情景B-1，该模式情景下碳汇产业已经融入到农业产业—资源系统中，且农业作物的全部碳汇都具有经济效益。

情景B-2，在该情景下，碳汇产业也已融入到农业产业—资源系统中，但农业作物中除了粮食作物根系与果树的树体外其他不具有碳汇价值。由于粮食作物主要以玉米为主，大棚、弓棚则以蔬菜为主，参考《省级温室气体清单编制指南》(发改办气候[2011]1041号)玉米根冠比为0.17，蔬菜为0.25。由于粮食和经济作物在种植过程中使用的化肥、农药产生大量的碳排放，根系碳汇根本无法弥补这部分碳排，所以在此情景下粮食和经济作物碳汇价值为负值，得到粮食作物碳汇经济系数为-61.19元/(hm2·a)，经济作物碳汇经济系数为-832.52元/(hm2·a)，此时苹果园碳汇经济系数为果园总碳汇减去果实碳汇的值，其值为812.26/(hm2·a)。

(3) 模式Ⅲ：生态经济系统优化耦合发展模式。为了符合国家、社会以及流域发展的需要，在此模式下将根据流域未来发展趋势设置两种发展情景：一种是以农林特产为主的农户普通种植情景(C-1)，另一种是在城乡一体化进程下的企业(家庭农场)规模化种植情景(C-2)。此时目标函数中的经济系数C同样为碳汇经济系数和农业产业经济品经济系数的和，即目标函数为：

情景C-1，由于县南沟流域位于黄土高原丘陵沟壑区，流域内梁峁起伏，沟壑纵横，地形破碎，大规模机械化的农业发展形势很难实现，和平原区的农业相比，县南沟流域农业的发展受到了很大限制。但由于山区得天独厚的气候环境，为一些农林特色产业创造了很好的生产条件，使其可以生产出品质优良的农林作物，提高经济价值，如山地苹果、小米、荞麦等。

对于该模式的农业发展，粮食作物将不再以玉米、土豆为主，而是以小米、荞麦等五谷杂粮为主，对于适合于发展苹果的农用地将大力发展苹果产业。同时杂粮使用生态绿色的种植方式，即肥料以绿肥、农家肥为主，杀虫剂为低毒或无毒，从而生产出无公害、有机的特色农产品。通过对农户的走访，农林特产在销售价格上是以高于同类普通农产品2～3倍出售，而效益上将达到普通农产品的1.5倍，所以此时粮食作物的农业产业经济品经济系数可达到22 017.14元/(hm2·a)。

在C-1情景下也将设置含农业经济品碳汇(C-1-1)和不含农业经济品碳汇(C-1-2)两个亚情景。由于该情景下粮食作物种类及耕作方式的改变碳汇系数也随之变化，所以此时C-1-1粮食作物碳汇经济系数为4 028.53元/(hm2·a)，C-1-2粮食作物碳汇经济系数为382.06元/(hm2·a)。

情景C-2，随着国家城镇化率的不断提高，农村人口急剧减少已成为现阶段农村的主要社会现象，但随着农村人口的减少，为了维持和提高农业生产力，农业向高效、高产发展将成为必然趋势。采取个人、企业大规模承包的方式发展现代农业即是现阶段农村农业发展的普遍走向，也是未来农村农业发展的普遍方式。

在此情景下，由于全部采取雇佣劳力的方式，再加上个人、企业投资资金充足，流域内川、坝地将全面种植大棚等高效设施农业，其余耕地将继续发展农林特色产业，同时果园也将全面采用滴灌、粘虫板、防雹网等现代农业科技措施的管理方式。在此模式下由于常住农户减少，所以经济林主要发挥其生态价值，牲畜蓄养则以养殖厂的形式存在，但不在流域内而在地势更加平坦交通更加方便的区域。同时设置含农业经济品碳汇(C-2-1)和不含农业经济品碳汇(C-2-2)两个亚情景，同样由于经济作物种植方式的改变，此时C-2-1经济作物碳汇经济系数为5 762.76元/(hm2·a),C-2-2经济作物碳汇经济系数为-3 389.69元/(hm2·a)，农业产业经济品经济系数见表4。

表4 C-2-2农业产业经济品经济系数

2.4 数据来源与模型运算

各产业投入产出情况、经济收入和面积数据来自课题组2010—2015年调研数据的累积；果树以及刺槐碳汇价值的测算数据来自2014—2015年8—10月的野外测量、采样及室内试验；本模型运算使用线性规划软件lingo 11.0计算完成。

3 结果与分析

县南沟流域农业产业—资源系统的优化结果(表5)可以看出，优化后各个模式流域的经济效益会显著提高。从各模式来看，由于对现阶段流域农业产业—资源系统的优化对系统生产要素进行了合理配置，改变了系统相悖态势，使模式Ⅰ流域经济效益得到了显著提升；模式Ⅱ由于碳汇产业的加入使碳汇具有了经济效益，不仅总的经济效益进一步提升，碳汇效益也得到了很大提高，同时系统生产要素配置也得到了进一步优化；而模式Ⅲ在模式Ⅱ发展的基础上改善了流域种植方式，提高了农业生产力，经济效益最有显著(图1)；在碳汇产业融入系统以后，在是否含有农业经济品碳汇情景上，由于在含有农业经济品碳汇情景中，对粮食、经济作物进行了优化，生产效率提高，流域碳汇效益呈增长趋势。但在不含农业经济品碳汇情景中，由于生态林、草地等净碳汇产业的存在，流域碳汇效益则趋于稳定(图2)。

模式Ⅰ，情景A，虽然优化后流域经济效益得到了很大的提升，但生态林面积相比于优化前是有较大减少的，这主要是在以经济发展为主要目的的流域发展模式下，在没有碳汇产业的加入，生态林几乎不具有经济价值，致使部分生态林向经济林、果园、耕地和草地进行了转化，虽然该情景在生态适宜性范围内，但并不符合国家生态文明建设的需要，也不符合流域发展的持久稳定，所以该情景仅仅是理论上的结果，并不可能真正出现。所以，如何发挥生态林的经济效益是一个发展方向，碳汇产业的融入就很好的解决了这个问题。

模式Ⅱ，不管是否含有农业经济品碳汇，由于碳汇产业融入农业产业—资源系统，各个产业都附带了碳汇价值，从而导致流域各产业经济系数改变，流域生产要素进行了重新分配。在此模式下，生态林的碳汇经济效益已大于由草地所带来的畜牧业经济效益，生态林面积相比于模式Ⅰ大幅度提高，流域生态效益显著提升。而且即使在不含农业经济品碳汇情景中，流域内粮食作物和经济作物都以碳源的形式存在，流域碳汇效益依然良好，所以此模式各个情景都能作为可行的发展情景使用。

模式Ⅲ，作为模式Ⅱ发展下的最终状态，在情景C-1中由于黄土高原丘陵沟壑区本身的自然环境，根据因地制宜的原则选择了农林特色产业的发展情景。在此情景下流域农业产业—资源系统生产要素在优化配置上相较于模式Ⅱ并没发生改变，但由于农林特产的高效益流域总的经济效益增长显著(图2)。而且由于绿色、有机的生产方式，降低了耕作过程中的碳排放，流域碳汇效益也得到了相应提升。而在情景C-2个人、企业大规模承包的方式下，由于有更好的资金、技术和人力的投入使流域农业生产力得到了巨大提升，经济效益增长显著。不过在情景C-2不含农业经济品碳汇情景中，流域碳汇效益相比于情景C-1则有所减少，原因是高效的生产模式下大量农药化肥的使用导致了大量碳源物质的释放，在不含农业经济品碳汇情景下，流域经济作物产业成为了一个巨大的碳源，降低了流域的碳汇效益。但由于此情景下流域生态林、天然草地等净碳汇产业依然保持着较大规模，流域总的碳汇效益影响不大。

表5 各情景优化结果

图1 流域各模式经济效益变化

图2 流域各模式碳汇经济效益变化

4 结 论

(1) 生态文明建设是我国今后发展的重要方向、重大领域和重大任务[23]。发展低碳农业不仅是中国农业本身可持续发展的需要，而且也是中国应对气候变化的战略选择[24]。将碳汇产业融入农业产业—资源系统，首先农业产业—资源系统生产要素配置将发生改变，生态林等具有较强碳汇能力的农业产业面积将得到不同程度的增加。其次，在经济利益的刺激下，农民将自发选择低碳生产的方式来进行农业活动，在大幅度提升流域碳汇效益的同时流域经济效益也会得到相应增长。这样的发展情景不仅符合国家生态文明建设的需求，也符合国家低碳发展的需求。

(2) 随着国家社会的不断发展，国民在农产品需求上将越来越倾向于选取绿色、有机、且具有地方特色的产品，而且在农业生产上，随着城乡一体化的不断推进，农业生产也将朝着高效、高产的方式转变。所以农林特产和高效、高产的农业发展模式是未来农业发展的主要方向。模式Ⅲ作为模式Ⅱ发展下的最终状态，从C-1情景的优化来看，绿色、有机的种植方式不仅能生产出绿色无公害的农业产品，同时也降低了农业生产过程中的碳排放，增加了碳汇效益，在满足国民对绿色食品需求的同时也满足了国家低碳发展的需要；但从C-2情景的优化来看，高效、高产的生产方式也必将带来高碳排，所以此情景在生产要素的配置上必须严格遵循生态适宜性评价的结果，保证生态林、草地等主要碳汇产业在流域中的主导地位，最大限度的发挥生产要素的使用价值。只有这样才能在大幅度提升流域经济效益的同时保持流域的碳汇效益与生态效益，保证流域发展的长久稳定。