基于能值理论方法的农田灌溉气候调节效益估算

2021-01-29何冰晶王双银杨建国程冬玲贾子烨

水资源与水工程学报 2020年6期

何冰晶，王双银，杨建国，程冬玲，贾子烨

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨陵 712100)

1 研究背景

农业在我国的产业中处于基础地位，灌溉在农业生产过程中是重要的一环，这就要求提供丰沛的农田灌溉，只有这样才能保障农业生产能够持续性地向好向稳发展[1]。通常人们只关注农田灌溉所带来的直接效益(粮食增产、农民增收等)，忽略了其间接效益(气候调节、土壤净化等)。生态环境正效益一直被整个区域所享用，却没有在市场交易中体现。因此研究农田灌溉气候调节效益，有利于明确农业供水成本分担关系，对促进乡村振兴和保障粮食安全、水安全具有重要的意义。

近年来，随着我国社会经济的飞跃式发展，社会公众对于物质层面以及精神层面上的追求与日俱增，对生态环境问题的关注度也越来越高。国内外学者对气候调节生态服务价值的研究主要集中在湖泊、河流、草地、湿地、森林等领域[2-8]，而对农田灌溉所带来的气候调节效益鲜有研究。

目前，研究农田灌溉水蒸发产生的降温增湿效益的方法主要有3种，即当量因子法[9-10]、替代市场法[11-12]、能值分析法[13]。其中能值理论分析方法能够在一定程度上避免人为影响及随机性[14-15]，它在反映生态效益的客观性方面的优势是无法被替代的。同时由于能值分析方法在旱作物灌溉气候调节效益的研究中，尤其是在反映旱作物和稻田作物灌溉气候调节效益的时空差异性方面应用较少，故有较好的研究价值。

基于以上背景，结合农业、灌溉、气象、水文、生态经济等相关学科理论，以陕西省为例，从时间和空间上利用能值理论方法构建农田灌溉气候调节效益模型，并对主要旱作物和水稻灌溉气候调节效益进行评估，为陕西省灌区供水效益分析和水价分担提供理论依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

农田灌溉用水量数据来源于《2008-2018年陕西省水资源公报》，自然资源和经济数据来源于《2009-2019年陕西省统计年鉴》《2018年陕西省区域统计年鉴》《2008-2018年各市(区)国民经济和社会发展统计公报》和《2019年中国统计年鉴》。

2.2 能值理论方法

能值理论是对自然资源及其社会和经济活动进行定量评估相对科学合理的理论，它最初是由美国著名专家Odum教授提出的，当前已经广泛应用于社会、生态、经济领域的系统性研究中。该理论基于太阳能的能值，利用能值转化率将许多种类的不可比较的能量转化为相同体系下的太阳能能值，在更深层次上对资源、环境以及一系列的经济活动进行计量以测算真实价值[16]。换算计算公式为：

EM=τB

(1)

式中：EM为能值，sej；τ为能值转换率，sej/J或sej/g，本文取值参照文献[17]；B为能量或物质的质量，J或g。

在效益价值定量计算中，效益能值与其相应的货币价格之间存在定量关系，计算公式为：

(2)

式中：P为效益能值对应的价值，元；EDR为能值货币比率，sej/元，其值由研究区全年所利用的太阳能值与国民生产总值之比确定[18]。

2.3 农田灌溉气候调节效益分析方法

作物在生长过程中，通过植株蒸腾和棵间蒸发的作用，将植物体内的水分和土壤水分以气体形式扩散到空气中去，为此消耗热量，从而降低温度增加湿度[19]，体现了气候调节功能。农田灌溉总蒸散发能量为：

EB=106L·ET

(3)

式中：EB为农田灌溉总蒸散发能量，J；L为蒸发潜热(本文采用文献[20]中蒸发潜热公式，即L=2500-2.2T，其中T为年平均温度，℃，J/m3；ET为农田灌溉总蒸散发量，m3。

农田灌溉分为旱作物灌溉和稻田灌溉。对于旱作物，净灌溉用水量全部作用于植物蒸散发量；对于稻田，灌溉用水量除了用于植株蒸腾和棵间蒸发外，还有一部分消耗于田间渗漏。适当的渗漏量起到促进土壤通气和消除有毒物质等作用，有利于水稻生长[21]，这部分水量不计入稻田蒸散发量。在水稻生长发育期内需要进行灌溉排水，分为分蘖期晒田排水和黄熟期落干排水，其排水量也不能计入稻田蒸散发量。因此稻田净灌溉用水量除去田间渗漏量和排水量则为稻田的蒸散发量。

对于整个农田灌溉而言，其作物的蒸散发量为：

ET≈I-∑10(Fd+D)·A稻田

(4)

式中：I为农田净灌溉用水量，m3；Fd为稻田渗漏量，mm；D为稻田排水量，mm；A稻田为稻田灌溉面积，hm2。

结合公式(1)、(2)和(3)，可得到不同年份不同区域农田灌溉气候调节总效益(价值)和单方水效益(价格)模型：

(5)

(6)

式中：P(ij)为不同年份不同区域气候调节总效益值，元；EBij为不同年份不同区域气候调节效益能量，J；τs为蒸发能值转化率，sej/J，取τs=12.2 sej/J[13，17]；EDRij为不同年份不同区域能值货币比率，sej/元；Pcr (ij)为不同年份不同区域气候调节单方水效益值，元/m3；Wij为不同年份不同区域的农田灌溉用水量，m3。

3 实例研究

3.1 研究区域概况

陕西省位于我国西北部，属于大陆季风性气候，根据地理气候可由北向南分为陕北、关中和陕南3大区域。由于横跨3个气候区，南、北气候之间存在显著差异，水资源分布不均衡，农作物种植结构差别较大。全省年平均气温由北到南逐渐升高，多年平均气温为5.9 ℃～15.7 ℃，季节和昼夜温差大；年平均降水量呈现明显的南多北少态势,全省多年平均降水量为666.9 mm，降水主要集中在7-8月份[22]；陕北和关中地区以种植旱作物为主，陕南地区以种植水稻为主。

水利灌溉事业的发展对我国农业生产具有举足轻重的作用，陕西省因其独特的地理位置与自然环境，在农业灌溉领域有着悠久的历史和丰富的经验。截止2018年底，全省大、中、小灌区共有187个，总耕地面积301.466×104hm2，总灌溉面积143.179×104hm2，全年农田灌溉用水量47.21×108m3，关中、陕北和陕南农田灌溉用水量分别占52.21%、10.15%和37.64%。

3.2 农田灌溉蒸散发量的估算

根据前文构造的农田灌溉蒸散发量估算模型可知，由于旱作物和水稻的灌溉水消耗途径不同，在估算农田灌溉蒸散发量时只考虑稻田排水量和渗漏量。陕西省水稻整个生长期在5月下旬至9月中旬，大约115 d[23]，再加上此前5～10 d的泡田时间，共约120 d。本文计算稻田渗漏量时，陕南地区平均渗漏量取3.81 mm/d，关中地区取2.5 mm/d，陕北地区取4.9 mm/d[24]。水稻在分蘖期和黄熟前期控制水层在0～40 mm[25]，分蘖末期和黄熟期的排水量取20 mm。将上述数据代入公式(4)，估算2008-2018年陕西省不同区域的农田灌溉蒸散发量，计算结果见表1。

表1 2008-2018年陕西省不同区域的农田灌溉蒸散发量 108 m3

3.3 能值货币比率

在能值分析理论的基础之上，通过其基本操作流程与方式方法，收集并汇总陕西省各市、各地区社会经济和自然环境状况数据，借助相关的计算公式以及能值转换率，经过数据处理之后，编制出了相应的能值分析表。为了方便不同年份价值量的综合对比，消除价格变动的因素，本文选用2005年为基准期，以不变价计算经济数值，并选用国内生产总值指标替代国民生产总值指标。以2008年陕西省关中地区为例进行计算，陕西省关中地区2008年水资源生态经济系统能值分析结果见表2。

表2 2008年陕西关中地区水资源生态经济系统能值分析表

根据能值分析表的能值流量指标，分别计算2008-2018年陕西省不同区域水资源生态系统的能值货币比率指标，计算结果汇总于表3。

表3 2008-2018年陕西省不同区域水资源生态系统主要能值指标汇总表

3.4 农田灌溉气候调节效益估算

将上述计算得出的农田灌溉蒸散发量、能值货币比率和相关参数代入模型(5)和(6)，分区域计算农田灌溉气候调节效益，计算结果见表4。

由于本文所计算的农田灌溉气候调节效益是通过蒸发量、蒸发潜热和能值货币比率来实现的(蒸发量的大小主要取决于地区的灌溉用水量和种植结构；蒸发潜热的大小主要取决于地区的年平均温度；能值货币比率的大小主要取决于各地区的资源利用程度和GDP高低)。因此，各地区的气候调节价值不同。根据表4绘制出的2008-2018年陕西省不同区域农田灌溉气候调节效益对比图见图1。由图1可见，陕南、关中、陕北区域气候调节效益差异较大，关中地区气候调节价值最大，而陕北地区气候调节价值最小。

表4 2008-2018年陕西省不同区域的农田灌溉气候调节效益值

图1 2008-2018年陕西省不同区域农田灌溉气候调节效益对比图

3.5 农田灌溉气候调节效益影响因素分析

为探究不同区域气候调节效益的差异性，分别将灌溉用水量、稻田种植面积、年平均温度、蒸发能量和能值货币比率与不同区域气候调节效益进行相关性分析，结果见表5。由表5可以看出：(1)陕南和关中各影响因素与气候调节效益的相关性基本一致，但陕南地区水稻的种植面积对气候调节效益影响较大，关中地区却不明显。这是由于陕南地区以种植水稻为主，关中地区几乎全部种植旱作物，稻田的渗漏量和排水量直接影响蒸发量，进而影响气候调节效益。说明气候调节效益与种植结构有关，种植结构不同导致气候调节效益不同；(2)陕南、关中地区与陕北地区各影响因素与气候调节效益呈相反关系，这是由湿润区域与干旱区域的气候条件不同而导致的气候调节效益不同；(3)能值货币比率对3个区域的气候调节效益的影响均较大，相关系数达到显著水平，说明能值货币比率是影响不同区域气候调节效益的直接因素。

表5 2008-2018年陕西省不同区域农田灌溉气候调节效益和各影响因素的相关系数

结合表3和4中的数据，分别绘制2008-2018年陕西省不同区域的气候调节单方水效益值与能值货币比率的变化趋势图，结果见图2，据此可以定量地分析陕西省各区域的社会、经济、环境的变化。由图2可以看出，区域气候调节单方水效益随着能值货币比率的增长而减小。它反映了每年资源利用程度和经济发展程度的不同会导致货币购买力的不同。一般来说，能值货币比率越小，表明经济越发达，生活水平相对较高[26]。总体来看，陕西省3大典型区域的农田灌溉气候调节单方水效益呈上升趋势，一定程度上体现了气候调节的货币价值与区域的经济发达程度呈正比关系。