基于氮流失控制的種植結構調整與配套生態補償措施*
——以竺山灣小流域為例

王 芊 武永峰 羅良國

（農業清潔流域創新團隊，農業部農業環境重點實驗室，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

基于氮流失控制的種植結構調整與配套生態補償措施*
——以竺山灣小流域為例

王 芊 武永峰 羅良國?

（農業清潔流域創新團隊，農業部農業環境重點實驗室，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

通過實地和查閱文獻的方式調研了竺山灣小流域稻麥、蔬菜和果樹的常規生產、清潔生產模式下的經濟效益和氮（N）素流失等數據，采用線性優化模型，統籌考慮經濟收益最大和污染排放總量控制，根據N流失總量高低對竺山灣小流域種植業結構設置了五種情景（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ）進行調整。情景Ⅰ以經濟收益最高為目標，情景Ⅱ、Ⅲ分別在削減情景Ⅰ設定的N流失量20%和30%的約束下，各自實現其經濟收益最高的兩個情景。對于情景Ⅱ和情景Ⅲ，其N投入量、N流失量分別為6 267 t、511 t和5 567 t、447 t。與常規種植結構相比，這兩種情景均達到了N肥投入減少20%、N流失量減少30%的項目預期目標，相對凈收益分別達到8.456億元、7.966億元，高于未調整前常規種植結構的7.873億元，屬于五種結構調整情景中的最優和次優情景。估算了與種植結構調整相配套的生態補償資金，包括機會成本補貼和生態效益獎勵兩部分。除去交易成本后，最優情景和次優情景相應的生態補償總金額分別為961萬元和3 507萬元，補償標準分別為739 Yuan hm-2和2 696 Yuan hm-2。提出了本區域內種植業結構調整的政策建議，以促進竺山灣小流域農田面源污染治理，加快本區域種植業由傳統生產方式向清潔生產方式的轉型升級。

面源污染；種植結構優化；清潔生產模式；N流失量；竺山灣小流域；補償政策

在太湖地區，據估算農業面源污染據占總污染負荷的30%～40%，種植業污染占農業面源污染的比重在30%左右。而種植業普遍存在著不合理的N肥施用方式，在蔬菜生產中過量施肥現象尤為嚴重，對太湖水質安全造成了極大威脅。蔬菜、瓜果等經濟作物的種植面積增加與復種指數的提高，進一步加劇了農業面源污染形勢［1-2］。為了扭轉這種嚴竣污染現狀，既要通過推廣清潔生產技術的應用從根本上減少N素淋失，也要通過調整種植面積來降低N素流失總量。從事種植業生產的農戶是種植業結構調整針對的目標對象，他們能否在種植中使用清潔生產技術是決定種植業結構調整成效的關鍵所在。由于多數農戶出于對經濟收益的顧慮不愿改變種植習慣，因此實際中清潔生產技術并不會直接取代傳統的種植方式，還需要設計出經濟激勵的手段來促進農戶主動采用清潔技術。如歐盟通過制定環境政策及開展環保計劃以促進農業環境正外部性的行為，美國則側重于減少農業環境的負外部性，通過耦合經濟評價模型與環境污染模擬模型以尋求區域內的最佳實施方案，取得了良好的效果［3-7］。目前我國已在太湖、撫仙湖和三峽庫區等流域開展了基于面源污染控制的農業結構調整的研究工作［8-10］，但是在小流域尺度同時開展種植業結構調整與生態補償措施的研究鮮有報道。

竺山灣小流域毗鄰太湖西北角半封閉的竺山湖，包括宜興市的周鐵鎮、萬石鎮、和橋鎮和常州市武進區的前黃鎮、雪堰鎮，主要入湖河流有太滆運河、漕橋河和殷村港。本文選擇竺山灣小流域開展種植業結構調整研究，調研了區域內各主要作物常規和清潔生產過程中的N流失量、產量和經濟效益指標的數據，獲取了區域遙感影像以計算不同作物的種植面積，根據N素輸出模型計算區域N流失量［11］，利用線性規劃模型優化調整不同作物及生產方式的種植面積，在兼顧經濟收益和污染排放雙重目標的前提下計算出不同情景下的經濟、環境綜合收益，并得出了最優和次優情景下的單位面積補償標準。本文還提出了相應的生態補償機制，確保優化調整后的種植業結構長期穩定，達到最終降低農業面源污染排放量的目標，從而推進竺山灣區域農業可持續發展進程。

1 材料與方法

1.1 研究區域范圍

據當地有關規定，“在環太湖1公里以及主要入湖河流上溯10公里兩側各1公里范圍內，建設有機農業生態圈，實施有機農業建設工程”。研究中將種植業結構的調整范圍限定在環湖有機農業生態圈之外。獲取了該區域2013年的SPOT6和2014年的快鳥（Quickbird）兩景遙感影像，用以提取農業用地的遙感分類結果。

1.2 作物生產方式

根據調研，當地種植業典型的三種農業用地類型是稻/麥輪作地、設施蔬菜和果園。其中，蔬菜生產按照一年種植芹菜/番茄/萵苣三茬蔬菜模式，果園則統一視為水蜜桃種植。清潔生產是通過按需施肥來減少N肥施用量、改進施肥方式、調整輪作制度等，實現氮減排，同時能保證產量的基本穩定［12-14］。本研究中選用的清潔生產方式分別是稻/綠肥種植模式［15］、稻/麥減量施肥模式［16］、設施蔬菜減量施肥和填閑結合模式［17-18］，及果園肥料深施和間作三葉草模式［19］。

1.3 線性優化模型

通過借鑒肖新成等［10］在三峽庫區種植業結構調整的方法，利用最優化求解軟件包LINGO進行運算。本研究設立了五種不同的情景，其中：情景Ⅰ要達到經濟收益最高；情景Ⅱ-Ⅳ是在情景Ⅰ的N流失量基礎上分別削減20%、30%和40%，并實現經濟收益最高；情景Ⅴ要達到N流失量最小。約束條件包括N流失量約束、農用地面積約束和農副產品需求量約束。

2 結果與討論

2.1 竺山灣區域生產與經濟調研結果

稻麥作物、蔬菜和果樹的種植面積及比例如表1所示，首先通過遙感影像可以計算出有機農業生態圈內的各作物種植面積占竺山灣區域總面積的比例（14.7%、46.6%和15.0%），之后就可計算出環湖有機農業生態圈之外的稻麥作物、蔬菜和果園的面積（10 120、1 260、1 630 hm2），三者合計為13 010 hm2。根據太湖地區開展的研究及相關調研數據［15-18，20］，本研究采用的生產方式下N淋失量與經濟效益指標如表2所示。經濟效益指標包括人力成本、機械成本、N肥成本、毛收益和相對凈收益。因為數據獲取限制的原因，只考慮了相對重要的成本指標，從而計算出的是相對凈收益值，而不是絕對凈收益值。

2.2 種植面積優化模擬

五種優化情景下不同種植模式的種植面積和所占比例如表3所示。對于稻/麥種植而言，在情景Ⅰ中全部為常規稻/麥種植模式，在情景Ⅱ-Ⅴ中常規稻/麥種植模式完全被兩種清潔種植模式所取代。蔬菜清潔種植模式（V1）的種植面積在情景Ⅰ和Ⅱ中與常規種植面積相同，在情景Ⅲ-Ⅴ中則逐漸降低，種植面積的比例由9%降至1%。果樹清潔種植模式（F1）的種植面積比例在情景Ⅰ-Ⅳ中均為12%，在情景Ⅴ中降至10%。國外開展磷（P）和農藥的面源污染的治理中，常運用經驗或機理模型對研究區域的環境風險等級進行劃分，找到環境風險較高的地區，進而有針對性地采取清潔生產措施來減少面源污染產生［21-22］，今后可以在識別環境敏感區域的基礎上開展種植業結構的空間布局研究。

表1 竺山灣區域環湖有機農業圈及以外的稻麥、蔬菜和果樹種植業面積及比例Table 1 Planting areas and ratios of rice，wheat，vegetable and fruits tree inside and outside the circum-lake organic agriculture zonein the Zhushanwan catchment

表2 竺山灣小流域作物種植N投入量、N流失量及經濟效益參數Table 2 N input，N loss and economic benefit parameters of the crop production in the Zhushanwancatchment

表3 常規種植和五種情景下各種植模式的面積及所占比例Table 3 Planting areas and proportions of different crop production patterns in conventional cultivation system and five scenarios

表4 常規種植和五種情景下的N投入量、N流失量和經濟收益Table 4 N inputs，N loss and economic profits in conventional production mode and five different scenarios

表4中列出了常規種植結構及五種情景下的N投入量、N流失量及經濟收益數據。五種情景的N投入量和N流失量均低于常規種植結構。情景Ⅰ～Ⅲ的經濟收益則高于常規種植結構，其余的Ⅳ、Ⅴ兩種情景的經濟收益低于常規種植結構。通過與常規種植結構進行比較，情景Ⅱ和Ⅲ的N投入量削減率分別為23.9%、32.4%，N流失量削減率分別為32.7%和41.1%，達到國家“十二五”水專項在竺山灣區域設定的N投入量和N流失量的削減率目標（分別為20%、30%）。情景Ⅱ、Ⅲ的經濟收益的增長率均大于0。又因為情景Ⅱ經濟收益相對較高，達到8.456億元，可作為最優情景；情景Ⅲ的經濟收益相對較低，為7.966億元，可作為次優情景。

2.3 生態補償措施

補償標準按三部分進行計算：一是用于補貼種植業結構調整后凈收益的機會成本補貼。二是按每削減1千克N投入量補貼1.11元［23］計算的生態效益補貼。三是將上述兩項補貼總金額的15%作為交易成本［24］。最優情景Ⅱ和次優情景Ⅲ以及其中各種植模式的總生態補償金額與單位面積平均補貼金額如表5所示。情景Ⅱ中除去交易成本后的生態補償總金額共計961萬元，平均補貼值為739 Yuan hm-2。情景Ⅲ中，除去交易成本后的補償總金額為3 507萬元，平均補貼值為2 696 Yuan hm-2。國外開展的研究測算的生態補償標準介于610～4 744 Yuan hm-2之間，如：歐盟環保農業2007-2009年的平均補貼值為0.061萬元 hm-2，日本滋賀縣清潔生產方式補貼8萬日元 hm-2（約4 744 Yuan hm-2），韓國對在旱地和水田的補貼標準分別為5 2.4萬～79.4萬韓元 hm-2、21.7萬～39.2萬韓元 hm-2（約2 952～4 473、1 223～2 208 Yuan hm-2）［25］。國內在江蘇宜興、上海崇明島［23，26］開展的研究測算的補貼額度分別為620～7 098 Yuan hm-2和3 066～10 136 Yuan hm-2。本研究計算出的農業清潔生產方式補貼值介于739～2 696 Yuan hm-2，與歐盟、韓國的補貼水平及宜興市計算值較為接近，高于我國目前推廣實施的測土配方施肥平均補貼的資金（不足100 Yuan hm-2）［5］。

建立針對本區域的生態補償機制對于長期鞏固種植業結構調整措施具有重要意義，本文主要從資金來源、支付對象、支付方式以及補償措施的監督管理等方面進行討論：（1）補償資金主要從土地出讓金中提取，還可向生產化肥和農藥等化學投入品的農資生產企業適當征收環境稅，公開向企業和個人募集生態補償資金；（2）補償支付對象主要為規模化種植主體；（3）補償方式是主管部門與規?；N植主體簽訂為期5年的合同，對審核通過的主體分別按50%、20%、15%、10%、5%的比例在5年內發放合同資金；（4）種植主體需在第三方評估機構的協助下，提供制訂出配套清潔生產技術實施的年度計劃和田間管理措施，明確合同到期時需達到的農田環境標準。另外，加快土地流轉進程，重點扶持農業專業合作社和農業龍頭企業等規?；洜I主體，是發展低碳農業、提高農業現代化水平的必然選擇［27］。政府還要在生產、加工和銷售等環節為規?；洜I主體出臺財稅、信貸等方面的優惠政策，搭建電商平臺，以創造良好的經營環境。

表5 最優情景Ⅱ和次優情景Ⅲ的生態補償方案Table 5 Eco-compensation scheme for optimal scenario Ⅱ and the second optimal scenario Ⅲ

3 結 論

在太湖地區針對稻/麥輪作、蔬菜和果樹種植清潔生產模式的研究表明，清潔生產方式在穩定產量的同時可以大幅削減N流失量，是控制農業面源污染的重要手段。本研究將N流失量控制和相對凈收益最大設定為雙重目標，在涉及竺山灣小流域現有環境規劃的基礎上，考慮種植業生產的常規模式和清潔生產模式，設置了耕地面積和糧食安全等約束，并利用線性規劃模型對種植業結構進行優化調整。按區域內種植業總N流失量的不同，分別計算了與不同N流失量水平相對應的五種不同種植業結構優化調整情景，通過擇優比較遴選出了經濟收益較高且污染水平能達到現有規劃目標的最優和次優兩種情景。為推動當地農民能主動接受種植業結構調整，計算了最優和次優兩種情景下的生態補償方案，補貼分為機會成本補貼和生態效益獎勵，除去交易成本后的補償總金額分別為961萬元、3 507萬元，對應的補償標準分別為739、2 696 Yuan hm-2。研究還提出促進生態補償措施能持久發揮作用的政策建議。

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N-Loss-Control-Oriented Readjustment of Planting Structure and Its Matching Ecological Compensation Measures —A Case Study of Zhushanwan Catchment

WANG Qian WU Yongfeng LUO Liangguo?
（Agricultural Clean Watershed Group；Key Laboratory for Agricultural Environment，Ministry of Agriculture；Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Through consultation of literature and field survey，data were collected of the conventional rice，wheat，vegetable and fruit production，the economic benefit of the production under the model of cleaner production and the nitrogen loss in the Zhushanwan catchment，a subwatershed in the northwest of the Taihu Lake Region，and other relevant social-economic data. An attempt was made to readjust the planting structure of the catchment in line with five simulated scenarios（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，ⅣandⅤ），separately，high to low in total nitrogen loss，using the linear optimization model（Software Lingo 11）and taking into full account maximal economic benefit and total volume control of pollution discharge. In Scenario Ⅱand Ⅲ，the total N input was found to be 6 267 t and 5 567 t，respectively，and the total N loss 511 t and 447 t，respectively，which indicates that both scenarios meet their respective intended targets of reducing total N input by 20% and total N loss by 30% as compared with that in the conventional planting structure. Besides，the two scenarios may generate a relative net economic profit of 845.6 million yuan and 796.6 million yuan，respectively，both higher than that（787.3million yuan）the conventional planting structure does. So among the five scenarios，Scenario Ⅱ is the optimal one and Scenario Ⅲ the second to follow for readjustment of the planting structure of the region. The quota of eco-compensation was calculated according to opportunity cost and ecological benefit reward，and the compensation policy and mechanisms were suggested to facilitate implementation of cleaner production. The ecological compensation funds，excluding transaction cost，about 15% of the total compensation for Scenario Ⅱ andⅢ is estimated to be 9.61 and 35.07 million yuan（RMB），respectively，according to the standard for compensation，739 and 2 696 Yuan hm-2，respectively. Implementation of the policy and its matching eco-compensation measures may effectively help control nonpoint source agricultural pollution and expedite the process of transformation or escalation of the farming industry in the region from the traditional one to the one of cleaner production.

Non-point source pollution；Planting structure optimization；Cleaner production mode in agriculture；Nitrogen loss via surface runoff and leaching；Zhushanwan catchment；Compensation policy

X322

A

10.11766/trxb201604050088

（責任編輯：陳榮府）

* 國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07101-004，2014ZX07105-001）和中國農業科學院農業清潔流域創新工程共同資助 Supported by the National Major Science and Technology Project of Water Pollution Control and Management for the 12th Five-Year Plan Period (Nos. 2012ZX07101-004 and 2014ZX07105-001) and the Agriculture Cleaner Watershed Innovation Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：luoliangguo@caas.cn

王 芊（1983―），男，山西晉城人，博士，助理研究員，主要研究農業面源污染防控。E-mail: wangqian02@ caas.cn

2016-04-05；

2016-06-14；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-10