基于能值理論方法的農田灌溉氣候調節效益估算

何冰晶，王雙銀，楊建國，程冬玲，賈子燁

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊陵 712100)

1 研究背景

農業在我國的產業中處于基礎地位，灌溉在農業生產過程中是重要的一環，這就要求提供豐沛的農田灌溉，只有這樣才能保障農業生產能夠持續性地向好向穩發展[1]。通常人們只關注農田灌溉所帶來的直接效益(糧食增產、農民增收等)，忽略了其間接效益(氣候調節、土壤凈化等)。生態環境正效益一直被整個區域所享用，卻沒有在市場交易中體現。因此研究農田灌溉氣候調節效益，有利于明確農業供水成本分擔關系，對促進鄉村振興和保障糧食安全、水安全具有重要的意義。

近年來，隨著我國社會經濟的飛躍式發展，社會公眾對于物質層面以及精神層面上的追求與日俱增，對生態環境問題的關注度也越來越高。國內外學者對氣候調節生態服務價值的研究主要集中在湖泊、河流、草地、濕地、森林等領域[2-8]，而對農田灌溉所帶來的氣候調節效益鮮有研究。

目前，研究農田灌溉水蒸發產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]，它在反映生態效益的客觀性方面的優勢是無法被替代的。同時由于能值分析方法在旱作物灌溉氣候調節效益的研究中，尤其是在反映旱作物和稻田作物灌溉氣候調節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，結合農業、灌溉、氣象、水文、生態經濟等相關學科理論，以陜西省為例，從時間和空間上利用能值理論方法構建農田灌溉氣候調節效益模型，并對主要旱作物和水稻灌溉氣候調節效益進行評估，為陜西省灌區供水效益分析和水價分擔提供理論依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

農田灌溉用水量數據來源于《2008-2018年陜西省水資源公報》，自然資源和經濟數據來源于《2009-2019年陜西省統計年鑒》《2018年陜西省區域統計年鑒》《2008-2018年各市(區)國民經濟和社會發展統計公報》和《2019年中國統計年鑒》。

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，當前已經廣泛應用于社會、生態、經濟領域的系統性研究中。該理論基于太陽能的能值，利用能值轉化率將許多種類的不可比較的能量轉化為相同體系下的太陽能能值，在更深層次上對資源、環境以及一系列的經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為能值轉換率，sej/J或sej/g，本文取值參照文獻[17]；B為能量或物質的質量，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，其值由研究區全年所利用的太陽能值與國民生產總值之比確定[18]。

2.3 農田灌溉氣候調節效益分析方法

作物在生長過程中，通過植株蒸騰和棵間蒸發的作用，將植物體內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]，體現了氣候調節功能。農田灌溉總蒸散發能量為：

EB=106L·ET

(3)

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

農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量；對于稻田，灌溉用水量除了用于植株蒸騰和棵間蒸發外，還有一部分消耗于田間滲漏。適當的滲漏量起到促進土壤通氣和消除有毒物質等作用，有利于水稻生長[21]，這部分水量不計入稻田蒸散發量。在水稻生長發育期內需要進行灌溉排水，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量。

對于整個農田灌溉而言，其作物的蒸散發量為：

ET≈I-∑10(Fd+D)·A稻田

(4)

式中：I為農田凈灌溉用水量，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。

結合公式(1)、(2)和(3)，可得到不同年份不同區域農田灌溉氣候調節總效益(價值)和單方水效益(價格)模型：

(5)

(6)

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

3 實例研究

3.1 研究區域概況

陜西省位于我國西北部，屬于大陸季風性氣候，根據地理氣候可由北向南分為陜北、關中和陜南3大區域。由于橫跨3個氣候區，南、北氣候之間存在顯著差異，水資源分布不均衡，農作物種植結構差別較大。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 ℃，季節和晝夜溫差大；年平均降水量呈現明顯的南多北少態勢,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]；陜北和關中地區以種植旱作物為主，陜南地區以種植水稻為主。

水利灌溉事業的發展對我國農業生產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境，在農業灌溉領域有著悠久的歷史和豐富的經驗。截止2018年底，全省大、中、小灌區共有187個，總耕地面積301.466×104hm2，總灌溉面積143.179×104hm2，全年農田灌溉用水量47.21×108m3，關中、陜北和陜南農田灌溉用水量分別占52.21%、10.15%和37.64%。

3.2 農田灌溉蒸散發量的估算

根據前文構造的農田灌溉蒸散發量估算模型可知，由于旱作物和水稻的灌溉水消耗途徑不同，在估算農田灌溉蒸散發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，陜南地區平均滲漏量取3.81 mm/d，關中地區取2.5 mm/d，陜北地區取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。將上述數據代入公式(4)，估算2008-2018年陜西省不同區域的農田灌溉蒸散發量，計算結果見表1。

表1 2008-2018年陜西省不同區域的農田灌溉蒸散發量 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、各地區社會經濟和自然環境狀況數據，借助相關的計算公式以及能值轉換率，經過數據處理之后，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，以不變價計算經濟數值，并選用國內生產總值指標替代國民生產總值指標。以2008年陜西省關中地區為例進行計算，陜西省關中地區2008年水資源生態經濟系統能值分析結果見表2。

表2 2008年陜西關中地區水資源生態經濟系統能值分析表

根據能值分析表的能值流量指標，分別計算2008-2018年陜西省不同區域水資源生態系統的能值貨幣比率指標，計算結果匯總于表3。

表3 2008-2018年陜西省不同區域水資源生態系統主要能值指標匯總表

3.4 農田灌溉氣候調節效益估算

將上述計算得出的農田灌溉蒸散發量、能值貨幣比率和相關參數代入模型(5)和(6)，分區域計算農田灌溉氣候調節效益，計算結果見表4。

由于本文所計算的農田灌溉氣候調節效益是通過蒸發量、蒸發潛熱和能值貨幣比率來實現的(蒸發量的大小主要取決于地區的灌溉用水量和種植結構；蒸發潛熱的大小主要取決于地區的年平均溫度；能值貨幣比率的大小主要取決于各地區的資源利用程度和GDP高低)。因此，各地區的氣候調節價值不同。根據表4繪制出的2008-2018年陜西省不同區域農田灌溉氣候調節效益對比圖見圖1。由圖1可見，陜南、關中、陜北區域氣候調節效益差異較大，關中地區氣候調節價值最大，而陜北地區氣候調節價值最小。

表4 2008-2018年陜西省不同區域的農田灌溉氣候調節效益值

圖1 2008-2018年陜西省不同區域農田灌溉氣候調節效益對比圖

3.5 農田灌溉氣候調節效益影響因素分析

為探究不同區域氣候調節效益的差異性，分別將灌溉用水量、稻田種植面積、年平均溫度、蒸發能量和能值貨幣比率與不同區域氣候調節效益進行相關性分析，結果見表5。由表5可以看出：(1)陜南和關中各影響因素與氣候調節效益的相關性基本一致，但陜南地區水稻的種植面積對氣候調節效益影響較大，關中地區卻不明顯。這是由于陜南地區以種植水稻為主，關中地區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量，進而影響氣候調節效益。說明氣候調節效益與種植結構有關，種植結構不同導致氣候調節效益不同；(2)陜南、關中地區與陜北地區各影響因素與氣候調節效益呈相反關系，這是由濕潤區域與干旱區域的氣候條件不同而導致的氣候調節效益不同；(3)能值貨幣比率對3個區域的氣候調節效益的影響均較大，相關系數達到顯著水平，說明能值貨幣比率是影響不同區域氣候調節效益的直接因素。

表5 2008-2018年陜西省不同區域農田灌溉氣候調節效益和各影響因素的相關系數

結合表3和4中的數據，分別繪制2008-2018年陜西省不同區域的氣候調節單方水效益值與能值貨幣比率的變化趨勢圖，結果見圖2，據此可以定量地分析陜西省各區域的社會、經濟、環境的變化。由圖2可以看出，區域氣候調節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濟發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，表明經濟越發達，生活水平相對較高[26]。總體來看，陜西省3大典型區域的農田灌溉氣候調節單方水效益呈上升趨勢，一定程度上體現了氣候調節的貨幣價值與區域的經濟發達程度呈正比關系。

圖2 2008-2018年陜西省不同區域農田灌溉氣候調節單方水效益值和能值貨幣比率變化趨勢

4 結 論

綜上研究表明，農田灌溉不僅可以帶來糧食增產的直接經濟效益，而且還產生了外部生態效益。本文依據農田灌溉水量、自然資源和經濟等數據，利用能值理論方法對陜西省3大區域農田灌溉氣候調節效益進行估算，并得出以下結論：

(1)關中農田灌溉氣候調節效益最大，陜北農田灌溉氣候調節效益最小。陜南、關中和陜北平均氣候調節單方水效益分別約為0.011 0、0.035 0、0.006 9元/m3。

(2)不同區域種植結構、灌溉用水量、經濟發展水平程度等因素的不同會造成氣候調節效益值的差異。基于各影響因素與氣候調節效益相關顯著性比較，得出能值貨幣比率是影響不同區域氣候調節效益的關鍵要素。

(3)2008-2018年陜西省3大區域農田氣候調節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中區域，平均增長率為3.8%。氣候調節效益的變化與當地每年的資源利用程度和經濟發展程度緊密相關。