基于清潔發展機制的縣南溝流域商品型生態農業系統優化

顧 文，王繼軍，張雯佳

（1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.煙臺市水利建筑勘察設計院，山東 煙臺264000；3.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100）

伴隨著退耕還林工程的實施，退耕區域生態系統結構與產業結構發生了重要變化，商品型生態農業得到了進一步的發展。在商品型生態農業的研究與實踐過程中，人們主要側重于概念及系統耦合關系的研究。比如王繼軍等人［1］通過對農業生態經濟問題的診斷，指出商品型生態農業模式能夠解決流域生態經濟系統建設中的主要問題及產生問題的癥結。李奇睿等［2］利用結構方程模型分析了安塞縣及其南、中、北部商品型生態農業系統的耦合關系，發現生態環境改善未對系統耦合起到支撐，農業資源與農業產業相悖。李奇睿等［3］還通過生態位評價對1998—2008年安塞縣商品型生態農業系統演變過程進行了定量分析，結果表明安塞縣商品型生態農業系統綜合生態位顯著提高，但通過提高資源利用效率，協調資源與產業的關系，可使商品型生態農業系統進一步發展；崔紹芳［4］等通過耦合度模型對安塞縣商品型生態農業系統進行了階段劃分，認為目前安塞縣正處于退耕資源未得到利用的“過渡退耕”階段?？梢?，資源利用效率不足、資源與產業相悖已經成為制約商品型生態農業系統健康發展的關鍵，商品型生態農業系統亟待優化。

清潔發展機制（CDM）是《京都議定書》中建立的發達國家與發展中國家之間合作減排溫室氣體的靈活機制，它實現了碳匯產品的商品化、市場化。將CDM引入商品型生態農業系統，退耕還林工程所帶來的大量林地資源可通過碳匯形式實現其商品化，形成林地產業，從而完善商品型生態農業系統產業結構?？梢?，CDM是提高林地資源利用率、解決資源與產業之間相悖態勢的良好途徑。因此，本文試圖在CDM框架下通過林草資源的合理配置，實現商品型生態農業系統鏈網結結構的完善，從而實現商品型生態農業系統的良性循環?？h南溝流域地處黃土高原腹地，退耕還林工程的實施使該流域水土流失得到有效控制，林草植被恢復率和覆蓋度均得到大幅度提高，成為黃土丘陵溝壑區典型的退耕區域，適合發展退耕區碳匯產業。鑒于此，本研究選取縣南溝流域為研究對象，依據縣南溝流域特點，通過對可適模式的設計，將碳匯融入流域產業結構，對流域商品型生態農業系統進行優化，以期尋找出一種土地資源合理充分利用、經濟效益最大化的土地利用方式，為制定流域發展規劃提供借鑒。

1 研究區概況

縣南溝流域位于黃土高原中部的安塞縣，屬于典型的黃土丘陵溝壑區（東經109°12′12″—109°22′12″，北緯36°41′24″—36°46′12″）。流域總面積為5 063 hm2，總人口2 520人。1999年開始實施退耕還林工程，目前有林地1 549.80hm2，占總面積的30.55%，荒草地2 217.87hm2，占總面積的43.80%，果園276.47hm2，占總面積的5.46%，大牲畜173頭，羊存欄500只，豬存欄335頭。流域年降水量在500～550mm，相對比較豐沛，但年內分配不均，降雨集中在7—9月份，屬大陸性干旱半干旱氣候。豐沛的降雨使得該流域自退耕還林工程實施以來，林草資源不斷增加，從而使碳生產量不斷增加，滿足以碳匯角度發展商品型生態農業的基本要求。

2 問題診斷與優化思路

2.1 問題診斷

縣南溝流域是一個有著6個行政單元的完整流域，目前流域內有以山地蘋果為主、高效設施農業為輔的產業結構，但是各產業間尚未形成良好的鏈網結構。

（1）主導產業發展滯后。根據安塞縣政府和沿河灣鎮政府對縣南溝流域的規劃，未來將山地蘋果作為縣南溝流域主導產業進行重點扶持。目前，僅有寨子灣一個行政單元已經形成以山地蘋果為主導的果園產業，其果園面積占流域總果園面積的63.08%，每1hm2純收入可達90 000元以上。而流域內其他行政單元的農民對經營管理果園的積極性不高，其每1hm2果園純收入僅在15 000～30 000元之間，效益較低。縣南溝流域有著適宜蘋果生長的光照和水分等自然條件，故在流域下一步的發展中，應將果園產業的重點放在精細化管理上，逐步實現從一個行政單元的果園產業到整個流域的果園產業的過渡。

（2）林草資源擱置浪費、養殖業發展滯后缺失。自退耕還林工程實施以來，流域內林草資源不斷增加，目前流域內林草覆蓋度已達74.40%。但由于退耕還林政策對放牧的限制，使得流域內豐富的林草資源長期以來擱置、浪費，未得到開發利用，嚴重阻礙了林草資源發揮其經濟效益。目前流域內僅有500只羊左右，尚未形成規模化的養殖業，致使養殖業發展滯后，從而使以“種植業、林草資源→養殖業（牧業）→農家肥→果業、大棚業”為核心的商品型生態農業系統鏈網結構斷裂，各產業間耦合效率低，嚴重阻礙了生態經濟系統協調穩定發展。因此，縣南溝流域在進行商品型生態農業的建設過程中，應逐步補全養殖業的“斷裂帶”，通過人工種草和適度開發林草資源來完善系統鏈網結構，以此促進農民增收、推動流域經濟又好又快發展。

（3）高效設施農業發展不足。以大棚種植為主的高效設施農業能通過有限的土地獲得較高的經濟效益，亦是政府大力支持的產業。但是，由于大棚對光照和水分供給的要求十分嚴格，流域內只有位于溝口附近的方家河與磚窯溝以及位于梁峁上的畔坡山村有大棚，且規模較小。經過調查，方家河以“西瓜＋蔬菜”的種植模式效益較高，純收入可達105 000元／hm2?？梢?，流域應在技術、自然條件允許的范圍內盡可能拓展大棚產業。

2.2 優化思路

基于低碳生產理念，以農業生態經濟系統良性循環為目標，通過提高林草資源的利用率及附加值，即完善“林草資源—養殖業（畜牧業）”鏈結，并使林草置于碳匯及其可交易的態勢下，完善商品型生態農業系統鏈網結構，解決農業產業與農業資源相悖態勢，實現商品型生態農業系統在現有認識、理念和技術水平上的資源與產業優化，促進農業生態經濟系統的協調發展。

3 優化模型的建立及求解

商品型生態農業系統優化的目標是要通過對系統內部資源的重新配置、產業的重新調整來完善系統鏈網結構，使系統的結構更加完善、功能更加穩定、穩定性得到提高的同時，系統的生態經濟效益趨于最大。以此為目標，通過線性規劃（LP）對安塞縣縣南溝流域進行商品型生態農業系統優化。

3.1 決策變量設置

商品型生態農業系統是由農業資源系統和農業產業系統為核心耦合而成，因此選擇可以表征兩個子系統的變量為決策變量。共設置了12個決策變量：X1（生態林面積，hm2）、X2（天然草地面積，hm2）、X3（人工草地面積，hm2）、X4（果園面積，hm2）、X5（大棚種植面積，hm2）、X6（口糧田種植面積，hm2）、X7（飼料糧種植面積，hm2）、X8（非生產地面積，hm2）、X9（舍飼羊數量，只）、X10（半舍飼半放牧羊數量，只）、X11（豬數量，頭）、X12（大牲畜數量，頭）。其中，非生產地包括居民點、道路、水域、河灘等用地，大牲畜包括牛和驢。

3.2 目標函數

基于上述的研究理念與思路，本著充分、合理利用農業資源，保證區域生態平衡和糧食安全的原則，設計商品型生態農業系統優化的目的是實現經濟效益最大化。因此，目標函數為：

式中：F（x）——商品型生態農業系統經濟效益（元）；→—X＝［X1，X2，…，Xn］T，→—X≥0（hm2，頭，只）；→—C＝［C1，C2，…，Cn］——各決策變量的效益系數（元／hm2，元／頭，元／只）。

3.3 約束條件

針對縣南溝流域自然現狀與經濟現狀，結合安塞縣及沿河灣鎮政府對縣南溝流域的農業生態經濟發展戰略規劃，以實現流域生態經濟協調發展下的經濟效益最大化為目標，設置約束方程。

3.3.1 土地面積約束 流域現有總土地面積5 063.80 hm2，以林草地為主。果園產業與大棚產業面積達到311.47hm2，糧田用地僅占254.39hm2，另外還有730.27hm2的非生產地。通過2012—2013年流域走訪、調研，李慧茹［5］關于縣南溝流域景觀格局的研究，結合該流域的發展規劃得知，該流域果園面積最高可達455hm2，基本農田面積最大可達395hm2，大棚面積最大可達45.7hm2。另外根據王繼軍等［6］關于“彈性資源”的介紹，確定縣南溝流域果園與基本農田的彈性資源量為784.47hm2。

總土地面積約束：優化應保持流域總面積不變，即各種土地利用類型面積之和應等于流域總面積：

基本農田面積約束：用于人工草地、飼料生產、口糧生產和大棚種植的用地面積之和應不超過流域最大基本農田面積，即

果園面積和基本農田面積之和應不超過流域彈性資源量：

果園與大棚面積約束：根據流域果園與大棚現狀，結合政府對縣南溝果園產業與大棚產業規劃和流域土地適宜性，確定果園面積不應超過455hm2，大棚面積不超過45.7hm2，即

非生產地面積約束：非生產地包括內溝道、河灘、道路、水域等。由于縣南溝流域在退耕十余年來非生產地面積一直保持穩定，因此設定非生產地面積維持現有狀況。即

3.3.2 糧食需求與安全約束 口糧約束：根據唐華俊等［7］關于人均糧食需求量的研究，并結合對流域糧食生產自給率的調查，確定流域內人均糧食需求量約為231kg／a。故有如下約束：

豬肉、羊肉約束：根據《中國統計年鑒2012年》關于城鎮居民人均消費豬肉、羊肉的標準與流域內豬、羊肉的自給率水平，確定流域最低養殖豬、羊數量。另外為保證流域內現有產業不受破壞，確定流域內養殖豬、羊數量不低于現有值，即

大牲畜約束：目前流域內大牲畜包括牛和驢，主要是一些相對高齡或文化程度較低的勞動者無法駕馭機動車和機械設備的代步、運輸貨物、耕地的工具，為保護農戶已經形成的耕作習慣不被打破，設定流域內大牲畜數量不低于現有數量：X12≥173

3.3.3 生態環境約束 在設置生態環境約束時引入了生態綠當量的概念。生態綠當量［8］定義為其他綠色植被的綠量相對于等量森林面積的綠量的比率，其主體可以是草地、耕地、果園地等其他綠色植被。

指標選取及其量化。退耕還林工程的實施在改變土地利用結構的同時，也改變了商品型生態農業系統的功能，對小流域氣候、水量、土壤等影響巨大。所以，在選擇指標時既要表征各類生態系統本身的發生發展規律，又要體現其對生態、社會、經濟的保護、增益和調節功能。根據毛文永［9］著作中日本專家通過調查法得到的評分分值，針對不同生態系統的服務，從大氣、水、土壤、空間和生物等5個方面賦予不同的功能分值（表1）。

由于表1中的各項功能分值已經考慮了各項環境子功能的權重，所以其生態服務總分值可以將各子功能的分值通過累加求得：

式中：P——生態服務總分值；F——指標量值；i——指標體系的指標數。

由此得出林地的生態功能服務價值分值為164.15，相同面積及全年滿種情況下，天然草地分值為132.26，人工草地分值為121.84，園地分值為124.53，耕地分值為113.55。

根據上述不同土地生態服務價值的計算，在全年滿種的前提下，假定林地的綠當量為1，定義

式中：Ki——第i類地表綠色覆被生態系統的生態綠當量；Pi——第i類地表綠色覆被生態系統的生態服務總分值；P林——林地生態系統的生態服務總分值。

表1 生態系統的各種環境保護功能的評價分值

則在林地綠當量為1.00的情況下，天然草地的綠當量為0.81，人工草地為0.74，園地為0.76，耕地為0.69。但實際上由于地區之間的氣候差異，同一時間不同地區、不同用地的綠當量是不同的，同一地區不同時間的各種用地的綠當量也是不同的。考慮到各地區作物有不同的生長期和熟制，各種土地類型綠當量還應乘以一個相當于全年滿種的生產期系數［10］。縣南溝流域位于陜西省安塞縣，為一年一熟區域，取全年滿種的生長期系數為0.46。則可以得到調整后的全年平均綠當量，天然草地為0.37（草地考慮熟制），人工草地為0.34，園地為0.35，耕地為0.32。

設流域總面積為S，流域最佳森林覆蓋率為R，二者相乘得到流域最佳林地面積S林＝2 228.07hm2，用流域實際林地面積X1除以最佳林地面積得到流域實際林地綠當量k林。Xi為第i類土地利用類型面積，相對應綠當量為gi，K為流域綠當量，即流域內具有綠當量的各種用地的綠當量之和。由于縣南溝流域位于黃土丘陵溝壑區第Ⅱ副區，根據吳欽孝［11］的研究，取流域最適宜森林覆蓋率為R＝44%，林草覆蓋率為60%。計算公式為：

用K與1的大小做比較，若K≥1，則生態綠當量達標。

根據李慧茹［5］的研究，確定適宜生態林面積不超過2 579.8hm2，即：

3.4 經濟系數與情景模式設置

3.4.1 經濟系數 本研究所利用的經濟系數是從本課題組2012—2013年兩年流域調研數據和查閱有關文獻所得（表2）。

表2 各決策變量的經濟系數 元／hm2，元／頭，元／只

3.4.2 情景設置 依據對縣南溝流域現狀的診斷結果，縣南溝流域存在資源浪費、商品型生態農業系統鏈網結構斷裂的情況，結合商品型生態農業發展的階段，按照3個階段5種情景設置。

（1）階段Ⅰ現狀發展態勢。該階段設置一種情景（A），即現狀態勢情景。在現有發展態勢下，林草資源由政府管制，嚴禁砍伐森林與放牧，林地價值體現在退耕補貼上。目前流域生態林面積超過退耕補償面積，在無經濟效益刺激的情況下，農戶不會主動栽植生態林。此時，農民不利用現有荒草資源，僅依靠人工草地與飼料糧發展舍飼養殖。

該情景下對養殖業的約束［14－17］：通過人工草地和飼料糧提供一定自給率水平下的養殖飼草和飼料，并利用秸稈補充飼草，但在現有發展態勢下，秸稈利用率較低。即

牛、羊對飼草的約束：

牛、羊對秸稈的約束：

羊、豬對飼料的約束：

該情景模式下的目標函數：

（2）階段Ⅱ農業生態經濟系統“鏈網”構建階段。該階段設置兩種情景：全舍飼情景（B-1）和半舍飼半放牧情景（B-2）。在這個階段，農民逐漸意識到草地資源的價值，在政策允許下通過刈草或放牧合理利用，并加大了對秸稈的利用率，形成完整的農業生態經濟系統鏈網結構。

B-1全舍飼情景：在該情景下，林草資源依然由政府管制，但允許農民在不破壞生態環境的前提下對天然草地進行刈割，并結合人工草地和作物秸稈進行全舍飼養殖。

該情景下對養殖業的約束：X10＝0

牛、羊對飼草的約束［18］：

牛、羊對秸稈的約束：

羊、豬對飼料的約束：

該情景下的目標函數：

B-2半舍飼半放牧情景：在該情景下，林草資源適當開放，農民可在夏秋季節在天然草地上進行放牧，春冬季節舍飼養殖。這種半舍飼半放牧的情景在利用天然草地方面較全舍飼充分，同時由于羊子活動量加大消耗量也增多。此情景更容易促進商品型生態農業系統鏈網結構的完善。

該情景下對養殖業的約束：X9＝0

牛、羊對飼草的約束：

牛、羊對秸稈的約束：

羊、豬對飼料的約束：

該情景下的目標函數：

（3）階段Ⅲ農業經濟系統與農業生態系統優化耦合階段。該階段設置兩種情景：全舍飼＋碳匯情景（C-1）、半舍飼半放牧＋碳匯情景（C-2）。在這個階段，農業生態經濟系統鏈網結構已經完善，農民為尋求高額經濟效益，通過進一步加大對秸稈利用提高資源利用率。而在后退耕時代，如果停止發放退耕補貼，農民通過出售林地碳匯從生態林獲得經濟效益。

C-1全舍飼＋碳匯情景

該情景下對養殖業的約束：X10＝0

牛、羊對飼草的約束：

牛、羊對秸稈的約束：

羊、豬對飼料的約束：

該情景下的目標函數：

C-2半舍飼半放牧＋碳匯情景

該情景下對養殖業的約束：X9＝0

牛、羊對飼草的約束：

牛、羊對秸稈的約束：

羊、豬對飼料的約束：

該情景下的目標函數：

4 優化結果與分析

本研究的計算結果是在線性規劃軟件Lingo 11.0中完成的。各決策變量優化后取值詳見表3。從表3可以看出，優化后各情景的經濟效益較優化前均有不同程度的提高，整體而言，呈現出3個梯度?，F狀發展態勢下的優化較優化前提高了34.4%，在政府有限管制的農業生態經濟系統“鏈網”構建的階段Ⅱ提高了53.0%～55.2%，而在政府完全不管制的農業生態系統與農業經濟系統優化耦合階段Ⅲ最高，達到72.8%～73.7%。各階段經濟效益的提高得益于在充分利用自然資源的前提下，商品型生態農業系統鏈網結構均得到不同程度的完善。各階段通過增加養殖業（養羊）來彌補對天然草地等的利用不足，同時林產品逐漸形成林產業，符合商品型生態農業系統對土地資源合理充分利用的內在要求。

階段Ⅰ是在政府管制情況下的優化，此階段的情景A由于林草資源依然受到政府管護，農民刈割草地舍飼養殖的觀念尚未形成，養殖業的發展主要依靠人工草地。但是流域內彈性資源有限，無法滿足果園、大棚與養殖業的最大化，養殖業占用了84.07hm2的基本農田用做人工草地是有待進一步改善的關鍵。

階段Ⅱ是政府在有限管制情況下的優化，在此階段，林地資源依然受到保護，但是荒草地資源在合理范圍內被利用，根據養殖的形式不同設置了全舍飼情景B-1與半舍飼半放牧情景B-2。從表3中可以看出，此兩種情景在草地得到利用的情況下，養殖業對基本農田的需求減少，果園與大棚兩個相對收入較高的產業已經達到飽和。而由于刈割養殖與半放牧養殖對飼料、飼草的需求不同且天然草地對羊的承載力也不同，因此，通過合理改善舍飼養殖與半舍飼半放牧養殖的飲食結構，從而調整天然草地與飼料田的種植比例，可使養殖業發揮最大效益。

階段Ⅲ是政府在完全不管制情況下的優化，這個階段是政府不再補助退耕林地，農民依靠退耕林地碳匯出售獲取林地經濟效益的階段，是商品型生態農業系統鏈網結構完善后系統內部優化耦合階段。此階段，因市場化后的林地碳匯價值高于退耕補償價值，所以情景C-1與情景C-2的宜林地已全部造林，用于養殖業的天然草地減少，所以此階段較農業生態經濟系統鏈網構建階段增加了人工草地，但可供養殖的草地資源量仍減少，養殖規模下降。

表3 各情景優化結果

5 結論

（1）縱觀商品型生態農業系統發展過程，“現狀發展態勢→農業生態經濟系統鏈網構建階段→農業經濟系統與農業生態系統優化耦合階段”是其必然的發展趨勢。目前流域正處在政府完全管制階段，因此林草資源擱置、浪費，商品型生態農業系統鏈網結構不完善，農民收入水平較低。而在政府逐步放開對林草資源的限制，并引導農民合理充分利用草地資源、作物秸稈后，養殖業的進入完善了流域商品型生態農業系統鏈網結構，使流域“種植業、林草資源→養殖業→農家肥→果業、大棚業”的鏈網結構運行更順暢。在退耕工程實施一定年限后，林地完全成林，政府不再向農戶提供退耕補償款，農戶便在清潔發展機制（CDM）下通過向市場提供林地碳匯獲取收益。所以，商品型生態農業系統有著從“階段Ⅰ→階段Ⅱ→階段Ⅲ”的自然發展趨勢。

（2）就目前而言，流域內退耕補償林地面積與現有林地面積相當，退耕補償機制較為合理。經調研走訪得知，安塞縣政府正在對流域進行新一輪的退耕還林規劃，其補償機制如何尚不得知，但政府對流域的規劃正是符合“現狀發展態勢→農業生態經濟系統鏈網構建階段”的發展趨勢。

（3）現狀下流域農林牧土地利用結構為1∶6.31∶7.66，現狀發展態勢階段、農業生態經濟系統鏈網構建階段的土地利用結構較現狀變化不大，主要是糧食用地和牧草地內部種植結構的調整，而農業經濟系統與農業生態系統優化耦合階段的土地利用結構為1∶12.6∶4.4左右，變化較大。因為在 CDM 框架下，林地生產的大量碳匯可以獲得高額經濟效益，所以林地面積大量增加，致使土地利用結構發生重大改變。

（4）雖然階段Ⅲ（農業經濟系統與農業生態系統優化耦合階段）是商品型生態農業系統在現有技術水平和理念下所能達到的最高階段，但其實現的必要前提是建立完善的碳交易市場。目前國內碳交易僅發生在生物質能源、風能建設和煤層氣開發利用等方面，尚無退耕還林碳交易市場。因此，通過合理的方法對退耕還林工程碳匯進行精確測算，完善退耕還林工程碳交易市場，可提高農業經濟系統與農業生態系統的優化耦合。

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