縣南溝流域種植業生態價值的測算與分析——基于碳匯視角

王正淑，王繼軍，2

（1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100）

種植業具有生態價值和經濟價值［1－3］，長期以來，人們僅關注種植業經濟價值的提高，通過投入大量化肥、農藥、機械等來增加種植業的經濟價值，造成環境的污染與破壞［4］，即在經濟價值增加的同時導致了生態價值的縮減，而種植業生態價值的維持與提高對于協調經濟價值和生態價值關系，提升系統整體功能，具有重要的現實意義。已有研究大多是對種植業生態價值進行定性化描述，例如Scott M.Swinton指出農業生態系統能夠提供水資源和氣候調節服務、審美和文化服務、加強的支持服務，并且近年其提供多種生態服務的潛力已被公認，將潛力變成價值的科學和國家政策設計是生態經濟的重要部分［5］；任春燕對生態價值的指標體系進行了闡述［6］；傅瓦利對土地利用改變前后生態效益的變化進行了定性的比較［7］；對生態價值的少許定量研究主要是借鑒Costanza、謝高地團隊等關于生態系統服務價值的相關研究，如葉延瓊、張雅杰對農業生態價值的核算［8－9］，這些生態價值的定量研究主要針對農業生態系統，而對種植業生態系統生態價值貨幣化定量表征的研究相對而言更為薄弱，且其中部分價值核算不具有現實可操作性，對種植業生產者的直觀感覺不明顯，種植業生態價值和系統價值的研究相對滯后。在《京都議定書》生效并實施以后，基于碳匯視角是目前生態價值貨幣化的著眼點及經濟顯化的有效途徑，故本文用年凈碳匯價值定量表征土地利用結構保持不變情況下作物一個生命周期可實現的生態價值，用年凈碳匯價值與經濟純收入之和表征種植業的生態經濟總價值，選取黃土高原丘陵溝壑區的典型代表流域—縣南溝作為研究對象，測算并分析種植業的生態價值，探索目前現實條件下種植業生態價值定量化的可實現途徑，為農業種植結構和農業土地利用結構的調整、資源的優化配置提供參考。

1 研究區概況

縣南溝流域位于安塞縣沿河灣鎮（109°12′12″—109°22′12″E，36°41′24″—36°46′12″N），流域面積50.64 km2，該區位于森林草原區，屬典型暖溫帶干旱半干旱氣候，年平均氣溫8.8℃，年降水量500～550mm，降雨年際差異大，且年內分配不均，集中于夏季。該流域包括5個行政村（磚窯溝、方家河、畔坡山、崖窯、寨子灣）和1個自然村（何塌），2014年有農戶544戶，人口2529人。農戶收入主要來自于種植業、副業、外出務工、畜牧業等，種植業主要類型包括糧食作物、經濟作物、蘋果，糧食作物主要為傳統農業，經濟作物主要為設施農業，種植業純收入由2001年的907元/人增長至2014年的2945元/人，總體呈上升趨勢。縣南溝流域的土地利用類型和結構、種植模式及耕作技術等在陜北黃土高原丘陵溝壑區均具有典型的代表性。

2 研究方法與數據來源

基于碳匯視角的種植業生態價值計算關鍵在于測算其固碳量和碳排量；生長季中作物固碳量與生產投入碳排量的差值為凈碳匯，凈碳匯與碳匯價格的乘積即為凈碳匯價值（生態價值）。

2.1 固碳量測算方法

2.1.1 糧食和經濟作物固碳量測算方法 種植業固碳量主要考慮農作物生長全生命周期中的碳吸收［10］，農作物碳吸收的計算公式［11］為：

式中：C——固碳量；Ci——某種作物的固碳量（kg C）；αi——作物經濟產量（kg）；βi——作物經濟產品部分的干重比；Cfi——作物經濟系數；γi——作物合成有機質（干質量）所需吸收的碳。流域農作物的參數主要引自《省級溫室氣體清單編制指南》（發改辦氣候［2011］1041號）、王修蘭［12］（表1）。

表1 主要農作物參數

2.1.2 蘋果園固碳量測算方法 每年的固碳量用異速生長方程［13］（表2）和碳轉化系數計算，其計算公式為：

C＝∑Aiρ［0.46（WBi＋WSi＋WRi＋0.127WFi）＋0.176WLi］

式中：C——固碳量（kg C）；i——樹齡；WBi，WSi，WRi，WFi，WLi——樹枝、干、根、果、葉的生物量干重（kg/株）；ρ——種植 密 度（株/hm2）；Ai——面 積（hm2）；0.46，0.176為碳轉化系數［13］；0.127為蘋果的干濕比［14］。

表2 蘋果樹的異樹生長方程（D為胸徑）

2.2 碳排量測算方法

2.2.1 直接或間接碳排放 此部分碳排放的計算公式為：

E＝∑Ei＝∑ωiki

式中：Ei——各項生產投入的碳排放量；ωi——各項投入的數量；ki——各項投入的碳排放系數（表3）。

流域內農民使用的農作物種子有購買種子和自備種子，購買種子的碳排通過種子的零售價格來估算種子生產、包裝、運輸過程中能源消耗產生的碳排放［15］。蘋果園的碳排還包括剪枝、套袋等。

表3 農地各項投入碳排放系數及參考來源

2.2.2 氧化亞氮排放引起的碳源量 氧化亞氮排放包括直接和間接氧化亞氮排放［21］，直接氧化亞氮排放量為氮肥、糞肥、殘留根［22］的含氮量與直接排放因子的乘積，其中根的含氮量＝作物總干重×根冠比×含氮率（表1），排放因子取陜西農用地的平均值0.0056。間接氧化亞氮排放量包括施肥土壤的NH3，NOX揮發經大氣氮沉降和土壤氮淋溶、徑流損失進入水體的氧化亞氮［23］，其中氮沉降引起的排放量＝（N畜禽×20%＋N輸入×10%）×0.01，20%，10%，0.01 分 別 為N畜禽揮發率、N輸入揮發率、排放因子［24］；氮淋溶和徑流引起的排放量＝N輸入×20%×0.007 5，20%為氮淋溶和徑流損失的氮量占農用地總氮輸入量的比例，0.0075為排放因子［19］。氧化亞氮排放量乘以其全球增溫潛勢值298即為碳排放量當量。

2.3 種植業生態價值的表征及計算

本文用年凈碳匯價值表征種植業的生態價值，經濟純收入表征種植業的經濟價值，生態價值與經濟價值之和表征種植業的生態經濟總價值。目前尚缺乏公認的碳匯價值的計算方法［25］，國內碳匯貨幣化多用碳稅法和造林成本法［26］，歐陽志云比較運用兩種方法，結果顯示碳稅法計算的價值約為造林成本法計算價值的10倍，可見碳稅法估計的價值量過高，因此取碳稅率和造林成本的平均值作為碳匯價格［27］。碳稅率采用國家林業局的推薦使用價格1 200元/t C［28］，造林成本采用國家林業部的公布數據240.03元/m3，換算后為260.9元/t C［27］。由于通貨膨脹，物價波動變化，需將碳稅率和造林成本用每年的通貨膨脹率進行調整，通貨膨脹率數據來自國家統計局及trading economics網站。

2.4 數據來源及處理

種植業投入產出情況、經濟收入和面積數據等來自課題組2001—2014年調研資料的累積；不同樹齡果樹胸徑、栽植密度數據來自于2014年8月的野外實地測量；不同樹齡果樹的產果量、剪枝量和套袋量數據來自2014年10月的實地補充農戶調研。利用SPSS 16.0和 Microsoft Excel軟件對數據進行處理，用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 種植業碳匯的測算

根據《國民經濟行業分類》（GB/T4754－2011）和縣南溝流域的現實狀況，將流域內的種植業分為糧食作物、經濟作物、蘋果園三大類，流域內的糧食作物主要有玉米、谷子、糜子、薯類等，經濟作物主要有大棚蔬菜、西瓜、紅蔥等。各類作物歷年的固碳與碳排情況如表4所示。

表4 各類作物的碳匯量 t

由表4可知，絕大部分年份種植業各類作物的凈碳匯量為正。

2001—2004年新增果園面積131.53hm2，原有32.20hm2，剛栽植果樹生物量增長慢、固碳能力低，使得流域內平均果園固碳能力較低，而生產投入的碳排量平均為5.47t/hm2，高于糧食作物和經濟作物的單位碳排，因此凈碳匯量為負，成為碳源；2003年經濟作物雖有大的生產投入（單位碳排為歷年平均的1.56倍），但因氣候、種植技術等各種偶然原因，使其單位固碳僅為歷年平均的72%，出現碳排量大于固碳量的情況。

3.2 種植業生態價值及分析

種植業生態價值（凈碳匯價值）與生態價值占總價值的比例如表5所示。

表5 生態價值占總價值的比例

種植業生態價值呈穩步遞增趨勢，由2001年的35.34萬元增至2014年的901.71萬元，其中蘋果園的生態價值逐年增加，主要原因是果樹的自然生長和果樹面積的不斷增加；糧食作物的生態價值先波動上升后波動下降，由于前幾年化肥投入的增加及種子的改良等，糧食作物的產量波動增加，近幾年，大量青壯勞動力外出從事工副業，導致部分耕地撂荒且農地缺乏管護，糧食作物的產量波動下降；經濟作物的生態價值年際波動較大，除2003年外，2002年，2006年，2013年，2014年亦出現了極低值，原因在于2002年經濟作物的種植面積僅為歷年平均值的58%，2006年的夏季高溫少雨，2013年遭遇自1945年有氣象記錄以來的大暴雨，致使經濟作物和糧食作物的產量驟跌，糧食作物受災更為嚴重，產量驟減至歷年最低，2014年在作物的生長季遭遇冰雹且種植面積僅為歷年平均值的78%。

2001—2014年，種植業生態價值占生態經濟總價值的比重總體呈波動上升趨勢，增量為39.79%；蘋果園生態價值占總價值的比重呈穩步上升趨勢，2007年后，其生態價值超過經濟價值；糧食作物生態價值占總價值的比重逐漸下降，降幅為41.94%；經濟作物生態價值占總價值的比重波動較大，呈三峰型。總的而言，蘋果園的生態價值大于其經濟價值，糧食作物的生態價值約為經濟價值的1/2，經濟作物的生態價值極其小，僅為經濟價值的3.69%。

3.3 種植業結構價值水平的比較分析

2005年之前，蘋果園的生態價值水平低于糧食作物和經濟作物；之后，生態價值水平遠高于糧食作物和經濟作物，歷年糧食作物的生態價值水平均略高于經濟作物（圖1），2005年之前新增的大量蘋果園使流域內蘋果園總的凈碳匯量、生態價值為負，生態價值水平亦為負，低于糧食作物和經濟作物；經濟作物的單位面積固碳能力與糧食作物相當，但其單位面積的碳排量約為糧食作物的4倍，因此經濟作物的生態價值水平低于糧食作物。2005年之前，蘋果園的經濟價值水平低于糧食作物；之后，蘋果園的經濟價值水平高于糧食作物，歷年經濟作物的經濟價值水平遠高于蘋果園和糧食作物（圖2），2005年之前大部分果樹還沒有掛果，因此此時間段其經濟價值水平最低。對于生態經濟價值水平而言，2005年之前，經濟作物＞糧食作物＞蘋果園；2005—2010年，經濟作物＞蘋果園＞糧食作物；2011年至今，蘋果園＞經濟作物＞糧食作物（圖3）。

圖1 各類作物的生態價值水平

圖2 各類作物的經濟價值水平

圖3 各類作物的生態經濟價值水平

4 結論與討論

本研究基于碳匯視角，以陜北黃土高原典型流域縣南溝為研究對象，利用實地調研和測量的數據對流域主要種植業類型生長季的固碳量和碳排量進行了測算，用貨幣化的凈碳匯價值定量表征碳匯交易下種植業的生態價值，并將種植業的經濟價值作為對比參照對象，對比分析種植業的生態效益。結果表明：2001—2014年，種植業的生態價值總體上呈穩步遞增過程，由2001年的35.34萬元增至2014年的901.71萬元；種植業價值的演變過程可分為三個階段，第一階段（2001—2004年），經濟作物＞糧食作物＞蘋果園；第二階段（2005—2010年），經濟作物＞蘋果園＞糧食作物；第三階段（2011年至今），蘋果園＞經濟作物＞糧食作物。

長期來看，蘋果園每年果樹自然生長而增加的生物量高于糧食作物和經濟作物，因此其生態價值水平高于后兩者；糧食作物和經濟作物的單位固碳量相當，但相比經濟作物而言，流域內糧食作物沒有農藥、地膜、灌溉等碳排，化肥投入引起的碳排量也大大少于經濟作物，因此糧食作物的生態價值水平高于經濟作物；雖然經濟作物的生態價值水平最低，但由于經濟作物的經濟價值水平約為蘋果園的3.5倍、糧食作物的6.6倍，使得經濟作物的生態經濟總價值水平最高，蘋果園和糧食作物次之。

在碳匯市場交易下，種植業可實現的生態價值占總價值的比重達42.28%，其中蘋果園、糧食作物、經濟作物生態價值占生態經濟總價值的比重為58.22%，31.19%，3.60%，即蘋果園的生態價值已超過其經濟價值，因此，種植業生產經營過程中，應重視其生態價值，強化低碳生產理念，謹慎出臺設施農業建設鼓勵政策，避免因盲目擴大設施農業規模而影響生態價值的發揮［29］，做到宜果則果、宜菜則菜、宜糧則糧；改變以大量使用化肥、農藥為標志的高投入、高能耗發展模式，逐步增加有機肥、生物農藥等［30］，降低種植業生產中的碳排放［31］，實現生態經濟的可持續發展。

基于碳匯視角測算種植業的生態價值具有一定的可操作性和可實現性，能夠揭示生態價值在系統中的地位和作用，在目前情況下可為種植業結構調整、資源高效利用及系統優化提供參考。但對于全面揭示種植業的生態價值，還有待于在可測量的生態指標及計算模型方面做深一步的探討。

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