基于作物生產水足跡的農業灌溉水價研究

夏 帆，李寶玉，曹連海，楊寶中

(1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；2.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008；3.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046)

0 引 言

水是農業命脈，2000年我國農業用水3 784 億m3，占到全國總用水量的68.8%；2015年我國農業用水3 851 億m3，占到全國總用水量的63.1%；15年間農業用水僅增長了1.77%。而糧食產量由2000年的46 251 萬t增加到2015年的62 144 萬t[1,2]，15年間增長了34.36%。糧食產量增長速度遠大于農業用水量，與我國農業技術進步和大力推廣節水農業分不開的。與之同時，節水意識淡薄、水利基礎設施損壞嚴重和用水效率低下等問題依然存在，水資源浪費和區域水資源壓力增大，必將影響農業經濟發展，區域水資源合理再分配和綜合水價改革勢在必行。西方發達國家很早就開始實行水資源有償使用，諸如以色列、澳大利亞、日本等國[3-5]，依靠先進的節水、灌溉技術，培育出具有高競爭力的農產品，值得學習和借鑒，政府重視、管理完善是主要原因，合理的水價也是必要條件之一。發達國家農業現代化水平高，農業水價研究起步早，政府重視程度高，這也使得農業經濟的杠桿作用得到了很好的推廣，在農業水費的構成、收取方式、政策以及相關管理等方面有很多成功的經驗可以學習[6-10]。中國社會經濟進入中高速發展常態，“三農”問題依然是改革的深水區，而水價改革是實現農業水資源供給側結構調整的關鍵所在，已經成為人們關注的焦點和熱點[11]。徐鶴[12]以水資源價值為基礎，采用全成本水價核算方法，對南水北調中線工程主題城市供水水價進行了研究；景金勇等[13]圍繞“提補水價”節水模式，研究了引黃灌區農業水價階梯水價模型，通過試點和對比點的計算結果進行比較，可以認為提高水價能顯著提高農民節水意識，也能提高用水效率，但在實施的過程中，也遇到難題，水價制定過高，超過農民的承受能力，必定會影響農民用水的積極性，不利于農業的發展，水價過低，造成水資源浪費，另一方面，難以保證水利設施得到良好的維護，影響正常供水；在邊際成本與次優定價之間，如果單純的以社會效益最大化來考慮，肯定要選用邊際成本，但這樣，不僅超過了農民的承受能力，也與當下發展農業水利促進農業發展相悖[14-17]。制定合理的水價，需要從多方面綜合考慮。

水足跡理論的提出為農業水資源研究提供了很好的研究方法[18]，作物生產水足跡為農業水價的合理確定提供了有效工具。作物生產水足跡是指區域生產作物單位產量所消耗的水資源量，包含了藍水、綠水、灰水三部分，受氣候、地域、土壤、經濟等各種因素的影響[19,20]，作物生產水足跡絕非三者簡單的疊加，而灰水不是作物生產過程中直接實際消耗的水資源量，受作物種類、施肥量等人為因素的影響較大，量化難度大，故暫不考慮灰水足跡，只對藍水和綠水足跡進行計算，以此得到作物生產水足跡。在綜合考慮供水成本和農民承受能力的基礎上，以作物生產水足跡為手段，建立合理水價計算模型，以河南省博愛縣為例，計算基礎水價，將其折算為基礎電價，并根據用水量大小提出階梯水價，為區域農業水價綜合改革提供有效參考。

1 合理水價計算模型

1.1 成本水價

供水成本按照全成本法來計算，包括資源成本、工程成本、運行成本、合理利潤和稅收等部分組成。資源成本是用水戶所要繳納的水資源費，我國對農業灌溉用水采用限額管理，在限額以下的不需要繳納水資源費，不產生資源成本，故小型農田灌溉工程的農民用水協會基本不需繳納水資源費，其資源成本為零；工程成本包括水源工程、供水工程和供水設備的年折舊費，小型農田灌溉工程的水源工程、供水工程和供水設備大都使用財政資金建設，故農民用水協會則無需考慮這部分費用；運行成本包括設施維護和設備維修成本、放水成本和運行管理成本等，農民用水協會僅需保證工程正常運行，其運行成本主要表現為運行管理成本，主要包括設施維護和設備維修成本、放水或提水成本，放水或提水成本主要表現為電費，因此，此處所講的提水成本就是電費；農業水利稅收問題國家沒有具體的規定，幾乎可以忽略。

由此看來，整個供水成本就由工程成本C，管理成本B和電費D構成，可以表示為：

工程成本主要考慮的是水利設施的日常維護，也就是維修費；管理成本主要是水協會管理人員的誤工費、薪資福利以及管理經費等；電費是機井開機抽水時產生的用電費用。

1.1.1 維修費計算

按資產原來成本的固定百分比來計算設備維修費，用以下公式表示：

C=F×δ

(1)

式中：F表示設備固定總資產，元；δ表示年維修費率。

1.1.2 管理成本

水協會的成立需要有人來管理，這部分人在管理協會的時候，不能進行農業生產，產生的相關誤工費由協會出資進行補償。試點區自成立水協會開始，費用的收支記錄、管理日志等資料完善，查閱相關資料，水協會年均管理人員的誤工費、管理經費等在24萬元左右，其中19名管理人員的誤工費為19萬元，4個水協會管理經費5萬元，即B=24萬元。

1.1.3 電 費

試點區全部屬于井灌區，提水依靠水泵電機，水泵型號200QJ32-39/3，電機功率5.5 kW，機井出水量32 m3/h，通過計算得出1 kWh電可抽水5.8 m3，電費0.56 元/kWh。

(2)

供水成本計算公式如下：

A=C+B+D

(3)

1.2 農民承受能力

承受能力用水費的支出占農業生產成本、產值、凈收益等比例，結合當地經濟發展水平來確定[11]，承受能力的變化與水體之的關系大致可以用圖1來表示。根據世界銀行在全球范圍內分析數據，結合我國特殊情況及農業在社會經濟中的重要性，該比例在5.5%～13%，比較合適。

圖1 水價與農民承受能力、用水量之間的關系Fig.1 Relationship between water price and farmers' affordability and water consumption

假定博愛縣農民人均純工資性收入a，干旱年(p=75%)年均澆灌4次可達到充分供水灌溉最高產量的95%以上，以年均灌溉4次合理灌溉量q為準，試點區人均耕地面積x，則合理的灌溉水價范圍γ為：

元/m3)

(4)

1.3 作物生產水足跡

作物生產需水量主要包括綠水、藍水和灰水，綠水是指作物通過蒸騰蒸發作用消耗的土壤中儲存的降水資源量；藍水是作物生產除去降雨消耗的地表水或地下水的淡水資源量；灰水則是因施肥、農藥等過程為稀釋污染負荷消耗的淡水量。其中綠水和藍水是作物直接實際消耗的水資源量，因此，在計算作物需水量的時候僅對綠水和藍水足跡進行概算，得到作物水生產足跡，即：

WFPi=WFg+WFb

(5)

式中：WFPt表示作物生產水足跡，m3/kg；WFg表示綠水足跡，m3/kg；WFb表示藍水足跡，m3/kg。

1.3.1 作物生長期需水量

試點區多年平均降雨量水量559.21 mm，75%的年份為466.5 mm，枯水年最低為294.3 mm。多年平均蒸發量1 780 mm。

作物生長期需水量是作物蒸發蒸騰量與作物系數的乘積，即：

ETc=ET0×Kc

(6)

式中：ET0表示作物蒸發蒸騰量，mm；Kc表示作物系數；其中，ET0由FAO推薦的Cropwat8.0軟件求出，并查閱資料做一定的修正。

1.3.2 作物生長期有效降雨量

有效降雨量是指滲入土壤并儲存在作物主要根系吸水層中的降雨量，是植物直接吸收利用的降雨量。其數量為降雨量扣除地面徑流量和深層滲漏量的剩余量，與土壤的深度、土壤持水能力、降雨強度和降雨量等因素有關。

(7-1)

當Pt≥83，Pe=4.17+0.17Pt

(7-2)

式中：Pt表示旬降雨量，mm；Pe表示旬有效降雨量，mm；

則整個生長周期的有效降雨量為：

(8)

式中：P為有效降雨量，mm；n為生長周期旬數。

選取p=75%水文條件為典型年，年均灌溉4次，保證平均產量最高。小麥的生長周期是10月15日-次年6月5日，生長期234 d，平均生長期230 d，玉米生長期是6月10日-9月15日，生長期98 d，平均生長期95 d。根據1956-2015年降雨資料頻率分析，分別計算出小麥、玉米生長期內降雨量和有效降雨量。

由此可以得到作物生長灌溉需水量：

W=ETc-P

(9)

式中：W表示灌溉需水量，即藍水資源，mm。

2 階梯水價

M1=A/W

(10)

M2=A*/W

(11)

式中：M1表示基礎水價，元/m3；M2表示補貼或獎勵，元/m3；A*表示補貼或獎勵金額，元。

試點區合理灌溉量為q，按照年均澆地4次，提高比例為α，則提升水價M3為：

M3=M1×(1+α)

(12)

由此得到階梯水價計算公式為：

(13)

式中：M為水價，元/m3；Q*為實際用水量，m3。

3 案例分析

3.1 研究區概況

博愛縣位于太行山南麓，焦作市西北部，三面環河，一面靠山，地形主要是山區和平原，北高南低，西北高東南低。

表1 項目區基本情況表Tab.1 Basic situation of the project area

全縣水資源總量約2.27 億m3，改革試點區位于博愛縣孝敬鎮西南部(如圖2)，涉及孝敬鎮張村、徐莊、蔣村、留村等4個行政村，現有耕地面積757 hm2，總人口11 655 人，試點區全部耕地都屬于井灌區。

3.2 試點區管理現狀

試點區是一年兩熟，主要農作物結構方式以小麥和玉米，充分灌溉條件下平均產量小麥平均產量為8 019 kg/hm2，玉米平均產量為7 788 kg/hm2。項目區屬井灌區，井灌面積757 hm2，其中低壓管灌面積467.2 hm2；已成立農村用水協會4個，從業人員19人，其中留村用水協會已注冊登記，其余3個用水協會雖完成了協會組建基本程序，但未在當地民政部門正式注冊登記，不具備社團法人資格。現有小型農田水利工程實行小型農田水利工程產權制度改革的比例為98%，實行以用水戶參與灌溉管理為重點的管理體制與運行機制改革的小型農田水利工程比例為63%，其中農民用水合作組織管理比例為23%。

圖2 博愛縣農業水價改革示范點項目區位置圖Fig.2 location of demonstration site for agricultural water price reform in Boai county

試點區現狀水費收繳統一由各村用水協會負責，農業用水計量是以折合成電費的途徑征收，按供水使用電量收費。綜合電費1.29元/kWh，計量點在機電井首部，收取率95%，收取率很高，除基本電費0.56元/kWh，上交電費外，其余0.73元/kWh，用于用水協會人員工資及工程運行管理和維修養護費；試點區現狀基本上能滿足協會的人員工資和協會運轉費用，平常的小型維修也能保證，但是地埋管道的大量更換等大型維修不能保證。另外，由于農民保護意識薄弱的緣故，特別是在干旱時期，水泵等機電設備超負荷、超時間運行現象普遍存在協會管理存在一定難度。需要重新核算水價，充分發揮水價的杠桿作用，提高農戶用水節水保護的自覺性，以保證水利設施正常運行和水協會管理工作順利進行。

長期以來，田間相應的水利工程建設基本上都是由國家投錢建設，機械超時間運行，特別是在干旱時間，超負荷更嚴重。用水協會的建立雖然緩解了這一難題，但是由于協會本身經費有限，收取的水費除去協會本身的正常運行，就只能維持灌區設施的小型維修，造成了一種“有人建、有人用、有人補、無人修”的尷尬局面，大型的維修需要財政補助，這樣無疑加重了財政的負擔，農戶過度依賴政府，不僅不能解決用水管理完善，達到節約用水的目的，也影響了正常的農業生產。

3.3 計算結果

(1)維修費。通過調查統計，試點區固定資產總值為1 000.13 萬元，根據公式(1)計算得到維修費C=17萬元。

(2)作物生長需水量。根據公式(2)計算作物生長需水量，如表2所示。

表2 作物生長需水量 mmTab.2 Crop growth water demand

(3)有效降雨量。試點區多年平均降雨量水量559.21 mm，75%的年份為466.5 mm，枯水年最低為294.3 mm。多年平均蒸發量1 780 mm。選取p=75%水文條件為典型年，年均灌溉4次，保證平均產量最高。小麥的生長周期是10月15日-次年6月5日，生長期234 d，平均生長期230 d，玉米生長期是6月10日-9月15日，生長期98 d，平均生長期95 d。根據1956-2015降雨資料頻率分析，分別計算出小麥、玉米生長期內降雨量和有效降雨量。計算典型年作物生長期內有效降雨量，如表3所示。

表3 作物生長期內有效降雨量(p=75%) mmTab.3 Effective rainfall during crop growth

(4)作物生長消耗水量。計算作物生長消耗水量，如表4所示。

表4 作物生長消耗水量 mmTab.4 Crop growth water consumption

得到產品虛擬水含量，如表5。

表5 作物生長虛擬水含量Tab.5 Crop growth Virtual water content

由此計算得到小麥產品水足跡為0.632 m3/kg,玉米產品水足跡為0.622 m3/kg。

由藍水足跡計算年需水量為306.8 萬m3，因此，供水成本合計A=70.46 萬元，算得基礎水價為M1=0.23 元/m3。

3.4 分 析

計算結果顯示兩種作物的產品水足跡相差不大，但小麥的藍水足跡是0.405 m3/kg，玉米的藍水足跡是0.226 m3/kg，小麥在生長過程中消耗的藍水資源遠遠超過了玉米所消耗的藍水資源，這與作物生長周期有一定的關系，小麥秋種夏收，整個生長期長，且處于非汛期，因此需要消耗更多的藍水資源才能保證產量，玉米生長周期短，基本處于汛期，生長期內降雨較充足。

試點區計算的基礎水價為0.23 元/m3，以2010-2015年博愛縣經濟發展為基礎，預測未來10 a變化，計算出范圍是0.21～0.497 元/m3，所算的水價能夠被用戶接受，在基礎水價的條件上，可適當提高比例α，使之在承受范圍內，供水成本能夠較快回收，并且還有一定的盈利，當出現設備大修或者更換時，能夠及時更新，這樣既能保證灌溉用水合理，同時也提高水費收取，減輕了政府的財政負擔。實行階梯水價，對于節水用戶給予一定的獎勵，既能保證作物正常灌溉，也節約了水資源，提高用戶節水意識。

為方便收取水費，將水價折算成電費形成終端水價，基礎電費為1.33 元/kWh，這與協會現狀實行的1.29 元/kWh相比，多出0.04 元/kWh，說明當前水費可適當提高。

3.5 建 議

(1)由作物生產水足跡計算結果，在作物生產需水量較穩定的情況下，作物綠水足跡和藍水足跡是此消彼長的關系，試點區可以通過推廣土地蓄水保墑技術以加大小麥和玉米對綠水的利用程度，提高作物的綠水足跡，進而相應減少作物藍水足跡，節約農業灌溉水資源；

(2)農民對水價的承受能力與其經濟收入有很大關系，在農民水費支出較穩定的情況下，研究區可以采用增施有機肥來改良土壤肥力的方式，提高小麥和玉米的產量，進而增加農民的可支配收入，提高農民的承受能力，也能適當增加水價提高比例，增加社會資金的注入；

(3)農民節水意識的薄弱是普遍存在的問題，應加大水價改革宣傳普及力度，強化農民的水商品意識，提高農民節水意識，一味地通過提高水價減少水量反而不利于農業經濟的良好發展；

(4)農業水價改革要積極探索建立符合區域現狀的精準補貼和節水獎勵機制，從減輕農民負擔和促進農民節水灌溉兩方面協同發力，以保證農民的種糧積極性以及我國的糧食安全；

(5)實現水價的利潤，將社會資金進入灌溉工程，積極制定鼓勵社會資金投入灌溉工程建設的有關政策，也可拓寬社會資金渠道，對于社會資金投入中小型農田水利建設的，可以按照收益適當高于長期國債收益率的原則制定水價，在相關政策方面予以適當支持。

4 結 論

引入作物生產水足跡的方法核算農業灌溉水價在我國的農業水價研究中還沒有涉及太多，對農作物而言，基于研究區氣象、土壤條件及耕作方式等實際情況，運用水足跡理論，對作物生產需水量以及灌溉需水量進行科學核算，是研究區制定基礎水價和階梯水價的基礎。通過對博愛縣的實例研究，得出以下主要結論：

(1)在p=75%水文年，試點區小麥和玉米的生產水足跡分別為0.632、0.622 m3/kg；小麥和玉米的藍水足跡分別為0.405、0.226 m3/kg。雖然兩種作物的生產水足跡相差不大，但由于兩種作物生長期的差異，小麥的藍水足跡幾乎是玉米的2倍。

(2)計算得到研究區基礎水價為0.23 元/m3，將其折算為抽水電費后，基礎電費為1.33 元/kWh，高于1.29 元/kWh的現狀電費，需要對現狀電費進行適當提高。

(3)結合2010-2015年研究區經濟發展現狀，預測未來10年變化，得到農民對水價的承受能力是0.210～0.497 元/m3，計算得到的基礎水價在此范圍內，可被用水農戶接受；在此基礎上實施階梯水價，提高農業水資源的利用效率，減少水資源浪費。