乌梁素海流域氮磷减排与区域经济发展的均衡分析

赵永宏，邓祥征，吴 锋，何连生，鲁 奇

1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

2.中国科学院研究生院，北京 100049

3.中国环境科学研究院，北京 100012

乌梁素海流域氮磷减排与区域经济发展的均衡分析

赵永宏1，2，邓祥征1*，吴 锋1，何连生3，鲁 奇1

1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

2.中国科学院研究生院，北京 100049

3.中国环境科学研究院，北京 100012

以乌梁素海为例，以内蒙古自治区2002年投入产出表及巴彦淖尔市2008年统计年鉴为主要数据源，通过开展氮磷减排与区域经济发展的均衡分析，研究了在经济－技术进步和征收排污税2种减排方案下，如何协调乌梁素海流域区域经济发展与氮磷减排之间的关系.结果表明，2种减排方案各具优势与不足.从环境效益来看，征收排污税方案的效果要优于经济－技术进步方案;但从对总体经济的影响来看，经济－技术进步方案则要优于征收排污税方案.经济－技术进步方案对当地GDP，投资，消费和居民收入的增长均有一定的促进作用，而征收排污税方案则均不同程度地导致当地GDP，投资，消费和居民收入的下降.因此，乌梁素海流域氮磷减排策略应是以经济 －技术减排策略为主，以征收排污税减排策略为辅.

氮磷减排;均衡理论;区域经济发展;排污税;乌梁素海流域

Abstract:Taking Wuliangsuhai Lake as an example，the relationship between emission reduction of nitrogen and phosphorus and regional economic development was analyzed by using conducted equilibrium analysis under implementation of the economytechnology advancement program and the pollution tax collection program.The main data sources were the input-output tables of Inner Mongolia Autonomous Region in the year 2002，and the 2008 Bayannaoer Statistical Yearbook.Research results indicate that the two kinds of programs have strengths and weaknesses.Judging from regional environmental benefits obtained by implementing the two kinds of programs，the effects from implementing the pollution tax collection program were superior to those obtained from the economy-technology advancement program.But judging from overall influence on the local economy，the effects from implementing the economy-technology advancement program were superior to those obtained by implementing the pollution tax program.Overall，the economy-technology advancement program had positive effects in promoting local GDP，investment，consumption and residential income，while the pollution tax collection program resulted in declines of local GDP，investment，consumption and residential income to various degrees.Therefore，a comprehensive strategy of nitrogen and phosphorous emission reduction in the Wuliangsuhaiwatershed should be employed，primarily using economy-technology advancement，with pollution discharge tax strategy as auxiliary.

Keywords:nitrogen and phosphorus emission reduction; equilibrium theory; regional economic development;pollution tax;Wuliangsuhai watershed

随着社会经济的快速发展，以及人类对流域资源利用与对水环境影响强度的不断加大，人口、环境与发展的矛盾日趋尖锐.20世纪 90年代以来，以流域为单元开展经济发展与水环境变化相互作用的研究日益增多.如孙启宏等［1］以辽河流域为研究对象，定量研究了辽河流域重点行业产污强度及节水减排清洁生产潜力.范文华等［2］研究表明，黄河下游山东段水资源量减少及水质污染对山东经济发展有明显的制约作用.但随着社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，越来越多的来自于人类活动的氮磷进入环境，给流域水环境带来了极大的压力.化肥的大量施用及人类农业生产和生活排放的大量废弃物，导致水体氮磷营养盐的大量积累，致使湖泊富营养化程度日益严重.湖泊富营养化已成为全球关注的重要环境问题之一［3-4］.据统计，目前全球约有75%以上的封闭型水体存在富营养化问题［5］.近年来，由于人口增长，工业化、城市化和现代农业的快速发展，大量氮磷营养盐及其他有机物进入湖泊中，致使我国湖泊水质迅速恶化，大部分江、河、湖、库及近海水域面临着富营养化的威胁，长江中、下游湖泊尤为严重［6-7］.调查显示，我国90%的湖泊水库面临不同程度的富营养化问题［8］.在当前我国131个主要湖泊中，达富营养程度的湖泊已有67个，占总数的51.2%［9］.而引起湖泊富营养化的关键因素就在于水体中氮磷营养盐的富集，因此，减少氮磷的排放必然成为控制湖泊富营养化的重要措施.但控制氮磷排放必然影响区域经济发展，那么，如何协调流域经济增长与氮磷排放之间的关系呢?针对该问题，国内已有一些探索性的研究报道.如吴锋等［10］通过利用投入产出表和我国多区域社会经济核算矩阵(SAM)数据库，研究了鄱阳湖流域的氮磷减排.邓祥征等［11］通过构建区域经济发展与氮磷减排调控多区域均衡分析模型，探讨了江西省不同产业实施的氮磷减排策略对各地区经济发展的影响.乌梁素海是我国八大淡水湖之一，是全球荒漠半荒漠地区极为罕见的具有生物多样性和环保多功能的大型草型湖泊，对维护世界性的生态平衡、保护物种的多样性起着举足轻重的作用［12］.但近年来，随着流域社会经济的发展，乌梁素海富营养化日益严重.富营养化的出现不仅加速了乌梁素海的沼泽化进程，而且直接威胁到了湖泊的各项生态功能，给区域环境保育与经济发展造成了损失.因此，研究乌梁素海流域经济发展与流域氮磷营养盐排放之间的平衡关系，并寻求一条经济发展与环境保育协调发展的道路，已成为当地水体富营养化调控的重点问题之一.

参照澳大利亚ORANI模型［13-14］，根据氮磷减排与区域经济协调发展的需求，通过在ORANI模型中纳入氮磷减排模块和动态模块，构建了乌梁素海流域氮磷减排与区域经济发展均衡分析模型.把案例区所在的乌梁素海流域经济系统作为一个整体，测度了其经济系统内各部门、各变量之间的相互作用，在此基础上，通过设置强制型减排和发展型减排2种减排方案，分别研究了这2种减排方案对乌梁素海流域区域经济发展所带来的影响，以期对乌梁素海的富营养化控制与流域经济发展提供参考.

1 研究区概况

乌梁素海流域位于内蒙古高原西部，面积约11 800 km2.乌梁素海南北长35～40 km，东西宽5～10 km，湖面高程1 018.5 m，库容量 2.5× 108～3.0×108m3，现有水域面积约为293 km2，是我国目前富营养化现象最严重的淡水湖泊之一［15］.2002年卫片遥感解译结果显示，乌梁素海芦苇区面积为161.6 km2，明水区面积104.8 km2［16］.乌梁素海是我国黄河流域最大的湖泊，也是世界上同一纬度最大的湿地，平均气温7.3℃，平均降水量215.7 mm，年蒸发量3.45×108m3，属于典型的温带大陆性气候［17］.该湖补给水源主要来自于黄河河套灌区的农田退水、工业废水和生活污水，年输入量约7×108～9×108m3［18］，这些补给水源给乌梁素海带来大量的氮磷营养盐(见表1)［19］.湖水的主要排泄方式是水面蒸发和植物蒸腾，其次是当湖泊水位高于控制高程(1 018.5 m)时，即由总排干泄入黄河，另外尚有部分渗漏.由于人类经济活动带来大量的营养盐类，使乌梁素海的氮磷含量急剧升高.研究表明，按国际通用水质营养标准(氮、磷质量浓度分别为0.2和0.02 mg/L)计算［20］，乌梁素海氮、磷质量浓度分别为国际通用判断富营养发生标准的44.3与13.5倍(见表2).氮磷的增加使湖中大型水生植物过量生长，目前腐烂的水草正以每年9～13 cm的速度在湖底堆积，使乌梁素海成为世界上沼泽化速度最快的湖泊之一［21］.因此，控制乌梁素海氮磷营养盐的排放，抑制水草的腐烂，减缓其沼泽化的进程，恢复其生态功能已成为乌梁素海富营养化控制的主要任务.

乌粱素海流域以农牧业为主，是我国重要的商品粮、油、糖生产基地，素有“塞上江南”之美称. 2008年人口为1.52×106人.改革开放以来，乌梁素海流域经济得到很大的发展.GDP由1978年的3.46×108元增至 2008年的 319.77×108元，年均增长 16.29%.农业总产值由 4.3×108元增至7.5×109元，年均增长率为10.01%.粮食产量由3.85×105t增至 1.78×106t，年均增长率为5.25%.农牧民人均纯收入也有了较大的提高，从改革开放初期的平均值不足 100元增至接近1 000元.同时农村的生产条件也得到了很大的改善，化肥使用量与农村用电量都有了较大的提高. 1995—2008年，化肥的使用量由1995年的1.26× 105t增至 2008年的 1.96×105t，年均增长率为3.44%;农村用电量由 1.35×108kW·h增至2.93×108kW·h，年均增长率为6.13%.在经济得到迅速增长的同时，乌梁素海流域产业结构也逐渐得到优化.2008年，三次产业(第一、二、三产业)比重为33.57∶35.43∶31.00.

表1 2006年乌梁素海氮磷年总负荷及其来源构成［19］Table 1 Total loads and sources of nitrogen and phosphorus of the Wuliangsuhai Lake in 2006

表2 2005—2007年乌梁素海氮磷质量浓度Table 2 TN，TPmass concentration in the Wuliangsuhai Lake from 2005 to 2007

2 模型与方法

为了权衡分析区域氮磷减排与经济发展，建立了一个区域动态CGE模型(见图1).在该模型中，氮磷的减排行为被刻画为一个单独的回收生产环节排放的氮磷的服务部门，该部门向其他不同的生产部门提供削减氮磷服务，服务价格相当于边际减排成本.企业、政府和居民通过购买该服务的量来表征其对氮磷削减的贡献率.与一般消费商品类似，氮磷削减服务作为一种特殊的中间投入品，将氮磷削减费用平摊到生产活动中，成为商品成本的一部分.

图1 乌梁素海氮磷减排与区域经济发展均衡分析模型框架Fig.1 Equilibrium modeling framework between emission reduction of nitrogen and phosphorus and econom ic development of the Wuliangsuhai Lake

2.1 与氮磷减排有关的方程

该模型中与氮磷减排有关的方程有8个:

式中，i，j为排放氮磷的生产部门;g为生产环节排放的氮磷提供减排服务的部门;其他符号含义见表3.

式(1)旨在反映一个生产部门污染发生后的生产成本的组合.其等式左侧是该生产部门的现金流入，即生产销售收入加上所得政府补贴;右侧被分解成附加值价格实现额、间接税支付额、中间投入、氮磷排放税支付额和氮磷减排成本.式(2)定义了氮磷排放税，氮磷排放所产生的排污费是部门产出、氮磷排放税率、氮磷排放密度和氮磷减排率的函数.式(3)定义了氮磷减排成本，各部门不同的氮磷减排成本是生产部门产出、氮磷排放密度、氮磷减排率和氮磷排放价格的函数.式(4)定义了氮磷排放价格(消除生产部门排放的氮磷的成本折算成商品的价格)，该方程是一个价格转换方程，为消除量纲对估计结果的影响，一般将氮磷排放部门产出的初始价格设定为1.不过，在测算氮磷的实际排放量时，仍然采用 t或106t等实物单位，在核算排污价格时，转化为产出的初始价格“1”的倍数.式(5)定义了氮磷减排总量，采用实物单位来衡量，从价值量向实物量的转化比例以基期的转化比例为准.式(6)定义了氮磷减排率，它由氮磷减排总量除以总氮磷产生量而得.式(7)定义了氮磷产生量，它是各部门氮磷产生量之和.式(8)定义了氮磷排放量，它是氮磷产生量扣除氮磷减排总量.

表3 模型的参数名称及含义Table 3 Name and content of parameters of the model

2.2 模型结构

模型共包括6个模块，分别承担生产均衡分析、需求均衡分析、收入分配均衡分析、贸易均衡分析和氮磷削减均衡分析并实现宏观闭合的任务.模型中的生产采用多层嵌套的 CES函数来描述生产要素之间的不同替代性.在需求均衡分析模块中，居民和政府的消费决策基于 Cobb－Douglas效用函数，因此居民和政府按固定的比例消费每种合成商品［22］.在收入分配均衡分析模块中，收入方程主要是居民收入、企业收入和政府收入.贸易均衡分析模块包括研究区与一个省(市)内其他地区以及与国内其他地区广泛的商品贸易往来.氮磷减排均衡分析为了将氮磷削减纳入均衡分析框架，这里增设了一个氮磷削减部门.宏观闭合包括各种要素市场、商品市场的供需均衡.

3 数据与方案设计

3.1 数据收集

所用数据主要来自内蒙古自治区2002年投入产出表、《2008内蒙古统计年鉴》与《2008巴彦淖尔市统计年鉴》，包括乌梁素海流域的社会经济数据与有关污染治理的数据(见表4).

3.2 方案设计

3.2.1 设计依据

减排方案设计的依据是乌梁素海现水体中氮磷的储量和湖泊水环境容量，这里只计算乌梁素海氮磷的环境容量.湖中氮或磷的流域环境容量按式(9)～(11)计算.

式中，MN为氮(磷)的流域环境容量，t/a;LS为单位湖水面积氮(磷)的流域环境容量，mg/(m2·a);A为湖水面积，m2;PS为湖中氮(磷)的年均控制质量浓度，g/m3;h为湖水平均深度，m;V为湖水库容，m3;Qa为湖年出流水量，m3;W出为年出湖的氮(磷)量，t/a;W入为年入湖的氮(磷)量，t/a.

表4 模型的数据名称与单位Table 4 Name and unit of data of the model

根据式(9)～(11)和巴彦淖尔市环境保护规划，乌梁素海水质要达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准，得到M氮和M磷分别为95.02和23.09 t/a.

3.2.2 减排方案

根据乌梁素海现水体中氮磷负荷和计算得到的湖泊氮磷环境容量，在均衡分析过程中，以2007年为基准年，以(TN和TP)负荷/容量比作为水污染防治控制指标，从近期(2007—2011年)、中期(2012—2016年)到远期(2017—2021年)，负荷/容量逐渐降低，最终达到1.0的良好状态.乌梁素海流域水污染防治控制指标目标值见表5.以在今后15年中氮磷负荷/容量比达到≤1.0为目标，分别设计了发展型减排与强制型减排2种减排方案.其中，发展型减排方案也称经济 －技术进步方案，是指通过采取产业结构调整与技术进步的策略来实现氮磷减排;强制型减排方案也称排污税方案，则是指通过采取征收排污税的方式来实现氮磷的减排.在发展型减排方案中，以全要素生产率的变动代表经济 －技术水平的进步，从基年(2007年)开始，在以后的15年内，乌梁素海流域近期、中期和远期的全要素生产率相对于基年的年增长率分别为9.3%，7.7%和6.8%时，三次产业结构相应地由基年的 30.8∶34.5∶34.7分别调整为27.3∶36.2∶36.5，24.5∶37.8∶37.7和21.4∶39.1∶39.5时，即可实现乌梁素海氮磷负荷/容量比逐渐降至1.0的状态.在强制型减排方案中，采取征收排污税的方案，即通过以氮磷的减排率体现排污税税率的方案来实现在今后15年内氮磷负荷/容量比达到≤1.0的目标.通过模型模拟分别实施经济－技术进步和征收排污税2种减排方案对乌梁素海流域区域经济发展与氮磷减排的影响.

表5 乌梁素海氮磷控制目标Table 5 The control target of nitrogen and phosphorus of the Wuliangsuhai Lake

4 模拟结果与分析

4.1 经济－技术进步方案模拟结果

表6表明，在经济－技术进步的方案下，乌梁素海流域的GDP，投资，消费和居民收入都有不同程度的增长，而就业则为负增长.其中，GDP在近期、中期和远期分别上升 5.52%，6.64% 和6.93%.由于技术进步和产业结构的调整，造成劳动密集型企业的大量减少，进而降低了企业对于劳动力的需求，并造成就业率的下降;同时，技术进步和产业结构的调整也带来了居民收入水平的提高.与城市居民相比，农村居民的实际收入的增幅要小一些.其原因主要是农村居民普遍比城市居民受教育程度低，再就业的能力明显比城市居民低，农业产业结构调整带来的收益也远远小于城市制造业和服务业等产业结构调整所带来的收益.居民实际收入的上升带动了消费的增长，近期、中期和远期消费水平分别上升 3.13%，3.74%和 4.36%.另外，从模拟结果还可以看出，GDP和企业利润的上升，也在一定程度上拉动了投资的增长.从减排成本来看，该方案减排成本较高，近、中、远期成本分别为106.4，104.3和101.6元/t.

表6 经济－技术进步方案模拟结果Table 6 Simulation results of economic technical advancement program

4.2 排污税方案模拟结果

表7表明，通过实施征收排污税方案，在实现氮磷减排目标的同时将会引起乌梁素海流域GDP，投资，消费，居民收入和就业率不同程度的下降，并以对农村居民收入带来的影响最大，其中GDP在近期、中期和远期内的增长速度分别下降3.37%，2.16%和1.31%.由于对污染物征税导致企业成本上升和产品需求的下降，进而降低了企业对于劳动力的需求和失业率的上升.劳动力需求的下降导致居民收入下降.与城市居民相比，农村居民的实际收入的降幅会更大一些.这主要是

由于乌梁素海富营养化的氮磷营养物主要来自于农业面源，而农业收入又是当地居民的主要收入来源.居民实际收入下降的直接结果就是消费的下降.另外，从表7还可以看出，尽管排污税收入通过减少企业所得税的形式返还给企业，但是由于在该方案下企业利润会下降，所以投资仍然有所下降，其降幅分别为2.41%，1.84%和0.98%.从减排成本来看，该方案相对经济 －技术进步方案要减少许多，近期、中期和远期分别为 50.6，47.7和43.3元/t.

4.3 2种减排方案效果比较

表7 排污税方案模拟结果Table 7 Simulation results under taking pollution tax program

综上表明，2种减排方案各有优缺点.单从减排效果看，2种减排方案都具有一定的减排效果，但它们的减排成本及其对区域经济发展的总体影响却存在一定的差异.其中，强制型减排方案的减排成本明显低于发展型减排方案，其减排成本相当于发展型减排方案的一半左右，说明强制型减排方案的环境效益要明显优于发展型减排方案.

但从对区域经济发展的总体影响来看，发展型减排方案则要好于强制型减排方案，发展型减排方案对经济增长有正面效应，该方案的实施对区域GDP，投资，消费和居民收入都有一定程度的促进作用;而强制型减排方案对区域经济增长具有一定的负效应.该方案实施后，使当地的 GDP，投资，消费和居民收入都有不同程度的下降.因此，乌梁素海氮磷减排策略应以发展型减排策略为主，以强制型减排策略为辅.

在具体的方案操作方面，要针对当地的具体情况，因地制宜.由于乌梁素海氮营养盐主要来源于河套灌区的农田退水，所以该区今后产业结构的调整方向应集中于一定程度上降低农业所占比重，适当提高第二、三产业特别是第三产业的比重，力求通过产业结构的优化来削减氮磷营养物的排放;同时，辅以排污税的征收，通过两方面策略的结合，实现流域氮磷的减排.

5 结论

a.根据乌梁素海流域氮磷减排与区域经济增长均衡分析模型拟合结果可知，发展型减排与强制型减排2种减排方案对削减氮磷营养盐的排放都有一定的作用，都可实现预期的减排目标，但对区域的社会经济影响却存在很大的差别.

b.通过实施发展型减排方案，即通过采取产业结构调整与技术进步的策略来实现氮磷减排，在实现乌梁素海流域氮磷减排目标的同时，对乌梁素海流域宏观经济的发展也产生了一定的影响，且正面影响明显大于负面影响.在发展型减排方案下，乌梁素海流域的 GDP，投资，居民收入水平，居民消费水平在近期、中期和远期都保持正增长，而就业率则为负增长.从减排成本来看，发展型减排方案的减排成本较高.

c.实施强制型减排方案，即通过对氮磷污染物的排放实施征税的方法来控制氮磷的排放，在实现乌梁素海流域氮磷减排目标的同时，总体会对乌梁素海流域宏观经济的发展带来很大的负面影响，但该方案的环境效益较为突出.通过征收排污税将使乌梁素海流域 GDP，投资，居民收入水平，居民消费水平，就业率在近期、中期和远期都有不同程度的下降.但强制型减排方案的减排成本要比发展型减排方案低很多，还不到前者的一半.因此，从环境效益来看，强制型减排要明显好于发展型减排.

总之，2种减排方案各有利弊，但发展型减排的综合效果要明显优于强制型减排.

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Equilibrium Ana lysis between Nitrogen and Phosphorus Em ission Reduction and Regiona l Econom ic Deve lopm ent o f Wu liangsuhaiW atershed

ZHAO Yong-hong1，2，DENG Xiang-zheng1，WU Feng1，HE Lian-sheng3，LU Qi1

1.Institute of Geographic and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China

2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

X196

A

1001－6929(2011)01－0110－08

2010－07－22

2010－10－13

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07106－001－03，2009ZX07106－001－07)

赵 永 宏 (1972 －)，男，河 北 张 家 口 人，zhaoyh.08b@igsnrr.ac.cn.

*责任作者，邓祥征(1971－)，男，副研究员，博士，主要从事区域环境变化、土地系统变化与效应研究，dengxz.ccap@igsnrr.ac.cn