干旱区生态-经济结构优化分析——以甘肃省靖远县永新乡为例

陈秉谱 ， 常兆丰 ， 乔 娟 ， 樊宝丽 ， 陈 芳

(1.甘肃农业大学 经济管理学院, 兰州 730070； 2.甘肃省治沙研究所, 兰州 730070)

0 引言

干旱区既是生态脆弱区，又是相对贫困区。水资源是干旱区众多生态因子中的主导因子，其储量、分布和变化决定着干旱区生态环境的变化[1]。水资源缺乏是限制干旱区经济发展与生态环境保护的关键因子，干旱区的基本矛盾突出表现为水资源短缺与需求之间的矛盾。干旱区一般多为旱作农业区，农业产量较低。为了增加产量和收入，一方面普遍广种薄收，另一方面开荒、放牧等，造成植被破坏严重，导致了贫穷→掠夺生态资源→生态环境恶化→进一步贫穷化的结果。

国内外有关干旱区农业和生态环境持续发展的研究较多，但多是围绕着生态农业这条主线展开，研究主要集中在抗旱品种选育、灌溉时间与灌溉制度、施肥、拌种、覆膜等方面[2-12]。F.M.Li等研究认为，覆膜时间过长，产量反而会降低[11]；J.Y.Niu等指出，全覆膜不利于农业持续发展[12]。国外的生态农业研究偏重于无污染种植[3,13-14]、秸秆还田和免耕[15-16]等方面，而国内的研究则更偏重于抗旱节水[17-18]，同时也有产业结构调整[19]、退耕还林[20]以及生态服务价值[21]等方面的研究。

虽然国内关于产业结构调整的研究不少，但一般都以追求最大产值为目标，少有涉及生态环境保护的。另外，多为定性的探讨性研究，缺乏系统的定量分析。调整和优化农村产业结构(种植结构)是干旱地区农业和生态环境持续发展的必由之路。由于各地的自然环境条件、种植的作物品种以及生产的约束条件等的差异，调整和优化产业结构的方式均不同。干旱区的水资源及其他生态资源是有限的，而产业结构优化的潜力则是无限的。在水资源无法有根本性改善(如工程调水)的情况下，调整和优化产业结构是解决水资源缺少与经济发展和生态建设对水资源的需求之间矛盾的主要措施。

我国干旱半干旱区面积达256.6万km2，占国土面积的26.73%[22]，干旱地区一般都是生态脆弱区和经济落后区，研究干旱区生态-经济结构优化问题意义重大，也是全球环境基金(GEF)项目的宗旨。

1 研究区概况

靖远县地处甘肃中部，位于陇西黄土高原北部边缘与腾格里沙漠南部交汇地带，地理位置为104°16′～105°20′E，36°10′～37°15′ N ，东与宁夏海原县接壤，南与会宁县毗邻，西南、西北和东北分别与榆中县、景泰县、中卫县相连，西与白银市白银区交界，全县总面积5 809.4 km2。黄河自东南入境，绕西北边界线至县境北端出境，平川区将县境分为南北两块(图1)。境内海拔最高3 017 m，最低1 300 m，平川地带海拔1 500 m；按气候条件可分为沿黄(河)灌区、北部风沙区和南部干旱区，水土流失面积5 359 km2，占土地总面积的92.3%，森林盖度5.67%。1971—2011年，年平均气温9.0 ℃，7月份最高22.3 ℃，1月份最低-6.9 ℃；年降水量235.5 mm，主要分布在6，7，8，9月份，占全年降水量的 71.5%；年平均蒸发量1 595.5 mm；年平均风速1.1 m/s。

研究区位于县境北部永新乡(104°38′01″ E，37°04′29″ N)，属于祁连山东端余脉山区，海拔2 000～2 500 m，年平均气温8.7 ℃，年降水量196.5 mm，当地气候干旱少雨，水资源缺乏是限制农村经济发展的关键因子。

2003年实施退耕还林项目，政府每年提供退耕补助2 100元/hm2。2004年对荒山全部禁牧。2007年实施GEF项目，建成沼气池20个，太阳灶100套，压砂田 6.67 hm2，其目标是通过项目投资，减少燃料投资和植被破坏，在保护生态环境的同时发展经济。

图1 靖远县的位置

2 研究方法

2010年11月和2011年5，7，11月份调查农户77户，以其中31个农户种植业和养殖业生产要素投入和产出水平数据，建立村级和乡级优化模型。其他基本资料从县林业局和《中国气象科学数据共享服务网》获得。

运用线性规划(LP)方法分析种植业效益。种植业以现在耕地面积为约束变量，养殖业以种植业产出(包括秸秆)为约束变量，分别以各约束变量建立约束方程(2)和(3)，以最大产值为目标函数(1)：

(1)

(2)

xj≥0。

(3)

式中：xj为第j种产品的生产规模(种植面积或养殖数量)；Pj为第j产品的单位产值或单位价格；aij为在生产第j种产品过程中第i生产要素的投入量；b为约束条件。

压砂的功能寿命为50年，第1年一次性投入1.8万元，支付利息51年，由(4)式计算年平均利息：

(4)

标准偏差的计算用Excel完成，LP单纯形法用DPS 7.05完成。

3 结果与分析

永新乡占地面积35 982.0 hm2，有耕地4 505.9 hm2，其中旱地3 228.6 hm2，砂田968.6 hm2，水浇地308.7 hm2(其中，每年浇2次水的113.3 hm2，每年只能浇1次水的195.4 hm2)，人口11 018人(3 096户)，2010年农村收入1 650万元，其中种植业收入350万元，林业收入560万元(退耕还林补助费)，牧业收入400万元，打工收入340万元。

3.1 调查资料

当地所称的水浇地为泉水灌溉，每年只能浇1～2次定苗水，本质仍属于旱地。种植的农作物有小麦、玉米、扁豆和油葵等，旱地和砂田地一般只种植小麦、糜子和扁豆，水地一般种植玉米和油葵(表1)。

表1 2010年永新乡种植业面积hm2

种植业投入有种子、化肥、农药、畜力和压砂田等，其中主要是化肥、畜力和砂田地的压砂成本。化肥投入主要有二氨、尿素、磷肥等。压砂田成本平均为18 000元/hm2，功能寿命约50年。畜力普遍用毛驴，现状为平均每户1头。本研究中，种植业农家肥不计成本。种植业投入产出情况见表2。

养殖业种类有猪、羊和鸡，驴只作为役畜(表3)。羊和鸡为圈养，鸡主要用于农户自己食用蛋肉，养殖业所用的精饲料主要是玉米，粗饲料为农作物结秆。养殖成本投入及产出情况见表4。

表3 2010年永新乡养殖数量万头(只)

表4 2010年养殖业投入产出

3.2 目标函数与约束条件

将有关指标用变量表示：x1为旱地小麦播种面积；x2为旱地糜子播种面积；x3为旱地扁豆播种面积；x4为砂地小麦播种面积；x5为砂地糜子播种面积；x6为砂地扁豆播种面积；x7为水地玉米播种面积；x8为水地油葵播种面积；x9为役畜(驴)头数；x10为养猪头数；x11为养羊只数；x12为养鸡只数。

为了便于作物倒茬，安排每3～4年倒茬1次，即旱地上种植的作物9年轮回1次，3种作物，每种播种面积不得少于358.7 hm2(3 228.6/9)；砂地上种植的作物亦9年轮回1次，3种作物，每种播种面积不得少于107.6 hm2(968.6/9)；水浇地上种植的作物4年轮回1次，2种作物，每种播种面积不得少于77.2 hm2(308.7/4)。

家畜主要有驴、猪、鸡和羊，驴为役畜，每年农耕季节补充部分粗饲料，年粗饲料(农作用秸秆)以2 920 kg计。粗饲料主要为玉米秸秆、糜子秸秆、扁豆秸秆等，农户收割部分农田地野草主要补充驴的粗饲料。平均按每年每2头驴产1头小驴计，当地平均售价约300元。

由公式(1)，(2)，(3)得目标函数和约束条件为：

3.3 模型输出

模型输出结果(表5)表明： 1)当地压砂田成本平均为1.8万元/hm2，若按年息5%计算，使用寿命50年，年平均利息450元。2010年模型输出种植业和养殖业净产值787.010 4万元，种植业净产值681.025 9万元，养殖业净产值105.984 5万元。2)如果不考虑压砂田投入成本，永新乡2010年模型输出各种作物种植面积没有变化，仅仅是x4，x5，x6中压砂田成本减少了450元/hm2，产值相应增大，即砂田小麦产值8.770 5万元，砂田糜子产值107.630 7万元，砂田扁豆产值13.483 4万元，种植业和养殖业净产值为830.597 4万元，其中农业总产值724.612 9万元，养殖业总产值105.984 5万元。

表5 模型输出结果

说明：a为考虑压砂田成本；b为未考虑压砂田成本。

3.4 灵敏度分析

近几年，当地的作物秸秆价格较为稳定，为0.2元/kg，主产品的价格的灵敏度下界为净产值为零时的价格，计算得到种植和养殖产品的价格区间(表6)，即在此价格范围内，只有产值随价格变化，而种植和养殖结构不变。由表6可以看出，玉米和糜子的价格变动区间很大，原因是这两种产品的副产品产值较高；而鸡蛋价格的灵敏度很高，如果鸡蛋价格略有上涨，就会引起养鸡数量的变化，进而引起精饲料玉米种植面积的变化。

表6 价格变动的灵敏度分析

4 讨论

1)研究区土地肥沃，但由于水资源限制，种植业收入很低，仅仅与打工收入相当。解决水资源缺乏的途径需从两方面入手：① 压砂田。这是当地一个传统的旱作农业种植保墒措施，且区内砂石资源丰富。当地亦有农户自己投资压砂田，种植糜子能有效增大产值，其次是种植小麦。② 黄河引水。当地距离黄河约50 km，黄河引水是解决水资源短缺的重要途径，这需要政府有关部门的协调和投资支持。

2)砂石比热为920 J/(kg·℃)，水的比热4 200 J/(kg·℃)，干泥土的比热840 J/(kg·℃)，若土壤含水率平均按10%计算，则土壤比热为1.176 J/(kg·℃)，砂田地的砂石与土壤的比例按4∶6计算，则砂田地的比热为1.074 J/(kg·℃)，即压砂田可提高早春地温[23]，永新乡属于冷凉山区，因此，在当地早春季节砂田地能适当提高地温。

3)据初步测算，自2010年实行荒山禁牧以来，永新乡荒山植被盖度增加约1%～2%，尤其人口和耕地密度较大的南乡增加显著。2003年退耕还草还林以来，种树3 333.3 hm2，种草2 857.1 hm2，林草植被盖度达35%～60%，境内植被总盖度增加2%～3%。植被盖度的增加得益于政府给予的退耕还林补助。

4)退耕还草工程效益显著，建议进一步巩固和扩大退耕还草工程，在退耕还林中增加一些旱生经济树种。枸杞和文冠果是适宜当地种植的较耐旱的经济树种。3～4年生枸杞产量可达4 200 kg/hm2，产值达90 000元/hm2，经济效益显著[24]。文冠果在当地能正常开花、结实，且已初具规模。随着种植面积的进一步扩大，建议有关部门引导、组建相关的加工、销售渠道。

5) 当地农户燃料以用煤为主，虽然当地群众没有砍挖植被取薪的习惯，但利用作物秸秆和牲畜粪便发展沼气和建造太阳灶，可减少群众购煤开支，由此也有助于压缩现有耕地面积，提高群众生活质量，具有直接的经济效益和间接的生态效益，且方便卫生。

5 结论

1) 2010年永新乡国民生产总值1 650万元，其中，种植业净产值350万元，牧业净产值400万元。模型优化输出当年种植业和养殖业总净产值为787.010 4万元，其中农业收入681.025 9万元，养殖业收入105.984 5万元，种植业产值是2010年种植业实际产值的1.95倍，且超过了2010年种植业和养殖业实际总产值750万元。由此可见，调整种植业结构的潜力很大。

2)不论是小麦、糜子还是扁豆，砂田地的总产值均高于旱地，与旱地相比，砂田种植小麦39.58年可收回压砂田成本和利息，砂田种植糜子25.45年可收回压砂田成本和利息，砂田种植扁豆94.49年才可收回压砂田成本和利息，因此，砂田种植糜子经济效益最高，而种植扁豆效益最低。

3)当地降水稀少，泉水灌溉是杯水车薪，水资源是限制当地农村经济发展和生态环境保护恢复的关键限制因子。调整产业结构，既可有效提高农村产值，又可进一步压缩现有耕地面积，通过退耕还林还草和荒山禁牧，能有效改善生态环境。

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