基于氮流失控制的种植结构调整与配套生态补偿措施*——以竺山湾小流域为例

王 芊 武永峰 罗良国

（农业清洁流域创新团队，农业部农业环境重点实验室，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

基于氮流失控制的种植结构调整与配套生态补偿措施*
——以竺山湾小流域为例

王 芊 武永峰 罗良国†

（农业清洁流域创新团队，农业部农业环境重点实验室，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

通过实地和查阅文献的方式调研了竺山湾小流域稻麦、蔬菜和果树的常规生产、清洁生产模式下的经济效益和氮（N）素流失等数据，采用线性优化模型，统筹考虑经济收益最大和污染排放总量控制，根据N流失总量高低对竺山湾小流域种植业结构设置了五种情景（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ）进行调整。情景Ⅰ以经济收益最高为目标，情景Ⅱ、Ⅲ分别在削减情景Ⅰ设定的N流失量20%和30%的约束下，各自实现其经济收益最高的两个情景。对于情景Ⅱ和情景Ⅲ，其N投入量、N流失量分别为6 267 t、511 t和5 567 t、447 t。与常规种植结构相比，这两种情景均达到了N肥投入减少20%、N流失量减少30%的项目预期目标，相对净收益分别达到8.456亿元、7.966亿元，高于未调整前常规种植结构的7.873亿元，属于五种结构调整情景中的最优和次优情景。估算了与种植结构调整相配套的生态补偿资金，包括机会成本补贴和生态效益奖励两部分。除去交易成本后，最优情景和次优情景相应的生态补偿总金额分别为961万元和3 507万元，补偿标准分别为739 Yuan hm-2和2 696 Yuan hm-2。提出了本区域内种植业结构调整的政策建议，以促进竺山湾小流域农田面源污染治理，加快本区域种植业由传统生产方式向清洁生产方式的转型升级。

面源污染；种植结构优化；清洁生产模式；N流失量；竺山湾小流域；补偿政策

在太湖地区，据估算农业面源污染据占总污染负荷的30%～40%，种植业污染占农业面源污染的比重在30%左右。而种植业普遍存在着不合理的N肥施用方式，在蔬菜生产中过量施肥现象尤为严重，对太湖水质安全造成了极大威胁。蔬菜、瓜果等经济作物的种植面积增加与复种指数的提高，进一步加剧了农业面源污染形势［1-2］。为了扭转这种严竣污染现状，既要通过推广清洁生产技术的应用从根本上减少N素淋失，也要通过调整种植面积来降低N素流失总量。从事种植业生产的农户是种植业结构调整针对的目标对象，他们能否在种植中使用清洁生产技术是决定种植业结构调整成效的关键所在。由于多数农户出于对经济收益的顾虑不愿改变种植习惯，因此实际中清洁生产技术并不会直接取代传统的种植方式，还需要设计出经济激励的手段来促进农户主动采用清洁技术。如欧盟通过制定环境政策及开展环保计划以促进农业环境正外部性的行为，美国则侧重于减少农业环境的负外部性，通过耦合经济评价模型与环境污染模拟模型以寻求区域内的最佳实施方案，取得了良好的效果［3-7］。目前我国已在太湖、抚仙湖和三峡库区等流域开展了基于面源污染控制的农业结构调整的研究工作［8-10］，但是在小流域尺度同时开展种植业结构调整与生态补偿措施的研究鲜有报道。

竺山湾小流域毗邻太湖西北角半封闭的竺山湖，包括宜兴市的周铁镇、万石镇、和桥镇和常州市武进区的前黄镇、雪堰镇，主要入湖河流有太滆运河、漕桥河和殷村港。本文选择竺山湾小流域开展种植业结构调整研究，调研了区域内各主要作物常规和清洁生产过程中的N流失量、产量和经济效益指标的数据，获取了区域遥感影像以计算不同作物的种植面积，根据N素输出模型计算区域N流失量［11］，利用线性规划模型优化调整不同作物及生产方式的种植面积，在兼顾经济收益和污染排放双重目标的前提下计算出不同情景下的经济、环境综合收益，并得出了最优和次优情景下的单位面积补偿标准。本文还提出了相应的生态补偿机制，确保优化调整后的种植业结构长期稳定，达到最终降低农业面源污染排放量的目标，从而推进竺山湾区域农业可持续发展进程。

1 材料与方法

1.1 研究区域范围

据当地有关规定，“在环太湖1公里以及主要入湖河流上溯10公里两侧各1公里范围内，建设有机农业生态圈，实施有机农业建设工程”。研究中将种植业结构的调整范围限定在环湖有机农业生态圈之外。获取了该区域2013年的SPOT6和2014年的快鸟（Quickbird）两景遥感影像，用以提取农业用地的遥感分类结果。

1.2 作物生产方式

根据调研，当地种植业典型的三种农业用地类型是稻/麦轮作地、设施蔬菜和果园。其中，蔬菜生产按照一年种植芹菜/番茄/莴苣三茬蔬菜模式，果园则统一视为水蜜桃种植。清洁生产是通过按需施肥来减少N肥施用量、改进施肥方式、调整轮作制度等，实现氮减排，同时能保证产量的基本稳定［12-14］。本研究中选用的清洁生产方式分别是稻/绿肥种植模式［15］、稻/麦减量施肥模式［16］、设施蔬菜减量施肥和填闲结合模式［17-18］，及果园肥料深施和间作三叶草模式［19］。

1.3 线性优化模型

通过借鉴肖新成等［10］在三峡库区种植业结构调整的方法，利用最优化求解软件包LINGO进行运算。本研究设立了五种不同的情景，其中：情景Ⅰ要达到经济收益最高；情景Ⅱ-Ⅳ是在情景Ⅰ的N流失量基础上分别削减20%、30%和40%，并实现经济收益最高；情景Ⅴ要达到N流失量最小。约束条件包括N流失量约束、农用地面积约束和农副产品需求量约束。

2 结果与讨论

2.1 竺山湾区域生产与经济调研结果

稻麦作物、蔬菜和果树的种植面积及比例如表1所示，首先通过遥感影像可以计算出有机农业生态圈内的各作物种植面积占竺山湾区域总面积的比例（14.7%、46.6%和15.0%），之后就可计算出环湖有机农业生态圈之外的稻麦作物、蔬菜和果园的面积（10 120、1 260、1 630 hm2），三者合计为13 010 hm2。根据太湖地区开展的研究及相关调研数据［15-18，20］，本研究采用的生产方式下N淋失量与经济效益指标如表2所示。经济效益指标包括人力成本、机械成本、N肥成本、毛收益和相对净收益。因为数据获取限制的原因，只考虑了相对重要的成本指标，从而计算出的是相对净收益值，而不是绝对净收益值。

2.2 种植面积优化模拟

五种优化情景下不同种植模式的种植面积和所占比例如表3所示。对于稻/麦种植而言，在情景Ⅰ中全部为常规稻/麦种植模式，在情景Ⅱ-Ⅴ中常规稻/麦种植模式完全被两种清洁种植模式所取代。蔬菜清洁种植模式（V1）的种植面积在情景Ⅰ和Ⅱ中与常规种植面积相同，在情景Ⅲ-Ⅴ中则逐渐降低，种植面积的比例由9%降至1%。果树清洁种植模式（F1）的种植面积比例在情景Ⅰ-Ⅳ中均为12%，在情景Ⅴ中降至10%。国外开展磷（P）和农药的面源污染的治理中，常运用经验或机理模型对研究区域的环境风险等级进行划分，找到环境风险较高的地区，进而有针对性地采取清洁生产措施来减少面源污染产生［21-22］，今后可以在识别环境敏感区域的基础上开展种植业结构的空间布局研究。

表1 竺山湾区域环湖有机农业圈及以外的稻麦、蔬菜和果树种植业面积及比例Table 1 Planting areas and ratios of rice，wheat，vegetable and fruits tree inside and outside the circum-lake organic agriculture zonein the Zhushanwan catchment

表2 竺山湾小流域作物种植N投入量、N流失量及经济效益参数Table 2 N input，N loss and economic benefit parameters of the crop production in the Zhushanwancatchment

表3 常规种植和五种情景下各种植模式的面积及所占比例Table 3 Planting areas and proportions of different crop production patterns in conventional cultivation system and five scenarios

表4 常规种植和五种情景下的N投入量、N流失量和经济收益Table 4 N inputs，N loss and economic profits in conventional production mode and five different scenarios

表4中列出了常规种植结构及五种情景下的N投入量、N流失量及经济收益数据。五种情景的N投入量和N流失量均低于常规种植结构。情景Ⅰ～Ⅲ的经济收益则高于常规种植结构，其余的Ⅳ、Ⅴ两种情景的经济收益低于常规种植结构。通过与常规种植结构进行比较，情景Ⅱ和Ⅲ的N投入量削减率分别为23.9%、32.4%，N流失量削减率分别为32.7%和41.1%，达到国家“十二五”水专项在竺山湾区域设定的N投入量和N流失量的削减率目标（分别为20%、30%）。情景Ⅱ、Ⅲ的经济收益的增长率均大于0。又因为情景Ⅱ经济收益相对较高，达到8.456亿元，可作为最优情景；情景Ⅲ的经济收益相对较低，为7.966亿元，可作为次优情景。

2.3 生态补偿措施

补偿标准按三部分进行计算：一是用于补贴种植业结构调整后净收益的机会成本补贴。二是按每削减1千克N投入量补贴1.11元［23］计算的生态效益补贴。三是将上述两项补贴总金额的15%作为交易成本［24］。最优情景Ⅱ和次优情景Ⅲ以及其中各种植模式的总生态补偿金额与单位面积平均补贴金额如表5所示。情景Ⅱ中除去交易成本后的生态补偿总金额共计961万元，平均补贴值为739 Yuan hm-2。情景Ⅲ中，除去交易成本后的补偿总金额为3 507万元，平均补贴值为2 696 Yuan hm-2。国外开展的研究测算的生态补偿标准介于610～4 744 Yuan hm-2之间，如：欧盟环保农业2007-2009年的平均补贴值为0.061万元 hm-2，日本滋贺县清洁生产方式补贴8万日元 hm-2（约4 744 Yuan hm-2），韩国对在旱地和水田的补贴标准分别为5 2.4万～79.4万韩元 hm-2、21.7万～39.2万韩元 hm-2（约2 952～4 473、1 223～2 208 Yuan hm-2）［25］。国内在江苏宜兴、上海崇明岛［23，26］开展的研究测算的补贴额度分别为620～7 098 Yuan hm-2和3 066～10 136 Yuan hm-2。本研究计算出的农业清洁生产方式补贴值介于739～2 696 Yuan hm-2，与欧盟、韩国的补贴水平及宜兴市计算值较为接近，高于我国目前推广实施的测土配方施肥平均补贴的资金（不足100 Yuan hm-2）［5］。

建立针对本区域的生态补偿机制对于长期巩固种植业结构调整措施具有重要意义，本文主要从资金来源、支付对象、支付方式以及补偿措施的监督管理等方面进行讨论：（1）补偿资金主要从土地出让金中提取，还可向生产化肥和农药等化学投入品的农资生产企业适当征收环境税，公开向企业和个人募集生态补偿资金；（2）补偿支付对象主要为规模化种植主体；（3）补偿方式是主管部门与规模化种植主体签订为期5年的合同，对审核通过的主体分别按50%、20%、15%、10%、5%的比例在5年内发放合同资金；（4）种植主体需在第三方评估机构的协助下，提供制订出配套清洁生产技术实施的年度计划和田间管理措施，明确合同到期时需达到的农田环境标准。另外，加快土地流转进程，重点扶持农业专业合作社和农业龙头企业等规模化经营主体，是发展低碳农业、提高农业现代化水平的必然选择［27］。政府还要在生产、加工和销售等环节为规模化经营主体出台财税、信贷等方面的优惠政策，搭建电商平台，以创造良好的经营环境。

表5 最优情景Ⅱ和次优情景Ⅲ的生态补偿方案Table 5 Eco-compensation scheme for optimal scenario Ⅱ and the second optimal scenario Ⅲ

3 结 论

在太湖地区针对稻/麦轮作、蔬菜和果树种植清洁生产模式的研究表明，清洁生产方式在稳定产量的同时可以大幅削减N流失量，是控制农业面源污染的重要手段。本研究将N流失量控制和相对净收益最大设定为双重目标，在涉及竺山湾小流域现有环境规划的基础上，考虑种植业生产的常规模式和清洁生产模式，设置了耕地面积和粮食安全等约束，并利用线性规划模型对种植业结构进行优化调整。按区域内种植业总N流失量的不同，分别计算了与不同N流失量水平相对应的五种不同种植业结构优化调整情景，通过择优比较遴选出了经济收益较高且污染水平能达到现有规划目标的最优和次优两种情景。为推动当地农民能主动接受种植业结构调整，计算了最优和次优两种情景下的生态补偿方案，补贴分为机会成本补贴和生态效益奖励，除去交易成本后的补偿总金额分别为961万元、3 507万元，对应的补偿标准分别为739、2 696 Yuan hm-2。研究还提出促进生态补偿措施能持久发挥作用的政策建议。

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N-Loss-Control-Oriented Readjustment of Planting Structure and Its Matching Ecological Compensation Measures —A Case Study of Zhushanwan Catchment

WANG Qian WU Yongfeng LUO Liangguo†
（Agricultural Clean Watershed Group；Key Laboratory for Agricultural Environment，Ministry of Agriculture；Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Through consultation of literature and field survey，data were collected of the conventional rice，wheat，vegetable and fruit production，the economic benefit of the production under the model of cleaner production and the nitrogen loss in the Zhushanwan catchment，a subwatershed in the northwest of the Taihu Lake Region，and other relevant social-economic data. An attempt was made to readjust the planting structure of the catchment in line with five simulated scenarios（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，ⅣandⅤ），separately，high to low in total nitrogen loss，using the linear optimization model（Software Lingo 11）and taking into full account maximal economic benefit and total volume control of pollution discharge. In Scenario Ⅱand Ⅲ，the total N input was found to be 6 267 t and 5 567 t，respectively，and the total N loss 511 t and 447 t，respectively，which indicates that both scenarios meet their respective intended targets of reducing total N input by 20% and total N loss by 30% as compared with that in the conventional planting structure. Besides，the two scenarios may generate a relative net economic profit of 845.6 million yuan and 796.6 million yuan，respectively，both higher than that（787.3million yuan）the conventional planting structure does. So among the five scenarios，Scenario Ⅱ is the optimal one and Scenario Ⅲ the second to follow for readjustment of the planting structure of the region. The quota of eco-compensation was calculated according to opportunity cost and ecological benefit reward，and the compensation policy and mechanisms were suggested to facilitate implementation of cleaner production. The ecological compensation funds，excluding transaction cost，about 15% of the total compensation for Scenario Ⅱ andⅢ is estimated to be 9.61 and 35.07 million yuan（RMB），respectively，according to the standard for compensation，739 and 2 696 Yuan hm-2，respectively. Implementation of the policy and its matching eco-compensation measures may effectively help control nonpoint source agricultural pollution and expedite the process of transformation or escalation of the farming industry in the region from the traditional one to the one of cleaner production.

Non-point source pollution；Planting structure optimization；Cleaner production mode in agriculture；Nitrogen loss via surface runoff and leaching；Zhushanwan catchment；Compensation policy

X322

A

10.11766/trxb201604050088

（责任编辑：陈荣府）

* 国家“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07101-004，2014ZX07105-001）和中国农业科学院农业清洁流域创新工程共同资助 Supported by the National Major Science and Technology Project of Water Pollution Control and Management for the 12th Five-Year Plan Period (Nos. 2012ZX07101-004 and 2014ZX07105-001) and the Agriculture Cleaner Watershed Innovation Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences

† 通讯作者 Corresponding author，E-mail：luoliangguo@caas.cn

王 芊（1983―），男，山西晋城人，博士，助理研究员，主要研究农业面源污染防控。E-mail: wangqian02@ caas.cn

2016-04-05；

2016-06-14；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-10