基于作物生产水足迹的农业灌溉水价研究

夏 帆，李宝玉，曹连海，杨宝中

(1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046；2.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008；3.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

0 引 言

水是农业命脉，2000年我国农业用水3 784 亿m3，占到全国总用水量的68.8%；2015年我国农业用水3 851 亿m3，占到全国总用水量的63.1%；15年间农业用水仅增长了1.77%。而粮食产量由2000年的46 251 万t增加到2015年的62 144 万t[1,2]，15年间增长了34.36%。粮食产量增长速度远大于农业用水量，与我国农业技术进步和大力推广节水农业分不开的。与之同时，节水意识淡薄、水利基础设施损坏严重和用水效率低下等问题依然存在，水资源浪费和区域水资源压力增大，必将影响农业经济发展，区域水资源合理再分配和综合水价改革势在必行。西方发达国家很早就开始实行水资源有偿使用，诸如以色列、澳大利亚、日本等国[3-5]，依靠先进的节水、灌溉技术，培育出具有高竞争力的农产品，值得学习和借鉴，政府重视、管理完善是主要原因，合理的水价也是必要条件之一。发达国家农业现代化水平高，农业水价研究起步早，政府重视程度高，这也使得农业经济的杠杆作用得到了很好的推广，在农业水费的构成、收取方式、政策以及相关管理等方面有很多成功的经验可以学习[6-10]。中国社会经济进入中高速发展常态，“三农”问题依然是改革的深水区，而水价改革是实现农业水资源供给侧结构调整的关键所在，已经成为人们关注的焦点和热点[11]。徐鹤[12]以水资源价值为基础，采用全成本水价核算方法，对南水北调中线工程主题城市供水水价进行了研究；景金勇等[13]围绕“提补水价”节水模式，研究了引黄灌区农业水价阶梯水价模型，通过试点和对比点的计算结果进行比较，可以认为提高水价能显著提高农民节水意识，也能提高用水效率，但在实施的过程中，也遇到难题，水价制定过高，超过农民的承受能力，必定会影响农民用水的积极性，不利于农业的发展，水价过低，造成水资源浪费，另一方面，难以保证水利设施得到良好的维护，影响正常供水；在边际成本与次优定价之间，如果单纯的以社会效益最大化来考虑，肯定要选用边际成本，但这样，不仅超过了农民的承受能力，也与当下发展农业水利促进农业发展相悖[14-17]。制定合理的水价，需要从多方面综合考虑。

水足迹理论的提出为农业水资源研究提供了很好的研究方法[18]，作物生产水足迹为农业水价的合理确定提供了有效工具。作物生产水足迹是指区域生产作物单位产量所消耗的水资源量，包含了蓝水、绿水、灰水三部分，受气候、地域、土壤、经济等各种因素的影响[19,20]，作物生产水足迹绝非三者简单的叠加，而灰水不是作物生产过程中直接实际消耗的水资源量，受作物种类、施肥量等人为因素的影响较大，量化难度大，故暂不考虑灰水足迹，只对蓝水和绿水足迹进行计算，以此得到作物生产水足迹。在综合考虑供水成本和农民承受能力的基础上，以作物生产水足迹为手段，建立合理水价计算模型，以河南省博爱县为例，计算基础水价，将其折算为基础电价，并根据用水量大小提出阶梯水价，为区域农业水价综合改革提供有效参考。

1 合理水价计算模型

1.1 成本水价

供水成本按照全成本法来计算，包括资源成本、工程成本、运行成本、合理利润和税收等部分组成。资源成本是用水户所要缴纳的水资源费，我国对农业灌溉用水采用限额管理，在限额以下的不需要缴纳水资源费，不产生资源成本，故小型农田灌溉工程的农民用水协会基本不需缴纳水资源费，其资源成本为零；工程成本包括水源工程、供水工程和供水设备的年折旧费，小型农田灌溉工程的水源工程、供水工程和供水设备大都使用财政资金建设，故农民用水协会则无需考虑这部分费用；运行成本包括设施维护和设备维修成本、放水成本和运行管理成本等，农民用水协会仅需保证工程正常运行，其运行成本主要表现为运行管理成本，主要包括设施维护和设备维修成本、放水或提水成本，放水或提水成本主要表现为电费，因此，此处所讲的提水成本就是电费；农业水利税收问题国家没有具体的规定，几乎可以忽略。

由此看来，整个供水成本就由工程成本C，管理成本B和电费D构成，可以表示为：

工程成本主要考虑的是水利设施的日常维护，也就是维修费；管理成本主要是水协会管理人员的误工费、薪资福利以及管理经费等；电费是机井开机抽水时产生的用电费用。

1.1.1 维修费计算

按资产原来成本的固定百分比来计算设备维修费，用以下公式表示：

C=F×δ

(1)

式中：F表示设备固定总资产，元；δ表示年维修费率。

1.1.2 管理成本

水协会的成立需要有人来管理，这部分人在管理协会的时候，不能进行农业生产，产生的相关误工费由协会出资进行补偿。试点区自成立水协会开始，费用的收支记录、管理日志等资料完善，查阅相关资料，水协会年均管理人员的误工费、管理经费等在24万元左右，其中19名管理人员的误工费为19万元，4个水协会管理经费5万元，即B=24万元。

1.1.3 电 费

试点区全部属于井灌区，提水依靠水泵电机，水泵型号200QJ32-39/3，电机功率5.5 kW，机井出水量32 m3/h，通过计算得出1 kWh电可抽水5.8 m3，电费0.56 元/kWh。

(2)

供水成本计算公式如下：

A=C+B+D

(3)

1.2 农民承受能力

承受能力用水费的支出占农业生产成本、产值、净收益等比例，结合当地经济发展水平来确定[11]，承受能力的变化与水体之的关系大致可以用图1来表示。根据世界银行在全球范围内分析数据，结合我国特殊情况及农业在社会经济中的重要性，该比例在5.5%～13%，比较合适。

图1 水价与农民承受能力、用水量之间的关系Fig.1 Relationship between water price and farmers' affordability and water consumption

假定博爱县农民人均纯工资性收入a，干旱年(p=75%)年均浇灌4次可达到充分供水灌溉最高产量的95%以上，以年均灌溉4次合理灌溉量q为准，试点区人均耕地面积x，则合理的灌溉水价范围γ为：

元/m3)

(4)

1.3 作物生产水足迹

作物生产需水量主要包括绿水、蓝水和灰水，绿水是指作物通过蒸腾蒸发作用消耗的土壤中储存的降水资源量；蓝水是作物生产除去降雨消耗的地表水或地下水的淡水资源量；灰水则是因施肥、农药等过程为稀释污染负荷消耗的淡水量。其中绿水和蓝水是作物直接实际消耗的水资源量，因此，在计算作物需水量的时候仅对绿水和蓝水足迹进行概算，得到作物水生产足迹，即：

WFPi=WFg+WFb

(5)

式中：WFPt表示作物生产水足迹，m3/kg；WFg表示绿水足迹，m3/kg；WFb表示蓝水足迹，m3/kg。

1.3.1 作物生长期需水量

试点区多年平均降雨量水量559.21 mm，75%的年份为466.5 mm，枯水年最低为294.3 mm。多年平均蒸发量1 780 mm。

作物生长期需水量是作物蒸发蒸腾量与作物系数的乘积，即：

ETc=ET0×Kc

(6)

式中：ET0表示作物蒸发蒸腾量，mm；Kc表示作物系数；其中，ET0由FAO推荐的Cropwat8.0软件求出，并查阅资料做一定的修正。

1.3.2 作物生长期有效降雨量

有效降雨量是指渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层中的降雨量，是植物直接吸收利用的降雨量。其数量为降雨量扣除地面径流量和深层渗漏量的剩余量，与土壤的深度、土壤持水能力、降雨强度和降雨量等因素有关。

(7-1)

当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；

则整个生长周期的有效降雨量为：

(8)

式中：P为有效降雨量，mm；n为生长周期旬数。

选取p=75%水文条件为典型年，年均灌溉4次，保证平均产量最高。小麦的生长周期是10月15日-次年6月5日，生长期234 d，平均生长期230 d，玉米生长期是6月10日-9月15日，生长期98 d，平均生长期95 d。根据1956-2015年降雨资料频率分析，分别计算出小麦、玉米生长期内降雨量和有效降雨量。

由此可以得到作物生长灌溉需水量：

W=ETc-P

(9)

式中：W表示灌溉需水量，即蓝水资源，mm。

2 阶梯水价

M1=A/W

(10)

M2=A*/W

(11)

式中：M1表示基础水价，元/m3；M2表示补贴或奖励，元/m3；A*表示补贴或奖励金额，元。

试点区合理灌溉量为q，按照年均浇地4次，提高比例为α，则提升水价M3为：

M3=M1×(1+α)

(12)

由此得到阶梯水价计算公式为：

(13)

式中：M为水价，元/m3；Q*为实际用水量，m3。

3 案例分析

3.1 研究区概况

博爱县位于太行山南麓，焦作市西北部，三面环河，一面靠山，地形主要是山区和平原，北高南低，西北高东南低。

表1 项目区基本情况表Tab.1 Basic situation of the project area

全县水资源总量约2.27 亿m3，改革试点区位于博爱县孝敬镇西南部(如图2)，涉及孝敬镇张村、徐庄、蒋村、留村等4个行政村，现有耕地面积757 hm2，总人口11 655 人，试点区全部耕地都属于井灌区。

3.2 试点区管理现状

试点区是一年两熟，主要农作物结构方式以小麦和玉米，充分灌溉条件下平均产量小麦平均产量为8 019 kg/hm2，玉米平均产量为7 788 kg/hm2。项目区属井灌区，井灌面积757 hm2，其中低压管灌面积467.2 hm2；已成立农村用水协会4个，从业人员19人，其中留村用水协会已注册登记，其余3个用水协会虽完成了协会组建基本程序，但未在当地民政部门正式注册登记，不具备社团法人资格。现有小型农田水利工程实行小型农田水利工程产权制度改革的比例为98%，实行以用水户参与灌溉管理为重点的管理体制与运行机制改革的小型农田水利工程比例为63%，其中农民用水合作组织管理比例为23%。

图2 博爱县农业水价改革示范点项目区位置图Fig.2 location of demonstration site for agricultural water price reform in Boai county

试点区现状水费收缴统一由各村用水协会负责，农业用水计量是以折合成电费的途径征收，按供水使用电量收费。综合电费1.29元/kWh，计量点在机电井首部，收取率95%，收取率很高，除基本电费0.56元/kWh，上交电费外，其余0.73元/kWh，用于用水协会人员工资及工程运行管理和维修养护费；试点区现状基本上能满足协会的人员工资和协会运转费用，平常的小型维修也能保证，但是地埋管道的大量更换等大型维修不能保证。另外，由于农民保护意识薄弱的缘故，特别是在干旱时期，水泵等机电设备超负荷、超时间运行现象普遍存在协会管理存在一定难度。需要重新核算水价，充分发挥水价的杠杆作用，提高农户用水节水保护的自觉性，以保证水利设施正常运行和水协会管理工作顺利进行。

长期以来，田间相应的水利工程建设基本上都是由国家投钱建设，机械超时间运行，特别是在干旱时间，超负荷更严重。用水协会的建立虽然缓解了这一难题，但是由于协会本身经费有限，收取的水费除去协会本身的正常运行，就只能维持灌区设施的小型维修，造成了一种“有人建、有人用、有人补、无人修”的尴尬局面，大型的维修需要财政补助，这样无疑加重了财政的负担，农户过度依赖政府，不仅不能解决用水管理完善，达到节约用水的目的，也影响了正常的农业生产。

3.3 计算结果

(1)维修费。通过调查统计，试点区固定资产总值为1 000.13 万元，根据公式(1)计算得到维修费C=17万元。

(2)作物生长需水量。根据公式(2)计算作物生长需水量，如表2所示。

表2 作物生长需水量 mmTab.2 Crop growth water demand

(3)有效降雨量。试点区多年平均降雨量水量559.21 mm，75%的年份为466.5 mm，枯水年最低为294.3 mm。多年平均蒸发量1 780 mm。选取p=75%水文条件为典型年，年均灌溉4次，保证平均产量最高。小麦的生长周期是10月15日-次年6月5日，生长期234 d，平均生长期230 d，玉米生长期是6月10日-9月15日，生长期98 d，平均生长期95 d。根据1956-2015降雨资料频率分析，分别计算出小麦、玉米生长期内降雨量和有效降雨量。计算典型年作物生长期内有效降雨量，如表3所示。

表3 作物生长期内有效降雨量(p=75%) mmTab.3 Effective rainfall during crop growth

(4)作物生长消耗水量。计算作物生长消耗水量，如表4所示。

表4 作物生长消耗水量 mmTab.4 Crop growth water consumption

得到产品虚拟水含量，如表5。

表5 作物生长虚拟水含量Tab.5 Crop growth Virtual water content

由此计算得到小麦产品水足迹为0.632 m3/kg,玉米产品水足迹为0.622 m3/kg。

由蓝水足迹计算年需水量为306.8 万m3，因此，供水成本合计A=70.46 万元，算得基础水价为M1=0.23 元/m3。

3.4 分 析

计算结果显示两种作物的产品水足迹相差不大，但小麦的蓝水足迹是0.405 m3/kg，玉米的蓝水足迹是0.226 m3/kg，小麦在生长过程中消耗的蓝水资源远远超过了玉米所消耗的蓝水资源，这与作物生长周期有一定的关系，小麦秋种夏收，整个生长期长，且处于非汛期，因此需要消耗更多的蓝水资源才能保证产量，玉米生长周期短，基本处于汛期，生长期内降雨较充足。

试点区计算的基础水价为0.23 元/m3，以2010-2015年博爱县经济发展为基础，预测未来10 a变化，计算出范围是0.21～0.497 元/m3，所算的水价能够被用户接受，在基础水价的条件上，可适当提高比例α，使之在承受范围内，供水成本能够较快回收，并且还有一定的盈利，当出现设备大修或者更换时，能够及时更新，这样既能保证灌溉用水合理，同时也提高水费收取，减轻了政府的财政负担。实行阶梯水价，对于节水用户给予一定的奖励，既能保证作物正常灌溉，也节约了水资源，提高用户节水意识。

为方便收取水费，将水价折算成电费形成终端水价，基础电费为1.33 元/kWh，这与协会现状实行的1.29 元/kWh相比，多出0.04 元/kWh，说明当前水费可适当提高。

3.5 建 议

(1)由作物生产水足迹计算结果，在作物生产需水量较稳定的情况下，作物绿水足迹和蓝水足迹是此消彼长的关系，试点区可以通过推广土地蓄水保墒技术以加大小麦和玉米对绿水的利用程度，提高作物的绿水足迹，进而相应减少作物蓝水足迹，节约农业灌溉水资源；

(2)农民对水价的承受能力与其经济收入有很大关系，在农民水费支出较稳定的情况下，研究区可以采用增施有机肥来改良土壤肥力的方式，提高小麦和玉米的产量，进而增加农民的可支配收入，提高农民的承受能力，也能适当增加水价提高比例，增加社会资金的注入；

(3)农民节水意识的薄弱是普遍存在的问题，应加大水价改革宣传普及力度，强化农民的水商品意识，提高农民节水意识，一味地通过提高水价减少水量反而不利于农业经济的良好发展；

(4)农业水价改革要积极探索建立符合区域现状的精准补贴和节水奖励机制，从减轻农民负担和促进农民节水灌溉两方面协同发力，以保证农民的种粮积极性以及我国的粮食安全；

(5)实现水价的利润，将社会资金进入灌溉工程，积极制定鼓励社会资金投入灌溉工程建设的有关政策，也可拓宽社会资金渠道，对于社会资金投入中小型农田水利建设的，可以按照收益适当高于长期国债收益率的原则制定水价，在相关政策方面予以适当支持。

4 结 论

引入作物生产水足迹的方法核算农业灌溉水价在我国的农业水价研究中还没有涉及太多，对农作物而言，基于研究区气象、土壤条件及耕作方式等实际情况，运用水足迹理论，对作物生产需水量以及灌溉需水量进行科学核算，是研究区制定基础水价和阶梯水价的基础。通过对博爱县的实例研究，得出以下主要结论：

(1)在p=75%水文年，试点区小麦和玉米的生产水足迹分别为0.632、0.622 m3/kg；小麦和玉米的蓝水足迹分别为0.405、0.226 m3/kg。虽然两种作物的生产水足迹相差不大，但由于两种作物生长期的差异，小麦的蓝水足迹几乎是玉米的2倍。

(2)计算得到研究区基础水价为0.23 元/m3，将其折算为抽水电费后，基础电费为1.33 元/kWh，高于1.29 元/kWh的现状电费，需要对现状电费进行适当提高。

(3)结合2010-2015年研究区经济发展现状，预测未来10年变化，得到农民对水价的承受能力是0.210～0.497 元/m3，计算得到的基础水价在此范围内，可被用水农户接受；在此基础上实施阶梯水价，提高农业水资源的利用效率，减少水资源浪费。