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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 8 期摇 摇 2012 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
东北地区 5 种阔叶树苗木对火烧的生理响应 王摇 荣,胡海清 (2303)……………………………………………
梭梭木虱发生规律及其影响因子 李粉莲,吴雪海,王佩玲,等 (2311)……………………………………………
基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布 刘双娜,周摇 涛,舒摇 阳,等 (2320)…………………………
流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 赵摇 鹏,夏北成,秦建桥,等 (2331)………………………………
内蒙古达赉湖地区赤狐生境选择及生境景观特征分析 张洪海,李成涛,窦华山,等 (2342)……………………
雅鲁藏布江流域底栖动物多样性及生态评价 徐梦珍,王兆印,潘保柱,等 (2351)………………………………
用组合模型综合比较的方法分析气候变化对朱鹮潜在生境的影响 翟天庆,李欣海 (2361)……………………
2010 年牧区 2 代草地螟成虫迁飞的虫源分析 张摇 丽,张云慧,曾摇 娟,等 (2371)……………………………
基于细胞色素 b基因的中国岩羊不同地理种群遗传差异分析 李楠楠,刘振生,王正寰,等 (2381)……………
喀斯特峰丛洼地不同退耕还林还草模式的土壤微生物特性 鹿士杨,彭晚霞,宋同清,等 (2390)………………
永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 方显瑞,张志强,查同刚,等 (2400)……………………………
基于湿地植物光谱的水体总氮估测 刘摇 克,赵文吉,郭逍宇,等 (2410)…………………………………………
背瘤丽蚌 F型线粒体基因组全序列分析 陈摇 玲,汪桂玲,李家乐 (2420)………………………………………
流域“源鄄汇冶景观格局变化及其对磷污染负荷的影响———以天津于桥水库流域为例
李崇巍,胡摇 婕,王摇 飒,等 (2430)
…………………………
……………………………………………………………………………
线虫群落对抚顺煤矸石山周边土壤可溶性盐污染的响应 张伟东,吕摇 莹,肖摇 莹,等 (2439)…………………
地上竞争对林下红松生物量分配的影响 汪金松,范秀华,范摇 娟,等 (2447)……………………………………
湿地松和马尾松人工林土壤甲烷代谢微生物群落的结构特征 王摇 芸,郑摇 华,陈法霖,等 (2458)……………
马尾松和杉木树干韧皮部水溶性糖 啄13C值对气象因子的响应 卢钰茜,王振兴,郑怀舟,等 (2466)…………
沙坡头人工植被演替过程的土壤呼吸特征 高艳红,刘立超,贾荣亮,等 (2474)…………………………………
豫西刺槐能源林的热值动态 谭晓红,刘诗琦,马履一,等 (2483)…………………………………………………
铁皮石斛种子的室内共生萌发 吴慧凤,宋希强,刘红霞 (2491)…………………………………………………
红光与远红光比值对温室切花菊形态指标、叶面积及干物质分配的影响
杨再强,张继波,李永秀,等 (2498)
………………………………………
……………………………………………………………………………
扑草净对远志幼苗根系活力及氧化胁迫的影响 温银元,郭平毅,尹美强,等 (2506)……………………………
地表臭氧浓度增加和 UV鄄B辐射增强及其复合处理对大豆光合特性的影响
郑有飞,徐卫民,吴荣军,等 (2515)
……………………………………
……………………………………………………………………………
AMF对喀斯特土壤枯落物分解和对宿主植物的养分传递 何跃军,钟章成,董摇 鸣 (2525)……………………
传统豆酱发酵过程中细菌多样性动态 葛菁萍,柴洋洋,陈摇 丽,等 (2532)………………………………………
定位施肥对紫色菜园土磷素状况的影响 孙倩倩,王正银,赵摇 欢,等 (2539)……………………………………
基于生态需水保障的农业生态补偿标准 庞爱萍,孙摇 涛 (2550)…………………………………………………
保障粮食安全造成的生态价值损失评估模型及应用 芦蔚叶,姜志德,张应龙,等 (2561)………………………
专论与综述
疏浚泥用于滨海湿地生态工程现状及在我国应用潜力 黄华梅,高摇 杨,王银霞,等 (2571)……………………
问题讨论
厌氧氨氧化菌群体感应系统研究 丁摇 爽,郑摇 平,张摇 萌,等 (2581)……………………………………………
基于形态结构特征的洞庭湖湖泊健康评价 帅摇 红,李景保,夏北成,等 (2588)…………………………………
研究简报
黄土高原不同树种枯落叶混合分解效应 刘增文,杜良贞,张晓曦,等 (2596)……………………………………
不同经营类型毛竹林土壤活性有机碳的差异 马少杰,李正才,王摇 斌,等 (2603)………………………………
干旱对辣椒光合作用及相关生理特性的影响 欧立军,陈摇 波,邹学校 (2612)…………………………………
硅和干旱胁迫对水稻叶片光合特性和矿质养分吸收的影响 陈摇 伟,蔡昆争,陈基宁 (2620)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄04
封面图说: 红树林粗大的气生根———红树林是热带、亚热带海湾及河口泥滩上特有的常绿灌木或乔木群落。 由于海水环境条
件特殊,红树林植物具有一系列特殊的生态和生理特征。 其中之一就是气根,红树从根部长出许多指状的气生根露
出海滩地面,以便在退潮时甚至潮水淹没时用以通气,故称呼吸根。 在中国,红树林主要分布在海南、广西、广东和
福建省沿海,它一般分布于高潮线与低潮线之间的潮间带,往往潮差越大、红树的呼吸根就长得越高越粗大。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 8 期
2012 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 8
Apr. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(51079005, 50709003); 长江学者和创新团队发展计划(IRT0809)
收稿日期:2011鄄03鄄10; 摇 摇 修订日期:2011鄄07鄄19
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: suntao@ bnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201103100286
庞爱萍,孙涛.基于生态需水保障的农业生态补偿标准.生态学报,2012,32(8):2550鄄2560.
Pang A P, Sun T. A method of determining standards for ecological compensation in agricultural areas, giving priority to environmental flows in water
allocation. Acta Ecologica Sinica,2012,32(8):2550鄄2560.
基于生态需水保障的农业生态补偿标准
庞爱萍,孙摇 涛*
(北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室,北京摇 100875)
摘要:面向流域农业需水和生态需水间的矛盾问题和协调发展的要求,提出了基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方
法。 其中考虑农业用水定额计算基于生态需水保障的农业用水短缺,引入水分生产函数模型建立保障生态需水量产生的农业
用水短缺与产量损失间的关系,根据不同季节作物产量响应系数的变化,定量确定具有时间和等级差异性的农业生态补偿标
准。 以保障黄河口生态需水引起的山东引黄灌区农业损失补偿标准分析为实例,计算了冬小麦和夏玉米种植户不同等级的生
态补偿标准。 结论认为,农业生态补偿标准需根据不同的来水过程及生态需水等级确定,面积稳定和保障功能显著的粮食作物
应作为补偿标准计算的依据。
关键词:生态需水;生态补偿标准;农业用水;黄河
A method of determining standards for ecological compensation in agricultural
areas, giving priority to environmental flows in water allocation
PANG Aiping, SUN Tao*
State Key Laboratory of Water Environment Simulation School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: Conflicting water requirements may exist between agricultural and natural ecosystems. In order to relieve
conflicts, we have proposed a method of determining standards for ecological compensation by giving priority to
environmental flows in water allocation. Agricultural water quota was considered in the calculation of agricultural water
shortage. A water production function model was introduced to determine the relationship between agricultural water
shortages and production losses. The ecological compensation standard for agricultural areas was determined by multiplying
production losses by the unit crop price. Due to the seasonality of the runoff process and environmental flows, the ecological
compensation standard showed annual and seasonal variation. We calculated the ecological compensation standard for
summer corn and winter wheat irrigation stakeholders in the Shandong irrigation district, after ensuring environmental flows
in the Yellow River Estuary. The amount of agricultural water usage was more than the water quota between June and
September. This meant that securing a high level of environmental flow had no influence on summer corn production.
However, water conflict during the growth stage of winter wheat caused a 1611. 77 kg / hm2 reduction in yield, accounting for
31. 70% of maximum production. The calculated annual average economic compensation was 1826. 92 Yuan / hm2 for winter
wheat irrigation stakeholders in the Shandong irrigation district of the Yellow River between 1998 and 2005.
The agricultural water shortage exhibited annual and seasonal variation due to the combined influences of environmental
flow and runoff. In general, the higher the environmental flow, the more likely an agricultural water shortage. The level of
the agricultural water shortage was 0 10 伊 108 m3, 0 20 伊 108 m3, and 20 70 伊 108 m3, when minimum, medium,
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and maximum levels of environmental flow were ensured.
Economic compensation showed similarly obvious differences after ensuring a certain level of environmental flow. The
scope of the economic compensation was 0 1600, 0 3100, and 1000 9000 Yuan / hm2 when minimum, medium, and
maximum environmental flows were ensured. Economic compensation also showed annual and seasonal variation due to the
combined influences of environmental flow, runoff, and crop yield response factors. It is advisable to determine the
environmental flow level after fully considering the amount of runoff.
Variation in the runoff process and environmental flow requirements should be taken into account when determining
different levels of ecological compensation. The selection of typical crops will influence the calculation of economic
compensation. We selected winter wheat and summer corn as examples, as these have the largest planting areas in the
Shandong irrigation district. The water resource value was 1. 16 Yuan / m3 after ensuring the maximum environmental flow;
lower than in other domestic cases but higher than in foreign studies. Foreign studies have calculated economic
compensation in a cost鄄minimizing fashion. The crop with the lowest unit of water value has been used as the starting point.
However, this is not the only criterion for crop selection. Typical food crops, which have a stable planting area and
significant water needs, are suitable for use in determining standards for ecological compensation in agricultural areas.
Key Words: Environmental flows; Ecological compensation standard; agricultural water use; The Yellow River
近些年来,社会经济持续发展进程中不合理的水资源利用对水生态系统健康造成的严重威胁逐步引起重
视[1]。 与此同时随着人口的增长,人类将更加依赖于粮食生产和粮食安全,保障农业生产用水依然是流域水
资源配置的重点[2]。 如何科学协调农业用水和生态用水之间的矛盾已成为流域水资源管理中面临的热点问
题[3]。 社会经济与生态环境保护协调发展的目标要求下,单纯考虑经济发展目标或生态保护目标均可能造
成资源分配不合理的问题。 近些年来快速发展的生态补偿研究采用经济分析方法对不同类型资源分配模式
的效应进行统一核算,成为协调环境保护与经济发展矛盾[4鄄5]和解决流域水资源冲突的有效手段[6鄄10]。 王浩
等[11]针对我国水资源利用的矛盾问题,提出按现状用水固化农业水权,通过水权转让发展高效节水农业,使
农民得到补偿的思路。 生态补偿标准研究是进一步实践生态补偿中面临的关键问题和难点[12鄄13],它直接关
系到生态补偿的科学性、可行性和实施效果[14]。 目前国内外生态补偿标准研究多基于生态服务价值的评估
进行,由于不同类型生态服务功能价值评估多属于非市场价值,使得生态补偿标准计算面临着生态服务功能
重叠[15]、核算标准不统一[16]和补偿主客体难以有效确定等难题[17],研究方法及计算结果的广泛适用性受到
限制。
近些年来,随着生态需水定量分析研究的快速发展[18鄄19],结合经济分析手段协调生态用水和生产、生活
用水的研究逐步引起重视[20]。 生态需水考虑维持生态系统健康所需要的水量,其具有等级性和时间差异性
等特点。 Qureshi 等[21]在澳大利亚墨累流域(Murray Basin)水资源管理中,研究了保障生态用水产生的农业
机会成本。 Jones等[22]考虑到多因素共同的影响,通过构建随机动力过程模型分析了灌溉农业用水转移到生
态用水产生的农业经济损失。 Sisto计算了保障莫斯科北部 Rio Conchos流域下游 Chihuahua 沙漠生态需水造
成的农业损失补偿标准[23]。 Malano和 Davidson[24]以印度 Krishna 流域和澳大利亚 Murray鄄Darling 流域为例,
提出了农业用水和生态用水的权衡分析框架,其中采用残差法研究了农业用水短缺的经济损失量。 在我国,
用水矛盾的经济损益分析主要针对农业和工业等生产、生活用水部门之间展开,通过水权转让的方式协调生
产、生活用水之间矛盾的应用较为广泛。 郑垂勇等[25]采用模糊综合评价法测算水资源价值,分析各产业用水
比重的变化,测算被挤占的农业用水量,应用补偿额度测算模型对广州市农业水权补偿额度进行了测算。 赵
文举等[26]运用信息经济学、微观经济学及产权经济学的观点分析了农业水资源短缺问题,提出了帕累托最优
的激励方案,通过建立水权交易市场、建立灌区和农户相应的激励机制,解决农业水资源短缺问题。
本研究针对生态系统服务功能损失定量评估的难题,面向农业用水与生态用水协调发展的目标,考虑生
1552摇 8 期 摇 摇 摇 庞爱萍摇 等:基于生态需水保障的农业生态补偿标准 摇
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态需水过程等级差异性和时间差异性的特点,提出基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法,以保障
黄河口生态需水影响下山东引黄灌区农业损失为实例,特别结合来水过程差异、生态需水等级差异以及典型
农作物选择对生态补偿标准的影响分析,提出不同等级的生态补偿标准,为有效缓解流域水资源利用矛盾和
实现流域经济发展和生态保护协调发展提供支持。
1摇 基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法
基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法在保障下游不同等级生态需水过程要求的基础上,考虑
国家农业用水定额,根据不同农作物用水短缺下的经济损失,计算具有不同时空差异特征的生态补偿标准。
计算方法分为基于生态需水保障的农业用水短缺损失评估和生态补偿标准计算两部分。
1. 1摇 基于生态需水保障的农业用水短缺损失
基于生态需水保障的区域农业用水短缺综合考虑下游生态需水要求和国家农业用水定额要求,在明确区
域下游控制断面以下生态系统需水量基础上,结合水量平衡原理,提出基于生态需水保障的农业用水短缺计
算式如下:
Ws =
Wa - W0 Wa > W0
0 Wa 臆 W{ 0 (1)
式中, Ws 为区域农业用水短缺(亿 m3), Wa 为灌区内农业用水定额(亿 m3), W0 为区域农业用水量(亿 m3),
可根据区域水量平衡分析确定,
W0 = Wu + Wp - Wd - Wg - We (2)
式中, Wu 为区域上游径流量(亿 m3), Wp 为降水量(亿 m3),包括上、下游断面间流域降水量和农业灌区降水
量,Wd为城镇生活引水量(亿 m3),Wg为工业引水量(亿 m3),We为下游生态需水量(亿 m3)。 基于生态需水
保障的农业用水短缺计算体现了保障一定等级生态需水情况下,不能满足国家规定农业用水定额要求的农业
用水短缺量。
不同水平年流域径流过程的变化以及生态需水等级和季节的差异性,使得基于生态需水保障的农业用水
短缺损失同样具有显著的等级和时空差异性。 考虑灌溉用水不足对产量的影响,Stewart 等人提出水分生产
函数模型[27]如式(3)所示:
q jm - q j = kyq jm(
ET j - ETa
ET j
) (3)
式中, q jm 为无水分胁迫下作物最大产量(t / hm2),j为作物类型, q j 为作物实际产量(t / hm2), ky 为作物产量响
应系数, ETa 为作物实际蒸散发(mm), ET j 为作物潜在蒸散发(mm),通过作物系数法来确定[28]:
ET j = ET0 伊 Kc (4)
式中, ET0 参考作物蒸散发(mm /月), Kc 为作物系数。
式(3)中 ET j - ETa为单位面积实际用水短缺,对应农业产量损失 q jm - q j 。 令 Ws / S j代表基于生态需水保
障的单位面积农业用水短缺,其中 S j 为作物的种植面积(hm2),得到基于生态需水保障的农业产量损失计算
如式(5)所示:
q js = kyq jm
Ws
ET jS j
(5)
作物产量响应系数 ky 体现不同作物产量对用水短缺的响应关系。 针对作物不同生长阶段灌溉不足造成
的农业产量损失差异,国内外学者建立了各阶段相加模型和相乘模型[29]。 其中相加模型认为作物总的产量
损失等于各阶段产量损失之和,适合于半干旱和半湿润等地区的籽粒产量计算[30],相应提出考虑不同阶段灌
溉用水短缺的农业产量损失为:
q js = q jm移
n
k = 1
kky
Wks
ETkjS
æ
è
ç
ö
ø
÷
é
ë
êê
ù
û
úú
j k
(6)
2552 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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式中,k为作物生长阶段,n为总的作物生长阶段, kky为 k阶段作物产量相应系数,Wks为 k阶段控制断面上游
农业用水短缺(亿 m3), ETkj 为 k阶段作物潜在蒸散发(mm)或作物需水量。
1. 2摇 农业用水短缺损失的生态补偿标准
基于生态需水保障的农业生态补偿体现了生态用水与农业用水矛盾情况下,牺牲部分农业灌溉用水来保
障流域生态健康的过程。 其中补偿主体为生态服务受益者不明确或涉及范围较广的情况下的政府或公共组
织[31],客体为农业用水短缺的受损农户。 相应生态补偿的补偿客体明确。 根据农业用水短缺的产量损失以
及农业产品价格,提出基于 k阶段生态需水保障的农业经济损失为:
vjk = q jksQ jk (7)
式中, vjk 为作物 j在 k阶段单位面积农业产量损失的经济损失(元 / hm2), q jks 为作物 j在 k阶段单位面积农业
产量损失(t / hm2), Q jk 为作物 j在研究水平年的 k阶段单位质量的价格(元 / t)。
根据水分生产函数相加模型,考虑不同季节以及不同作物经济损失,提出基于生态需水保障的农业生态
补偿标准计算如式(8)所示。
V =移
n
k = 1
移
m
j = 1
vjks j (8)
式中,V表示生产受到影响的农户得到的生态补偿(元),m代表不同的作物, s j 代表每户作物 j的种植面积。
2摇 案例研究
针对黄河下游农业灌溉与生态需水间日益突出的矛盾,以保证黄河口生态需水产生的黄河下游山东灌区
农业损失计算为例,分析基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法的应用。 山东引黄灌区是从高村水
文站到入海口之间以黄河干流水量为灌溉水源的灌区,是我国重要的经济发展带和粮棉油产区。 山东省引黄
灌区工程建设始于 1950 年,灌溉面积仅为 16 万 hm2,随着引黄灌溉面积的稳步发展,引黄水量逐年递增,
1990 年代因黄河上游来水量偏少,引黄量有所减少,年均引水量为 72. 8伊104m3。 1998—2005 年均引黄灌溉
面积为 191. 59 万 hm2,其中冬小麦和夏玉米采用轮作方式,占灌区面积的 92. 3% 。 本文结合山东省冬小麦和
夏玉米的生长期,将冬小麦生育期分为播种鄄越冬期(10—12 月)、越冬鄄返青期(1—2月)、返青鄄收获期(3—5
月)3 个阶段,夏玉米为全育期(6—9月)。
2. 1摇 基于生态需水保障的农业用水短缺损失
Sun 等采用生态目标整合的方法计算了黄河口不同等级和时间差异的生态需水量[32],本研究参照其研
究成果,明确了黄河口生态需水量(图 1)。 一般认为生态需水可分为最小、适宜和最大 3 个等级,其中最小生
态需水量是指为保证特定发展阶段的生态系统结构稳定,保护生物多样性以及确保水资源功能正常发挥所必
须的、一定质量的最小水量;适宜生态需水量综合考虑目标物种生存繁衍对生态系统各方面特性的要求,当流
量持续小于这个数值时,将导致生物繁殖条件的破坏,减少生物量,进而降低生物完整性;最大生态需水维持
生态系统整体动态平衡,通过影响河流造床输沙、水文连通性、河流生境等多个方面,影响河流生态系统的健
康。 低于最小生态需水量或者最大生态需水量,将不可避免的导致生态系统的退化。 生态需水的时间差异性
主要体现在生态系统对水资源的需求存在年内差异,因此生态需水量存在逐月的变化。
根据式(1)和式(2)计算农业用水短缺 WkS ,其中黄河河口生态需水量参考 Sun 等提出的黄河口生态需
水计算结果[32]确定。 其中综合考虑黄河口不同类型生态需水目标要求,通过将生态需水划分为消耗性需水
和非消耗性需水,以加和性和最大值原则计算了河口生态环境需水年度总量及年内时间变化规律。 研究结果
表明,黄河口最小、适宜和最理想等级生态需水年度总量分别为 134. 22伊108, 162. 73伊108 m3和 274. 9伊108
m3。 最低等级生态需水主要满足河口蒸发消耗需水及盐度平衡需水的要求。 最高等级生态需水中,泥沙输
运需水比例相对最高。
降雨量根据山东省气象站 1998—2005 年山东省黄河流域和引黄灌区内逐月降雨数据确定,农业用水定
额参照山东省水利厅《山东省农业灌溉用水定额(试行)》确定,上游断面径流量考虑 1998—2005 年间高村站
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多年平均实测数据,工业和城镇生活平均引黄水量根据 1998—2005 年《山东省统计年鉴》确定为每月 0. 41 亿
m3。 图 2 给出了保障黄河口最高等级生态需水条件下,山东省引黄灌区冬小麦和夏玉米不同生长阶段的农
业用水短缺 WkS 、农业用水量 W0 和农业用水定额 Wa 。
图 1摇 黄河口不同等级的生态需水量
Fig. 1摇 Different level of environmental flows for the Yellow River
Estuary
图 2摇 基于生态需水保障的农业用水短缺量
Fig. 2摇 Agricultural water shortage based on a priority of
environmental flows
计算结果表明,1998—2005 年多年平均水文条件下,保障最高等级生态需水的年度农业用水短缺为
27郾 92 亿 m3,年内各月间 6—9月份用水大于农业用水定额,可不考虑农业用水短缺问题。 农业用水短缺主要
集中在 3—5月和 10—12 月。
在明确基于生态需水保障的农业用水短缺的基础上,根据式(6)计算单位面积农作物产量损失,其中公
式(4)潜在蒸散发 ET j计算中的参考作物蒸散发 ET0 和主要作物的作物系数 Kc根据《中国主要作物需水量与
灌溉》数据资料整理得到[33],其中 ET0 取华北平原各省的平均值。 不同季节冬小麦和夏玉米作物产量响应系
数 ky参照世界粮食组织(FAO)给出的不同作物产量响应系数成果[34]。 表 1 给出了冬小麦和夏玉米在不同生
长阶段的作物产量相应系数 kky 、农业用水短缺 Wks 和潜在蒸散发 ETkj 。
表 1摇 冬小麦和夏玉米在不同生长阶段的参数
Table 1摇 Parameters for winter wheat and summer corn in different growth stages
阶段
Growth stages
1—2月
Jan. —Feb.
3—5月
Mar. —May.
6—9月
Jun. —Sep.
10—12 月
Oct. —Dec.
作物产量响应系数 kky
Crop yield response factors
冬小麦
Winter wheat 0. 6 0. 5 0 0. 2
夏玉米
Summer corn 0 0 1. 25 0
潜在蒸散发 ETkj / mm
Potential evapotranspiration
冬小麦
Winter wheat 28. 09 301. 94 0 102. 22
夏玉米
Summer corn 0 0 547. 85 0
冬小麦和夏玉米的单位面积最大产量 q jm 以及种植面积 S j 根据 1998—2005《山东省统计年鉴》得到
(表 2)。 摇
图 3 给出了基于最高生态需水保障的山东引黄灌区冬小麦和夏玉米各生育阶段的产量损失 q jks 。 1998—
2005 年多年平均水文过程条件下,6—9月农业用水大于农业用水定额,保障河口最高等级生态需水不会对夏
玉米的生长造成缺水影响,但冬小麦会减产 1611. 77kg / hm2,相对水量充足条件下最大产量的减产率达到
31. 70% 。
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表 2摇 冬小麦和夏玉米的单位面积最大产量和种植面积
Table 2摇 Maximum yield and planting area for winter wheat and summer corn
作物
Crop
q jm
/ (kg / hm2)
S j
/ (104hm2)
与灌区总面积的比例
The ratio to the total area / %
冬小麦 Winter wheat 5084 176. 8 92. 3
夏玉米 Summer corn 5789 176. 8 92. 3
2. 2摇 基于生态需水保障的农业生态补偿标准
根据中国粮食网统计数据,1990—2005 年间冬小麦和夏玉米的价格比较稳定[35]。 1990—2000 年《山东
省统计年鉴》冬小麦与夏玉米的价格 Q jk分别为 1133. 52 元 / t和 1000. 68 元 / t。 结合图 2 作物各生长阶段产量
损失 q jks ,根据式(7)得出各阶段基于生态需水保障的冬小麦和夏玉米经济损失(图 4)。
图 3摇 冬小麦和夏玉米的产量损失
Fig. 3摇 Agricultural loss for winter wheat and summer corn
图 4摇 冬小麦和夏玉米的经济损失
Fig. 4摇 Economic loss for winter wheat and summer corm
根据水分生产函数相加模型,将不同生长阶段造成经济损失累加的总经济损失作为生态补偿标准制定的
依据。 考虑国家规定农业用水定额条件下,基于 1998—2005 年平均水文条件,确定保障河口最高等级生态需
水产生的山东省灌区内冬小麦种植户总生态补偿标准为 1826. 92 元 / hm2。
3摇 讨论
图 5摇 不同年份来水量
Fig. 5摇 River discharge in different year
3. 1摇 径流过程及生态需水差异对生态补偿标准的影响
基于生态需水保障的农业生态补偿标准受径流过
程和生态需水的共同影响,相应使得农业用水短缺存在
显著的年际间和季节间的差异。 图 5 给出了 1998 年至
2005 年间来水量(包括降雨量和高村站径流量)的变
化。 来水总量存在年度差异,2003—2005 年的来水总
量明显高于 1999—2002 年,来水总量的最大值(2003
年)和最小值(2002 年)之间相差 1. 68 倍。 同时来水量
还存在年内差异,最大来水量出现在 6—9月份,其次是
3—5月份,最小值出现在 1—2 月份,1998—2005 年平
均径流过程下,1—2月、3—5月、6—9月和 10—12 月份来水量分别为 22. 17、75. 25、205. 51 和 71. 52伊108m3。
图 6 给出了不同年份(1998 年至 2005 年间)保障不同等级生态需水后农业用水短缺差异。 总体来讲,保
障的生态需水等级越高,对农业用水短缺造成的影响就越大,保障最低、适宜和最高等级生态需水后,农业用
水短缺分别在 0—10伊108 m3、0—20伊108 m3 和 20—70伊108 m3。
一般的,生态需水保障的等级越高,对农业用水的影响越大。 这一关系同时受到来水过程年度差异的显
著影响。 2005 年年度径流总量为 421. 85 亿 m3,为 2001 年的 1. 36 倍。 保障不同等级的生态需水农业用水短
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保障最低
保障最高
保障适宜
图 6摇 不同年份保障不同等级生态需水的农业用水短缺
Fig. 6摇 Agricultural water shortage for maintaining environmental flows in different year
缺最小值均出现在 2005 年,保障适宜和最高等级生态需水后的农业用水短缺最大值出现在 2001 年。 值得注
意的是,来水过程的季节性差异也直接影响着农业用水短缺。 6—9月份间普遍不存在农业用水短缺,而 10—
12 月间农业用水短缺相对明显,特别是在 1998 和 2004 年间,10—12 月间相应径流量仅占年径流量的
15郾 14%和 12. 47% ,保障最低、适宜和最高等级的生态需水后,这两年的农业用水短缺全部集中在 10—12 月
份。 1999 年和 2000 年来水总量相差 0. 40% ,1999 年 1—2月份来水量仅为 2000 年同期来水量的 2. 25% ,成
为当年农业用水短缺的集中期,3—5月份来水量为 80. 52 亿 m3,满足相应季节农业需水的要求。 而 2000 年
3—5月间来水量为 59. 18 亿 m3,相应造成该季节保障最低和适宜等级生态需水后农业用水短缺达到 6. 75 和
12郾 21 亿 m3。 径流过程的季节差异性造成 1999 和 2000 年保障最低和适宜等级生态需水基础上的农业用水
短缺分别相差 9. 15 倍和 3. 89 倍。
图 7 给出了不同年份保障不同等级生态需水的农业生态补偿标准,与农业用水短缺相对应,保障不同等
级的生态需水后的农业生态补偿标准存在很大的差别,保障的等级越高,对农业的影响越大,相应农业生态补
偿标准越高。 保障最低、适宜和最高等级生态需水后的农业生态补偿标准分别在 0—1600, 0—3100 和
1000—9000 元 / hm2。
农业生态补偿标准也存在年际差异和年内差异,这种差异性在不同的生态需水等级保障下呈现相似的规
律,以保障适宜等级的生态需水后的农业生态补偿标准为例,2002、2003 和 2005 年农业用水短缺顺次减少,
分别为 14. 78、12. 99 和 0. 35 亿 m3,相应 2002 年补偿标准最高,为 3050. 09 元 / hm2,补偿标准的最小值出现在
2005 年,仅为 18. 89 元 / hm2。 此外,受农业用水短缺的季节性差异的影响,农业生态补偿标准呈现出复杂特
点,1999 年总的农业用水短缺仅为 3. 14 亿 m3,但由于缺水主要集中在 1—2月份,占总缺水量的 72. 45% ,这
一阶段农业缺水对冬小麦的影响最大,产量响应系数为 0. 6,相应造成农业生态补偿标准达 1638. 94 元 / hm2。
相比之下,2001 年总缺水量为 20. 35 亿 m3,高于其它年份的缺水量,然而该年度农业用水短缺主要集中在
10—12 月份,此阶段农业缺水对冬小麦的影响最小(产量响应系数为 0. 2),对应生态补偿标准为 1219. 60 元 /
hm2,仅为 2002 年计算结果的 39. 96% 。 综合而言,生态补偿标准受来水过程和生态需水保障等级的共同影
响,考虑自然来水量的变化,确定需要保障的生态需水等级和目标,可成为确定农业缺水损失的基础。
3. 2摇 典型农作物选择
典型作物的选取会影响到生态补偿标准的计算。 表 3 给出了本文保障黄河河口生态需水后山东灌区农
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图 7摇 不同年份保障不同等级生态需水的农业生态补偿标准
Fig. 7摇 Ecological compensation standard for maintaining medium environmental flows in different year
A、B和 C分别代表保障最低、适宜和最高等级生态需水的农业生态补偿标准
业生态补偿标准与相关文献实例中生态补偿标准之间的比较。 各案例的生态补偿标准转化为单位水资源价
值(农业生态补偿总额与基于生态需水保障的农业用水短缺的比值),并按照多年平均的美元汇率 8. 28 进行
统一。
表 3摇 典型生态补偿标准案例对比
Table 3摇 Comparative analysis for typical watershed ecological compensation standard
典型案例
Typical case
情景
Scenario
水资源价值 / (元 / m3)
Water value
文献来源
Reference
Rio Conchos 湿润 Wet year 0. 45 [23]
干旱 Dry year 0. 51
Murray鄄darling 平均 Average 1 [24]
有目标 Targeted 0. 56
天津 Tianjin 2000 1. 27 [36]
北京 Beijing 2000 1. 42
南水北调 South鄄to鄄North Water Transfer 2010 1. 18 [37]
本文案例 This case 平均 Average 1. 16 本文研究 This study
本研究中选择冬小麦和夏玉米作为农业生态补偿标准计算依据,1998—2005 年保障最高等级生态需水
后水资源价值为 1. 16 元 / m3。 在密云水库库区补偿机制的探讨中,2000 年天津市地表水水资源价值为 1. 27
元 / m3,北京市地表水水资源价值约为 1. 42 元 / m3,随着时间的推移、物价的上涨,京、津调用密云水库库区水
资源所付出的水资源价值还会不断的提高[37];2010 年南水北调中线工程陕西水源区的水资源价值为 1. 18
元 / m3 [37],根据个体合理性原则,即各参与分担的地区所承担的补偿额度不应大于其从其他途径可能获得的
收益水平即机会成本,否则会导致补偿的不可实施[37],本案例与国内案例相比具有很强的可比性。
国际上相关案例主要选择水资源价值相对较低的作物计算生态需水保障的农业损失。 其中,莫斯科北部
的 Rio Conchos流域基于 Chihuahua沙漠生态需水的农业经济补偿的研究中[23],优先考虑占用耗水量比较大、
水资源价值较低的高粱、大豆、玉米和苜蓿的灌溉用水,整体的补偿标准在湿润年为 0. 45 元 / m3;澳大利亚的
Murray鄄Darling流域研究中[2 4 ],同样优先考虑采用水资源价值较低区域的作物用水进行生态需水的保障时,
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补偿标准为 0. 56 元 / m3,在综合考虑不同区域农业用水损失的情形下,补偿标准为 1. 00 元 / m3。 相对于一定
的农业用水短缺状况,农业种植结构的差异和节水措施的实施将产生不同的经济损失[2]。 区域内另一作物
棉花的年潜在蒸散发为 747. 19 mm,生长期主要在 4—10 月份,用水高峰集中在 7—8月份。 苗期(4—6月)、
蕾期和花铃期(7—8月)以及吐絮期(9—10 月)相应的产量相应系数分别为 0. 2、0. 5 和 0. 25[34]。 考虑棉花
的种植面积为 176. 8 万 hm2,根据《山东省统计年鉴》多年统计数据棉花的最大产量为 1286 kg / hm2,多年平均
价格 6. 6 元 / kg,根据 1998 年至 2005 年平均水文条件,计算保障适宜生态需水情况下棉花在各生育阶段的产
量损失和经济损失结果表明,在棉花生长期内,基于生态需水保障的农业用水量大于农业用水定额,相对可大
幅减少小麦和玉米轮作种植模式下的农业补偿标准。 然而,山东引黄灌区是我国重要的粮食产区,冬小麦和
夏玉米的种植面积相对比较稳定。 综合考虑国家保障粮食安全的目标要求,面积稳定和保障功能显著的粮食
作物更适宜作为补偿标准计算的依据。 在农业种植结构调整有限条件下,农业节水措施的实施则成为有效实
现区域生态保护与社会经济协调发展的关键。
4摇 结论
本研究提出了基于生态需水保障的农业生态补偿标准计算方法,考虑农业用水定额,计算基于生态需水
保障的农业用水短缺,通过引入水分生产函数模型建立农业用水短缺与产量损失间的关系,根据不同季节作
物产量响应系数的差异以及不同等级生态需水的要求,定量确定不同等级农业生态补偿标准。 提出的研究方
法适用于综合考虑水文过程变化、生态需水等级差异以及农业用水定额对生态补偿标准的影响。
生态补偿标准受来水过程的影响,根据自然来水量的变化,确定需要保障的生态需水等级和目标,应成为
确定农业缺水损失及计算补偿标准的基础。 面积稳定和保障功能显著的粮食作物缺水损失可成为生态补偿
标准计算的依据。 一方面与国家保障粮食安全目标一致,同时避免在水资源短缺情况下,保障相对较高等级
生态需水可能造成不合理农业用水短缺和损失。 研究提出的农业生态补偿标准计算方法,根据初始推荐生态
需水以及理论农业需水要求确定,综合考虑自然来水的变化以及国家规定农业用水定额对生态补偿标准的影
响后,也为进一步权衡分析适宜的生态需水保护目标提供科学依据。
目前中国生态补偿工作还处于酝酿与起步阶段,生态补偿机制的建立和完善还在探讨和摸索之中,本文
研究关注于生态补偿标准计算方法的探讨,而在一个流域生态补偿模式中,补偿主客体的确定、补偿方式等同
样是生态补偿措施顺利实施的保障。 生态补偿标准的实施也不应只局限在通过现金发放的形式实现。 以农
业水利设施、农业节水措施的投资建设等形式更能体现可持续发展的战略思想。 全面分析利益相关者,根据
补偿原则来清晰界定生态补偿的主体和客体,才能使生态补偿模式更加完善、可行。
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0652 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 8 April,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Physiological responses of five deciduous broad鄄leaved tree seedlings in the Northeast Area of China to burning
WANG Rong,HU Haiqing (2303)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
The occurrence regularity of psyllid in Haloxylon spp and its influencing factors
LI Fenlian, WU Xuehai, WANG Peiling,et al (2311)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The estimating of the spatial distribution of forest biomass in China based on remote sensing and downscaling techniques
LIU Shuangna, ZHOU Tao,SHU Yang,et al (2320)
……………
………………………………………………………………………………
Multivariate correlation analysis between landscape pattern and water quality
ZHAO Peng, XIA Beicheng, QIN Jianqiao,et al (2331)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Red fox habitat selection and landscape feature analysis in the Dalai Lake Natural Reserve in Inner Mongolia
ZHANG Honghai, LI Chengtao, DOU Huashan,et al (2342)
………………………
………………………………………………………………………
Research on assemblage characteristics of macroinvertebrates in the Yalu Tsangpo River Basin
XU Mengzhen, WANG Zhaoyin, PAN Baozhu, et al (2351)
………………………………………
………………………………………………………………………
Climate change induced potential range shift of the crested ibis based on ensemble models ZHAI Tianqing, LI Xinhai (2361)………
Analysis of the sources of second generation meadow moth populations that immigrated into Chinese pastoral areas in 2010
ZHANG Li, ZHANG Yunhui, ZENG Juan, et al (2371)
…………
…………………………………………………………………………
Genetic diversity based on cytochrome b gene analysis of different geographic populations of blue sheep in China
LI Nannan, LIU Zhensheng, WANG Zhenghuan, et al (2381)
……………………
……………………………………………………………………
Soil microbial properties under different grain鄄for鄄green patterns in depressions between karst hills
LU Shiyang, PENG Wanxia, SONG Tongqing, et al (2390)
……………………………………
………………………………………………………………………
Ecosystem and soil respiration of a poplar plantation on a sandy floodplain in Northern China
FANG Xianrui, ZHANG Zhiqiang, ZHA Tonggang, et al (2400)
…………………………………………
…………………………………………………………………
Estimating total nitrogen content in water body based on reflectance from wetland vegetation
LIU Ke,ZHAO Wenji,GUO Xiaoyu,et al (2410)
…………………………………………
……………………………………………………………………………………
Analysis on complete F type of mitochondrial genome in Lamprotula leai CHEN Ling,WANG Guiling, LI Jiale (2420)………………
The source鄄sink landscape pattern change and its effect on phosphorus pollution in Yuqiao watershed
LI Chongwei, HU Jie, WANG Sa, et al (2430)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Responses of soil nematode communities to soluble salt contamination around Gangue hill in Fushun
ZHANG Weidong, LV Ying, XIAO Ying, et al (2439)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of aboveground competition on biomass partitioning of understory Korean pine (Pinus koraiensis)
WANG Jinsong, FAN Xiuhua, FAN Juan, et al (2447)
………………………………
……………………………………………………………………………
Research of methane metabolic microbial community in soils of slash pine plantation and Masson pine plantation
WANG Yun, ZHENG Hua, CHEN Falin, et al (2458)
……………………
……………………………………………………………………………
啄13C values of stem phloem water soluble sugars of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata response to meteorological
factors LU Yuxi,WANG Zhenxing,ZHENG Huaizhou,et al (2466)………………………………………………………………
Soil respiration patterns during restoration of vegetation in the Shapotou area, Northern China
GAO Yanhong, LIU Lichao, JIA Rongliang, et al (2474)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
Dynamics of caloric value of Robinia pseudoacacia L. energy forest in the west of Henan Province
TAN Xiaohong, LIU Shiqi, MA Luyi, et al (2483)
……………………………………
…………………………………………………………………………………
Ex鄄situ symbiotic seed germination of Dendrobium catenatum WU Huifeng, SONG Xiqiang, LIU Hongxia (2491)……………………
Effects of red / far red ratio on morphological index,leaf area and dry matter partitioning of cut chrysanthemum flower
YANG Zaiqiang,ZHANG Jibo,LI Yongxiu,et al (2498)
………………
……………………………………………………………………………
Effect of prometryne on root activity and oxidative stress of Polygala tenuifolia Willd. seedling roots
WEN Yinyuan, GUO Pingyi,YIN Meiqiang,et al (2506)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Combined effects of elevated O3 concentration and UV鄄B radiation on photosynthetic characteristics of soybean
ZHENG Youfei, XU Weimin, WU Rongjun, et al (2515)
………………………
…………………………………………………………………………
Nutrients transfer for host plant and litter decompositon by AMF in Karst soil
HE Yuejun,ZHONG Zhangcheng,DONG Ming (2525)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………………
The dynamics of bacteria community diversity during the fermentation process of traditional soybean paste
GE Jingping,CHAI Yangyang , CHEN Li, et al (2532)
……………………………
……………………………………………………………………………
Effect of site鄄specific fertilization on soil phosphorus in purple garden soil
SUN Qianqian,WANG Zhengyin,ZHAO Huan,et al (2539)
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A method of determining standards for ecological compensation in agricultural areas, giving priority to environmental flows in water
allocation PANG Aiping, SUN Tao (2550)…………………………………………………………………………………………
The loss of ecosystem services value caused by food security assessment model and it忆s application
LU Weiye,JIANG Zhide,ZHANG Yinglong,et al (2561)
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Review and Monograph
Review of the current situation of coastal ecological engineering using dredged marine sediments and prospects for potential app鄄
lication in China HUANG Huamei, GAO Yang, WANG Yinxia, et al (2571)……………………………………………………
Discussion
Quorum sensing in anaerobic ammonium oxidation bacteria DING Shuang,ZHENG Ping,ZHANG Meng,et al (2581)………………
Health evaluation of Dongting Lake based on morphological characters SHUAI Hong,LI Jingbao,XIA Beicheng,et al (2588)………
Scientific Note
Effects of mix鄄leaf litter decomposition of different trees in the Loess Plateau
LIU Zengwen,DU Liangzhen,ZHANG Xiaoxi,et al (2596)
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Changes in soil active organic carbon under different management types of bamboo stands
MA Shaojie, LI Zhengcai, WANG Bin, et al (2603)
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Effects of drought stress on photosynthesis and associated physiological characters of pepper
OU Lijun, CHEN Bo, ZOU Xuexiao (2612)
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Effects of silicon application and drought stress on photosynthetic traits and mineral nutrient absorption of rice leaves
CHEN Wei, CAI Kunzheng, CHEN Jining (2620)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 8 期摇 (2012 年 4 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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(Semimonthly,Started in 1981)
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Vol郾 32摇 No郾 8摇 2012
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