地下水灌区水价确定及其节水减排估算*-以河北省南皮县为例

王西琴 ,姜智强 ,张馨月,2**

(1. 中国人民大学农业与农村发展学院 北京 100872;2. 中国水利水电科学研究院水利研究所 北京 100038)

随着人口增加与经济发展,以及全球气候变暖与干旱化,各部门之间的用水竞争愈加激烈[1],我国农业用水一直是大宗用户,2018 年农业用水占总用水量约61%,而高效节水灌溉率仅为25%[2],农业仍有节水空间。2011 年我国开始实施最严格水资源管理制度,其中农业用水包括定额管理与水价政策,2014 年颁布《关于印发深化农业水价综合改革试点方案的通知》(发改价格〔2014〕2271 号)》,选取27 个省80 个试点县(市、区)进行农业水价综合改革。2020 年颁布的《关于持续推进农业水价综合改革工作的通知》,再次强调农业水价综合改革不仅是农业节水的“牛鼻子”,而且是保障国家水安全的重要举措。河北省是水资源极为短缺的省份,也是地下水利用程度最高的地区,75%以上的地下水用于粮食生产,灌溉用水效率低[3],水粮矛盾十分突出。近年在实践中不断探索适合本地区的水价综合改革模式,如“一提一补”“终端水价”“超用加价”等改革模式。然而,由于农业水价改革对农业生产系统影响的复杂性[4],以及农户对于水费承受能力较低的现实[5],使得水价综合改革面临严峻的挑战。因此,研究和制定合理的水价调整方案,为未来农业水价综合改革提供决策依据,具有重要的现实意义。

当前农业水价的研究主要围绕2 个方面展开:1)农业水价定价问题,早期研究多从供水成本角度出发,采用成本方法确定水价,没有考虑农业用水的特殊性,计算结果往往偏大[6],该方法一般适用于地表水灌区。基于农户视角的水费承受指数方法,依据农业水费支出占农业生产成本、农户收入等指标的比例确定水价,计算结果偏小,难以起到水价的节水效益,如对河北典型地区的研究[5]。从水经济价值角度确定水价主要包括生产函数法、多目标规划、剩余价值法等。生产函数法以边际价值理论为基础,估计在其他农业要素投入不变的情况下水资源量的边际价值,该方法应用于农业水价受到一些学者的质疑[7]。多目标规划方法设定目标及约束条件,可以得到不同情景下的最优水价[8]。剩余价值法是当除水以外的所有投入要素都获得合理价格时,总产出价值的剩余部分归于水资源投入,该方法近年来国际上应用较多[9]。2)水价与灌溉用水量关系及其节水潜力研究,大多采用对数函数模型建立两者之间的函数关系,获得弹性系数,认为弹性系数的大小可以表征节水潜力,近年有学者开始关注农业水价的节水减排效益,认为农业水价提高的正面影响主要表现在节水、减少化肥施用量[10],当农户使用低耗水作物时化肥的使用量也随之减少[11],随着河北地下水灌区农业水价综合改革的推进,水价定量研究以及水价与灌溉用水量之间的定量关系研究逐渐得到学者的重视,如以电折水计算现状灌溉用水量与现状水价[5],采用双对数模型建立水价与价格弹性函数[12],基于农户视角采用水费承受指数计算水价[5],采用剩余价值方法计算理论水价[12]等,上述研究为本文研究提供参考。河北地区农业节水潜力的研究成果较多[2,13-14],大多基于灌溉用水效率视角对农业节水潜力进行预测[2],基于水价提高的农业节水潜力的文献较为鲜见,尚未有将水价与节水及其营养物减排相结合的研究成果。本文以河北省南皮县农户调研数据为依据,采用以电折水方法计算现状水价,采用双对数模型建立水价与灌溉用水量函数,在此基础上分别计算理论水价与理想水价,依据上述结果提出农业水价改革方案,并计算不同水价方案下水价提升的节水潜力与营养物减排量,为农业水价综合改革提供依据。

1 研究思路与方法

1.1 研究思路

河北省作为农业水价综合改革与地下水超采综合治理地区,近年来在少数示范地区安装了“水电一卡通”计量设施,可以直接获得农户灌溉用水量,但是大部分地区包括本文研究区南皮县,仍然是以缴纳电费代替水费。因此,首先需要计算现状灌溉用水量、现状水价,在此基础上建立灌溉用水价格函数。其次根据剩余价值方法计算水价,本文称之为理想水价;根据建立的灌溉用水价格函数,计算灌溉定额对应的水价,本文称之为理论水价;以理论水价与理想水价作为水价改革方案,分别采用灌溉用水价格函数与农田营养物流失方法估算2 个方案下的节水潜力与营养物减排量,并以水费占成本比例15%作为衡量标准(《农业水价综合改革试点培训讲义》2014 年),对方案的可行性与合理性进行分析,给出水价改革推荐方案,具体思路见图1。

图1 地下水灌区水价确定及其节水减排估算研究思路Fig.1 Research ideas on determination of water price and estimation of water conservation and pollutant emission reduction in groundwater irrigation areas

1.2 计算方法

本文计算方法包括现状水价估算方法、理想水价计算方法、灌溉用水价格函数建立方法、节水减排方法等。

1.2.1 现状水价估算方法

地下水灌区水费由电费、管理费和维护费等构成。在缺乏计量设施的地下水灌溉地区,一般需采用“以电折水”方法计算现状水价[15],其中关键参数是水电转换系数,该系数可以借鉴经验值,也可以通过问卷获得井深、扬程、水泵功率等相关参数计算获得,“以电折水”计算方法见公式(1)[15],首先计算现状灌溉用水量[公式(1)],在此基础上计算现状水价公式(2)。

式中:Qw为现状灌溉用水量(m3·hm-2);Tc为水电转换系数(m3·kWh-1),本文根据问卷调研获取的相关参数并结合经验值[15]确定;AE为用电量(kWh·hm-2);P0为现状水价(¥·m-3);E为水费,即地下水灌区问卷中获得的电费(¥·hm-2)。

1.2.2 理想水价计算方法

采用剩余价值法[16](residual value method,RVM)计算水价,一般认为该种方法计算得到的水价是水创造的经济价值,可以作为水价调整的上限,本文称其为理想水价。

基本原理是假定在竞争市场条件下,当除水以外的所有投入要素都获得了合理价格时,总产出价值的剩余部分归于水资源投入,水的价值被设定为余值。剩余价值法优点在于可以用于评估无法从市场获得合理定价的要素价值,局限是当本应分配给其他投入的回报被分配到水时会出现水价被高估的情况。剩余价值法具有较强的可操作性,适用于水资源为关键生产要素的农业领域研究[16]。农业生产投入产出函数的一般表达式为公式(3),水的经济价值表达式为公式(4)-(5)。

式中:Y为种植业总产出(kg·hm-2);M为生产投入要素,如种子投入量(kg·hm-2)、化肥投入量(kg·hm-2)、农药投入量(kg·hm-2)、机械投入量(h·hm-2)、劳动投入量(工日·hm-2)、土地投入量(标准化为¥·hm-2);i表示生产投入类型;Y×Py表示单位面积作物总产值,Py为作物单位产量市场价格(¥·kg-1);RVw为灌溉水的经济价值(¥·m-3);Mw为单位面积灌溉用水量(m3·hm-2);P为投入要素成本价格(¥·hm-2)。

1.2.3 灌溉用水价格函数建立方法

灌溉用水价格函数根据用水量与水价建立两者之间函数关系,从而得到弹性系数,弹性系数表征节水潜力的大小[17]。方法包括线性需求函数模型、半对数需求函数模型、对数线性需求函数模型等。目前大多采用双对数模型建立用水与价格之间的函数关系[公式(6)],其优点是将非线性关系转换为线性关系进行研究,克服直接使用线性模型的缺点[18]。表达式为:

式中:Q为现状用水量(m3·hm-2);β0为常数项;P为现状水价(¥·m-3);β1的估计值为弹性系数;μ为随机扰动项,β0、β1和μ由计量软件回归得到其估计值。弹性系数绝对值(|β1|)=0,完全无弹性;0＜|β1|＜1,弱弹性;|β1|=1,单位弹性,即需求量和价格变动率相等;|β1|＞1,强弹性。

1.2.4 节水减排计算方法

本文节水潜力指水价提高后对应的灌溉用水量与现状灌溉用水量的差值(公式7)。

式中:ΔW表示节水潜力(m3·hm-2);W0现状灌溉用水量(m3·hm-2);Wn表示水价提高后的灌溉用水量(m3·hm-2);n代表不同水价改革方案对应的水价,n=1,2,3,···,n。

营养物减排量根据农田营养物流失模型计算(《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》生态环境部,2021 年),营养物选择氨氮、总氮和总磷。农田营养物流失量与农田径流量及其营养物浓度有关,农田径流量同时受灌溉用水量与降水量的影响。灌溉用水量的减少必然带来营养物流失量的减少,节水带来的营养物削减量就是节水量部分的农田径流营养物量,本文称其为节水减排量。参照 《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》(生态环境部,2021 年)营养物流失量的计算方法[公式(8)],建立节水减排计算公式(9)。

式中:CR 为农田营养物流失量(t),BA 为播种面积(hm2),PC 为营养物流失系数(kg·hm-2);WRL 为节水带来的营养物减排量(kg·hm-2),RW 为节水量(亿m3),IW 为作物灌溉用水量(亿m3),PW 为作物生长期降水量(mm)。

2 案例分析

2.1 研究区概况和数据来源

以河北省南皮县为例进行实证研究。南皮县位于河北省沧州市南部,属于黑龙港低平原区,面积790 km2,全县辖9 个乡镇,粮食作物播种面积约占90%以上,以小麦(Triticum aestivumL.)和玉米(Zea maysL.)为主。本文调研地区为南皮县的9 个乡(镇),采用分层随机抽样方法每个乡镇抽取3～6 个村,每村调研10～15 位农户,共涉及34 个村。时间为2019 年4-9 月,同农户进行一对一深入访谈,问卷内容主要包括个人及家庭特征、生产要素投入与产出、灌溉水源与方式、种植结构、节水技术、土地经营规模与灌溉机井等。剔除无效问卷后,共收集有效农户问卷222 份,农户均以地下水作为主要灌溉水来源。

水价计算、灌溉用水价格弹性函数模型参数的数据来源于问卷,包括灌溉电费、电价、单位面积平均用电量、灌溉次数、机井深度、水泵功率等,灌溉水经济价值计算参数为生产要素的投入与产出以及市场价格等(表1)。水电转化系数根据问卷获得的井深,并参考经验值[15]确定,已有研究测算的河北典型地下水灌区的水电转换系数介于1.38～3.00 m³·kWh-1[15]和1.8～2.6 m³·kWh-1[12],其中文献[12]的研究地区涉及河北省成安县、元氏县、献县和南皮县,其中南皮县平均井深大于前3 个县,为137.28 m,且大于150 m 的深井占比最高,为54.9%,根据上述分析,本文确定南皮县水电转换系数为2.6 m3·kWh-1。

表1 南皮县小麦、玉米生产投入产出参数值Table 1 Input-output parameter values of wheat and corn production in Nanpi County ¥·m-3

营养物减排量参数值数据来源于经验值与统计年鉴,其中营养物流失系数来源于《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》(农业污染源产排污系数手册) (生态环境部,2021 年)。采用河北省营养物流失系数:氨氮0.076 kg·hm-2、总氮0.775 kg·hm-2、总磷0.067 kg·hm-2。其他参数值,如小麦、玉米播种面积以及耕地面积数据等,均来源于统计年鉴,南皮县耕地面积52 864 hm2,小麦、玉米播种面积分别为25 746 hm2、27 305 hm2。年平均降水量为550 mm,种植结构以冬小麦和夏玉米为主,其中冬小麦生长期10 月-次年6 月,夏玉米生长期6-10 月,根据上述作物生长期分配全年降水量,其中冬小麦生长期的降水量约为330 mm,夏玉米生长期的降水量约为220 mm。

2.2 现状水价计算结果

根据公式(1)和表1 数据,计算获得的小麦和玉米现状实际灌溉用水量分别为3235.05 m3·hm-2和2377.80 m3·hm-2,南皮县小麦和玉米75%水文年灌溉定额分别为3000 m3·hm-2和1695 m3·hm-2[河北省灌溉定额(DB13 T5449.1-2021)],计算结果分别高于定额235.05 m3·hm-2和682.80 m3·hm-2。已有文献研究显示,河北省衡水市桃城区小麦灌溉用水量为2669.85～3770.10 m3·hm-2,河北省南部平原区小麦灌溉用水量为2531.25～3370.05 m3·hm-2[18],河北平原小麦灌溉用水量约为3216.30 m3·hm-2[12],河北地下水典型地区小麦灌溉用水量约为2828.25～3631.80 m3·hm-2[19]。本文结果与上述研究具有一致性。

根据水价计算公式(2),计算获得的小麦和玉米现状水价分别为0.44 ¥·m-3和0.48 ¥·m-3(表2)。采用剩余价值方法[公式(5)]以及表1 数据,计算获得的小麦和玉米灌溉用水经济价值分别为0.84 ¥·m-3和1.01 ¥·m-3,本文称之为理想水价,列入表2。

表2 南皮县灌溉用水量与水价计算结果Table 2 Calculation results of irrigation water consumption and water price in Nanpi County

2.3 灌溉用水价格弹性函数

根据“以电折水”方法计算得到南皮县灌溉用水量、现状灌溉水价,采用双对数函数[公式(6)],对上述样本灌溉用水量和现状灌溉水价分别取对数,得到回归方程及系数估计值。对回归结果做异方差检验分析,F统计量、R2均通过显著性检验。由此得到小麦、玉米的灌溉用水价格函数(表3),小麦弹性系数为-0.47、玉米弹性系数为-0.71,其绝对值均小于1,说明灌溉用水量与水价表现为弱弹性,研究区水价对于灌溉用水量具有较弱的抑制作用,玉米弹性系数绝对值大于小麦,说明玉米对于水价提高的敏感程度较高。

表3 南皮县灌溉用水价格弹性函数Table 3 Price (P) elasticity function of irrigation water demand (Q) in Nanpi County

已有研究灌溉用水价格弹性系数绝对值范围为0.25～0.70[20-22],本文研究结果弹性系数的绝对值为0.47～0.71,在上述范围之内。弹性系数表现出随着研究年代的向后推移下限值逐渐提高的趋势,如华北缺水地区2000 年的弹性系数的下限值为-0.25[20],黄河流域2005 年弹性系数为-0.57[21],河北地下水典型地区2021 年弹性系数为-0.50[22],揭示水价对节水的抑制作用随时间变化呈现逐渐增强的趋势。

依据本次建立的灌溉用水价格函数,计算灌溉定额对应水价、理想水价对应灌溉用水量,前者称之为理论水价,小麦、玉米理论水价分别为0.52¥·m-3、0.77 ¥·m-3,小麦、玉米理想水价对应用水量分别为2392.2 m3·hm-2、1395.45 m3·hm-2。以现状水价为下限、以理想水价为上限,给定不同的水价,根据用水价函数计算给定水价下对应的用水量,并绘制小麦和玉米的灌溉用水价格曲线(图2)。可以看出,灌溉用水量随着水价的提高逐渐减少,其中小麦用水量随水价提高减少的幅度低于玉米,意味着当水价提高幅度相同的情况下,种植玉米的节水潜力大于种植小麦的节水潜力,这一认识可作为研究区种植结构调整依据。

图2 南皮县小麦(a)和玉米(b)灌溉用水价格和灌溉用水量曲线Fig.2 Irrigation water demand price and irrigation water demand curves of wheat (a) and corn (b) in Nanpi County

2.4 水价改革方案

本文将理论水价与理想水价作为水价改革方案,并估算水价提高后的节水潜力和营养物减排量。结果(表4)显示,2 种水价改革方案下,小麦水价上涨空间分别为0.08 ¥·m-3和0.40 ¥·m-3,玉米水价上涨空间分别为0.29 ¥·m-3和0.53 ¥·m-3。已有研究[22]认为河北典型地区小麦水价可上涨至0.55 ¥·m-3,上涨空间0.20 ¥·m-3。2 种方案下,小麦和玉米水价提高后节水潜力分别为235.05～682.80 m3·hm-2和842.85～982.35 m3·hm-2,已有对河北省研究的结果认为水价的节水潜力范围为185.10～466.35 m3·hm-2[22],本文计算结果略高于上述结果。从节水与营养物减排量衡量,理想水价改革方案优于理论水价改革方案。

表4 不同水价改革情景方案下南皮县农业水价提升空间及其节水减排估算结果Table 4 Increasing range of agricultural water price,estimated results of water conservation and pollutant emission reduction under different water price reform schemes in Nanpi County

水费作为农业生产的重要投入成本,其占总成本的比例不宜超过一定值,否则会因为水费太高引起农户收益降低或者放弃种植,一般按照水费占成本比例不高于15%作为标准。由于理想水价方案下小麦和玉米水费占成本的比例分别为17.54%和17.01%,高于上述标准,故本文推荐理论水价作为推荐方案,该方案下小麦、玉米水费占成本的比例分别为13.62%,14.05%,小麦水价提升到0.52 ¥·m-3,节水潜力235.05 m3·hm-2,氨氮、总氮和总磷等营养物减排量分别为5.2 g·hm-2、52.7 g·hm-2和4.6 g·hm-2;玉米水价提升到0.77 元·m-3,节水潜力682.80 m3·hm-2,氨氮、总氮和总磷等营养物减排量分别为18.5 g·hm-2、189.1 g·hm-2和16.3 g·hm-2。

3 结论与政策建议

本文依据问卷调研数据,估算了现状灌溉用水量与现状水价,建立了灌溉用水价格弹性函数,估算了理论水价、理想水价2 种情景方案下水价提升空间,以及水价提高后的节水潜力、营养物减排量,依据水费占成本比例标准,推荐理论水价为水价改革方案。得到以下主要结论,并提出相关政策建议。

3.1 主要结论

1)本文提出了地下水灌区水价确定及其节水减排的估算方法,南皮县农业水价对灌溉用水量的抑制作用开始显现,弹性系数的绝对值小于1,处于弱弹性阶段。在理论水价改革方案下,小麦、玉米水价可提升至0.52 ¥·m-3和0.77 ¥·m-3,水费占生产成本比例低于15%标准,前提条件是灌溉用水量必须低于灌溉定额。揭示合适的水价调控政策可以达到节水与减排双重正向效益。结果可为研究区水价综合改革提供决策依据,也为同类研究提供可借鉴的方法。

2)水价与灌溉用水量是一对相互影响、相互制约,既对立又统一的矛盾体,水费由水价与灌溉用水量共同决定,水资源是农业生产最重要的投入要素,在灌溉用水量较高的情况下,使得水价的提高变得十分敏感,即使较小幅度的提高也会引起水费较大幅度的增加,从而降低农户对水费的承受能力。本文理想水价虽然有较大的节水潜力与减排效益,但是水费占总成本比例高于15%标准。因此,推广节水技术,提高灌溉用水效率,是当前农业水价综合改革首先要解决的问题。

3) 不同区域、不同机井所在位置和不同季节对水电转换系数均有不同程度的影响,本文根据机井深度并参考经验值确定水电转换系数,仅是宏观层面的估算,因此,现状水价计算结果的精确性还有待完善。本文对水价提高后节水带来的营养物减排效益做了一些探索性的研究,提出了定量的计算方法,突破了当前对于水价政策效益评估仅限于节水潜力研究的局限。然而,由于缺乏县级尺度的营养物流失系数,本文采用了河北省级的经验值代替,因此,对于本文研究区节水带来的营养物减排计算结果,也仅是宏观层面的估算。上述不足希望在今后的研究中不断完善和细化。

3.2 政策建议

1)农业水价改革是一项综合改革,需要相关的配套政策,当前研究区节水技术采纳率较低,所以造成现状灌溉用水量高于灌溉定额,未来水价改革必须首先从节水技术入手,在政策上给予倾斜或奖励,推进节水技术推广的进程。农户对节水技术采纳补贴意愿问卷显示,采用喷灌技术的补偿意愿约为8925 ¥·hm-2,采用滴灌技术的补贴意愿为5100 ¥·hm-2。

2)土地细碎化是节水技术推广的主要限制因素,土地细碎化影响农户节水设施投入决策。南皮县土地细碎化程度高,问卷结果显示,土地块数小于3 块的比例为55.9%,4～6 块的为36.9%,大于6 块的为7.2%。当前农户土地流转比例低,土地流转的农户占总样本不到10%,且流转土地面积较小,转入户流转土地面积在0.67 hm2以下比例64%,且土地流转租金较低,平均为4500 ¥·hm-2。建议加快土地流转和规模化经营的进程,对土地转入户给予适当的补贴,以鼓励更多的农户转入土地。

3)种植结构与灌溉用水量密切相关,目前研究区95%的农户采用传统的“冬小麦-夏玉米”种植模式,仅有极少数农户(约3.26%)采用“春玉米-夏玉米”双季玉米种植模式。根据调研问卷,双季玉米种植模式相比传统的小麦、玉米轮作,节水可达20%～30%,种植一季玉米可节水60%,种植一季棉花(Gossypiumspp.)节水40%。本文研究结果表明研究区玉米对于水价的提高更为敏感,水价提升幅度相同的情况下,玉米的节水潜力大于小麦。建议加强适水种植结构研究,以保障农业水价综合改革政策的实施。

4)本文研究结果表明,现状灌溉用水量远超出灌溉定额。同时由于计量设施的缺乏,无法准确测量实际灌溉用水量。建议加强水利基础设施的投资和建设,提高“水电一卡通”计量设施安装普及率,精确确定不同灌溉技术条件下、不同水平年下的灌溉定额,并严格执行灌溉定额管理制度。