成六三，時(shí)偉宇

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院，重慶 江津 400037;

2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075)

1 研究背景

在過去的幾十年里，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)體得到了快速發(fā)展，已成為影響世界經(jīng)濟(jì)的重要要素。但同時(shí)也帶來(lái)了相當(dāng)多的生態(tài)環(huán)境問題，其中礦區(qū)的環(huán)境問題則顯得特別突出，比如山西、陜西、內(nèi)蒙古等煤炭生產(chǎn)大省，出現(xiàn)了大規(guī)模地面塌陷，造成了“有井無(wú)水，有田無(wú)種”等惡劣的生態(tài)環(huán)境［1－2］，已經(jīng)給區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

生態(tài)文明建設(shè)是當(dāng)前及將來(lái)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主線。煤炭工業(yè)在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)所帶來(lái)的一系列生態(tài)環(huán)境問題，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)年損失約為2.8×1010元人民幣［3］。如果從根本上對(duì)煤炭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行有效治理將使礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展變得更加艱難，畢竟生態(tài)環(huán)境問題已不是單純的自然科學(xué)的問題，而是更多地涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)諸多因素，更是關(guān)系到區(qū)域生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。這些問題要想行之有效，必須建立有效的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制［4－6］。

生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制一直是生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)學(xué)等關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。其中生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的界定是難點(diǎn)［7］，雖然生態(tài)環(huán)境損失成本計(jì)算方法得到了不斷發(fā)展和完善，特別是生態(tài)經(jīng)濟(jì)計(jì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計(jì)量方面，但基本上是針對(duì)林草地生態(tài)系統(tǒng)損失評(píng)估，其估算補(bǔ)償數(shù)額非常巨大，在實(shí)際操作性方面受到較大的限制［8］。在煤炭塌陷區(qū)水改旱補(bǔ)償?shù)难芯恐?，幾乎全部的補(bǔ)償方式采取土地生產(chǎn)效益補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式僅僅考慮了土地收益，忽視了水田生態(tài)系統(tǒng)的功能和作用，極其不利于礦區(qū)水田生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

本論文擬在運(yùn)用“虛擬水貿(mào)易”理論來(lái)評(píng)估水改旱損失價(jià)值，把當(dāng)前由生產(chǎn)補(bǔ)償轉(zhuǎn)變到生態(tài)補(bǔ)償方式，喚起礦區(qū)群眾對(duì)生態(tài)環(huán)境重視，將會(huì)更加有利于礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的宣傳，這對(duì)于礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

松藻煤礦區(qū)(屬于南桐煤田)地處渝黔兩地交界處(E106°45'～106°51'，N28°38'～28°46')，東南面以煤層露頭為界;北西面以六號(hào)煤層±0 m等高線(打通埡、大坪子、石壕、張獅壩、梨園壩井田)或12煤層－200 m(同華井田)、－500 m(松藻井田)等高線為界。除羊叉灘井田外，深部均為無(wú)限型井田。本區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，屬海陸過渡帶沉積，厚66～80 m，平均73 m。從1965年開始建設(shè)，礦區(qū)走向長(zhǎng)26 km，傾斜寬1.1～11 km，面積約117.0 km2。經(jīng)過50余年建設(shè)、技術(shù)改造和擴(kuò)建，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為4 500 kt/a，2004年礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)原煤3 780 kt，成為重慶市主要的能源生產(chǎn)基地［9］。

礦區(qū)地貌主要有山地和丘陵，廣泛分布可溶性石灰?guī)r，屬于典型的喀斯特地貌區(qū)，發(fā)育著形態(tài)各異和大小不一的溶洞、落水洞、巖溶漏斗等。水文地質(zhì)條較復(fù)雜。礦區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年均降雨量為1 240.9 mm，年均氣溫15℃，水田主要種植水稻。主要分布紫色土性水稻土，也有一部分紫色土、黃壤、石灰?guī)r土、潮土等零星分布。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻(xiàn)收集材料

采用探地雷達(dá)與高密度電法探測(cè)水田中裂縫可能存在區(qū)域如圖1和圖2所示［7］。

圖1 水田裂縫開始形成位置Fig.1 Position of fissures in the paddy field

圖2 水田裂縫的彌合位置Fig.2 Position of fissures closing in paddy field

2.2.2 實(shí)地調(diào)查考察資料

(1)2011年對(duì)松藻礦區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)12個(gè)村進(jìn)行了野外調(diào)查，從20世紀(jì)70年代采煤開始到現(xiàn)在，在塌陷區(qū)幾乎近上千灌溉水田的溶洞泉水、井和泉相繼出現(xiàn)嚴(yán)重萎縮和干涸。同時(shí)存在大量池塘也因裂縫的原因無(wú)法蓄水，從而導(dǎo)致采空塌陷區(qū)近3 800 hm2(1999—2008年SPOT遙感影像解譯)的水田演變?yōu)楹档?，即由種植水稻變?yōu)榉N植玉米、紅薯或者撂荒。目前研究區(qū)給每公頃水改旱提供4 500元的損失補(bǔ)償，但在與農(nóng)戶交流中，農(nóng)戶認(rèn)為其補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不及以前水田的生產(chǎn)效益。另外，農(nóng)戶以前都吃自己的種植的水稻，現(xiàn)在要去市場(chǎng)購(gòu)買水稻，一方面成本增加，另一方面在水稻的品質(zhì)和飲食習(xí)慣受到影響。農(nóng)戶怨言較多，不利于礦區(qū)社會(huì)的安全與和諧建設(shè)。

(2)重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院松藻礦區(qū)塌陷區(qū)水田野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站提供的數(shù)據(jù)有:2011年(降水量800 mm)漏水水田與未漏水水田的灌溉水量與產(chǎn)量見表1;2011年對(duì)漏水水田(160樣本)與未漏水水田(60樣本)土壤層物理特性見表2。

表1 2011年松藻礦區(qū)塌陷區(qū)水田灌溉量和產(chǎn)量Table 1 Amount of irrigation water and output of paddy field in Songzao mining area in 2011

表2 2011年采煤塌陷區(qū)水田土壤物理特性Table 2 Physical properties of soil in paddy field in coal mining collapse area in 2011

2.2.3 虛擬水計(jì)算

對(duì)于任一種農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬水含量計(jì)算公式如下［10］:

式中:CWR［e，c］為某區(qū)域 e作物 c產(chǎn)品需水量(m3/hm2)，是作物在整個(gè)生長(zhǎng)過程中蒸散量ET的累積;CY［e，c］為作物產(chǎn)量(t/hm2);SWD［e，c］為該區(qū)域e作物產(chǎn)品c虛擬水含量(m3/t)。

依重慶地區(qū)水稻農(nóng)作物和玉米的單位產(chǎn)品虛擬水含量［11］，計(jì)算出研究區(qū)每hm2水稻和玉米的虛擬水總含量(表3)。

表3 農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量Table 3 Contents of virtual water of agricultural productions

2.2.4 生態(tài)經(jīng)濟(jì)法(機(jī)會(huì)成本法)

式中，E為采煤塌陷水田改旱的生態(tài)補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)(元);M為水稻單產(chǎn)量(t/hm2);W為區(qū)域現(xiàn)行水價(jià)價(jià)格(元/m3)。

選一般市場(chǎng)2元/t水價(jià)(采煤塌陷區(qū)水價(jià)要高于一般市場(chǎng)水價(jià))，可以直接計(jì)算出基于虛擬水理論的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。另外，對(duì)水稻和玉米的投資生產(chǎn)成本差價(jià)(生產(chǎn)收益)和礦區(qū)現(xiàn)實(shí)施補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，就是在每hm2水改旱提供4 500元的損失補(bǔ)償基礎(chǔ)上，再實(shí)施生產(chǎn)收益33 750元/hm2和虛擬水14 130元/hm2的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果分析

3.1 水田與水改旱生態(tài)系統(tǒng)土壤水循環(huán)

在采煤塌陷前后，水稻生長(zhǎng)期間的水田生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)主要包括水田土壤表層以上的蓄水量水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、土/石坎側(cè)滲、土壤下滲、降雨/灌溉水量以及農(nóng)作物蒸騰量［12］(如圖3所示)，其水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)組成都是相同的。但各個(gè)環(huán)節(jié)的水循環(huán)過程中，土壤含水系統(tǒng)介質(zhì)和水流系統(tǒng)要素不同程度地發(fā)生了某些變化。

圖3 水田與水改旱生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)對(duì)比Fig.3 Comparison of water cycle between paddy field and dry land transferred from paddy field

首先，在采煤塌陷后水改旱后土壤表層以下，特別是犁底層及其以下出現(xiàn)了不同寬度的裂縫隙(圖1)，但在土壤耕作表層裂縫隙會(huì)有不同程度彌合(圖2)，其原因在耕作層表層土壤黏粒(﹤0.05 mm)比分在90%以上(表1)。通過耕作方式或者根系擠壓作用使黏粒可以充填到一些黏粒級(jí)的裂隙當(dāng)中;在耕作層表層未完全彌合裂縫隙存在，漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分別小 0.25～0.35 g/cm3，而平均孔隙度大 8.6%～11.1%。

其次，一般情況下，水田犁底層較為堅(jiān)硬密實(shí)，土壤具有一定的片狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上起著隔水層的作用，保護(hù)水稻耕作層土壤水庫(kù)。但采煤塌陷后在犁底層和淀積層或其以下層，甚至到基巖也出現(xiàn)不同程度裂縫隙(圖1)，是由于漏水水田的平均土壤重度比未漏水水田分別小0.35～0.6 g/cm3，而平均孔隙度大11.1%～17.9%(表1)。從表2可以看出，水田漏水在犁底層均入滲率變化起伏較大，即8.73×10－4～139.78 ×10－4cm/s之間，這表明裂縫貫穿犁底層以下可能性較大;而未漏水水田入滲率維持在5.3×10－4cm/s，比較平穩(wěn)。犁底層及其以下土層裂縫隙的存在，將直接導(dǎo)致耕作層根系“小水庫(kù)”的土壤重力水流的捷徑式快速滲漏。據(jù)實(shí)地考察，在幾塊大約36 m2水田，灌溉水田土壤表層10 cm蓄水，大約3～7min水就完全滲漏掉。水稻根系就會(huì)很難吸收到土壤水分，這樣造成水稻因“缺水”嚴(yán)重減產(chǎn)，甚至枯死，最終演變退化為旱田。據(jù)實(shí)地考察研究自1999年以來(lái)，已有3 800 hm2水田改旱。

再次，從水田灌溉水的來(lái)源環(huán)節(jié)看，由于采煤塌陷造成不同巖層發(fā)生裂隙，致使原有地下水運(yùn)移通道和儲(chǔ)存介質(zhì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致依靠泉和溶洞水來(lái)水通道破壞，出現(xiàn)泉水、井水和溶洞水逐漸干枯。在調(diào)查中得知，自20世紀(jì)70年代來(lái)，塌陷區(qū)近上千大小泉井和溶洞都干枯了，同時(shí)飲水都面臨困難，蓄水的池塘開裂也無(wú)法蓄水干涸。

最后，從水田漏水種植水稻的灌溉水量看，未漏水的水田灌溉水量要比漏水的水田少灌溉2 397 m3/hm2。由表2分析，如果水田土壤犁底層出現(xiàn)最大的穩(wěn)定入滲系數(shù)139.78×10－4cm/s，那么灌溉水量會(huì)更多。另?yè)?jù)有關(guān)研究［9］表明，在研究區(qū)有70%以上犁底層穩(wěn)定入滲系數(shù)在100×10－4cm/s以上，對(duì)采煤塌陷區(qū)水田灌溉就要有相當(dāng)大水量的來(lái)源，否則只有改旱。

總之，采煤塌陷區(qū)水改旱不僅僅表現(xiàn)在產(chǎn)量和秸稈干重分別減少85.5 kg/hm2和220.5 kg/hm2上，而且還體現(xiàn)在不同層次的土壤物理性質(zhì)、水循環(huán)要素的變化上，所以采煤塌陷后把一個(gè)健康水田生態(tài)系統(tǒng)退化到一個(gè)旱地生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 水改旱生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，因采煤塌陷水改旱補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)確定幾乎都是采用水田與旱田產(chǎn)量之間的差異確定的。這種補(bǔ)償方式不能完全體現(xiàn)出水田含水系統(tǒng)和水流系統(tǒng)受損退化。這種退化最主要由于水田土壤隔水層功能的損毀不能蓄水?，F(xiàn)將這部分水要素和水稻生產(chǎn)效益結(jié)合起來(lái)考慮，引入虛擬水理論，從農(nóng)作物的生產(chǎn)角度定義虛擬水的量就是農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)用水量。而水資源管理的目的都是為了解決水資源短缺問題，實(shí)現(xiàn)“自然資源的恢復(fù)重建”，即自然資源的提取率低于自然資源的可持續(xù)性狀態(tài)［13］。

表3可以看出生產(chǎn)每公斤水稻比玉米虛擬含水量多0.24 m3，每hm2總多出471 t水量，相當(dāng)于一畝地蓄高691 mm水量;每hm2水稻收益比玉米多33 750元，幾乎是玉米的3.6倍收益。這與現(xiàn)行水改旱補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)4 500元/hm2而言，僅僅是水稻與玉米生產(chǎn)效益差的1/7。對(duì)此礦區(qū)農(nóng)戶怨言較多，非常顯而易見。由表4得每hm2水稻比玉米的虛擬水價(jià)值多20 610元，是生產(chǎn)效益差的3/5，現(xiàn)行補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的4.5倍(表4)。這3種補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)相差較大，對(duì)于補(bǔ)償主體而言，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)越少越好，對(duì)于補(bǔ)償客體而言，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)越多越好。而虛擬水生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)不僅能夠體現(xiàn)水田生態(tài)環(huán)境受損價(jià)值，而且能夠協(xié)調(diào)平衡補(bǔ)償主客體之間的利益。

4 結(jié)論與討論

采煤塌陷區(qū)水改旱是水田生態(tài)系統(tǒng)退化主要的表現(xiàn)形式，具體表現(xiàn)在水田土壤犁底層蓄水損壞及其水流以捷徑式快速下滲流失，造成水田犁底層“保水”功能基本喪失，迫使漏水水田改為旱地生產(chǎn)模式。

運(yùn)用“虛擬水”概念來(lái)確定采煤塌陷區(qū)水改旱生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)(虛擬水)的方法，是對(duì)礦區(qū)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)確定的一種有意義的探索，這對(duì)于區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償政策制定有重要的現(xiàn)實(shí)參考價(jià)值。

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