基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的赤水河流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算

田義超 白曉永 黃遠(yuǎn)林 張 強(qiáng) 陶 進(jìn) 張亞麗

(1.北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 欽州 535000； 2.北部灣大學(xué)海洋地理信息資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 欽州 535000；3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

生態(tài)補(bǔ)償作為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題[1]，對(duì)其額度的確定首先需要估算該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有水源涵養(yǎng)、食物生產(chǎn)、空氣調(diào)節(jié)、固碳釋氧以及生物多樣性保護(hù)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的定量化評(píng)估是人類從自然生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要表現(xiàn)形式，是進(jìn)行生態(tài)環(huán)境管理決策的先決條件[4]，同時(shí)也是生態(tài)補(bǔ)償產(chǎn)生的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理地確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量計(jì)算方法可為區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定提供科學(xué)依據(jù)[2]，同時(shí)為探索該生態(tài)補(bǔ)償模式和運(yùn)行機(jī)制提供科技支撐。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估最早由COSTANZA等[5]提出，國(guó)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值的概念首先由歐陽(yáng)志云等[6]提出，謝高地等[4]以及李文華[7]對(duì)其理論、方法和體系進(jìn)行了全面系統(tǒng)的闡述，并將其應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估當(dāng)中，以此確定了單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量。目前，已有學(xué)者基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)核算了不同區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償額度[8-9]。該類基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)補(bǔ)償額度的測(cè)算多采用統(tǒng)一的價(jià)值量估算系數(shù)，未對(duì)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，難以反映區(qū)域、行政單元內(nèi)部與外部的生態(tài)價(jià)值和生態(tài)補(bǔ)償?shù)牟町?，無(wú)法為政府決策提供有效的數(shù)據(jù)支持。此外，生態(tài)補(bǔ)償多集中于區(qū)域或行政區(qū)域上的研究，測(cè)算的標(biāo)準(zhǔn)往往依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量進(jìn)行測(cè)算，估算的結(jié)果在區(qū)域或者行政區(qū)域尺度上是一個(gè)數(shù)值，無(wú)法反映區(qū)域或行政區(qū)域內(nèi)的空間異質(zhì)性差異。

赤水河地跨云南、貴州和四川3省，是長(zhǎng)江上游唯一一條干流沒(méi)有修建水壩以及水庫(kù)的一級(jí)支流，是重要的生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)域。該地區(qū)既是長(zhǎng)江上游和三峽庫(kù)區(qū)的重要生態(tài)屏障，也是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，對(duì)長(zhǎng)江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。但是近年來(lái)隨著赤水河流域產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，土地石漠化面積擴(kuò)大，生態(tài)服務(wù)功能嚴(yán)重退化。為從根本上改善生態(tài)急劇惡化的狀況，該地區(qū)實(shí)施了一批退耕還林、石漠化綜合治理等基礎(chǔ)設(shè)施重大生態(tài)工程項(xiàng)目，在生態(tài)治理工程項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，對(duì)該地區(qū)給予了相應(yīng)的生態(tài)補(bǔ)償，以保障當(dāng)?shù)貐^(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。但是，在流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)睦碚搶?shí)踐方面仍然存在著諸多問(wèn)題，生態(tài)補(bǔ)償在該區(qū)域往往存在“一刀切”的問(wèn)題。加之流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的種類繁多，部分功能很難進(jìn)行量化，強(qiáng)制進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值化反而不切實(shí)際，同時(shí)也不符合客觀規(guī)律。本文考慮赤水河流域既是水源涵養(yǎng)地區(qū)、同時(shí)也是水土流失以及土地石漠化地區(qū)的特點(diǎn)，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)體系上有針對(duì)性地選擇生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧、水土保持以及水源涵養(yǎng)3項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型對(duì)流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化，并利用不同的價(jià)值替代方法將這種服務(wù)進(jìn)行貨幣化表達(dá)，建立赤水河流域的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值，以期為赤水河流域的生態(tài)安全以及生態(tài)建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

赤水河流域處于云貴高原向四川盆地傾斜過(guò)渡的斜坡面之上，屬于高原、山地，地勢(shì)西南高東北低，流域內(nèi)海拔為248～2 237 m，河谷狹窄，部分地區(qū)巖溶發(fā)育程度較高。西南端與金沙江的橫江水系分水，上段南側(cè)與烏江六沖河水系分界；下段和流域中部屬于四川盆地邊緣山區(qū)，河谷較寬，兩岸間有臺(tái)地，因水赤紅故名赤水河，為長(zhǎng)江流域重要一級(jí)支流(圖1)。赤水河流域出露地層有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第四系等。流域氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬干寒、夏熱濕，最高氣溫39℃，最低-5℃，平均氣溫12.18～18.12℃。赤水河流域氣候地域差異較大，中、下游夏季炎熱、冬季溫和。上游三岔以上地區(qū)為暖溫帶高原氣候，此區(qū)域氣溫稍低；中下游是四川盆地丘陵地帶，該地帶具有盆地亞熱帶濕潤(rùn)氣候的特點(diǎn)，流域河谷內(nèi)氣溫較高。流域常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，夏季為東南風(fēng)，冬季為北風(fēng)。極端風(fēng)速可達(dá)27 m/s，風(fēng)力10級(jí)。平均風(fēng)速1.6 m/s。8級(jí)以上的大風(fēng)常發(fā)生在3—9月，7、8月最多。年均相對(duì)濕度82%，無(wú)霜期340～350 d，并隨海拔上升而遞減，800 m以下地區(qū)無(wú)霜期。研究區(qū)的主要土壤類型有黃壤和石灰(巖)土，面積分別為6 116.44、3 882.84 km2，棕壤分布的面積最小，僅為0.08 km2。另外，流域內(nèi)有大量的礦產(chǎn)資源，主要以煤礦、硫鐵礦居多，其次為磷礦巖、鐵礦等。

圖1 赤水河流域在長(zhǎng)江流域中的地理位置Fig.1 Location of Chishui River Basin in Yangtze River Basin

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、植被NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：赤水河流域遙感數(shù)據(jù)。來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，http:∥glovis.usgs.gov/)官方網(wǎng)站，本研究獲取了流域2000、2010、2015年共3期遙感影像，其中2000年的遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat TM傳感器數(shù)據(jù)，2010年的遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat ETM傳感器數(shù)據(jù)，而2015年的遙感數(shù)據(jù)則來(lái)源于最新的傳感器Landsat8 OLI傳感器數(shù)據(jù)。每一期的遙感影像主要包括四景，涉及的行列號(hào)分別為P128 R41、P128 R40、P127 R41和P127 R40，在遙感數(shù)據(jù)的選取時(shí)規(guī)定每期影像的云量小于10%。采用ENVI5.1軟件對(duì)研究區(qū)的土地利用和覆被狀況進(jìn)行分類。數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于http:∥strm.csi.cgiar.org網(wǎng)站，該數(shù)據(jù)主要用于土壤保持價(jià)值量中L和S因子的計(jì)算，空間分辨率為30 m。流域不同氣象站點(diǎn)的日降水、氣溫、風(fēng)速、氣壓以及蒸散發(fā)量等數(shù)據(jù)，主要用于土壤保持價(jià)值量估算中降雨侵蝕力、固碳釋氧價(jià)值量估算中的NPP蒸散量等參數(shù)的估算。植被NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA網(wǎng)站的2000—2015年的MODIS13Q1產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。流域土壤類型數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD)，主要包括土壤質(zhì)地、土壤參考深度、土壤有效水含量、土壤相位、土壤含水率特征、碎石體積百分比、沙含量、淤泥含量、粘土含量、土壤容重、有機(jī)碳含量、酸堿度以及電導(dǎo)率等。流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http:∥www.resdc.cn)。該數(shù)據(jù)是在全國(guó)各縣GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合縣域GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、土地利用、夜間燈光指數(shù)以及居民點(diǎn)之間的相互關(guān)系進(jìn)行建模，通過(guò)空間插值生成1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)[10]。

3 研究方法

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估方法中，其中以COSTANZA等[5]、DE GROOT等[11]以及MA(Millennium Ecosystem Assessment)[12]的研究成果最具有代表性。其將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給功能、調(diào)節(jié)功能、文化功能以及支付功能，其中供給功能和文化功能可以通過(guò)市場(chǎng)價(jià)值和收入進(jìn)行估算，而調(diào)節(jié)功能和支付功能商品化無(wú)法直接估算[13]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的直接使用價(jià)值已經(jīng)在市場(chǎng)機(jī)制中轉(zhuǎn)換為貨幣，已經(jīng)為當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)，在生態(tài)補(bǔ)償?shù)挠?jì)算標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)不予考慮[14]。因此，本研究在進(jìn)行赤水河流域生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算時(shí)考慮了無(wú)法直接商品化的調(diào)節(jié)功能和支付功能，涉及的評(píng)估指標(biāo)主要包括大氣調(diào)節(jié)功能中的固定CO2和釋放O2價(jià)值，支付功能中的土壤保持價(jià)值功能以及水源涵養(yǎng)功能。其中調(diào)節(jié)功能中的固定CO2和釋放O2價(jià)值可以通過(guò)造林成本來(lái)估算，計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)是凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)[15]；土壤保持價(jià)值可以通過(guò)減少土地廢棄物價(jià)值、保持土壤肥力價(jià)值以及減少泥沙淤積3方面的價(jià)值量體現(xiàn)，分別通過(guò)機(jī)會(huì)成本、影子價(jià)格方法和影子工程方法直接估算，而這3者之間的價(jià)值必須通過(guò)通用水土流失方程中所計(jì)算的水土保持價(jià)值量進(jìn)行度量[16]；生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的價(jià)值首先通過(guò)InVEST模型估算生態(tài)系統(tǒng)中的水源涵養(yǎng)物質(zhì)量，隨后再通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)中蓄積水量換算成水庫(kù)建設(shè)的成本得以核算[17]。

3.1 固碳釋氧價(jià)值量

在陸表植被生態(tài)系統(tǒng)中，植物通過(guò)吸收空氣中的CO2，然后利用光合作用產(chǎn)生碳水化合物并釋放出氧氣[15]，光合作用反應(yīng)式為

CO2+H2O→CH2O+O2

(1)

固碳釋氧模型是以陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)為基礎(chǔ)，根據(jù)上述光合作用反應(yīng)，植物每生產(chǎn)1.00 kg的葡萄糖干物質(zhì)就可以固定1.63 kg的CO2，同時(shí)在此過(guò)程中可以釋放出1.2 kg的O2，據(jù)此可以測(cè)評(píng)出陸地植被生態(tài)系統(tǒng)固定的CO2物質(zhì)量與釋放的O2物質(zhì)量[15]。因此陸地生態(tài)系統(tǒng)在大氣調(diào)節(jié)方面的價(jià)值量EV1可以通過(guò)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的價(jià)值量EV11和生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的價(jià)值量EV12之和進(jìn)行估算，表達(dá)式為

EV1=EV11+EV12

(2)

陸地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2和釋放O2的價(jià)值量可以通過(guò)將吸收CO2和排放O2的物質(zhì)量折算成造林成本、碳稅率以及工業(yè)制氧的成本進(jìn)行核算。其中固定CO2的價(jià)值量計(jì)算式為

EV11=∑1.63ANPP(12/44)Vfc

(3)

式中A——不同生態(tài)系統(tǒng)類型的面積，km2

NPP——不同生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力，其值由CASA光能利用模型計(jì)算得出[18]，t/(km2·a)

Vfc——碳折算的造林成本，取260.9元/t

釋放氧氣的價(jià)值量計(jì)算式為

EV12=∑1.19ANPPVfo

(4)

式中Vfo——氧氣折算的造林成本，為352.93元/t

3.2 土壤保持價(jià)值量

陸地植被生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)減少區(qū)域土壤侵蝕以保持土壤養(yǎng)分，可以減少區(qū)域尺度上土地廢棄的產(chǎn)生，同時(shí)在區(qū)域或流域的尺度上也可以減少氮、磷以及鉀等土壤有機(jī)物肥力的流失和區(qū)域泥沙的淤積。因此本研究在赤水河流域中對(duì)土壤保持服務(wù)方面的價(jià)值量EV2可以通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)U棄土地的價(jià)值量EV21、生態(tài)系統(tǒng)保持肥力的價(jià)值量(N、P以及K)EV22和生態(tài)系統(tǒng)減少泥沙淤積的價(jià)值量EV23構(gòu)成，而這3部分則是通過(guò)生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的機(jī)會(huì)成本方法、影子工程方法以及影子價(jià)格方法進(jìn)行定量表達(dá)[16]。而生態(tài)系統(tǒng)減少土地廢棄的價(jià)值量、土壤保持肥力的價(jià)值量以及減少淤泥的價(jià)值量與土壤保持價(jià)值量密切相關(guān)，因此在計(jì)算土壤保持價(jià)值量之前首先必須計(jì)算區(qū)域的土壤保持量Ac，該值的計(jì)算可參照文獻(xiàn)[19]。赤水河流域水土保持價(jià)值量的估算模型為

EV2=EV21+EV22+EV23

(5)

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)減少土地廢棄價(jià)值量估算

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量以及區(qū)域的表層土壤厚度推算因土壤侵蝕所造成的廢棄土地的面積，在此基礎(chǔ)上采用土地經(jīng)濟(jì)學(xué)中的機(jī)會(huì)成本法估算不同生態(tài)系統(tǒng)因土地廢棄所產(chǎn)生的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具體計(jì)算方法為

EV21=∑AcVa/(1 0000hρ)

(6)

式中Ac——不同生態(tài)系統(tǒng)年均土壤保持量，t/(hm2·a)

Va——不同生態(tài)系統(tǒng)的年均收益，元/hm2

h——區(qū)域土壤厚度，m

ρ——區(qū)域土壤容重，t/m3

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)保持土壤肥力的價(jià)值量估算

生態(tài)系統(tǒng)在減少土壤侵蝕量的同時(shí)也減少了土壤中有機(jī)物質(zhì)如氮、磷和鉀的流失，因此本文將氮、有效磷和速效鉀按照一定的換算系數(shù)轉(zhuǎn)換為市場(chǎng)上氮肥、磷肥以及鉀肥的量，在此基礎(chǔ)上通過(guò)市場(chǎng)上3種肥料的單位價(jià)格，以此估計(jì)不同生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持肥力方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即區(qū)域的土壤保持價(jià)值量，具體計(jì)算方法如下

EV22=∑Acxiavi/10 000

(7)

式中xia——不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤中氮、有效磷以及速效鉀的含量，換算系數(shù)為總氮46.3%、總磷44%、氮肥50%

vi——市場(chǎng)中化肥的平均價(jià)格，參照2015年市場(chǎng)價(jià)格尿素為2 000元/t、磷肥為570元/t以及鉀肥為4 730元/t

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)減少淤泥的價(jià)值量估算

按照主要大江大河泥沙的運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)規(guī)律，因土壤侵蝕而流失的泥沙中24%淤積到河流以及水庫(kù)中，這些泥沙直接造成了江河以及水庫(kù)蓄水量的下降，同時(shí)也在一定程度上加速了區(qū)域的干旱以及區(qū)域尺度上的洪澇災(zāi)害發(fā)生概率，因此根據(jù)具體水庫(kù)工程費(fèi)用可計(jì)算因土壤侵蝕所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，具體計(jì)算方法為

EV23=0.24∑AcT/ρ

(8)

式中T——水庫(kù)工程建設(shè)的費(fèi)用，取6.11元/m3

3.3 水源涵養(yǎng)價(jià)值量

赤水河流域水源涵養(yǎng)價(jià)值量[17]的估算主要采用影子工程法，即利用修建相應(yīng)庫(kù)容的水庫(kù)成本來(lái)測(cè)評(píng)水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，測(cè)算公式為

EV3=aVw

(9)

(10)

式中EV3——水源涵養(yǎng)的價(jià)值量，元/hm2

a——單位面積的水庫(kù)造價(jià)，該值參考DB 11/T 1099—2014中國(guó)《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》，本研究單位庫(kù)容造價(jià)成本為6.110 7元/m3

Vw——區(qū)域的水源涵養(yǎng)總量，m3，該值可通過(guò)InVEST (Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)水源涵養(yǎng)模塊估算[20]

Yjx——第i種土地利用類型中柵格單元格x的區(qū)域產(chǎn)水量，m3

3.4 流域生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算方法

圖2 赤水河流域2000、2010、2015年固碳釋氧價(jià)值量空間分布Fig.2 Spatial distribution maps of CSOP value in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

一般來(lái)說(shuō)，區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償需求與區(qū)域單位面積的社會(huì)生產(chǎn)總值(GDP)呈反比，與相同時(shí)期單位面積的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量呈正比。即一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)越落后，該地區(qū)的單位面積的GDP總量越小，該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)則主要依靠自然資源的開采和利用。而單位面積生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值量越大，通?？梢员碚鳛樵搮^(qū)域的生態(tài)環(huán)境越好，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展的機(jī)會(huì)成本也就越多。因此本研究中的生態(tài)補(bǔ)償系數(shù)被定義為區(qū)域單位面積GDP與單位面積生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量的比值，這種比值使用歸一化指標(biāo)進(jìn)行量化。區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值總量的核算方法[21]為

EC=EVkα

(11)

其中

EV=EV1+EV2+EV3

(12)

(13)

式中EC——區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值總量

EV——研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量

k——生態(tài)價(jià)值折算系數(shù)，取15%

α——區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償需求系數(shù)

G——區(qū)域單位面積GDP總量

α可以反映區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償?shù)钠惹谐潭群蛯?duì)外經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響程度，其值越小說(shuō)明區(qū)域支付生態(tài)補(bǔ)償后對(duì)其經(jīng)濟(jì)狀況的影響越小，應(yīng)首先支付生態(tài)補(bǔ)償資金；采用反正切函數(shù)進(jìn)行生態(tài)服務(wù)價(jià)值與GDP價(jià)值比值運(yùn)算是為了避免生態(tài)補(bǔ)償?shù)馁Y金集中于個(gè)別縣域。

4 結(jié)果分析

4.1 流域生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價(jià)值量估算

由圖2可知，2000—2015年赤水河流域單位面積固碳釋氧價(jià)值量呈現(xiàn)出倒“V”形結(jié)構(gòu)，即呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)。流域固碳釋氧價(jià)值由2000年的4 279.33 元/(hm2·a)上升到2010年的4 520.16元/(hm2·a)，2010年以后流域單位面積固碳釋氧價(jià)值量的平均值則呈現(xiàn)出微弱下降趨勢(shì)，其值由2010年的4 520.16 元/(hm2·a)下降到2015年的4 409.69元/(hm2·a)。就流域固碳釋氧價(jià)值總量來(lái)說(shuō)，2000—2015年流域固碳釋氧價(jià)值量整體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，增加了21.15億元，增加的速率為1.32億元/年。其中2000年、2010年和2015年的價(jià)值總量分別為70.51、74.48、73.66億元，與2000年相比，2010、2015年固碳釋氧價(jià)值總量分別增加了5.63%和4.46%。不同巖性背景不同年份固碳釋氧價(jià)值量的變化如圖3所示。由圖3可知，2000—2015年，流域上游的非喀斯特地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧的單位面積價(jià)值量高于喀斯特地區(qū)，從時(shí)間序列趨勢(shì)看，不同年份不同地質(zhì)背景上植被生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧的價(jià)值量與研究區(qū)域的價(jià)值量變化保持一致，分別經(jīng)歷了上升(2000—2010年)和下降(2010—2015年)兩個(gè)階段。其中喀斯特地區(qū)固碳釋氧價(jià)值總量由2000年的40.16億元上升到2010年的42.84億元，之后下降到2015年的41.90億元；而非喀斯特地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價(jià)值量由2000年的30.36億元上升到2010年的31.65億元，之后下降到2015年的30.76億元。2000—2015年喀斯特地區(qū)固碳釋氧價(jià)值總量和非喀斯特地區(qū)固碳釋氧價(jià)值總量分別上升了1.74億元和0.40億元，前者價(jià)值量增加的速度是后者的4.35倍。

圖3 不同巖性背景赤水河流域2000、2010、2015年固碳釋氧價(jià)值量Fig.3 CSOP value in different lithologic backgrounds in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

圖4 赤水河流域2000、2010、2015年土壤保持價(jià)值量空間分布Fig.4 Spatial distribution maps of soil conservation value in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

4.2 流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價(jià)值量估算

由圖4可知，2000—2015年流域單位面積土壤保持價(jià)值量與固碳釋氧價(jià)值量的變化趨勢(shì)保持一致，即呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢(shì)。流域土壤保持價(jià)值量由2000年的95.11元/(hm2·a)上升到2010年的144.45元/(hm2·a)，2010年以后流域單位面積土壤保持價(jià)值量的平均值則急劇下降趨勢(shì)，其值由2010年的144.45元/(hm2·a)下降到2015年的89.03元/(hm2·a)。就流域土壤保持價(jià)值總量來(lái)說(shuō)，2000—2015年流域土壤保持價(jià)值量整體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，下降了0.10億元，減少的速率為62.61萬(wàn)元/a。其中2000、2010、2015年的價(jià)值總量分別為1.57、2.38、1.47億元，與2000年相比，2010和2015年土壤保持價(jià)值總量分別增加和減少了51.87%和6.39%?？臻g分布上，不同年份土壤保持價(jià)值總量的空間波動(dòng)性較大，尤其是在2000年，價(jià)值總量的高值區(qū)域主要集中在赤水河流域的東部，而2010年的土壤保持價(jià)值總量最大，這與該時(shí)期的降雨量格局有著直接的關(guān)系，由土壤保持模型的降雨侵蝕力因子可知，2010年該流域30 mm降水量所計(jì)算的降雨侵蝕力為141.23 MJ·mm/(hm2·h·a)，而2000年和2015年的降雨侵蝕力則分別為228.64 MJ·mm/(hm2·h·a)和168.19 MJ·mm/(hm2·h·a)，由此可知降雨侵蝕力越小，則土壤侵蝕量越小，由此導(dǎo)致的土壤保持量越大，所以該年份土壤保持價(jià)值量越大。

由圖5可知，2000—2015年，非喀斯特地區(qū)土壤的單位面積保持價(jià)值量高于喀斯特地區(qū)，從時(shí)間序列趨勢(shì)上來(lái)看，不同年份不同地質(zhì)背景上土壤保持價(jià)值量與研究區(qū)域的價(jià)值量變化保持一致。其中喀斯特地區(qū)單位面積土壤保持價(jià)值量由2000年的93.55元/(hm2·a)升至2010年的140.55元/(hm2·a)，之后下降到2015年的87.43元/(hm2·a)；而非喀斯特地區(qū)單位面積土壤保持價(jià)值量由2000年的97.34元/(hm2·a)升至2010年的150.03元/(hm2·a)，之后下降到2015年的91.32元/(hm2·a)。2000—2015年喀斯特地區(qū)土壤保持價(jià)值總量和非喀斯特地區(qū)土壤保持價(jià)值總量分別下降了0.51億元和0.40億元，前者價(jià)值量下降的速度是后者的1.28倍。

圖5 赤水河流域2000年、2010年及2015年不同巖性背景土壤保持價(jià)值量Fig.5 Soil conservation value in different lithologic backgrounds in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

4.3 流域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)價(jià)值量估算

采用影子工程法將生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的物質(zhì)量轉(zhuǎn)換為水源涵養(yǎng)的價(jià)值量，從圖6可以看出，2000—2015年赤水河流域單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值量的平均值與土壤保持價(jià)值量和固碳釋氧一致。流域單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值由2000年的23 938.13元/(hm2·a)升至2010年的35 232.99元/(hm2·a)，2010年以后流域單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值量的平均值則急劇下降，由2010年的35 232.99元/(hm2·a)下降到2015年的20 167.41元/(hm2·a)。就流域水源涵養(yǎng)價(jià)值總量來(lái)說(shuō)，2000—2015年流域水源涵養(yǎng)價(jià)值量整體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，下降了0.10億元，減少的速率為3.90億元/a。其中2000、2010、2015年的價(jià)值總量分別為394.42、579.99、331.99億元，與2000年相比，2010、2015年水源涵養(yǎng)價(jià)值總量分別增加了47.05%和15.83%。在空間上，不同年份水源涵養(yǎng)價(jià)值總量的空間波動(dòng)性較大，2000年水源涵養(yǎng)價(jià)值總量的最大值出現(xiàn)在赤水河流域東部地區(qū)的桐梓河流域上游地區(qū)，2010年價(jià)值總量的高值區(qū)域主要集中在赤水河流域的東部習(xí)水縣與桐梓縣的交錯(cuò)地區(qū)，而到了2015年水源涵養(yǎng)總量則集中在赤水河流域的下游地區(qū)。由于流域水源涵養(yǎng)量的估算模型中一個(gè)重要的因子是降水量，因此不同年份降水量的空間格局導(dǎo)致了水源涵養(yǎng)量?jī)r(jià)值在空間上的分異過(guò)程。

圖6 赤水河流域2000、2010、2015年水源涵養(yǎng)價(jià)值量空間分布Fig.6 Spatial distribution maps of water conservation value in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

圖7 赤水河流域2000年、2010年及2015年不同巖性背景水源涵養(yǎng)價(jià)值量Fig.7 Water conservation value in different lithologic backgrounds in Chishui River Basin in 2000, 2010 and 2015

不同巖性不同年份水源涵養(yǎng)價(jià)值量的變化如圖7所示。由圖7可知，2000、2015年的非喀斯特地區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)量高于喀斯特地區(qū)，而2010年喀斯特地區(qū)的水源涵養(yǎng)量則低于非喀斯特地區(qū)，這種水源涵養(yǎng)量的空間差異與降水量的空間格局及其分異有關(guān)。從時(shí)間序列趨勢(shì)上來(lái)看，不同年份不同地質(zhì)背景水源涵養(yǎng)價(jià)值量與研究區(qū)域的價(jià)值量變化保持一致。其中喀斯特地區(qū)單位面積土壤保持價(jià)值量由2000年的22 850.70元/(hm2·a)上升到2010年的35 479.70元/(hm2·a)，之后下降到2015年的17 685.80元/(hm2·a)；而非喀斯特地區(qū)由2000年的25 494.80元/(hm2·a)升至2010年的34 881.30元/(hm2·a)，之后下降到2015年的23 715.80元/(hm2·a)。2000—2015年喀斯特地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值總量和非喀斯特地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值總量分別下降了17 793.90億元和11 165.50億元，前者價(jià)值量下降的速度是后者的1.59倍。

4.4 流域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值量估算

由圖8可知，2000年到2010年赤水河流域單位面積生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值量的平均值呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，由2000年的4 278.44元/(hm2·a)增加到2010年的5 934.55元/(hm2·a)；2010年以后流域單位面積生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值量的平均值則呈現(xiàn)出微弱下降趨勢(shì)，由2010年的5 934.55元/(hm2·a)降至2015年的3 686.76元/(hm2·a)，折合成生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值總量則是由2010年的97.66億元減少到2015年的60.67億元。總體上來(lái)說(shuō)與2000年相比，流域生態(tài)補(bǔ)償總量分別增加和減少了38.72%和13.82%。從空間上來(lái)看，2000年流域生態(tài)補(bǔ)償?shù)母咧祬^(qū)域集中在下游，而流域西南部的上游區(qū)域則處于補(bǔ)償?shù)牡椭祬^(qū)域；2010年流域補(bǔ)償?shù)母咧祬^(qū)域位于流域中游桐梓河流域，而低值區(qū)域則位于上游和下游地區(qū)；而隨著時(shí)間的推移，到2015年之后流域的生態(tài)補(bǔ)償高值區(qū)域又集中到了流域的下游，而低值區(qū)域則集中在赤水河流域中游地區(qū)的桐梓河流域?？傊?，流域生態(tài)補(bǔ)償根據(jù)不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以及區(qū)域的GDP空間分布的不同而呈現(xiàn)出不同的區(qū)域分異規(guī)律，這與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中各個(gè)參量的計(jì)算有直接的關(guān)系。

4.5 流域生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)順序

在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)計(jì)算時(shí)，首先計(jì)算不同年份生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值平均值(圖9a)，其次計(jì)算不同年份GDP平均值(圖9b)，最后基于式(13)的α值可求出區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償需求系數(shù)，該系數(shù)即為不同地區(qū)的生態(tài)補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)別(圖9c)。由圖9可知，赤水河流域平均生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值為4 626.29元/(hm2·a)，折合成生態(tài)補(bǔ)償?shù)目們r(jià)值量為76.23億元。從空間上來(lái)看，流域的下游地區(qū)補(bǔ)償?shù)膬r(jià)值量最大，而上游地區(qū)補(bǔ)償價(jià)值量較小，其中古藺縣最高的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值總量超過(guò)18.77億元，而合江縣的生態(tài)補(bǔ)償較少，補(bǔ)償總價(jià)值不超過(guò)1.5億元。原因主要一方面是由于古藺縣的面積在赤水河流域相對(duì)比較大，且處于流域的下游地區(qū)，該地區(qū)是典型的非喀斯特地區(qū)，植被生長(zhǎng)茂盛，縣域尺度上產(chǎn)生的NPP較大，且處于原始森林之中，因此導(dǎo)致補(bǔ)償量較大。由不同縣域生態(tài)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)先級(jí)可以看出，流域上游的喀斯特地區(qū)以及下游的原始森林地區(qū)生態(tài)補(bǔ)償多處于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中游地區(qū)多處于生態(tài)補(bǔ)償?shù)蘑蠹?jí)和級(jí)Ⅳ級(jí)。流域上游的遵義市、大方縣以及流域下游的敘永縣和赤水市處于補(bǔ)償?shù)膬?yōu)先級(jí)最高，說(shuō)明該縣市為整個(gè)流域提供了良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，但是該區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，屬于典型的生態(tài)輸出地區(qū)，應(yīng)該首先得到生態(tài)補(bǔ)償；流域上游的畢節(jié)市和鎮(zhèn)雄縣以及下游的合江縣處于生態(tài)補(bǔ)償?shù)蘑蚣?jí)地區(qū)，上游的畢節(jié)縣以及鎮(zhèn)雄縣由于處于典型的喀斯特地區(qū)，喀斯特地貌發(fā)育，生態(tài)環(huán)境脆弱，加之該地區(qū)石漠化嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低下，因此屬于Ⅱ級(jí)優(yōu)先補(bǔ)償區(qū)；古藺縣和金沙縣屬于生態(tài)補(bǔ)償?shù)蘑蠹?jí)地區(qū)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)活躍，并不迫切需要生態(tài)補(bǔ)償；而仁懷縣、桐梓縣、威信縣以及習(xí)水縣處于生態(tài)補(bǔ)償?shù)蘑艏?jí)區(qū)，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，尤其是仁懷縣和習(xí)水縣以茅臺(tái)酒、習(xí)酒文明世界，局部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平可達(dá)到3.7萬(wàn)元，應(yīng)率先進(jìn)行生態(tài)支付，屬于典型的生態(tài)消費(fèi)區(qū)。

5 討論

5.1 國(guó)內(nèi)同類生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算方法研究對(duì)比

生態(tài)補(bǔ)償是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，周迪[22]通過(guò)機(jī)會(huì)成本法計(jì)算了貴州省三都縣的生態(tài)補(bǔ)償，其研究結(jié)果認(rèn)為區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償有賴于建立生態(tài)功能區(qū)的指標(biāo)體系以及選擇合理有效的樣本數(shù)據(jù)，但是該研究選取的指標(biāo)體系是社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，未考慮到縣域的自然屬性數(shù)據(jù)。金淑婷等[23]通過(guò)深入剖析生態(tài)補(bǔ)償與社會(huì)區(qū)位條件以及自然區(qū)位條件的關(guān)系,從公平的角度出發(fā),分析了石羊河各流域區(qū)位條件對(duì)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)制定的影響,在此基礎(chǔ)上,利用2009年石羊河流域各地區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量模型,計(jì)算各流域不同植被類型補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，但是應(yīng)該注意到該研究在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償核算時(shí)未將土壤保持、水源涵養(yǎng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)考慮進(jìn)去。劉春臘等[24]、賴敏等[13]以及胡淑恒[25]分別基于生態(tài)價(jià)值當(dāng)量以及生態(tài)足跡法對(duì)中國(guó)省域、大別山區(qū)以及三江源地區(qū)的生態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行了核算，但是該類研究只是借助于已有的中國(guó)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算，但是其價(jià)值當(dāng)量系數(shù)在每個(gè)地區(qū)各不相同，計(jì)算生態(tài)補(bǔ)償時(shí)應(yīng)該對(duì)其價(jià)值系數(shù)在不同的地區(qū)進(jìn)行修正；劉霄[26]通過(guò)水污染補(bǔ)償機(jī)制對(duì)赤水河流域的生態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行了探討，認(rèn)為生態(tài)補(bǔ)償時(shí)主要考慮流域中污染物的數(shù)量以及水質(zhì)狀況。此外，以上關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)难芯烤抻谛姓^(qū)的基礎(chǔ)資料，過(guò)度依賴行政單元，無(wú)法體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)補(bǔ)償?shù)漠愘|(zhì)性特征，致使出現(xiàn)區(qū)域間補(bǔ)償過(guò)高或不足現(xiàn)象。本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值法，以區(qū)域的水源涵養(yǎng)、土壤保持以及固碳釋氧價(jià)值量為基礎(chǔ)，將區(qū)域單位面積的GDP擴(kuò)展到柵格像元尺度上，同時(shí)考慮了GDP自然要素的地理分異規(guī)律，避免了以往研究針對(duì)行政區(qū)單元的“一刀切”補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，使得估算的流域生態(tài)補(bǔ)償額度更符合客觀規(guī)律。此外，通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值建立的流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，在不同的地區(qū)針對(duì)特定的自然區(qū)域環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)牧Χ榷加兴町?，因此可以很好地彌補(bǔ)行政單元內(nèi)部和外部生態(tài)價(jià)值和生態(tài)補(bǔ)償?shù)牟町悾筛玫貫檎峁Q策和技術(shù)支撐。

5.2 生態(tài)補(bǔ)償計(jì)量模型不確定性及未來(lái)研究方向

本研究在對(duì)赤水河流域生態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行核算時(shí)考慮了生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持、水源涵養(yǎng)以及固碳釋氧等服務(wù)量的計(jì)算，但是該類模型計(jì)算結(jié)果及其精度直接由其模型的參數(shù)所決定。由于每個(gè)模型的參數(shù)眾多，并且參數(shù)的空間分辨率在進(jìn)行計(jì)算時(shí)有可能不一樣，本研究最終將其數(shù)據(jù)全部統(tǒng)一到90 m的空間尺度上，因此，其計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的總量會(huì)存在不確定性，這種不確定性的缺陷主要是由于數(shù)據(jù)的可用性、計(jì)算方法的合理性以及模型的實(shí)用性等方面導(dǎo)致的[27]。此外，本研究在計(jì)算生態(tài)補(bǔ)償時(shí)使用的GDP空間數(shù)據(jù)是由1 km格網(wǎng)的GDP數(shù)據(jù)重采樣得來(lái)，經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)從大尺度到小尺度進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會(huì)對(duì)生態(tài)補(bǔ)償研究結(jié)果產(chǎn)生影響，這也是模型不確定性的另外一方面，還需深入探討。最后，土壤保持價(jià)值量的估算精度由土壤侵蝕量中的因子決定，本研究在對(duì)赤水河流域土壤侵蝕量進(jìn)行估算時(shí)，采用了周邊的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力，隨后通過(guò)修正模型[28]實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤保持價(jià)值量估算。從估算結(jié)果可知，不同年份土壤保持價(jià)值量的高值區(qū)域并不相同，這與不同時(shí)期的降雨量格局有密切關(guān)系，不同的降雨格局產(chǎn)生的降雨侵蝕力不一樣，必然會(huì)影響到研究區(qū)的降雨侵蝕力空間格局，而降雨侵蝕力的空間格局也必定會(huì)影響到土壤保持量，從而會(huì)對(duì)區(qū)域的土壤保持價(jià)值量產(chǎn)生間接的影響，因此未來(lái)在對(duì)喀斯特地區(qū)的土壤保持價(jià)值量進(jìn)行估算時(shí)可借助高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星降雨產(chǎn)品，如熱帶測(cè)雨任務(wù)衛(wèi)星(Tropical rainfall measuring mission satellite，TRMM)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)降雨侵蝕力的準(zhǔn)確估算。

6 結(jié)論

(1)2000—2015年赤水河流域單位面積固碳釋氧價(jià)值量、土壤保持價(jià)值量以及水源涵養(yǎng)價(jià)值量均呈現(xiàn)先增加后減少的倒“V”形結(jié)構(gòu)。

(2)在不同巖性價(jià)值量變化上，2000—2015年喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)固碳釋氧價(jià)值量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而土壤保持價(jià)值量和水源涵養(yǎng)價(jià)值量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)?？λ固氐貐^(qū)固碳釋氧價(jià)值總量增加的速度是非喀斯特地區(qū)的4.35倍，喀斯特地區(qū)土壤保持價(jià)值量和水源涵養(yǎng)價(jià)值量的下降速度分別是非喀斯特地區(qū)的1.28倍和1.59倍。

(3)2000—2015年赤水河流域平均生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值為4 626.29元/(hm2·a)，價(jià)值總量為76.23億元。流域下游補(bǔ)償價(jià)值量最大，而上游地區(qū)補(bǔ)償價(jià)值量較小，古藺縣生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值總量超過(guò)18.77億元，而合江縣的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值不超過(guò)1.5億元。

(4)流域上游的喀斯特地區(qū)以及下游的原始森林地區(qū)生態(tài)補(bǔ)償多處于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中游地區(qū)多處于生態(tài)補(bǔ)償?shù)蘑蠹?jí)和級(jí)Ⅳ級(jí)。