京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值流動分析及生態(tài)補(bǔ)償額度

杜賀秋,于 鑠,張蓬濤,3,*,張路路

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)鄉(xiāng)土文化與鄉(xiāng)村治理研究中心,保定 071001 2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院,保定 071001 3 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定 071001 4 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)旅游學(xué)院,石家莊 050061

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services,ES)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用,即人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接得到的產(chǎn)品和服務(wù)[1],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為連接自然與社會生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,成為當(dāng)前社會-生態(tài)系統(tǒng)管理和分析的重要工具。其中,受水流等自然媒介驅(qū)動發(fā)生流動的水源涵養(yǎng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要功能之一。全球水資源需求持續(xù)上升,水環(huán)境急劇惡化,造成了水資源極度缺乏的現(xiàn)狀,使得人們逐漸意識到生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)對于人類福祉的重要性。保護(hù)水生態(tài)刻不容緩,而生態(tài)補(bǔ)償是達(dá)到這一目標(biāo)所采取的必要政策手段。

補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定是生態(tài)補(bǔ)償?shù)暮诵膬?nèi)容[2—3],科學(xué)制定補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)有利于生態(tài)效益、社會接受性、經(jīng)濟(jì)可行性的協(xié)同和統(tǒng)一。補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的高低受到諸多因素影響,總結(jié)當(dāng)前生態(tài)補(bǔ)償測算方法主要有五類。(1)基于生態(tài)足跡的測算模型。該模型由Rees W. E提出[4],通過計(jì)算生態(tài)足跡,確定不同區(qū)域生態(tài)資源消費(fèi)的生態(tài)赤字或生態(tài)盈余,進(jìn)而確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)[5—6]。該方法假設(shè)偏多,忽略經(jīng)濟(jì)、社會層面的影響,使得測算結(jié)果偏高。(2)機(jī)會成本法。機(jī)會成本反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)為保護(hù)生態(tài)功能而放棄或損失發(fā)展經(jīng)濟(jì)機(jī)會的代價(jià)。國外測算通常以投入的直接成本為依據(jù)[7],而國內(nèi)通常以保護(hù)生態(tài)資源投入的直接成本與喪失發(fā)展的機(jī)會成本之和來確定補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)[8],更適用于社會、經(jīng)濟(jì)效益不能直接估算的情形。(3)基于支付意愿的條件價(jià)值評估法。該方法可以體現(xiàn)出生態(tài)補(bǔ)償主客體愿意接受的補(bǔ)償水平,由于充分考慮補(bǔ)償支付雙方的意愿,提升了生態(tài)補(bǔ)償可實(shí)施性,但受利益相關(guān)者認(rèn)知和教育水平等的影響較大[9—10]。(4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值法。以Costanza 等[1]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的測算方法為依據(jù),根據(jù)不同地域生態(tài)價(jià)值的時(shí)空變化量確定生態(tài)補(bǔ)償額度,核算對象包括物質(zhì)量和價(jià)值量,物質(zhì)量計(jì)算模型通常有InVEST、IBIS、CASA、RUSLE 等[11],價(jià)值量計(jì)算的方法通常有市場價(jià)值法、造林成本法、影子工程法、替代成本法等[12],但測算結(jié)果普遍偏高[13]。(5)基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動的評估方法。該方法可以從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動軌跡、方向和傳遞過程展開研究,進(jìn)而提高生態(tài)補(bǔ)償測算的準(zhǔn)確性[14],但目前該方法尚未成熟。已有的ARIES模型及其子模型SPANs模型雖然可以刻畫生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給到需求的流量和流動路徑[15],但因需要龐大的數(shù)據(jù)支撐未得到廣泛應(yīng)用,且針對單一服務(wù)的研究幾乎沒有[16];而EcoMetrix模型并未對公眾開放,且更適合小尺度范圍的評估[17]。國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動的相關(guān)理論和應(yīng)用同樣處于摸索期,開發(fā)的模型主要有改進(jìn)的生態(tài)足跡模型[6]、多區(qū)域投入產(chǎn)出模型[18]、基于價(jià)值轉(zhuǎn)移的斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型[14]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動具有明顯的區(qū)域性,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動區(qū)域和行政區(qū)劃的不一致性嚴(yán)重限制了補(bǔ)償政策的制定。而斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型能夠以行政區(qū)為單元開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動研究[19—20]。李紅艷[21]、劉某承[19]等學(xué)者在估算水源涵養(yǎng)、土壤保持和固碳釋氧等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)上,通過斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在行政區(qū)間的空間流動。這對區(qū)際橫向生態(tài)補(bǔ)償具有重要參考價(jià)值。

城市群是推進(jìn)城鎮(zhèn)化的主體形態(tài),但生態(tài)環(huán)境問題集中、矛盾突出,環(huán)境問題的區(qū)域特征明顯[22],而區(qū)際橫向生態(tài)補(bǔ)償是城市群生態(tài)共建共享的重要措施[23]。2015年 “京津冀協(xié)同發(fā)展”戰(zhàn)略實(shí)施以來,因地區(qū)之間發(fā)展差距較大,且受經(jīng)濟(jì)利益博弈的影響,以及生態(tài)補(bǔ)償?shù)亩糠治隼щy且補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)難以精準(zhǔn)確定等原因,導(dǎo)致除一些補(bǔ)償邊界明顯的區(qū)域外,京津冀地區(qū)生態(tài)補(bǔ)償?shù)穆鋵?shí)并不到位。目前國家僅在京津冀地區(qū)的密云水庫上游潮白河流域和引灤入津工程上下游就水質(zhì)、水量實(shí)施了生態(tài)補(bǔ)償,取得一定成效,但在推動其他流域全面落實(shí)生態(tài)補(bǔ)償還任重而道遠(yuǎn)[24]。水源涵養(yǎng)服務(wù)對改善水文狀況、調(diào)節(jié)區(qū)域水分循環(huán)發(fā)揮著關(guān)鍵作用[25],通過科學(xué)測算水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償額度,推動實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)用水安全。因此,本研究以2005年、2010年、2018年三期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過InVEST模型和影子工程法定量評估了京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值量,利用斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型分析了水源涵養(yǎng)服務(wù)流動特征,并基于流動價(jià)值與價(jià)值影響因子構(gòu)建了水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型,得到京津冀各區(qū)域水源涵養(yǎng)服務(wù)補(bǔ)償額度,為落實(shí)京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償制度提供參考依據(jù)。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)包括北京市、天津市和河北省三個(gè)省市,轄200個(gè)縣市區(qū),是我國重要的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心,土地面積21.64×104km2；北部為壩上高原和燕山山脈,南部為華北平原,西部太行山脈貫穿,東臨渤海灣,地貌類型多樣,地勢呈現(xiàn)西北高東南低、海拔逐步遞減態(tài)勢(圖1)。截止2018年底,京津冀地區(qū)常住人口約1.13億人,城市化率為65.9%；GDP總量達(dá)7.9萬億元,較2005年提升了2.76倍。但快速的人口增長和高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等一系列生態(tài)問題,水生態(tài)問題尤為突出。雖然京津冀地區(qū)分布著海河和灤河兩大水系,但區(qū)域內(nèi)水資源極度短缺,2018年人均水資源192.72m3,僅為全國人均水資源的9.77%。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的數(shù)據(jù)來源如表1所示。其中,土地利用/覆被參照中國科學(xué)院的“土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)”劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地,因建設(shè)用地不產(chǎn)生水源涵養(yǎng)價(jià)值,故不參與評價(jià)。其他相關(guān)參數(shù)則通過對獲取的原始數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理得到。

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

本文的技術(shù)路線(圖2)可分為價(jià)值流動分析和橫向生態(tài)補(bǔ)償兩部分。價(jià)值流動分析是用于計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移量,首先利用InVEST模型和影子工程法計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值量,在此基礎(chǔ)上確定價(jià)值輸出區(qū),并通過斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型計(jì)算出價(jià)值轉(zhuǎn)移量。橫向生態(tài)補(bǔ)償則基于地理探測器探測到的主導(dǎo)因子對價(jià)值轉(zhuǎn)移量的系數(shù)修正構(gòu)建水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型,計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)補(bǔ)償金。

表1 數(shù)據(jù)獲取及說明

圖2 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)流動分析及生態(tài)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)路線Fig.2 The technical route of water retention flow and payment for ecosystem services in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算

(1)物質(zhì)量 通過InVEST模型(3.9.0)的產(chǎn)水模塊,基于水量平衡原理,利用降水量、潛在蒸散量、土地利用/覆被及土壤數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)柵格的徑流量,即為產(chǎn)水量；并在產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上,利用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)對產(chǎn)水量修正得到水源涵養(yǎng)量[26],計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Yj為土地利用/覆被類型柵格j的年產(chǎn)水量,mm；AETj為土地利用/覆被類型柵格j的年蒸發(fā)量,mm；Pj為土地利用/覆被類型柵格j的年降水量,mm；WRj為土地利用/覆被類型柵格j的水源涵養(yǎng)量,mm；Velocity為流速系數(shù)；Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率,mm/d,通過SPAW軟件計(jì)算得到；TI為地形指數(shù)；DrainageArea為集水區(qū)柵格數(shù)量；SoilDepth為土壤深度,mm；PercentSlope為百分比坡度。

(2)價(jià)值量 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值量測算采用影子工程法,即通過修建相應(yīng)庫容的水庫成本來估算水源涵養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,測算公式為：

E=aV

(4)

式中：E為水源涵養(yǎng)價(jià)值量,單位為元；a為單位體積水庫造價(jià),該值參考DB11/T1009—2014《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評價(jià)技術(shù)規(guī)范》,2005年的單位庫容造價(jià)成本為6.11元/m3,而到2018年固定資產(chǎn)價(jià)格指數(shù)增長了37.32%,則2018年的單位庫容造價(jià)成本為8.39元/m3；V為各區(qū)域水源涵養(yǎng)量,單位為m3,通過InVEST模型(3.9.0)中的產(chǎn)水模塊估算。

2.3 水源涵養(yǎng)服務(wù)流動輸出區(qū)的確定

本文以2.2(1)中的物質(zhì)量作為水源涵養(yǎng)服務(wù)的供給量,以研究區(qū)人均用水量與人口密度的乘積作為水源涵養(yǎng)服務(wù)的需求量,引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)表征京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)的供需狀態(tài),當(dāng)ESDR<0時(shí),為水源涵養(yǎng)服務(wù)赤字狀態(tài),當(dāng)ESDR=0時(shí),為水源涵養(yǎng)服務(wù)供需平衡狀態(tài),當(dāng)ESDR>0時(shí),為水源涵養(yǎng)服務(wù)盈余狀態(tài)。并將各流域內(nèi)水源涵養(yǎng)服務(wù)處于盈余狀態(tài)的縣(區(qū))作為輸出區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)的計(jì)算公式[27]如下：

(5)

式中：ESDRi為不同流域內(nèi)各縣(區(qū))的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水源涵養(yǎng)服務(wù))供需比；Si為不同流域內(nèi)各縣(區(qū))水源涵養(yǎng)服務(wù)供給量；Di為不同流域內(nèi)各縣(區(qū))水源涵養(yǎng)服務(wù)需求量。

2.4 水源涵養(yǎng)服務(wù)流動評估

受水流等自然媒介驅(qū)動的影響,水源涵養(yǎng)服務(wù)在不斷發(fā)生流動,其價(jià)值也隨水源涵養(yǎng)服務(wù)的流動發(fā)生轉(zhuǎn)移,且水源涵養(yǎng)服務(wù)流動常隨著距離增加而衰減[21,28]。故本研究引入物理學(xué)中的斷裂點(diǎn)公式和場強(qiáng)模型定量分析水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值在區(qū)域間的流動。

水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值流轉(zhuǎn)的斷裂點(diǎn)公式[29—30]為：

(6)

式中：Dp為各流域內(nèi)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值輸出區(qū)核心到斷裂點(diǎn)的距離,即流轉(zhuǎn)半徑;Ddp為各流域內(nèi)輸出區(qū)核心到消費(fèi)區(qū)核心之間的距離;Nd為各流域內(nèi)消費(fèi)區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值;Np為各流域內(nèi)輸出區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值。根據(jù)求出的斷裂點(diǎn)距離,利用ArcGIS中的緩沖區(qū)工具和疊加工具,計(jì)算得到輸出區(qū)到消費(fèi)區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的流轉(zhuǎn)面積S。

場強(qiáng)公式[30—31]為：

(7)

式中：Idp為各流域內(nèi)輸出區(qū)p水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值向消費(fèi)區(qū)d轉(zhuǎn)移的流轉(zhuǎn)強(qiáng)度,元/hm2。

進(jìn)一步得到各流域內(nèi)輸出區(qū)流轉(zhuǎn)到消費(fèi)區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值量：

Vdp=kSIdp

(8)

式中：Vdp為各流域內(nèi)輸出區(qū)p流轉(zhuǎn)到消費(fèi)區(qū)d的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值量；k為水源涵養(yǎng)服務(wù)自然流轉(zhuǎn)影響因子,取值為0—1,參考已有研究標(biāo)準(zhǔn)[21,30—32](一般取值0.6),考量到京津冀地區(qū)水介質(zhì)傳遞的阻力,本研究k同樣取0.6；S是水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的流轉(zhuǎn)面積。

2.5 水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型的構(gòu)建

水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中的一部分,其變化受到多種因素的影響,主要分為自然因素、經(jīng)濟(jì)因素和社會因素三類。本研究參照相關(guān)研究成果[33—36],并遵循數(shù)據(jù)的可獲取性原則,構(gòu)建了京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值初選影響因子,如表2所示。地理探測器是測度兩變量間因果關(guān)系的空間分析模型,并可以規(guī)避在解釋因變量時(shí)因初選因子較多導(dǎo)致的多重共線性問題,故本研究引入地理探測器,篩選初選因子,識別主導(dǎo)因子與無效因子。

表2 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值初選影響因子

基于地理探測器探測出的主導(dǎo)因子,通過各縣(區(qū))影響水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的主導(dǎo)因子值與京津冀地區(qū)該因子的平均值的比值,對轉(zhuǎn)移至各縣(區(qū))的水源涵養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行系數(shù)修正,來構(gòu)建水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型,得到京津冀各縣(區(qū))需要支付的補(bǔ)償金額,計(jì)算公式如下：

(9)

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空分布

通過公式(1)—(4)計(jì)算得到京津冀地區(qū)2005—2018年各土地利用類型的水源涵養(yǎng)價(jià)值(表3)。由表3可知,京津冀地區(qū)2005年、2010年和2018年的水源涵養(yǎng)價(jià)值總量分別為194028.63萬元、401719.38萬元和477982.83萬元,2005—2018年間京津冀地區(qū)的水源涵養(yǎng)價(jià)值不斷增加,13年間增長了283954.21萬元,增幅146.35%。這主要是“三北”防護(hù)林、退耕還林、太行山綠化和生態(tài)農(nóng)業(yè)等生態(tài)建設(shè)的重要成效,以及年降水量增加帶來的結(jié)果。從各用地類型的水源涵養(yǎng)總價(jià)值來看,京津冀地區(qū)耕地、林地、草地和未利用地的水源涵養(yǎng)價(jià)值均存在不同程度的增加,水域的水源涵養(yǎng)價(jià)值則表現(xiàn)為“V”字型變化。其中林地的水源涵養(yǎng)價(jià)值最大且增加值最多。從各用地類型的水源涵樣服務(wù)單位面積價(jià)值來看,林地提供水源涵養(yǎng)服務(wù)的能力最高,對水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值具有突出貢獻(xiàn)。

表3 不同年份各土地利用類型水源涵養(yǎng)價(jià)值量及其變化

基于柵格計(jì)算了京津冀地區(qū)2005—2018年的水源涵養(yǎng)價(jià)值,得到了研究區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值的空間分布,如圖3所示。2005—2018年京津冀地區(qū)的水源涵養(yǎng)價(jià)值總體上呈現(xiàn)“西北高、東南低”的空間分布特征,高值區(qū)主要分布在西北方向的灤河山區(qū)流域、北三河山區(qū)流域、大清河山區(qū)流域、子牙河山區(qū)流域和永定河冊田水庫至三家店區(qū)流域,太行山脈、燕山山脈和壩上高原貫穿其中；而低值區(qū)連片分布于冀東南平原地區(qū),包括大清河淀東平原流域、大清河淀西平原流域、黑龍港及運(yùn)東平原流域、子牙河平原流域和漳衛(wèi)河平原流域。整體來看,2005年和2010年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值的高值區(qū)和低值區(qū)的空間變化范圍均較小,而2018年的高值區(qū)則向燕山山脈偏移,太行山脈的水源涵養(yǎng)價(jià)值較燕山山脈略有降低,但水源涵養(yǎng)價(jià)值依然呈現(xiàn)自西北向東南逐漸遞減的總體趨勢。

圖3 京津冀地區(qū)不同年份水源涵養(yǎng)價(jià)值量分布Fig.3 Distribution of water retention value in different years in Beijing-Tianjin-Hebei region

為揭示京津冀地區(qū)土地利用/覆被變化帶來的水源涵養(yǎng)價(jià)值變化特征,本研究通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法計(jì)算各類用地的轉(zhuǎn)換面積,進(jìn)一步得到水源涵養(yǎng)價(jià)值在2005—2018年間的變化量,結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,水源涵養(yǎng)價(jià)值量變化區(qū)域分布在太行山脈、燕山山脈和壩上高原等地區(qū),且主要發(fā)生在林地內(nèi)部,地處燕山山脈部分的林地價(jià)值量增加較多,位于太行山脈部分的林地價(jià)值量有所減少,這可能是受海陸風(fēng)環(huán)流等天氣系統(tǒng)影響[37]及近幾年首都周圍綠化和秦皇島市生態(tài)農(nóng)業(yè)的成效。而由土地利用/覆被變化導(dǎo)致的水源涵養(yǎng)價(jià)值量變化較少,且主要引起的是水源涵養(yǎng)價(jià)值量的增加。其中,林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、耕地增加的水源涵養(yǎng)價(jià)值較多,分別為45603.60萬元、14753.91萬元。綜合分析,研究期內(nèi)水源涵養(yǎng)價(jià)值以在林地、草地和耕地間變化為主,并由林地提供給草地和耕地大量水源涵養(yǎng)價(jià)值。

圖4 2005—2018年土地利用/覆被及水源涵養(yǎng)價(jià)值變化特征Fig.4 Characteristic of changes in land use/cover and water retention value from 2005 to 2018

3.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值流動分析

3.2.1 不同流域各縣級行政區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值

根據(jù)京津冀地區(qū)三級流域和縣級行政區(qū)劃圖(圖1)以及水源涵養(yǎng)價(jià)值分布圖(圖3),借助ArcGIS軟件輔助工具,得到京津冀地區(qū)不同流域內(nèi)各縣級行政區(qū)的水源涵養(yǎng)價(jià)值,如圖5所示。

由圖5可知,從流域內(nèi)各縣(區(qū))的水源涵養(yǎng)總價(jià)值來看,2005年高值區(qū)分布在承德市圍場縣位于灤河山區(qū)流域的部分、承德市豐寧縣和張家口市赤城縣位于北三河山區(qū)流域的部分以及保定市阜平縣位于大清河山區(qū)流域的部分；2010年高值區(qū)分布在張家口市赤城縣和承德市豐寧縣位于北三河山區(qū)流域的部分、承德市豐寧縣和圍場縣位于灤河山區(qū)流域的部分以及承德市圍場縣位于西拉木倫河及老哈河流域的部分；2018年高值區(qū)則分布在承德市圍場縣、隆化縣、承德縣、興隆縣、寬城縣和秦皇島市青龍縣位于灤河山區(qū)流域的部分以及北京市懷柔區(qū)、密云區(qū)位于北三河山區(qū)流域的部分。這與流域內(nèi)各縣(區(qū))的用地結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系,承德市、張家口市、保定市和北京市皆分布有大量山地,其上森林提供了大量的水源涵養(yǎng)價(jià)值。而從流域內(nèi)各縣(區(qū))的單位面積價(jià)值來看,2005年高值區(qū)分布在邢臺市內(nèi)丘縣位于漳衛(wèi)河山區(qū)流域的部分；2010年高值區(qū)分布在張家口市下花園區(qū)和懷來縣位于北三河山區(qū)流域的部分、保定市阜平縣位于子牙河山區(qū)流域的部分、邢臺市內(nèi)丘縣和邢臺縣位于漳衛(wèi)河山區(qū)流域的部分、張家口市赤城縣位于內(nèi)蒙古高原東部流域的部分以及秦皇島市海港區(qū)位于沿渤海西部諸河流域的部分；2018年高值區(qū)分布在北京市石景山區(qū)位于北三河山區(qū)流域的部分以及北京市海淀區(qū)位于永定河冊田水庫至三家店區(qū)流域的部分。整體來看,研究期間流域內(nèi)各縣(區(qū))水源涵養(yǎng)服務(wù)的單位面積價(jià)值高值區(qū)與總價(jià)值高值區(qū)分布有所差異,這和流域內(nèi)行政區(qū)范圍大小有直接關(guān)系。

圖5 京津冀地區(qū)各流域內(nèi)縣域水源涵養(yǎng)價(jià)值分布特征Fig.5 Distribution characteristics of water retention value in counties in the basins of Beijing-Tianjin-Hebei region

3.2.2 各流域水源涵養(yǎng)價(jià)值輸出區(qū)

以各流域內(nèi)的縣(區(qū))為單元,通過公式(5)計(jì)算得到各流域內(nèi)各縣(區(qū))的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)。將各流域內(nèi)ESDR>0的縣(區(qū))作為水源涵養(yǎng)價(jià)值流動的輸出區(qū),水源涵養(yǎng)價(jià)值輸出區(qū)的分布如圖6所示。由圖6可知,在子牙河山區(qū)、漳衛(wèi)河山區(qū)、內(nèi)蒙古高原東部、內(nèi)蒙古高原西部、西拉木倫河及老哈河、灤河山區(qū)、北三河山區(qū)、大清河山區(qū)、灤河平原及冀東沿海諸河、永定河冊田水庫至三家店區(qū)和沿渤海西部諸河等11個(gè)流域存在水源涵養(yǎng)價(jià)值輸出區(qū),這些輸出區(qū)主要分布在太行山脈、燕山山脈和壩上高原地區(qū)；而永定河冊田水庫以上、北四河下游平原、大清河淀西平原、大清河淀東平原、黑龍港及運(yùn)東平原、徒駭馬頰河、子牙河平原和漳衛(wèi)河平原等8個(gè)流域由于水源涵養(yǎng)服務(wù)供需處于赤字狀態(tài),均沒有水源涵養(yǎng)價(jià)值輸出區(qū)。隨著水源涵養(yǎng)價(jià)值的逐年上升,輸出區(qū)的個(gè)數(shù)也不斷增多,由2005年的29個(gè)輸出區(qū)(24個(gè)縣),增加到2010年36個(gè)輸出區(qū)(28個(gè)縣),再到2018年的36個(gè)輸出區(qū)(30個(gè)縣),為京津冀地區(qū)的生態(tài)安全提供有力保障。

圖6 京津冀地區(qū)各流域水源涵養(yǎng)價(jià)值輸出區(qū)與消費(fèi)區(qū)分布位置Fig.6 Distribution location of water retention value output area and consumption area in each basin of Beijing-Tianjin-Hebei region

3.2.3 水源涵養(yǎng)價(jià)值空間流動分析

將京津冀地區(qū)各流域內(nèi)輸出區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)重心作為水源涵養(yǎng)價(jià)值轉(zhuǎn)移中心,并選取各流域內(nèi)消費(fèi)區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)重心作為輻射中心,根據(jù)公式(6)—(7),計(jì)算了2005年、2010年和2018年各流域內(nèi)輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值的流轉(zhuǎn)半徑和流轉(zhuǎn)強(qiáng)度(表4)。再運(yùn)用ArcGIS統(tǒng)計(jì)出各流域內(nèi)輸出區(qū)對消費(fèi)區(qū)的影響面積,進(jìn)而利用公式(8)計(jì)算出各流域內(nèi)輸出區(qū)的價(jià)值轉(zhuǎn)移量(圖7)。

由表4可知,從各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值可達(dá)縣(區(qū))最大流轉(zhuǎn)半徑來看,2005年、2010年和2018年子牙河山區(qū)流域、漳衛(wèi)河山區(qū)流域和大清河山區(qū)流域的最大流轉(zhuǎn)半徑保持不變；內(nèi)蒙古高原東部、西拉木倫河及老哈河、內(nèi)蒙古高原西部、永定河冊田水庫至三家店區(qū)、沿渤海西部諸河和灤河平原及冀東沿海諸河等6個(gè)流域的最大流轉(zhuǎn)半徑出現(xiàn)不同程度的衰減；灤河山區(qū)流域和北三河山區(qū)流域的最大流轉(zhuǎn)半徑則呈倒“V”型變化趨勢。這種變化主要受流域內(nèi)輸出區(qū)和消費(fèi)區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值高低的影響。從各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值可達(dá)縣(區(qū))的平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度來看,2005年、2010年和2018年子牙河山區(qū)流域和大清河山區(qū)流域的平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度有所下降；北三河山區(qū)流域、灤河平原及冀東沿海諸河流域和內(nèi)蒙古高原西部流域的平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度則在不斷增加；而漳衛(wèi)河山區(qū)、灤河山區(qū)、內(nèi)蒙古高原東部、西拉木倫河及老哈河、永定河冊田水庫至三家店區(qū)和沿渤海西部諸河等6個(gè)流域的平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。各流域內(nèi)輸出區(qū)和消費(fèi)區(qū)間的距離對平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度的大小有較大影響。

受流轉(zhuǎn)半徑的影響,發(fā)生水源涵養(yǎng)服務(wù)流動的各流域內(nèi)也存在部分消費(fèi)區(qū)未流入水源涵養(yǎng)價(jià)值。由圖7可知,2005—2018年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值轉(zhuǎn)移量的低值區(qū)的變化范圍不大,主要分布在子牙河山區(qū)、漳衛(wèi)河山區(qū)、內(nèi)蒙古高原東部、西拉木倫及老哈河、內(nèi)蒙古高原西部、沿渤海西部諸河和灤河平原及冀東沿海諸河等7個(gè)流域內(nèi)；但高值區(qū)的變化較大,主要在灤河山區(qū)、北三河山區(qū)、大清河山區(qū)和永定河冊田水庫至三家店區(qū)等4個(gè)流域內(nèi)變化。研究期間,北三河山區(qū)流域內(nèi)各輸出區(qū)流向天津市薊州區(qū)的價(jià)值增長最多,2018年較2005年流入價(jià)值增加了569.16萬元；同樣也存在著價(jià)值轉(zhuǎn)移減少的情況,大清河山區(qū)流域內(nèi)各輸出區(qū)流向保定市淶水縣的價(jià)值減少最多,2018年較2005年減少了99.68%。但整體來看,各流域內(nèi)輸出區(qū)向消費(fèi)區(qū)轉(zhuǎn)移的水源涵養(yǎng)價(jià)值呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。出現(xiàn)這些變化的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是太行山脈、燕山山脈以及壩上高原分布在發(fā)生水源涵養(yǎng)價(jià)值流動的流域,這些流域作為京津冀生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),退耕還林、還草帶來的效益頗豐,森林覆蓋率不斷提升,而林地是水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的主體,大大提升了水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值,流轉(zhuǎn)價(jià)值也隨之增多。二是京津冀地區(qū)的兩大水系灤河水系和海河水系的發(fā)源地位于燕山山脈和太行山脈,發(fā)生水源涵養(yǎng)價(jià)值流動的流域內(nèi)的輸出區(qū)又位于河流的上游地區(qū),水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值隨河流發(fā)生轉(zhuǎn)移。

表4 京津冀地區(qū)各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值可達(dá)縣(區(qū))最大流轉(zhuǎn)半徑及平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度

圖7 京津冀地區(qū)各流域水源涵養(yǎng)價(jià)值轉(zhuǎn)移量Fig.7 Water retention value transfer amount of each basin in Beijing-Tianjin-Hebei region

3.3 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)橫向補(bǔ)償額度

以2018年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值為例,根據(jù)地理探測器探測結(jié)果(表5),通過構(gòu)建的水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型,得到京津冀各縣(區(qū))需要支付的補(bǔ)償金額,同時(shí),也得到了京津冀各輸出區(qū)的受償金額,結(jié)果如圖8所示。

表5 地理探測器探測結(jié)果

地理探測器通過q值和顯著性檢驗(yàn)識別主導(dǎo)因子和無效因子。由表5可知,X4、X5、X6、X7、X8、X9、X12的q值均小于0.1,表明這些因子對水源涵養(yǎng)價(jià)值的解釋性較弱,故剔除這七個(gè)因子。而X1、X2、X3、X10、X11等五個(gè)因子的q值均較大且P值均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn),說明這五個(gè)因子對影響水源涵養(yǎng)價(jià)值有一定的解釋作用。因此,選取X1、X2、X3、X10、X11這五個(gè)影響因子對水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移量進(jìn)行系數(shù)修正(因北京市的東城區(qū)、西城區(qū)、石景山區(qū)以及天津市的和平區(qū)、河?xùn)|區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、河北區(qū)和紅橋區(qū)等9個(gè)區(qū)的土地墾殖率為0,為避免異常值在系數(shù)修正時(shí)的影響,本文將土地墾殖率為0的近似取值0.01),通過公式(9)實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型的構(gòu)建,進(jìn)而得到京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)的支付和受償金額。計(jì)算得到京、津、冀三地水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償中出資比例為2.04∶1.61∶1；而京、津、冀三地受償金額比例為1∶0∶1.87。由圖8可知,從支付方角度出發(fā),需要支付水源涵養(yǎng)服務(wù)補(bǔ)償金額最多的縣(區(qū))是天津市薊州區(qū),應(yīng)支付給各輸出區(qū)共計(jì)340.95萬元；需要支付補(bǔ)償金額較多的是北京市海淀區(qū)、順義區(qū),分別需要支付給各輸出區(qū)288.62萬元和109.87萬元；同樣有部分縣(區(qū))沒有流入水源涵養(yǎng)價(jià)值,故無需支付補(bǔ)償金。從受償方角度出發(fā),受償金額的高值區(qū)位于承德市興隆縣和北京市門頭溝區(qū),受償金額分別為545.75萬元和319.72萬元；受償較少的縣(區(qū))則是承德市隆化縣和張家口市尚義縣,受償金額可忽略不計(jì)。

圖8 2018年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)支付與受償金額Fig.8 Payment and compensation for water retention services in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2018

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)2005—2018年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,其中林地對此起著至關(guān)重要的作用。研究期間,水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值變化主要發(fā)生在林地、草地和耕地之間。

(2)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的輸出區(qū)主要分布在太行山脈、燕山山脈和壩上高原地區(qū)的子牙河山區(qū)、漳衛(wèi)河山區(qū)、內(nèi)蒙古高原東部、內(nèi)蒙古高原西部、西拉木倫河及老哈河、灤河山區(qū)、北三河山區(qū)、大清河山區(qū)、灤河平原及冀東沿海諸河、永定河冊田水庫至三家店區(qū)和沿渤海西部諸河等11個(gè)流域內(nèi),且研究期間輸出區(qū)的數(shù)量有所增加。

(3)受輸出區(qū)與消費(fèi)區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值大小及兩地間距離影響,京津冀地區(qū)各流域內(nèi)輸出區(qū)可達(dá)縣(區(qū))的最大流轉(zhuǎn)半徑和平均流轉(zhuǎn)強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的變化。價(jià)值轉(zhuǎn)移量的高值區(qū)的變化較大,主要在灤河山區(qū)、北三河山區(qū)、大清河山區(qū)和永定河冊田水庫至三家店區(qū)等4個(gè)流域內(nèi)變化；而低值區(qū)的變化較小,主要分布在發(fā)生水源涵養(yǎng)價(jià)值轉(zhuǎn)移的其他7個(gè)流域內(nèi)。但受森林覆蓋率、水系以及地形的影響,水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移量總體上在不斷增加。

(4)基于水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)移量及地理探測器模型支持下的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值影響因子構(gòu)建了水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型。由此得出京、津、冀三地水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償中出資比例為2.04∶1.61∶1。各縣(區(qū))支付金額在0—340.95萬元之間。京、津、冀三地水源涵養(yǎng)受償金額比例則為1∶0∶1.87,各縣(區(qū))的受償金額則在0—545.75萬元之間。

4.2 討論

在京、津、冀三地政治、經(jīng)濟(jì)地位差異化的前提下,推進(jìn)京津冀地區(qū)現(xiàn)階段橫向生態(tài)補(bǔ)償要解決的關(guān)鍵問題就是如何通過科學(xué)的計(jì)算制定合理的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。京津冀地區(qū)目前水資源供給不足,且隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長,水資源供需矛盾將更加突出。而水源涵養(yǎng)服務(wù)在發(fā)揮攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)等功能方面效果顯著[25]。推進(jìn)區(qū)域間水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償,有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)二者平衡,能更進(jìn)一步促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展。因此,本研究從價(jià)值流動角度出發(fā),對京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析,并通過構(gòu)建的水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型計(jì)算出各縣(區(qū))支付的水源涵養(yǎng)服務(wù)補(bǔ)償金額,為京津冀地區(qū)橫向生態(tài)補(bǔ)償提供重要參考依據(jù)。本研究以流域內(nèi)的縣級行政區(qū)為研究單元,細(xì)化了水源涵養(yǎng)服務(wù)流動和橫向補(bǔ)償?shù)闹黧w,計(jì)算結(jié)果能夠定量地反映京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價(jià)值轉(zhuǎn)移和補(bǔ)償?shù)拇篌w趨勢,有一定的應(yīng)用性,但地形等自然條件的影響以及消費(fèi)區(qū)需求程度,均需在未來研究中深入思考。

同時(shí),本文分析了水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值受土地利用/覆被變化帶來的影響,但在探究水源涵養(yǎng)服務(wù)流動過程中,主要考慮距離的影響,而基于土地利用/覆被變化產(chǎn)生的自然條件的影響還需更深入研究。這也涉及到場強(qiáng)模型中對水源涵養(yǎng)服務(wù)流動影響的自然因子k的取值,當(dāng)前多為經(jīng)驗(yàn)值,隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動的深入開展,需探尋既符合實(shí)際又更為客觀的評價(jià)方法進(jìn)行完善,以提高結(jié)果準(zhǔn)確性。

再者,地理探測器識別出的主導(dǎo)因子對水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值具有一定的解釋能力,但解釋能力大小卻不一,本文根據(jù)這些主導(dǎo)因子直接確定的修正系數(shù)可能導(dǎo)致水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果存在一定誤差,接下來應(yīng)考慮如何通過各主導(dǎo)因子的解釋能力確定水源涵養(yǎng)服務(wù)影響因子的權(quán)重,進(jìn)而提升水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型修正系數(shù)精準(zhǔn)度,增加水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；同時(shí),應(yīng)思考對主導(dǎo)因子中出現(xiàn)異常值情況的解決辦法,進(jìn)一步完善水源涵養(yǎng)生態(tài)補(bǔ)償模型。

本文嘗試探究水源涵養(yǎng)一項(xiàng)服務(wù)的流動性及補(bǔ)償金額,計(jì)算結(jié)果僅為生態(tài)補(bǔ)償金的一小部分；結(jié)合多種具有流動性特征的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合測算生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),是今后研究的方向。