京津冀SO2區(qū)域調(diào)控生態(tài)補償機制研究

熊 都，孟家興

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

京津冀地區(qū)是我國三個“增長極”之一，引領(lǐng)北方乃至全國經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，京津冀的發(fā)展模式以高耗能、高污染為主[1]，造成了嚴重的環(huán)境污染，引發(fā)了各種生態(tài)環(huán)境問題。近幾年，霧霾污染成為研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)，霧霾越嚴重時，SO2的濃度越高，顆粒物中硫酸鹽的占比越大[2]。SO2污染仍然是京津冀面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，亟待解決。

SO2排放量的區(qū)域調(diào)控是指區(qū)域間SO2排放量的控制和調(diào)節(jié)，通過調(diào)控手段，并有效利用環(huán)境承載力，以實現(xiàn)SO2空氣質(zhì)量達標。目前，國內(nèi)外SO2排放量的區(qū)域調(diào)控方法主要有總量控制、排污權(quán)交易和環(huán)境污染損失賠償。總量控制、排污權(quán)交易和環(huán)境污染損失賠償在實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達標上發(fā)揮著重要作用，但也有很多不足之處，同時，這三種方法都沒有重視生態(tài)系統(tǒng)對SO2的凈化服務(wù)功能。生態(tài)系統(tǒng)是自然界中有組織和功能的一部分，它能提供一系列產(chǎn)品和服務(wù)來滿足人類生活[3]。1997年，Constanza等把生態(tài)系統(tǒng)的功能分為17種類型，第一種是調(diào)節(jié)大氣的化學組成，包括CO2/O2平衡、O3對臭氧層的保和吸收SO2[4]。

近三十年來，在環(huán)境和生態(tài)經(jīng)濟的探索中，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和變化已經(jīng)變成了最重要和發(fā)展最快的領(lǐng)域之一[5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指在指定區(qū)域的一定時間范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)通過生態(tài)過程提供的特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量和質(zhì)量[6]。生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化的供給服務(wù)主要包括植物吸收SO2和SO2沉降。羅紅艷等研究了北京市房山區(qū)32種主要綠化樹種對SO2的吸收、累計特點及其指示與凈化作用[7]。目前，研究農(nóng)作物吸收SO2的文獻非常少，并且沒有對整個京津冀地區(qū)植物吸收SO2的定量研究。許亞宣等做了中國硫沉降數(shù)值模擬[8]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的消費指人類生產(chǎn)和生活對生態(tài)服務(wù)的消耗、利用和占用[9]。生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的消費量是SO2的排放量。區(qū)際生態(tài)補償機制是區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵，區(qū)域生態(tài)補償數(shù)量計算和確定是區(qū)際生態(tài)補償前提，是決定是否順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。金波對區(qū)域生態(tài)補償機制進行了研究[11]，該研究通過計算京津冀區(qū)植物吸收SO2量和SO2沉降量，得出京津冀生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化的供給服務(wù)量，與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消費量進行對比，得到京津冀以SO2調(diào)控為目的的生態(tài)補償。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為京津冀區(qū)，以2002年、2005年、2008年、2011年和2014年為研究對象年。京津冀區(qū)不同類型植物的面積數(shù)據(jù)(見表1)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心[12-14]。

表1 京津冀區(qū)不同類型植物的面積

1.2 研究方法

1.2.1 關(guān)于SO2生態(tài)補償?shù)牧炕芯?/p>

SO2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余區(qū)是指不僅能全部凈化本區(qū)域排放的SO2，還能為其他區(qū)域提供SO2凈化服務(wù)的地區(qū)。生態(tài)赤字區(qū)是指不能全部凈化本區(qū)域排放SO2的區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的供給量為植物吸收SO2量與SO2沉降量之和。生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的消費量是SO2的排放量。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)盈余量為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和消費量之差。生態(tài)補償標準判斷公式和補償標準額計算公式如下：

E=Q+D-F

(1)

J=E×P

(2)

式中，E為生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余(赤字)量，若E>0，則說明該地區(qū)應(yīng)該得到生態(tài)補償，若E<0，則說明該地區(qū)應(yīng)該支付補償，t/a；Q為植物吸收SO2量，t/a；D為SO2沉降量，t/a；F為SO2排放量，也是生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的消費量，t/a；J為生態(tài)補償金額，萬元/年；P為削減每噸SO2的邊際成本。

根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報告》，每削減1噸SO2的邊際成本為600元[15]。

1.2.2 植物吸收SO2總量的計算方法

對任何植物來說，硫都是一種不可少的生命元素，植物必須從外界環(huán)境中吸收適量的硫以保證其正常生長發(fā)育的需要。雖然有些氣體被植物表面吸收，但是植物吸收氣態(tài)污染物主要是通過葉片氣孔的攝取[16]。SO2進入植物內(nèi)部后，經(jīng)過轉(zhuǎn)移和同化作用被固定在細胞組織內(nèi)，在植物內(nèi)部的細胞膜壁上，SO2與水反應(yīng)生成硫酸鹽[17]，生成的硫酸鹽或貯存在細胞內(nèi)，或通過根系排出體外。由此可見，植物能吸收、積累、轉(zhuǎn)化和運輸大氣中的SO2，對環(huán)境起著凈化作用[18]。植物吸收SO2總量為各種類型植物吸收量之和，各類植物吸收量由各類植物的面積和吸收能力決定，表達如下式：

(3)

式中，vi為不同類型的植物吸收SO2的能力，其中v1、v2和v3分別為林木、農(nóng)作物和草地吸收SO2的能力，kg/(hm2·a)；Si為不同類型的植物面積，其中S1、S2和S3分別為林木、農(nóng)作物和草地的面積，hm2。

不同類型的植物對SO2的吸收能力如下：

1)林木對SO2的吸收能力

根據(jù)《中國生物多樣性國情研究報告》，闊葉樹對SO2的吸收能力為 88.65 kg/(hm2·a)，針葉樹的吸收能力為 215.60 kg/(hm2·a)。闊葉林的林分密度約為1250株/hm2[19]，灌木林的林分密度約為20000株/hm2[20]，約為闊葉林林分密度的15倍，每株闊葉樹的吸收能力約為每株灌木的30倍[21]。因此，單位面積的闊葉林的吸收能力約為灌木林的2倍，在此取灌木的吸收能力為 44.32 kg/(hm2·a)。有林地的郁閉度大于30%，疏林地的郁閉度為10%～30%，取疏林地的吸收能力為有林地的1/2；其他林地主要指沒達到疏林地林分密度標準的林地，其吸收能力取為疏林地的2/3。

2)農(nóng)作物對SO2的吸收能力

農(nóng)作物吸收SO2的能力由其對SO2的吸收強度、吸收運轉(zhuǎn)周期、農(nóng)作物生物量和農(nóng)作物旺盛生長天數(shù)共同決定，表達如下式：

(4)

式中：v2為農(nóng)作物吸收SO2的能力，kg/hm2·a ；q為農(nóng)作物的吸收強度；W為農(nóng)作物的年生物量，t/hm2·a；t為農(nóng)作物旺盛生長天數(shù)，d；T為農(nóng)作物的吸收運轉(zhuǎn)周期，1/d。

農(nóng)作物吸收SO2的強度是單位面積農(nóng)作物生物量與所能吸收的SO2量的質(zhì)量比，實驗測定為0.45%。SO2的吸收轉(zhuǎn)運周期是指當SO2劑量達到傷害閾值時停止熏氣后體內(nèi)硫含量降低到對照或熏氣前水平的天數(shù)，實驗測定約為 20 d[22]。農(nóng)作物的年生物量約為 5 t/hm2，一般作物生長旺盛期為 40 d，相當于兩個吸收運轉(zhuǎn)周期。由此計算可得，農(nóng)作物對SO2的吸收能力為 45 kg/(hm2·a)。

3)草地對SO2的吸收能力

草地的生產(chǎn)功能包括養(yǎng)分循環(huán)與貯存、固定CO2、釋放O2和削減SO2等[23]。草坪上空的SO2含量較裸地減少1/5，但吸硫量遠低于樹木的十幾倍[21]。本文取高覆蓋度草地對SO2的吸收能力為闊葉樹的1/10，即 8.87 kg/(hm2·a)，取中覆蓋度和低覆蓋度草地的吸收能力為 4.44 kg/(hm2·a) 和 2.22 kg/(hm2·a)。

1.2.3 SO2沉降量

許亞宣等采用致酸污染物長距離傳輸模型ATMOS，對我國2002年排放的SO2所產(chǎn)生的S沉降進行了數(shù)值模擬研究，得到北京市、天津市和河北省的硫沉降量分別為2.67萬t，2.96萬t和30.24萬t[9]，則SO2的年沉降量分別為5.34萬t，5.92萬t和60.48萬t。楊新興等根據(jù)在“八五”國家科技攻關(guān)課題研究中建立的沉降模式，利用1992年，1993年和1995年的資料，計算出北京、天津和河北省的SO2年沉降量分別為6.85萬t，6.74萬t和41.8萬t[24]。該研究取年份離現(xiàn)在更近的研究結(jié)果，并進行相應(yīng)調(diào)整。

SO2沉降包括干沉降和濕沉降[25]。北方干燥地區(qū)以干沉降為主[9]，SO2的干沉降量與SO2濃度成正比關(guān)系。SO2的濕沉降與SO2排放量有關(guān)，SO2的排放量與SO2濃度的相關(guān)系數(shù)為0.93[26]，因此，SO2的濕沉降與SO2濃度有關(guān)。本文以2002年硫沉降的模擬值為基數(shù)，用某地區(qū)相應(yīng)年份的SO2年均濃度與2002年SO2年均濃度進行對較，求得某地區(qū)相應(yīng)年份SO2的沉降量，表達如下式：

(5)

式中：Di為某地區(qū)相應(yīng)年份的SO2沉降量，萬t/a；D0為2002年SO2的沉降量，萬t/a；Ci為相應(yīng)年份SO2的年均質(zhì)量濃度，μg/m3；C0為2002年SO2的年均質(zhì)量濃度，μg/m3。

另外，該研究假定京津冀地區(qū)不與其他地區(qū)互相輸送SO2。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物吸收SO2量

京津冀區(qū)植物吸收SO2量及不同類型植物吸收SO2量所占比例如表2所示。

表2 2005年京津冀地區(qū)植物吸收SO2量

由表2可知，2005年北京市、天津市和河北省植物每年分別能吸收7.65萬t、3.25萬t和81.89萬t的SO2。不同林木吸收SO2的能力相差較大，因此，一個地區(qū)林木吸收SO2量與該地區(qū)林分結(jié)構(gòu)和郁閉度關(guān)系密切。可以通過科學規(guī)劃林分結(jié)構(gòu)和郁閉度來提高林木對SO2的凈化能力。謝高地等研究北京森林生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)價值，得出2004年北京森林生態(tài)系統(tǒng)吸收了70×103t 的SO2[26]，該研究計算得到2005年北京林木吸收SO2的量為5.64萬t，結(jié)果相近。

中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)表明，研究對象年范圍內(nèi)京津冀地區(qū)的植物結(jié)構(gòu)和面積變化不大，因而，植物吸收SO2總量的變化不大。該研究假定京津冀區(qū)植物吸收SO2總量不變，均取為由2005年京津冀區(qū)植物面積所算得的結(jié)果。

2.2 SO2沉降量

2002年、2005年、2008年、2011年和2014年京津冀區(qū)SO2的沉降量如表3。由表3可知，北京市的SO2沉降量一直在減少，天津市和河北省SO2沉降量雖然起伏不定，但總體呈現(xiàn)下降趨勢。

表3 京津冀區(qū)SO2沉降量

2.3 SO2生態(tài)供給與消費量

京津冀區(qū)SO2年排放量數(shù)據(jù)來源于京津冀區(qū)《環(huán)境質(zhì)量狀況公報》，京津冀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的供給量和消費量計算結(jié)果如圖1、圖2。由圖1、圖2可知，京津冀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的供給量和消費量總體呈現(xiàn)變小的趨勢。

圖1 北京市和天津市生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的供給和消費量

圖2 河北省生態(tài)系統(tǒng)對SO2凈化服務(wù)的供給和消費量

2.4 SO2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余量和生態(tài)補償

京津冀區(qū)SO2凈化服務(wù)生態(tài)盈余量和生態(tài)補償計算結(jié)果如表4。由表4得，北京市SO2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余量一直在增加，2011年之前，北京市為SO2凈化服務(wù)的生態(tài)赤字區(qū)，2011年，北京市開始變?yōu)镾O2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余區(qū)，2014年北京市理論上可以得到894萬元的生態(tài)補償金額。天津市一直是SO2凈化服務(wù)的生態(tài)赤字區(qū)，2014年，天津市應(yīng)該付出8070萬元的生態(tài)補償金額。2002年，河北省市是生態(tài)盈余區(qū)，之后，河北省變?yōu)镾O2的生態(tài)赤字區(qū)，2011年，河北省的生態(tài)赤字補償金額達到近1.7億元，2014年，河北省變?yōu)镾O2凈化服務(wù)的生態(tài)盈余區(qū)，應(yīng)該得到2076萬元的生態(tài)補償金額。京津冀SO2污染的控制不能靠單一的減排，必須聯(lián)防聯(lián)控，可以根據(jù)本研究生態(tài)補償?shù)牧炕Y(jié)果，由京津冀區(qū)的上級政府或三個地區(qū)的政府共同建立區(qū)際生態(tài)補償基金，用以聯(lián)防聯(lián)控京津冀區(qū)的SO2污染。

表4 京津冀區(qū)SO2凈化服務(wù)的生態(tài)補償

3 結(jié)論

1)2005年，北京市、天津市和河北省植物分別能吸收7.65萬t、3.25萬t和81.89萬t的SO2。北京市、天津市和河北省農(nóng)作物吸收SO2分別占植物總吸收量的25.5%、92.0%和49.6%。

2)2002年，北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分別為5.34萬t，5.92萬t和60.48萬t。通過濃度調(diào)整計算得到2014年北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分別為1.74萬t，4.2萬t和40.57萬t。

3)基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和消費的SO2生態(tài)補償，得到2014年，北京市和河北省理論上應(yīng)得到的生態(tài)補償金額為894萬元和2076萬元，天津市理論上應(yīng)付出的生態(tài)補償金額為8070萬元?？梢杂删┙蚣絽^(qū)的上級政府或三個地區(qū)的政府共同建立區(qū)際生態(tài)補償基金，用以聯(lián)防聯(lián)控京津冀區(qū)的SO2污染。