水土保持生態補償優先區域的空間識別:以洞庭湖生態經濟區為例

李 姣，李 朗，汪 杰，周翠煙，牛 潛，張燦明，田書榮

(1.湖南師范大學商學院，湖南 長沙 410081；2.宏觀經濟大數據挖掘與應用湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410081；3.廣州市天則區域發展研究中心，廣東 廣州 510000；4.中國礦業大學公共管理學院，江蘇 徐州 221116；5.亞歐水資源研究和利用中心，湖南 長沙 410013；6.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004)

人類與環境相互作用形成了具有復雜性、非線性和不確定性等特性的社會-生態系統，這給實現社會與生態的協調發展和有機統一帶來了挑戰[1]。為應對該挑戰，習近平總書記提出了“兩山”理念。生態補償是貫徹這一理念的重要實踐，它是買賣雙方就生態產品或服務的價值進行的一種自愿交易，是科斯定理在生態環境保護領域的具體應用，也是實現生態服務價值的有效途徑[2-3]。生態補償在森林、草原、濕地和流域等區域均有實踐，已成為保護或者恢復生態系統功能的主要政策工具[4-5]。在水土保持領域，我國以征收水土保持補償費作為生態補償的主要形式。那么，如何有效識別這一補償費支付的優先區域以提高補償效率，成為優化政府專項資金使用以及完善生態補償實踐的核心問題。

已有研究在考慮區域間自然條件、經濟發展等差異性的情況下，證實了將資金更多地分配到生態服務價值高和發展水平低的地區會顯著改善生態補償效率[6-7]。基于此，生態補償優先級(ecological compensation priority sequence, ECPS)被廣泛應用于補償區域的空間選擇中[8-10]。其基本思想是根據區域生態服務價值和GDP水平，綜合判斷生態補償的迫切度，以確定各區域補償的先后順序[11]。然而，在系統遠程耦合理論框架下社會-生態系統的結構和功能是動態變化的，當變化超過系統閾值將會發生穩態轉換，從而可能導致系統陷入不良狀態或社會-生態貧困陷阱，甚至觸發導致系統其他功能或外部系統崩潰的級聯效應[12]。因此，從長期看，為防止給臨近和遠距離的生態系統造成難以預料的影響，更系統地恢復受損生態，越來越多的學者將生態系統脆弱性納入生態補償區域空間選擇研究中[13-15]。這一概念常用來描述相關系統及其組成要素易受影響和破壞，并缺乏抗拒干擾和恢復初始狀態的能力[16]。綜合來看，生態補償優先級僅考慮了生態系統服務價值和經濟發展水平，而將生態系統脆弱性納入空間識別的研究又多注重生態系統的自然特征，忽略區域自身的財政補償能力。按上述2種方法識別均會影響分區結果的準確性。

2014年《洞庭湖生態經濟區規劃》獲國務院批復，標志著洞庭湖生態經濟區的發展上升為國家戰略，必須走生態優先、綠色發展的道路。洞庭湖生態經濟區作為一個復雜的社會-生態系統，其自然地理特征和社會經濟水平在空間上分布不均，相應的補償資金分配也應有所不同。鑒于此，該文以洞庭湖生態經濟區為研究對象，從行政區縣尺度綜合考慮生態系統服務價值、經濟發展水平和生態系統脆弱性，識別補償支付的優先區域，克服已有研究僅考慮某1種或2種要素的問題，使研究結果更接近客觀真實，為研究區域的政府決策提供更科學的依據，同時為其他區域生態補償的空間選擇提供參考。

1 研究區概況

洞庭湖生態經濟區包括湖南省岳陽市、常德市、益陽市、長沙市望城區和湖北省荊州市，該研究僅選取湖南省部分(27°58′～30°08′ N，110°27′～114°13′ E)。研究區位于長江流域中游，區域總面積為4.66萬km2。洞庭湖生態經濟區中部以平原為主，四周多丘陵分布。研究區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，光熱充足，降雨集中在夏季，洪澇災害頻繁，洪水挾帶大量泥沙，使得該區域面臨很大的水土流失風險。區域內的土壤主要以河流沖積、湖積物為主，土壤濕潤。洞庭湖水系縱橫交錯，吞吐長江，匯集湘江、資江、沅江、澧江等周邊來水，豐富的來水帶來大量的泥沙淤積。生態經濟區內分布有較多的飲用水水源地、濕地公園等具有重要生態功能的區域，對水土保持防治標準及工作要求都很高。

根據2015年湖南省第3次土壤侵蝕遙感調查，洞庭湖生態經濟區土壤侵蝕面積達5 332.31 km2，占地區總面積的11.89%。隨著近年生產建設項目的增多，城市市政建設的加快，水土流失仍是地區發展較為嚴峻的環境問題。同時，洞庭湖生態經濟區作為長江經濟帶的重要一環，又承擔著國家商品糧基地的角色，開展水土保持生態補償不僅有利于促進區域經濟的可持續發展，在保障長江流域生態安全和國家糧食安全方面也發揮著重要作用。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1水土保持價值計算

運用生態系統服務評估與權衡模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs，InVEST)計算水源涵養量和土壤保持量，參考相關方法將其分別價值化，最終加總即得到水土保持服務價值。

V總=V水+V土。

(1)

式(1)中，V總為水土保持總價值，元；V水為水源涵養價值，元；V土為土壤保持價值，元。

(1)水源涵養價值

結合產水量，考慮地形指數、土壤飽和導水率和流速系數，計算水源涵養量。

(2)

式(2)中，W為水源涵養量，m3；V為流速系數；T為地形指數；Ksat為土壤飽和導水率，mm·d-1；Y為產水量，m3。

水源涵養價值最終需要反映其對人類生活的增益，市場價格法可用來反映公眾對此服務的偏好和支付意愿[17]。在此，選定居民生活用水價格來量化該指標。

V水=W×P水。

(3)

式(3)中，P水為居民生活用水價格，元·t-1。

(2)土壤保持價值

基于傳統通用土壤流失方程(RUSLE)，考慮下墊面自身對泥沙持留等因素，計算土壤保持服務量。

Q=R×K×L×(1-C×P)+D。

(4)

式(4)中，Q為柵格單元的土壤保持量，t；R為降雨侵蝕力，MJ·mm·hm-2·h-1；K為土壤可蝕性，t·h·MJ-1·mm-1；L為坡度坡長因子；C為植被覆蓋與作物管理因子；P為水土保持因子；D為泥沙持留量，t。

土壤保持存在3個層面的價值：固土、保肥和減少泥沙淤積。土壤保持總價值即為這3項價值之和。參考相關價值化方法[18]：固土價值評估采用機會成本法，當土壤保持發生損失時，植物的生長失去了基本載體，損失了林業帶來的收益，故采用犧牲的林業發展價值測算；土壤中的營養物質主要包括氮、磷、鉀，水土流失造成營養物質的大量損失，要保持土壤養分不變就必須增施相應的化學肥料，故用化肥市場價格來估算保肥價值；運用影子工程法評估減少泥沙淤積價值，以泥沙淤積而造成的損失計算。

V土=V固土+V保肥+V減泥，

(5)

(6)

V保肥=Q×αN×βN×P11+Q×αP×βP×P11+Q×αK×βK×P12，

1.6.1 色譜條件。色譜柱為Infinity Lab Poroshell 120 EC-C18色譜柱(4.6 mm×100 mm，2.7 um)；柱溫40 ℃；流速0.5 mL/min；進樣量1.0 μL。流動相為0.1%甲酸水(A)與乙腈(B)；梯度洗脫，其程序見表1。

(7)

V減泥=Q/?×C。

(8)

式(5)～(8)中，V固土為固土價值，元；V保肥為保肥價值，元；V減泥為減少泥沙淤積價值，元；S為減少的土地面積，hm2；P林為林業年均收益，元·hm-2·a-1；?為土壤容重，t·m-3；h為土壤厚度，cm；α為某養分(下標N、P、K分別代表氮、磷、鉀)在土壤中的含量，%；β為某養分在其合成化肥中的含量，%；P11為磷酸二銨化肥價格，元·t-1；P12為氯化鉀化肥價格，元·t-1；C為庫容清除泥沙成本，元·m-3。

2.1.2水土保持生態補償優先級計算

借鑒生態補償優先級(ECPS)[11]，考慮地區經濟生產總值來衡量補償能力，從需求方測算各地區生態補償的迫切程度。

Ei=vi/qi。

(9)

式(9)中，Ei為某地區水土保持生態補償優先級；vi為某地區單位面積水土保持服務價值，元·km-2；qi為某地區單位面積生產總值，元·km-2。Ei越大，說明獲得補償資金后對該地區影響較大，環境改善越明顯，獲得生態補償資金的迫切度越高；反之，則說明該地區獲得生態補償資金的迫切度較低。

2.1.3生態系統脆弱性指標的選取

生態系統脆弱性主要是針對全球氣候變化擾動下與自然災害有關的脆弱性[19]。與水土保持相關的自然災害主要是水土流失。水土流失越頻發，自然或社會因素所形成的區域系統對外界極端氣候或人為活動等越敏感，應對災害能力越弱；同時也會增加水土保持建設的成本，損失越大，水土保持功能越脆弱。因此，參考《湖南省水土規劃》公布的2015年各縣(市、區)水土流失面積占比來衡量生態系統脆弱性。

2.2 數據來源

表1 價值化參數說明Table 1 Description of valuation parameters

3 結果與分析

3.1 水土保持價值

2015年洞庭湖生態經濟區水土保持價值為641.988 7億元，其中，水源涵養價值為415.169 7億元，土壤保持價值為226.819 1億元。洞庭湖生態經濟區水土保持價值空間分布不均，表現為由中部地區向外圍遞增。水土保持價值最高的為安化縣，達170.654 9億元，占整個生態經濟區水土保持價值的27%；最低的為武陵區，僅為1.892 4億元，與最高的安化縣價值相差百倍。基于此，按照幾何間隔法，剔除行政區面積因素，以單位面積水土保持價值152.272 8、65.482 4、28.917 1萬元·km-2為斷點，將洞庭湖生態經濟區劃分為水土保持價值高值、中值和低值區(圖1)。水土保持價值高值區主要分布在區域西部和東南部的安化縣、桃源縣、石門縣、桃江縣和平江縣；水土保持價值中值區主要分布在南部和中部的望城區、赫山區、鼎城區、武陵區、臨澧縣、澧縣、津市市、臨湘市、岳陽縣和汨羅市；岳陽樓區、君山區、南縣和沅江市等中部大部分區域則為水土保持價值低值區。西部和東南部林地分布廣泛，植被覆蓋率高，水源涵養和土壤保持能力強，水土保持價值高；而中部主要以耕地和水域為主，植被覆蓋率較低，水源涵養和土壤保持能力弱，水土保持價值低。

3.2 水土保持生態補償優先級

引入生態補償優先級來分析各區縣生態補償的迫切程度(表2)。生態補償優先級最高的是安化縣，為0.975 1，安化縣單位面積水土保持價值最高，為345.106 1萬元·km-2；單位面積生產總值最低，僅為353.934 7萬元·km-2，因此補償需求最為迫切。排名最后的為武陵區，生態補償優先級為0.001 7，雖然其單位面積水土保持價值處于中等水平，為65.482 4萬元·km-2，但因單位面積生產總值達37 914.294 1萬元·km-2，遠高于其他縣(市、區)。由此看來，水土保持價值越高的區域并非生態補償政策的優先選擇對象，經濟發展水平也不容忽視。類似的還有赫山區和望城區，因經濟發展較好，政府財政能力相對充足，獲取生態補償迫切度低。

表2 各縣(市、區)水土保持生態補償優先級排序Table 2 Ranking of soil and water conservation ECPS in all counties

按照幾何間隔分類法，以生態補償優先級0.309 6、0.032 4、0.001 7為斷點，將洞庭湖生態經濟區水土保持生態補償優先級劃分為3類(圖2)。1級區主要分布在區域的西部和東南部，水土保持服務價值高，經濟發展水平落后，急需獲得生態補償；3級區主要分布在中部地區，水土保持服務價值低，經濟發展水平高，獲取生態補償資金迫切度低；2級區介于1級區和3級區之間分布，水土保持服務價值和經濟發展均處于中等水平，獲取生態補償的迫切度居中。

3.3 水土保持生態補償區域劃分

3.3.1水土流失風險劃分

鑒于社會-生態系統的復雜和不確定等特性，除考慮水土保持價值和經濟發展水平這2種因素外，還需要將以水土流失風險表征的生態系統脆弱性納入決策。按照幾何間隔法，以8.9%和0.2%為斷點，將洞庭湖生態經濟區劃分為水土流失高風險和低風險地區(圖3)。

水土流失高風險地區主要分布在區域的東部和西部。區域東西部多丘陵分布，地勢起伏大，易發生水土流失；另外，諸如岳陽樓區、云溪區和津市市等經濟發展較快的城市，在城鎮化進程中人地矛盾問題凸顯，開挖邊坡等裸露面積增加，成為當地新增水土流失的主要原因。

3.3.2水土保持生態補償分區結果

將生態補償優先級與水土流失風險進行組合(表3)，可將洞庭湖生態經濟區水土保持生態補償劃分為4種類型：優先補償區、次級補償區、一般補償區和潛在補償區(圖4)。優先補償區為生態補償優先級高、水土流失風險高的區域，包括石門縣、桃源縣、安化縣和平江縣。次級補償區為生態補償優先級居中、水土流失風險高的區域，包括澧縣、臨澧縣、津市市、岳陽縣、汨羅市和臨湘市。一般補償區為生態補償優先級居中、水土流失風險低或生態補償優先級低、水土流失風險高的區域，包括鼎城區、漢壽縣、桃江縣、岳陽樓區和云溪區。潛在補償區為生態補償優先級低、水土流失風險低的區域，包括君山區、華容縣、湘陰縣、武陵區、安鄉縣、南縣、沅江市、資陽區、赫山區、望城區。

表3 考慮水土流失風險的生態補償區劃Table 3 Ecological compensation zoning considering the risk of soil erosion

3.3.3水土保持生態補償區域特征分析

由表4可知，優先補償區的補償面積、水土保持價值和水土流失面積均為4類補償區的最大值。優先補償區面積為17 476 km2，覆蓋區域土地面積的1/3。水土保持價值高達433.802 7億元，占比為67.57%；而經濟生產總值僅占11.66%，該區域高價值的“綠水青山”未能有效轉為“金山銀山”。對這一區域優先進行補償，能很大程度地改善環境狀況，提高土地生產力，帶動區域經濟發展。另外，優先補償區主要分布在洞庭湖生態經濟區的東西邊緣地帶，地勢起伏大，水土流失風險高，其水土流失面積占比高達63.08%。如果不做人為干預，水土在自然移動過程中可能會隨時間對其他區域產生持續的、甚至不可逆的影響。因此，該區域不僅著眼于保有本區較高的生態服務價值和可能提升的生產性價值，它還具有維系或提高整個洞庭湖生態經濟區生產力的作用。在資金有限的情況下，這些縣(市、區)應優先或給予更多資金補助。

表4 生態補償區劃特征Table 4 Characteristics of ecological compensation zoning

次級補償區水土保持價值和水土流失面積僅次于優先補償區。次級補償區水土保持價值總計為92.865 0億元，占比為14.47%；受地勢影響，該區域水土流失較為嚴重，占整個區域水土流失面積的23.87%。該區域經濟發展處于中等水平，具有很大的發展潛力，水土流失不應成為制約其經濟發展的因素。在保證優先補償區得到必要補償后，對次級補償區給予一定的補償是可取的。

一般補償區和潛在補償區主要分布在洞庭湖生態經濟區的中部，土地面積占整個生態經濟區的42%；經濟生產總值占比高達69.68%，經濟發展貢獻率高。該區域地處平原地帶，水土流失風險低，水土流失面積僅占13.05%。工業化和城市化水平高，林地分布少，水土保持價值較低，僅為115.321 0億元，占比為17.96%。一般補償區和潛在補償區都屬于低效補償區，在資金十分充足條件下才考慮對上述區域進行補償。

需要說明的是，桃江縣生態補償優先級僅次于優先補償區的4縣，水土保持價值高，經濟發展較為落后，但考慮到其水土流失不嚴重，生態系統對外界干擾具有較強的抵抗力，不予補償也能保持現有高水土保持價值；岳陽樓區和云溪區則屬于水土流失風險和經濟發展水平高、但水土保持價值低的地區，對其支付的金額可能不足以引起期望的土地保護活動。考慮到上述2種無效補償情況，將桃江縣、岳陽樓區和云溪區劃入一般補償區。

4 討論

生態系統服務價值的定量化評估是進行生態環境管理的前提，也是生態補償的基礎[24]。水土保持服務依托于生態系統的內在功能，其價值的高低很大程度上取決于區域自然條件。就洞庭湖生態經濟區而言，西部和東南部屬于山地、丘陵地形，林地分布廣泛，植被覆蓋率高，水土保持價值高；而中部為平原地帶，多為耕地和建設用地，植被覆蓋率較低，水土保持價值低。因此，著眼于生態系統具備的自然屬性，生態補償區域識別需首要考慮水土保持價值。

生態補償的初衷是經濟發達地區要通過生態補償資金反哺經濟落后地區[25]。依據生態補償優先級劃分的1級和2級區多屬于生態輸出區與經濟受損區：經濟增長受資源環境約束較大，為保護生態犧牲了一定的發展機會和經濟利益；3級區則是典型的生態消費者和經濟受益者：經濟發展受資源環境影響較小，對生態服務的需求量遠高于供給量[26-28]。根據受益者支付原則，3級區應拿出部分經濟收益作為水土保持生態補償項目的儲備基金，通過一定額度的補償，助推1級和2級區實現生態價值向經濟價值的高質量轉變，實現洞庭湖生態經濟區綠色發展。

自然地理條件對社會-生態系統的構成和分布有著重要影響[29]。優先補償區和次級補償區主要分布在區域的東西部：東西部多山地丘陵分布，植被覆蓋率高，水土保持價值高；受地勢影響，水土流失風險高，生態系統較為脆弱；受地形限制，建設用地擴張受阻，經濟落后。從社會-生態系統的動態演化來看，洞庭湖生態經濟區東西部因水土流失風險高，已構成生態補償的現實迫切性。若這種現實與潛在風險不及時遏制，未來可能對生態經濟區的其他區域(如中部)產生負面影響，進而造成全區生態服務功能的惡化。因此，洞庭湖生態經濟區內部之間應打破行政壁壘，構建全區域的生態補償機制。

5 結論

(1)2015年洞庭湖生態經濟區水土保持價值為641.988 7億元，水土保持價值在空間分布上表現為中部低、東西部高。各縣(市、區)水土保持價值差異明顯，最高的安化縣為170.654 9億元，是價值最低的石門縣的數百倍。這種差異受制于生態系統的自然屬性，是生態補償優先區域識別的首要考慮因素。

(2)水土保持價值越高并非一定是生態補償的優先區域，還需納入經濟發展水平來衡量獲取補償的迫切度。依據生態補償優先級，將洞庭湖生態經濟區劃分為3種補償優先等級區。1級和2級區大多屬于生態輸出區和經濟受損區；3級區多屬于生態消費區和經濟受益區。

(3)將生態補償優先級和生態系統脆弱性進行組合，最終將洞庭湖生態經濟區劃分為4類補償區。優先補償區和次級補償區土地覆蓋面積廣、水土保持價值貢獻率高、水土流失風險高、經濟發展落后，是生態補償項目的主體，應優先或以更多資金給予補助；一般補償區和潛在補償區屬低效補償區，在資金十分充足的情況下，才考慮進行補償。