水土保持生态补偿优先区域的空间识别:以洞庭湖生态经济区为例

李 姣，李 朗，汪 杰，周翠烟，牛 潜，张灿明，田书荣

(1.湖南师范大学商学院，湖南 长沙 410081；2.宏观经济大数据挖掘与应用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410081；3.广州市天则区域发展研究中心，广东 广州 510000；4.中国矿业大学公共管理学院，江苏 徐州 221116；5.亚欧水资源研究和利用中心，湖南 长沙 410013；6.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

人类与环境相互作用形成了具有复杂性、非线性和不确定性等特性的社会-生态系统，这给实现社会与生态的协调发展和有机统一带来了挑战[1]。为应对该挑战，习近平总书记提出了“两山”理念。生态补偿是贯彻这一理念的重要实践，它是买卖双方就生态产品或服务的价值进行的一种自愿交易，是科斯定理在生态环境保护领域的具体应用，也是实现生态服务价值的有效途径[2-3]。生态补偿在森林、草原、湿地和流域等区域均有实践，已成为保护或者恢复生态系统功能的主要政策工具[4-5]。在水土保持领域，我国以征收水土保持补偿费作为生态补偿的主要形式。那么，如何有效识别这一补偿费支付的优先区域以提高补偿效率，成为优化政府专项资金使用以及完善生态补偿实践的核心问题。

已有研究在考虑区域间自然条件、经济发展等差异性的情况下，证实了将资金更多地分配到生态服务价值高和发展水平低的地区会显著改善生态补偿效率[6-7]。基于此，生态补偿优先级(ecological compensation priority sequence, ECPS)被广泛应用于补偿区域的空间选择中[8-10]。其基本思想是根据区域生态服务价值和GDP水平，综合判断生态补偿的迫切度，以确定各区域补偿的先后顺序[11]。然而，在系统远程耦合理论框架下社会-生态系统的结构和功能是动态变化的，当变化超过系统阈值将会发生稳态转换，从而可能导致系统陷入不良状态或社会-生态贫困陷阱，甚至触发导致系统其他功能或外部系统崩溃的级联效应[12]。因此，从长期看，为防止给临近和远距离的生态系统造成难以预料的影响，更系统地恢复受损生态，越来越多的学者将生态系统脆弱性纳入生态补偿区域空间选择研究中[13-15]。这一概念常用来描述相关系统及其组成要素易受影响和破坏，并缺乏抗拒干扰和恢复初始状态的能力[16]。综合来看，生态补偿优先级仅考虑了生态系统服务价值和经济发展水平，而将生态系统脆弱性纳入空间识别的研究又多注重生态系统的自然特征，忽略区域自身的财政补偿能力。按上述2种方法识别均会影响分区结果的准确性。

2014年《洞庭湖生态经济区规划》获国务院批复，标志着洞庭湖生态经济区的发展上升为国家战略，必须走生态优先、绿色发展的道路。洞庭湖生态经济区作为一个复杂的社会-生态系统，其自然地理特征和社会经济水平在空间上分布不均，相应的补偿资金分配也应有所不同。鉴于此，该文以洞庭湖生态经济区为研究对象，从行政区县尺度综合考虑生态系统服务价值、经济发展水平和生态系统脆弱性，识别补偿支付的优先区域，克服已有研究仅考虑某1种或2种要素的问题，使研究结果更接近客观真实，为研究区域的政府决策提供更科学的依据，同时为其他区域生态补偿的空间选择提供参考。

1 研究区概况

洞庭湖生态经济区包括湖南省岳阳市、常德市、益阳市、长沙市望城区和湖北省荆州市，该研究仅选取湖南省部分(27°58′～30°08′ N，110°27′～114°13′ E)。研究区位于长江流域中游，区域总面积为4.66万km2。洞庭湖生态经济区中部以平原为主，四周多丘陵分布。研究区属亚热带季风湿润气候区，光热充足，降雨集中在夏季，洪涝灾害频繁，洪水挟带大量泥沙，使得该区域面临很大的水土流失风险。区域内的土壤主要以河流冲积、湖积物为主，土壤湿润。洞庭湖水系纵横交错，吞吐长江，汇集湘江、资江、沅江、澧江等周边来水，丰富的来水带来大量的泥沙淤积。生态经济区内分布有较多的饮用水水源地、湿地公园等具有重要生态功能的区域，对水土保持防治标准及工作要求都很高。

根据2015年湖南省第3次土壤侵蚀遥感调查，洞庭湖生态经济区土壤侵蚀面积达5 332.31 km2，占地区总面积的11.89%。随着近年生产建设项目的增多，城市市政建设的加快，水土流失仍是地区发展较为严峻的环境问题。同时，洞庭湖生态经济区作为长江经济带的重要一环，又承担着国家商品粮基地的角色，开展水土保持生态补偿不仅有利于促进区域经济的可持续发展，在保障长江流域生态安全和国家粮食安全方面也发挥着重要作用。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1水土保持价值计算

运用生态系统服务评估与权衡模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs，InVEST)计算水源涵养量和土壤保持量，参考相关方法将其分别价值化，最终加总即得到水土保持服务价值。

V总=V水+V土。

(1)

式(1)中，V总为水土保持总价值，元；V水为水源涵养价值，元；V土为土壤保持价值，元。

(1)水源涵养价值

结合产水量，考虑地形指数、土壤饱和导水率和流速系数，计算水源涵养量。

(2)

式(2)中，W为水源涵养量，m3；V为流速系数；T为地形指数；Ksat为土壤饱和导水率，mm·d-1；Y为产水量，m3。

水源涵养价值最终需要反映其对人类生活的增益，市场价格法可用来反映公众对此服务的偏好和支付意愿[17]。在此，选定居民生活用水价格来量化该指标。

V水=W×P水。

(3)

式(3)中，P水为居民生活用水价格，元·t-1。

(2)土壤保持价值

基于传统通用土壤流失方程(RUSLE)，考虑下垫面自身对泥沙持留等因素，计算土壤保持服务量。

Q=R×K×L×(1-C×P)+D。

(4)

式(4)中，Q为栅格单元的土壤保持量，t；R为降雨侵蚀力，MJ·mm·hm-2·h-1；K为土壤可蚀性，t·h·MJ-1·mm-1；L为坡度坡长因子；C为植被覆盖与作物管理因子；P为水土保持因子；D为泥沙持留量，t。

土壤保持存在3个层面的价值：固土、保肥和减少泥沙淤积。土壤保持总价值即为这3项价值之和。参考相关价值化方法[18]：固土价值评估采用机会成本法，当土壤保持发生损失时，植物的生长失去了基本载体，损失了林业带来的收益，故采用牺牲的林业发展价值测算；土壤中的营养物质主要包括氮、磷、钾，水土流失造成营养物质的大量损失，要保持土壤养分不变就必须增施相应的化学肥料，故用化肥市场价格来估算保肥价值；运用影子工程法评估减少泥沙淤积价值，以泥沙淤积而造成的损失计算。

V土=V固土+V保肥+V减泥，

(5)

(6)

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

1.6.1 色谱条件。色谱柱为Infinity Lab Poroshell 120 EC-C18色谱柱(4.6 mm×100 mm，2.7 um)；柱温40 ℃；流速0.5 mL/min；进样量1.0 μL。流动相为0.1%甲酸水(A)与乙腈(B)；梯度洗脱，其程序见表1。

(7)

V减泥=Q/∂×C。

(8)

式(5)～(8)中，V固土为固土价值，元；V保肥为保肥价值，元；V减泥为减少泥沙淤积价值，元；S为减少的土地面积，hm2；P林为林业年均收益，元·hm-2·a-1；∂为土壤容重，t·m-3；h为土壤厚度，cm；α为某养分(下标N、P、K分别代表氮、磷、钾)在土壤中的含量，%；β为某养分在其合成化肥中的含量，%；P11为磷酸二铵化肥价格，元·t-1；P12为氯化钾化肥价格，元·t-1；C为库容清除泥沙成本，元·m-3。

2.1.2水土保持生态补偿优先级计算

借鉴生态补偿优先级(ECPS)[11]，考虑地区经济生产总值来衡量补偿能力，从需求方测算各地区生态补偿的迫切程度。

Ei=vi/qi。

(9)

式(9)中，Ei为某地区水土保持生态补偿优先级；vi为某地区单位面积水土保持服务价值，元·km-2；qi为某地区单位面积生产总值，元·km-2。Ei越大，说明获得补偿资金后对该地区影响较大，环境改善越明显，获得生态补偿资金的迫切度越高；反之，则说明该地区获得生态补偿资金的迫切度较低。

2.1.3生态系统脆弱性指标的选取

生态系统脆弱性主要是针对全球气候变化扰动下与自然灾害有关的脆弱性[19]。与水土保持相关的自然灾害主要是水土流失。水土流失越频发，自然或社会因素所形成的区域系统对外界极端气候或人为活动等越敏感，应对灾害能力越弱；同时也会增加水土保持建设的成本，损失越大，水土保持功能越脆弱。因此，参考《湖南省水土规划》公布的2015年各县(市、区)水土流失面积占比来衡量生态系统脆弱性。

2.2 数据来源

表1 价值化参数说明Table 1 Description of valuation parameters

3 结果与分析

3.1 水土保持价值

2015年洞庭湖生态经济区水土保持价值为641.988 7亿元，其中，水源涵养价值为415.169 7亿元，土壤保持价值为226.819 1亿元。洞庭湖生态经济区水土保持价值空间分布不均，表现为由中部地区向外围递增。水土保持价值最高的为安化县，达170.654 9亿元，占整个生态经济区水土保持价值的27%；最低的为武陵区，仅为1.892 4亿元，与最高的安化县价值相差百倍。基于此，按照几何间隔法，剔除行政区面积因素，以单位面积水土保持价值152.272 8、65.482 4、28.917 1万元·km-2为断点，将洞庭湖生态经济区划分为水土保持价值高值、中值和低值区(图1)。水土保持价值高值区主要分布在区域西部和东南部的安化县、桃源县、石门县、桃江县和平江县；水土保持价值中值区主要分布在南部和中部的望城区、赫山区、鼎城区、武陵区、临澧县、澧县、津市市、临湘市、岳阳县和汨罗市；岳阳楼区、君山区、南县和沅江市等中部大部分区域则为水土保持价值低值区。西部和东南部林地分布广泛，植被覆盖率高，水源涵养和土壤保持能力强，水土保持价值高；而中部主要以耕地和水域为主，植被覆盖率较低，水源涵养和土壤保持能力弱，水土保持价值低。

3.2 水土保持生态补偿优先级

引入生态补偿优先级来分析各区县生态补偿的迫切程度(表2)。生态补偿优先级最高的是安化县，为0.975 1，安化县单位面积水土保持价值最高，为345.106 1万元·km-2；单位面积生产总值最低，仅为353.934 7万元·km-2，因此补偿需求最为迫切。排名最后的为武陵区，生态补偿优先级为0.001 7，虽然其单位面积水土保持价值处于中等水平，为65.482 4万元·km-2，但因单位面积生产总值达37 914.294 1万元·km-2，远高于其他县(市、区)。由此看来，水土保持价值越高的区域并非生态补偿政策的优先选择对象，经济发展水平也不容忽视。类似的还有赫山区和望城区，因经济发展较好，政府财政能力相对充足，获取生态补偿迫切度低。

表2 各县(市、区)水土保持生态补偿优先级排序Table 2 Ranking of soil and water conservation ECPS in all counties

按照几何间隔分类法，以生态补偿优先级0.309 6、0.032 4、0.001 7为断点，将洞庭湖生态经济区水土保持生态补偿优先级划分为3类(图2)。1级区主要分布在区域的西部和东南部，水土保持服务价值高，经济发展水平落后，急需获得生态补偿；3级区主要分布在中部地区，水土保持服务价值低，经济发展水平高，获取生态补偿资金迫切度低；2级区介于1级区和3级区之间分布，水土保持服务价值和经济发展均处于中等水平，获取生态补偿的迫切度居中。

3.3 水土保持生态补偿区域划分

3.3.1水土流失风险划分

鉴于社会-生态系统的复杂和不确定等特性，除考虑水土保持价值和经济发展水平这2种因素外，还需要将以水土流失风险表征的生态系统脆弱性纳入决策。按照几何间隔法，以8.9%和0.2%为断点，将洞庭湖生态经济区划分为水土流失高风险和低风险地区(图3)。

水土流失高风险地区主要分布在区域的东部和西部。区域东西部多丘陵分布，地势起伏大，易发生水土流失；另外，诸如岳阳楼区、云溪区和津市市等经济发展较快的城市，在城镇化进程中人地矛盾问题凸显，开挖边坡等裸露面积增加，成为当地新增水土流失的主要原因。

3.3.2水土保持生态补偿分区结果

将生态补偿优先级与水土流失风险进行组合(表3)，可将洞庭湖生态经济区水土保持生态补偿划分为4种类型：优先补偿区、次级补偿区、一般补偿区和潜在补偿区(图4)。优先补偿区为生态补偿优先级高、水土流失风险高的区域，包括石门县、桃源县、安化县和平江县。次级补偿区为生态补偿优先级居中、水土流失风险高的区域，包括澧县、临澧县、津市市、岳阳县、汨罗市和临湘市。一般补偿区为生态补偿优先级居中、水土流失风险低或生态补偿优先级低、水土流失风险高的区域，包括鼎城区、汉寿县、桃江县、岳阳楼区和云溪区。潜在补偿区为生态补偿优先级低、水土流失风险低的区域，包括君山区、华容县、湘阴县、武陵区、安乡县、南县、沅江市、资阳区、赫山区、望城区。

表3 考虑水土流失风险的生态补偿区划Table 3 Ecological compensation zoning considering the risk of soil erosion

3.3.3水土保持生态补偿区域特征分析

由表4可知，优先补偿区的补偿面积、水土保持价值和水土流失面积均为4类补偿区的最大值。优先补偿区面积为17 476 km2，覆盖区域土地面积的1/3。水土保持价值高达433.802 7亿元，占比为67.57%；而经济生产总值仅占11.66%，该区域高价值的“绿水青山”未能有效转为“金山银山”。对这一区域优先进行补偿，能很大程度地改善环境状况，提高土地生产力，带动区域经济发展。另外，优先补偿区主要分布在洞庭湖生态经济区的东西边缘地带，地势起伏大，水土流失风险高，其水土流失面积占比高达63.08%。如果不做人为干预，水土在自然移动过程中可能会随时间对其他区域产生持续的、甚至不可逆的影响。因此，该区域不仅着眼于保有本区较高的生态服务价值和可能提升的生产性价值，它还具有维系或提高整个洞庭湖生态经济区生产力的作用。在资金有限的情况下，这些县(市、区)应优先或给予更多资金补助。

表4 生态补偿区划特征Table 4 Characteristics of ecological compensation zoning

次级补偿区水土保持价值和水土流失面积仅次于优先补偿区。次级补偿区水土保持价值总计为92.865 0亿元，占比为14.47%；受地势影响，该区域水土流失较为严重，占整个区域水土流失面积的23.87%。该区域经济发展处于中等水平，具有很大的发展潜力，水土流失不应成为制约其经济发展的因素。在保证优先补偿区得到必要补偿后，对次级补偿区给予一定的补偿是可取的。

一般补偿区和潜在补偿区主要分布在洞庭湖生态经济区的中部，土地面积占整个生态经济区的42%；经济生产总值占比高达69.68%，经济发展贡献率高。该区域地处平原地带，水土流失风险低，水土流失面积仅占13.05%。工业化和城市化水平高，林地分布少，水土保持价值较低，仅为115.321 0亿元，占比为17.96%。一般补偿区和潜在补偿区都属于低效补偿区，在资金十分充足条件下才考虑对上述区域进行补偿。

需要说明的是，桃江县生态补偿优先级仅次于优先补偿区的4县，水土保持价值高，经济发展较为落后，但考虑到其水土流失不严重，生态系统对外界干扰具有较强的抵抗力，不予补偿也能保持现有高水土保持价值；岳阳楼区和云溪区则属于水土流失风险和经济发展水平高、但水土保持价值低的地区，对其支付的金额可能不足以引起期望的土地保护活动。考虑到上述2种无效补偿情况，将桃江县、岳阳楼区和云溪区划入一般补偿区。

4 讨论

生态系统服务价值的定量化评估是进行生态环境管理的前提，也是生态补偿的基础[24]。水土保持服务依托于生态系统的内在功能，其价值的高低很大程度上取决于区域自然条件。就洞庭湖生态经济区而言，西部和东南部属于山地、丘陵地形，林地分布广泛，植被覆盖率高，水土保持价值高；而中部为平原地带，多为耕地和建设用地，植被覆盖率较低，水土保持价值低。因此，着眼于生态系统具备的自然属性，生态补偿区域识别需首要考虑水土保持价值。

生态补偿的初衷是经济发达地区要通过生态补偿资金反哺经济落后地区[25]。依据生态补偿优先级划分的1级和2级区多属于生态输出区与经济受损区：经济增长受资源环境约束较大，为保护生态牺牲了一定的发展机会和经济利益；3级区则是典型的生态消费者和经济受益者：经济发展受资源环境影响较小，对生态服务的需求量远高于供给量[26-28]。根据受益者支付原则，3级区应拿出部分经济收益作为水土保持生态补偿项目的储备基金，通过一定额度的补偿，助推1级和2级区实现生态价值向经济价值的高质量转变，实现洞庭湖生态经济区绿色发展。

自然地理条件对社会-生态系统的构成和分布有着重要影响[29]。优先补偿区和次级补偿区主要分布在区域的东西部：东西部多山地丘陵分布，植被覆盖率高，水土保持价值高；受地势影响，水土流失风险高，生态系统较为脆弱；受地形限制，建设用地扩张受阻，经济落后。从社会-生态系统的动态演化来看，洞庭湖生态经济区东西部因水土流失风险高，已构成生态补偿的现实迫切性。若这种现实与潜在风险不及时遏制，未来可能对生态经济区的其他区域(如中部)产生负面影响，进而造成全区生态服务功能的恶化。因此，洞庭湖生态经济区内部之间应打破行政壁垒，构建全区域的生态补偿机制。

5 结论

(1)2015年洞庭湖生态经济区水土保持价值为641.988 7亿元，水土保持价值在空间分布上表现为中部低、东西部高。各县(市、区)水土保持价值差异明显，最高的安化县为170.654 9亿元，是价值最低的石门县的数百倍。这种差异受制于生态系统的自然属性，是生态补偿优先区域识别的首要考虑因素。

(2)水土保持价值越高并非一定是生态补偿的优先区域，还需纳入经济发展水平来衡量获取补偿的迫切度。依据生态补偿优先级，将洞庭湖生态经济区划分为3种补偿优先等级区。1级和2级区大多属于生态输出区和经济受损区；3级区多属于生态消费区和经济受益区。

(3)将生态补偿优先级和生态系统脆弱性进行组合，最终将洞庭湖生态经济区划分为4类补偿区。优先补偿区和次级补偿区土地覆盖面积广、水土保持价值贡献率高、水土流失风险高、经济发展落后，是生态补偿项目的主体，应优先或以更多资金给予补助；一般补偿区和潜在补偿区属低效补偿区，在资金十分充足的情况下，才考虑进行补偿。