杜賀秋,于 鑠,張蓬濤,3,*,張路路

1 河北農業(yè)大學鄉(xiāng)土文化與鄉(xiāng)村治理研究中心,保定 071001 2 河北農業(yè)大學國土資源學院,保定 071001 3 河北省農田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，保定 071001 4 河北經貿大學旅游學院,石家莊 050061

生態(tài)系統(tǒng)服務(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品和服務[1],生態(tài)系統(tǒng)服務作為連接自然與社會生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,成為當前社會-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動發(fā)生流動的水源涵養(yǎng)服務是生態(tài)系統(tǒng)服務的重要功能之一。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狀,使得人們逐漸意識到生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務對于人類福祉的重要性。保護水生態(tài)刻不容緩,而生態(tài)補償是達到這一目標所采取的必要政策手段。

補償標準的確定是生態(tài)補償的核心內容[2—3],科學制定補償標準有利于生態(tài)效益、社會接受性、經濟可行性的協(xié)同和統(tǒng)一。補償標準的高低受到諸多因素影響,總結當前生態(tài)補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],通過計算生態(tài)足跡,確定不同區(qū)域生態(tài)資源消費的生態(tài)赤字或生態(tài)盈余,進而確定生態(tài)補償標準[5—6]。該方法假設偏多,忽略經濟、社會層面的影響,使得測算結果偏高。(2)機會成本法。機會成本反映了生態(tài)系統(tǒng)服務供給區(qū)為保護生態(tài)功能而放棄或損失發(fā)展經濟機會的代價。國外測算通常以投入的直接成本為依據[7],而國內通常以保護生態(tài)資源投入的直接成本與喪失發(fā)展的機會成本之和來確定補償標準[8],更適用于社會、經濟效益不能直接估算的情形。(3)基于支付意愿的條件價值評估法。該方法可以體現出生態(tài)補償主客體愿意接受的補償水平,由于充分考慮補償支付雙方的意愿,提升了生態(tài)補償可實施性,但受利益相關者認知和教育水平等的影響較大[9—10]。(4)生態(tài)系統(tǒng)服務價值法。以Costanza 等[1]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的測算方法為依據,根據不同地域生態(tài)價值的時空變化量確定生態(tài)補償額度,核算對象包括物質量和價值量,物質量計算模型通常有InVEST、IBIS、CASA、RUSLE 等[11],價值量計算的方法通常有市場價值法、造林成本法、影子工程法、替代成本法等[12],但測算結果普遍偏高[13]。(5)基于生態(tài)系統(tǒng)服務空間流動的評估方法。該方法可以從生態(tài)系統(tǒng)服務流動軌跡、方向和傳遞過程展開研究,進而提高生態(tài)補償測算的準確性[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)服務供給到需求的流量和流動路徑[15],但因需要龐大的數據支撐未得到廣泛應用,且針對單一服務的研究幾乎沒有[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]。國內生態(tài)系統(tǒng)服務流動的相關理論和應用同樣處于摸索期,開發(fā)的模型主要有改進的生態(tài)足跡模型[6]、多區(qū)域投入產出模型[18]、基于價值轉移的斷裂點公式和場強模型[14]。生態(tài)系統(tǒng)服務流動具有明顯的區(qū)域性,但生態(tài)系統(tǒng)服務流動區(qū)域和行政區(qū)劃的不一致性嚴重限制了補償政策的制定。而斷裂點公式和場強模型能夠以行政區(qū)為單元開展生態(tài)系統(tǒng)服務空間流動研究[19—20]。李紅艷[21]、劉某承[19]等學者在估算水源涵養(yǎng)、土壤保持和固碳釋氧等生態(tài)系統(tǒng)服務價值的基礎上,通過斷裂點公式和場強模型分析了生態(tài)系統(tǒng)服務價值在行政區(qū)間的空間流動。這對區(qū)際橫向生態(tài)補償具有重要參考價值。

城市群是推進城鎮(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)略實施以來,因地區(qū)之間發(fā)展差距較大,且受經濟利益博弈的影響,以及生態(tài)補償的定量分析困難且補償標準難以精準確定等原因,導致除一些補償邊界明顯的區(qū)域外,京津冀地區(qū)生態(tài)補償的落實并不到位。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、水量實施了生態(tài)補償,取得一定成效,但在推動其他流域全面落實生態(tài)補償還任重而道遠[24]。水源涵養(yǎng)服務對改善水文狀況、調節(jié)區(qū)域水分循環(huán)發(fā)揮著關鍵作用[25],通過科學測算水源涵養(yǎng)生態(tài)補償額度,推動實現京津冀地區(qū)用水安全。因此,本研究以2005年、2010年、2018年三期數據為基礎,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)價值量,利用斷裂點公式和場強模型分析了水源涵養(yǎng)服務流動特征,并基于流動價值與價值影響因子構建了水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型,得到京津冀各區(qū)域水源涵養(yǎng)服務補償額度,為落實京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)生態(tài)補償制度提供參考依據。

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

1 研究區(qū)概況與數據來源

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省市,轄200個縣市區(qū),是我國重要的政治、經濟和文化中心,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濟發(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 數據來源與處理

本研究的數據來源如表1所示。其中,土地利用/覆被參照中國科學院的“土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數據分類系統(tǒng)”劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地,因建設用地不產生水源涵養(yǎng)價值,故不參與評價。其他相關參數則通過對獲取的原始數據的計算和處理得到。

2 研究方法

2.1 技術路線

本文的技術路線(圖2)可分為價值流動分析和橫向生態(tài)補償兩部分。價值流動分析是用于計算水源涵養(yǎng)服務價值轉移量,首先利用InVEST模型和影子工程法計算水源涵養(yǎng)服務價值量,在此基礎上確定價值輸出區(qū),并通過斷裂點公式和場強模型計算出價值轉移量。橫向生態(tài)補償則基于地理探測器探測到的主導因子對價值轉移量的系數修正構建水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型,計算水源涵養(yǎng)服務補償金。

表1 數據獲取及說明

圖2 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務流動分析及生態(tài)補償的技術路線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)服務價值的計算

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

(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；Ksat為土壤飽和導水率,mm/d,通過SPAW軟件計算得到；TI為地形指數；DrainageArea為集水區(qū)柵格數量；SoilDepth為土壤深度,mm；PercentSlope為百分比坡度。

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

E=aV

(4)

式中：E為水源涵養(yǎng)價值量,單位為元；a為單位體積水庫造價,該值參考DB11/T1009—2014《林業(yè)生態(tài)工程生態(tài)效益評價技術規(guī)范》,2005年的單位庫容造價成本為6.11元/m3,而到2018年固定資產價格指數增長了37.32%,則2018年的單位庫容造價成本為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)中的產水模塊估算。

2.3 水源涵養(yǎng)服務流動輸出區(qū)的確定

本文以2.2(1)中的物質量作為水源涵養(yǎng)服務的供給量,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)服務的需求量,引入生態(tài)系統(tǒng)服務供需比(ESDR)表征京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務的供需狀態(tài),當ESDR<0時,為水源涵養(yǎng)服務赤字狀態(tài),當ESDR=0時,為水源涵養(yǎng)服務供需平衡狀態(tài),當ESDR>0時,為水源涵養(yǎng)服務盈余狀態(tài)。并將各流域內水源涵養(yǎng)服務處于盈余狀態(tài)的縣(區(qū))作為輸出區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)服務供需比(ESDR)的計算公式[27]如下：

(5)

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

2.4 水源涵養(yǎng)服務流動評估

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

水源涵養(yǎng)服務價值流轉的斷裂點公式[29—30]為：

(6)

式中：Dp為各流域內水源涵養(yǎng)服務價值輸出區(qū)核心到斷裂點的距離,即流轉半徑;Ddp為各流域內輸出區(qū)核心到消費區(qū)核心之間的距離;Nd為各流域內消費區(qū)水源涵養(yǎng)服務價值;Np為各流域內輸出區(qū)水源涵養(yǎng)服務價值。根據求出的斷裂點距離,利用ArcGIS中的緩沖區(qū)工具和疊加工具,計算得到輸出區(qū)到消費區(qū)水源涵養(yǎng)服務價值的流轉面積S。

場強公式[30—31]為：

(7)

式中：Idp為各流域內輸出區(qū)p水源涵養(yǎng)服務價值向消費區(qū)d轉移的流轉強度,元/hm2。

進一步得到各流域內輸出區(qū)流轉到消費區(qū)的水源涵養(yǎng)服務價值量：

Vdp=kSIdp

(8)

式中：Vdp為各流域內輸出區(qū)p流轉到消費區(qū)d的水源涵養(yǎng)服務價值量；k為水源涵養(yǎng)服務自然流轉影響因子,取值為0—1,參考已有研究標準[21,30—32](一般取值0.6),考量到京津冀地區(qū)水介質傳遞的阻力,本研究k同樣取0.6；S是水源涵養(yǎng)服務價值的流轉面積。

2.5 水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型的構建

水源涵養(yǎng)服務價值作為生態(tài)系統(tǒng)服務價值中的一部分,其變化受到多種因素的影響,主要分為自然因素、經濟因素和社會因素三類。本研究參照相關研究成果[33—36],并遵循數據的可獲取性原則,構建了京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價值初選影響因子,如表2所示。地理探測器是測度兩變量間因果關系的空間分析模型,并可以規(guī)避在解釋因變量時因初選因子較多導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,識別主導因子與無效因子。

表2 京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價值初選影響因子

基于地理探測器探測出的主導因子,通過各縣(區(qū))影響水源涵養(yǎng)服務價值的主導因子值與京津冀地區(qū)該因子的平均值的比值,對轉移至各縣(區(qū))的水源涵養(yǎng)價值進行系數修正,來構建水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型,得到京津冀各縣(區(qū))需要支付的補償金額,計算公式如下：

(9)

3 結果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)服務價值的時空分布

通過公式(1)—(4)計算得到京津冀地區(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”防護林、退耕還林、太行山綠化和生態(tài)農業(yè)等生態(tài)建設的重要成效,以及年降水量增加帶來的結果。從各用地類型的水源涵養(yǎng)總價值來看,京津冀地區(qū)耕地、林地、草地和未利用地的水源涵養(yǎng)價值均存在不同程度的增加,水域的水源涵養(yǎng)價值則表現為“V”字型變化。其中林地的水源涵養(yǎng)價值最大且增加值最多。從各用地類型的水源涵樣服務單位面積價值來看,林地提供水源涵養(yǎng)服務的能力最高,對水源涵養(yǎng)服務價值具有突出貢獻。

表3 不同年份各土地利用類型水源涵養(yǎng)價值量及其變化

基于柵格計算了京津冀地區(qū)2005—2018年的水源涵養(yǎng)價值,得到了研究區(qū)水源涵養(yǎng)價值的空間分布,如圖3所示。2005—2018年京津冀地區(qū)的水源涵養(yǎng)價值總體上呈現“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)價值較燕山山脈略有降低,但水源涵養(yǎng)價值依然呈現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)價值變化特征,本研究通過土地利用轉移矩陣方法計算各類用地的轉換面積,進一步得到水源涵養(yǎng)價值在2005—2018年間的變化量,結果如圖4所示。

由圖4可知,水源涵養(yǎng)價值量變化區(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)生在林地內部,地處燕山山脈部分的林地價值量增加較多,位于太行山脈部分的林地價值量有所減少,這可能是受海陸風環(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)農業(yè)的成效。而由土地利用/覆被變化導致的水源涵養(yǎng)價值量變化較少,且主要引起的是水源涵養(yǎng)價值量的增加。其中,林地轉變?yōu)椴莸?、耕地增加的水源涵養(yǎng)價值較多,分別為45603.60萬元、14753.91萬元。綜合分析,研究期內水源涵養(yǎng)價值以在林地、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)價值。

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

3.2 水源涵養(yǎng)服務價值流動分析

3.2.1 不同流域各縣級行政區(qū)水源涵養(yǎng)價值

根據京津冀地區(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)不同流域內各縣級行政區(qū)的水源涵養(yǎng)價值,如圖5所示。

由圖5可知,從流域內各縣(區(qū))的水源涵養(yǎng)總價值來看,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。這與流域內各縣(區(qū))的用地結構有著直接關系,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)價值。而從流域內各縣(區(qū))的單位面積價值來看,2005年高值區(qū)分布在邢臺市內丘縣位于漳衛(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,研究期間流域內各縣(區(qū))水源涵養(yǎng)服務的單位面積價值高值區(qū)與總價值高值區(qū)分布有所差異,這和流域內行政區(qū)范圍大小有直接關系。

圖5 京津冀地區(qū)各流域內縣域水源涵養(yǎng)價值分布特征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)價值輸出區(qū)

以各流域內的縣(區(qū))為單元,通過公式(5)計算得到各流域內各縣(區(qū))的生態(tài)系統(tǒng)服務供需比(ESDR)。將各流域內ESDR>0的縣(區(qū))作為水源涵養(yǎng)價值流動的輸出區(qū),水源涵養(yǎng)價值輸出區(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)、內蒙古高原東部、內蒙古高原西部、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個流域存在水源涵養(yǎng)價值輸出區(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、黑龍港及運東平原、徒駭馬頰河、子牙河平原和漳衛(wèi)河平原等8個流域由于水源涵養(yǎng)服務供需處于赤字狀態(tài),均沒有水源涵養(yǎng)價值輸出區(qū)。隨著水源涵養(yǎng)價值的逐年上升,輸出區(qū)的個數也不斷增多,由2005年的29個輸出區(qū)(24個縣),增加到2010年36個輸出區(qū)(28個縣),再到2018年的36個輸出區(qū)(30個縣),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)價值輸出區(qū)與消費區(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)價值空間流動分析

將京津冀地區(qū)各流域內輸出區(qū)的水源涵養(yǎng)服務重心作為水源涵養(yǎng)價值轉移中心,并選取各流域內消費區(qū)的水源涵養(yǎng)服務重心作為輻射中心,根據公式(6)—(7),計算了2005年、2010年和2018年各流域內輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價值的流轉半徑和流轉強度(表4)。再運用ArcGIS統(tǒng)計出各流域內輸出區(qū)對消費區(qū)的影響面積,進而利用公式(8)計算出各流域內輸出區(qū)的價值轉移量(圖7)。

由表4可知,從各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價值可達縣(區(qū))最大流轉半徑來看,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)流域的最大流轉半徑保持不變；內蒙古高原東部、西拉木倫河及老哈河、內蒙古高原西部、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個流域的最大流轉半徑出現不同程度的衰減；灤河山區(qū)流域和北三河山區(qū)流域的最大流轉半徑則呈倒“V”型變化趨勢。這種變化主要受流域內輸出區(qū)和消費區(qū)水源涵養(yǎng)價值高低的影響。從各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價值可達縣(區(qū))的平均流轉強度來看,2005年、2010年和2018年子牙河山區(qū)流域和大清河山區(qū)流域的平均流轉強度有所下降；北三河山區(qū)流域、灤河平原及冀東沿海諸河流域和內蒙古高原西部流域的平均流轉強度則在不斷增加；而漳衛(wèi)河山區(qū)、灤河山區(qū)、內蒙古高原東部、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個流域的平均流轉強度呈現先增加后減少的趨勢。各流域內輸出區(qū)和消費區(qū)間的距離對平均流轉強度的大小有較大影響。

受流轉半徑的影響,發(fā)生水源涵養(yǎng)服務流動的各流域內也存在部分消費區(qū)未流入水源涵養(yǎng)價值。由圖7可知,2005—2018年京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價值轉移量的低值區(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)、內蒙古高原東部、西拉木倫及老哈河、內蒙古高原西部、沿渤海西部諸河和灤河平原及冀東沿海諸河等7個流域內；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個流域內變化。研究期間,北三河山區(qū)流域內各輸出區(qū)流向天津市薊州區(qū)的價值增長最多,2018年較2005年流入價值增加了569.16萬元；同樣也存在著價值轉移減少的情況,大清河山區(qū)流域內各輸出區(qū)流向保定市淶水縣的價值減少最多,2018年較2005年減少了99.68%。但整體來看,各流域內輸出區(qū)向消費區(qū)轉移的水源涵養(yǎng)價值呈現不斷增加的趨勢。出現這些變化的原因主要有以下幾點：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)服務價值的主體,大大提升了水源涵養(yǎng)服務價值,流轉價值也隨之增多。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)價值流動的流域內的輸出區(qū)又位于河流的上游地區(qū),水源涵養(yǎng)服務價值隨河流發(fā)生轉移。

表4 京津冀地區(qū)各流域輸出區(qū)水源涵養(yǎng)價值可達縣(區(qū))最大流轉半徑及平均流轉強度

圖7 京津冀地區(qū)各流域水源涵養(yǎng)價值轉移量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)橫向補償額度

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

表5 地理探測器探測結果

地理探測器通過q值和顯著性檢驗識別主導因子和無效因子。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)價值的解釋性較弱,故剔除這七個因子。而X1、X2、X3、X10、X11等五個因子的q值均較大且P值均通過了0.05的顯著性檢驗,說明這五個因子對影響水源涵養(yǎng)價值有一定的解釋作用。因此,選取X1、X2、X3、X10、X11這五個影響因子對水源涵養(yǎng)服務價值轉移量進行系數修正(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)、河東區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、河北區(qū)和紅橋區(qū)等9個區(qū)的土地墾殖率為0,為避免異常值在系數修正時的影響,本文將土地墾殖率為0的近似取值0.01),通過公式(9)實現水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型的構建,進而得到京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務的支付和受償金額。計算得到京、津、冀三地水源涵養(yǎng)生態(tài)補償中出資比例為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)服務補償金額最多的縣(區(qū))是天津市薊州區(qū),應支付給各輸出區(qū)共計340.95萬元；需要支付補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)價值,故無需支付補償金。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。

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

4 結論與討論

4.1 結論

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

(2)水源涵養(yǎng)服務價值的輸出區(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)、內蒙古高原東部、內蒙古高原西部、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個流域內,且研究期間輸出區(qū)的數量有所增加。

(3)受輸出區(qū)與消費區(qū)水源涵養(yǎng)價值大小及兩地間距離影響,京津冀地區(qū)各流域內輸出區(qū)可達縣(區(qū))的最大流轉半徑和平均流轉強度均出現了不同程度的變化。價值轉移量的高值區(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個流域內變化；而低值區(qū)的變化較小,主要分布在發(fā)生水源涵養(yǎng)價值轉移的其他7個流域內。但受森林覆蓋率、水系以及地形的影響,水源涵養(yǎng)服務價值轉移量總體上在不斷增加。

(4)基于水源涵養(yǎng)服務價值轉移量及地理探測器模型支持下的水源涵養(yǎng)服務價值影響因子構建了水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型。由此得出京、津、冀三地水源涵養(yǎng)生態(tài)補償中出資比例為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、經濟地位差異化的前提下,推進京津冀地區(qū)現階段橫向生態(tài)補償要解決的關鍵問題就是如何通過科學的計算制定合理的生態(tài)補償標準。京津冀地區(qū)目前水資源供給不足,且隨著該地區(qū)經濟發(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)服務在發(fā)揮攔蓄降水、調節(jié)徑流、凈化水質等功能方面效果顯著[25]。推進區(qū)域間水源涵養(yǎng)生態(tài)補償,有利于實現經濟發(fā)展與生態(tài)保護二者平衡,能更進一步促進京津冀協(xié)同發(fā)展。因此,本研究從價值流動角度出發(fā),對京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務價值進行分析,并通過構建的水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型計算出各縣(區(qū))支付的水源涵養(yǎng)服務補償金額,為京津冀地區(qū)橫向生態(tài)補償提供重要參考依據。本研究以流域內的縣級行政區(qū)為研究單元,細化了水源涵養(yǎng)服務流動和橫向補償的主體,計算結果能夠定量地反映京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)價值轉移和補償的大體趨勢,有一定的應用性,但地形等自然條件的影響以及消費區(qū)需求程度,均需在未來研究中深入思考。

同時,本文分析了水源涵養(yǎng)服務價值受土地利用/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/覆被變化產生的自然條件的影響還需更深入研究。這也涉及到場強模型中對水源涵養(yǎng)服務流動影響的自然因子k的取值,當前多為經驗值,隨著生態(tài)系統(tǒng)服務流動的深入開展,需探尋既符合實際又更為客觀的評價方法進行完善,以提高結果準確性。

再者,地理探測器識別出的主導因子對水源涵養(yǎng)服務價值具有一定的解釋能力,但解釋能力大小卻不一,本文根據這些主導因子直接確定的修正系數可能導致水源涵養(yǎng)生態(tài)補償計算結果存在一定誤差,接下來應考慮如何通過各主導因子的解釋能力確定水源涵養(yǎng)服務影響因子的權重,進而提升水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型修正系數精準度,增加水源涵養(yǎng)生態(tài)補償計算結果的準確性；同時,應思考對主導因子中出現異常值情況的解決辦法,進一步完善水源涵養(yǎng)生態(tài)補償模型。

本文嘗試探究水源涵養(yǎng)一項服務的流動性及補償金額,計算結果僅為生態(tài)補償金的一小部分；結合多種具有流動性特征的生態(tài)系統(tǒng)服務綜合測算生態(tài)補償標準,是今后研究的方向。