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        京津冀SO2區(qū)域調(diào)控生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究

        2024-04-09 06:46:28孟家興
        云南化工 2024年3期
        關(guān)鍵詞:吸收能力農(nóng)作物京津冀

        熊 都,孟家興

        (中煤科工集團(tuán)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(jì)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(yán)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(yán)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(dá)標(biāo)。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??偭靠刂?、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(dá)標(biāo)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(xué)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(jì)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(xiàn)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(bǔ)償機(jī)制是區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵,區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償數(shù)量計算和確定是區(qū)際生態(tài)補(bǔ)償前提,是決定是否順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。金波對區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)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(jìn)行對比,得到京津冀以SO2調(diào)控為目的的生態(tài)補(bǔ)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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(bǔ)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(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)判斷公式和補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償,若E<0,則說明該地區(qū)應(yīng)該支付補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)入植物內(nèi)部后,經(jīng)過轉(zhuǎn)移和同化作用被固定在細(xì)胞組織內(nèi),在植物內(nèi)部的細(xì)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(xì)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(dá)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(dá)到疏林地林分密度標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)SO2劑量達(dá)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(dāng)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行對較,求得某地區(qū)相應(yīng)年份SO2的沉降量,表達(dá)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??梢酝ㄟ^科學(xué)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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(bǔ)償

        京津冀區(qū)SO2凈化服務(wù)生態(tài)盈余量和生態(tài)補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償金額達(dá)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償,得到2014年,北京市和河北省理論上應(yīng)得到的生態(tài)補(bǔ)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(bǔ)償金額為8070萬元。可以由京津冀區(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(bǔ)償基金,用以聯(lián)防聯(lián)控京津冀區(qū)的SO2污染。

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