生态系统服务是指人类直接或者间接从生态系统功能中获得的收益, 这些收益包括影响人类生活的支持、调节、供给和文化服务4大类^[1-2]。研究者通常采用货币形式对生态系统服务的价值进行估算。随着Daily^[3]和Costanza等^[4]学者对于生态系统服务研究工作的开展及MA(Millennium Assessment)的报告^[2]发表, 使得全球范围的生态系统服务价值(Ecosystem Services Value, ESV)评估研究受到广泛关注并逐渐成为热点。生态系统服务作为人类社会的物质基础和自然资本, 其价值的稳定性是衡量一个地区能否实现可持续发展的重要依据^[5-6]。由于人类对自然资源的过度开发利用, 一些地区生态系统功能遭受巨大破坏, 生态系统服务价值明显下降。为促进区域生态系统的保护与修复, 调动保护区的生态保护积极性, 生态补偿政策应运而生。管理者通过政策手段对损害(或保护)资源环境的行为进行收费(或补偿), 以经济手段调节利益相关者的利益关系, 实现保护和可持续利用生态系统服务的目的^[7]。

生态补偿额度的确定是建立生态补偿机制的核心和难点^[8]。一般来说, 生态系统服务的价值是制定生态补偿额度的主要依据^[9-10]。因此, 从某种意义上说, 区域生态补偿是生态系统服务价值研究的具体实践, 因为生态补偿的本质就是生态保护受益者或生态破坏者向生态保护主体付费的行为^[11]。国内外学者围绕生态系统服务开展了大量研究, 从概念^[12]、价值评估模型^[13]和方法^[14-16]、时空变化^[17-19], 再到具体实例, 涉及农田^[20-21]、草地^[22]、森林^[23-24]、湿地^[25-26]、流域^[27]等诸类生态系统, 这些研究为制订区域生态补偿量化标准、提供合理的生态补偿额度奠定了科学基础。对于涉及区域内多个单元间的补偿额度与顺序等问题时, 王女杰等^[28]以山东省为例, 从区域间生态补偿的迫切程度入手, 在综合考虑区域生态系统服务价值和经济发展水平的基础上, 提出了生态补偿优先级概念(Ecological Compensation Priority Sequence, ECPS)。该方法已被一些学者应用于不同区域的生态补偿研究中^[29-31]。在此基础上, 高振斌等^[32]运用区域单元补偿需求强度与生态价值量等指标对东江流域19县(市、区)的生态补偿额度进行了估算。

赣西地区以山地和丘陵为主, 位于长株潭经济圈与鄱阳湖生态经济区之间, 是两大经济都市圈的重要生态屏障区, 在自然资源保护与农业生产等方面发挥着重要作用, 为周边区域的生态环境稳定和经济发展做出了巨大贡献。但是, 随着赣西地区城市化的发展, 人为扰动加剧, 近年来该区域植被覆盖度减少, 高温与次高温面积扩大, 热岛效应增强, 生态功能退化, 水土流失和土壤侵蚀增强, 对区域生态系统安全造成严重威胁^[33]。本研究以赣西地区为对象, 基于土地利用变化数据, 采用当量因子计算方法对2002—2016年该区域生态系统服务价值的时空特征进行分析, 并综合考虑区域自然、经济发展水平, 对各县(区)生态补偿优先级和生态补偿额度进行测算, 旨在为促进赣西地区生态系统健康和社会经济协调发展提供科学依据。

1 研究区概况

赣西地处113°34′—116°9′E, 29°57′—29°6′N之间, 辖宜春、萍乡和新余三个地级市, 17个县(区)(图 1)。东部和中部地形相对平坦, 西北—北部、西南部海拔相对较高, 主要山脉有九岭山和罗霄山脉。该区多年平均气温17℃, 年均降水量1500—1600 mm, 年均日照数1650 h, 无霜期270 d, 属亚热带季风气候区, 林草覆盖率60%以上, 为江西、湖南和湖北等省的发展提供了重要的生态屏障。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

土地利用/覆被分类数据通过解译2002年、2009年和2016年的TM/ETM+/OLI影像获得(影像来源于地理空间数据云, http://www.gscloud.cn/), 影像轨道号分别为121/040、121/041、122/040、122/41和123/41, 各期影像含云量均低于5%。在对影像进行拼接、几何配准、裁剪等处理后结合DEM数据构建新的数据集, 然后采用目视解译和实地调查方法获得训练样本制作感兴趣区(Region of Interest, ROI), 基于CART算法的决策树分类方法将研究区分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6个类别, 并使用训练样本、实地调查样点和部分县的土地利用现状图进行精度检验, 证实各年份分类总体精度均在85%以上, 符合研究要求；社会经济数据来源于域内各市、县统计年鉴及政府网站公报数据；行政区数据为国家基础地理信息中心的1:100万比例尺数据。

研究区域总面积25677.44 km², 占江西省全域面积的15.38%, 土地利用类型以林地和耕地为主(图 2)。从空间分布来看, 林地多集中于西北—北部、西南部海拔相对较高地区, 耕地主要集中于东部相对平缓区域。

统计各地类面积(表 1)可知, 2002—2016年, 赣西地区耕地、林地、草地和未利用地面积呈减少状态, 水域和建设用地面积呈增加状态, 其中建设用地增加率最大, 达到58.31%。

2.2 生态系统服务价值计算与空间分析

生态系统服务价值计算方法以谢高地等^[16]的研究结果为基础数据, 参考葛全胜等^[34]、郭志华等^[35]研究成果计算出赣西地区各类型土地自调节系数值, 获得单位面积生态服务价值基础数据(表 2)^[36]。然后结合土地利用分类数据计算得到2002年、2009年和2016年各栅格像元上生态系统服务价值, 以3 km×3 km的网格为基础单元统计生态系统服务价值, 按照 < 300万元、300—600万元、600—900万元、900—1200万元、>1200万元分级符号化, 并计算各网格内生态系统服务价值年均变化率, 进一步分析生态系统服务价值的空间变化特征。

2.3 生态补偿优先级计算

在资金有限的情况下, 如何统筹各县(市、区)实施生态补偿的顺序、提高资金利用效益是实践中必须优先解决的问题。生态补偿优先级指数的提出, 为客观反映区域生态系统服务供需关系, 衡量地区生态受偿迫切度提供了依据^[28]。本研究中优先级的确定由经济发展水平和生态系统服务价值两个变量决定。由于生态系统服务的市场价值(食物生产与原材料生产价值)已在市场机制中转化成货币, 并在区域经济发展中得到体现, 故在估算生态系统服务价值时, 只考虑非市场价值。其具体表达式如下：

(1)

式(1)中, ECPS为区域生态补偿优先级指数, N_ESV代表各县(市、区)生态系统服务价值中除食物生产、原材料生产价值以外的非市场服务价值, GDP代表县(市、区)域国民经济生产总值。ECPS值越高, 说明该区域支付生态补偿后对其经济状况影响越大, 应当率先得到生态补偿支持；反之, 说明该区域支付生态补偿后对其经济状况影响较小, 应当率先支付生态补偿资金。

2.4 生态补偿额度估算方法

为降低经济相对落后、生态环境良好地区想实现快速发展而加大资源开发力度、破坏生态系统的风险, 在支付能力有限的情况下, 应优先考虑对这些地区进行生态补偿^[32]。基于此, 本文通过引入区域生态补偿需求强度(不同区域间对需要进行生态补偿的紧迫程度)和非市场生态系统服务价值折算系数(按区域实际非市场生态系统服务价值进行折算)来反映生态补偿额度的区域差异。区域生态补偿需求强度系数采用生态补偿优先级归一化结果来表征。其具体表达式如下：

(2)

(3)

式中, V_i为第i区域生态补偿总量, N_ESV_i为第i区域非市场生态系统服务价值, k为非市场生态系统服务价值折算系数, 参照资料^[37]选择数值为15%, T_i为区域生态补偿需求强度, ECPS_i为第i区域生态补偿优先级指数, π为圆周率, i 为研究区域不同县(市、区)。

3 结果与分析 3.1 赣西地区生态系统服务价值的时空变化特征 3.1.1 生态系统服务价值的时间变化

表 3结果显示, 2002—2016年间, 赣西地区生态系统服务价值总体呈下降趋势, 由293.09亿元下降至289.45亿元, 变化率为-1.24%。从不同土地类型对生态系统服务价值贡献来看, 林地是提供生态系统服务价值最重要的类型, 两期数据占比都在80.00%以上；其次为耕地, 占比均在13.50%以上；再次是水域和草地, 占比分别为4.00%和1.50%；建设用地和未利用地的生态系统服务价值占比很低。

2002—2016年间, 赣西草地生态系统服务价值下降比例最高, 为-4.56%, 耕地次之, 水域生态系统服务价值略有增加；林地生态系统服务价值尽管下降比例不高, 但总量降低最多, 为2.82亿元。分阶段来看, 耕地、林地、草地、未利用地生态系统服务价值持续下降, 但减少速度在后一时期有所降低, 水域生态系统服务价值则是先增后减。

对赣西地区2002年和2016年的生态系统各单项服务价值进行统计, 得到结果如表 4所示。

表 4可以看出, 赣西地区生态系统各单项服务价值排序依次为：水源涵养、土壤保持、气体调节、生物多样性保护、气候调节、废物处理、娱乐文化、原材料生产和食物生产, 三个时期的大小顺序保持不变。对比两期生态系统各单项服务价值变化值, 表内各项均呈下降趋势, 按减少总量大小排序依次为土壤保持(0.7597亿元)、水源涵养(0.5860亿元)、气体调节(0.5679亿元)、生物多样性保护(0.5287亿元)、气候调节(0.4936亿元)、废物处理(0.2221亿元)、原材料生产(0.1988亿元)、食物生产(0.1683亿元)和娱乐文化(0.1153亿元)。

3.1.2 生态系统服务价值的空间变化

由图 3可以看出, 赣西地区生态系统服务价值高(≥1200万元)的区域主要分布在西北和北部, 即万载—铜鼓—宜丰—奉新—靖安一带区域, 以及湘东区, 芦溪—袁州—分宜等南部地区。对比土地利用分类图(图 2)可以发现, 上述地区主要为林地类型, 植被覆盖率占比较高。而生态系统服务价值较低(300—600万元)的区域主要分布在渝水区、樟树、丰城、高安及奉新东部区域, 这些区域土地类型以耕地为主。单元网格内生态系统服务价值< 300万元的区域在2002年仅新余市渝水区有2个；2009年共有12个, 其中安源区1个、袁州区3个、渝水区5个、樟树市1个、丰城市2个；2016年增加到了15个, 其中安源区1个、袁州区5个、渝水区6个、樟树市1个、丰城市2个。总体来看, 网格单元生态系统服务价值< 300万元的区域主要集中在袁州区和渝水区。

通过计算研究区域栅格尺度上的生态系统服务价值年均变化, 可进一步解析其空间变化特征(图 4)。2002—2016年, 赣西地区17个县(市、区)生态系统服务价值均出现不同程度的减少, 且2002—2009年减少程度要比2009—2016年更大, 减少像元主要分布在城市扩展区。总体来看, 在2002—2016年, 生态系统服务价值年均变化率 < -4%的像元单元为7个, 变化率在-4%—-2%的像元单元为43个, 主要分布在安源、袁州和渝水。生态系统服务价值年均增长率2%—4%的像元数量在高安市与莲花县各有1个, >4%的像元数量未见分布。

3.2 赣西地区生态补偿额度与优先级

根据赣西地区生态系统服务的受益与补偿范围, 以2016年数据为基础, 计算了各土地类型生态系统服务价值的理论生态补偿额度(表 5)。赣西地区理论生态补偿总额度为3.9262亿元, 其中林地生态系统需补偿3.1820亿元, 是该区域生态补偿的核心, 占比达81.04%；其次是耕地和水域, 补偿额度分别为0.4964亿元和0.1836亿元, 分别占比12.64%和4.68%。从生态系统各单项服务来看, 补偿额度从高到低依次是水源涵养、土壤保持、气体调节、生物多样性、气候调节、废物处理和娱乐文化功能, 占比分别为20.48%、19.07%、16.48%、15.33%、13.92%、8.57%和6.16%。

通过引入区域生态补偿需求强度系数和生态价值折算系数估算出研究区域各县(市、区)生态补偿额度(表 6)。结果显示, 生态补偿优先顺序排名前三的分别是铜鼓、靖安和宜丰, 数额分别为0.9622亿元、0.6822亿元和0.4735亿元, 占总补偿额度的53.94%；处于后三位的分别是安源、樟树和上高, 仅占总补偿额度的1.66%。各县(市、区)优先级指数平均值为0.0852, 超过平均值的有8个, 低于平均值的有9个。各县(市、区)补偿额度与GDP值相比, 所占比例均较低, 总补偿额度仅占赣西地区总GDP总额的0.13%, 补偿额度最高的铜鼓县也仅占2016年该县GDP的2.46%。按照生态补偿优先级排序, 赣西地区依次为：铜鼓县、靖安县、宜丰县、莲花县、万载县、奉新县、袁州区、高安市、芦溪县、分宜县、上栗县、渝水区、丰城市、湘东区、上高县、樟树市、安源区。

4 讨论与结论

生态系统服务对人类的生产、生活具有重要意义。然而, 近15年(2002—2016)来, 随着赣西地区城镇化、工业化的快速推进, 林地、耕地、草地面积逐渐减小, 区域内生态系统服务价值持续降低, 累计共减少了3.64亿元, 变化率为-1.24%。尽管与我国其他一些城市相比^[38-39], 赣西地区生态系统服务价值下降幅度相对较小, 但由于赣西地区位于长沙与南昌两大省会城市之间, 随着长株潭城市圈与鄱阳湖生态经济区经济建设的持续推进, 恐将会进一步压缩赣西地区良好的生态空间。因此, 加强该区域的生态系统保护具有重要意义。

本研究表明, 林地是赣西地区提供生态系统服务价值最重要的类型, 占总价值比例的80.39%, 主要分布在赣西的西北部等地。水源涵养、土壤保持、气体调节是生态系统内的主要服务类型, 三者占到总比例的51.18%。从空间上来看, 生态系统服务价值相对较低的区域主要分布在渝水、樟树、丰城和高安, 主要原因是这些县(市、区)毗邻南昌市, 受省会城市辐射影响, 该区域人口集中, 工业较强, 对生态环境的负面影响相对较大；生态系统服务价值相对较高的区域主要分布在铜鼓、宜丰、奉新和靖安等西北部县, 这些县区林地面积较大, 如靖安县森林覆盖率达到84.10%(2016年)。在2002—2016年赣西地区17个县(市、区)生态系统服务总价值均出现不同程度的减少, 其中降幅较大的县(市、区)主要是萍乡、宜春和新余市的行政中心区域, 统计数据表明, 安源、袁州和渝水区是近15年来城镇化发展最快、人口增加最多的三个区县。

补偿优先级是在一个区域内各个县(市、区)补偿顺序的相对值, 可根据区域总N_ESV与总GDP先计算出均值, 再进行对比分析, 判断各县(市、区)补偿的需求程度。补偿额度则是在一个区域内各个县(市、区)需要给予补偿的具体值, 在计算出理论数值的基础上, 根据区域内可提供的实际补偿金额进行合理分配。两者之间有一定的关联, 研究区域生态补偿优先顺序, 可以对有限的生态补偿资金进行更加合理的分配。本研究证实, 生态补偿优先级与区域GDP成反比, 经济总量高的地区其生态补偿优先级一般较低, 这与生态补偿初衷相一致的, 即经济发展较快的地区要通过生态补偿资金反哺经济发展落后地区。本研究发现, 赣西的铜鼓、靖安和宜丰县为优先补偿顺序和需要补偿的额度均排名前三。赵志刚等^[40]之前的研究发现, 铜鼓、靖安和宜丰三县的农业生态安全度在赣西地区处于前三位的水平, 说明这些县在生态环境建设与保护方面做出了巨大贡献, 其生态系统服务价值较高, 但三县的GDP值相对较低, 排名倒数, 表明其在保护环境的同时也牺牲了一定的发展机会和经济利益, 因而优先通过一定额度的生态补偿对于减缓这些县域的经济发展滞后状况具有重要的现实意义。本研究测算出的赣西地区理论生态补偿总额度为3.9262亿元, 占总GDP比例的0.13%, 对地方政府的财政经济压力并不大, 在生态补偿实践中具有较好的可操作性。

党的十九大报告明确提出, 要像对待生命一样对待生态环境, 统筹山水林田湖草系统治理, 实行最严格的生态环境保护制度, 同时要求建立市场化、多元化的生态补偿机制。因此, 生态补偿研究首先要考虑能否指导具体的实践工作。生态环境问题存在跨界流动性特征^[41], 国内也有学者对跨省域的生态补偿机制进行了研究^[42-43], 但由于涉及省际间的行政、财政等方面的问题较多, 具体实施仍有一定难度。从目前的现实来看, 在同一省份内开展生态补偿工作具有较强的可操作性。国家在2010年和2017年相继出台了《鄱阳湖生态经济区规划》^[44]和《国家生态文明试验区(江西)实施方案》^[45]文件, 将鄱阳湖生态经济区及江西省确立为建立生态补偿机制的试点区域, 要求率先建立生态补偿机制, 进而为全面建立生态补偿机制提供经验。同期江西省也相继出台了相应的森林与流域生态补偿政策, 如《江西省生态公益林管理办法》^[46]、《江西省流域生态补偿办法》^[47]等, 为促进赣西区域生态补偿研究与实践打下良好的基础。

对于生态补偿资金的分配和使用的问题, 本研究认为可以将补偿资金分为两部分, 一部分分配给以人为主体的单位, 即对在保护生态环境效益时牺牲了发展机会和经济利益的主体给予额外的资金补偿；另一部分分配给以自然为主体的单位, 即对为恢复生态服务价值而进行生态修复的主体进行生态建设资金补偿。计算分配给自然为主体的补偿金额时应考虑本区域已出现和未来可能出现的生态服务价值下降的额度, 并应按年度逐步投入。

综上, 本研究的主要结论如下：

① 赣西地区林地的生态系统服务价值最高, 占总价值的比例达80.39%, 水源涵养、土壤保持、气体调节等是生态系统内的主要服务类型, 三者占到总比例的51.18%, 但从整个区域来看, 总的生态系统服务价值和生态系统各单项服务价值均呈不同程度降低趋势。从县域单元看, 生态系统服务价值相对较低的分别是渝水区、樟树市、丰城市和高安市；相对较高的主要分布在铜鼓县、宜丰县、奉新县和靖安县；生态系统服务价值下降率最高的是安源区、袁州区和渝水区。

② 赣西地区理论生态补偿总额度为3.9262亿元, 占总N_ESV的1.49%, 总GDP的0.13%, 林地生态系统的补偿额为3.1820亿元, 占总补偿的81.04%。从县域单元看, 铜鼓、靖安和宜丰县为优先补偿顺序的前三位, 补偿额度分别为0.9622, 0.6822和0.4735亿元, 占总补偿额度的53.94%, 处于后三位的分别是安源区、樟树市和上高县, 占总补偿额度的1.66%。本研究测算出的补偿顺序与理论补偿额度, 与县区统计数据资料部分印证, 这表明该研究具有一定的科学性和合理性。补偿资金占GDP值比重低, 对地方财政压力小, 在保护区域生态环境与可持续发展的具体实践中, 具有一定的可操作性。