最小数据方法在舟曲县生态补偿中的应用

刘玉卿 宋晓谕 钟方雷 赵雪雁，3

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所生态水文与集成流域管理研究重点实验室，甘肃兰州730000;2.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000;3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070)

最小数据方法在舟曲县生态补偿中的应用

刘玉卿1，2宋晓谕1钟方雷1赵雪雁1，3

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所生态水文与集成流域管理研究重点实验室，甘肃兰州730000;2.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000;3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070)

弄清补偿标准和新增生态系统服务供给量之间的关系是生态补偿研究中的关键问题。舟曲县现有的补偿是静态补偿，补偿标准低，没有很好地达到改善生态环境的目的。本文基于最小数据方法，以耕地和林地提供的水土保持量的差异表征生态系统服务，通过提供单位水土保持服务的机会成本的空间分布，推导出舟曲县森林水土保持的供给曲线，从而将补偿标准和新增水土保持服务的供给联系起来。同时对比了3种补偿标准下的退耕比例、生态补偿总资金需求和新增水土保持量。研究表明生态补偿在理论上可以提供舟曲县的水土保持能力。随着补偿标准的提高，新增水土保持量也在增加。当补偿标准为250元/亩时，退耕比例仅为8.26%，生态补偿总资金需求为1 930.03万元，新增水土保持量为4.69×104t;当补偿标准提高到518.63元/亩时，退耕比例增加到49.54%，总资金需求为23 184.26万元，新增水土保持量为2.83×105t;当补偿标准增加到995.65元/亩时，退耕比例可达到98.79%，总资金需求为87 340.95万元，可新增水土保持量达到5.65 ×105t。

补偿标准;最小数据方法;机会成本;供给曲线;舟曲县

生态补偿又称为生态系统服务付费(Payments for environmental services，简称PES)，是一种将外部的、非市场化的环境价值转化为现实的财政激励措施的有效方式，旨在鼓励参与者提供更多的生态系统服务［1］。PES与传统的环境保护活动不同，它强调增加环境的正外部性，注重内生环境的正外部性，让环境保护者受益，这种环境的正面激励措施更能得到民众的支持和配合。PES概念的首次使用可追溯到1997年纽约市实施的流域水资源保护规划，随后世界各地相继开展了从流域尺度到国家尺度的PES项目，目前PES相关案例已经超过了200多例。如果美国的保护储备计划(Conservation Reserve Progran，CRP)，哥斯达黎加的环境服务付费项目(Dayrnents for Environmental Services，PSA)和墨西哥的水文环境付费项目(Payments for Hydrological Environmental Services，PSAH)等［2］。在生态补偿研究中，弄清补偿标准和新增生态系统服务供给量之间的关系，让决策者明确得到期望的服务供给量所需要的投入非常关键［3］。由于生态系统服务的供给和农户的经济行为都具有空间异质性，通常需要开发不同尺度上集成的经济和环境模型。这样的研究通常需要大量的数据，并且特定地点的经济数据只能通过特定目的的农户调查获得。然而通常情况下，既没有时间也没有资源去收集这些详细的数据。政策分析具有时效性，只要分析结果及时且具有足够的精度就可为政策服务。

基于这些考虑，Antle等开发了最小数据方法，通过运用相对容易获得的二手数据，通过分析土地利用收益的空间分布，计算提供单位生态系统服务的机会成本的空间分布，并引入选择机制导出生态系统服务的供给曲线，从而将补偿标准和新增生态系统服务的供给联系起来［4］。目前该方法已经成功运用于多种生态系统服务供给的模拟，包括碳汇［5］、湿地保护［6］和水资源保护［7］等。最小数据方法可以很好地模拟生态系统的供给，可为政策服务。最小数据方法的广泛应用也证实了对于政策分析而言，需要较少数据的简单模型比复杂模型更为优越。因此，本研究以舟曲县为例，以耕地和林地提供的水土保持量的差异表征生态系统服务，基于最小数据方法，通过提供水土保持服务的机会成本的空间分布模拟服务的供给曲线，将自然过程与经济过程结合起来，从而确定了动态的补偿标准和新增生态系统服务供给之间的关系，并对比分析了3种不同补偿标准下的退耕比例、生态补偿总资金需求和提供的新增水土保持量，希望能够为舟曲县灾后重建工作中生态补偿项目的实施提供科学的借鉴指导。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

舟曲县(103°51'30″～104°45'31″E，33°13'06″～34°01'00″N)位于甘肃省甘南藏族自治州的东南部，东临陇南市武都区，北接宕昌县，西南与迭部县、文县和四川九寨沟县接壤。全县现有15°以上坡耕地面积为103 848.1亩，占总耕地面积的72.59%［8］。舟曲县是一个传统的农业县，经济基础薄弱，人民群众生活条件较差。2009年舟曲县人口达13.5万，其中藏族人口占总人口的36.46%，农牧业人口占总人口数的90.6%。2009年底舟曲县实现生产总值6.28亿元，其中第一产业增加值为1.92亿元，第二产业增加值为1.05亿元，第三产业增加值为3.31亿元。年末农民人均纯收入为2 241元，比甘肃省平均水平低739元［8］。

近年来，由于人类活动增多和毁林开荒、砍伐森林等，舟曲县的森林面积大量减少，植被水土保持等生态功能降低，水土流失、泥石流、滑坡等自然灾害频发，严重威胁着长江中下游地区的生态安全。国家自1998年以来在该县相继实施了“天保”、“退耕还林”、“重点公益林建设”等生态工程，实现退耕还林14.3万亩，对改善当地生态环境起到了一定的作用。然而，补偿标准低、补偿不足等，导致生态建设成效降低。据统计，舟曲县的森林覆盖率由建国初期的57%骤降到27%左右。全县现有水土流失面积达到186.75万亩，占全县土地总面积的42%，其中耕地流失面积达到8.18万亩。2010年8月8日发生的特大山洪泥石流灾害以及8月11日的暴雨泥石流灾害，对当地人民群众的生命和财产安全造成了巨大破坏。在这样的背景下，舟曲县亟需建立健全生态补偿机制，以便协调利益各方经济与生态利益的分配关系，促进舟曲县生态环境的保护，促进城乡间和群体间的公平性和社会的协调发展。

1.2 研究方法

Antle等开发了最小数据方法，其基本思想是基于生态系统服务供给的机会成本推导生态系统服务的供给曲线［4］。生态系统服务的供给不好监测，通常以土地利用为替代指标进行分析［3］。为简化分析，假设对于每一个区域，存在两种竞争性的土地利用方式(本研究假设a为耕地，b为林地)。假设农户是理性的经济人，某一时期内的土地使用决策都是基于最大化土地利用的期望价值v(p，s，z)，其中p为产出价格，s为地块，z为两种土地利用方式。简单起见，假设土地利用的转换成本为0。ω(p，s)为耕地与林地的净收益差，即从耕地转变为林地的机会成本。在这些假设条件下，可以得到农户在没有引入生态补偿项目时土地利用的选择机制。如果ω(p，s)=v(p，s，a)－v(p，s，b)≥0，农户选择土地利用方式 a，反之就选土地利用方式b。为得到在私人均衡下生态系统服务供给的期望值，可以将所有的土地单元上的ω(p，s)排序，从而定义概率密度函数φ(ω)，则可以计算得到在没有生态补偿项目时，采用土地利用方式b的土地单元的比例为r(p):

由于ω(p，s)是p的函数，可知r也是p的函数。在一个总面积为H的地区，在私人均衡下某时期内生态系统服务供给的期望值为S(p):

S(p)为没有实施生态补偿的情形下，退耕的林地所提供的水土保持量的底线情景。如果想增加水土保持量，就必须进行生态补偿，促使农户将耕地转变为林地。注意这里向农户支付的只是新增水土保持量的费用。

进一步假设，在每一点s，采用土地利用方式b，单位时间内单位面积上能产生的生态系统服务为e，而采用土地利用方式a，产生的生态系统服务为0。这种假设不失普遍性，因为分析主要是考虑两种土地利用方式之间的差异。在存在生态补偿的背景下，如果农户仍然采用土地利用方式a，则可获得价值v(p，s，a)，而采用土地利用方式b的农户，可获得价值 v(p，s，b)+epe，e为采用土地利用方式 b新增的水土保持量，pe为提供单位水土保持量的补偿价格。从而得到存在生态补偿机制的情况下，农户土地利用方式的选择机制。如果 ω(p，s)－epe＜0，即 ω(p，s)/e＜ pe，则农户选择土地利用方式b，此种情形下水土保持量可以在底线情景的基础上增加，生态环境得到了改善。定义ω(p，s)/e为提供单位水土保持服务的机会成本，在补偿价格介于0到pe之间时，采用土地利用方式b的土地单元比例为:

从而可以估算生态系统服务供给的总量S(p，pe)为:当所有的土地单元都采用土地利用方式b时，供给曲线渐近于最大的生态系统服务H·e。基于上述分析可以看出，通过最小数据方法可以将特定地点的土地利用决策和区域生态系统服务的供给联系起来。

2 确定补偿标准

2.1 新增水土保持服务e的估算

本研究利用水土保持来表征，生态系统服务。利用舟曲县水保局提供的1993－2008年每年新增的林地面积和减少的土壤流失量，计算出单位面积林地新增的水土保持量(减少的水土流失量)。可以发现各乡镇新增的水土保持服务量是不同的，这主要与各乡的地质特点和坡度等有关(见表1)。经计算，全县平均新增水土保持服务e为5.51 t/亩。

表1 舟曲县坡耕地退耕还林后新增水土保持服务eTab.1 Additional conservation of water and soil of sloping farmland after the conversion of farmland to forest in Zhouqu County

2.2 机会成本的空间分布

假设当耕地转变为林地时，农户的经济收益为0。因此，当土地利用方式由耕地转变为林地时，农户的机会成本就是种植业的净收益。2009年舟曲县19个乡镇种植业净收益的均值和标准差分别为518.63元/亩和197.36元/亩。利用Matlab对数据进行检验分析后，确定其符合正态分布。从而得出单位森林水土保持服务的机会成本ω/e也服从正态分布，均值为94.13元/t，标准差为35.82元/t。利用Matlab7.6.0绘制提供单位水土保持服务机会成本的空间分布(见图1)。

2.3 水土保持服务供给曲线的模拟

只有当生态补偿标准高于生态系统服务供给的机会成本时，农户才愿意参与生态补偿，提供生态系统服务，因此，为了更好地确定补偿标准，就必须明确生态系统服务的供给曲线，即明确生态系统服务供给量与补偿标准之间的关系。根据农户提供单位水土保持服务的机会成本的空间分布(见图1)，可以模拟在不同补偿标准下，舟曲县退耕还林的比例及其提供的水土保持服务的供给曲线(见图 2、图3)。

依据公式(1)和(2)，可估算出在没有实施生态补偿的情形下，舟曲县退耕比例仅为0.43%，此时森林生态系统可提供的水土保持量仅为2 458 t。要增加水土保持量，就必须进行生态补偿。从图2中可以看出，随着补偿价格的增加，农户退耕还林的比例也在增加。当补偿价格为45.4元/t时，退耕比例仅为8.26%;当补偿价格增加到94.1元/t时，退耕比例增加到49.54%，将近有一半的15°以上的坡耕地实现退耕还林;补偿价格为180.7元/t时，退耕比例达到98.79%。可见补偿价格不同，农户退耕还林的比例就不同，从而提供的新增水土保持量也不相同。

图1 水土保持服务机会成本的空间分布Fig.1 Spatial distribution of opportunity cost of conservation of water and soil services

图2 补偿价格与土地利用变化之间的关系Fig.2 The relation between the prices of payments and the ratio of land-use change

图3 舟曲县森林水土保持服务的供给曲线Fig.3 The supply curve of conservation of water and soil services in Zhouqu County

图3 显示在不同补偿价格下所提供的水土保持总量。在没有补偿时，提供的水土保持量基线为2 458 t;根据舟曲县目前正在实施的林地补偿项目，得知补偿标准为250元/亩.年(补偿价格为45.4元/t.年)，若继续以此标准进行补偿，退耕比例仅为8.26%，森林提供的水土保持总量为4.97×104t，新增水土保持量为 4.69 ×104t;未来情景下，为了减轻水土流失，减少泥石流、滑坡等自然灾害的频繁发生，舟曲县15°以上的坡耕地要全部退耕还林。若以补偿标准 518.63 元/亩进行补偿(94.1 元/t.年)，可实现退耕比例为49.54%，新增生态服务量为2.83×105t;若补偿标准增加到995.66元/亩(180.7 元/t.年)，则森林生态系统将提供新增水土保持量达到5.65×105t，舟曲县15°以上的坡耕地将几乎全部实现退耕，生态环境将极大改善。

2.4 农户层面补偿标准

按照农户层面补偿标准(pe×e)，pe为单位水土保持服务的补偿价格，e为单位面积新增林地提供的水土保持量，确定农户层面动态的补偿标准和新增水土保持量(见表2)。

3 不同补偿标准下的生态补偿总资金需求

本研究通过最小数据方法确定补偿标准的基础上，假定了3种情景，包括继续采用现行的补偿标准(250元/亩)、平均机会成本(518.63 元/亩)、最大机会成本(995.66元/亩)，探讨了3种情景下的退耕比例、新增水土保持量、补偿农户资金、实施成本、交易成本和生态补偿总资金需求等。

表2 舟曲县农户层面补偿标准和新增水土保持量Tab.2 Payments criteria on farm-level and additional conservation of water and soil in Zhouqu County

3.1 不同补偿标准下的交易成本和实施成本

由于交易成本包括很多方面(项目管理，涉及，推广宣传等)，同时这些成本具有很大的不确定性，直接测量交易成本比较困难。因此，采用类比的方法确定交易成本。在以往实施退耕还林(还草)工程建设中，舟曲县在实际实施过程中发生的交易费用为补偿农户总额的5%。因此，本研究认为舟曲县实施生态补偿的交易成本为补偿农户总额的5%。根据补偿总额(补偿标准×退耕面积)，可计算不同补偿标准下的补偿农户总额，从而计算出3种补偿标准下的交易成本(见表3)。

实施成本是实施生态补偿的过程中直接保护生态环境所产生的成本。在本研究中，具体的实施成本为植树造林的成本(种苗)和管护补助。参照退耕还林的经验及舟曲县林业局生态修复项目的建议，种苗、栽植补助为100元/亩、管护补助为50元/亩，合计实施成本为150元/亩。因此，在不同的补偿标准下，根据实施成本总额(退耕比例×15°以上坡耕地的总面积×单位面积实施成本)，可估算出所需的实施成本总额(见表3)。

表3 3种补偿标准下的交易成本和实施成本Tab.3 Transaction costs and implementation costs underthree different compensation criteria

3.2 生态补偿总资金需求

生态补偿的总资金为补偿农户资金、交易成本和实施成本的总和。按照国家退耕还林的规定，本研究设定补偿的年限为8年。由于实施成本是一次性投入，不存在年限问题。从而可以计算3种补偿标准下实施生态补偿的总资金需求(见表4)。

表4 3种补偿标准下舟曲县实施生态补偿的总资金需求Tab.4 The total funds of implementing ecological compensation under three different compensation criteria

结合表2、表3和表4可以看出，在不同的补偿标准下，舟曲县新增的退耕还林的比例、补偿农户总额、生态补偿项目实施的交易成本、实施成本、生态补偿总资金需求和提供的新增水土保持服务量都是不同的。随着补偿标准的提高，新增退耕还林的比例增加，从而补偿农户资金、交易成本、实施成本及生态补偿总资金需求也随之增加。森林生态系统所提供的新增水土保持服务量不断上升。可见生态补偿可以提高舟曲县的水土保持能力。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以耕地和林地所提供的水土保持量的差异表征生态系统服务，通过房地调查和统计资料标准提供单位水土保持服务供给的机会成本的空间分布，基于最小数据方法，模拟了舟曲县森林水土保持服务的供给曲线，将补偿标准和新增水土保持服务的供给联系起来。在此基础上对比了3种补偿标准下的退耕比例、生态补偿总资金需求和新增水土保持量。通过分析，本文得到以下结论:

(1)研究表明随着补偿标准的提高，水土保持服务的供给量也在增加。当补偿标准为250元/亩时，退耕比例仅为8.26%，补偿总资金需求为1 930.03万元，补偿农户资金总额为1 715.60万元，区域交易成本为85.76万元，区域实施成本为128.67万元，补偿实现新增水土保持量为4.69 ×104t/年;当补偿标准增加到 518.63 元/亩时，退耕比例增加到49.54%，补偿总资金需求为23 184.26万元，新增水土保持量提高到2.83×105t/年;当补偿标准为995.65元/亩时，退耕比例可达到98.79%，补偿总资金需求为87 340.95万元，补偿农户资金总额为81 716.24万元，区域交易成本为4 085.84万元，区域实施成本为1 538.87万元，补偿实现新增水土保持量达到5.65×105t/年，生态环境将得到极大改善。可见生态补偿在理论上可以提高舟曲县水土保持的生态功能，改善生态环境。

(2)最小数据方法无需复杂的、较难获取的经济和生物物理数据，即可将自然过程(生态系统服务量的供给)和农户经济决策过程联系起来，通过提供生态服务机会成本的空间分布并引入选择机制来推导出生态服务的供给曲线。由于其所需数据较少，模拟也足够精确，可以为政策决策提供及时的定量的服务。

4.2 讨论

最小数据方法将生态补偿中的自然过程和人文过程进行了耦合，文中对自然过程进行了简化处理，即生态系统服务的供给采用的是区域的平均值。实际上不同区域提供的生态系统服务是空间异质的，为使补偿资金达到最好的效果，必须明确不同区域提供的生态系统服务的数量，从而有针对性地实施补偿。生态补偿的目的在于提供和改善生态系统服务，一些生态系统服务的供给与土地利用方式的联系可以很好确定和监测，比如碳汇。但大部分生态系统服务的直接测量存在困难，而人类通常是通过土地利用方式的变化影响生态系统服务的供给，研究中通常采用土地利用变化替代生态系统服务的类型。在很多情况下，由于不清楚土地利用和生态系统服务之间的生物物理联系，通常是由于数据的缺乏，使生态补偿缺乏科学的基础。就有可能导致一些错误的决策，如在缺水地区增加森林覆盖等［3］。因此，以后的工作需要探寻生态系统服务产生的机理，明确生态系统服务与土地利用方式之间的定量关系，为生态补偿对象和补偿标准的制定提供更为科学的基础。

生态系统服务的提供者是那些可以保证生态系统服务供给的人。生态系统服务的潜在供给者可能有很多，然而生态补偿资金通常是有限的。为使补偿的效率达到最大化，需要对这些潜在的补偿对象进行空间选择，从而确定最有效的补偿区域。因此，补偿对象的空间选择也是今后需要研究的一个方向。

此外，生态补偿作为一种有效的财政激励机制，能够促使生态服务的提供者改变土地利用方式，使其拥有的生计资本、采取的生计策略发生变化，从而使生态服务提供者的福利状况发生变化，这关系到补偿项目的可持续性。因此，研究生态服务提供者对生态补偿项目的响应机制也是今后要深入研究的方向［9］。可持续生计分析是一种很好的定量研究的重要工具。该方法最初由英国国际发展机构提出并建立，通过定量计算五种生计资本评价其与生计策略的关系，已经广泛应用于贫困研究和政策的影响评价及监控［10］。在生态补偿实施过程中，补偿标准等是影响生态补偿参与者生计资本的主要因素，因此可以利用可持续生计框架分析，通过分析生计资本对补偿标准等的响应，评价生态补偿对区域及生计策略的影响。

致谢:论文中无特殊说明的数据均来自于舟曲县林业局、统计局和水土保持局，在此表示衷心感谢!

References)

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［5］Antle J M，Diagana B.Stoorvogel J J，et al.Minimum-Data Analysis ofEcosystem Service Supply in Semi-Subsistence Agricultural Systems:Evidence from Kenya and Senegal［J］.Australian Journal of Agricultural and Resource Economics，2010，54(4):601 －617.

［6］Nalukenge I，Antle J M，Stoorvogel J J.Assessing the Feasibility of Wetlands Conservation Using Payments for Ecosystem Services in Pallisa，Uganda［A］.Ed.Lipper L，Sakuyama T，Stringer R，et al(eds).PaymentsforEnvironmentalServicesin Agricultural Landscapes［C］.Springer Publishing，2009.

［7］Immerzeel W J，Antle J.Can Payments for Ecosystem Services Secure the Water Tower of Tibet?［J］Agricultural Systems，2008，96:52－63.

［8］舟曲县统计局.舟曲县统计年鉴［R］.舟曲，2009.［Bereau of Statistics of Zhouqu County.Statistical Yearbook of Zhouqu County［R］.Zhouqu，2009.］

［9］赵雪雁，徐中民.生态系统服务付费的研究框架与应用进展［J］.中国人口·资源与环境，2009，19(4):112 －118.［Zhao Xueyan，Xu Zhongmin.Analysis Framework and Applications Prospect of Payments forEnvironmentalServices［J］. China Population，Resources and Environment，2009，19(4):112 －118.］

Application of the Minimum-data Approach in Zhouqu County Ecological Compensation

LIU Yu-qing1，2SONG Xiao-yu1ZHONG Fang-lei1ZHAO Xue-yan1，3
(1.Key Laboratory of Ecohydrology and Integrated River Basin Science，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，China Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China;2.Collage of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730000，China;3.College of Geography and Environment Science，Northwest Normal University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Modeling the relation between payments criterion and the supply of additional ecosystem services is critical in ecological compensation.The existing payments in Zhouqu County are static and the payments criterion is relatively low.It is far from achieving the purpose of improving ecological environment.Based on the minimum-data approach，the ecosystem services are measured by the difference of conservation of water and soil between two kinds of land-use farmland and forest.The supply curve of forest service of conservation of water and soil in Zhouqu County can be derived from the spatial distribution of opportunity cost in providing those services.So the compensation criterion can be linked to the supply of additional conservation of water and soil.The proportion of conversion of farmland to forest，the total payments for ecological compensation and the additional conservation of water and soil are compared under three different compensation criteria.The results show that it is theoretically possible to enhance the capabililij of conservation of water and soil by implementing ecological compensation in Zhouqu County.With the elevation of payments criterion，the additional conservation of water and soil also increases.When the payments criterion equals to 250 yuan/mu，518.63 yuan/mu and 995.65 yuan/mu respectively，the proportion of conversion of farmland to forest rises from 8.26 percent to 49.54 percent and to 98.79 percent，the total payments for ecological compensation equal to 1 930.03 million yuan，23 184.26 million yuan and 87 340.95 million yuan respectively，and the additional conservation of water and soil amount to 4.69 × 104ton，2.83 × 105ton and 5.65 × 105ton respectively.

payments criterion;minimum-data approach;opportunity cost;supply curve;Zhouqu County

F062.2

A

1002－2104(2011)06－0142－06

10.3969/j.issn.1002－2104.2011.06.023

2010－12－20

刘玉卿，博士生，主要研究方向为生态经济。

*甘肃省财政厅“甘肃省内陆河流域、长江黄河流域生态补偿机制与财政政策研究”项目;中国科学院知识创新工程重要方向项目群“地表过程集成系统研究”(编号:KZCX2－YW－Q10－4－03)。

(编辑:于 杰)