塔里木河流域荒漠化的生态环境损害赔偿模式

颜华茹, 王让会, 宁虎森, 彭 擎, 周 露, 李 成

(1.南京信息工程大学 应用气象学院, 江苏 南京 210044; 2.江苏省农业气象重点实验室,江苏 南京 210044; 3.新疆林业科学研究院 造林治沙研究所, 新疆 乌鲁木齐 830011)

荒漠化是由于干旱少雨、植被破坏、大风吹蚀、流水侵蚀、土壤盐渍化等因素造成的大片土壤生产力下降或丧失的自然(非自然)现象。荒漠化程度的加深会影响区域生态系统的正常运行，造成较为严重的经济损失，损害社会经济的发展。根据全球气候变化预测，未来干旱半干旱区面积将继续扩展[1]。因此，如何有效的进行荒漠化地区的防治和相应的损害赔偿，成了十分严峻的问题。

新疆维吾尔自治区地处亚欧大陆腹地，受全球气候变化的影响较大，旱涝灾害日趋严峻[2]。风蚀荒漠化问题在塔里木河流域极为突出，流域东部生态脆弱。在具有频繁人为干扰的干流区域处于荒漠化敏感区[3]。人口压力大，水资源利用低效[4]，抑制了塔里木河生态功能的恢复，加速了绿洲外围荒漠化过程的发展[5]。在人工绿洲类型和湿地类型比例较高的地区，沙漠化程度较低[6]，说明生态输水对塔里木河下游植被恢复和沙漠化逆转起到了明显的作用[7]，但生态输水带来的逐年加剧的人为干扰，导致干流湿地的保护与破坏共存[8]。

《生态环境损害赔偿制度改革方案》(以下简称《方案》)中强调，到2020年，力争在全国范围内初步构建责任明确、途径畅通、技术规范、保障有力、赔偿到位、修复有效的生态环境损害赔偿制度。而中国的赔偿性项目在产权明确，责任实现，执行效率，有效性，可持续性等方面落后于国外[9]。实施生态赔偿是实现环境保护与社会公平的重要途径，也是实现可持续发展的必由之路[10]。目前的相关赔偿研究多围绕海洋生态[11]、水污染[12]等事件展开，对荒漠化的赔偿大多是政策的研究[13]，而缺乏荒漠化的损害赔偿方法和具体措施的研究，因此对塔里木河流域荒漠化的生态损害赔偿研究是有必要的。研究利用2010，2015年MODIS MOD13A1及MCD43A3数据产品，综合利用遥感及GIS空间分析技术，分析塔里木河干流荒漠化差值指数及土壤风蚀程度，在计算土壤风蚀程度的基础上，从沙尘清理费用、土壤肥力流失损害价值、农田经济损害价值方面进行当地损害赔偿的计算，以期为解译塔里木河生态损害的信息及流域生态的恢复和改善提供相应参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究划定区域为中国科学院环境资源数据平台发布的(http:∥www.resdc.cn/)中国三级流域空间分布数据中的塔里木河干流区域(81°1′—81°34′E，38°60′—41°9′N)，总面积约3.40×104km2。塔里木河干流全长1 321 km，为中国第一大内陆河，是当地水资源的主要来源。区域内降雨稀少，是典型的大陆性暖温带极端干旱气候，植被覆盖度低，河道作为荒漠河岸林的主要水源控制植被的空间分布和结构[14]，由于水资源匮乏，使得大部分地区生态环境十分脆弱。

1.2 数据来源与预处理

MODIS数据产品已在全球各地区的荒漠化研究中得到了广泛应用，研究使用MODIS归一化植被指数(normalized difference vegetation Index，NDVI)，MOD13A1-NDVI-16d产品，和地表反照率(Albedo)MCD43A3-Albedo日值产品，空间分辨率均为500 m×500 m。以合成植被指数产品MOD13A1提取的2010，2015年NDVI数据和地表反照率产品MCD43A3提取的Albedo数据为数据源，数据行带号为h24v04和h24v05，数据来源为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)数据下载地址为：https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/。利用MRT(MODIS reprojection tool)对数据进行处理，采用最大值合成法(maximum value composite， MVC)提取研究区NDVI数据集，用最小合成法提取研究区Albedo数据集。风速数据由当地气象站提供。

1.3 塔河流域荒漠化程度划分

土地荒漠化类型有风蚀荒漠化、水蚀荒漠化、盐渍化荒漠化、冻融荒漠化等，研究主要考虑风蚀对荒漠化的影响。

根据Albedo与NDVI之间存在负相关关系，利用沙漠化差值指数模型[15]，构建沙漠化差值指数(DDI)，并分析塔里木河沙漠化的状况。

基于上述认识，利用ArcGIS 10.2平台，提取研究区2010年和2015年归一化处理后的NDVI和Albedo的值。以NDVI值为自变量，Albedo值为因变量，构建Albedo-NDVI特征空间(见图1)，取AC边构建二者之间的线性回归方程(公式1)，最后根据线性回归方程的系数a以及Albedo，NDVI构建荒漠化差值指数(DDI)的计算模型(公式2)。

图1 Albedo-NDVI 空间特征

Albedo=a×NDVI+b

(1)

DDI=k×NDVI-Albedo

(2)

a×k=-1

(3)

式中：Albedo，NDVI均已做归一化处理；a为特征函数的系数； DDI为沙漠化差值指数；k为Albedo和NDVI特征空间拟合直线斜率(a)的倒数。

1.4 风蚀量计算

荒漠化灾害与植被防风固沙能力息息相关，风蚀也是造成荒漠化变严重的原因之一，因此，生态损失主要从防风固沙损害考虑。

1.4.1 风蚀输沙率计算 研究采用应用较广的用Bagnold公式(4)[16]与Lettau公式(5)[17]分别计算输沙率后取平均值(6)。即：

(4)

(5)

(6)

式中：q为风蚀输沙率(g/cm·s)；C1，C2为系数，分别为1.8，4.2；d为沙粒粒径，取0.025 cm[18]；D为标准沙粒粒径，取0.025 cm；ρ为空气密度，取0.001 25 g/cm3；g为重力加速度，取980 cm/s2；U*为摩阻风速(cm/s)；U*t为临界起沙风速(cm/s)。下同。

根据戚隆溪等[19]的研究，摩阻风速与风速的关系为：

U*=0.050 7×U

(7)

式中：U为当地2 m高处的风速(m/s)。

临界起沙风速由Bagnold公式(8)[16]计算：

(8)

式中：A为系数，取0.1；ρs为沙粒密度，取2.6 g/cm3，可得U*t=22.8 cm/s。它对应的起沙风速为4.5 m/s。因此，选取2 m高处最大风速大于4.5 m/s的风速取平均值并将最大风速大于4.5 m/s的天数记为起沙天数。

1.4.2 防风固沙量损害估算 风蚀深度的估算采用土壤风蚀模型式[20]：

(9)

式中：h为风蚀深度(cm)；M为坡长(m)；α为坡度；t为风速大于4.5 m/s的时间(d)。下同。

通过计算塔里木河干流地区不同荒漠程度的地区的风蚀量与非荒漠化地区风蚀量作差作为塔里木河干流区域不同荒漠程度的地区的损害固沙量。即：

Q=ρa·(hw-hs)

(10)

式中：Q为单位面积年风蚀量(t/km2·a)；hw为不同程度荒漠化地区风蚀深度(cm)；hs为非荒漠化地区风蚀深度(cm)；ρa为沙物质密度，此处取1.27 g/cm3，为当地土壤容量[21]。下同。

Gi=Q·Si

(11)

式中：Gi为不同荒漠化程度地区估算年损害固沙量(t/a)；Q为单位面积年风蚀量〔t/(km2·a)〕；Si为不同荒漠化程度地区面积(km2)，i=1，2，3，4，分别对应不同荒漠化程度。

1.5 经济赔偿计算方法

1.5.1 沙尘清理费用计算

V1i=C·Gi

(12)

式中：V1i为不同程度荒漠化地区沙尘清理的费用(元)；C为单位重量沙尘清理费用或沙尘造成的经济损失(元/t)，采用工业粉尘排污收费标准150元/t。

1.5.2 土壤肥力损害估算

(13)

式中：V2i为不同荒漠化程度地区土壤肥力损害价值(元/a)；j=1，2，3 分别代表N，P，K；Sj为土壤中j类养分的含量(%)；Pj为化肥市场价格(元/t)；Kj为化肥中j类养分的含量(%)；Pc为有机质市场价格(元/t)；Sc为土壤中有机质的含量(%)。下同。

研究区土壤中全氮含量0.002 6%，全磷含量0.236 3%，全钾含量2.026%，有机质含量0.054 7%[21]；尿素、过磷酸钙和氯化钾3种化肥中，N，P，K所占比例分别为46%，27%，52%。化肥与有机质的市场价格以2015年的平均零售价计：尿素约1 573元/t，过磷酸钙约700元/t; 氯化钾化肥约3 250元/t；有机质约360元/t。

1.5.3 农田经济损失估算

V3i=B·Gi/(H·ρ×10 000)

(14)

式中：V3i为不同荒漠化程度地区农田经济损失价值(元/a)；B为土地的年平均收益〔元/(km2·a)〕；H为土壤层厚度(m)；ρ为土壤容重(g/cm3)。土地年均收益取13 945元/(km2·a)[22]，土壤层厚度按当地平均土壤厚度0.689 m计，土壤容重为1.27 g/cm3[21]。

1.5.4 不同荒漠化损害程度地区总经济价值赔偿计算

(15)

式中：Vi为不同荒漠化程度损害赔偿金额(元)；α为权重系数；P为贴现率，考虑到当地经济发展等因素，进行经济赔偿时，贴现率定位5%。

权重系数取该荒漠化土地类型占总荒漠化土地面积的比例(见表1)。

表1 不同荒漠化类型权重

2 结果与分析

2.1 2010-2015塔里木河流域荒漠化状况及空间演化特征

2010年，由公式(1)—(3)计算后得：

Albedo=-0.140 0×NDVI+0.318 3

(R2=0.803 7)

(16)

DDI=7.143×NDVI-Albedo

(17)

2015年，由公式(1)—(3)计算后得：

Albedo=-0.167 7×NDVI+0.304 1

(R2=0.810 8)

(18)

DDI=5.963×NDVI-Albedo

(19)

对2010，2015年流域DDI的计算结果按自然间断点分类法分为5类，将分级结果进行空间化表达(见图2)。观察图2可知，研究区大面积的极度荒漠化和强度荒漠化土地呈板块状或片状分布在流域中下游，少部分分布在上游区域，源头荒漠化状况较良好。

图2 2010，2015年塔里木河流域不同程度荒漠化分布

利用转移矩阵数学模型表达2010，2015年不同类型荒漠化土地的空间演化特征，得到2010—2015年塔里木河干流上游的荒漠化程度面积转移矩阵(见表2)，整体改变情况如图3所示。

由图3可知，2010—2015年期间，研究区土地荒漠化恶化的区域较少，零散分布，而土地荒漠化改善的区域则集中分布在塔里木河沿岸地区。观察表2可知，研究区转入主要发生在“极度荒漠化”向“强度荒漠化”的转移，转移面积2 542.69 km2；转出主要发生在“强度荒漠化”向“中度荒漠化”的转移，转移面积为1 739.87 km2。研究区中高度等级荒漠化土地转出面积均高于转入面积，由此表明，生态输水和一系列的政策对荒漠化改善有正效应。将干流上游放大，可较为明显地观察到荒漠化程度有改善(见图4)。

图3 2010-2015年塔里木河干流上游荒漠化土地变化分布特征

2.2 风蚀量估算结果

本研究所使用的气象站点记录的风速数据为10 m高度，而在公式(7)中所使用的风速为2 m 高度处的风速，且与公式(8)—(9)时间对应。因此，在计算风蚀量时用下式对风速进行换算。

(20)

式中：U2为2 m高处风速(m/s)；Uz为高度z处风速(m/s)；z为风速计高度(m)。

将公式(20)的结果带入公式(4)—公式(11)计算得：极度荒漠化地区损害固沙量4.49×105t/a；强度荒漠化地区损害固沙1.33×105t/a；中度荒漠化地区损害固沙量3.72×104t/a；轻度荒漠化地区损害固沙量2.04×104t/a。

表2 2010-2015塔里木河干流上游荒漠化变化矩阵 km2

图4 2010，2015年塔里木河干流上游荒漠化程度对比

2.3 经济赔偿方案

将计算所得的损害固沙量带入公式(12)—(15)，得到2015年塔里木河干流上游不同荒漠化地区对应的沙尘清理损害价值、农田经济损失价值、保持土壤肥力损害价值。详细结果如表3所示。

表3 塔里木河干流上游荒漠化地区经济赔偿方案

从表3可以看出，主要的损害赔偿集中在极度荒漠化地区，这是由于研究区极度荒漠化面积占比较大，所需要的赔偿相应增加。在各程度的荒漠化损害中，沙尘清理损害价值与土壤肥力损害价值所占比重较大。

在贴现率5%的情况下，极度荒漠化地区，经济赔偿2.77×106元；强度荒漠化地区，经济赔偿3.72×105元；中度荒漠化地区，经济赔偿约6.06×104元；轻度荒漠化地区，经济赔偿约2.14×104元，总赔偿金额为3.23×106元，符合当地经济水平。

3 讨 论

由NDVI-Albed特征空间分布可以看出，植被盖度较高的地区荒漠化程度较低，地表反照率较低，植被的减少也会导致荒漠化的进一步恶化，与前人研究一致[23]。荒漠化差值指数(DDI)相较用单一植被指数衡量荒漠化程度精度更高，适用于荒漠化的监测[24]。

防风固沙量的准确估算是进行荒漠风蚀损害损害赔偿的基础。对此，国内外学者做了大量研究，提出了诸多估算模型。但是，由于风蚀过程复杂，影响因素繁多，使得风蚀量无法精确估算，自然条件难以精准模拟且野外测定也有一定的困难。除了风蚀模型本身的缺陷，中国气象站数据为10 m高处风速，研究计算时使用的2 m高处风速是用《中华人民共和国气象行业标准QX/T 81-2007》提供的校正方式校正得到，因缺乏实地风速的检测与校正，与真实值相比存在一些偏差；公式中使用的沙粒粒径为前人研究所得，在计算过程中缺乏当地实测。在今后的研究中，可增加实地勘测，以提高测算的准确性。

荒漠有多种地表形态，生态功能繁多，而不同的植被覆盖也对荒漠地表有不同的防护功能[25]。本研究选取了防风固沙损害价值估算，定量地进行了沙尘清理、农田经济损失、土壤肥力损害的计算。受研究方法、技术手段的限制，防风固沙功能中对减少蒸发，降温产生的价值难以计算，且未考虑由于荒漠化引起的气候变化、植被退化的生态赔偿，这些价值的核算还有待于之后的发现与研究。

与流域生态恢复治理工程不同，生态赔偿机制应是国家、地方、区域、行业多层次组成的综合性赔偿体系，可通过公众参与机制，发挥公众对政府、企业等的监督作用，进一步完善流域内行政考核奖惩制度，以确保生态赔偿机制作用的有效发挥[26]。以政府为主体，包含对流域生态恢复与改善有所贡献的公民、企业或其他组织，增加“受益者付费”和“损害者付费”原则。流域资源的开发利用者作为受益者，应履行生态补偿义务[27]，对受益者征收一定的税费，作为生态赔偿的资金。“损害者付费”对环境污染者(公民、法人和其他组织)采取排污收费措施，以利于生态环境的保护。此外，流域需要通过建立公共监督体系，在生态修复、生态保护等方面发挥积极作用。

自2000年以来，塔里木河流域先后实施了一系列保护生态的重大项目，这些生态恢复工程有效保护了塔里木河流域生态系统，遏制了荒漠化的恶化，整体改善了流域荒漠化状况。今后，塔里木河流域在继续实施生态恢复工程的同时，应做到因地制宜，这样才能加速生态恢复，实现经济、生态、社会和谐发展。

4 结 论

研究通过建立NDVI和Albedo的空间关系，解译了塔里木河干流区域土地荒漠化信息，利用土壤风蚀模型估算了不同荒漠化地区损害固沙量，并进行相应生态损害赔偿计算。

(1) 2010—2015年，研究区整体荒漠化状况有所缓解，中度及以上的荒漠化土地面积出现不同程度的下降，主要发生在“强度荒漠化”向“中度荒漠化”的转移。

(2) 研究区2015年不同荒漠化土地的损害固沙量分别为：极度荒漠化地区4.49×105t/a；强度荒漠化地区1.33×105t/a；中度荒漠化地区3.72×104t/a；轻度荒漠化地区2.04×104t/a。

(3) 2015年，在贴现率5%的情况下，极度荒漠化地区，经济赔偿2.77×106元；强度荒漠化地区，经济赔偿3.72×105万元；中度荒漠化地区，经济赔偿约6.06×104元；轻度荒漠化地区，经济赔偿约2.14×104元，总赔偿金额为3.23×106元，符合当地经济水平，证明了本赔偿模式的可行性。