京津冀SO2区域调控生态补偿机制研究

熊 都，孟家兴

(中煤科工集团杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

京津冀地区是我国三个“增长极”之一，引领北方乃至全国经济的发展。长期以来，京津冀的发展模式以高耗能、高污染为主[1]，造成了严重的环境污染，引发了各种生态环境问题。近几年，雾霾污染成为研究热点。研究发现，雾霾越严重时，SO2的浓度越高，颗粒物中硫酸盐的占比越大[2]。SO2污染仍然是京津冀面临的主要生态环境问题，亟待解决。

SO2排放量的区域调控是指区域间SO2排放量的控制和调节，通过调控手段，并有效利用环境承载力，以实现SO2空气质量达标。目前，国内外SO2排放量的区域调控方法主要有总量控制、排污权交易和环境污染损失赔偿。总量控制、排污权交易和环境污染损失赔偿在实现区域环境质量达标上发挥着重要作用，但也有很多不足之处，同时，这三种方法都没有重视生态系统对SO2的净化服务功能。生态系统是自然界中有组织和功能的一部分，它能提供一系列产品和服务来满足人类生活[3]。1997年，Constanza等把生态系统的功能分为17种类型，第一种是调节大气的化学组成，包括CO2/O2平衡、O3对臭氧层的保和吸收SO2[4]。

近三十年来，在环境和生态经济的探索中，生态系统的服务和变化已经变成了最重要和发展最快的领域之一[5]。生态系统服务供给指在指定区域的一定时间范围内，生态系统通过生态过程提供的特定生态系统服务的数量和质量[6]。生态系统对SO2净化的供给服务主要包括植物吸收SO2和SO2沉降。罗红艳等研究了北京市房山区32种主要绿化树种对SO2的吸收、累计特点及其指示与净化作用[7]。目前，研究农作物吸收SO2的文献非常少，并且没有对整个京津冀地区植物吸收SO2的定量研究。许亚宣等做了中国硫沉降数值模拟[8]。生态系统服务的消费指人类生产和生活对生态服务的消耗、利用和占用[9]。生态系统对SO2净化服务的消费量是SO2的排放量。区际生态补偿机制是区域间协调发展的关键，区域生态补偿数量计算和确定是区际生态补偿前提，是决定是否顺利进行的关键环节[10]。金波对区域生态补偿机制进行了研究[11]，该研究通过计算京津冀区植物吸收SO2量和SO2沉降量，得出京津冀生态系统对SO2净化的供给服务量，与生态系统服务消费量进行对比，得到京津冀以SO2调控为目的的生态补偿。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区域为京津冀区，以2002年、2005年、2008年、2011年和2014年为研究对象年。京津冀区不同类型植物的面积数据(见表1)来源于中国科学院资源环境科学数据中心[12-14]。

表1 京津冀区不同类型植物的面积

1.2 研究方法

1.2.1 关于SO2生态补偿的量化研究

SO2净化服务的生态盈余区是指不仅能全部净化本区域排放的SO2，还能为其他区域提供SO2净化服务的地区。生态赤字区是指不能全部净化本区域排放SO2的区域。生态系统对SO2净化服务的供给量为植物吸收SO2量与SO2沉降量之和。生态系统对SO2净化服务的消费量是SO2的排放量。生态系统服务盈余量为生态系统服务供给量和消费量之差。生态补偿标准判断公式和补偿标准额计算公式如下：

E=Q+D-F

(1)

J=E×P

(2)

式中，E为生态系统对SO2净化服务的生态盈余(赤字)量，若E>0，则说明该地区应该得到生态补偿，若E<0，则说明该地区应该支付补偿，t/a；Q为植物吸收SO2量，t/a；D为SO2沉降量，t/a；F为SO2排放量，也是生态系统对SO2净化服务的消费量，t/a；J为生态补偿金额，万元/年；P为削减每吨SO2的边际成本。

根据《中国生物多样性国情研究报告》，每削减1吨SO2的边际成本为600元[15]。

1.2.2 植物吸收SO2总量的计算方法

对任何植物来说，硫都是一种不可少的生命元素，植物必须从外界环境中吸收适量的硫以保证其正常生长发育的需要。虽然有些气体被植物表面吸收，但是植物吸收气态污染物主要是通过叶片气孔的摄取[16]。SO2进入植物内部后，经过转移和同化作用被固定在细胞组织内，在植物内部的细胞膜壁上，SO2与水反应生成硫酸盐[17]，生成的硫酸盐或贮存在细胞内，或通过根系排出体外。由此可见，植物能吸收、积累、转化和运输大气中的SO2，对环境起着净化作用[18]。植物吸收SO2总量为各种类型植物吸收量之和，各类植物吸收量由各类植物的面积和吸收能力决定，表达如下式：

(3)

式中，vi为不同类型的植物吸收SO2的能力，其中v1、v2和v3分别为林木、农作物和草地吸收SO2的能力，kg/(hm2·a)；Si为不同类型的植物面积，其中S1、S2和S3分别为林木、农作物和草地的面积，hm2。

不同类型的植物对SO2的吸收能力如下：

1)林木对SO2的吸收能力

根据《中国生物多样性国情研究报告》，阔叶树对SO2的吸收能力为 88.65 kg/(hm2·a)，针叶树的吸收能力为 215.60 kg/(hm2·a)。阔叶林的林分密度约为1250株/hm2[19]，灌木林的林分密度约为20000株/hm2[20]，约为阔叶林林分密度的15倍，每株阔叶树的吸收能力约为每株灌木的30倍[21]。因此，单位面积的阔叶林的吸收能力约为灌木林的2倍，在此取灌木的吸收能力为 44.32 kg/(hm2·a)。有林地的郁闭度大于30%，疏林地的郁闭度为10%～30%，取疏林地的吸收能力为有林地的1/2；其他林地主要指没达到疏林地林分密度标准的林地，其吸收能力取为疏林地的2/3。

2)农作物对SO2的吸收能力

农作物吸收SO2的能力由其对SO2的吸收强度、吸收运转周期、农作物生物量和农作物旺盛生长天数共同决定，表达如下式：

(4)

式中：v2为农作物吸收SO2的能力，kg/hm2·a ；q为农作物的吸收强度；W为农作物的年生物量，t/hm2·a；t为农作物旺盛生长天数，d；T为农作物的吸收运转周期，1/d。

农作物吸收SO2的强度是单位面积农作物生物量与所能吸收的SO2量的质量比，实验测定为0.45%。SO2的吸收转运周期是指当SO2剂量达到伤害阈值时停止熏气后体内硫含量降低到对照或熏气前水平的天数，实验测定约为 20 d[22]。农作物的年生物量约为 5 t/hm2，一般作物生长旺盛期为 40 d，相当于两个吸收运转周期。由此计算可得，农作物对SO2的吸收能力为 45 kg/(hm2·a)。

3)草地对SO2的吸收能力

草地的生产功能包括养分循环与贮存、固定CO2、释放O2和削减SO2等[23]。草坪上空的SO2含量较裸地减少1/5，但吸硫量远低于树木的十几倍[21]。本文取高覆盖度草地对SO2的吸收能力为阔叶树的1/10，即 8.87 kg/(hm2·a)，取中覆盖度和低覆盖度草地的吸收能力为 4.44 kg/(hm2·a) 和 2.22 kg/(hm2·a)。

1.2.3 SO2沉降量

许亚宣等采用致酸污染物长距离传输模型ATMOS，对我国2002年排放的SO2所产生的S沉降进行了数值模拟研究，得到北京市、天津市和河北省的硫沉降量分别为2.67万t，2.96万t和30.24万t[9]，则SO2的年沉降量分别为5.34万t，5.92万t和60.48万t。杨新兴等根据在“八五”国家科技攻关课题研究中建立的沉降模式，利用1992年，1993年和1995年的资料，计算出北京、天津和河北省的SO2年沉降量分别为6.85万t，6.74万t和41.8万t[24]。该研究取年份离现在更近的研究结果，并进行相应调整。

SO2沉降包括干沉降和湿沉降[25]。北方干燥地区以干沉降为主[9]，SO2的干沉降量与SO2浓度成正比关系。SO2的湿沉降与SO2排放量有关，SO2的排放量与SO2浓度的相关系数为0.93[26]，因此，SO2的湿沉降与SO2浓度有关。本文以2002年硫沉降的模拟值为基数，用某地区相应年份的SO2年均浓度与2002年SO2年均浓度进行对较，求得某地区相应年份SO2的沉降量，表达如下式：

(5)

式中：Di为某地区相应年份的SO2沉降量，万t/a；D0为2002年SO2的沉降量，万t/a；Ci为相应年份SO2的年均质量浓度，μg/m3；C0为2002年SO2的年均质量浓度，μg/m3。

另外，该研究假定京津冀地区不与其他地区互相输送SO2。

2 结果与讨论

2.1 植物吸收SO2量

京津冀区植物吸收SO2量及不同类型植物吸收SO2量所占比例如表2所示。

表2 2005年京津冀地区植物吸收SO2量

由表2可知，2005年北京市、天津市和河北省植物每年分别能吸收7.65万t、3.25万t和81.89万t的SO2。不同林木吸收SO2的能力相差较大，因此，一个地区林木吸收SO2量与该地区林分结构和郁闭度关系密切。可以通过科学规划林分结构和郁闭度来提高林木对SO2的净化能力。谢高地等研究北京森林生态系统和生态价值，得出2004年北京森林生态系统吸收了70×103t 的SO2[26]，该研究计算得到2005年北京林木吸收SO2的量为5.64万t，结果相近。

中国科学院资源环境科学数据中心的数据表明，研究对象年范围内京津冀地区的植物结构和面积变化不大，因而，植物吸收SO2总量的变化不大。该研究假定京津冀区植物吸收SO2总量不变，均取为由2005年京津冀区植物面积所算得的结果。

2.2 SO2沉降量

2002年、2005年、2008年、2011年和2014年京津冀区SO2的沉降量如表3。由表3可知，北京市的SO2沉降量一直在减少，天津市和河北省SO2沉降量虽然起伏不定，但总体呈现下降趋势。

表3 京津冀区SO2沉降量

2.3 SO2生态供给与消费量

京津冀区SO2年排放量数据来源于京津冀区《环境质量状况公报》，京津冀区生态系统对SO2净化服务的供给量和消费量计算结果如图1、图2。由图1、图2可知，京津冀区生态系统对SO2净化服务的供给量和消费量总体呈现变小的趋势。

图1 北京市和天津市生态系统对SO2净化服务的供给和消费量

图2 河北省生态系统对SO2净化服务的供给和消费量

2.4 SO2净化服务的生态盈余量和生态补偿

京津冀区SO2净化服务生态盈余量和生态补偿计算结果如表4。由表4得，北京市SO2净化服务的生态盈余量一直在增加，2011年之前，北京市为SO2净化服务的生态赤字区，2011年，北京市开始变为SO2净化服务的生态盈余区，2014年北京市理论上可以得到894万元的生态补偿金额。天津市一直是SO2净化服务的生态赤字区，2014年，天津市应该付出8070万元的生态补偿金额。2002年，河北省市是生态盈余区，之后，河北省变为SO2的生态赤字区，2011年，河北省的生态赤字补偿金额达到近1.7亿元，2014年，河北省变为SO2净化服务的生态盈余区，应该得到2076万元的生态补偿金额。京津冀SO2污染的控制不能靠单一的减排，必须联防联控，可以根据本研究生态补偿的量化结果，由京津冀区的上级政府或三个地区的政府共同建立区际生态补偿基金，用以联防联控京津冀区的SO2污染。

表4 京津冀区SO2净化服务的生态补偿

3 结论

1)2005年，北京市、天津市和河北省植物分别能吸收7.65万t、3.25万t和81.89万t的SO2。北京市、天津市和河北省农作物吸收SO2分别占植物总吸收量的25.5%、92.0%和49.6%。

2)2002年，北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分别为5.34万t，5.92万t和60.48万t。通过浓度调整计算得到2014年北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分别为1.74万t，4.2万t和40.57万t。

3)基于生态系统服务供给和消费的SO2生态补偿，得到2014年，北京市和河北省理论上应得到的生态补偿金额为894万元和2076万元，天津市理论上应付出的生态补偿金额为8070万元。可以由京津冀区的上级政府或三个地区的政府共同建立区际生态补偿基金，用以联防联控京津冀区的SO2污染。