最小數據方法在舟曲縣生態補償中的應用

劉玉卿 宋曉諭 鐘方雷 趙雪雁，3

(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所生態水文與集成流域管理研究重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州730000;3.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

最小數據方法在舟曲縣生態補償中的應用

劉玉卿1，2宋曉諭1鐘方雷1趙雪雁1，3

(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所生態水文與集成流域管理研究重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州730000;3.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

弄清補償標準和新增生態系統服務供給量之間的關系是生態補償研究中的關鍵問題。舟曲縣現有的補償是靜態補償，補償標準低，沒有很好地達到改善生態環境的目的。本文基于最小數據方法，以耕地和林地提供的水土保持量的差異表征生態系統服務，通過提供單位水土保持服務的機會成本的空間分布，推導出舟曲縣森林水土保持的供給曲線，從而將補償標準和新增水土保持服務的供給聯系起來。同時對比了3種補償標準下的退耕比例、生態補償總資金需求和新增水土保持量。研究表明生態補償在理論上可以提供舟曲縣的水土保持能力。隨著補償標準的提高，新增水土保持量也在增加。當補償標準為250元/畝時，退耕比例僅為8.26%，生態補償總資金需求為1 930.03萬元，新增水土保持量為4.69×104t;當補償標準提高到518.63元/畝時，退耕比例增加到49.54%，總資金需求為23 184.26萬元，新增水土保持量為2.83×105t;當補償標準增加到995.65元/畝時，退耕比例可達到98.79%，總資金需求為87 340.95萬元，可新增水土保持量達到5.65 ×105t。

補償標準;最小數據方法;機會成本;供給曲線;舟曲縣

生態補償又稱為生態系統服務付費(Payments for environmental services，簡稱PES)，是一種將外部的、非市場化的環境價值轉化為現實的財政激勵措施的有效方式，旨在鼓勵參與者提供更多的生態系統服務［1］。PES與傳統的環境保護活動不同，它強調增加環境的正外部性，注重內生環境的正外部性，讓環境保護者受益，這種環境的正面激勵措施更能得到民眾的支持和配合。PES概念的首次使用可追溯到1997年紐約市實施的流域水資源保護規劃，隨后世界各地相繼開展了從流域尺度到國家尺度的PES項目，目前PES相關案例已經超過了200多例。如果美國的保護儲備計劃(Conservation Reserve Progran，CRP)，哥斯達黎加的環境服務付費項目(Dayrnents for Environmental Services，PSA)和墨西哥的水文環境付費項目(Payments for Hydrological Environmental Services，PSAH)等［2］。在生態補償研究中，弄清補償標準和新增生態系統服務供給量之間的關系，讓決策者明確得到期望的服務供給量所需要的投入非常關鍵［3］。由于生態系統服務的供給和農戶的經濟行為都具有空間異質性，通常需要開發不同尺度上集成的經濟和環境模型。這樣的研究通常需要大量的數據，并且特定地點的經濟數據只能通過特定目的的農戶調查獲得。然而通常情況下，既沒有時間也沒有資源去收集這些詳細的數據。政策分析具有時效性，只要分析結果及時且具有足夠的精度就可為政策服務。

基于這些考慮，Antle等開發了最小數據方法，通過運用相對容易獲得的二手數據，通過分析土地利用收益的空間分布，計算提供單位生態系統服務的機會成本的空間分布，并引入選擇機制導出生態系統服務的供給曲線，從而將補償標準和新增生態系統服務的供給聯系起來［4］。目前該方法已經成功運用于多種生態系統服務供給的模擬，包括碳匯［5］、濕地保護［6］和水資源保護［7］等。最小數據方法可以很好地模擬生態系統的供給，可為政策服務。最小數據方法的廣泛應用也證實了對于政策分析而言，需要較少數據的簡單模型比復雜模型更為優越。因此，本研究以舟曲縣為例，以耕地和林地提供的水土保持量的差異表征生態系統服務，基于最小數據方法，通過提供水土保持服務的機會成本的空間分布模擬服務的供給曲線，將自然過程與經濟過程結合起來，從而確定了動態的補償標準和新增生態系統服務供給之間的關系，并對比分析了3種不同補償標準下的退耕比例、生態補償總資金需求和提供的新增水土保持量，希望能夠為舟曲縣災后重建工作中生態補償項目的實施提供科學的借鑒指導。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

舟曲縣(103°51'30″～104°45'31″E，33°13'06″～34°01'00″N)位于甘肅省甘南藏族自治州的東南部，東臨隴南市武都區，北接宕昌縣，西南與迭部縣、文縣和四川九寨溝縣接壤。全縣現有15°以上坡耕地面積為103 848.1畝，占總耕地面積的72.59%［8］。舟曲縣是一個傳統的農業縣，經濟基礎薄弱，人民群眾生活條件較差。2009年舟曲縣人口達13.5萬，其中藏族人口占總人口的36.46%，農牧業人口占總人口數的90.6%。2009年底舟曲縣實現生產總值6.28億元，其中第一產業增加值為1.92億元，第二產業增加值為1.05億元，第三產業增加值為3.31億元。年末農民人均純收入為2 241元，比甘肅省平均水平低739元［8］。

近年來，由于人類活動增多和毀林開荒、砍伐森林等，舟曲縣的森林面積大量減少，植被水土保持等生態功能降低，水土流失、泥石流、滑坡等自然災害頻發，嚴重威脅著長江中下游地區的生態安全。國家自1998年以來在該縣相繼實施了“天保”、“退耕還林”、“重點公益林建設”等生態工程，實現退耕還林14.3萬畝，對改善當地生態環境起到了一定的作用。然而，補償標準低、補償不足等，導致生態建設成效降低。據統計，舟曲縣的森林覆蓋率由建國初期的57%驟降到27%左右。全縣現有水土流失面積達到186.75萬畝，占全縣土地總面積的42%，其中耕地流失面積達到8.18萬畝。2010年8月8日發生的特大山洪泥石流災害以及8月11日的暴雨泥石流災害，對當地人民群眾的生命和財產安全造成了巨大破壞。在這樣的背景下，舟曲縣亟需建立健全生態補償機制，以便協調利益各方經濟與生態利益的分配關系，促進舟曲縣生態環境的保護，促進城鄉間和群體間的公平性和社會的協調發展。

1.2 研究方法

Antle等開發了最小數據方法，其基本思想是基于生態系統服務供給的機會成本推導生態系統服務的供給曲線［4］。生態系統服務的供給不好監測，通常以土地利用為替代指標進行分析［3］。為簡化分析，假設對于每一個區域，存在兩種競爭性的土地利用方式(本研究假設a為耕地，b為林地)。假設農戶是理性的經濟人，某一時期內的土地使用決策都是基于最大化土地利用的期望價值v(p，s，z)，其中p為產出價格，s為地塊，z為兩種土地利用方式。簡單起見，假設土地利用的轉換成本為0。ω(p，s)為耕地與林地的凈收益差，即從耕地轉變為林地的機會成本。在這些假設條件下，可以得到農戶在沒有引入生態補償項目時土地利用的選擇機制。如果ω(p，s)=v(p，s，a)－v(p，s，b)≥0，農戶選擇土地利用方式 a，反之就選土地利用方式b。為得到在私人均衡下生態系統服務供給的期望值，可以將所有的土地單元上的ω(p，s)排序，從而定義概率密度函數φ(ω)，則可以計算得到在沒有生態補償項目時，采用土地利用方式b的土地單元的比例為r(p):

由于ω(p，s)是p的函數，可知r也是p的函數。在一個總面積為H的地區，在私人均衡下某時期內生態系統服務供給的期望值為S(p):

S(p)為沒有實施生態補償的情形下，退耕的林地所提供的水土保持量的底線情景。如果想增加水土保持量，就必須進行生態補償，促使農戶將耕地轉變為林地。注意這里向農戶支付的只是新增水土保持量的費用。

進一步假設，在每一點s，采用土地利用方式b，單位時間內單位面積上能產生的生態系統服務為e，而采用土地利用方式a，產生的生態系統服務為0。這種假設不失普遍性，因為分析主要是考慮兩種土地利用方式之間的差異。在存在生態補償的背景下，如果農戶仍然采用土地利用方式a，則可獲得價值v(p，s，a)，而采用土地利用方式b的農戶，可獲得價值 v(p，s，b)+epe，e為采用土地利用方式 b新增的水土保持量，pe為提供單位水土保持量的補償價格。從而得到存在生態補償機制的情況下，農戶土地利用方式的選擇機制。如果 ω(p，s)－epe＜0，即 ω(p，s)/e＜ pe，則農戶選擇土地利用方式b，此種情形下水土保持量可以在底線情景的基礎上增加，生態環境得到了改善。定義ω(p，s)/e為提供單位水土保持服務的機會成本，在補償價格介于0到pe之間時，采用土地利用方式b的土地單元比例為:

從而可以估算生態系統服務供給的總量S(p，pe)為:當所有的土地單元都采用土地利用方式b時，供給曲線漸近于最大的生態系統服務H·e。基于上述分析可以看出，通過最小數據方法可以將特定地點的土地利用決策和區域生態系統服務的供給聯系起來。

2 確定補償標準

2.1 新增水土保持服務e的估算

本研究利用水土保持來表征，生態系統服務。利用舟曲縣水保局提供的1993－2008年每年新增的林地面積和減少的土壤流失量，計算出單位面積林地新增的水土保持量(減少的水土流失量)。可以發現各鄉鎮新增的水土保持服務量是不同的，這主要與各鄉的地質特點和坡度等有關(見表1)。經計算，全縣平均新增水土保持服務e為5.51 t/畝。

表1 舟曲縣坡耕地退耕還林后新增水土保持服務eTab.1 Additional conservation of water and soil of sloping farmland after the conversion of farmland to forest in Zhouqu County

2.2 機會成本的空間分布

假設當耕地轉變為林地時，農戶的經濟收益為0。因此，當土地利用方式由耕地轉變為林地時，農戶的機會成本就是種植業的凈收益。2009年舟曲縣19個鄉鎮種植業凈收益的均值和標準差分別為518.63元/畝和197.36元/畝。利用Matlab對數據進行檢驗分析后，確定其符合正態分布。從而得出單位森林水土保持服務的機會成本ω/e也服從正態分布，均值為94.13元/t，標準差為35.82元/t。利用Matlab7.6.0繪制提供單位水土保持服務機會成本的空間分布(見圖1)。

2.3 水土保持服務供給曲線的模擬

只有當生態補償標準高于生態系統服務供給的機會成本時，農戶才愿意參與生態補償，提供生態系統服務，因此，為了更好地確定補償標準，就必須明確生態系統服務的供給曲線，即明確生態系統服務供給量與補償標準之間的關系。根據農戶提供單位水土保持服務的機會成本的空間分布(見圖1)，可以模擬在不同補償標準下，舟曲縣退耕還林的比例及其提供的水土保持服務的供給曲線(見圖 2、圖3)。

依據公式(1)和(2)，可估算出在沒有實施生態補償的情形下，舟曲縣退耕比例僅為0.43%，此時森林生態系統可提供的水土保持量僅為2 458 t。要增加水土保持量，就必須進行生態補償。從圖2中可以看出，隨著補償價格的增加，農戶退耕還林的比例也在增加。當補償價格為45.4元/t時，退耕比例僅為8.26%;當補償價格增加到94.1元/t時，退耕比例增加到49.54%，將近有一半的15°以上的坡耕地實現退耕還林;補償價格為180.7元/t時，退耕比例達到98.79%。可見補償價格不同，農戶退耕還林的比例就不同，從而提供的新增水土保持量也不相同。

圖1 水土保持服務機會成本的空間分布Fig.1 Spatial distribution of opportunity cost of conservation of water and soil services

圖2 補償價格與土地利用變化之間的關系Fig.2 The relation between the prices of payments and the ratio of land-use change

圖3 舟曲縣森林水土保持服務的供給曲線Fig.3 The supply curve of conservation of water and soil services in Zhouqu County

圖3 顯示在不同補償價格下所提供的水土保持總量。在沒有補償時，提供的水土保持量基線為2 458 t;根據舟曲縣目前正在實施的林地補償項目，得知補償標準為250元/畝.年(補償價格為45.4元/t.年)，若繼續以此標準進行補償，退耕比例僅為8.26%，森林提供的水土保持總量為4.97×104t，新增水土保持量為 4.69 ×104t;未來情景下，為了減輕水土流失，減少泥石流、滑坡等自然災害的頻繁發生，舟曲縣15°以上的坡耕地要全部退耕還林。若以補償標準 518.63 元/畝進行補償(94.1 元/t.年)，可實現退耕比例為49.54%，新增生態服務量為2.83×105t;若補償標準增加到995.66元/畝(180.7 元/t.年)，則森林生態系統將提供新增水土保持量達到5.65×105t，舟曲縣15°以上的坡耕地將幾乎全部實現退耕，生態環境將極大改善。

2.4 農戶層面補償標準

按照農戶層面補償標準(pe×e)，pe為單位水土保持服務的補償價格，e為單位面積新增林地提供的水土保持量，確定農戶層面動態的補償標準和新增水土保持量(見表2)。

3 不同補償標準下的生態補償總資金需求

本研究通過最小數據方法確定補償標準的基礎上，假定了3種情景，包括繼續采用現行的補償標準(250元/畝)、平均機會成本(518.63 元/畝)、最大機會成本(995.66元/畝)，探討了3種情景下的退耕比例、新增水土保持量、補償農戶資金、實施成本、交易成本和生態補償總資金需求等。

表2 舟曲縣農戶層面補償標準和新增水土保持量Tab.2 Payments criteria on farm-level and additional conservation of water and soil in Zhouqu County

3.1 不同補償標準下的交易成本和實施成本

由于交易成本包括很多方面(項目管理，涉及，推廣宣傳等)，同時這些成本具有很大的不確定性，直接測量交易成本比較困難。因此，采用類比的方法確定交易成本。在以往實施退耕還林(還草)工程建設中，舟曲縣在實際實施過程中發生的交易費用為補償農戶總額的5%。因此，本研究認為舟曲縣實施生態補償的交易成本為補償農戶總額的5%。根據補償總額(補償標準×退耕面積)，可計算不同補償標準下的補償農戶總額，從而計算出3種補償標準下的交易成本(見表3)。

實施成本是實施生態補償的過程中直接保護生態環境所產生的成本。在本研究中，具體的實施成本為植樹造林的成本(種苗)和管護補助。參照退耕還林的經驗及舟曲縣林業局生態修復項目的建議，種苗、栽植補助為100元/畝、管護補助為50元/畝，合計實施成本為150元/畝。因此，在不同的補償標準下，根據實施成本總額(退耕比例×15°以上坡耕地的總面積×單位面積實施成本)，可估算出所需的實施成本總額(見表3)。

表3 3種補償標準下的交易成本和實施成本Tab.3 Transaction costs and implementation costs underthree different compensation criteria

3.2 生態補償總資金需求

生態補償的總資金為補償農戶資金、交易成本和實施成本的總和。按照國家退耕還林的規定，本研究設定補償的年限為8年。由于實施成本是一次性投入，不存在年限問題。從而可以計算3種補償標準下實施生態補償的總資金需求(見表4)。

表4 3種補償標準下舟曲縣實施生態補償的總資金需求Tab.4 The total funds of implementing ecological compensation under three different compensation criteria

結合表2、表3和表4可以看出，在不同的補償標準下，舟曲縣新增的退耕還林的比例、補償農戶總額、生態補償項目實施的交易成本、實施成本、生態補償總資金需求和提供的新增水土保持服務量都是不同的。隨著補償標準的提高，新增退耕還林的比例增加，從而補償農戶資金、交易成本、實施成本及生態補償總資金需求也隨之增加。森林生態系統所提供的新增水土保持服務量不斷上升。可見生態補償可以提高舟曲縣的水土保持能力。

4 結論與討論

4.1 結論

本文以耕地和林地所提供的水土保持量的差異表征生態系統服務，通過房地調查和統計資料標準提供單位水土保持服務供給的機會成本的空間分布，基于最小數據方法，模擬了舟曲縣森林水土保持服務的供給曲線，將補償標準和新增水土保持服務的供給聯系起來。在此基礎上對比了3種補償標準下的退耕比例、生態補償總資金需求和新增水土保持量。通過分析，本文得到以下結論:

(1)研究表明隨著補償標準的提高，水土保持服務的供給量也在增加。當補償標準為250元/畝時，退耕比例僅為8.26%，補償總資金需求為1 930.03萬元，補償農戶資金總額為1 715.60萬元，區域交易成本為85.76萬元，區域實施成本為128.67萬元，補償實現新增水土保持量為4.69 ×104t/年;當補償標準增加到 518.63 元/畝時，退耕比例增加到49.54%，補償總資金需求為23 184.26萬元，新增水土保持量提高到2.83×105t/年;當補償標準為995.65元/畝時，退耕比例可達到98.79%，補償總資金需求為87 340.95萬元，補償農戶資金總額為81 716.24萬元，區域交易成本為4 085.84萬元，區域實施成本為1 538.87萬元，補償實現新增水土保持量達到5.65×105t/年，生態環境將得到極大改善。可見生態補償在理論上可以提高舟曲縣水土保持的生態功能，改善生態環境。

(2)最小數據方法無需復雜的、較難獲取的經濟和生物物理數據，即可將自然過程(生態系統服務量的供給)和農戶經濟決策過程聯系起來，通過提供生態服務機會成本的空間分布并引入選擇機制來推導出生態服務的供給曲線。由于其所需數據較少，模擬也足夠精確，可以為政策決策提供及時的定量的服務。

4.2 討論

最小數據方法將生態補償中的自然過程和人文過程進行了耦合，文中對自然過程進行了簡化處理，即生態系統服務的供給采用的是區域的平均值。實際上不同區域提供的生態系統服務是空間異質的，為使補償資金達到最好的效果，必須明確不同區域提供的生態系統服務的數量，從而有針對性地實施補償。生態補償的目的在于提供和改善生態系統服務，一些生態系統服務的供給與土地利用方式的聯系可以很好確定和監測，比如碳匯。但大部分生態系統服務的直接測量存在困難，而人類通常是通過土地利用方式的變化影響生態系統服務的供給，研究中通常采用土地利用變化替代生態系統服務的類型。在很多情況下，由于不清楚土地利用和生態系統服務之間的生物物理聯系，通常是由于數據的缺乏，使生態補償缺乏科學的基礎。就有可能導致一些錯誤的決策，如在缺水地區增加森林覆蓋等［3］。因此，以后的工作需要探尋生態系統服務產生的機理，明確生態系統服務與土地利用方式之間的定量關系，為生態補償對象和補償標準的制定提供更為科學的基礎。

生態系統服務的提供者是那些可以保證生態系統服務供給的人。生態系統服務的潛在供給者可能有很多，然而生態補償資金通常是有限的。為使補償的效率達到最大化，需要對這些潛在的補償對象進行空間選擇，從而確定最有效的補償區域。因此，補償對象的空間選擇也是今后需要研究的一個方向。

此外，生態補償作為一種有效的財政激勵機制，能夠促使生態服務的提供者改變土地利用方式，使其擁有的生計資本、采取的生計策略發生變化，從而使生態服務提供者的福利狀況發生變化，這關系到補償項目的可持續性。因此，研究生態服務提供者對生態補償項目的響應機制也是今后要深入研究的方向［9］。可持續生計分析是一種很好的定量研究的重要工具。該方法最初由英國國際發展機構提出并建立，通過定量計算五種生計資本評價其與生計策略的關系，已經廣泛應用于貧困研究和政策的影響評價及監控［10］。在生態補償實施過程中，補償標準等是影響生態補償參與者生計資本的主要因素，因此可以利用可持續生計框架分析，通過分析生計資本對補償標準等的響應，評價生態補償對區域及生計策略的影響。

致謝:論文中無特殊說明的數據均來自于舟曲縣林業局、統計局和水土保持局，在此表示衷心感謝!

References)

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［9］趙雪雁，徐中民.生態系統服務付費的研究框架與應用進展［J］.中國人口·資源與環境，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

劉玉卿，博士生，主要研究方向為生態經濟。

*甘肅省財政廳“甘肅省內陸河流域、長江黃河流域生態補償機制與財政政策研究”項目;中國科學院知識創新工程重要方向項目群“地表過程集成系統研究”(編號:KZCX2－YW－Q10－4－03)。

(編輯:于 杰)