京津冀SO2區域調控生態補償機制研究

熊 都，孟家興

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

京津冀地區是我國三個“增長極”之一，引領北方乃至全國經濟的發展。長期以來，京津冀的發展模式以高耗能、高污染為主[1]，造成了嚴重的環境污染，引發了各種生態環境問題。近幾年，霧霾污染成為研究熱點。研究發現，霧霾越嚴重時，SO2的濃度越高，顆粒物中硫酸鹽的占比越大[2]。SO2污染仍然是京津冀面臨的主要生態環境問題，亟待解決。

SO2排放量的區域調控是指區域間SO2排放量的控制和調節，通過調控手段，并有效利用環境承載力，以實現SO2空氣質量達標。目前，國內外SO2排放量的區域調控方法主要有總量控制、排污權交易和環境污染損失賠償。總量控制、排污權交易和環境污染損失賠償在實現區域環境質量達標上發揮著重要作用，但也有很多不足之處，同時，這三種方法都沒有重視生態系統對SO2的凈化服務功能。生態系統是自然界中有組織和功能的一部分，它能提供一系列產品和服務來滿足人類生活[3]。1997年，Constanza等把生態系統的功能分為17種類型，第一種是調節大氣的化學組成，包括CO2/O2平衡、O3對臭氧層的保和吸收SO2[4]。

近三十年來，在環境和生態經濟的探索中，生態系統的服務和變化已經變成了最重要和發展最快的領域之一[5]。生態系統服務供給指在指定區域的一定時間范圍內，生態系統通過生態過程提供的特定生態系統服務的數量和質量[6]。生態系統對SO2凈化的供給服務主要包括植物吸收SO2和SO2沉降。羅紅艷等研究了北京市房山區32種主要綠化樹種對SO2的吸收、累計特點及其指示與凈化作用[7]。目前，研究農作物吸收SO2的文獻非常少，并且沒有對整個京津冀地區植物吸收SO2的定量研究。許亞宣等做了中國硫沉降數值模擬[8]。生態系統服務的消費指人類生產和生活對生態服務的消耗、利用和占用[9]。生態系統對SO2凈化服務的消費量是SO2的排放量。區際生態補償機制是區域間協調發展的關鍵，區域生態補償數量計算和確定是區際生態補償前提，是決定是否順利進行的關鍵環節[10]。金波對區域生態補償機制進行了研究[11]，該研究通過計算京津冀區植物吸收SO2量和SO2沉降量，得出京津冀生態系統對SO2凈化的供給服務量，與生態系統服務消費量進行對比，得到京津冀以SO2調控為目的的生態補償。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區域為京津冀區，以2002年、2005年、2008年、2011年和2014年為研究對象年。京津冀區不同類型植物的面積數據(見表1)來源于中國科學院資源環境科學數據中心[12-14]。

表1 京津冀區不同類型植物的面積

1.2 研究方法

1.2.1 關于SO2生態補償的量化研究

SO2凈化服務的生態盈余區是指不僅能全部凈化本區域排放的SO2，還能為其他區域提供SO2凈化服務的地區。生態赤字區是指不能全部凈化本區域排放SO2的區域。生態系統對SO2凈化服務的供給量為植物吸收SO2量與SO2沉降量之和。生態系統對SO2凈化服務的消費量是SO2的排放量。生態系統服務盈余量為生態系統服務供給量和消費量之差。生態補償標準判斷公式和補償標準額計算公式如下：

E=Q+D-F

(1)

J=E×P

(2)

式中，E為生態系統對SO2凈化服務的生態盈余(赤字)量，若E>0，則說明該地區應該得到生態補償，若E<0，則說明該地區應該支付補償，t/a；Q為植物吸收SO2量，t/a；D為SO2沉降量，t/a；F為SO2排放量，也是生態系統對SO2凈化服務的消費量，t/a；J為生態補償金額，萬元/年；P為削減每噸SO2的邊際成本。

根據《中國生物多樣性國情研究報告》，每削減1噸SO2的邊際成本為600元[15]。

1.2.2 植物吸收SO2總量的計算方法

對任何植物來說，硫都是一種不可少的生命元素，植物必須從外界環境中吸收適量的硫以保證其正常生長發育的需要。雖然有些氣體被植物表面吸收，但是植物吸收氣態污染物主要是通過葉片氣孔的攝取[16]。SO2進入植物內部后，經過轉移和同化作用被固定在細胞組織內，在植物內部的細胞膜壁上，SO2與水反應生成硫酸鹽[17]，生成的硫酸鹽或貯存在細胞內，或通過根系排出體外。由此可見，植物能吸收、積累、轉化和運輸大氣中的SO2，對環境起著凈化作用[18]。植物吸收SO2總量為各種類型植物吸收量之和，各類植物吸收量由各類植物的面積和吸收能力決定，表達如下式：

(3)

式中，vi為不同類型的植物吸收SO2的能力，其中v1、v2和v3分別為林木、農作物和草地吸收SO2的能力，kg/(hm2·a)；Si為不同類型的植物面積，其中S1、S2和S3分別為林木、農作物和草地的面積，hm2。

不同類型的植物對SO2的吸收能力如下：

1)林木對SO2的吸收能力

根據《中國生物多樣性國情研究報告》，闊葉樹對SO2的吸收能力為 88.65 kg/(hm2·a)，針葉樹的吸收能力為 215.60 kg/(hm2·a)。闊葉林的林分密度約為1250株/hm2[19]，灌木林的林分密度約為20000株/hm2[20]，約為闊葉林林分密度的15倍，每株闊葉樹的吸收能力約為每株灌木的30倍[21]。因此，單位面積的闊葉林的吸收能力約為灌木林的2倍，在此取灌木的吸收能力為 44.32 kg/(hm2·a)。有林地的郁閉度大于30%，疏林地的郁閉度為10%～30%，取疏林地的吸收能力為有林地的1/2；其他林地主要指沒達到疏林地林分密度標準的林地，其吸收能力取為疏林地的2/3。

2)農作物對SO2的吸收能力

農作物吸收SO2的能力由其對SO2的吸收強度、吸收運轉周期、農作物生物量和農作物旺盛生長天數共同決定，表達如下式：

(4)

式中：v2為農作物吸收SO2的能力，kg/hm2·a ；q為農作物的吸收強度；W為農作物的年生物量，t/hm2·a；t為農作物旺盛生長天數，d；T為農作物的吸收運轉周期，1/d。

農作物吸收SO2的強度是單位面積農作物生物量與所能吸收的SO2量的質量比，實驗測定為0.45%。SO2的吸收轉運周期是指當SO2劑量達到傷害閾值時停止熏氣后體內硫含量降低到對照或熏氣前水平的天數，實驗測定約為 20 d[22]。農作物的年生物量約為 5 t/hm2，一般作物生長旺盛期為 40 d，相當于兩個吸收運轉周期。由此計算可得，農作物對SO2的吸收能力為 45 kg/(hm2·a)。

3)草地對SO2的吸收能力

草地的生產功能包括養分循環與貯存、固定CO2、釋放O2和削減SO2等[23]。草坪上空的SO2含量較裸地減少1/5，但吸硫量遠低于樹木的十幾倍[21]。本文取高覆蓋度草地對SO2的吸收能力為闊葉樹的1/10，即 8.87 kg/(hm2·a)，取中覆蓋度和低覆蓋度草地的吸收能力為 4.44 kg/(hm2·a) 和 2.22 kg/(hm2·a)。

1.2.3 SO2沉降量

許亞宣等采用致酸污染物長距離傳輸模型ATMOS，對我國2002年排放的SO2所產生的S沉降進行了數值模擬研究，得到北京市、天津市和河北省的硫沉降量分別為2.67萬t，2.96萬t和30.24萬t[9]，則SO2的年沉降量分別為5.34萬t，5.92萬t和60.48萬t。楊新興等根據在“八五”國家科技攻關課題研究中建立的沉降模式，利用1992年，1993年和1995年的資料，計算出北京、天津和河北省的SO2年沉降量分別為6.85萬t，6.74萬t和41.8萬t[24]。該研究取年份離現在更近的研究結果，并進行相應調整。

SO2沉降包括干沉降和濕沉降[25]。北方干燥地區以干沉降為主[9]，SO2的干沉降量與SO2濃度成正比關系。SO2的濕沉降與SO2排放量有關，SO2的排放量與SO2濃度的相關系數為0.93[26]，因此，SO2的濕沉降與SO2濃度有關。本文以2002年硫沉降的模擬值為基數，用某地區相應年份的SO2年均濃度與2002年SO2年均濃度進行對較，求得某地區相應年份SO2的沉降量，表達如下式：

(5)

式中：Di為某地區相應年份的SO2沉降量，萬t/a；D0為2002年SO2的沉降量，萬t/a；Ci為相應年份SO2的年均質量濃度，μg/m3；C0為2002年SO2的年均質量濃度，μg/m3。

另外，該研究假定京津冀地區不與其他地區互相輸送SO2。

2 結果與討論

2.1 植物吸收SO2量

京津冀區植物吸收SO2量及不同類型植物吸收SO2量所占比例如表2所示。

表2 2005年京津冀地區植物吸收SO2量

由表2可知，2005年北京市、天津市和河北省植物每年分別能吸收7.65萬t、3.25萬t和81.89萬t的SO2。不同林木吸收SO2的能力相差較大，因此，一個地區林木吸收SO2量與該地區林分結構和郁閉度關系密切。可以通過科學規劃林分結構和郁閉度來提高林木對SO2的凈化能力。謝高地等研究北京森林生態系統和生態價值，得出2004年北京森林生態系統吸收了70×103t 的SO2[26]，該研究計算得到2005年北京林木吸收SO2的量為5.64萬t，結果相近。

中國科學院資源環境科學數據中心的數據表明，研究對象年范圍內京津冀地區的植物結構和面積變化不大，因而，植物吸收SO2總量的變化不大。該研究假定京津冀區植物吸收SO2總量不變，均取為由2005年京津冀區植物面積所算得的結果。

2.2 SO2沉降量

2002年、2005年、2008年、2011年和2014年京津冀區SO2的沉降量如表3。由表3可知，北京市的SO2沉降量一直在減少，天津市和河北省SO2沉降量雖然起伏不定，但總體呈現下降趨勢。

表3 京津冀區SO2沉降量

2.3 SO2生態供給與消費量

京津冀區SO2年排放量數據來源于京津冀區《環境質量狀況公報》，京津冀區生態系統對SO2凈化服務的供給量和消費量計算結果如圖1、圖2。由圖1、圖2可知，京津冀區生態系統對SO2凈化服務的供給量和消費量總體呈現變小的趨勢。

圖1 北京市和天津市生態系統對SO2凈化服務的供給和消費量

圖2 河北省生態系統對SO2凈化服務的供給和消費量

2.4 SO2凈化服務的生態盈余量和生態補償

京津冀區SO2凈化服務生態盈余量和生態補償計算結果如表4。由表4得，北京市SO2凈化服務的生態盈余量一直在增加，2011年之前，北京市為SO2凈化服務的生態赤字區，2011年，北京市開始變為SO2凈化服務的生態盈余區，2014年北京市理論上可以得到894萬元的生態補償金額。天津市一直是SO2凈化服務的生態赤字區，2014年，天津市應該付出8070萬元的生態補償金額。2002年，河北省市是生態盈余區，之后，河北省變為SO2的生態赤字區，2011年，河北省的生態赤字補償金額達到近1.7億元，2014年，河北省變為SO2凈化服務的生態盈余區，應該得到2076萬元的生態補償金額。京津冀SO2污染的控制不能靠單一的減排，必須聯防聯控，可以根據本研究生態補償的量化結果，由京津冀區的上級政府或三個地區的政府共同建立區際生態補償基金，用以聯防聯控京津冀區的SO2污染。

表4 京津冀區SO2凈化服務的生態補償

3 結論

1)2005年，北京市、天津市和河北省植物分別能吸收7.65萬t、3.25萬t和81.89萬t的SO2。北京市、天津市和河北省農作物吸收SO2分別占植物總吸收量的25.5%、92.0%和49.6%。

2)2002年，北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分別為5.34萬t，5.92萬t和60.48萬t。通過濃度調整計算得到2014年北京市、天津市和河北省SO2的沉降量分別為1.74萬t，4.2萬t和40.57萬t。

3)基于生態系統服務供給和消費的SO2生態補償，得到2014年，北京市和河北省理論上應得到的生態補償金額為894萬元和2076萬元，天津市理論上應付出的生態補償金額為8070萬元。可以由京津冀區的上級政府或三個地區的政府共同建立區際生態補償基金，用以聯防聯控京津冀區的SO2污染。