【文献分享】南京农业大学陶宇等Ecosyst. Serv.:重新设计新安江流域的跨界PES方案

生态系统服务的供给与使用往往分属不同区域的群体：使用者可无偿或低成本享受服务，供给者却需付出相应成本。生态系统服务付费（PES）作为一种经济激励机制，旨在通过补偿供给者实施的生态保护与修复措施，解决上述不公问题。在中国，该机制被称为“生态补偿”。PES机制在流域地区尤为显著，下游用水者需对上游土地所有者的保护行为进行补偿，并可通过激励手段，推动其采取措施恢复与水相关的生态服务功能。

高效的PES机制设计本应遵循条件性与空间靶向性两大核心原则：条件性原则要求，使用者仅需为实际获得的收益付费。空间靶向性原则为，基于服务收益潜力与供给成本，对参与机制的地块进行战略性筛选。

目前计算PES的方法有多种。基于支付意愿的方法，评估使用者的支付意愿与供给者的受偿意愿来确定补偿标准，但主观性较强且变异性较大。基于成本的方法，以土地所有者的转化成本与机会成本为基础计算补偿金额。基于收益的方法，则通过估算PES计划的收益来指导补偿资金的分配，但常因量化的是服务的供给潜力而非实际供给量，导致补偿金额被高估。但上述方法均未对区域间的生态系统服务流动进行明确评估，无法厘清跨区域利益相关方之间的补偿关系。与供给潜力不同，生态服务流动代表着人类实际获取与使用的服务量。理解并量化生态服务流动对于高效的PES机制设计至关重要，是明确PES机制中“谁付费、付多少、向谁付、为何付”这四大核心问题的关键（图1）。

图1 支撑生态系统服务付费机制的生态服务流动

已有研究对上游与下游地区间淡水流动进行量化以建立生态补偿，但忽视水质流动。此外，现有生态补偿设计常忽略跨区域流动，未能识别直接上下游地区以外的潜在受益者。

元耦合系统被定义为一组通过内部、邻近及远程相互作用耦合的系统集合，揭示了区域间的跨境互动，可整合进生态补偿项目，通过生态系统服务流识别利益相关方及其相互联系。但目前应用元耦合框架实现跨境、公平和空间精准的生态补偿方案的实证研究仍然缺乏。本研究通过以下目标填补这一空白：（1）制定空间靶向策略以识别关键生态系统服务提供者；（2）利用基于生态系统服务流的元耦合将生态补偿方案拓展至跨区域受益者。

新安江流域地形以丘陵为主，森林覆盖率高。新安江发源于安徽省，最终注入浙江省的千岛湖；千岛湖是中国最大的淡水水库，也是长江三角洲地区的核心饮用水源（图2a）。历史数据显示，该水库从流域获得的水量充足，整体水质基本达标，但农业面源总氮污染构成了重大威胁。作为跨省级流域，新安江流域的管理面临巨大挑战：其总氮负荷的约70%来自安徽省，而当地的治理体系与农业发展诉求，为改善下游水质而开展的污染治理工作增添了诸多复杂性。

图2 元耦合系统下的新安江流域

为解决新安江流域的水质问题，中央与地方政府已实施一系列跨区域生态补偿机制：

（1）中央政府生态补偿。2011年，我国在新安江流域启动首个大型跨省生态补偿试点项目，每年安排3亿元人民币专项经费，用于补偿安徽省开展流域上游的水质保护工作。

（2）地方政府双向生态补偿。安徽与浙江两省人民政府在双向补偿协议框架下，每年额外共同出资3亿元人民币。根据协议，浙江省对安徽省维持省际交界断面水质达标给予补偿；若水质未达到标准，则对安徽省实施扣罚。

上述两项政策累计为安徽省的污染治理工作提供了48亿元人民币的资金支持，水质得到显著改善，但投资回报率却随时间推移呈下降趋势。安徽省的实际投入已达到其获得补偿资金总额的四倍，多次提出追加资金的诉求。浙江省有关部门则认为，鉴于水质改善的实际效益不确定性，应当减少对安徽省的补偿金额。

2020年以来，借助已建成的输水管道，千岛湖不仅成为当地居民的主要饮用水源（“内耦合”），也为下游100多公里外杭州大都市的数百万人口提供饮用水（“近耦合”）。此外，中国最大的瓶装水供应商农夫山泉公司（图2c）也以该水库为产品水源，面向全国消费者（“远耦合”）。基于这些动态特征，新安江流域现行的生态补偿机制需以空间精准化的方式扩大覆盖范围，构建一个多利益相关方参与的跨边界机制。

本研究构建了一个概念框架，并在元耦合系统内整合生态补偿与生态系统服务流开展实证分析。该框架涵盖了由不同空间尺度水文生态系统服务流驱动的内耦合、近耦合及远耦合过程（图3）。分析分为两个阶段：“棕色阶段”聚焦于新安江流域内的总氮流管理，通过空间精准定位关键生态系统服务提供者，优化土地利用方式以改善水质；“蓝色阶段”量化本地及跨区域淡水流动，识别清洁水的受益主体。最终，对生态系统服务提供者的补偿金额应根据减少入库总氮负荷所避免的成本来确定，由生态系统服务使用者按其取水量占比承担相关费用。

图3 基于生态系统服务流的元耦合框架

本研究采用InVEST模型养分输送比模块评估总氮输出量，反映新安江流域 26个次级流域水质状况，公式如下：

使用数据包括新安江流域的土地利用、地形、土壤及气候地理空间数据，并基于本地实际情况，确定模型的生物物理量参数。

为提高结果准确性，同时利用13个监测站点的实测总氮浓度数据对模型估算结果进行了校准。基于2021年各次级流域经校准后的总氮输出结果，最终将总氮浓度超过国家标准阈值的次级流域判定为水质不达标流域。

针对总氮输出超标的次级流域，提出三项不同强度的土地利用优化措施以削减总氮污染（图4）：“退耕还林”，停耕且总氮输出减80%；休耕，作物产量与总氮输出均减半；减施氮肥，可按比例降总氮，对作物影响不足5%。

图4 土地利用优化策略示意图

此外，同步提出三项空间靶向策略，确定各目标次级流域的耕地优化区域：污染导向型，筛选2021年总氮输出贡献前n%（n=2、4、6…）的耕地；距离导向型，选取距溪流不同范围（≤50米、100米等）的耕地优化；③坡度导向型，优先优化不同坡度（≥20°、18°等）的坡耕地。为对比，开展蒙特卡洛模拟：按每10%为间隔的比例随机选耕地优化，每种比例重复50次。

针对目标子流域的各优化情景，以总氮输出量较基准年的削减量作为效益。成本以作物产量损失近似估算，即受影响耕地面积乘以单位面积作物产量损失（图4）。绘制各具体情景的总氮浓度与作物产量损失关系图，用曲线连接采用相同措施及空间靶向策略的情景组，以展示其成本-效益表现的差异。各组曲线上总氮浓度下降最显著的点，即为该组的成本-效益最优情景。为确定全局最优情景，需实现最高的效益-成本比，并使总氮浓度降至1 mg/L以下，以符合国家水质标准。

通过将子流域在基准年的总氮输出与最优情景下的输出进行比较，建立土地利用优化与减少新安江流域水体总氮输出之间的联系。货币减少根据总氮处理成本计算得出的。这些节省的成本可视为上游土地持有者改善土地利用所带来的水净化效益，由下游水库用水者享有。如图1所示，将这些节省的费用按比例支付给优化土地利用的个体农户。

在"蓝色阶段"（图3），供水服务流将清洁淡水从水库输送到跨区域耦合区域的多个用户，包括新安江流域居民、邻近的杭州大都市以及全国的农夫山泉消费者。对新安江流域和杭州居民的水流货币价值，通过供水量乘以各自的水价计算的，而提供给农夫山泉消费者的水价值则是基于使用水库水带来的销售收入增益估算的。如图1所示，这些本地、邻近和全国用水者应补偿新安江流域的目标农户，以回报他们对清洁供水的贡献。

2021年，新安江流域出口的总氮浓度平均为1.18mg/L，超过了1毫克/升的水质不达标阈值。研究确定了三个总氮污染的关键来源区域（图5a）：一个污染严重的大型子流域、一个污染中等的较小子流域、以及一个污染轻微的的中型子流域。这些区域的总土地面积占全流域的60%，其总氮输出量合计却占总量的75%（图5c），耕地仅覆盖了13%的土地面积，却贡献了60%的总氮输出（图5d）。

图5 总氮浓度的校准估算值

三种土地管理措施中（图6），“退耕还林”和土地休耕被证明最为有效。当有针对性地在最受污染的区域实施时，这两项措施均能将总氮浓度降低至1mg/L的阈值以下。相比之下，即使全面实施，减少氮肥施用对于重度和中度污染的子流域也效果甚微。基于污染程度的靶向策略是最具成本效益的方法，能以更低的农作物生产损失实现更大的总氮减排效果。

图6 土地优化方案成本效益分析

最优实施方案如下：在重度污染子流域，对污染最严重的10%耕地实施“退耕还林”，可使总氮浓度从1.49mg/L降至0.98mg/L，同时造成10%的农作物损失。在中度污染子流域，对16%的耕地实施“退耕还林”，可使总氮浓度从1.36mg/L降至0.99mg/L，并伴随16%的农作物损失。在轻度污染子流域，对2%的土地实施休耕，可使总氮浓度从1.10mg/L降至1.00mg/L，且仅造成1%的农作物损失。

结合土地优化措施和空间目标策略的最优情景下，三个受污染子流域向水库输出的总氮将减少2617吨（图7a）。相较于2011年至2020年间两省间的双向支付金额7.44亿美元，这些减排量可节省约4450万美元的成本。

图7 与水相关的不利与有益流动

截至2021年，三大主要用水者—新安江流域的本地居民、邻近的杭州大都市居民以及农夫山泉股份有限公司—共从水库取水11.3亿吨，其中87%分配给了杭州（图7b）。这些取水体现了跨区域耦合地区之间清洁水流的效益流动。市政取水的经济效益估计为：新安江流域3500万美元，杭州4.4亿美元。相比之下，尽管农夫山泉股份有限公司的取水量与新安江流域和杭州相比微乎其微，但其来自瓶装水和软饮料的销售收入达到19.98亿美元，占总经济收益的81%。

研究促成了一项空间目标明确的生态补偿支付方案，旨在协调跨区域耦合系统中与生态系统服务流动相关的成本与收益（图8）。对三个受污染子流域内采取减少总氮输出措施的农民的补偿，应等同于其避免的总氮减排成本，总计4450万美元。在安徽的重度污染子流域实施"退耕还林"的农民将获得4130万美元补偿，占总补偿额的93%，相当于每公顷还林土地平均补偿5862美元。在浙江的中度污染子流域，对362公顷土地采取同样措施的农民将共享150万美元补偿（占比3%），平均每公顷4022美元。相比之下，在跨省轻度污染子流域休耕169公顷土地的农民将获得170万美元补偿（占比4%），平均每公顷高达10,248美元。

图8 新安江流域及跨区域耦合系统的PES方案

另一方面，4450万美元的总补偿金应由清洁水供应的跨区域耦合受益者按其获得的经济收益比例承担。新安江流域本地居民和邻近的杭州大都市居民将通过市政水价上调1.8%，分别支付60万美元（占比1%）和790万美元（占比18%）。相应地，农夫山泉瓶装水消费者将承担剩余的3600万美元补偿（占比81%），这将导致其销售价格上涨1.8%。

本研究结果显示，生态系统服务提供者（主要是农民）所期望的补偿金额存在显著差异。期望保护森林的农民通常要求每年每公顷低于100美元。相比之下，当被要求采取更集约的管理措施，如将水田改为旱地或实施养分管理时，补偿要求可能高达每年每公顷数百至上千美元。下游受益者为清洁水付费的意愿也各不相同。

在新安江流域，先前研究表明，上游农民为改善水质，每年愿意接受的补偿金额在200美元到超过1200美元之间，远高于杭州市居民每年22美元的支付意愿。以每公顷计算，针对还林的补偿金额每年在2500至4500美元之间。生态系统服务受益者的支付意愿与提供者的接受意愿之间的这种差异，要求建立一个更具针对性且以数据为依据的分配方案。我们的评估表明，针对目标子流域中选定的农民，每年每公顷支付4022至10248美元是合理的，这远超当地农民从事农作物生产（每公顷1621美元）或土地出租（每公顷1860美元）的平均收入。此外，跨区域用水者可通过在水费基础上增加1.8%（约为人均每年1美元）来补偿农民。这笔费用远低于受益者的总体支付意愿，这表明我们提出的生态补偿支付方案在社会经济层面是可行且合理的，为所有相关方创造了双赢局面。该方案将满足农民的预期，并且用水者承担的成本将低于其获得的收益。

研究发现，农夫山泉股份有限公司及其全国消费者作为清洁水供应的远程耦合受益者，应承担支付的主要部分——即每年3600万美元，占总金额的81%——以激励新安江流域的农民采取改善的土地管理措施来保护水质。尽管这笔支付仅占农夫山泉2021年营收的1.8%，但由于权力不对称和政府监管不足，说服该公司参与提议的生态补偿支付方案仍具挑战。从商业角度看，即使销售价格仅上涨1.8%，也可能危及公司的市场份额，因为消费者可能会转向更便宜的瓶装水替代品。除非公司能清晰地在产品标签上标明，其附加收费是用于环境保护。

全球范围内，很少有生态补偿支付方案是由企业自愿资助的，主要原因在于投资回报不明确以及环境影响缺乏问责机制。然而，一些大型企业，如农夫山泉，自2021年起通过发布《可持续发展报告》来展现其环境承诺，内容涉及碳排放减少、废弃物回收、水源保护、可持续农业和生物多样性保护等多个议题。

为了有效促使像农夫山泉这样对环境负责的企业参与生态补偿支付项目，需要进一步开展研究：（1）调查农夫山泉的消费者，评估他们选择对环境负责的企业产品并为新安江流域水质保护支付额外费用的意愿；（2）估算生态补偿支付项目潜在的长期社会经济投资回报，例如降低的生产成本、提升的企业声誉以及有利的政府政策。

尽管全球已推行诸多PES项目以维持生态系统服务功能，但鲜少有研究明确对比生态系统服务的产出与社会经济层面的成本收益。

通过空间精准定位支付对象，对那些能以较低社会经济成本产生较高环境效益的敏感区域提供保护与修复支持，可进一步提升成本效益。本研究以总氮输出这一关键污染物为评估指标，仅将三个子流域列为土地管理干预的重点区域，其面积占整个流域的60%。随后，我们将土地治理措施的实施范围进一步限定在这些子流域内总氮输出量异常偏高的2%—16%的耕地上。总体而言，该靶向方案仅涉及8%的耕地，却能使预测的总氮输出量大幅减少24%。农民每年将因作物收益减少或耕地租赁损失而承担1200万美元的损失，而水质改善为用水方节省的水处理成本，将是上述损失的三倍以上，每年总计达4450万美元。

研究提出一套兼顾元耦合系统跨区域生态系统服务流动，且公平、可持续、可操作的PES方案。基于新安江流域的研究表明，成本效益与社会经济可行性是相辅相成的目标，可在不同组织层面实现。项目层面，高成本效益意味着以较低社会经济成本换取显著环境效益；个体层面，生态系统服务供给方（如目标农户）获得的补偿可覆盖其土地利用转型损失，而受益方（如用水户）需为享有的水质改善等环境效益付费。有效激励双方参与。

研究还明确了两项提升 PES 方案成本效益与社会经济可行性的策略。其一，采用空间靶向策略，在流域内识别少量关键生态系统服务供给方，以最小的土地利用与生计影响实现显著环境效益。针对三种备选土地管理措施，设计四种空间靶向策略，旨在以最低作物生产成本优化水质。对于新安江流域及全球同类流域，基于污染强度对耕地进行优先级排序至关重要；缺乏详细污染数据时，水源附近耕地可作为高成本效益的管控重点。大幅改善水质建议采用造林等强干预措施，小幅改善则选择土地休耕、化肥精细化管理等温和措施，成本效益更高。

其二，元耦合理念可推动 PES 项目规模化，将互联区域内更广泛的生态系统服务受益方纳入其中。要求所有流域生态系统服务改善的受益方均承担相应资金成本，避免 “搭便车”，实现成本在更大群体中分摊。本研究首次提出基于生态系统服务流动的元耦合方法，将流域内的服务供给方与跨区域受益方关联。研究发现，当前新安江流域本地用水户仅享有 1% 的清洁水效益，若由其单独承担水质改善的全部补偿费用，水费将增加一倍以上；而将周边及远端用水户纳入付费体系后，各类用水户的水费仅需增加 1.8%。该基于生态系统服务流动的元耦合方法，可推广至其他计划通过 PES 方案实现跨区域清洁水供给的流域。

本研究提出的PES方案仅聚焦流域生态系统服务修复，仅补偿通过造林、耕地休耕等措施减少总氮输出的农户，维持低总氮输出的林地经营者未纳入补偿。未来可探索土地利用逆向转变，量化森林保护的控氮效益，为林地经营者制定合理补偿标准。

此外，本方案将用水户列为新安江流域水质改善核心受益方，但千岛湖兼具供水、鱼子酱产地、旅游胜地等多重功能。未来应在拓展的元耦合框架下，将本地渔民、远端消费者及游客纳入受益与付费方，评估水文外生态系统服务的付费机制。同时可整合城市理论，探讨权力不对称对生态系统服务流动的影响。

总氮输出与浓度的精准空间估算，是确定新安江流域清洁水供需双方公平付费标准的关键。本研究采用InVEST模型完成估算，该模型已广泛应用于相关PES水质评估，但未来需校准模型结果或采用考虑气候变化的过程式模型，并结合区域土地利用分类体系。此外，虽本研究以总氮为核心水质指标，但不同区域磷、微生物等污染物可能关键，需在针对性PES方案中纳入考量。