盧元清，白中科，2，胡興定，曹銀貴，2，趙中秋，2，劉鶴云(.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 00083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00035)

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綠色礦山

基于修正模型的礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值研究：以山西省平朔為例

盧元清1，白中科1，2，胡興定1，曹銀貴1，2，趙中秋1，2，劉鶴云1
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

在露天煤礦開(kāi)采、高速城鎮(zhèn)化和土地復(fù)墾的三重影響下，礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)的土地利用類(lèi)型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值都發(fā)生著變化。本文以山西省平朔礦區(qū)及其周邊城區(qū)為研究對(duì)象，以1986年、1996年、2004年和2013年的遙感影像等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)研究區(qū)的特征，對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表進(jìn)行了修正，并根據(jù)修正后的當(dāng)量表進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的測(cè)算。結(jié)果表明：土地復(fù)墾雖然對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有所助益，但煤炭開(kāi)采和城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)原地貌生態(tài)系統(tǒng)的影響仍較大，使其退化嚴(yán)重。1986～2013年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值由45637.94萬(wàn)元下降到21410.72萬(wàn)元，下降率達(dá)53.09%。各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，以廢物處理變化幅度最大，從5172.22下降為-4706.47萬(wàn)元，變化率達(dá)到-191.00%，即生態(tài)系統(tǒng)所能提供的廢物處理服務(wù)，已不能僅依靠自然凈化廢棄物，還需要人工處理。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)；露天煤礦；城鎮(zhèn)化；土地復(fù)墾；當(dāng)量表修正

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類(lèi)通過(guò)自然生態(tài)系統(tǒng)或人類(lèi)改造的生態(tài)系統(tǒng)所獲取的直接或者間接、有形或者無(wú)形、正向或者負(fù)向的效益，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化與人類(lèi)福祉息息相關(guān)[1-3]。礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是以礦區(qū)為核心，自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)環(huán)境系統(tǒng)相互作用而形成的一個(gè)獨(dú)特的人工、半人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)+資源型社區(qū)[4-6]。煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采，尤其是以剝采、排棄、壓占和占用土地為核心的露天煤礦開(kāi)采，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，并發(fā)生了一系列生態(tài)環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題[7-8]。土地復(fù)墾與生態(tài)重建是緩解煤礦開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的主要措施，同時(shí)也是解決人地矛盾的有效手段，從而保障礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[9-10]。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與礦產(chǎn)資源開(kāi)采統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展是當(dāng)今世界的一個(gè)重大難題，同時(shí)也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的前沿課題之一[11]。對(duì)于礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)而言，開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究，可掌握礦區(qū)以及依托礦區(qū)所形成的城鎮(zhèn)結(jié)合區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化，從而為礦區(qū)生態(tài)研究提供支撐[12]。

生態(tài)服務(wù)價(jià)值的研究起源于Costanza等在Nature上刊登的Thevalueoftheworld’secosystemservicesandnaturalcapital一文[1]，第一次以貨幣化的形式將生態(tài)服務(wù)價(jià)值示人。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者以此為基礎(chǔ)，利用多種價(jià)值評(píng)估法，對(duì)不同尺度、不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了價(jià)值評(píng)估[13-21]。謝高地等[22]在對(duì)我國(guó)200位生態(tài)學(xué)者問(wèn)卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表，為之后的學(xué)者提供了研究范式。在相對(duì)較小的研究區(qū)域，物質(zhì)量貨幣化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法多被采用[23-24]；相對(duì)較大尺度的研究區(qū)域，當(dāng)量表較多被引用，但多會(huì)對(duì)其進(jìn)行修正。主要包括兩方面的修正，一是對(duì)當(dāng)量表的動(dòng)態(tài)修正[25-26]，如胡喜生等[25]利用空間異質(zhì)系數(shù)、社會(huì)發(fā)展系數(shù)和資源稀缺系數(shù)并細(xì)化二級(jí)土地利用類(lèi)型從而對(duì)其修正，二是當(dāng)量表的嵌套修正，即針對(duì)某研究區(qū)域內(nèi)未涵蓋于當(dāng)量表的特殊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)算并形成當(dāng)量表，如張建軍等[27]對(duì)武安市城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了修正并嵌套入當(dāng)量表之中，使之得以完善。

本文以平朔大型露天煤礦區(qū)及其周邊城區(qū)所形成的礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)為研究對(duì)象。該區(qū)域在煤礦開(kāi)采和高速城鎮(zhèn)化的影響下，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，而同時(shí)人工誘導(dǎo)下進(jìn)行的土地復(fù)墾工作一定程度使退化生態(tài)系統(tǒng)得以緩解。針對(duì)研究區(qū)的上述特征，以1986年、1996年、2004年和2013年的遙感影像數(shù)據(jù)、朔州市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、山西省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告等相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析土地利用結(jié)構(gòu)變化，并采用基于修正模型的當(dāng)量法對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

平朔礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)位于黃土高晉陜蒙接壤的黑三角地帶，屬于晉北煤炭基地，東經(jīng)111°58′～112°30′，北緯39°23′～39°37′，南北長(zhǎng)23km，東西寬22km。研究區(qū)包括整個(gè)平朔礦區(qū)以及礦區(qū)周邊受影響城鎮(zhèn)和農(nóng)村區(qū)域，總面積為517.48km2。該區(qū)域氣候?yàn)榈湫偷臏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，冬春干燥，夏季降雨集中，秋季溫涼少風(fēng)，年平均降雨量為428.2～449.0mm，礦區(qū)年平均氣溫4.8～7.8℃，栗鈣土是本區(qū)地帶性土壤，土壤的物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土質(zhì)偏砂，有機(jī)質(zhì)分解快而積累少，土壤侵蝕嚴(yán)重，是黃土高原典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

平朔礦區(qū)主要包括安太堡、安家?guī)X、東露天3座特大型露天煤礦，井工一礦、井工二礦、井工三礦3座大型現(xiàn)代化井工礦。由于露天開(kāi)采造成土地?fù)p毀，礦區(qū)內(nèi)原地貌生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。早在20世紀(jì)90年代，土地復(fù)墾就已有序開(kāi)展，如安太堡南排、西排等復(fù)墾地植被長(zhǎng)勢(shì)良好，但隨著采礦規(guī)模的擴(kuò)大損毀地面積仍在不斷增加，礦區(qū)內(nèi)損毀地和復(fù)墾地呈動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。伴隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，一方面創(chuàng)造了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，另一方面礦區(qū)內(nèi)的原住居民被迫搬遷，使位于礦區(qū)西北部的井坪鎮(zhèn)呈現(xiàn)出高速城鎮(zhèn)化現(xiàn)象。因此，該區(qū)域是一個(gè)以礦區(qū)為核心的礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化具有研究意義。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以研究區(qū)1986年、1996年、2004年和2013年的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源(具體參數(shù)信息見(jiàn)表1)。以ENVI4.8軟件為操作平臺(tái)，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括大氣輻射校正、幾何校正、影像裁剪等操作，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Net)分類(lèi)與目視解譯相結(jié)合的方法，獲得研究區(qū)在這4個(gè)時(shí)段的土地利用數(shù)據(jù)，影像分類(lèi)結(jié)果的Kappa系數(shù)在0.85以上，滿足本研究對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求。此外，查閱了《朔州市年鑒2013》、《朔州市統(tǒng)計(jì)年鑒2013》、《2013年山西省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告》等數(shù)據(jù)。

表1 遙感影像參數(shù)信息

本文土地利用類(lèi)型的劃分以生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型劃分為基礎(chǔ)，根據(jù)國(guó)家已有土地分類(lèi)體系以及礦區(qū)特有的土地利用類(lèi)型，并綜合考慮礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)人工、半人工生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將研究區(qū)土地利用劃分為原地貌耕地(簡(jiǎn)稱耕地)、原地貌林地(簡(jiǎn)稱林地)、原地貌草地(簡(jiǎn)稱草地)、復(fù)墾耕地、復(fù)墾林地、復(fù)墾草地、工礦建設(shè)用地(包括露天采坑、剝離區(qū)、未復(fù)墾排土場(chǎng)和工業(yè)場(chǎng)地)、城鎮(zhèn)用地和其他用地類(lèi)型。其他用地包括農(nóng)村居民點(diǎn)用地、交通運(yùn)輸用地等土地利用類(lèi)型。當(dāng)前研究中這些土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一般作0值處理，故本文未將其列入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的測(cè)算中，對(duì)其不進(jìn)行具體劃分，統(tǒng)稱為其他用地。4期土地利用現(xiàn)狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 各時(shí)期研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

3 研究方法

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)

謝高地等[22]結(jié)合我國(guó)的資源稟賦及生產(chǎn)力發(fā)展水平等實(shí)際情況，通過(guò)廣泛調(diào)查研究提出了計(jì)算我國(guó)各類(lèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的修正算法，在國(guó)內(nèi)有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)研究中被廣泛應(yīng)用，見(jiàn)式(1)。

ESV=∑Ak×VCk

(1)

式中：ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元；Ak為研究區(qū)第k類(lèi)土地利用類(lèi)型面積，hm2；VCk為研究區(qū)第k類(lèi)土地利用類(lèi)型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元/hm2。

單位面積各類(lèi)土地的各種生態(tài)服務(wù)價(jià)值之間差異較大，體現(xiàn)了不同類(lèi)型資源稟賦價(jià)值潛力之間的巨大差距以及各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的異質(zhì)性和特殊性[25]。因此，本研究以謝高地等提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量法為基礎(chǔ)，增加其中未提及的內(nèi)容，并根據(jù)研究區(qū)生物量狀況、社會(huì)發(fā)展情況和資源稀缺程度對(duì)其進(jìn)行修正，評(píng)估其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)修正

3.2.1 空間異質(zhì)系數(shù)修正

土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大小與其生物量有密切關(guān)系，不同區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也會(huì)隨其生物量的變化而變化。由于耕地是研究區(qū)土地利用類(lèi)型的主要構(gòu)成部分，因此采用耕地的生物量來(lái)構(gòu)建空間異質(zhì)系數(shù)，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：Q為異質(zhì)性系數(shù)；g和G分別為研究區(qū)和全國(guó)平均糧食畝產(chǎn)，kg/畝。經(jīng)計(jì)算，g為286.60 kg/畝，G為358.45 kg/畝，故得出Q為0.80。數(shù)據(jù)來(lái)源《2013朔州統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.2.2 社會(huì)發(fā)展系數(shù)修正

Wilson等[28]指出人們對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大小的認(rèn)識(shí)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段關(guān)系密切，且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支付意愿也會(huì)逐漸提高，其價(jià)值也隨之增加。針對(duì)這一問(wèn)題，前人提出用社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)來(lái)解決，本文引入城鎮(zhèn)化水平對(duì)社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)[25]，改進(jìn)后的公式見(jiàn)式(3)、式(4)。

(3)

D=lr/ln

(4)

式中：l為改進(jìn)后的與現(xiàn)實(shí)支付意愿有關(guān)的社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)；L為極富階段的支付意愿；En為恩格爾系數(shù)；D為研究區(qū)發(fā)展系數(shù)；ln、lr分別為全國(guó)和研究社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)；u和U分別為研究區(qū)和全國(guó)城鎮(zhèn)化率。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)和全國(guó)En為恩格爾系數(shù)分別為34.90%和38.85%，u為49.15%，U為52.57%，故得出D為1.10。數(shù)據(jù)來(lái)源《2013朔州統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.2.3 資源稀缺系數(shù)修正

資源稀缺度是反映某區(qū)域在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中生態(tài)資源需求量與供給量之間的關(guān)系。生態(tài)資源存量越小，需求量越大，稀缺度就越高，則人們對(duì)單位生態(tài)資源的支付意愿越大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值越大。同一區(qū)域的自然地理?xiàng)l件較接近，其土地利用結(jié)構(gòu)特征也較接近，本文采用胡喜生等[25]的研究結(jié)果，計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：S為研究區(qū)資源稀缺系數(shù)；p和P分別為研究區(qū)和全國(guó)平均人口密度，人/km2。經(jīng)計(jì)算，p為398人/km2，P為141人/km2，故得出S為1.21。數(shù)據(jù)來(lái)源《2013朔州統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)修正

綜上所述，利用空間異質(zhì)系數(shù)、社會(huì)發(fā)展系數(shù)和資源稀缺系數(shù)的動(dòng)態(tài)修正，研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算見(jiàn)式(6)。

ESVt=Q·D·S·∑Ak·VCk

(6)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值嵌套修正

3.3.1 復(fù)墾地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)修正

復(fù)墾地生態(tài)系統(tǒng)，是在近乎完全損毀的土地上進(jìn)行地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建等修復(fù)措施，其復(fù)墾初期所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不能與原地貌相比。但隨著復(fù)墾年限的增加，生態(tài)系統(tǒng)的逐步成熟，再配以優(yōu)質(zhì)的管護(hù)，之后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能將超過(guò)原地貌。白中科等[29-30]根據(jù)平朔礦區(qū)復(fù)墾30年的研究結(jié)果表明，復(fù)墾地初期的相對(duì)生產(chǎn)力為30%，中期為80%，后期為120%，每個(gè)階段的時(shí)間在10年左右。對(duì)于本文研究區(qū)而言，2004～2013年、1996～2004年、1986～1996年間的復(fù)墾地相對(duì)于2013則為復(fù)墾初期、中期、后期的土地。修正公式見(jiàn)式(7)。

VCR1,2,3=α·VC1,2,3

(7)

式中：VCR1,2,3分別表示為復(fù)墾耕地、復(fù)墾林地、復(fù)墾草地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元/hm2；α為相對(duì)生產(chǎn)力修正系數(shù)(初期為0.3，中期為0.8，后期為1.2)；VC1,2,3分別為原地貌耕地、林地草地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元/hm2。

3.3.2 工礦建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值修正

工礦建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算，謝高地等的研究中將其價(jià)值視為0值。但工礦建設(shè)用地作為人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于自然環(huán)境損毀最嚴(yán)重的地方之一，其利用過(guò)程必然對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成影響，因而本文考慮采用防治成本法和替代成本法等間接市場(chǎng)法，估算工礦建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。其中，氣體調(diào)節(jié)和污染物處理價(jià)值采用防治成本法；水源涵養(yǎng)和土壤形成與保護(hù)價(jià)值采用替代成本法測(cè)算，其他生態(tài)服務(wù)價(jià)值取值為0。

1)工礦建設(shè)用地氣體調(diào)節(jié)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算。在煤炭資源開(kāi)采、運(yùn)輸、洗選、排棄和復(fù)墾的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣體污染，以SO2和粉塵最為突出。SO2主要來(lái)自于煤礦開(kāi)采和洗選的過(guò)程中，同時(shí)不合理的排矸方式會(huì)引發(fā)矸石的自燃也會(huì)產(chǎn)生SO2的污染；而粉塵則產(chǎn)生于露天煤礦的開(kāi)采以及排土過(guò)程。計(jì)算公式見(jiàn)式(8)。

(8)

式中：Vt為工礦建設(shè)用地氣體調(diào)節(jié)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，元/hm2；Q1、Q2分別為SO2和粉塵的排放量，t；C1、C2為治理SO2和粉塵的成本，元/t；S為工礦建設(shè)用地的面積，hm2。

經(jīng)計(jì)算，Q1為1.64萬(wàn)t，Q2為2.88萬(wàn)t，數(shù)據(jù)來(lái)源為《2013中國(guó)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告》，在此報(bào)告中，選取山西煤炭行業(yè)污染排放量，再根據(jù)研究區(qū)煤礦產(chǎn)量和山西省產(chǎn)量之比進(jìn)行換算而得；C1為600元/t，C2為170元/t，數(shù)據(jù)來(lái)源為《中國(guó)生物多樣性國(guó)情研究報(bào)告》，故得出Vt為-2418.94元/hm2。

2)工礦建設(shè)用地廢物處理生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算。煤矸石是采煤和洗選的過(guò)程中最主要的固體廢物，不僅堆積占地，而且由于其含硫量高，會(huì)發(fā)生自燃污染空氣或者引起火災(zāi)。平朔礦區(qū)以其優(yōu)質(zhì)的管理，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)煤矸石的再利用已達(dá)到86.67%，大大降低了其無(wú)序排放的危害。工礦建設(shè)用地廢物處理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)針對(duì)煤矸石治理費(fèi)用進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，計(jì)算公式見(jiàn)式(9)。

(9)

式中：Vr為工礦建設(shè)用地廢物處理的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，元/hm2；Qr為煤矸石排放量，t；Qr為治理煤矸石排放所需的成本，元/t。

Qr為2169.54萬(wàn)t，是由平朔礦區(qū)煤礦產(chǎn)量的18%[31]進(jìn)行折算，Cr為30元/t，煤矸石再利用率為86.67%，故可得Vr為-14242.45元/hm2。數(shù)據(jù)來(lái)源《2013朔州年鑒》。

3)工礦建設(shè)用地水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算。煤炭行業(yè)是全國(guó)“五大高耗水行業(yè)”之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1t煤需要耗水2.48m3。煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的高耗水量和高污水排放量，使原本水分條件就不夠充裕的平朔礦區(qū)面臨更加嚴(yán)峻的水源涵養(yǎng)問(wèn)題。工礦建設(shè)用地水源涵養(yǎng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算見(jiàn)式(10)。

(10)

式中：Vw為工礦建設(shè)用地水源涵養(yǎng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，元/hm2；W為用水總量，t；P為水單價(jià)，元/t；Qw廢水排放總量，t；Cw為治理廢水所需成本，元/t。

經(jīng)計(jì)算，W為29891.44萬(wàn)t，Qw為497.48萬(wàn)t，數(shù)據(jù)來(lái)源為《2013中國(guó)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告》中，山西煤炭開(kāi)采和洗選行業(yè)污水排放量，再根據(jù)研究區(qū)煤礦產(chǎn)量和山西省產(chǎn)量之比進(jìn)行換算。用水單價(jià)成本和污水處理成本分別為0.1和0.8元/m3，故可得為-5560.29元/hm2。

4)工礦建設(shè)用地土壤形成與保護(hù)生態(tài)服務(wù)價(jià)值計(jì)算。謝高地等在制作當(dāng)量表時(shí)，將Costanza所分17類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的土壤形成、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和侵蝕控制合并成土壤形成與保護(hù)。研究區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，其所在的黃土高原區(qū)是全國(guó)土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一，因此針對(duì)其中的侵蝕控制的負(fù)價(jià)值進(jìn)行研究。計(jì)算公式見(jiàn)式(11)～(14)。

(11)

(12)

2=-[R·(QN+QP+QK)]·Pf+R·QO·Po

(13)

(14)

式中：Vs為工礦建設(shè)用地土壤形成與保護(hù)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量，元/hm2；V1、V2、V3分別為土地棄置費(fèi)用、土壤養(yǎng)分流失價(jià)值和土壤泥沙淤積費(fèi)用，元；R為土壤侵蝕量，t；B為林地平均創(chuàng)收價(jià)值，元/hm2；ρ為土壤容重，g/cm3；h有效土層厚度，m；QN、QP、QK、QO分別為氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的含量，mg/kg；Pf、Po分別為化肥和薪材的影子價(jià)格，元/t；Pw為蓄水影子工程成本，元/m3；μ為淤積泥沙系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，R為65.84萬(wàn)t，B為282.17元/hm2，ρ為1.4g/cm3，QN為0.4m，QP為340mg/kg，QK為2.4mg/kg，QO為153mg/kg，Pf為3200mg/kg，Po為2549元/t，PW為51.3元/t，μ為1元/m3，為0.37，數(shù)據(jù)來(lái)源為張耿杰等[32-35]的研究結(jié)果，故可得VS為-161.80元/hm2。

3.3.3 城鎮(zhèn)用地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值修正

城鎮(zhèn)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的修正，可利用式(8)～(10)，但式中氣體調(diào)節(jié)選取生活和機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生的SO2和煙塵的排放量；廢物處理選取城鎮(zhèn)生活垃圾清運(yùn)量；水源涵養(yǎng)選取城市生活用水和污水排放量作為修正物質(zhì)量。

綜合上述對(duì)于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的修正，可得改進(jìn)后的礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量表見(jiàn)表2。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化及分析

由1986年、1996年、2004年和2013年的土地利用變化和土地利用動(dòng)態(tài)度表(表3)可以看出，1986年原地貌中耕地、林地和草地是其最主要的土地利用類(lèi)型，占整個(gè)區(qū)域的98.94%，而在礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的雙重影響下，到2013年減少到77.93%。其中，耕地面積減少10979.02hm2，是減少最多的地類(lèi)。其次是林地，開(kāi)采前后面積減少了3406.68hm2，動(dòng)態(tài)度為-1.50%。而在1994～2004年間，林地?cái)?shù)量卻增加了1054.21hm2，這是由于國(guó)家“退耕還林還草”政策以及土地復(fù)墾實(shí)施的結(jié)果。在接下去的9年間，縱使復(fù)墾林地的數(shù)量有大幅度的增加，但林地總面積還是有小幅下降。草地是該地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)中面積增加的地類(lèi)，27年的開(kāi)采前后，共增加了3511.48hm2，動(dòng)態(tài)度為1.22%。這一方面是因?yàn)閲?guó)家“退耕還林還草”政策的實(shí)施；另一方面，由于煤礦的開(kāi)采造成農(nóng)村居民點(diǎn)搬遷，原住農(nóng)民的耕地因無(wú)人耕種而撂荒形成草地。

表2 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值表/(元/hm2)

表3 研究區(qū)土地利用變化和土地利用動(dòng)態(tài)度表

平朔礦區(qū)自1987年正式投產(chǎn)以來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推動(dòng)，工礦建設(shè)用地和城鎮(zhèn)用地增幅明顯。工礦建設(shè)用地(包括剝離區(qū)、未復(fù)墾排土場(chǎng)、露天采坑和工業(yè)場(chǎng)地)累計(jì)增加達(dá)7810.24hm2(其中1718.60hm2已復(fù)墾，仍有6091.64hm2未復(fù)墾)，隨著安太堡和安家?guī)X兩大露天礦的不斷開(kāi)采，以及2009年正式投產(chǎn)的東露天煤礦，2004～2013年間增加了4115.79hm2，占27年來(lái)總工礦用地52.70%。城鎮(zhèn)用地同樣增幅較大，采礦前后27年間增加了993.91hm2，動(dòng)態(tài)度為21.13%。

復(fù)墾地?cái)?shù)量和增幅同樣可觀，27年間復(fù)墾地(包括復(fù)墾的耕、林、草地)總計(jì)1718.6hm2，尤其是2004～2013年，復(fù)墾力度明顯加大，為972.81hm2，占總復(fù)墾地的56.60%。由于復(fù)墾土地初期土壤理化性質(zhì)相對(duì)較差，不適合直接復(fù)墾為耕地，需要有先鋒植物先對(duì)其改良，故在復(fù)墾初期復(fù)墾林地為主要的復(fù)墾土地類(lèi)型，而隨著復(fù)墾年限的增加，復(fù)墾耕地的數(shù)量也逐漸增加。這使得復(fù)墾地內(nèi)部的比例結(jié)構(gòu)也發(fā)生著變化，其中改變最大的是復(fù)墾耕地，1986～1996年、1996～2004年和2004～2013年間復(fù)墾耕地占總復(fù)墾地的比例分別為0.63%、12.74%和50.23%，并在2004～2013期間首次在總量上超過(guò)復(fù)墾林地。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化及分析

表4顯示了平朔礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)1986～2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(以下簡(jiǎn)稱ESV)以及其變化率。研究區(qū)原地貌生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為45637.94萬(wàn)元，由于礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響，ESV總體呈下降趨勢(shì)，到2013年降低為21410.72萬(wàn)元，降幅達(dá)53.09%。主要原因是：采礦造成的原地貌耕、林、草地被損毀，轉(zhuǎn)化為工礦建設(shè)用地，導(dǎo)致大量植被消失，和土壤結(jié)構(gòu)的變化，繼而影響研究區(qū)的小氣候及生物生存環(huán)境，致使生物多樣性下降。此外，工礦建設(shè)用地在損毀土地的同時(shí)排出放大量氣體、液體、固體廢棄物，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)也造成嚴(yán)重?fù)p失。次要原因是：伴隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，外來(lái)勞動(dòng)力和礦區(qū)原地貌上的居民被迫搬遷兩方面因素加速了城鎮(zhèn)化的進(jìn)程。城鎮(zhèn)化在提高人們生活水平和促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了尾氣、污水、生活垃圾等的增加，同樣也破壞了生態(tài)系統(tǒng)。次要原因相對(duì)于主要原因?qū)偃箮шP(guān)系，主要原因促使了次要原因的產(chǎn)生。

從總體ESV變化率來(lái)看。1996～2004年ESV的下降率為10.21%，小于1986～1996年間的21.78%，而2004～2013年間下降幅度激增為33.20%。采礦初期ESV的下降，從價(jià)值上反應(yīng)了采礦對(duì)生態(tài)環(huán)境的強(qiáng)烈干擾。然而隨著土地復(fù)墾工作的有序推進(jìn)，和“退耕還林”政策的實(shí)施，在1996～2004年間ESV下降幅度得到了緩解。2004～2013年間，由于東露天特大煤礦的正式投產(chǎn)以及平朔礦區(qū)打造億級(jí)煤礦基地的完成，工礦建設(shè)用地大幅增加，即便復(fù)墾土地在數(shù)量和質(zhì)量都得以提升，仍難以與損毀速度相匹配，故在第三階段，研究區(qū)ESV出現(xiàn)了較大的降低。

表4 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化率表

從單一ESV來(lái)看。1986年原地貌單項(xiàng)ESV的排序?yàn)椋核春B(yǎng)>氣候調(diào)節(jié)>土壤形成與保護(hù)>原材料>廢物處理>氣體調(diào)節(jié)>生物多樣性維持>食物生產(chǎn)>文化娛樂(lè)，而到了2013年，其ESV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，排序變?yōu)椋簹夂蛘{(diào)節(jié)>土壤形成與保護(hù)>原材料>水源涵養(yǎng)>生物多樣性維持>氣體調(diào)節(jié)>食物生產(chǎn)>娛樂(lè)文化>廢物處理。其中，廢物處理ESV變化最大，從原地貌時(shí)期5172.22萬(wàn)元下降為-4706.47萬(wàn)元。這說(shuō)明了生態(tài)系統(tǒng)所能提供的廢物處理服務(wù)功能，已不能僅依靠自然凈化廢棄物，還需要人工處理。其次是水源涵養(yǎng)的價(jià)值也發(fā)生了巨大的變化，變化率為-58.65%，主要原因是：①煤炭產(chǎn)量不斷提高，而煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的耗水量和工業(yè)廢水排放量增大，用水和污水處理成本提高；②城鎮(zhèn)用地和人口逐年遞增，城鎮(zhèn)生活用水及污水排放量加大。ESV變化率較小的是土壤形成與保護(hù)價(jià)值，在研究時(shí)段內(nèi)，雖有損毀土地所造成的負(fù)值影響，但-21.96%的變化率與其他及整體ESV的變化率相比較小，其原因有：①耕、林、草地土壤形成與保護(hù)ESV系數(shù)比較大，大于工礦建設(shè)用地的ESV負(fù)系數(shù)；②“退耕還林”政策的影響，使得一部分耕地轉(zhuǎn)化為林地草地，林、草地的ESV系數(shù)大于耕地的系數(shù)；③復(fù)墾工作卓有成效的開(kāi)展，大部分恢復(fù)成為林地，而林地的土壤形成和保護(hù)ESV系數(shù)是所有ESV系數(shù)里最高的。氣體調(diào)節(jié)ESV下降率僅次于廢物處理和水源涵養(yǎng)，達(dá)到-51.09%。因?yàn)槊禾块_(kāi)采、洗選和城鎮(zhèn)汽車(chē)尾氣排放等產(chǎn)生了大量SO2和粉塵，其治理費(fèi)用使生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)功能所提供的ESV大大削弱。其他單項(xiàng)ESV也整體呈下降趨勢(shì)，變化率在20%～30%左右。

4.3 不同模型下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比較

經(jīng)過(guò)3個(gè)系數(shù)(空間異質(zhì)性系數(shù)、社會(huì)發(fā)展性系數(shù)、資源稀缺性系數(shù))的動(dòng)態(tài)修正，平朔礦區(qū)的修正情況高于全國(guó)平均值，1986年原地貌時(shí)期的修正ESV為45637.94萬(wàn)元，比原始ESV高出2879.33萬(wàn)元，如圖2所示。而隨著時(shí)間的推移，煤炭開(kāi)采和城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)逐漸體現(xiàn)在修正ESV的測(cè)算中，從1996～2013年，考慮到煤炭開(kāi)采和城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的累加損毀效應(yīng)，修正ESV從560.12萬(wàn)元、4394.28萬(wàn)元發(fā)展到11595.08萬(wàn)元，與原始ESV未考慮這兩點(diǎn)因素相比差值是很明顯的。1996～2004年間，在損毀土地和城鎮(zhèn)用地均增加的情況下，而僅因一部分耕地退耕和一小部分的復(fù)墾土地形成當(dāng)量系數(shù)較高的林地和草地，就使此階段的ESV得以提升，是不合適的。因此，本文選取修正后的ESV當(dāng)量法作為平朔礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估方法。

圖2 原始ESV和修正ESV的比較

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

1)1986～2013年間，礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)在煤礦開(kāi)采和高速城鎮(zhèn)化的雙重影響之下，土地利用類(lèi)型發(fā)生了改變。其中，原地貌中占主導(dǎo)地位的耕、林、草地從98.94%減少到2013年的77.93%；工礦建設(shè)用地自煤礦開(kāi)采以來(lái)逐年增加，到2013年已達(dá)7810.24hm2；城鎮(zhèn)用地由174.21發(fā)展到1168.12hm2；復(fù)墾地累計(jì)達(dá)1718.6hm2。

2)土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局的變化導(dǎo)致了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損及生態(tài)功能的失調(diào)。1986～2013期間，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值由45637.94下降為21410.72萬(wàn)元，降低幅度達(dá)53.09%，各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值下降率為廢物處理>水源涵養(yǎng)>氣體調(diào)節(jié)>食物生產(chǎn)>原材料>文化娛樂(lè)>氣候調(diào)節(jié)>土壤形成和保護(hù)>生物多樣性維持。同時(shí)，土地復(fù)墾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的下降有所緩解，但土地?fù)p毀造成的經(jīng)濟(jì)損失仍超過(guò)現(xiàn)階段復(fù)墾地所能提供的價(jià)值。隨著復(fù)墾工作數(shù)量和質(zhì)量的不斷提高以及復(fù)墾地生態(tài)逐漸穩(wěn)定，其所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值終將對(duì)研究區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的下降有顯著緩解，甚至?xí)厣?/p>

3)基于修正后當(dāng)量表所得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，相比于原始當(dāng)量表，更貼近于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化狀況。

5.2 討論

礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)半人工復(fù)合的特殊生態(tài)系統(tǒng)，它受到礦產(chǎn)資源大量開(kāi)采和高速城鎮(zhèn)化的雙重影響，同時(shí)，又受到人工誘導(dǎo)下的土地復(fù)墾的影響，使其呈現(xiàn)為向退化生態(tài)系統(tǒng)和重建生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)方向演替的特征。煤礦開(kāi)采所造成的土地?fù)p毀和其產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢物污染都造成了原地貌生態(tài)系統(tǒng)的極度退化。城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)的占用以及大規(guī)模人群產(chǎn)生的生活成本如城鎮(zhèn)垃圾、尾氣排放等附加于生態(tài)環(huán)境之上，這些都造成了退化的生態(tài)系統(tǒng)?？茖W(xué)合理的地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建等土地復(fù)墾技術(shù)，可以及時(shí)干預(yù)生態(tài)系統(tǒng)的退化，使其向重建生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。

針對(duì)礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)內(nèi)三種影響的不同特征，將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為原地貌土地(包括原地貌耕、林、草地)、復(fù)墾土地(包括復(fù)墾耕、林、草地)、工礦建設(shè)用地(包括露天采坑、未復(fù)墾排土場(chǎng)、剝離區(qū)、工業(yè)場(chǎng)地)和城鎮(zhèn)用地。由于礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和異質(zhì)性，對(duì)其土地利用類(lèi)型的劃分更應(yīng)注重針對(duì)性和合理性。

在合理劃分礦-農(nóng)-城復(fù)合區(qū)土地利用類(lèi)型的基礎(chǔ)上，修正謝高地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表，并以此為基礎(chǔ)，分析研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的變化情況及驅(qū)動(dòng)力。在工礦建設(shè)用地的修正中，針對(duì)煤礦開(kāi)采所排放的廢氣、廢水、廢物以及工礦用地的土壤侵蝕，利用防治成本法和替代成本法進(jìn)行測(cè)算，從而確定工礦建設(shè)用地的氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、廢物處理和土壤形成和保護(hù)的當(dāng)量值。這種方法有其一定的科學(xué)合理性，然而，實(shí)際上生態(tài)系統(tǒng)各單項(xiàng)服務(wù)之間有著相關(guān)性聯(lián)系，這種聯(lián)系因其內(nèi)部復(fù)雜性和研究手段的缺失未能很好的改進(jìn)，故此修正方法仍有改進(jìn)之處，此處點(diǎn)出，以期能引起注意從而尋得改進(jìn)之法。

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Ecosystem services value study of mine-agriculture-urban composite area based on fixed model：a case study of Pingshuo mine area

LU Yuan-qing1，BAI Zhong-ke1，2，HU Xing-ding1，CAO Yin-gui1，2，ZHAO Zhong-qiu1，2，LIU He-yun1

(1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Lab of Land Consolidation，Minisitry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

The open coal mining，rapid urbanization and land reclamation change the complex land use and ecosystem services value of mine-agriculture-urban composite area.This paper takes the Pingshuo mining area and the surrounding urban area as the research area，based on the remote sensing image dataof 1986，1996，2004 and 2013，Shuozhou statistic yearbook data and Shanxi Province environmental quality statement，fixes the original ecosystem services value equivalent table，and estimates the ecosystem service value of the research area.Results show that although land reclamation is benefit for ecosystem restoration，the coal mining and urbanization have greater negative influence on the original ecosystem，causing serious degradation.From 1986 to 2013，the total value of ecosystem service drops from 456.38 to 214.11 million yuan with the decline rate of 53.09%.In individual ecosystem service，the value of waste treatment drops from 51.72 to -47.06 million yuan with the rate of -191.00%；in other words，the economic losses of ecology caused by coal mining and urbanization have already exceeded the maximum service value of waste treatment the ecosystem can provide.

ecosystem services value；mine-agriculture-urban composite area；open coal mine；urbanization；land reclamation;fixed equivalent table

2015-03-13

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助(編號(hào)：201411017)

盧元清(1989-)，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，土地資源管理專業(yè)，主要研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾與生態(tài)重建。E-mail：rainfoggy@126.com

白中科(1963-)，男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師、教授，主要研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾與生態(tài)重建等。E-mail：baizk@cugb.edu.cn。

Q149

A

1004-4051(2015)11-0056-09