龍精華,張 衛(wèi),付艷華,胡振琪

1 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)公共管理學(xué)院, 石家莊 050061 2 天津城建大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院, 天津 300384 3 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院, 徐州 221116

礦區(qū)煤炭開采活動通過改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,嚴(yán)重威脅礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和以煤為生城市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類能夠從生態(tài)環(huán)境中得到的各種恩惠,包括有形物質(zhì)產(chǎn)品和無形服務(wù)兩方面,可分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)[1- 3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念早在1970年聯(lián)合國大會上發(fā)表的《人類對全球環(huán)境的影響》報告中被首次提出[4]。之后,西方學(xué)者[5]進展緩慢的開始對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行概略的評估,沒有形成相應(yīng)的評估理論和方法體系。直到1997年Constanza等[6]發(fā)表了《The Value of the World′ s Ecosystem Services and Nature Capital》一文,在國內(nèi)外學(xué)者中引起了很大的反響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究開始成為生態(tài)領(lǐng)域研究的熱點。國內(nèi)學(xué)者20世紀(jì)80年代開始對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念和計算方法進行關(guān)注,至21世紀(jì)初謝高地等人[7]在Constanza等人研究成果的基礎(chǔ)上,采用問卷調(diào)查法制定出了適合中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的單位面積價值當(dāng)量因子,有利的推動了我國不同尺度(全國、流域、省域或市域、縣域)、不同生態(tài)系統(tǒng)類型(森林、農(nóng)田、濕地、水域、草地、城市等)[8- 19]下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究。目前,對中小尺度礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價值研究相對較少。對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究主要集中在采礦前后、復(fù)墾前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況,以價值大小來反映采礦活動或土地復(fù)墾對生態(tài)環(huán)境的影響[20- 24],對采礦過程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化研究少見。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法大致可分為基于單位服務(wù)功能價格的方法和基于單位面積價值當(dāng)量因子的方法?；趩挝幻娣e價值當(dāng)量因子的方法要求數(shù)據(jù)少,簡單易算,比較適用于區(qū)域和大尺度各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估[25- 26]。礦區(qū)是以礦業(yè)作業(yè)區(qū)為核心的一個獨特的人工、半人工的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)[27],為人類提供多種產(chǎn)品和服務(wù)。與其他區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)相比,礦區(qū)是被人類擾動較大的土地受損區(qū),各區(qū)域土地受損程度不同[28- 29],各生態(tài)系統(tǒng)具有很強的空間異質(zhì)性。基于單位面積價值當(dāng)量因子法評估礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,考慮不到礦區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)的空間異質(zhì)性問題,評估出價值的結(jié)論可能存在著一定的偏差。一些學(xué)者采用不同方法,針對自己研究區(qū)特點對單位面積價值當(dāng)量因子進行了適當(dāng)?shù)男拚?。謝高地等[30- 31]利用某區(qū)某月/某年某生態(tài)系統(tǒng)的NPP、平均單位面積降水量和土壤保持量與全國范圍內(nèi)年均NPP、年均單位面積降水量和單位面積平均土壤保持量的比值對不同類型生態(tài)系統(tǒng)單位面積上各類服務(wù)功能年均價值當(dāng)量進行了修正。韓增林等[32- 33]引入植被覆蓋度系數(shù),在柵格尺度上根據(jù)植被覆蓋度和NDVI的對應(yīng)關(guān)系對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行修訂。那么,對于人工擾動強烈的、土地受損程度嚴(yán)重、空間異質(zhì)性較強的礦區(qū),如何采用單位面積價值量法評估出更符合礦區(qū)實際的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值？開采時序、開采強度等開采活動對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值又有何影響？

綜上,煤礦區(qū)是生態(tài)環(huán)境受損的集中區(qū)域[34],有必要對單位面積價值當(dāng)量因子進行修正,評估出礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的視角研究采煤活動對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響。鶴崗礦區(qū)為我國典型的東北多煤層老礦區(qū),煤層厚、開采歷史長。2013年沉陷面積達7932.12hm2,嚴(yán)重制約鶴崗城市的發(fā)展。因而,該研究對單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子進行修正,對鶴崗礦區(qū)不同開采時期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行估算,分析采煤過程中鶴崗礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的基本特征,以期為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算和煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

鶴崗市是一座緣煤而建的城市。鶴崗礦區(qū)(47°08′—47°23′,130°13′—130°22′)行政區(qū)隸屬于黑龍江省東北部的鶴崗市管轄,位于鶴崗市轄區(qū)南部,興山區(qū)、向陽區(qū)、工農(nóng)區(qū)、南山區(qū)的東部一帶,興安區(qū)中部，地處三江(黑龍江、松花江和小興安嶺)平原交匯的金三角地帶(圖1)。地貌單元屬砂礫石丘陵臺地,海拔約100—140m。鶴崗礦區(qū)(主要包括興山、益新、振興、鳥山、南山、新陸、富力、興安和峻德煤礦)煤炭開采始于1917年,至今已有百年開采歷史?，F(xiàn)礦區(qū)開采范圍北起興山礦,南至峻德礦,南北長27km,東西寬4km,面積108km2。核定生產(chǎn)能力為1351萬t/a 。鶴崗礦區(qū)是我國典型的多煤層老礦區(qū),煤層最多的益新煤礦層組數(shù)達36個,截至2012年末已開采或局部開采28個煤層；煤層最少的振興煤礦層組數(shù)共計13個,已開采或局部開采5個煤層。煤礦煤層多屬于中厚及厚煤層,總厚在44—90m,富集在中生界白堊系下統(tǒng)石頭河子含煤組的中部含煤段。經(jīng)開采沉陷預(yù)計,到閉礦,總沉陷面積11794.02hm2,最大下沉值達39.4m,嚴(yán)重制約鶴崗城市的發(fā)展。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The position of study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用矢量數(shù)據(jù)通過對1993年9月、2000年9月和2013年9月Landsat TM遙感衛(wèi)星影像(30m分辨率)進行非監(jiān)督分類獲得。結(jié)合Goggle earth對識別不清的地類進行校正。Kappa系數(shù)依次為80.74%、93.06%和84.95%,滿足精度要求?；贚andsat TM數(shù)據(jù),參照中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)庫分類法將1993、2000和2013年土地利用類型分為耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水域和未利用地六大類。各期土地利用數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件進行統(tǒng)計分析。其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均從黑龍江省統(tǒng)計年鑒和鶴崗歷年統(tǒng)計年鑒中獲得。礦區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)通過CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型模擬估算獲得。降雨數(shù)據(jù)由鶴崗氣象站提供。鶴崗礦區(qū)柵格尺度上的土壤保持量通過InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型估算獲得。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

采用基于單位面積價值當(dāng)量因子法[35],經(jīng)農(nóng)田為基準(zhǔn)的地區(qū)修正法對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行修正[36],將計算全國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的單位面積價值當(dāng)量因子修正為黑龍江省的單位面積價值當(dāng)量因子。再經(jīng)礦區(qū)NPP、降雨量和沉陷因子將黑龍江單位面積價值當(dāng)量因子修正為礦區(qū)單位面積價值當(dāng)量因子。經(jīng)公式(5)和(6)計算出鶴崗礦區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)和各服務(wù)的價值量。具體做法為：經(jīng)公式(1)、(2)、(3)和(4)分別計算礦區(qū)1993、2000和2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量的修訂系數(shù)。之后,依據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表,以2013年黑龍江省糧食平均收購價格(2.41元/kg)和1993—2013年農(nóng)田單位面積平均產(chǎn)量(3779.38kg/hm2)為標(biāo)準(zhǔn),按照在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的1/7[7],計算礦區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的單項生態(tài)功能服務(wù)價值,其中建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值參考袁興中[37]等的研究結(jié)果予以賦值?？偡?wù)價值經(jīng)公式(7)進行敏感性指數(shù)檢驗。

2.2.1地區(qū)修正法

采用以農(nóng)田為基準(zhǔn)的地區(qū)修正法,修正公式如下：

(1)

式中,Ei為第i類土地利用類型經(jīng)地區(qū)修訂后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量；Q和Q0分別為研究區(qū)和全國的農(nóng)田單位面積糧食產(chǎn)量；E0i為第i類土地利用類型全國平均的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量,其中i=1,2,…,6分別代表林、草、耕、水域、建設(shè)和其他土地。

2.2.2NPP因子修正

NPP因子修正食物生產(chǎn)、原材料、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、生活多樣性保護和娛樂文化服務(wù)功能[38- 39]。計算公式如(2)所示。

侯湖平等[38]以礦區(qū)耕地為例,將CASA模型模擬四期礦區(qū)耕地的NPP值與其對應(yīng)檢驗值(產(chǎn)量轉(zhuǎn)為碳儲量的算法作為檢驗值[40])進行對比、驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn),四期模擬值的平均值與其檢驗值的平均值殘差為8.04gC (m2月)-1,并進一步對四期NPP模擬值與其檢驗值進行了相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)為0.75,并對礦區(qū)NPP進行了模擬,證明采用CASA模型模擬礦區(qū)NPP值可行。肖武等[24]采用CASA模型對礦區(qū)NPP進行了模擬,并將其計算結(jié)果與朱文泉的[41]進行比對,也在合理范圍之內(nèi)。本文NPP采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型進行估算。

(2)

式中,Ni為第i類土地利用類型經(jīng)NPP修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量；Pi_y為研究區(qū)第y年第i類土地利用類型的單位面積NPP；y指1993年、2000年和2013年；E0i和i同上。

2.2.3降水因子修正

降水因子修正水源涵養(yǎng)服務(wù)功能。計算公式如(3)所示。

韓鵬等利用當(dāng)量因子方法計算干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時認(rèn)為降雨因素會對水源涵養(yǎng)價值產(chǎn)生影響[30,42]。

(3)

式中,Pi為第i類土地利用類型經(jīng)降水因子修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量；W和W0分別為研究區(qū)和全國年平均降雨量；E0i和i同上。

2.2.4沉陷因子修正

采煤沉陷影響土壤保持量,柵格尺度上土壤保持量修正土壤形成與保護服務(wù)功能[30]。計算公式如下：

(4)

式中,si為第i類土地利用類型經(jīng)沉陷因子修正后的土壤保持服務(wù)價值當(dāng)量；Si_y為研究區(qū)第y年第i類土地利用類型土壤保持量；E0i和i同上。

2.2.5生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

ESV=∑(Ak×VCk)

(5)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(6)

式中,ESVf為第f項生態(tài)服務(wù)價值；ESV為總的服務(wù)價值；Ak為研究區(qū)第k類型的土地利用面積(hm2)；VCk為第k類型土地利用單位面積的服務(wù)價值系數(shù)(元 hm-2a-1)；VCfk為第k類型土地利用對應(yīng)的第f項生態(tài)功能的單位面積服務(wù)價值系數(shù)(元 hm-2a-1)。

2.2.6敏感性指數(shù)檢驗

敏感性指數(shù)的計算公式如下：

(7)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,E為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量,i,j分別表示初始的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量調(diào)整后的值。

敏感性指數(shù)檢驗,意指將各類土地利用類型的價值指數(shù)分別調(diào)整50%,衡量總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況。若CS>1,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)相當(dāng)于當(dāng)量系數(shù)(E)是富有彈性的；若CS<1,ESV則被認(rèn)為是缺乏彈性的。比值越大,表明當(dāng)量系數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

1993—2013年,耕地和建設(shè)用地為鶴崗礦區(qū)的主要用地類型,平均比重依次為47.18%和44.85%。耕地和建設(shè)用地變化最大,耕地依次減少,減少量共計910.16hm2,變化率為-14.99%；建設(shè)用地依次增加,增加量共計776.69hm2,變化率為15.98%(表1)。經(jīng)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析,2013年土地利用類型的減少或增加均是1993年土地類型的得失轉(zhuǎn)換。建設(shè)用地的擴張主要是由耕地的減少轉(zhuǎn)化而來,2013年1078.91hm2耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地(圖2)。

表1 1993—2013年鶴崗礦區(qū)土地利用類型變化特征

圖2 1993—2013鶴崗礦區(qū)土地利用變化 Fig.2 Change pattern of land use in Hegang coal mining area during 1993—2013UL: 未利用地；GL: 草地；WB: 水域；FL: 耕地；CL: 建設(shè)用地；FR: 林地

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分析3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值

由1993—2013年鶴崗礦區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的價值變化來看(表2),1993、2000和2013年鶴崗礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價值量分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元。耕地的平均總服務(wù)價值最大,約占平均總價值的189.35%；其次是林地(46.50%)、水域(26.83%)；草地、未利用地和建設(shè)用地所占比重偏低,建設(shè)用地平均總服務(wù)價值為-3925.51萬元,約占平均總價值的-173.79%。

表2 1993—2013年鶴崗礦區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的價值變化/萬元

1993—2000年,總價值變化量為-1194.06萬元,其中耕地變化量最大,為-1059.36萬元,變化率為-22.44%；其次是水域,變化價值量為-54.53萬元,變化率為-9.45%。2000—2013年,總價值增加2506.80萬元,其中林地、草地、耕地、水域和建設(shè)用地價值均在增加,耕地和建設(shè)用地價值增加最大,分別為789.97和1037.68萬元,變化率最大的是林地和草地,分別為43.94%和39.97%。1993—2013年間,總價值增加1312.74萬元,其中建設(shè)用地增加量最大,為1010.60萬元,變化率為-23.76%(表2)。1993—2013年價值先減少后增加主要是隨著采礦活動,耕地面積在不斷下降,建設(shè)用地、林地和水域面積在不斷增加,而采煤沉陷地土地生態(tài)狀況呈現(xiàn)出先下降后回升的趨勢。建設(shè)用地面積增加到一定程度,會使總服務(wù)價值提高。

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型

由1993—2013年鶴崗礦區(qū)不同服務(wù)功能的價值變化可知(表3),1993—2013年,土壤形成與保護價值最大,分別占該年總價值量的145.18%、192.97%和154.86%；其次是氣候調(diào)節(jié)服務(wù)和生物多樣性服務(wù),平均價值比分別為40.54%和37.79%；食物生產(chǎn)的平均價值比為22.36%；其他服務(wù)價值占比較小。由于鶴崗礦區(qū)建設(shè)用地面積較大,水源涵養(yǎng)服務(wù)價值為負(fù)值,分別占該年總服務(wù)價值量的-155.99%、-308.65%和-127.68%。

1993—2000年,土壤形成與保護價值減少最大,為-1243.66萬元,年變化率為-5.51%。氣候調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)服務(wù)價值均處于增加狀態(tài)。2000—2013年間,土壤形成與保護價值增加最大,為3491.17萬元,年變化率為13.58%；其次為氣體調(diào)節(jié)和廢物處理服務(wù),增加值分別為129.34和277.79萬元。1993—2013年間,氣體調(diào)節(jié)價值年變化率最大,分別為5.70%、44.04%和42.04%(表3)。1993—2013年,土壤形成與保護價值先減少后增加,主要是隨煤炭開采,耕地和建設(shè)用地的土壤保持量呈先下降后上升、建設(shè)用地面積大大增加的結(jié)果。

表3 1993—2013年鶴崗礦區(qū)不同服務(wù)功能的價值變化/萬元

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間差異及其影響因素

鶴崗礦區(qū)煤炭開采方向自西向東行進,且北部煤礦開發(fā)較早于南部。1993—2013年,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值西部小、東部大,北部小、南部大,自西向東遞增。西部一帶為過去各煤礦煤炭開采初始地段,土地利用類型多由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低；東部一帶為各煤礦開發(fā)較晚或還未開發(fā)地段,土地利用類型多為耕地,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高。鳥山煤礦2017年投產(chǎn)使用,受采煤擾動較少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高,占平均總價值的60.19%。北部煤礦開發(fā)程度較深,興山、益新、振興和南山煤礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均值之和占平均總價值的-11.65%；南部峻德煤礦,服務(wù)價值均值占平均總價值的48.08%,服務(wù)單位價值最高的地區(qū)主要分布在峻德礦沉陷區(qū)范圍,地型為林地(圖3)。這種分布趨勢主要受由采煤活動引起的土地利用類型、面積及質(zhì)量變化的影響。

圖3 1993—2013鶴崗礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價值分布Fig.3 Distribution of ecological service value in Hegang coal mine during 1993—2013

3.2.4鶴崗礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值修正前后比較

1993—2013年,鶴崗礦區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元,與無考慮空間異質(zhì)性因素情況相比,1993和2000年服務(wù)總價值分別減少了152.96和580.12萬元,2013年增加了781.63萬元。隨著煤炭開采,1993—2000年,鶴崗礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受采煤影響較大,到2013年,生態(tài)環(huán)境呈好轉(zhuǎn)的趨勢。

4 結(jié)論與討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉關(guān)系極其密切。充分評估礦區(qū)沉陷地生態(tài)服務(wù)價值是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)恢復(fù)的科學(xué)依據(jù)。本文主要采用修正的單位面積生態(tài)系統(tǒng)價值當(dāng)量因子的方法,對鶴崗礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供的9種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型進行評估,得出以下結(jié)論：

(1)1993、2000和2013年鶴崗礦區(qū)總服務(wù)價值量分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元。隨著采礦活動的進行,這與耕地面積不斷減少、建設(shè)用地不斷增加有關(guān),也與采煤沉陷地土地生態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)先下降后回升有關(guān)。建設(shè)用地面積增加到一定程度,土壤形成與保護價值的大大增加會使總服務(wù)價值提高。

(2)按照生態(tài)系統(tǒng)類型劃分,1993—2013年,鶴崗礦區(qū)耕地的平均服務(wù)價值最高,占總平均價值的189.35%；其次是林地和水域,分別占總平均價值的46.50%和26.83%；按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別劃分,支持功能服務(wù)價值最高,平均價值占總平均價值的186.67%,其次是調(diào)節(jié)服務(wù),占45.34%,文化服務(wù)占5.73%,供給服務(wù)占-137.74%。

(3)1993、2000和2013年,鶴崗礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值自西向東遞增,北部小、南部大,與采煤方向由西向東行進、開采程度差異有關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間差異主要受由采礦活動引起的土地利用類型、面積、質(zhì)量變化的影響。

(4)與無考慮空間異質(zhì)性因素情況相比, 鶴崗礦區(qū)1993和2000年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值分別減少了152.96和580.12萬元,2013年增加了781.63萬元。隨著煤炭開采,1993—2000年,鶴崗礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受采煤影響較大,到2013年,自然生態(tài)環(huán)境狀況好轉(zhuǎn)。

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