撫順西露天礦西排土場不同土地利用方式下生態(tài)環(huán)境效益分析

王 晶，魏忠義

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽110866）

露天礦排土場是礦山開采對礦區(qū)生態(tài)干擾與破壞的主要類型之一[1-2]，土地復(fù)墾后其生態(tài)環(huán)境有所改善，近年來隨著復(fù)墾后土地利用率不斷提高[3]，相關(guān)研究不斷取得新進展[4-6]，土地利用在改變地表覆被狀況同時也影響著礦區(qū)生態(tài)[7]。本文所研究排土場土地復(fù)墾的生態(tài)環(huán)境效益指復(fù)墾土壤在恢復(fù)植被、大氣環(huán)流和太陽輻射等共同作用下，通過物理、化學(xué)及生物作用為排土場及其周圍環(huán)境提供直接和間接有利于人類的具有使用價值和“公共商品”特征的公益效能（經(jīng)濟價值除外），是土地復(fù)墾對排土場植被、土壤、水資源及其生態(tài)過程改善程度的經(jīng)濟度量。以生態(tài)學(xué)為理論依據(jù)的傳統(tǒng)效益評價[8-10]多針對森林等天然生態(tài)系統(tǒng)[11]，如何客觀定量評價排土場土地復(fù)墾產(chǎn)生的生態(tài)效益尚未形成體系，選取估算指標及方法各異[12-13]。因此，依據(jù)露天煤礦排土場復(fù)墾后土地利用方式，建立相應(yīng)生態(tài)效益估算模型并應(yīng)用尤為重要。

排土場是由露天采煤所產(chǎn)生的固體廢棄物堆積而成，原有植被、地貌被矸石所覆蓋的典型人工堆墊地[2]。經(jīng)土地復(fù)墾的露天煤礦排土場是以生態(tài)恢復(fù)與土地循環(huán)利用為中心的人工或半人工生態(tài)系統(tǒng)，在復(fù)墾過程中自身表現(xiàn)出對外界環(huán)境變化及人類干擾的自我調(diào)節(jié)能力。本文以撫順西露天礦西排土場土地經(jīng)復(fù)墾形成林地、耕地、牧草地為研究對象，建立基于無質(zhì)量與價值量的生態(tài)環(huán)境效益估算指標體系，運用生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟學(xué)原理及價值計量方法，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀估算土地復(fù)墾取得的生態(tài)環(huán)境效益，探討不同土地利用方式的生態(tài)效益構(gòu)成，為明確復(fù)墾后土地利用和發(fā)展方向、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

撫順西露天礦西排土場（以下簡稱“西排土場”）坐落于撫順市西南部，西露天礦坑以西2.5 km處，目前總排棄剝離土層和矸石量達6.28×108t，占地12.9 km2，頂部平臺面積7.69 km2，最高標高+176 m，是迄今國內(nèi)最大的露天煤礦排土場。表層排棄物主要由碳質(zhì)頁巖、綠色泥巖及油母頁巖殘余物等組成，周邊土壤以輕壤土和砂壤土為主。排土場在西露天煤礦開采前為植被良好的丘陵區(qū)，人為活動和礦區(qū)生產(chǎn)使植被遭到嚴重破壞，原有林地基本消失，現(xiàn)主要為灌草叢。排土場內(nèi)除人工栽種針葉松樹類外，無天然木本植物，草本植物主要為豬毛菜、堿蓬等典型旱生植物。在矸石風(fēng)化時間較長、水肥條件改善地段有茜草、野艾蒿、益母蒿等菊科植物生長。2000年西排土場最頂盤進行的大面積復(fù)墾將西排土場劃分為幾部分：其中復(fù)墾后林地以火炬樹、紫穗槐為主；耕地種植玉米、大豆等作物；牧草地種植紫花苜蓿等。據(jù)西排土場復(fù)墾規(guī)劃顯示，復(fù)墾后林地、耕地、牧草地面積分別為261.84 hm2、216.09 hm2、375.31 hm2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文基于礦區(qū)土地復(fù)墾理論和生態(tài)經(jīng)濟學(xué)理論，采用文獻研究、實證研究、樣地調(diào)查、模型適宜性分析等方法，以西排土場土地復(fù)墾后林地、耕地、牧草地為研究對象，從物質(zhì)量與價值量角度出發(fā)，選取涵養(yǎng)水源、保持土壤、氣體調(diào)節(jié)、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)及凈化地表水體效益等指標，建立指標體系估算三種典型用地類型的生態(tài)效益，具體方法包括市場價值法、影子價格法、工程替代法、造林成本法等。其中，實驗數(shù)據(jù)為2010年課題組對研究區(qū)進行的相關(guān)實驗研究，如土壤物理性狀測定、地表水水質(zhì)及重金屬含量測定等。統(tǒng)計調(diào)查資料來自國家發(fā)布的社會公共數(shù)據(jù)、中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[15]中相關(guān)評估指標和價格參數(shù)以及近年來相關(guān)領(lǐng)域研究的數(shù)據(jù)資料等。

2.1 涵養(yǎng)水源

涵養(yǎng)水源效益是復(fù)墾后礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對大氣降水調(diào)節(jié)作用的貨幣表示。本文結(jié)合研究區(qū)復(fù)墾現(xiàn)狀，取水庫蓄水成本為“影子價格”[16]。各復(fù)墾類型的涵養(yǎng)水源效益計算公式如下：

式1中，Vwi為涵養(yǎng)水源效益（元/a）；hi為土壤平均深度（m），均取復(fù)墾后表層土壤平均厚度0.6 m；pi為非毛管孔隙率度（%），取值為實驗研究數(shù)據(jù)，見表1；Si為林地、耕地、牧草地面積（hm2），取復(fù)墾規(guī)劃中各用地類型面積；Cw為單位庫容蓄水成本（元/t），據(jù)《中國水利年鑒》（2011）[19]平均水庫庫容造價為2.17元/t及價格指數(shù)2.816，即得到單位庫容蓄水成本為6.11元/t。

2.2 保持土壤

土壤保持量可根據(jù)潛在土壤侵蝕模數(shù)和實際土壤侵蝕模數(shù)之差計算，此方法更適于不同尺度不同土地利用方式下的土壤侵蝕量估算[23]。該效益可通過復(fù)墾后各類型減少表土損失、減輕泥沙淤積及保持土壤肥力等三方面衡量。

2.2.1 減少表土損失 根據(jù)土壤保持量和復(fù)墾土壤表土平均厚度，推算土壤侵蝕減少土地面積，采用機會成本法[11]，通過單位面積林業(yè)平均收益或單位面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，估算因土地減少所損失效益：

式2中，Vs-ei為減少表土損失效益（元/a）；Sp為潛在土壤侵蝕模數(shù)（t/km2·a），據(jù)統(tǒng)計，撫順市潛在土壤侵蝕模數(shù)為500—1500 t/km2·a，因復(fù)墾前土壤侵蝕較嚴重，本文將潛在土壤侵蝕模數(shù)取最大值1500 t/km2·a；Sr為實際土壤侵蝕模數(shù)（t/km2·a），據(jù)齊曉君[19]等對研究區(qū)內(nèi)林地、耕地、牧草地研究成果推算實際土壤侵蝕模數(shù)分別為582.56 t/km2·a、442.63 t/km2·a、578.49 t/km2·a；單位面積年均收益 ARf（元 /hm2）據(jù)研究區(qū)主要作物年均產(chǎn)量、單價及撫順市林地、草地年均產(chǎn)值等統(tǒng)計資料估算，得出各類型年均收益分別為11039.79元/hm2、10293.45元/hm2、10000元 /hm2；Di為土壤容重（g/cm3），源自實測數(shù)據(jù)，見表 1。

2.2.2 減少泥沙淤積 采用挖取單位泥沙成本法計算植被減輕泥沙淤積效益，其估算公式[21]如下：

式3中，Vs-ui為減少泥沙淤積效益（元/a）；Is為泥沙淤積系數(shù)（%），按照中國主要流域泥沙運動規(guī)律，全國土壤侵蝕流失泥沙有24%淤積于水庫、江河、湖泊等，故泥沙淤積系數(shù)取值24%；Cr為單位清淤成本（元/m3），西排土場邊緣坡度較陡，易發(fā)生水土流失、泥沙淤積等，單位體積清淤成本較高，據(jù)《遼寧省水利水電建筑工程預(yù)算定額》[18]中人工挖土方Ⅰ和Ⅱ土類的人工費計算單位清淤成本為12.6元/m3。

2.2.3 保持土壤養(yǎng)分 根據(jù)研究區(qū)復(fù)墾土壤中N、P、K和有機質(zhì)含量及其市場價格或“影子價格”，計算該效益。其估算公式[12]如下：

表1 西排土場復(fù)墾土地不同用地類型的土壤物理性質(zhì)及營養(yǎng)元素含量Tab.1 Soil physical properties and content of nutrient elements in different reclaimed land uses in the western dump

式 4中，Vfi為保持土壤養(yǎng)分效益（元 /a）；WSNi、WSPi、WSKi、WSOMi分別為復(fù)墾后不同用地類型土壤 N、P、K、有機質(zhì)平均含量（%），見表 1；R1、R2、R3分別為磷酸二銨含N量（%）、磷酸二銨含P量（%）、氯化鉀含K量（%），Pf1、Pf2、Pf3分別為磷酸二銨、氯化鉀化肥、有機質(zhì)的平均價格（元/t），參考《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[15]中數(shù)據(jù)，R1、R2、R3分別取值 14%、15.01%、50%；Pf1、Pf2、Pf3分別為 2400元 /t、2200元 /t、320元 /t。

2.3 氣體調(diào)節(jié)

根據(jù)氣體調(diào)節(jié)量與“替代價格”估算氣體調(diào)節(jié)效益。本文利用生物量法[24]估算年氣體調(diào)節(jié)量。CO2替代價格確定方法有造林成本法、碳稅率法、人工吸收CO2成本法和避免損害費用法等。O2替代價格確定方法有造林成本法、氧氣的商品價格和工業(yè)制氧成本法等。植被恢復(fù)是礦區(qū)土地復(fù)墾工程重要內(nèi)容之一，因此，本文使用造林成本法計算植被固定CO2和釋放O2價值。

2.3.1 固碳效益 根據(jù)光合作用化學(xué)方程式，森林植被每積累1 kg干物質(zhì)可以固定1.63 g的CO2、釋放1.19 g的O2，土地復(fù)墾后排土場植被固定CO2價值的計算公式[22]為：

式 5中，Vci為固碳效益（元 /a）；1.63為形成 1 g干物質(zhì)需要 CO2量；Bi為植被年凈生產(chǎn)力（t/（hm2·a）），據(jù)相關(guān)研究[24]推算研究區(qū)內(nèi)復(fù)墾后不同用地類型的物質(zhì)生產(chǎn)力分別為9.54 t/（hm2·a）、8.93 t/（hm2·a）、6.53 t/（hm2·a）；C1為固碳價格（元/t），取造林成本法固定1 t CO2成本為260.9元/t。

2.3.2 釋氧效益 復(fù)墾后植被（作物）的釋氧效益可用下式[22]計算：

式6中，Voi為復(fù)墾區(qū)各用地類型的年制氧效益（元/a）；Si為研究區(qū)林地、耕地、牧草地面積（hm2），采用復(fù)墾規(guī)劃各用地類型的面積；C2為制氧成本（元/t），取造林成本法提供1 t O2成本為352.93元/t。

2.4 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)效益

參與生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分循環(huán)的物質(zhì)種類繁多，現(xiàn)僅考慮主要元素N、P、K和有機質(zhì)等。由植被年凈生產(chǎn)力和元素含量可計算出復(fù)墾土壤保持營養(yǎng)物質(zhì)量。采用影子價格法[14]，定量估算該效益。其公式為：

式 7中，Vni為營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)效益（元 /a）；Bi含義及取值與氣體調(diào)節(jié)效益中 Bi相同；WSN、WSP、WSK、R1、R2、R3、Pf1、Pf2、Pf3含義及取值與保持土壤養(yǎng)分涉及參數(shù)相同。

2.5 凈化地表水體

依據(jù)已有研究并結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，采用替代費用法[23]依據(jù)最優(yōu)等效替代治理技術(shù)所需成本得到估算模型為：

式8中，Vpw為凈化地表水效益（元/a）；WT為研究區(qū)內(nèi)達到國家環(huán)境標準的年涵養(yǎng)水源總量（t/a）；Ccs為凈化污水成本（元/t），采用網(wǎng)格法得出2007年全國大中城市居民用水平均價格2.09元/t[11]；Cht為重金屬廢水處理成本（元/t），采用生化法[20]進行重金屬廢水處理的成本2元/t。

3 結(jié)果分析

本文基于西排土場復(fù)墾后不同土地利用方式，建立相關(guān)的生態(tài)效益估算模型（式1—式8），結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法及已有研究估算生態(tài)效益。結(jié)果如下：

（1）根據(jù)估算結(jié)果（表2），西排土場經(jīng)土地復(fù)墾取得年生態(tài)效益為1586.5×104元/a。各效益構(gòu)成按其價值量大小排序，依次為氣體調(diào)節(jié)＞涵養(yǎng)水源＞凈化地表水體＞保持土壤效益＞營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)。

（2）由表3可知，西排土場單位面積年生態(tài)效益大小順序為：耕地＞林地＞牧草地。其中，氣體調(diào)節(jié)效益：林地＞耕地＞牧草地；涵養(yǎng)水源及凈化地表水體效益：耕地＞牧草地＞林地；營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)效益：耕地＞林地＞牧草地；保持土壤效益：耕地＞牧草地≈林地。

表2 西排土場土地復(fù)墾的年生態(tài)效益值 單位：104元/aTab.2 The annual ecological benefits of western dump after land reclamationunit:104yuan/a

表3 單位面積復(fù)墾后各用地類型年生態(tài)環(huán)境效益值 單位：104 元/（hm·2a）Tab.3 Annual ecological benefits in each unit area of different land uses after reclamationunit:104yuan/（hm·2a）

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文結(jié)合西排土場土地復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特征和生態(tài)過程建立生態(tài)效益評估指標體系，在分析各項生態(tài)效益評估方法及參數(shù)基礎(chǔ)上，計算不同土地利用方式下各項生態(tài)效益值并估算其總效益及單位面積生態(tài)效益，得出氣體調(diào)節(jié)和涵養(yǎng)水源效益所占比例較大，而保持土壤和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)效益較小。故加強復(fù)墾區(qū)水土保持措施和復(fù)墾土壤肥力研究是提高研究區(qū)生態(tài)效益的重要手段。應(yīng)指出，牧草地生態(tài)效益總量較大是由于研究區(qū)在復(fù)墾初期大面積種植紫花苜蓿，既具有經(jīng)濟效益又具有培肥土壤作用，可作為實現(xiàn)耕地占補平衡的主要來源。

不同土地利用方式對西排土場生態(tài)環(huán)境效益影響的差異揭示了土地復(fù)墾活動對環(huán)境變化的影響程度。由估算結(jié)果可知：林地在氣體調(diào)節(jié)方面作用顯著，而耕地在涵養(yǎng)水源等其他方面取得的生態(tài)效益也很明顯，這與近年來研究區(qū)重點發(fā)展農(nóng)業(yè)和林業(yè)密切相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)牧草地作用主要體現(xiàn)在氣體調(diào)節(jié)和保持土壤上，可作為耕地后備資源。值得指出的是，在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)方面，三種利用方式下單位面積復(fù)墾土地取得效益及其在總效益中所占比例都很小，不利于土地可持續(xù)利用。因排土場受人為擾動影響較大，并且對外界具有極強的依賴性，如客土、施肥、灌溉等措施，因此加強復(fù)墾后礦區(qū)土地營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)能力研究對維持該生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。

4.2 討論

本文生態(tài)效益估算不僅考慮研究區(qū)土壤的特殊性，也考慮了復(fù)墾后各用地類型在功能上的差異，使結(jié)果更能反映復(fù)墾區(qū)域?qū)嶋H情況，通過分析不同估算方法適用范圍、可操作性和實用性差異，運用市場價值法、影子價格法、工程替代法、造林成本法等價值確定方法，選擇適宜的估算方法及參數(shù)定量估算，使所建立估算模型適合不同用地類型的生態(tài)條件，估算結(jié)果更客觀。另外，指標及參數(shù)選取方面尚未統(tǒng)一，會影響各項研究結(jié)果的準確性，評價參數(shù)選擇差異可能導(dǎo)致結(jié)論出現(xiàn)偏差，因此建立和完善價值評估標準尤為重要。由于復(fù)墾后情況復(fù)雜及現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料有限，本文僅估算研究區(qū)內(nèi)林地、耕地和牧草地3種用地類型5項主要功能取得的生態(tài)環(huán)境效益。

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