河南義馬煤礦礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)演化過程分析

朱九龍

(中原工學院 經(jīng)濟管理學院，鄭州 450007)

河南義馬煤礦礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)演化過程分析

朱九龍

(中原工學院 經(jīng)濟管理學院，鄭州 450007)

基于聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估的基本理念和評價框架，從供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4個方面對河南省義馬礦區(qū)單位面積的生態(tài)功能價值進行測算，并分析了義馬礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在2005—2012年間的演化過程及敏感因素。結(jié)果表明：(1)義馬礦區(qū)單項生態(tài)服務(wù)價值在2005—2008年間，廢棄物處理、水源涵養(yǎng)、娛樂活動和控制侵蝕呈正向變化，食物生產(chǎn)、生物多樣性、空氣凈化、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)呈負向變化，在2008—2012年間，僅有土壤保持功能價值為負向變化，其他均為正向變化；(2)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈現(xiàn)出降低—上升—緩慢下降的趨勢；(3)農(nóng)田和水域為義馬礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最敏感的因素，即礦區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措是進行土地與生態(tài)修復(fù)和水資源保護。

生態(tài)服務(wù)價值；演化過程；煤炭礦區(qū)；義馬市

0 引言

早在1965年，G.P.Marsh[1]首次對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進行研究，分析地中海地區(qū)的人類活動對周邊生態(tài)系統(tǒng)功能的影響情況。此后，J.P.Holdren等[2]，D.Pimentel等[3]從全球視野對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值做了一些有益探索。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外學者對于生態(tài)服務(wù)功能價值的研究取得了較大進展，尤其是R.Costanza等[4]的研究成果得到了較為廣泛的認可。國際著名的《Ecological Economics》雜志在2008年以專輯的形式刊登了來自全球各國生態(tài)研究的頂尖學者的20多篇論文，是迄今為止有關(guān)生態(tài)服務(wù)價值的較權(quán)威的研究成果。20世紀90年代以來，生態(tài)服務(wù)的概念被引入后，國內(nèi)學者從不同角度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行了廣泛研究，取得了一些研究結(jié)論。目前，國內(nèi)學者已經(jīng)開始著眼于一些生態(tài)敏感區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值變化的研究。謝高地等[5]對青藏高原特殊的生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值進行了較為系統(tǒng)的評價；李保杰等[6]、譚敏等[7]利用LUCC數(shù)據(jù)，對徐州煤礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價值變化進行了馬爾科夫預(yù)測；此外，韓永偉等[8]、唐紫晗等[9]、陳春陽等[10]也對不同的生態(tài)敏感區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值進行相應(yīng)研究?？傮w而言，目前國內(nèi)學者較多關(guān)注森林、草原、水源區(qū)、土地等生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價值，關(guān)于礦區(qū)的相關(guān)研究成果較少，且現(xiàn)有的少量成果更多采取截面數(shù)據(jù)進行分析，利用時期動態(tài)數(shù)據(jù)分析的研究成果更為鮮見。

礦區(qū)是由于礦產(chǎn)開發(fā)利用及附屬產(chǎn)業(yè)所形成的一個特殊社會經(jīng)濟活動區(qū)域[11]。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類通過礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演化過程和功能直接或間接獲得生命的支持產(chǎn)品和服務(wù)。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落系統(tǒng)和非生物的自然環(huán)境系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)[12]。長期掠奪性的開發(fā)已經(jīng)引起了礦區(qū)地表塌陷、土地污染和水土流失等生態(tài)環(huán)境問題，影響礦區(qū)經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，危及礦區(qū)居民的生存與健康。本研究以河南義馬礦區(qū)為案例，分析礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)演化過程，判別礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演化發(fā)展的敏感性因素和發(fā)展趨勢，針對性地提出調(diào)控措施，避免礦產(chǎn)資源開發(fā)中的一些損害生態(tài)系統(tǒng)的短期行為，保障礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)良性循環(huán)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

義馬礦區(qū)位于河南省西部，地跨北緯34°42′～34°46′，東經(jīng)111°50′47″～111°50′49″，總占地8 250 hm2。義馬礦區(qū)屬于豫西淺山丘陵區(qū)，境內(nèi)起伏不平，溝壑縱橫，地層內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，含水性不強。礦區(qū)交通方便，擁有6條煤炭運輸專線，煤炭資源豐富，重工業(yè)發(fā)達，是河南省乃至全國重要的煤炭基地之一，這為義馬市經(jīng)濟騰飛提供便利的同時也對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴重影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要通過以下3種方式得到：1)以2005，2008，2012年義馬礦區(qū)3期遙感影像和2011年義馬礦區(qū)的航片作為土地利用信息數(shù)據(jù)提取源；2)利用義馬統(tǒng)計年鑒及義馬國土資源局提供的2005—2012年義馬市土地利用類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)及土地利用規(guī)劃(2008—2020年)，并根據(jù)礦區(qū)面積占整個義馬市面積比例，推算礦區(qū)不同年份礦區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)；3)當遙感數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)出入較大時，為了減少誤差，采用兩者均值進行測算。通過以上方式，獲取相關(guān)土地面積數(shù)據(jù)(表1)。

表1 2005—2012年義馬煤炭礦區(qū)不同土地利用類型的面積統(tǒng)計 hm2

2 研究方法

2.1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分

供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的4個重要組成成分(表2)。根據(jù)對義馬煤礦區(qū)域的實地調(diào)研，將義馬煤礦生態(tài)系統(tǒng)劃分為農(nóng)田、林地、水域、草地、園地、建設(shè)用地、塌陷地和未利用地生態(tài)系統(tǒng)*由于資料收集難度較大，未利用地暫不予考慮。。因為園地的特性介于林地與草地之間，所以將林地和草地單位服務(wù)價值量的算術(shù)平均值作為園地單位價值量。建設(shè)用地主要向自然生態(tài)系統(tǒng)索取資源和排放廢物，其單位服務(wù)價值為負數(shù)，本研究以食物供應(yīng)、水源涵養(yǎng)、空氣凈化、廢物處理等作為建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值的衡量標準[13-14]。塌陷地由于地表變形嚴重，表面裂縫眾多，基本喪失了涵養(yǎng)水源、保持土壤、控制侵蝕等功能，其涵養(yǎng)水源、保持土壤、控制侵蝕的價值為零，因此，僅測算塌陷地的食物生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、空氣凈化、廢棄物處理和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等功能價值量。

2.2 單位面積服務(wù)價值估算

2.2.1 供給服務(wù)。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中能提供供給服務(wù)的主要為農(nóng)田、林地、園地、水域和草地[15]。據(jù)查，小麥和玉米是義馬市的主要糧食作物。2012年義馬市小麥和玉米單產(chǎn)分別為5 942，10 532 kg/hm2，小麥和玉米單價分別為2.06，1.98元/kg，因此可得到單位面積農(nóng)田、林地、草地、園地、水域和塌陷地生態(tài)供給服務(wù)價值分別為32 750，1 235.2，354，794.6，2 631，1 312元/(hm2·a)。

2.2.2 調(diào)節(jié)服務(wù)。1)氣候及氣體調(diào)節(jié)。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的氣候及氣體調(diào)節(jié)作用主要表現(xiàn)在固定CO2和釋放O2方面，根據(jù)光合作用反應(yīng)式可以得到礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固定CO2和釋放O2的價值計算式分別如下[16-17]：

VCi=1.63Cc×Si。

(1)

VOi=1.19Co×Si。

(2)

式中：VCi表示第i種土地上的植物吸收CO2的經(jīng)濟貢獻；VOi表示第i種土地上的植物釋放O2的經(jīng)濟貢獻；Cc表示消減CO2的成本；Co表示工業(yè)制氧的成本；Si表示第i種土地的初級凈生產(chǎn)力。2012年造林成本平均為978.23元/t，制氧成本為885.25元/t。林地、草地、農(nóng)田、水域的初級凈生產(chǎn)力分別為6 860，4 170，6 000，1 800kg/(hm2·a)。根據(jù)義馬礦區(qū)實際情況，將塌陷地范圍內(nèi)的農(nóng)田初級凈生產(chǎn)能力確定為正常值的30%，林地、草地為正常值的80%，水域為0，由此測算出塌陷地的初級凈生產(chǎn)能力為5 591kg/(hm2·a)。

表2 礦區(qū)生態(tài)服務(wù)功能種類劃分

2)空氣凈化。一般而言，生態(tài)系統(tǒng)的空氣凈化功能主要包括吸收有毒物質(zhì)、阻滯灰塵、消滅病菌和減少噪聲污染等方面，但由于SO2和粉塵是礦區(qū)空氣污染的主要表現(xiàn)，因此主要通過計算生態(tài)系統(tǒng)的吸收、滯塵的價值，從而實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的空氣凈化價值的估算[18](表3)。計算公式如下：

(3)

(4)

式中：ViSO2代表第i類土地吸附SO2的價值；Vid代表第i類土地滯塵價值；QiSO2代表第i類土地單位面積吸附SO2的能力；Qid代表第i種類型土地單位面積滯塵的能力；CSO2代表消減SO2的成本；Cd代表除塵的成本。

表3 單位面積土地的空氣凈化能力 kg/(hm2·a)

3)水源涵養(yǎng)。利用水量平衡公式，采用影子價格法和替代工程法分別對不同類型土地的水源涵養(yǎng)功能進行估算，然后取其平均值作為最終值。計算公式為：R=P-E。式中：R為年均徑流量(即生態(tài)涵養(yǎng)水量)；P為年平均降水量；E為年平均蒸發(fā)量。由此可以測算得到義馬礦區(qū)農(nóng)田，林地，水域，草地，園地和建設(shè)用地的水源涵養(yǎng)價值分別為1 639，3 168，8 321，1 639，2 403，-3 025元/(hm2·a)。

4)控制侵蝕。控制侵蝕功能主要體現(xiàn)在減少礦區(qū)土地廢棄(包括耕地、植被退化)、減少泥沙淤積以及維持土壤肥力3個方面[19]。

一是減少土地廢棄功能測算。該功能的測算公式為：

V=(Q×R)/(t×m)。

(5)

式中：V為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在減少土地廢棄方面的功能單位量；Q為土地廢棄的減少量(土壤保持量)；R為每年礦區(qū)內(nèi)耕地的平均收益，取值為28 936元/(hm2·a)；t為區(qū)域內(nèi)土壤平均厚度，以全國平均值(0.6 m)替代；m為土壤比重，礦區(qū)土壤多為沙土，因此，土壤比重介于1.41～1.69 g/cm3之間，用該區(qū)間中位數(shù)(1.55)作為礦區(qū)土壤比重取值。

二是減少泥沙淤積功能。此項功能的計算式為：

V=Q×m-1×R×Z。

(6)

式中：V為降低礦區(qū)內(nèi)泥沙淤積的價值；Q為土壤保持量；m為土壤容重；R為流失泥沙在河流湖泊中的淤積百分數(shù)，取全國平均數(shù)24%；Z為單位庫容的蓄水成本，為1.34元/m3。

三是維持土壤肥力功能。其測算公式為：

V=∑(Qi×ρ×Mi×Pi)。

(7)

式中：V表示保持土壤肥力的價值；Qi表示土壤保持量；ρ是土壤中N，P，K的折算系數(shù)；Mi表示土壤N，P，K的平均含量；Pi為碳酸氫銨、過磷酸鈣和氯化鉀的價格(元/t)；i表示土地類型。根據(jù)實地采樣化驗得出義馬礦區(qū)土壤中N，P，K的含量分別為106.01，23.12，195.63mg/kg。2012年河南碳酸氫銨、過磷酸鈣和氯化鉀的平均價格為0.71,0.82,1.12元/kg。

5)廢棄物處理。采用農(nóng)田對污水的凈化力來測算廢棄物處理的功能。以中國北方農(nóng)田污水灌溉的比例13.7%作為研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉水量中的污水比例[20]。污水處理成本為1.2元/t，農(nóng)田灌溉蓄水定額為3 000m3/hm2，污水量為411m3/hm2，由此得出義馬礦區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)廢棄物處理功能價值量為411m3/(hm2·a)。其他類型土地的棄物處理功能參照農(nóng)田進行計算。

2.2.3 支持服務(wù)。1)土壤保持。土壤保持功能主要體現(xiàn)為植被根物質(zhì)和生物物質(zhì)對土壤中的有機質(zhì)的保持作用。本研究參照謝高地等[5]的成果進行義馬礦區(qū)不同土地類型的土壤保持價值的測算。2)維持生物多樣性。本研究采用功能當量方法測算礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的維持區(qū)域生物多樣性的價值。

2.2.4 文化服務(wù)。文化服務(wù)價值難以定量描述，本研究采用專家咨詢法和綜合評分法計算各種類型土地的文化服務(wù)價值[21]。

根據(jù)上述計算方法得到義馬礦區(qū)各類型單位面積生態(tài)價值(表4)。

表4 義馬礦區(qū)單位面積生態(tài)價值估算結(jié)果 元/(hm2·a)

2.3 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值及敏感性系數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的計算方法如下[22]：

(8)

式中：V為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；Vj為第j項生態(tài)服務(wù)價值；Pc為不同類型單位面積的土地生態(tài)服務(wù)價值；Ai為不同類型土地的面積；j表示服務(wù)功能種類。本研究采用敏感性系數(shù)λ測算Vj對V的影響情況。λ的具體內(nèi)涵為當Vj變化1%時引起V的變化情況。若λ>1，表明V對Vj是富有彈性的，反之亦然。λ的計算公式如下：

(9)

式中：Pc1，Pc2分別為單位服務(wù)價值變化前后的價值。

3 結(jié)果分析

3.1 礦區(qū)土地利用變化情況

為了較為清晰地分析義馬礦區(qū)2005—2012年間的土地利用變化情況，引入單一類型土地利用類型動態(tài)變化程度系數(shù)，計算公式為：

(10)

式中：K表示一定時期內(nèi)的土地類型變化程度；Mb和Ma分別表示終點與起點時刻土地的面積；T表示研究時段內(nèi)的期數(shù)。

由表1與表5可知，礦區(qū)土地利用情況確實發(fā)生了一些變化，但是以農(nóng)田、建設(shè)用地、塌陷地和林地為主。在2005—2008年時段內(nèi)，除建設(shè)用地和水域呈現(xiàn)遞增趨勢外，其他土地利用情況均為減少趨勢，而且塌陷地變化最為明顯，這與2005年以后義馬礦區(qū)積極采取先進煤炭資源開采方式、礦石回填、塌陷地復(fù)墾治理等措施密不可分。在2008—2012年時段內(nèi)，由于礦區(qū)實行基本農(nóng)田保護政策和城鎮(zhèn)化建設(shè)速度加快，農(nóng)田、建設(shè)用地和水域呈現(xiàn)增加趨勢，其他土地數(shù)量均減少，未利用土地和園地的變化最為明顯。

表5 2005—2012年義馬礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化情況

3.2 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值變化

從表6可知，義馬礦區(qū)各單項服務(wù)功能價值在2005—2008和2008—2012年間變化趨勢較為明顯。在2005—2008年間，呈現(xiàn)正向變化的服務(wù)功能按照變化率大小排序分別是廢棄物處理、水源涵養(yǎng)、娛樂活動和控制侵蝕，呈現(xiàn)負向變化的服務(wù)功能分別是食物生產(chǎn)、生物多樣性、空氣凈化、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)；在2008—2012年間，正向變化最大的服務(wù)功能為廢棄物處理和娛樂活動，表明此間區(qū)域城鎮(zhèn)化水平的完善度逐漸提高；負向變化的服務(wù)功能僅有土壤保持。

表6 義馬礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)功能價值變化率 %

3.3 礦區(qū)生態(tài)服務(wù)總價值變化

按照生態(tài)服務(wù)價值計算方法和相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，算出義馬礦區(qū)2005—2012年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(表7)。

1)義馬礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，到2009年以后，又表現(xiàn)出了逐年下降的趨勢。在單位服務(wù)價值方面，從高到低的排序依次為農(nóng)田、林地、園地、水域、草地、塌陷地。

2)對于不同類型的生態(tài)服務(wù)價值而言，農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價值呈先降后升，然后再繼續(xù)降低。主要原因為：其一，2005—2012年間，義馬礦區(qū)內(nèi)的農(nóng)田面積呈先減少后穩(wěn)步緩慢增加；其二，農(nóng)田單位生態(tài)服務(wù)價值變化。此外，其他土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，表明義馬礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，對礦區(qū)環(huán)境進行保護和修復(fù)迫在眉睫。

3.4 敏感性分析

根據(jù)敏感性系數(shù)λ的計算公式，將不同類型的單位面積生態(tài)服務(wù)價值Pc分別進行±10%，±20%，±30%，和±50%調(diào)整，計算出相應(yīng)的λ值，然后求λ系數(shù)的算術(shù)平均值，將其作為各年份對應(yīng)的λ值。結(jié)果表明，V對λ的敏感系數(shù)小于1，λ值從高到低的順序為農(nóng)田、水域、建設(shè)用地、林地、草地、園地和塌陷地，農(nóng)田λ值變化區(qū)域的中位數(shù)為0.43，可以看出，礦區(qū)V對于Pc缺乏彈性，而且影響最大的為農(nóng)田和水域，即土地與生態(tài)修復(fù)、水資源保護是礦區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

表7 2005—2012年義馬礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化

4 結(jié)論與討論

1)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施應(yīng)該在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)理論的指導(dǎo)下合理利用土地資源，有計劃、有步驟實施礦區(qū)塌陷地的生態(tài)恢復(fù)，控制礦區(qū)城鎮(zhèn)化步伐，實施基本農(nóng)田的紅線保護政策，加強水域和園地保護，提高礦區(qū)各種土地類型的生態(tài)價值，營造礦區(qū)資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會和人文協(xié)調(diào)發(fā)展的多贏局面。

2)本研究對義馬礦區(qū)的農(nóng)田、林地、水域、草地、園地、建設(shè)用地、塌陷地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)演化過程進行研究，但由于數(shù)據(jù)收集的難度及研究方法的局限，未考慮未利用地生態(tài)系統(tǒng)，從而會導(dǎo)致計算值偏小。

3)煤炭開采對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響較為復(fù)雜，對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值各項功能的定量評價今后應(yīng)進行深入探索。由于義馬礦區(qū)各個煤礦是點狀分布，很多準確數(shù)據(jù)難以得到，因此，本研究中少數(shù)參數(shù)借鑒了現(xiàn)有研究成果，適用性方面會有所欠缺，這也是今后研究工作的改進方向。

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Analysis of Dynamic Evolution Process of Ecosystem Service Value of Yima Coal-Mining Area in Henan Province

Zhu Jiulong

(School of Economics and Management, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Based on the framework of Millennium Ecosystem Assessment (MEA), ecological function value of per unit area of Yima coal-mining area was calculated from the aspects of supply service, regulating service, support service and cultural service. In addition, evolutionary process of ecosystem service value of Yima coal-mining area from 2005 to 2012 was analyzed. Results showed that among individual ecological service values from 2005 to 2008, waste treatment, water conservation, recreational activities and erosion control had a positive change, while food production, biological diversity, air purification, soil conservation and climate regulation had a negative change. From 2008 to 2012, soil conservation value had a negative change and other ecological service values had a positive change. Results also showed that total ecosystem service value of Yima coal-mining area presented a trend of decrease-increase-slow decrease. Finally, results showed that farmland and water area were the most sensitive factors to ecosystem service value of Yima coal-mining area, which meant that land and ecological restoration and protection of water resources were key measures to realize sustainable development Yima coal-mining area.

ecosystem service value； evolution process； coal-mining area; Yima City

2015-01-12；

2015-11-26

國家自然科學基金項目(U1204709，71103213)；教育部人文社會科學基金項目(14YJA630060)；河南省青年骨干教師資助計劃項目(2013GGJS-119)

朱九龍(1976-)，男，江西撫州市人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士(后)，主要從事區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理、流域水資源管理等方面的研究，(E-mail)zhujiulong7699@163.com。

F127.41

A

1003-2363(2016)02-0145-05