兗州礦區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

呂欣怡，王慧*，袁興中，孫小銀，孫曉芳，孫晉芳

(1. 曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276826；2. 重慶大學資源及環(huán)境科學學院，重慶 400044)

煤礦和土地是人類生存和發(fā)展的重要自然資源，礦區(qū)作為一類特殊的小尺度典型區(qū)域，其土地利用變化和生態(tài)問題非常值得關注。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是在生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中形成的維持人類生存的自然環(huán)境條件及其效用[1-2]，生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem service value，ESV)評估現(xiàn)已成為環(huán)境經濟學和生態(tài)經濟學的研究重點之一[3-5]，并有助于人類福利和經濟可持續(xù)發(fā)展相關研究的深化。Constanza等[6]最先將生態(tài)系統(tǒng)服務功能劃分為氣候調節(jié)、水分調節(jié)、物質循環(huán)、娛樂及文化價值等17類生態(tài)系統(tǒng)服務價值功能，估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值。礦區(qū)是人類活動影響和干擾比較劇烈的區(qū)域，探討采礦活動對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響具有典型意義。目前，部分學者就此開展了相關研究。Norgaard等[7]指出，可以通過對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復來實現(xiàn)其功能上的可持續(xù)發(fā)展。Larondelle等[8]采用生態(tài)系統(tǒng)服務方法評估采礦活動對德國東部礦區(qū)景觀格局的影響，強調未來發(fā)展重點在于糧食生產和生物能源利用。李保杰等[9]認為在礦區(qū)土地復墾實施過程中根據(jù)ESV的變化對土地利用結構進行調整，有助于礦區(qū)土地效益達到最大化。頓耀龍等[10]指出土地利用結構變化在一定程度上導致生態(tài)功能失調，由于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的復雜性，應合理調控生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構和功能。徐占軍等[11]通過植被凈初級生產力的計算，認為采礦區(qū)氣候是影響環(huán)境的主導因素，增加耕地和林地的NPP值可改善生態(tài)環(huán)境。陳淳[12]認為采礦活動會破壞植物群落的組成和結構，需進行人工干預加快生態(tài)系統(tǒng)的修復過程。因此，研究土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化，采取科學有效的生態(tài)修復方法，對協(xié)調礦產資源開采與生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)展、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值具有重要意義。

兗州礦區(qū)位于山東省西南部的濟寧市，自改革開放以來，隨著煤炭資源的大面積開采，區(qū)域土地利用變化劇烈。礦區(qū)地表大面積塌陷，耕地流失嚴重，礦區(qū)建設和村莊搬遷帶來建設用地擴張的同時，其空間布局變化劇烈，礦區(qū)的恢復與治理成為我國國土整治面臨的重大課題。這種典型礦區(qū)土地利用變化條件下的ESV變化研究，能夠為客觀認識礦區(qū)生態(tài)環(huán)境條件演化規(guī)律，尋求礦區(qū)恢復與治理的合理路徑提供參考依據(jù)。本研究利用遙感影像解譯數(shù)據(jù)，分析兗州礦區(qū)1994—2013年間土地利用變化及其ESV變化和空間表現(xiàn)特征，提出在礦區(qū)國土整治中，應該充分利用礦區(qū)塌陷濕地的ESV補償功能，重建區(qū)域人地關系系統(tǒng)的基本路徑。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為兗州礦區(qū)的主采區(qū)，包括山東省濟寧市的鄒城、兗州和曲阜3個縣(區(qū))的部分轄區(qū)(圖1)，面積1 023 km2。研究區(qū)屬溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫約為13.3～14.1 ℃，多年平均降水量600～820 mm左右。礦區(qū)內廣泛分布著石炭、二迭系含煤地層，已探明的儲藏絕大部分在-1 000 m以上，水文地質條件較簡單，斷層少，開發(fā)條件好。兗州礦區(qū)轄兗州、濟東兩大煤田，包括東灘煤礦、鮑店煤礦、南屯煤礦、興隆莊煤礦等，是中國大型現(xiàn)代化煤炭工業(yè)基地之一。

圖1 兗州礦區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location of the Yanzhou mining area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)采用1994、2000、2004、2009、2013年的Landsat-5 TM和 Landsat-8 OLI遙感影像。本研究所需的影像數(shù)據(jù)來源于USGS，其影像已經過輻射校正、地面控制點的幾何校正以及DEM地形校正。以2004年的影像為基準，對其他年份的遙感影像進行地理坐標配準。土地利用分類基于GB/T 21010—2007土地利用現(xiàn)狀分類[13]，結合礦區(qū)實際情況以及遙感影像的分辨率，將研究區(qū)的土地利用類型分為5類：耕地、林地、水域、建設用地和其他用地。本研究采用監(jiān)督分類中的最大似然法，通過對影像進行訓練樣本的選擇和計算機分類，得到5個時期的土地利用分類圖。其遙感解譯精度中的kappa系數(shù)均大于0.80，總體分類精度均大于90%，分類結果具有較高的精度，滿足研究的需要。

2.2 土地利用空間變化

根據(jù)土地利用分類圖，運用ArcGIS空間分析功能獲得各土地利用類型面積和1994—2013年土地利用轉移矩陣，并在此基礎上計算土地轉移貢獻率，探討類型間的內部轉化[14-15]。利用土地利用變化圖譜模型反映用地類型變化的狀態(tài)和趨勢，為了便于空間數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)運算，對各期數(shù)據(jù)的土地利用類型重新進行編碼。耕地、林地、水域、建設用地、其他用地分別設置為1、2、3、4、5。以時間序列為軸，選取相鄰兩個時段柵格單元的土地利用類型編碼值進行代數(shù)運算，即把前一采樣時刻柵格單元的屬性值作為十位數(shù)、把后一采樣時刻柵格單元的屬性值作為個位數(shù)，生成一個兩位數(shù)編碼的新空間單元[16]，進而得到礦區(qū)1994—2004年間和2004—2013年間的土地利用變化圖譜。

2.3 ESV變化

本研究以謝高地等[17-18]制定的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務當量因子表”為基礎，根據(jù)研究區(qū)實際情況，采用研究區(qū)農田糧食單位面積產量與全國農田糧食單位面積產量的比值作為地區(qū)修訂系數(shù)[19]，確定研究區(qū)土地利用類型相對應的生態(tài)系統(tǒng)類型及生態(tài)價值系數(shù)，研究假定建設用地的價值系數(shù)為0(表1)。以此為基礎，采用 Costanza 等[6]的生態(tài)系統(tǒng)服務價值公式，計算生態(tài)系統(tǒng)服務功能[20-28]：

ESV=∑Ak×VCk，

(1)

ESVf=∑Ak×VCfk，

(2)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務總價值(元)；Ak為土地利用類型k的分布面積(hm2)；VCk為土地利用類型k的單位面積生態(tài)價值系數(shù)(元/(hm2a))；ESVf為第f項生態(tài)服務功能價值；VCfk為土地利用類型k的第f項生態(tài)服務功能價值系數(shù)。

表1 研究區(qū)各土地利用類型單位面積ESVTable 1 Ecosystem services value of each land use type in the unit area 單位：元/hm2

本文通過敏感性指數(shù)(coefficient of sensitivity，CS)來確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)隨時間的變化情況對生態(tài)價值系數(shù)(VC)的依賴程度，當 CS1，表明ESV對于VC是富有彈性的。研究將各土地利用類型的生態(tài)服務價值系數(shù)VC分別上下調整50%來計算CS[29-32]。

(3)

式中,p和q分別為初始和調整后的生態(tài)服務價值系數(shù)；i表示土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 兗州礦區(qū)土地利用變化

從土地利用分類圖(圖2)和土地利用情況統(tǒng)計表(表2)可知，1994—2013年間研究區(qū)土地利用結構變化顯著。區(qū)域土地利用類型仍以耕地為主，其面積由1994年的360.99 km2減少到2013年的234.33 km2，年變化率-1.85%。從土地類型的內部轉換來看，耕地轉出主要是轉變?yōu)樗蚝徒ㄔO用地，兩者對耕地轉出的貢獻率分別為-11.17%和-9.45%；耕地對林地、水域和建設用地轉入貢獻率分別為29.48%、70.04%、64.78%。建設用地面積19年間增加了63.05 km2，年變化率8.46%，反映了礦區(qū)建設用地擴張速度較快；水域面積增加了17.60 km2，年變化率10.31%，主要原因是平原礦區(qū)煤礦開采導致的大面積地表塌陷，形成了地表積水。林地面積增加了61.78 km2，主要來源于耕地轉換，反映了當?shù)販\層塌陷地棄耕植樹和塌陷地土地整治綠化造林的狀況。其他用地向耕地和林地的轉化是導致其他用地減少的主要原因，具有傳統(tǒng)平原農區(qū)地區(qū)土地利用變化的一般特征。

從研究區(qū)土地利用變化空間圖(圖3)可以看出，1994—2004年間，明顯變化的是耕地→水域(編碼13)，主要分布在研究區(qū)中部和南部的兗州、曲阜、鄒城3個縣(區(qū))的交匯處，其中鄒城水域形成較多，這是兗礦早期主要采煤區(qū)所在地；2004—2013年間，轉化區(qū)域較前一時期明顯向北轉移，反映了礦區(qū)煤炭采區(qū)的延伸和采煤塌陷地空間的拓展。其次，變化較明顯的是耕地→建設用地(編碼14)和林地→建設用地(編碼24)，其分布地區(qū)主要涉及曲阜和鄒城兩個縣(區(qū))的市區(qū)和兗州鄒城邊界地區(qū)，主要是壓煤村莊搬遷和城鎮(zhèn)工礦建設所致。

圖2 研究區(qū)1994—2013年間土地利用分類圖 Fig. 2 Classification chart of land use during 1994—2013 in the study area

表2 研究區(qū)1994—2013年間土地利用轉換及其動態(tài)變化Table 2 Land use conversion and its dynamic change during 1994—2013 in the study area

21林地→耕地;31 水域→耕地;41 建設用地→耕地;12 耕地→林地;32 水域→林地;42 建設用地→林地 13耕地→水域;23 林地→水域;43 建設用地→水域;14 耕地→建設用地;24 林地→建設用地;34 水域→建設用地。圖3 研究區(qū)1994—2013年間土地利用變化圖譜Fig.3 Map of each land use change during 1994—2013 in the study area

3.2 兗州礦區(qū)ESV變化

根據(jù)上述土地利用相關數(shù)據(jù)，運用公式(1)計算得到研究區(qū)不同土地利用類型的ESV(表3)。結果表明，研究區(qū)1994年總ESV為6.97億元，2013年為9.00億元，總體呈上升趨勢。從歷年生態(tài)系統(tǒng)構成上分析，林地的ESV最大，約占總價值的50.86%，主要得益于區(qū)域內耕地轉化和林木工程等生態(tài)建設工程的實施；其次是耕地(32.76%)、水域(16.24%)。林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值增量最大，達1.74億元；其次是水域，達1.43億元；而耕地的ESV減少了1.13億元。在增長率方面，水域的生態(tài)價值系數(shù)大，面積的微小變化都會引起ESV較大的改變，增幅高達195.85%；耕地ESV增長率為-35.09%。總體上來看，水域和林地面積的相對增加有利于整體ESV的正流向，抵沖了建設用地對農地等的侵吞帶來的ESV的減少，使得研究區(qū)總的ESV增加了2.03億元，增長率達29.16%。

表3 研究區(qū)1994—2013年間ESV結構及其變化Table 3 The ESV structure and its change during 1994—2013 in the study area 單位：億元

根據(jù)敏感性指數(shù)(CS)的計算公式(3)，計算出研究區(qū)1994—2013年間各土地利用類型的CS(表4)。結果表明，研究區(qū)所有土地利用類型的ESV對VC的敏感性指數(shù)均小于1，ESV對VC缺乏彈性，研究結果可信。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值敏感度Table 4 The coefficients of sensitivity (CS)for ecosystem service value

3.3 土地利用變化對兗州礦區(qū)ESV變化的驅動因素分析

礦區(qū)作為具有特殊人地關系的區(qū)域，土地利用變化劇烈，人地矛盾突出，人地關系協(xié)調面臨多重困難。兗州礦區(qū)是我國較早開發(fā)的煤炭基地，隨著煤炭資源的大面積開采，導致耕地大面積塌陷，部分耕地由于塌陷蓄水形成一種特殊的地表水體，進而發(fā)展成為濕地，部分耕地在土地復墾后轉為林地。煤炭資源的開發(fā)和利用，帶動了與之相關的能源、原材料、制造業(yè)和通訊、交通等產業(yè)發(fā)展，城鎮(zhèn)工礦用地逐漸擴大，致使耕地面積進一步減少，食物生產ESV處于下降趨勢，年變化率為-2.34%。就其他單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能而言(圖4)，1994—2103年間氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、原材料和娛樂文化ESV變化較大，其變化率分別為1.29%、1.90%、1.70%、2.53%；氣體調節(jié)、保持土壤、廢物處理、生物多樣性保護變化緩慢，年變化率分別為1.27%、0.43%、0.93%、1.01%。其中，氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保護、廢物處理是研究區(qū)各時段最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，其價值占比均超過10%以上。同時，這4項ESV之和占研究區(qū)ESV的60%以上。研究區(qū)水源涵養(yǎng)、氣候調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務功能較高，主要因為水域面積增加并形成天然濕地，將各個生態(tài)系統(tǒng)內部相連，加強了各系統(tǒng)間信息流、物質流與能量流的相互轉化。

圖4 研究區(qū)1994—2013年單項ESV結構變化Fig. 4 The single structural changes of ESV during 1994—2013 in the study area

4 結論與討論

兗州礦區(qū)在1994—2013年間，其土地利用結構變化明顯，以建設用地不斷侵吞耕地為主要特征，采礦活動導致耕地塌陷形成積水區(qū)，致使研究區(qū)水域面積明顯增加。研究區(qū)不同土地利用類型ESV存在差異性，區(qū)域土地利用結構的變化帶來ESV的變化。但從整體上看，在研究時段內，區(qū)域土地利用結構的動態(tài)變化并沒有降低整個區(qū)域的ESV。林地和水域對整個區(qū)域的ESV變化起決定性作用，其面積的增加彌補了由于建設用地侵吞耕地以及耕地塌陷帶來的ESV負面影響。1994—2013年間總ESV增加了2.03億元，其主要由林地支撐(50.86%)，其次為耕地(32.76%)，水域由于面積較小只占16.24%。從ESV的構成上來看，氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保護、廢物處理是研究區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

礦區(qū)是人類活動比較劇烈的區(qū)域，也是土地利用類型變化較快的區(qū)域。根據(jù)本文研究結論及區(qū)域發(fā)展定位，兗州礦區(qū)應從經濟社會與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展角度因地制宜制定土地利用政策，優(yōu)化調整土地利用結構。兗州礦區(qū)作為我國重要的煤炭能源基地應走綠色發(fā)展道路，加快資源枯竭型城市的產業(yè)轉型，科學評價采煤塌陷新生濕地的ESV，因勢利導，合理利用塌陷地。通過建設濕地公園，合理發(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游、濕地生態(tài)農業(yè)等方式發(fā)揮采煤塌陷新生濕地在涵養(yǎng)水源、調節(jié)氣候、凈化水質、生態(tài)旅游和濕地農業(yè)等方面的積極作用，摒棄塌陷地復墾的單一利用模式[33-34]。區(qū)域土地利用結構的調整與優(yōu)化，應系統(tǒng)考慮各種土地利用類型的整體ESV變化。礦區(qū)區(qū)域人地關系的重建必須以礦區(qū)人地關系的特殊背景為基礎，將礦區(qū)經濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善有機結合起來，使得生態(tài)效益、社會效益和經濟效益達到最大化。

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