煤礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存估算及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

徐占軍，馮俊芳，程 盼，張 媛

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,晉中，030801）

0 引 言

煤炭是中國最主要的能源，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。但相關(guān)資料顯示，2016年中國的煤炭年產(chǎn)量為33.6億t，據(jù)預(yù)計(jì)，截止到2035年，煤炭在中國基礎(chǔ)能源消費(fèi)中仍會(huì)占比51%[1]。多年的高強(qiáng)度開采，在礦區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害，破壞了整個(gè)礦區(qū)的原有的土地利用結(jié)構(gòu)以及景觀格局[2]，并持續(xù)威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全[3]。因此，在礦區(qū)優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大化生態(tài)儲(chǔ)存，從而最小化生態(tài)損失已成為礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)之一[4-7]。

生態(tài)存儲(chǔ)是土地利用數(shù)量、質(zhì)量、類型及分布所引起的生態(tài)變化的綜合表達(dá)[8]，對(duì)于煤礦區(qū)而言，要最大化煤炭開采中的生態(tài)儲(chǔ)存，需要估算煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)，并明確其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)程度。對(duì)此張建軍基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值構(gòu)建“生態(tài)存儲(chǔ)”模型，從生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)、生態(tài)儲(chǔ)存加速度、生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)研究了礦業(yè)城市以及礦業(yè)城鎮(zhèn)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的響應(yīng)過程[4,9]。但是基于礦業(yè)城市和礦業(yè)城鎮(zhèn)空間尺度上的研究及其結(jié)論還不能精確和全面的描述煤炭開采活動(dòng)對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)存儲(chǔ)影響及其過程，因?yàn)槿祟惷禾块_采活動(dòng)對(duì)生態(tài)存儲(chǔ)影響最為劇烈的核心區(qū)域是煤礦區(qū)。在礦區(qū)人類活動(dòng)對(duì)土地利用以及景觀格局的擾動(dòng)因素、形式、過程、程度與其周邊的非礦區(qū)完全不同，故而其生態(tài)存儲(chǔ)狀態(tài)及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)也不同。

針對(duì)該問題，張笑然等基于煤礦區(qū)尺度利用生態(tài)儲(chǔ)存模型對(duì)平朔露天煤礦的生態(tài)存儲(chǔ)進(jìn)行了定量分析和研究[8]，本文則以山西省晉煤集團(tuán)11個(gè)集中連片的井工煤礦區(qū)為研究區(qū)，基于生態(tài)儲(chǔ)存理論研究煤炭開采區(qū)土地利用轉(zhuǎn)變中的生態(tài)儲(chǔ)存和保護(hù)，集中于煤礦區(qū)空間尺度，強(qiáng)調(diào)“轉(zhuǎn)變進(jìn)程”，將生態(tài)內(nèi)涵量化，研究井工煤礦開采區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存和保護(hù)對(duì)土地利用轉(zhuǎn)變的響應(yīng)，從而為井工礦區(qū)土地利用及生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)提供基礎(chǔ)和依據(jù)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉城市長河流域（圖1），流域內(nèi)部包含川底鄉(xiāng)、大東溝鎮(zhèn)和下村鎮(zhèn)，共48個(gè)村莊，總面積約108 km2，總?cè)丝诩s5.4萬人，屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，全年四季分明，降水較少，降水量自西北向東南遞增，年平均氣溫10～11℃，且自南向北遞減。地貌呈現(xiàn)為黃土高原與褶皺山板兩者交錯(cuò)分布，整體上北高南低。

流域境內(nèi)礦產(chǎn)資源以煤為主，含煤面積達(dá)528.6 km2。含煤地層為山西組和太原組，共含煤8～17層，總厚度約9.18～14.23 m。該區(qū)煤礦隸屬山西晉煤集團(tuán)，集中分布著成莊煤礦等11個(gè)煤礦，煤礦的生產(chǎn)規(guī)模目前均在45萬t/a以上，是中國主要的產(chǎn)煤區(qū)之一。該地區(qū)地處黃土高原，依靠豐富的煤炭資源，經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，但特殊的黃土層和粗放的煤炭開采方式使該區(qū)的土地塌陷，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重[10-13]，抑制著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力，使其在中國北方多數(shù)壓煤區(qū)、采煤區(qū)具有很強(qiáng)的代表性。

圖1 研究區(qū)礦區(qū)分布Fig.1 Distribution of mining area in study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

澤州縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于澤州縣國土局以及晉城市國土局，各年度土地利用現(xiàn)狀調(diào)查及變更數(shù)據(jù)庫和相關(guān)遙感影像數(shù)據(jù)；煤礦區(qū)數(shù)據(jù)由晉城市長河流域各煤礦提供，其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)依托國土資源部行業(yè)性專項(xiàng)，由澤州縣農(nóng)業(yè)局、統(tǒng)計(jì)局等提供。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)模型

本文使用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)模型來自Robert Costanza于1997年提出的ESV（ecosystem service value）評(píng)價(jià)模型[14]，即：按照不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量化，使得抽象的生態(tài)概念與具體的經(jīng)濟(jì)效益相聯(lián)系，以便更好地評(píng)價(jià)和衡量研究區(qū)綜合發(fā)展能力[4]。

式中ESV是研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量，Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i的面積，hm2；VCi是與生態(tài)系統(tǒng)類型i對(duì)應(yīng)的價(jià)值系數(shù)。除了上述模型，本文還參考了謝高地等于2003年制定的生態(tài)系統(tǒng)單位面積的服務(wù)價(jià)值系數(shù)[15]，其結(jié)果更切合中國實(shí)際情況。本文的研究對(duì)象是研究區(qū)內(nèi)的礦區(qū)及非礦區(qū)。因此本文依據(jù)張建軍根據(jù)成本法估算出的礦業(yè)城市城鎮(zhèn)和工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值系數(shù)，以及修正的水體生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)于季節(jié)性河流的價(jià)值系數(shù)[4]，得到最終的價(jià)值系數(shù)（表1）。

表1 不同陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)Table1 Different land ecosystem service function value coefficient

1.3.2 生態(tài)儲(chǔ)存模型及其相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

生態(tài)儲(chǔ)存描述的是土地利用變化與其生態(tài)響應(yīng)之間的相互關(guān)系，是由過去、當(dāng)前及未來可能的自然活動(dòng)和人類活動(dòng)共同決定的土地利用數(shù)量、質(zhì)量、類型及分布所引起的生態(tài)變化的綜合表達(dá)。根據(jù)張建軍提出的生態(tài)儲(chǔ)存理論，生態(tài)儲(chǔ)存不僅是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的主要積累方式，還是使生態(tài)系統(tǒng)在各種人為和自然活動(dòng)擾動(dòng)下得到更新與保護(hù)的重要前提。生態(tài)儲(chǔ)存估算模型包括狀態(tài)模型（ecological storage state，ESS）、過程模型（ecological storage process）和能力模型（ecological storage capacity，ESC）。

生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)（ESS）描述的是當(dāng)前研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存的靜態(tài)情況。而偏差（deviation,D）被用來描述生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)與區(qū)域平均生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的偏差以及兩年之間生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的偏差，生態(tài)儲(chǔ)存加速度（ecological storage acceleration，ESA）則被用來描述在研究期內(nèi)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存水平的變化狀態(tài)。

生態(tài)儲(chǔ)存過程描述的是礦區(qū)2種煤礦區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變的過程中帶來的生態(tài)儲(chǔ)存的變化，可用生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率（ecological storage transformation rate，ESR）來表征。

生態(tài)儲(chǔ)存能力（ESC）描述的是過去及當(dāng)前生態(tài)儲(chǔ)存水平在未來某時(shí)段發(fā)生轉(zhuǎn)換的可能性。ESC越高意味著一種具有低效生態(tài)功能的系統(tǒng)向另一種具有高效生態(tài)功能的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的可能性越大。

ESS、D、ESA、ESR、ESC的計(jì)算公式如下[4]。

式中ESS是礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)，h是估算礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)對(duì)應(yīng)的年數(shù)（ESS是每年都進(jìn)行估計(jì)，h可以看成是“1”），ESVi是生態(tài)系統(tǒng)類型i所對(duì)應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i的面積。

式中D表示第k個(gè)礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)與整個(gè)研究區(qū)域生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)之間的偏差，ESSk表示第k個(gè)礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)值，k是待評(píng)估礦區(qū)。是整個(gè)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的平均值。

式中ESA是礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存加速度，表示ESS改善或退化的程度，q和j是起始年和結(jié)束年，nq和nj是估算年初期和末期礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的年份數(shù)（由于ESS是每年估計(jì)的，nq和nj都看作是1），N是研究階段的總年數(shù)。

式中ESR是生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率，a是轉(zhuǎn)變之前的生態(tài)系統(tǒng)類型，b是轉(zhuǎn)變之后的生態(tài)系統(tǒng)類型，Aa→b表示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型由a類型轉(zhuǎn)變?yōu)閎類型的轉(zhuǎn)換面積，VCb和VCa分別代表生態(tài)系統(tǒng)類型b和a的價(jià)值系數(shù)，ESV0指研究區(qū)初始生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

式中ESC是生態(tài)儲(chǔ)存能力，是生態(tài)系統(tǒng)類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷臉O端生態(tài)服務(wù)價(jià)值的平均數(shù)，f是生態(tài)系統(tǒng)類型i可能轉(zhuǎn)變的所有類型的數(shù)量，Pi是生態(tài)系統(tǒng)類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷目赡苄?，Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i占研究區(qū)的面積，At是研究區(qū)的總面積。

1.3.3 生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)模型和方法

在工礦區(qū)人類采煤活動(dòng)越活躍，強(qiáng)度越高，礦區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化就越頻繁，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的的影響越強(qiáng)，礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存的響應(yīng)也越為明顯，而土地作為媒介，能夠指示這種響應(yīng)程度。所以本文通過生態(tài)“活躍度”來反映礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用綜合響應(yīng)，以生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)（ESS）、生態(tài)儲(chǔ)存過程（ESR）和生態(tài)儲(chǔ)存能力（ESC）的綜合評(píng)估為基礎(chǔ)，分別代表土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍狀態(tài)、活躍程度和活躍可能性；同時(shí)，工礦區(qū)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)模式?jīng)Q定了未來長期的土地利用和生態(tài)平衡，所以選擇生態(tài)儲(chǔ)存格局（ecological storage pattern，EP）作為指標(biāo)體系的組成部分，作為土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍平衡性；而且，在某些人口密集或者產(chǎn)業(yè)集中的工礦區(qū)，條件較差的土地是十分重要的后備生態(tài)補(bǔ)償資源。因此，本文也將生態(tài)儲(chǔ)存條件（ecological storage condition，LC）考慮在內(nèi)，作為土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍條件。

生態(tài)儲(chǔ)存格局（EP）指標(biāo)我們選用景觀格局指標(biāo)中的香農(nóng)指數(shù)（Shannon指數(shù)）求取[16-17]。而生態(tài)儲(chǔ)存條件（LC）定義為礦區(qū)內(nèi)不可利用土地（裸地）的面積與礦區(qū)整體面積的比率。二者的計(jì)算公式：

式中P′c是第c種土地利用類型的面積占整個(gè)研究區(qū)的面積比；μ指研究區(qū)土地利用類型的數(shù)量，Ac是指研究區(qū)第c種土地利用類型的面積，hm2；At是指整個(gè)研究區(qū)的面積，hm2；LCk是礦區(qū)k的生態(tài)儲(chǔ)存條件值，Ask是礦區(qū)k中未利用土地的面積，hm2；As是研究區(qū)未利用土地的面積，hm2。

綜上所述，利用ESC、ESR、ESC、EP和LC來綜合評(píng)價(jià)生態(tài)存儲(chǔ)對(duì)土地利用的響應(yīng)程度，評(píng)價(jià)方法選用模糊綜合評(píng)價(jià)法。評(píng)價(jià)過程如下：

1）建立上述5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)單元集合

2）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣

3）建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合并確定模糊隸屬度函數(shù)。

4）計(jì)算評(píng)價(jià)要素所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊隸屬度矩陣其中rij代表指標(biāo)ui到評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度[18-20]。在指標(biāo)映像中，值為0意味著指標(biāo)不在模糊集合中；值等于1說明指標(biāo)完全在模糊集合之內(nèi)；0～1之間的數(shù)值描述指標(biāo)的隸屬程度。

5）運(yùn)用B=WR確定各礦區(qū)的隸屬度矩陣，進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 ESS、ESR、ESC、EP和LC的計(jì)算

基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值模型，依據(jù)ESS、ESR、ESC、EP和LC的計(jì)算公式，并利用研究區(qū)2010—2015年的土地利用變化數(shù)據(jù)計(jì)算了研究區(qū)11個(gè)煤礦的ESS、ESR、ESC、EP和LC值。

1.4.2 建立評(píng)價(jià)單元集合（U）并計(jì)算權(quán)重矩陣（W）設(shè)總體使用AHP法確定上述5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并在Matlab軟件實(shí)現(xiàn)（表2）。

表2 判別矩陣和權(quán)重確定Table2 Discriminant matrix and weight

1.4.3 建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合V，確定模糊隸屬度函數(shù)

首先確定指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)：1）研究區(qū)內(nèi)指標(biāo)值的發(fā)生概率（頻數(shù)）；2）評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)閾值區(qū)間的等間隔分布；3）區(qū)分指標(biāo)值的正值與負(fù)值。運(yùn)用SPSS制作出各指標(biāo)在各個(gè)區(qū)域評(píng)價(jià)分值的頻數(shù)圖，結(jié)合頻數(shù)圖及另外兩項(xiàng)原則，得到各指標(biāo)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

表3 研究區(qū)生態(tài)保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation index of ecological conservation level standard in study area

其次確定各個(gè)指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)。以ESS指標(biāo)為研究案例，其分組關(guān)系依據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及本文1.3.3小節(jié)，基于三角模糊分布、升半梯形模糊分布和降半梯形模糊分布隸屬度函數(shù)[21-25]，來確定指標(biāo)的分組。ESS的5組等式集被劃分成如下5組群組關(guān)系，其中x代表ESS所對(duì)應(yīng)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)值，yi代表各等級(jí)。其他指標(biāo)的分組關(guān)系計(jì)算方法類似。

1.4.4 綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

將研究區(qū)各個(gè)煤礦區(qū)的ESS、ESR、ESC、EP、LC這5個(gè)指標(biāo)代入基于模糊隸屬度函數(shù)得到模糊隸屬度矩陣R結(jié)合權(quán)重矩陣W，依據(jù)公式B= WR，來對(duì)研究區(qū)11個(gè)煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以研究區(qū)的天安岳圣煤礦區(qū)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其他區(qū)域的數(shù)據(jù)處理過程與之相同。計(jì)算過程如下：

1）將5個(gè)指標(biāo)起始數(shù)據(jù)與分組關(guān)系功能對(duì)應(yīng)，然后可以得到5×5模糊矩陣；

2）用模糊矩陣乘以表2中的權(quán)重矩陣，可以得到綜合評(píng)價(jià)矩陣B；

3）最后，根據(jù)模糊評(píng)價(jià)法中的最大隸屬度原則得到天安岳圣的生態(tài)保護(hù)值為等級(jí)3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化和ESV變化

2.1.1 土地利用變化

如圖2所示，研究區(qū)共7種土地利用類型，其中耕地是土地利用結(jié)構(gòu)的重要組成部分，占總面積一半以上。但從2006起，晉煤集團(tuán)執(zhí)行《山西省煤炭工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，加快實(shí)“億噸基地、千億規(guī)模、百年企業(yè)、能源旗艦”的戰(zhàn)略，促使研究區(qū)采礦用地增加，同時(shí)由于煤礦的擴(kuò)大生產(chǎn)，礦區(qū)人口也快速增加，促使建設(shè)用地也逐漸增多。盡管在2012之后，由于政府加強(qiáng)推進(jìn)煤炭工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)以及嚴(yán)格控制各類用地之間的轉(zhuǎn)換，變化趨勢有所減緩，但是該區(qū)采礦用地和建設(shè)用地在研究期（2006—2015年）仍然大量增加，建設(shè)用地和采礦用地分別增加271.33和283.35 hm2，耕地和林地面積分別減少360.24和219.37 hm2，變化明顯?？傮w來說，研究區(qū)具有正向生態(tài)效應(yīng)的土地利用類型大都有減少的趨勢，不利于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善。

圖2 研究區(qū)2006—2015年土地利用變化Fig.2 Land use change in study area from 2006 to 2015

2.1.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化

研究表明，土地利用變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要因素[26]。由于研究區(qū)各類用地面積變化及其生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)不同，所以各類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值（ESV）變化也不同。圖3顯示研究區(qū)耕地、林地和采礦用地ESV的主要變化情況，其中采礦用地的ESV值大幅下降且與研究區(qū)ESV總值變化程度趨同。

圖3 研究區(qū)2006—2015年ESV變化Fig.3 ESVs change in study area from 2006 to 2015

研究期內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)耕地和林地面積逐年減少，兩者ESV值均小幅下降，鑒于林地的價(jià)值系數(shù)高于耕地區(qū)，因而林地ESV的變化幅度更明顯。此外，采礦用地ESV下降趨勢最明顯，主要是由于采礦用地的增加以及采煤活動(dòng)的開展，強(qiáng)烈干擾著區(qū)域土壤基質(zhì)、生物區(qū)系、植被類型與分布[27-30]，這種多方位的損傷使得每單位采礦用地的增加所帶來的生態(tài)負(fù)價(jià)值比其他各類用地都強(qiáng)，最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞，從而影響區(qū)域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。綜上所述，與林地、耕地相比，研究區(qū)總ESV值與采礦用地ESV值變化趨勢更為接近。具體表現(xiàn)為：2006—2012年明顯減少，2012年之后下降趨勢逐漸減緩。

表4 研究區(qū)2010和2015年礦區(qū)及非礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)Table 4 Ecological storage state of the mining area and non-mining area between 2010 and 2015 in study area

2.2 生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)

表4為研究區(qū)11個(gè)煤礦區(qū)的2010和2015年的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)（ESS）值和生態(tài)儲(chǔ)存加速度（ESA）值。從表4中可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)除了天安盈盛的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)由正變負(fù)外，其余都為正，說明研究區(qū)整體生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)良好。其中天安圣華的ESS最佳。據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，在2010年后天安圣華煤礦經(jīng)兼并重組，井田面積大幅縮小，加之有序發(fā)展農(nóng)業(yè)，人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)對(duì)固有生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)較小，因而該煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)最佳。而天安盈盛煤礦在研究期間生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，由30萬t/a增加到60萬t/a，加劇了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性和敏感性，導(dǎo)致其2015年生態(tài)儲(chǔ)存大幅下降，甚至變?yōu)樨?fù)值。

本文利用生態(tài)儲(chǔ)存加速度（ESA），以分析研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的改善水平。表4顯示，在2010和2015年，除天安圣華的ESA為正值，ESS得到改善，其他區(qū)域ESA值均為負(fù)，其中天安盈盛煤礦以1000.41元/hm2·a的速度發(fā)展，生態(tài)退化最嚴(yán)重。研究區(qū)90%以上的煤礦區(qū)以及非礦區(qū)的ESA均為負(fù)值，表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境處于不斷退化的狀態(tài)，且主要區(qū)域集中在礦區(qū)，因?yàn)榉堑V區(qū)的ESA絕對(duì)值與其他10個(gè)煤礦區(qū)相比很小，表明非礦區(qū)生態(tài)退化不嚴(yán)重。

相比于整個(gè)研究區(qū)的平均ESS（圖4），4個(gè)礦區(qū)的ESS處于低水平，其偏差都為負(fù)值，生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)不穩(wěn)定，而5個(gè)ESS處于高水平的礦區(qū)在一定程度上彌補(bǔ)了其他礦區(qū)所帶來的負(fù)生態(tài)儲(chǔ)存，保證了研究區(qū)總體生態(tài)平衡。此外，由于天安壁盈煤礦連年的采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)原有地貌和生態(tài)環(huán)境損毀加劇，使其生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)不斷惡化。而天安晉瑞和非礦區(qū)則恰恰相反，采煤活動(dòng)所帶來的部分消極影響基本被后期土地復(fù)墾和植被恢復(fù)所增加的積極生態(tài)用地所抵消，其生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)逐漸趨穩(wěn)。

圖4 研究區(qū)2010年和2015年礦區(qū)及非礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存偏差Fig 4 Ecological storage deviation of mining area and non-mining area between 2010 and 2015 in study area

2.3 生態(tài)儲(chǔ)存過程

生態(tài)儲(chǔ)存過程可通過生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率和生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量來表示。如表5所示，研究區(qū)2010年到2015年的生態(tài)系統(tǒng)整體上呈消極轉(zhuǎn)化態(tài)勢。在研究時(shí)段和研究區(qū)范圍內(nèi)，由于天安圣華只分布耕地和水域2種具有積極生態(tài)儲(chǔ)存功能的用地類型，其生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量為9.33千元/hm2，轉(zhuǎn)化率最高，為23.12%，且無消極生態(tài)儲(chǔ)存，故生態(tài)儲(chǔ)存朝正向發(fā)展。其余研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量和轉(zhuǎn)化率均為負(fù)值，其消極轉(zhuǎn)化量主要來自由于研究區(qū)工業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度的增加所引起區(qū)域土地利用變化，如礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與升級(jí)以及工業(yè)化帶動(dòng)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，從而使整個(gè)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存朝消極方向發(fā)展。此外，在研究區(qū)內(nèi)，天安盈盛的耕地和林地減少最為明顯，且未得到相應(yīng)補(bǔ)償，因而總轉(zhuǎn)化率最低，為-115.38%；除天安圣華外，由于非礦區(qū)居民點(diǎn)較多，城鎮(zhèn)建設(shè)用地比例大，但城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)遠(yuǎn)大于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，故非礦區(qū)總生態(tài)轉(zhuǎn)化率最高，為-3.27%。

表5 研究區(qū)2010—2015年生態(tài)儲(chǔ)存過程Table 5 Ecological storage process from 2010 to 2015 in study area

表6 研究區(qū)2010—2015年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換面積Table 6 Ecosystem type conversion area in study area from 2010 to 2015

2.4 生態(tài)儲(chǔ)存能力

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，本文把不同生態(tài)系統(tǒng)類型之間的轉(zhuǎn)換作為估算ESC的基礎(chǔ)。表6顯示研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型從原先的4種轉(zhuǎn)變?yōu)?種，其中森林生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向其他生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)出面積最多，分別為114.78和158.93hm2，且兩者都未出現(xiàn)轉(zhuǎn)入的情況。轉(zhuǎn)出的生態(tài)系統(tǒng)類型主要集中在工業(yè)、城鎮(zhèn)、草地生態(tài)系統(tǒng)，其中工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)入量最多，為134.61hm2，占總轉(zhuǎn)化面積的46.33%；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)分別占到41.11%、35.04% 。綜上所述，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)化頻繁，主要表現(xiàn)為積極生態(tài)功能的生態(tài)系統(tǒng)面積減少，且多轉(zhuǎn)化為具有消極功能的生態(tài)系統(tǒng)。

本文以天安岳圣為例，估算ESC，其他煤礦區(qū)和天安岳圣的估算過程相同，不一一列出。根據(jù)表1以及ESC計(jì)算公式，可以得到天安岳圣的ESC（表7）及其他區(qū)域的ESC（表8）。

表7 天安岳圣的生態(tài)儲(chǔ)存能力（ESC）Table 7 Estimation of ecological storage capacity in Tian’an yue sheng 103元×hm-2×a-1

表8 研究區(qū)各煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存能力Table 8 Ecological storage capacity of study area

如表8所示，研究區(qū)所有區(qū)域的ESC都為正值，表明該研究時(shí)段研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀況較積極。在研究期（2006—2015年），由于山西省煤炭資源整合政策的施行，各個(gè)礦區(qū)都先后進(jìn)行兼并重組，并實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)治理與土地復(fù)墾工程，有力地推進(jìn)了研究區(qū)的生態(tài)工程建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)采礦和建設(shè)用地向生態(tài)用地的轉(zhuǎn)變，增加潛在的生態(tài)儲(chǔ)存能力。通過對(duì)比，天安海天的ESC最小，土地類型的單一，易受干擾的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致與其他用地之間的轉(zhuǎn)換可能性較小，故生態(tài)儲(chǔ)存能力最?。欢彀彩トA的土地類型主要為具有積極生態(tài)功能的耕地和水域用地，其生態(tài)系統(tǒng)基本上能保持平衡，所以ESC值最大?？傮w而言研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存能力有積極轉(zhuǎn)變趨勢。

2.5 生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃一共涉及5個(gè)因素（包括ESS、ESR、ESC、EP和LC），其他2個(gè)因素——生態(tài)儲(chǔ)存格局（EP）和生態(tài)儲(chǔ)存條件（LC）的計(jì)算結(jié)果見表9。不同于EP，LC則與區(qū)域的地形地貌相關(guān)。成莊煤礦的裸地較多，故LC值最高；而天安葦町、天安海天、天安壁盈、天安圣華、天泰岳南在研究區(qū)內(nèi)沒有裸地，所有土地都得到利用，LC值均為0。

表9 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣性和土地條件Table 9 Ecosystem diversity and soil conditions of study area

基于本文1.3.3節(jié)有關(guān)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)的計(jì)算模型和方法，其他煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果以及評(píng)價(jià)等級(jí)均可以得到（圖5）。

圖5 研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)Fig.5 Ecological protection level in study area

結(jié)果表明研究區(qū)11個(gè)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)集中在第3級(jí)。天安圣華屬于第一級(jí)區(qū)域（高生態(tài)保護(hù)能力），根據(jù)《澤州縣生態(tài)功能區(qū)劃》發(fā)展綱要，天安圣華煤礦所在區(qū)域?qū)儆陂L河流域煤產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)，依靠優(yōu)越的地理位置，長期堅(jiān)持發(fā)展與保護(hù)并重的政策，著重建設(shè)蔬菜基地，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因而生態(tài)保護(hù)程度最高，屬于較為積極的生態(tài)響應(yīng)等級(jí)。而在第4、5級(jí)的區(qū)域中，天安壁盈、天安葦町和天安盈盛等煤礦則是由于其前期落后的煤炭開采方式，導(dǎo)致采空區(qū)煤柱面積比率較其他礦區(qū)大，采礦和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞遠(yuǎn)超生態(tài)系統(tǒng)承受能力，在生態(tài)脆弱的黃土高原，其難以持續(xù)保持高的生態(tài)水平，這些煤礦區(qū)礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的響應(yīng)較為被動(dòng)。但總體來看，研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存綜合響應(yīng)能力較強(qiáng)，大多數(shù)區(qū)域?qū)儆诘?級(jí)。

由圖5可知，第2、3級(jí)區(qū)域存在豐富的林地，在一定程度可提高區(qū)域的生態(tài)保護(hù)能力；第5級(jí)區(qū)域建設(shè)用地和采礦用地分布多，因而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高，而人類采煤活動(dòng)是研究區(qū)的生態(tài)破壞的主要因素。除了天安壁盈，1、2、4、5級(jí)區(qū)域都分布在研究區(qū)的邊緣地帶，中心部分則被第3級(jí)區(qū)域覆蓋。最重要的是第1級(jí)與第5級(jí)區(qū)域之間存在過渡帶，這非常有益于研究區(qū)整體的生態(tài)改善。

3 結(jié)論

本文基于生態(tài)儲(chǔ)存理論，以山西省晉煤集團(tuán)11個(gè)集中連片的井工煤礦區(qū)為研究區(qū)，研究了煤礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存估算及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)，得到了以下研究結(jié)論。

1）研究區(qū)總體的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)（ESS）較好，幾乎所有煤礦區(qū)以及非煤礦區(qū)都是正生態(tài)儲(chǔ)存。從整體來看，研究區(qū)頻繁的土地利用轉(zhuǎn)變帶來了消極的生態(tài)儲(chǔ)存。在所有區(qū)域中，只有天安圣華總體處于積極生態(tài)儲(chǔ)存過程，其他煤礦區(qū)的消極生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化都多于積極轉(zhuǎn)化，生態(tài)環(huán)境退化，且都比非礦區(qū)嚴(yán)重。而在這之中，天安盈盛的消極生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化最多。

2）研究區(qū)所有煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存格局（EP）值都為負(fù)值，生態(tài)系統(tǒng)多樣性差，生態(tài)模式不穩(wěn)定。而非礦區(qū)由于受到附近礦區(qū)采煤的影響，EP也為負(fù)，表明采煤對(duì)礦區(qū)及其周邊的生態(tài)環(huán)境具有負(fù)影響。

3）在研究期（2006—2015年）研究區(qū)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存能力有積極轉(zhuǎn)變趨勢，原因是山西省煤炭資源整合政策的施行以及積極實(shí)施的礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)治理與土地復(fù)墾工程，能夠有力地推進(jìn)了研究區(qū)的生態(tài)工程建設(shè)，并增加潛在的生態(tài)儲(chǔ)存能力。

4）研究區(qū)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)集中在第3級(jí)，從研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)的空間分布上發(fā)現(xiàn)，在第1級(jí)與第5級(jí)區(qū)域之間存在過渡帶，非常有益于研究區(qū)整體的生態(tài)改善。其中天安壁盈煤礦接近研究區(qū)中心位置，相關(guān)部門應(yīng)著重該區(qū)的的生態(tài)恢復(fù)和改善，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，增加生態(tài)投入，使得生態(tài)退化在可控范圍之內(nèi)，平衡生態(tài)格局以促進(jìn)生態(tài)多樣化。

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