興隆莊煤礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

宋 媛 符福存 孫寧湖 田莉雅 孟慶俊 王 慧

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省老工業(yè)基地資源利用與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟(jì)寧市，272102；4.兗州煤業(yè)股份有限公司環(huán)保部，山東省鄒城市，273500)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的可以滿足和維持人類生活所需的條件和過程，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]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估在緩解煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境壓力、促進(jìn)煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重大作用[2]。

國(guó)際上對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究開始得比較早。Westman[3]最初提出“自然服務(wù)”的說法，認(rèn)為利用生態(tài)系統(tǒng)的社會(huì)價(jià)值可以幫助社會(huì)做出更明智的管理決策；Ehrich等[4]在研究中將“Westman's service”稱為“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”。從20世紀(jì)90年代開始，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值評(píng)估的研究發(fā)展得比較快，其中，Costanza[5]和Dialy[6]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究對(duì)后世產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我國(guó)學(xué)者大多數(shù)以土地利用類型面積變化和遙感解譯為基礎(chǔ)，參照謝高地等建立的“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值表”，對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行研究。張耿杰等[7]以山西省朔州市為例，采用市場(chǎng)價(jià)值法、成本法和影子工程法等研究該區(qū)域從1985年到2005年土地利用變化所引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化；邱文瑋等[8]綜合考慮了自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系來構(gòu)建徐州九里礦區(qū)自然生態(tài)用地系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估模型。

本研究對(duì)兗州礦區(qū)興隆莊煤礦(以下簡(jiǎn)稱“興隆莊煤礦”)1990-2018年的土地利用變化進(jìn)行分析，并對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估，以期為建設(shè)生態(tài)文明礦井提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

興隆莊煤礦地處東經(jīng)116°47′56″～116°54′40″，北緯35°27′27″～35°34′38″，位于兗州區(qū)興隆莊鎮(zhèn)東南約8 km處，其井田位于兗州煤田中北部，總面積為5623.46 hm2。評(píng)估區(qū)四季分明，屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)為汶泗沖積平原，地形平坦，由東北向西南逐漸降低。

興隆莊煤礦井下采煤采用冒落式管理頂板方法，即煤層采出后對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行充填，也不進(jìn)行永久性支護(hù)，所以采空區(qū)上方的巖層在自重作用下發(fā)生沉降，這種沉降傳遞到地表形成塌陷區(qū)。截至2017年12月31日，煤礦各采區(qū)能夠布置工作面的個(gè)數(shù)為46個(gè)，可采儲(chǔ)量達(dá)5242萬t。井田內(nèi)煤層平均厚度為8.35 m，最大塌陷深度為7.6 m，常年存有積水，煤礦自1981年12月底投產(chǎn)以來，塌陷區(qū)面積已達(dá)1535 hm2，其面積還在不斷增加。

2 研究方法

2.1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能既包括提供原材料、物質(zhì)基礎(chǔ)和食物等，也包括通過人工整治后帶來的娛樂休閑等文化服務(wù)功能，與單一類型的生態(tài)系統(tǒng)相比，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)更為復(fù)雜[9]。21世紀(jì)初，聯(lián)合國(guó)的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估把生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能界定為4項(xiàng)主功能、25項(xiàng)副功能。謝高地[10]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給、調(diào)節(jié)、支持、社會(huì)服務(wù)等4種服務(wù)功能，得到了廣泛的認(rèn)可和采納。本研究在結(jié)合礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，決定將礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為供給、調(diào)節(jié)、支持、文化4項(xiàng)主服務(wù)功能。

2.2 評(píng)估指標(biāo)的篩選

評(píng)估指標(biāo)是估量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要參數(shù)，也是評(píng)估工作能夠順利進(jìn)行的有效保障。根據(jù)謝高地等[11]對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的劃分，本文將礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為包括供給服務(wù)中的食物及原料供應(yīng)；調(diào)節(jié)服務(wù)的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和廢棄物處理；支持服務(wù)中的維護(hù)生物多樣性和土壤保持以及文化服務(wù)中的提供休閑娛樂共9種類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。

2.3 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)算評(píng)估

2.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)方法

參考國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合興隆莊煤礦土地利用特征及煤炭開采對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^產(chǎn)生的影響，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、建設(shè)用地、自然水體、塌陷水體、林地5種類型，將其與之最接近的生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，耕地對(duì)應(yīng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林地對(duì)應(yīng)森林生態(tài)系統(tǒng)、建設(shè)用地對(duì)于荒漠生態(tài)系統(tǒng)、自然水體和塌陷水體對(duì)應(yīng)水域生態(tài)系統(tǒng)。

本文通過查詢濟(jì)寧市近10年的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，計(jì)算兗州區(qū)單位糧食播種面積農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，參照謝高地等人的研究，確定1個(gè)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量等于當(dāng)年全國(guó)平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7[12]，得出興隆莊單位面積農(nóng)田生產(chǎn)糧食的價(jià)值為5158.6元/(hm2·a)，從而計(jì)算研究區(qū)單位面積各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

采用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算方法來計(jì)算各種生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值，其計(jì)算公式見式(1)：

ESVi=∑Aj×Eij

(1)

式中：ESVi——第i項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值，元；

Aj——土地利用類型j的分布面積，hm2；

Eij——土地利用類型j的第i項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值。

2.3.2 敏感性分析

為了驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)于土地利用類型的代表性，通常利用敏感性指數(shù)(CS)來確定生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV)對(duì)價(jià)值系數(shù)(VC)變化的依賴程度[13-15]，其計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中：CS——敏感性指數(shù)；

ESV——總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；

VC——生態(tài)價(jià)值系數(shù)；

j——各土地利用類型；

ESVa、ESVb——初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整以后的價(jià)值。

如果CS>1, 說明ESV對(duì)VC是富有彈性的，比值越大說明VC的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵；如果CS<1，則說明ESV對(duì)于VC是缺乏彈性的。

3 討論與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)的變化

根據(jù)興隆莊煤礦在1990年、2000年、2010年和2018年的影像處理及分析，可得到各時(shí)間節(jié)點(diǎn)評(píng)估區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖，興隆莊煤礦1990-2018年土地利用類型空間分布如圖1所示。

興隆莊煤礦1990-2018年土地利用面積統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 興隆莊煤礦1990-2018年土地利用面積統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，耕地和建設(shè)用地是研究區(qū)主要的景觀類型，這2種景觀類型占區(qū)域總面積的83%以上。其中1990年和2000年耕地的面積占比最大，分別占區(qū)域總面積的72.67%和60.30%，而在2010年和2018年，建設(shè)用地占比超過了耕地；其次由于采煤活動(dòng)造成塌陷水體面積的增加，塌陷水體面積從1990年占區(qū)域總面積的1.07%增加為2018年的9.70%以上；水體的面積最小的4個(gè)年份分別占區(qū)域總面積的0.46%、0.52%、1.98%和1.52%。

從研究區(qū)1990-2018年各景觀類型的變化上來看，呈減少趨勢(shì)的只有耕地，減少了2132.73 hm2，由此可以看出, 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，耕地呈持續(xù)減少的趨勢(shì)；建設(shè)用地、林地、水體和塌陷水體整體上呈增加趨勢(shì)，但水體、林地和塌陷水體在2010-2018年間均有所減少，建設(shè)用地的增幅最大，從1990年的1352.61 hm2增加到2018年的2771.10 hm2，水體的增加集中表現(xiàn)在當(dāng)?shù)厮蠆蕵沸皂?xiàng)目的增設(shè)以及退耕還湖政策的實(shí)施，林地的增加主要得益于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及采取的一系列植樹造林活動(dòng)。由于采煤塌陷造成的塌陷水體在2010年達(dá)到了研究區(qū)段最大值為567.63 hm2，2010-2018年間得益于礦區(qū)生態(tài)建設(shè)，塌陷水體開始呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

3.2 興隆莊煤礦單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值

通過研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積食物生產(chǎn)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和謝高地等制定的我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表計(jì)算得出興隆莊單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表，興隆莊單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值見表2。

表2 興隆莊單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 元/(hm2·a)

由表2可以看出，耕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要為提供食物、廢棄物處理和土壤保持，其價(jià)值分別為5158.6元/(hm2·a)、8459.9元/(hm2·a)和7531.2元/(hm2·a)，氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和維持生物多樣性的價(jià)值也較高，而提供娛樂活動(dòng)的價(jià)值最小，僅為51.3元/(hm2·a)；水體的水源涵養(yǎng)和廢棄物處理價(jià)值量最大，分別為105126.1元/(hm2·a)和93778.2元/(hm2·a)，其次是維持生物多樣性和提供休閑娛樂活動(dòng)；林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能則以土壤保持和氣體調(diào)節(jié)為主，分別為20117.3元/(hm2·a)和18054.2元/(hm2·a)；建設(shè)用地屬于人工生態(tài)系統(tǒng)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較其他土地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量均偏小。

3.3 興隆莊煤礦生態(tài)服務(wù)價(jià)值及變化分析

結(jié)合興隆莊煤礦1990-2000年不同土地利用類型面積，利用公式(1)，可以得到各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值，興隆莊1990-2018年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值見表3。

表3 興隆莊1990-2018年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值

由表3可以看出，從生態(tài)服務(wù)價(jià)值組成和所占比例上分析，1990年和2000年耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一直處在前2位，分別為14936.6萬元和12392萬元，占比均在61.00%以上，但在2010年降到了28.22%；2010年以后水域生態(tài)系統(tǒng)在提供生態(tài)服務(wù)價(jià)值上具有明顯優(yōu)勢(shì)，其次是耕地和林地，耕地提供生態(tài)服務(wù)價(jià)值所占比例從1990年的79.26%降低到2018年的27.62%，水域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值從1990年的2091.5萬元增加到2010年的16170.4萬元，為研究區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值做出巨大貢獻(xiàn)。

根據(jù)興隆莊煤礦1990-2018年不同土地利用類型面積，結(jié)合各種生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，得到研究區(qū)不同土地利用類型的ESV，對(duì)區(qū)間價(jià)值變化、年變化率以及總價(jià)值變化進(jìn)行計(jì)算，1990-2018年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況見表4。

由表3和表4可以看出，1990-2018年，興隆莊煤礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化呈先增加而后略有降低的變化趨勢(shì)，即先由1990年的18841.5萬元增加至2010年的29034.2萬元，而后在2010-2018年間降低了2484.8萬元。其中從歷年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化上分析，建設(shè)用地、水體和林地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值均呈正向變化，水體服務(wù)價(jià)值增量最大，達(dá)13250.9萬元，增長(zhǎng)率達(dá)46.68%；其次是林地，達(dá)1751.8萬元；而耕地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈負(fù)向變化，從14936.6萬元降低到7332.7萬元，共減少了7601.9萬元?？傮w上來看，水體和林地面積的相對(duì)增加有利于整體ESV的增加，抵消了由于建設(shè)用地對(duì)農(nóng)田的侵吞帶來大幅度的ESV減少，使得研究區(qū)總的ESV增加。

表4 1990-2018年不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況

3.4 敏感性分析

本研究將各土地利用類型的生態(tài)價(jià)值系數(shù)分別上下調(diào)整50%來衡量ESV的變化情況[16-17]。

根據(jù)敏感性指數(shù)(CS) 的計(jì)算公式(2) ，計(jì)算出興隆莊煤礦1990-2018年間各土地利用類型的CS，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感度見表5。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感度

由表5可以看出，耕地和水體是興隆莊煤礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最敏感的因素。所有土地類型敏感性指數(shù)最大值為0.79，均小于1，說明結(jié)果具有可靠性，最低值為0.02，即當(dāng)建設(shè)用地的VC增加1%時(shí)，對(duì)應(yīng)的ESV增加0.02%，對(duì)研究區(qū)的ESV影響很?。蛔罡咧禐?.79，即當(dāng)耕地的VC增加1%時(shí)，對(duì)應(yīng)的ESV增加0.79%，對(duì)研究區(qū)的ESV影響最大。從不同時(shí)期的敏感性指數(shù)變化來看, 研究區(qū)內(nèi)耕地的敏感性指數(shù)逐年減小，由1990年的0.79降為2018年的0.28，可見耕地在ESV中的主導(dǎo)地位逐年降低，2010年以后水體成為該研究區(qū)域最敏感的因素，敏感性指數(shù)達(dá)0.56。

4 結(jié)語

整體上看，1990-2018年，區(qū)域土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化對(duì)整個(gè)區(qū)域的總ESV產(chǎn)生了積極作用，水域和林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的增加彌補(bǔ)了耕地大面積轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地對(duì)總ESV帶來的負(fù)面影響。從ESV的構(gòu)成上來看，過去耕地是研究區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，2000年以后水域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位；從ESV的變化趨勢(shì)上看，興隆莊煤礦在1990-2018年間，其土地利用結(jié)構(gòu)變化明顯，耕地減少了36.96%，建設(shè)用地、林地、水體和塌陷水體整體上呈增加趨勢(shì)，尤其建設(shè)用地的增幅最大，1990-2018年間增加了1418.49 hm2。從單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值上來看，1990-2018年，耕地呈負(fù)向變化，共減少了7601.9萬元，其余整體上均呈正向增加。耕地和水體是興隆莊煤礦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最敏感的因素，但是耕地敏感性指數(shù)在逐年降低，而水體敏感性增加。

未來可以從以下兩方面來提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，一是采用先進(jìn)的開采技術(shù)，因勢(shì)利導(dǎo)，合理利用塌陷地，減少塌陷區(qū)面積；二是科學(xué)合理地使用土地資源和水資源，可以通過建設(shè)濕地公園，合理發(fā)展旅游業(yè)，發(fā)揮塌陷水體在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候和提供休閑娛樂文化等方面的積極作用提高水域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。