礦區(qū)景觀格局演變及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng)*

雷雅會 付梅臣 王 力 黃 妮 郭義強 羅 明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101； 3.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100083；4.自然資源部國土整治中心，北京 100035)

礦山開采侵占了大量的生態(tài)性用地，嚴(yán)重破壞區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部形態(tài)，違背人與自然和諧共生的發(fā)展理念。為適應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)和城市綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，廢棄礦山的整治恢復(fù)成為流域生態(tài)保護(hù)治理的重點內(nèi)容，其修復(fù)過程效益評價成為推動生態(tài)修復(fù)工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵步驟。目前，礦山生態(tài)修復(fù)效益評價[1-4]包括用地結(jié)構(gòu)布局和生態(tài)服務(wù)功能兩方面，用于反映礦區(qū)景觀要素的空間特征和服務(wù)效益。開展基于景觀格局變化的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV，萬元)研究，可揭示ESV對景觀格局演變的響應(yīng)機理，豐富ESV核算及修正的研究層次，對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的預(yù)警[5]監(jiān)測及評價有重要意義。

本研究以銅鑼山南段礦區(qū)為研究目標(biāo)，借助高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取景觀覆被信息，測算景觀格局指數(shù)和修正后的ESV，揭示礦區(qū)近10年的ESV對景觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，量化區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的生態(tài)成本，為礦山修復(fù)后期的綜合整治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

銅鑼山生態(tài)修復(fù)區(qū)是重慶山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)試點之一，位于渝北區(qū)中部的低山丘陵地帶，經(jīng)長期侵蝕、溶蝕后形成了獨特的“兩山一槽”峰叢與農(nóng)田槽谷洼地相交的景觀地貌格局。其由南往北沿319國道分布于石船鎮(zhèn)西部，覆蓋石壁村、關(guān)中村和小脈埡東部區(qū)域，建設(shè)面積達(dá)338.22 hm2。研究區(qū)地處御臨河流域，無永久性河溪，受地下水疏干影響，地表和地下徑流漏失嚴(yán)重，伏旱期徑流顯著減少。屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，多年平均降雨量為1 150 mm，平均蒸發(fā)量864 mm。生物資源豐富，森林植被以常綠闊葉林、針闊混交林、竹葉林為主。

作為重要的礦產(chǎn)資源存儲基地，石壁村的灰?guī)r開采業(yè)曾紅極一時，百余家采石場給當(dāng)?shù)貛砹松蟽|元的年產(chǎn)值，帶動了區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展。但遺留的廢棄礦坑區(qū)嚴(yán)重破壞了自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)安全格局，不僅形成田地?fù)p毀、土壤污染、廢棄物堆放等問題，還引發(fā)土地裂縫、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患。另外，人為活動頻繁導(dǎo)致研究區(qū)兩側(cè)山體植被退化，并且受外來物種入侵造成動物棲息地?fù)p壞嚴(yán)重，生境質(zhì)量衰退。銅鑼山南段整治工程以廢棄工礦用地復(fù)墾為主，包括灌排水系統(tǒng)重建、農(nóng)用地整治、村莊整治和植被恢復(fù)等工程，重點優(yōu)化區(qū)域景觀和生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)破壞或退化的生態(tài)系統(tǒng)功能，構(gòu)建環(huán)境優(yōu)美、功能齊全的旅游和人居空間。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

按照生態(tài)修復(fù)周期收集高分辨率遙感tiff影像，拍攝時間為2009年8月31日和2018年8月27日。經(jīng)幾何校正、坐標(biāo)投影后，借助ARCGIS10.2監(jiān)督分類[6]，輔以同年期的Landsat影像，在1∶500的比例尺下進(jìn)行人工目視解譯，提取礦區(qū)工程前后的矢量數(shù)據(jù)信息。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于2009、2018年“重慶市統(tǒng)計年鑒”及生態(tài)環(huán)境部網(wǎng)站。按照生態(tài)系統(tǒng)區(qū)劃，結(jié)合研究需要將礦區(qū)景觀類型劃分為農(nóng)田、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6大類。通過網(wǎng)格法將研究區(qū)分割為1 457個50 m×50 m的研究單元。

2.2 景觀格局指數(shù)選取與計算

景觀格局指數(shù)不僅可有效評價研究區(qū)現(xiàn)狀下的生態(tài)異質(zhì)性和穩(wěn)定性，還能預(yù)測分析景觀格局變化趨勢，在監(jiān)測土地利用和土地覆被變化方面發(fā)揮著重要作用[7]，可劃分為斑塊、景觀類型和景觀水平3個尺度。根據(jù)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)目標(biāo)及功能定位，本研究參照有關(guān)研究[8]選取5大景觀格局指數(shù)類型：(1)最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)用于表征景觀類型的面積和規(guī)模變化；(2)斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)用來體現(xiàn)斑塊和景觀的密度、粒度情況；(3)景觀形狀指數(shù)(LSI)用以反映景觀形狀的復(fù)雜程度；(4)散布與并列指數(shù)(IJI)、聚集度指數(shù)(AI)表達(dá)景觀類型的連接性和聚散性；(5)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀破碎度指數(shù)(SPLIT)分別衡量景觀的多樣性、均勻度和破碎度。選取NP、PD、LPI、SHDI、SHEI、LSI、AI、SPLIT表示礦區(qū)景觀水平格局的變化情況；選取PD、PLAND、LPI、LSI、IJI、AI表示景觀類型格局的演變情況。

2.3 ESV當(dāng)量修正

以“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表”研究成果[9]為基礎(chǔ)，從土地利用類型、功能生物量差異和社會經(jīng)濟發(fā)展水平3個方面進(jìn)行修正，使研究結(jié)果更符合區(qū)域發(fā)展情況。根據(jù)研究區(qū)2009、2018年的農(nóng)作物產(chǎn)量、價格數(shù)據(jù)得出重慶市農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值為421.69元/hm2。

(1) 土地利用類型修正。結(jié)合研究區(qū)實際情況，在“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表”的基礎(chǔ)上，將耕地、園地劃入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，林地對應(yīng)林地生態(tài)系統(tǒng)，坑塘水面對應(yīng)水體系統(tǒng)，未利用地對應(yīng)荒漠系統(tǒng)。參考宗躍光等[10]的研究成果，核算建設(shè)用地單位面積的ESV當(dāng)量。

(2) 功能性系數(shù)調(diào)整。生物生產(chǎn)力是生態(tài)系統(tǒng)中生物在單位時間和單位面積上生產(chǎn)和存留的有機物總量，能為人類生存和發(fā)展提供多種有形或無形的服務(wù)功能。結(jié)合研究區(qū)的情況及數(shù)據(jù)可得性，借助Motreal模型[11]建立植物氣候產(chǎn)量與蒸騰蒸發(fā)量之間的關(guān)系，采用凈初級生產(chǎn)潛力代替生物量[12]來修正當(dāng)量因子。推算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能平均調(diào)整指數(shù)為1.57。

(3) 經(jīng)濟性系數(shù)修正。區(qū)域性經(jīng)濟發(fā)展水平的差異會影響人類對生態(tài)環(huán)境的維護(hù)成本，當(dāng)發(fā)展水平較高時，人類對生活環(huán)境舒適性服務(wù)的需求也會迅速提高，人類有意愿也有一定的能力為提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能做出貢獻(xiàn)?；诖?，從支付能力和支付意愿兩方面對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行經(jīng)濟性系數(shù)修正。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)濟性指標(biāo)選取渝北區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，測算出經(jīng)濟性系數(shù)為1.41。

表1重慶市渝北區(qū)不同景觀VC

Table 1 Service value coefficient of different landscape ecosystems in Yubei District,Chongqing City

元/hm2

經(jīng)土地利用類型、功能性系數(shù)及經(jīng)濟性系數(shù)修正后，得到渝北區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(VC)，結(jié)果如表1所示。

2.4 敏感性驗證

為驗證VC是否適合本研究區(qū)，采用敏感性指數(shù)(CS)來揭示ESV隨時間變化對VC的依賴程度[13]，若CS≥1，則ESV對VC是富有彈性的，結(jié)果可信度較低；若CS<1，則ESV對VC是缺乏彈性的，結(jié)果更符合實際。將VC分別調(diào)整50%來計算CS，公式如下：

(1)

式中：ESVi、ESVj分別為初始、調(diào)整后的ESV，萬元；VCik、VCjk分別為k類景觀初始、調(diào)整后的VC。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局動態(tài)變化

3.1.1 景觀類型轉(zhuǎn)移分析

從景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣來看，農(nóng)田和林地景觀是礦區(qū)優(yōu)勢地類，兩者之和達(dá)總面積的78%左右，水域和未利用地面積最少，兩者之和不足總面積的4%。2009—2018年，得益于水系網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，水域水體景觀的上漲幅度最大，增至原有的4倍左右；其次為林地，合計增加23.42 hm2，漲幅為17.02%。農(nóng)田景觀減少15.78%，但減少量最多，為19.29 hm2；建設(shè)用地和未利用地分別減少14.13%、32.80%。景觀利用動態(tài)度變化表現(xiàn)為水域>未利用地>林地>農(nóng)田>建設(shè)用地>草地。

礦區(qū)各景觀都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的變化，主要流轉(zhuǎn)路徑為農(nóng)田、草地→林地，建設(shè)用地、農(nóng)田→水域，建設(shè)用地→未利用地、草地。農(nóng)田中15.38 hm2(占比12.59%)退耕還林恢復(fù)為生態(tài)林地，主要位于雙龍庵南部與319國道東側(cè)交叉地帶，2.69 hm2(占比2.20%)規(guī)劃營造灌草叢等生境用地，1.58 hm2(占比1.30%)用于生物坪塘與灌溉水系統(tǒng)重建，1.36 hm2(占比1.10%)用于整修生產(chǎn)大路和田埂路。林地中2.65 hm2(占比1.92%)用于礦山公園建設(shè)和西部主干路網(wǎng)優(yōu)化，1.35 hm2(占比0.98%)規(guī)劃為綠化景觀用地。建設(shè)用地減少的面積主要用來修復(fù)采礦用地，其中9.33 hm2(占比19.10%)來增加生態(tài)型草地，3.85 hm2(占比8.28%)整理建設(shè)為坑塘水面，4.05 hm2(占比7.87%)主要為殘留的礦坑廢棄地。原有的水域坑塘用地主要包括廢舊水池和礦坑積水塘，清理后新增水面面積6.29 hm2(占比88.96%)。未利用地合計減少2.27 hm2(占比32.91%)，原有的沙地、裸地4.82 hm2(占比69.86%)主要整理恢復(fù)為公園生態(tài)廊道。

3.1.2 景觀格局指數(shù)分析

礦區(qū)景觀水平格局指數(shù)見表2。NP、PD均增加33.64%，空間異質(zhì)性增強；LPI降低9.78百分點，LSI提升1.05百分點，優(yōu)勢景觀類型被分割，外界干擾活動較劇烈；SPLIT上漲1.46百分點、AI降低0.57百分點，多級生態(tài)化廊道體系使整體景觀呈破碎化發(fā)展；SHDI與SHEI基本維持穩(wěn)定，反映了自然或人為活動并沒有提升景觀分布的均衡性與多樣性。

表2 礦區(qū)景觀水平格局指數(shù)

礦區(qū)景觀類型格局指數(shù)見表3。修復(fù)后景觀類型格局變化顯著，農(nóng)田的大中型斑塊由于道路分割造成空間異質(zhì)性增強，LSI提升0.74百分點，AI降低0.74百分點。林地PLAND增加6.18百分點，LSI降低0.06百分點，AI增強0.25百分點，反映了退耕還林、天然林資源恢復(fù)等活動推動了林地的集中連片布局。草地景觀呈破碎化發(fā)展，LSI提升2.13百分點，AI降低2.46百分點，IJI較高說明比鄰斑塊類型豐富且概率相對均等。水域景觀的AI增加3.50百分點，LSI增加0.95百分點，受灌排水系統(tǒng)工程的影響，坑塘水面設(shè)立多級小型溝渠，內(nèi)部聯(lián)系增強，團聚程度提高。建設(shè)用地主要沿319國道及村道沿線零散分布，由于礦坑治理造成AI降低4.19百分點，LSI提升2.36百分點。

3.2 ESV演變分析

3.2.1ESV時空變化

由表4可看出，2009—2018年，各種景觀類型的ESV伴隨面積增減均有波動，除食物生產(chǎn)功能略有降低外，其余單項服務(wù)功能均有增加，ESV總計增加76.34萬元，其中植被恢復(fù)、水環(huán)境修復(fù)工程使林地和水域的ESV上漲幅度最高，分別增加61.47萬、22.34萬元。路網(wǎng)建設(shè)、農(nóng)用地整治等引起農(nóng)田、草地景觀的ESV下降。

由圖1可看出，ESV高值區(qū)在兩側(cè)山脊處呈條帶狀分布，在中部呈團塊狀分布；中值區(qū)位于林地與采礦區(qū)交界的過渡地帶；低值區(qū)廣泛分布于建設(shè)用地和農(nóng)用地堆積處；負(fù)值區(qū)位于道路沿線及礦區(qū)塌陷地帶。2009—2018年，ESV減少區(qū)位于礦山公園內(nèi)部和部分地塊邊緣。ESV增長明顯的區(qū)域包括3個部分：(1)位于兩山脊的峰叢洼地區(qū)域及田塊周邊，通過對遭到破壞的天然林進(jìn)行人工補植和類型恢復(fù)，增加山林植物的多樣性功能；(2)集中于峰叢邊緣的受破壞區(qū)域及319國道沿線，通過篩選優(yōu)化樹種、營造多層次植被結(jié)構(gòu)等使生態(tài)環(huán)境朝良性循環(huán)方向發(fā)展，提高生態(tài)系統(tǒng)廢物處理、維持生物多樣性和氣候調(diào)節(jié)等功能價值；(3)位于采礦區(qū)的中心地帶，以水環(huán)境修復(fù)工程措施為主，借用海綿城市的設(shè)計思想，利用現(xiàn)有地形建設(shè)生態(tài)邊溝、雨水花園、植草溝等，形成場地中的雨洪收集與涵蓄系統(tǒng)，增加生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能價值。

表3 礦區(qū)景觀類型格局指數(shù)

表4 礦區(qū)ESV損益

圖1 ESV空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystem service values

表5 CS統(tǒng)計結(jié)果

3.2.2 敏感性驗證結(jié)果

由表5可看出，礦區(qū)所有景觀類型的CS均小于1，VC變化對ESV的影響較小，缺乏彈性，研究結(jié)果可信。2009—2018年，農(nóng)田、建設(shè)用地CS降低較多，水域CS增加；林地CS最高，2018年為0.83，表明當(dāng)林地的VC增加1%時，ESV將增加0.83%；未利用地CS接近0，其VC變化對ESV基本無影響。

4 結(jié) 論

(1) 農(nóng)田和林地景觀是礦區(qū)優(yōu)勢地類，兩者之和達(dá)總面積的78%左右。修復(fù)后水域面積增至原有的4倍左右，林地面積增幅為17.02%，未利用地、農(nóng)田、建設(shè)用地的景觀面積分別降低32.80%、15.78%和14.13%。

(2) 從景觀水平格局指數(shù)看，SPLIT、LSI分別上漲1.46、1.05百分點，AI降低0.57百分點，外界干擾活動增加了景觀異質(zhì)性和破碎化發(fā)展，對景觀分布的均衡性與多樣性影響作用不大。從景觀類型格局指數(shù)看，修復(fù)后景觀類型格局變化顯著，農(nóng)田、草地和建設(shè)用地景觀的LSI分別增加0.74、2.13、2.36百分點，AI分別降低0.74、2.46、4.19百分點，破碎化程度提高，異質(zhì)性增強。

(3) 礦區(qū)各景觀都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的變化，主要流轉(zhuǎn)路徑為農(nóng)田、草地→林地，建設(shè)用地、農(nóng)田→水域，建設(shè)用地→未利用地、草地。

(4) 各種景觀類型的ESV伴隨面積增減均有波動，除食物生產(chǎn)功能略有降低外，其余單項服務(wù)功能均有增加，ESV總計增加76.34萬元。林地和水域的ESV上漲幅度最高，分別增加61.47萬、22.34萬元。山脊的峰叢及邊緣、319國道沿線和采礦區(qū)中心地的ESV增長明顯，植被恢復(fù)、水環(huán)境修復(fù)工程等有效改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

(5) 各類景觀的CS都小于1，其中2018年林地CS為0.83、未利用地CS接近于0。ESV對VC的變化缺乏彈性，說明核算結(jié)果可靠，可為生態(tài)修復(fù)提供參考。