煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉多情景預測

摘要：預測當前的人類活動會對未來產(chǎn)生何種影響是制定以“防止生態(tài)系統(tǒng)服務退化、維護居民福祉”為目標的可持續(xù)發(fā)展政策最為關心的問題，也是每個煤炭資源型城市迫切需要解決的現(xiàn)實問題。本文以典型煤炭資源城市——新泰市為例，基于灰色馬爾科夫模型對2035年土地復墾利用情況進行模擬預測。根據(jù)預測結果構建自然恢復情景、生態(tài)保護情景和經(jīng)濟增長情景，并測算出未來不同發(fā)展情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別為911713.66萬元、935391.88萬元、862868.41萬元，居民福祉指數(shù)分別為0.539、0.543、0.528，同時明確二者的關系。結果表明，不同發(fā)展情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值和居民福祉存在差異，其中生態(tài)保護情景是實現(xiàn)二者協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)選模式。研究結果有望從生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展角度為煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)管理和土地利用規(guī)劃決策提供科學參考。

關鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務；居民福祉；煤炭資源型城市；多情景預測

中圖分類號："F323.211"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.011

引文格式：霍冉，陳國棟，叢海濤，等.煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉多情景預測——以新泰市為例［J］.山東國土資源，2024，40（11）：73-78. HUO Ran，CHEN Guodong，CONG Haitao， et al. Multi-scenario Simulation of Ecosystem Service and Residents Well-being in Coal Resource City——Taking Xintai City as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：73-78.

0引言

生態(tài)系統(tǒng)提供的各項服務功能是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎［1］，可作為表征區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平的一項綜合指標［2］。居民福祉是建立在從生態(tài)系統(tǒng)獲得的各種收益之上，與賴以生存的自然環(huán)境息息相關［3］。因此，居民福祉在生態(tài)系統(tǒng)服務研究中受到越來越多的重視［4］。國內(nèi)外學者對二者之間的關系進行了一系列探索，從宏觀大尺度如流域、森林、自然保護區(qū)到市級、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級甚至社區(qū)［5-14］局地小尺度的研究均有涉及，但總體而言以煤炭資源型城市為研究對象的仍較少［15］。

煤炭開采會極大地改變當?shù)赝恋乩酶窬趾妥匀簧鷳B(tài)景觀，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務供給能力；而土地復墾和生態(tài)恢復也可以通過改變退化生態(tài)系統(tǒng)格局和過程，使得生態(tài)系統(tǒng)服務的產(chǎn)生和提供發(fā)生變化［16］，二者均可以對煤炭資源型城市居民福祉產(chǎn)生重要影響。新泰市是一座典型的煤炭資源枯竭型城市，長期以來的煤炭開采以及近年來實施的采煤沉陷區(qū)治理與生態(tài)恢復工程，使得當?shù)氐耐恋乩妙愋秃蜕鷳B(tài)系統(tǒng)均發(fā)生較明顯變化，進而影響到居民福祉。預測當前的人類活動會對未來產(chǎn)生何種影響是制定以“防止生態(tài)系統(tǒng)服務退化、維護居民福祉”為目標的可持續(xù)發(fā)展政策最為關心的問題，也是每個煤炭資源型城市迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

基于上述背景，本文基于改進的灰色馬爾科夫模型和情景分析等方法，將兩者之間的指標定量化與綜合化，對新泰市中長期（2035年）生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉變化趨勢以及二者的關系進行多情景模擬預測，并從生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展角度對煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)管理和土地利用規(guī)劃決策提供科學參考。

1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

新泰市位于山東省中部，地處泰沂山脈中段，總面積1 946 km2，人口123.46萬，是一個典型的煤炭資源枯竭型城市。由于長期高強度開采，出現(xiàn)了資源瀕臨枯竭、地表沉陷等一系列問題。近年來，新泰市統(tǒng)籌推進山水林田湖草沙系統(tǒng)治理、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理與“綠色礦山”建設，全面落實林長制、田長制、河湖長制，全市建成區(qū)綠化覆蓋率44.88%，建成國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)4個、省級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)15個，先后被評為山東省生態(tài)城市以及國家園林城市和中國優(yōu)秀旅游城。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究中采用的遙感影像數(shù)據(jù)主要為NDVI數(shù)據(jù)，下載自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心；土地利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于新泰市國土資源規(guī)劃局地面調(diào)查數(shù)據(jù)；各類社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自新泰市、國家糧食和物資儲備局相關統(tǒng)計年鑒，國家林業(yè)局公布的《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》以及其他學者相關研究成果。

2研究方法

2.1基于改進的灰色馬爾科夫模型土地利用預測

改進的灰色馬爾科夫模型既具備灰色系統(tǒng)對時間序列模型所需數(shù)據(jù)量較少、預測結果精度較高的優(yōu)勢，又利用了馬爾科夫模型對波動性較大的數(shù)據(jù)預測精確的特點，因此，目前被廣泛應用于土地利用面積的中長期預測［17-20］。通過灰色GM（1，1）模型預測和馬爾科夫的改進，可測算得出2035年新泰市各類型土地面積，見表1。

2.2情景分析

情景（Scenario）是一種對未來可能實現(xiàn)的情形過程的描述，反映現(xiàn)有趨勢以及新因素如何產(chǎn)生影響的不同假設［21］。鑒于未來的不確定性與現(xiàn)實決策的需要，情景分析成為近年來國內(nèi)外學者進行土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務模擬分析的常用方法之一［22］。采煤沉陷地是煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受破壞的主要表現(xiàn)形式之一，是煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)最主要的擾動因素。因此，將采煤沉陷區(qū)綜合治理與土地復墾活動引起的土地利用變化作為影響煤炭資源型城市未來生態(tài)系統(tǒng)服務的關鍵因素，將復墾利用方向作為未來情景設置的依據(jù)。根據(jù)《新泰市采煤沉陷區(qū)綜合治理規(guī)劃》，其沉陷區(qū)總面積為79.87 km2（表2），并明確要求到2025年要基本完成采煤塌陷地治理任務。由于自2011年起，新泰市煤礦逐步閉坑，故本文視為后續(xù)不再發(fā)生土地塌陷，且到2035年全部完成復墾與治理工作。

對于以上3種類型沉陷土地，新泰市實行農(nóng)業(yè)復墾、生態(tài)復墾、產(chǎn)業(yè)復墾三類模式進行分類治理。其中，輕度沉陷區(qū)主要復墾為耕地；重度沉陷區(qū)，因其地表形態(tài)破壞嚴重，故復墾治理方向也比較多樣化，既可復墾為耕地、林地和園地，也可以作為建設用地使用；對于沉陷積水區(qū)，其原有的陸地生態(tài)系統(tǒng)已轉(zhuǎn)變?yōu)橐运蛏鷳B(tài)系統(tǒng)為主。據(jù)此，本文設定以下3種情景：①自然恢復情景：該情景設定生態(tài)系統(tǒng)具有自我恢復功能，主要基于歷史的土地利用變化的特征，即按照當前的經(jīng)濟發(fā)展速度和城市化進程的未來土地利用變化，計算得到生態(tài)系統(tǒng)服務價值。②生態(tài)保護情景：該種情景旨在使新泰市糧食安全得到充分保障，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著改善，實現(xiàn)采煤沉陷區(qū)逐步向生態(tài)用地（耕地、林地、草地、園地）轉(zhuǎn)變。據(jù)此原則，輕度沉陷區(qū)建設用地全部復墾為耕地；重度沉陷區(qū)的建設用地依據(jù)各類生態(tài)用地所占比例，分別復墾為林地、園地、草地、耕地，由此耕地可增加16.726 km2，林地增加2.496 km2，草地增加0.637 km2，園地面積增加0.681 km2。設定未利用地和水域面積均與“自然恢復”下的數(shù)量保持一致。③經(jīng)濟增長情景：優(yōu)先滿足建設用地需求量，因此重度沉陷區(qū)均復墾為建設用地，面積可增加37.325 km2?？紤]到糧食安全的重要性以及新泰市是重要的糧食生產(chǎn)基地，因此輕度沉陷區(qū)依然復墾為耕地。設定未利用地和水域面積均與“自然恢復”下的數(shù)量保持一致。根據(jù)上述情景構建方案，得出不同情景下新泰市2035年的土地利用數(shù)據(jù)（表3）。

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉測算

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務價值測算

為了對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了很多研究［23-25］。本文采用謝高地的價值當量因子法［24］，結合其他學者［26-27］提出的方法對價值量因子法模型進行拓展改進，具體如公式（1）（2）：

ESVt=∑ni=1∑nj=1SiPij（1）

Pij=Eij×Et×Qt×Rt（2）

式中：ESVt為第t年生態(tài)系統(tǒng)服務價值（萬元）；Si為i類土地利用類型的面積（hm2）；Pij為修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)（第i類土地利用類型的第j類生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)）；Eij為經(jīng)過修訂后的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子；Qt為第t年生態(tài)系統(tǒng)的功能性系數(shù)；Et為第t年單位面積糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值（萬元/hm2）；Rt為第t年生態(tài)系統(tǒng)服務價值經(jīng)濟性系數(shù)。由于建設用地雖然不屬于自然生態(tài)系統(tǒng)，但是它會對生態(tài)系統(tǒng)服務價值產(chǎn)生負面影響，因此本文納入建設用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值，計算方法見參考文獻［28］。

2.3.2居民福祉計量指標的選擇及計算

目前，國內(nèi)外學術界對于居民福祉的計量指標有很多研究，其中千年生態(tài)系統(tǒng)評估（MA）具有一定的權威性［29］。本文基于MA居民福祉構成要素，結合馬斯洛需求理論，在參考其他學者對居民福祉指標體系界定的基礎上［30-32］，充分考慮當?shù)氐淖匀毁Y源、社會和經(jīng)濟發(fā)展狀況以及數(shù)據(jù)可獲取性，選取適當?shù)谋碚髦笜?，構建了新泰市居民福祉度量指標體系，分為物質(zhì)福祉、安全與健康福祉和社會文化福祉。為了避免主觀賦權法所帶來的隨機性、臆斷性問題，本文通過熵值法確定權重，采用多指標綜合評價法來評價新泰居民福祉狀況，見公式（3）。

G=∑ni=1Wi×gi（3）

式中：G為居民福祉綜合指數(shù)；i為居民福祉單項指標；n為指標i的數(shù)目；gi為i指標的標準化分值；Wi為i指標的權重值，∑ni=1Wi=1。G越大，表示居民福祉水平越高。

2.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉耦合協(xié)調(diào)分析

為了充分說明生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉之間的關系，本文采用耦合度模型和耦合協(xié)調(diào)度模型來度量居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務之間關系。前者反映二者之間的相互影響程度，后者可反映居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的協(xié)調(diào)發(fā)展水平。

（1）耦合度模型，見公式（4）：

C=4f（x）×g（y）［f（x）×g（y）］2k（4）

式中：f（x）生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)與g（y）居民福祉綜合指數(shù)，參考已有研究［24］。C為耦合度，它的值在0到1之間；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，參考已有研究［33］，本文k取2。C接近1，表示居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的耦合程度較好，系統(tǒng)處于健康有序狀態(tài)；C接近0，表示居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的耦合程度較差，系統(tǒng)處于無序發(fā)展狀態(tài)。

（2）耦合協(xié)調(diào)度模型，見公式（5）（6）：

S=C×P（5）

P=［f（x）×g（y）］22（6）

式中：S為耦合協(xié)調(diào)度；P為居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務的綜合調(diào)和指數(shù)。S在0～1之間，S值越高，表明居民福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務均處于較高水平，且二者的耦合協(xié)調(diào)程度越高。

3研究結果

3.1不同情景下新泰市生態(tài)系統(tǒng)服務價值模擬

（1）根據(jù)1987-2017年糧食價格平均增長率對2035年進行估算，得到2035年的糧食修正系數(shù)為4 232.219 8。

（2）生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值既與各類生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量或面積相關，也與其質(zhì)量或品質(zhì)相關［34］。因此，有必要考慮生態(tài)系統(tǒng)品質(zhì)性和稀缺性對其進行功能性修正，即以二者的乘積表征。其中，品質(zhì)因子用綠地系數(shù)表示［28］。根據(jù)表3中對2035年林地、園地、草地、農(nóng)田的預測面積，得出品質(zhì)因子的值（表4）。根據(jù)已有研究［35］中對2035年全國平均人口密度和新泰市平均人口密度的數(shù)據(jù)，計算得出稀缺因子1.338。

（3）利用1987—2017年全國和全市恩格爾指數(shù)以及城鎮(zhèn)化率平均增長率，對2035年的支付意愿系數(shù)進行估算，計算結果為1.005。

（4）利用1987—2017年GDP平均增長率，對2035年的支付能力系數(shù)進行估算，計算結果為1.009。

根據(jù)公式（1）得出2035年不同情景下新泰市的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，結果見表5。

由上述結果可知，在生態(tài)保護情景下，生態(tài)服務價值高于其他兩種情景；而經(jīng)濟增長情景下的生態(tài)服務價值最低。這說明生態(tài)保護情景更有利于當?shù)鼐用駨纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務中獲得收益。

3.2不同情景下新泰市居民福祉模擬

根據(jù)已有社會經(jīng)濟歷史數(shù)據(jù)，對新泰市2035年的居民福祉指標進行預測。其中，居民可支配收入以《新泰市十四五規(guī)劃》中規(guī)定：“人均可支配收入年均增長7%”為依據(jù)；除衛(wèi)生技術人員、敬老院和中學生在校人數(shù)取平均值外，其他均按增長率計算。人均耕地面積和森林覆蓋率與土地利用面積息息相關，對其進行相應情景劃分，從而可以得到不同情景下的居民福祉指數(shù)。根據(jù)公式（3），計算得到2035年不同情景下新泰市居民福祉模擬結果（表6）。

由上述結果可知，生態(tài)保護情景下的居民福祉水平最高，經(jīng)濟增長情景則最低。這也說明居民福祉作為反映人們生活狀態(tài)的概念，既受制于個體特征，又受外部環(huán)境影響，這一過程既非純粹的個人心理因素作用的結果，又非外部經(jīng)濟、社會文化、生態(tài)環(huán)境單一因素作用的結果。因此，需要構建包含經(jīng)濟、社會、教育、文化、生態(tài)環(huán)境以及主觀滿意度等指標在內(nèi)的綜合測度模型，開展居民福祉綜合化研究。

3.3不同情景下新泰市生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉關系模擬

根據(jù)估算得出的居民福祉和生態(tài)系統(tǒng)服務價值，運用綜合調(diào)和指數(shù)和耦合度公式分別得出生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉的綜合調(diào)和指數(shù)和耦合度，再根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度的公式分別計算出三種情景下的耦合協(xié)調(diào)度（表7）。

由表7可知，在經(jīng)濟增長情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉耦合度最大，而二者的耦合協(xié)調(diào)度最小，說明此情景下當?shù)鼐用窀ｌ砀嘈枰揽可鷳B(tài)系統(tǒng)服務的供給，經(jīng)濟的快速發(fā)展是以犧牲生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)利用為代價的，會出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉沖突的不協(xié)調(diào)發(fā)展情況。在生態(tài)保護情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉耦合度最小而耦合協(xié)調(diào)度最大，說明該情景下能更好實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務和居民福祉協(xié)調(diào)發(fā)展，同時也說明在物質(zhì)和安全得到保障的情況下，其他因素如個人社會特征、主觀感受差異等亦會對當?shù)鼐用窀ｌ碛兄匾绊憽?/p>

4結論與討論

（1）根據(jù)灰色馬爾科夫模型對新泰市2035年土地利用情況的預測結果，以采煤沉陷區(qū)土地復墾利用方向為依據(jù)，構建基于自然理念的自然恢復情景；強調(diào)生態(tài)環(huán)境保護，將沉陷區(qū)復墾為生態(tài)用地的生態(tài)保護情景和強調(diào)經(jīng)濟高速增長，將沉陷區(qū)復墾為建設用地的經(jīng)濟增長情景。

（2）不同發(fā)展情景下生態(tài)系統(tǒng)服務價值和居民福祉存在差異。在生態(tài)保護情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務價值和居民福祉都最大，表明復墾為生態(tài)用地不僅能為該區(qū)域提供更多的生態(tài)系統(tǒng)服務，同時居民福祉也相對提高更多；而在經(jīng)濟增長情景下，二者均最小，表明復墾為建設用地對生態(tài)環(huán)境帶來較多脅迫，生態(tài)系統(tǒng)服務的供給能力降低，因此居民獲得的收益和福祉也相應減少。

（3）在生態(tài)保護情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務價值與居民福祉的耦合協(xié)調(diào)度最大。由此可見，該情景既有利于新泰市生態(tài)環(huán)境的保護，也有利于居民福祉水平提升，可以實現(xiàn)二者協(xié)調(diào)發(fā)展的“雙贏”局面，因此是新泰市未來優(yōu)先選擇的發(fā)展模式。

本文通過情景模擬的方法，對典型煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉關系進行中長期預測，拓展和豐富了國內(nèi)相關領域的研究案例。但由于不同的生態(tài)系統(tǒng)服務之間能夠相互轉(zhuǎn)換，并且是一個動態(tài)的過程，受到各種間接因素的影響，特別是煤炭資源型城市是一類特殊的城市類型，采礦活動給生態(tài)系統(tǒng)造成的影響往往具有復雜性、空間性、時滯性和不確定性等特點［36］，因此下一步研究可以從煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)的結構與服務變化機理入手，對區(qū)域人類活動與生態(tài)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)機制進行更全面分析研究。同時，由于生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉關系問題的綜合性與復雜性，居民福祉水平的評價方法還需要深入研究，有些指標還有待進一步完善，進而得出更有針對性的結論。此外，囿于數(shù)據(jù)的可獲得性和有限性，本文僅以新泰市為例進行研究，沒有與國內(nèi)其他煤炭資源型城市進行對比分析，后續(xù)研究中可擴大研究的時間跨度和空間范圍，對煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)服務與居民福祉開展綜合研究。

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Multi-scenario Simulation of Ecosystem Service and Residents Well-being in Coal Resource City

——Taking Xintai City as an Example

HUO Ran1，CHEN Guodong2，CONG Haitao1，WANG Feng1， LI Na3 ， LI Qingmei1

（1. Shandong Land Development Group Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250014， China; 2.Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China;3. Shandong Urban Planning and Architectural Design Institute Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract：Predicting how current human activities will impact the future is a key concern in formulating sustainable development policies aimed at \"preventing the degradation of ecosystem services and maintaining residents' well-being.\" This issue is especially urgent for coal resource-based cities. In this paper， taking Xintai city， a typical coal resource city as an example， by using a gray Markov model， land reclamation and utilization have been simulated and predicted by 2035. Based on the predictions， three scenarios are constructed： natural restoration， ecological protection， and economic growth. The estimated values of ecosystem services under these different scenarios are 9117136.6 ten thousand yuan， 935391.88 ten thousand yuan， and 862868.41 ten thousand yuan， while the residents well-being indices are 0.539， 0.543， and 0.528 respectively. The relationship between the two has been clarified. It is indicated that there are differences in ecosystem service values and residents well-being under different development scenarios， with the ecological protection scenario being the optimal model for achieving coordinated development of both. The findings are expected to provide scientific references for ecosystem management and land use planning decisions in coal resource-based cities from the perspective of sustainable and coordinated development of ecosystem services and residents well-being.

Key words：Ecosystem services；human well-being；coal resource city; multi-scenario simulation

收稿日期：2024-08-30；修訂日期：2024-09-29；編輯："王敏"基金項目："煤炭資源與安全開采國家重點實驗室一般開放課題，礦區(qū)土地復墾與生態(tài)服務關鍵問題研究，課題編號：SKLCRSM17KFB02"作者簡介：霍冉（1978—），女，北京人，博士，主要從事資源與環(huán)境政策研究；E-mail：huoranluck@163.com

*通訊作者："陳國棟（1983—），男，山東曹縣人，碩士，主要從事礦產(chǎn)資源勘查與評價研究；E-mail：chenguodongdky@shandong.cn