撫順西露天礦西排土場不同土地利用方式下生態環境效益分析

王 晶，魏忠義

（沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽110866）

露天礦排土場是礦山開采對礦區生態干擾與破壞的主要類型之一[1-2]，土地復墾后其生態環境有所改善，近年來隨著復墾后土地利用率不斷提高[3]，相關研究不斷取得新進展[4-6]，土地利用在改變地表覆被狀況同時也影響著礦區生態[7]。本文所研究排土場土地復墾的生態環境效益指復墾土壤在恢復植被、大氣環流和太陽輻射等共同作用下，通過物理、化學及生物作用為排土場及其周圍環境提供直接和間接有利于人類的具有使用價值和“公共商品”特征的公益效能（經濟價值除外），是土地復墾對排土場植被、土壤、水資源及其生態過程改善程度的經濟度量。以生態學為理論依據的傳統效益評價[8-10]多針對森林等天然生態系統[11]，如何客觀定量評價排土場土地復墾產生的生態效益尚未形成體系，選取估算指標及方法各異[12-13]。因此，依據露天煤礦排土場復墾后土地利用方式，建立相應生態效益估算模型并應用尤為重要。

排土場是由露天采煤所產生的固體廢棄物堆積而成，原有植被、地貌被矸石所覆蓋的典型人工堆墊地[2]。經土地復墾的露天煤礦排土場是以生態恢復與土地循環利用為中心的人工或半人工生態系統，在復墾過程中自身表現出對外界環境變化及人類干擾的自我調節能力。本文以撫順西露天礦西排土場土地經復墾形成林地、耕地、牧草地為研究對象，建立基于無質量與價值量的生態環境效益估算指標體系，運用生態學和生態經濟學原理及價值計量方法，結合研究區現狀估算土地復墾取得的生態環境效益，探討不同土地利用方式的生態效益構成，為明確復墾后土地利用和發展方向、優化土地利用結構提供理論依據。

1 研究區概況

撫順西露天礦西排土場（以下簡稱“西排土場”）坐落于撫順市西南部，西露天礦坑以西2.5 km處，目前總排棄剝離土層和矸石量達6.28×108t，占地12.9 km2，頂部平臺面積7.69 km2，最高標高+176 m，是迄今國內最大的露天煤礦排土場。表層排棄物主要由碳質頁巖、綠色泥巖及油母頁巖殘余物等組成，周邊土壤以輕壤土和砂壤土為主。排土場在西露天煤礦開采前為植被良好的丘陵區，人為活動和礦區生產使植被遭到嚴重破壞，原有林地基本消失，現主要為灌草叢。排土場內除人工栽種針葉松樹類外，無天然木本植物，草本植物主要為豬毛菜、堿蓬等典型旱生植物。在矸石風化時間較長、水肥條件改善地段有茜草、野艾蒿、益母蒿等菊科植物生長。2000年西排土場最頂盤進行的大面積復墾將西排土場劃分為幾部分：其中復墾后林地以火炬樹、紫穗槐為主；耕地種植玉米、大豆等作物；牧草地種植紫花苜蓿等。據西排土場復墾規劃顯示，復墾后林地、耕地、牧草地面積分別為261.84 hm2、216.09 hm2、375.31 hm2。

2 數據來源與研究方法

本文基于礦區土地復墾理論和生態經濟學理論，采用文獻研究、實證研究、樣地調查、模型適宜性分析等方法，以西排土場土地復墾后林地、耕地、牧草地為研究對象，從物質量與價值量角度出發，選取涵養水源、保持土壤、氣體調節、營養物質循環及凈化地表水體效益等指標，建立指標體系估算三種典型用地類型的生態效益，具體方法包括市場價值法、影子價格法、工程替代法、造林成本法等。其中，實驗數據為2010年課題組對研究區進行的相關實驗研究，如土壤物理性狀測定、地表水水質及重金屬含量測定等。統計調查資料來自國家發布的社會公共數據、中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》[15]中相關評估指標和價格參數以及近年來相關領域研究的數據資料等。

2.1 涵養水源

涵養水源效益是復墾后礦區生態系統對大氣降水調節作用的貨幣表示。本文結合研究區復墾現狀，取水庫蓄水成本為“影子價格”[16]。各復墾類型的涵養水源效益計算公式如下：

式1中，Vwi為涵養水源效益（元/a）；hi為土壤平均深度（m），均取復墾后表層土壤平均厚度0.6 m；pi為非毛管孔隙率度（%），取值為實驗研究數據，見表1；Si為林地、耕地、牧草地面積（hm2），取復墾規劃中各用地類型面積；Cw為單位庫容蓄水成本（元/t），據《中國水利年鑒》（2011）[19]平均水庫庫容造價為2.17元/t及價格指數2.816，即得到單位庫容蓄水成本為6.11元/t。

2.2 保持土壤

土壤保持量可根據潛在土壤侵蝕模數和實際土壤侵蝕模數之差計算，此方法更適于不同尺度不同土地利用方式下的土壤侵蝕量估算[23]。該效益可通過復墾后各類型減少表土損失、減輕泥沙淤積及保持土壤肥力等三方面衡量。

2.2.1 減少表土損失 根據土壤保持量和復墾土壤表土平均厚度，推算土壤侵蝕減少土地面積，采用機會成本法[11]，通過單位面積林業平均收益或單位面積農業產值，估算因土地減少所損失效益：

式2中，Vs-ei為減少表土損失效益（元/a）；Sp為潛在土壤侵蝕模數（t/km2·a），據統計，撫順市潛在土壤侵蝕模數為500—1500 t/km2·a，因復墾前土壤侵蝕較嚴重，本文將潛在土壤侵蝕模數取最大值1500 t/km2·a；Sr為實際土壤侵蝕模數（t/km2·a），據齊曉君[19]等對研究區內林地、耕地、牧草地研究成果推算實際土壤侵蝕模數分別為582.56 t/km2·a、442.63 t/km2·a、578.49 t/km2·a；單位面積年均收益 ARf（元 /hm2）據研究區主要作物年均產量、單價及撫順市林地、草地年均產值等統計資料估算，得出各類型年均收益分別為11039.79元/hm2、10293.45元/hm2、10000元 /hm2；Di為土壤容重（g/cm3），源自實測數據，見表 1。

2.2.2 減少泥沙淤積 采用挖取單位泥沙成本法計算植被減輕泥沙淤積效益，其估算公式[21]如下：

式3中，Vs-ui為減少泥沙淤積效益（元/a）；Is為泥沙淤積系數（%），按照中國主要流域泥沙運動規律，全國土壤侵蝕流失泥沙有24%淤積于水庫、江河、湖泊等，故泥沙淤積系數取值24%；Cr為單位清淤成本（元/m3），西排土場邊緣坡度較陡，易發生水土流失、泥沙淤積等，單位體積清淤成本較高，據《遼寧省水利水電建筑工程預算定額》[18]中人工挖土方Ⅰ和Ⅱ土類的人工費計算單位清淤成本為12.6元/m3。

2.2.3 保持土壤養分 根據研究區復墾土壤中N、P、K和有機質含量及其市場價格或“影子價格”，計算該效益。其估算公式[12]如下：

表1 西排土場復墾土地不同用地類型的土壤物理性質及營養元素含量Tab.1 Soil physical properties and content of nutrient elements in different reclaimed land uses in the western dump

式 4中，Vfi為保持土壤養分效益（元 /a）；WSNi、WSPi、WSKi、WSOMi分別為復墾后不同用地類型土壤 N、P、K、有機質平均含量（%），見表 1；R1、R2、R3分別為磷酸二銨含N量（%）、磷酸二銨含P量（%）、氯化鉀含K量（%），Pf1、Pf2、Pf3分別為磷酸二銨、氯化鉀化肥、有機質的平均價格（元/t），參考《森林生態系統服務功能評估規范》[15]中數據，R1、R2、R3分別取值 14%、15.01%、50%；Pf1、Pf2、Pf3分別為 2400元 /t、2200元 /t、320元 /t。

2.3 氣體調節

根據氣體調節量與“替代價格”估算氣體調節效益。本文利用生物量法[24]估算年氣體調節量。CO2替代價格確定方法有造林成本法、碳稅率法、人工吸收CO2成本法和避免損害費用法等。O2替代價格確定方法有造林成本法、氧氣的商品價格和工業制氧成本法等。植被恢復是礦區土地復墾工程重要內容之一，因此，本文使用造林成本法計算植被固定CO2和釋放O2價值。

2.3.1 固碳效益 根據光合作用化學方程式，森林植被每積累1 kg干物質可以固定1.63 g的CO2、釋放1.19 g的O2，土地復墾后排土場植被固定CO2價值的計算公式[22]為：

式 5中，Vci為固碳效益（元 /a）；1.63為形成 1 g干物質需要 CO2量；Bi為植被年凈生產力（t/（hm2·a）），據相關研究[24]推算研究區內復墾后不同用地類型的物質生產力分別為9.54 t/（hm2·a）、8.93 t/（hm2·a）、6.53 t/（hm2·a）；C1為固碳價格（元/t），取造林成本法固定1 t CO2成本為260.9元/t。

2.3.2 釋氧效益 復墾后植被（作物）的釋氧效益可用下式[22]計算：

式6中，Voi為復墾區各用地類型的年制氧效益（元/a）；Si為研究區林地、耕地、牧草地面積（hm2），采用復墾規劃各用地類型的面積；C2為制氧成本（元/t），取造林成本法提供1 t O2成本為352.93元/t。

2.4 營養物質循環效益

參與生態系統維持養分循環的物質種類繁多，現僅考慮主要元素N、P、K和有機質等。由植被年凈生產力和元素含量可計算出復墾土壤保持營養物質量。采用影子價格法[14]，定量估算該效益。其公式為：

式 7中，Vni為營養物質循環效益（元 /a）；Bi含義及取值與氣體調節效益中 Bi相同；WSN、WSP、WSK、R1、R2、R3、Pf1、Pf2、Pf3含義及取值與保持土壤養分涉及參數相同。

2.5 凈化地表水體

依據已有研究并結合研究區現狀，采用替代費用法[23]依據最優等效替代治理技術所需成本得到估算模型為：

式8中，Vpw為凈化地表水效益（元/a）；WT為研究區內達到國家環境標準的年涵養水源總量（t/a）；Ccs為凈化污水成本（元/t），采用網格法得出2007年全國大中城市居民用水平均價格2.09元/t[11]；Cht為重金屬廢水處理成本（元/t），采用生化法[20]進行重金屬廢水處理的成本2元/t。

3 結果分析

本文基于西排土場復墾后不同土地利用方式，建立相關的生態效益估算模型（式1—式8），結合數理統計方法及已有研究估算生態效益。結果如下：

（1）根據估算結果（表2），西排土場經土地復墾取得年生態效益為1586.5×104元/a。各效益構成按其價值量大小排序，依次為氣體調節＞涵養水源＞凈化地表水體＞保持土壤效益＞營養物質循環。

（2）由表3可知，西排土場單位面積年生態效益大小順序為：耕地＞林地＞牧草地。其中，氣體調節效益：林地＞耕地＞牧草地；涵養水源及凈化地表水體效益：耕地＞牧草地＞林地；營養物質循環效益：耕地＞林地＞牧草地；保持土壤效益：耕地＞牧草地≈林地。

表2 西排土場土地復墾的年生態效益值 單位：104元/aTab.2 The annual ecological benefits of western dump after land reclamationunit:104yuan/a

表3 單位面積復墾后各用地類型年生態環境效益值 單位：104 元/（hm·2a）Tab.3 Annual ecological benefits in each unit area of different land uses after reclamationunit:104yuan/（hm·2a）

4 結論與討論

4.1 結論

本文結合西排土場土地復墾生態系統結構、特征和生態過程建立生態效益評估指標體系，在分析各項生態效益評估方法及參數基礎上，計算不同土地利用方式下各項生態效益值并估算其總效益及單位面積生態效益，得出氣體調節和涵養水源效益所占比例較大，而保持土壤和營養物質循環效益較小。故加強復墾區水土保持措施和復墾土壤肥力研究是提高研究區生態效益的重要手段。應指出，牧草地生態效益總量較大是由于研究區在復墾初期大面積種植紫花苜蓿，既具有經濟效益又具有培肥土壤作用，可作為實現耕地占補平衡的主要來源。

不同土地利用方式對西排土場生態環境效益影響的差異揭示了土地復墾活動對環境變化的影響程度。由估算結果可知：林地在氣體調節方面作用顯著，而耕地在涵養水源等其他方面取得的生態效益也很明顯，這與近年來研究區重點發展農業和林業密切相關。研究區內牧草地作用主要體現在氣體調節和保持土壤上，可作為耕地后備資源。值得指出的是，在營養物質循環方面，三種利用方式下單位面積復墾土地取得效益及其在總效益中所占比例都很小，不利于土地可持續利用。因排土場受人為擾動影響較大，并且對外界具有極強的依賴性，如客土、施肥、灌溉等措施，因此加強復墾后礦區土地營養物質循環能力研究對維持該生態系統穩定性具有重要作用。

4.2 討論

本文生態效益估算不僅考慮研究區土壤的特殊性，也考慮了復墾后各用地類型在功能上的差異，使結果更能反映復墾區域實際情況，通過分析不同估算方法適用范圍、可操作性和實用性差異，運用市場價值法、影子價格法、工程替代法、造林成本法等價值確定方法，選擇適宜的估算方法及參數定量估算，使所建立估算模型適合不同用地類型的生態條件，估算結果更客觀。另外，指標及參數選取方面尚未統一，會影響各項研究結果的準確性，評價參數選擇差異可能導致結論出現偏差，因此建立和完善價值評估標準尤為重要。由于復墾后情況復雜及現有數據資料有限，本文僅估算研究區內林地、耕地和牧草地3種用地類型5項主要功能取得的生態環境效益。

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