特大型露天煤礦區生態系統演變及其生態儲存估算

張笑然,白中科,2,*,曹銀貴,2,趙中秋,2,盧元清,潘　健

1 中國地質大學(北京),土地科學技術學院, 北京　100083 2 國土資源部, 土地整治重點實驗室,北 京　100035

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特大型露天煤礦區生態系統演變及其生態儲存估算

張笑然1,白中科1,2,*,曹銀貴1,2,趙中秋1,2,盧元清1,潘健1

1 中國地質大學(北京),土地科學技術學院, 北京100083 2 國土資源部, 土地整治重點實驗室,北 京100035

露天煤礦區生態系統在人為干擾下具有特殊的演變過程。從土地利用變化的角度描述礦區生態系統演變及生態水平變化,旨在為特大型露天煤礦區生態系統研究提供科學依據。以山西省朔州市平朔大型露天煤礦區為研究對象,以1986年、2000年、2013年的遙感影像為主要數據源,在分析研究區近30年土地利用特征的基礎上,探討礦區生態系統的演變過程;同時利用生態儲存模型定量分析礦區生態系統在研究時段內所處的水平。結果表明：(1)1986—2013年耕地和林地大幅減少,城鎮建設用地和采礦造成的損毀土地面積迅速增加;(2)礦區生態系統各子系統用地之間的轉化均較為活躍,城鎮擴張、采礦活動加劇、損毀土地復墾是造成這一現象的主要原因;(3)平朔礦區生態系統演變可劃分為原地貌階段、損毀階段、重建階段;(4)研究區生態儲存狀態呈惡化趨勢,生態儲存轉化表現為逆向過程,生態儲存能力增強。研究結果可為中國特大型露天煤礦區生態系統研究提供科學依據。

露天煤礦區;生態系統演變;生態儲存;生態系統服務價值;土地利用轉換

礦區生態系統是在礦區范圍內自然環境系統和以礦產資源開發利用為主導的社會環境系統相互作用而形成的復合生態系統[1],其演變是一個由低到高的過程,一般經歷原始型、掠奪型、協調型這3種狀態[2]。在露天煤礦區,由于受到大規模礦產資源開發活動的劇烈擾動,區域內土壤和植被遭到破壞、水熱結構發生改變、生態環境受到污染,整個生態系統處于極度破損的狀態[3]。開展有關露天煤礦區生態系統演變的研究,有助于深入了解該區域內各種生態過程及其相互關系[4],準確認識礦業活動對本地生態系統結構和功能的干擾效應[5],把握不同資源開發階段礦區生態環境存在的問題及原因[6],為礦區土地復墾和生態重建工作提供指導。

露天煤礦區是一個特殊的土地利用研究單元,礦產資源開采過程中伴隨的土地挖損、壓占、占用等劇烈擾動使本區土地景觀格局發生劇烈變化[7]。由于土地利用類型與生態系統類型具有很高的匹配度[8],土地利用變化將改變生態系統類型、格局和過程,并最終影響區域生態系統服務功能[9- 12]。因此,通過土地利用變化反映生態系統的發展過程為生態系統演變研究提供了切實可行的思路[13-14]。從研究成果來看,主要集中在定量表達土地利用結構改變引起的生態系統服務變化這一方面[15-21]。從研究思路來看,多以分析區域土地利用結構變化為基礎、以Costanza等[22]和謝高地等[23]對生態系統服務價值的估算成果為依據,或直接測算、或修正后估算研究區生態系統服務價值。同樣以生態系統服務價值理論為研究基礎,張建軍等則提出“生態儲存估算模型”以表達生態系統服務價值的靜態狀況、動態變化、以及未來轉換的可能性,并以礦業城市為例進行應用研究[8]。本文嘗試將該模型運用到平朔特大型露天煤礦區,以反映礦區生態系統服務價值的演變情況。從研究對象來看,總體以大尺度區域生態系統為主[24- 26],尤以全球與國家尺度為甚[27];少部分為農田、森林等生態子系統[28- 29],類似礦區尺度的研究較為少見。

平朔礦區是中國大型的露采煤炭基地之一,地處黃土高原晉陜蒙接壤的“黑三角”地帶,煤炭儲量豐富[30];礦區內原地貌、損毀地、復墾地并存,土地利用景觀格局朝著復雜化和多樣化發展[31];礦區采用我國自主設計的露井聯采工藝,生產與開發的現代化程度較高[32];煤炭資源開采帶動當地經濟模式多樣化發展[33]?？梢?平朔礦區不僅屬于典型的半自然半人工生態系統,也是中國中西部露天煤礦區生態系統的縮影。有關平朔礦區生態系統演變及服務價值的研究具有一定的代表性和示范性。本文立足土地利用變化分析近30年來平朔礦區生態系統的演變過程,并采用生態儲存模型對礦區生態水平進行定量分析,旨在為特大型露天煤礦區土地復墾與生態恢復研究提供科學依據。

1　研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

平朔礦區位于山西省朔州市平魯區東南部,西北沿長城與內蒙古自治區接壤,西南與本省忻州地區相鄰,東連山陰縣,北接右玉縣,東經111°58′—112°30′,北緯39°23′—39°37′。平朔礦區所在地屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候,冬春干旱少雨,夏秋降水集中;年平均氣溫5.5℃,年均降雨量410.6mm。礦區地帶性土壤為栗鈣土和黃綿土,植被稀少,水蝕風蝕嚴重,沖刷劇烈,是典型的黃土高原生態脆弱區。平朔礦區勘探面積380km2,探明地質儲量127.5億t;主要包括安太堡、安家嶺、東露天3座特大型露天煤礦,井工一礦、井工二礦、井工三礦3座大型現代化井工礦,5座配套洗煤廠和2條鐵路專用線,是中國目前規模最大、現代化程度最高的露井聯采煤礦區。

圖1　研究區地理位置示意圖Fig.1　Location of the study area

平朔礦區的開發導致礦區內及周邊的村莊搬遷。自1986年以來,在平朔礦區內已先后發生4次村莊搬遷。前3次搬遷人口安置地點分別為安太堡新村(井坪鎮南部)、井坪鎮內、坪北文苑安置小區(井坪鎮北部),涉及14個行政村,8400余人。第4次搬遷正在進行中,計劃征地15.4km2,涉及6個村莊,近6000人。因此,本文將位于平朔礦區外、但受村莊搬遷影響的區域納入研究范圍,具體研究區包括整個平朔礦區,并涉及周邊6個鄉鎮,即：井坪鎮、白堂鄉、陶村鄉、向陽堡鄉、榆嶺鄉、下面高鄉,研究區總面積為517.48km2。具體位置如圖1所示。

1.2數據來源與處理

以研究區1986年、2000年、2013年的遙感影像為主要數據源,具體參數信息見表1;以ENVI4.8軟件為操作平臺,對影像進行預處理,主要包括大氣輻射校正、幾何校正、影像裁剪等操作,并采用人工神經網絡(Artificial Neural Net)分類與目視解譯相結合的方法,獲得研究區在這3個時段的土地利用數據;結合研究區自身特點,參考《土地利用現狀分類標準(GB/T 21010—2007)》,將研究區土地利用類型劃分10類,分別是耕地、草地、林地、城鎮用地、農村居民點、交通運輸用地、露天采坑、排土場、剝離區、工業場地;影像分類結果的Kappa系數在0.85以上,滿足本研究對數據精度的要求。

表1　遙感影像參數信息

2　研究方法

生態儲存描述的是土地利用變化與其生態響應之間的相互關系,是由過去、當前及未來可能的自然活動和人類活動共同決定的土地利用數量、質量、類型及分布所引起的生態變化的綜合表達[34]。根據張建軍等的研究,生態儲存估算模型包括狀態模型、過程模型和能力模型。其中,生態儲存狀態是對研究區域生態儲存狀況的靜態描述,反映區域綜合生態儲存水平,由區域內一種或幾種占優勢的土地利用類型所決定;生態儲存過程描述的是研究區域在研究時段內一種生態系統向另外一種生態系統轉換時生態儲存的動態變化情況;生態儲存能力(Ecological Storage Capacity)是對研究區生態儲存在未來某時段發生轉換的可能性估算[8]。本研究即采用這3個模型對平朔礦區生態系統生態儲存狀況分別進行量化分析。

(1)狀態模型

(1)

式中,ESS表示研究區的生態儲存狀態,Ai表示研究區內第i種土地利用類型面積,VCi表示與第i種土地利用類型相對應的價值系數,Ny表示估算研究區域生態儲存狀態的年份數(通常估算的為某一年的生態儲存狀態,此處取1)。

生態儲存狀態值越高,說明研究區域的生態功能狀態越好,生態儲存量越大;反之,生態狀態越差,生態儲存量越小。

(2)過程模型

(2)

式中,ESTA表示一定時期內研究區的生態儲存轉化量,ESTR表示一定時期內研究區的生態儲存轉化率,VCi表示某種土地利用類型轉換前的生態服務功能的價值系數,VCj表示該種土地利用類型轉換后的生態系統服務功能的價值系數,Ai→j表示該種土地利用類型的轉換面積,ESS0表示該種土地利用類型在研究初期的生態儲存狀態(由于生態儲存狀態可能存在負值,故本文取其絕對值參與計算)。

生態儲存轉化量和生態儲存轉化率均包括正向變化和負向變化,其正向值越大,表明區域生態儲存朝積極方向發展的能力越大;其負向值越小,表明區域生態儲存朝消極方向變化的能力越大。

(3)能力模型

(3)

其中,

式中,ESC為研究區的生態儲存能力,ai為第i種土地利用類型的面積,n為研究區生態系統類型的個數,m為研究區各生態系統轉化后生態系統類型的個數,n1,n2,…,nn為一種生態系統可能轉化為其他生態系統的個數,P為各土地利用類型面積占研究區總面積的比率構成的概率矩陣,T為土地利用類型極端轉化后的平均生態儲存能力矩陣。

3　結果與分析

3.1礦區土地利用與生態系統演變3.1.1礦區土地利用狀況

根據遙感影像的分類結果,對礦區各研究時段的土地利用情況進行統計,如表2所示。近30年來,耕地和林地大幅減少,其中耕地面積減少10458.33hm2,林地面積減少2299.97hm2。草地面積由1986年的10655.54hm2急劇增加至2000年的14840.15hm2,到2013年時緩慢減少為14216.94hm2,1986—2013年間總體增長3561.40hm2,這是由于研究區地處黃土高原生態脆弱區,嚴重的水土流失易導致耕地和林地逐漸變為荒草地。城鎮用地、農村居民點和交通運輸用地始終處于增長狀態,其中城鎮用地面積增加993.91hm2,農村居民點面積增加1862.35hm2,交通運輸用地面積增加249.00hm2;平魯區逐漸加大的人口壓力及不斷提高的城鎮化水平是其主要原因。露天采坑、剝離區、排土場、工業場地經歷了從無到有、面積迅速增加的過程,2000年這4種地類的面積僅為535.08、592.59、594.26、403.89hm2,至2013年分別增長為992.07、1461.64、1980.70、1657.23hm2,增幅分別為456.99、869.05、1386.44、1253.34hm2;平朔礦區于1987年開始開采,采礦活動帶來的地表挖損、地面壓占、土地占用使得采礦核心區土地利用結構發生巨大變化,2013年露天采坑、剝離區、排土場、工業場地的總面積超過同年城鎮用地、農村居民點、交通運輸用地面積的總和,占研究區總面積的11.77%。平朔礦區在1986年、2000年、2013年的土地利用狀況如圖2所示。

表2　1986—2013年礦區土地利用變化情況

圖2　各研究時段礦區土地利用現狀圖Fig.2　Maps of land use in study area in each period

3.1.2礦區生態系統演變

白中科等在野外實驗的基礎上分析平朔礦區生態系統受損特征,進而將礦區生態系統演變劃分為3個階段、4個類型[35]。本文則從土地利用變化的角度分析礦區生態系統的演變過程。目前,土地利用類型劃分的主要依據是土地利用單元用途或功能的差異性[36]。而陸地生態系統一般可分為森林生態系統、灌叢生態系統、草地生態系統、荒漠生態系統、濕地生態系統、農田生態系統、城市生態系統等7類,與土地利用類型之間可實現合理匹配。本研究區的土地利用類型與生態系統類型的匹配如表3所示,其中采礦用地由剝離區、排土場、露天采坑、工業場地組成,并對應到工業生態系統上。

本研究通過各子系統間的轉化情況反映礦區生態系統在研究時段內的演變過程(表4,表5)。從表4可以看出,1986—2000年各子生態系統用地之間的轉化較為活躍。1)農田生態系統用地向其他子系統總共轉出5373.50hm2,沒有出現轉入情況,農田向森林和草地子系統轉化是受到退耕還林還草政策和當地水土流失的雙重影響。2)森林和草地子系統用地之間的轉化顯著,其原因一是人為砍伐樹木導致林地變為荒草地,二是受遙感影像分辨率的限制以及影像解譯過程中同物異譜、同譜異物易導致林草地錯分。3)城鎮生態系統用地在1986年的基礎上擴張明顯,其面積增加來源于農田、森林、草地這3個子系統,其中農田生態系統的轉化量最大,為1007.19hm2,森林和草地子系統轉化量相當,分別為136.14hm2和106.93hm2;城鎮生態系統用地沒有轉出情況。4)工業生態系統用地經歷了從無到有的過程,且面積大幅增加,轉化來源與城鎮生態系統相同,為農田、森林、草地這3個子系統,轉化量的分配也較為相似,即農田生態系統的轉化量最大,為1382.84hm2,森林和草地子系統轉化量非常接近,分別為344.83hm2和398.16hm2;工業生態系統用地同樣沒有發生轉出。

表3　平朔露天礦區土地利用類型與生態系統類型的匹配

表4　1986—2000年礦區子生態系統用地轉化情況

從表5可以看出,2000—2013年各子生態系統用地間發生了更為劇烈的轉化。1)農田生態系統用地依然是轉出量最大的類型,為5069.77hm2;同時出現轉入情況,即工業生態系統用地中有254.94hm2流向農田生態系統,這是10多年間礦區排土場復墾的成果。2)森林生態系統用地共轉出1599.84hm2,草地生態系統用地共轉出1917.25hm2,城鎮擴張和采礦活動加劇是導致林地和草地減少的根本原因。3)城鎮生態系統用地增加的來源依然是農田、森林和草地生態系統,農田生態系統的轉化量最大,為1290.67hm2,其次是草地生態系統轉化量,為634.64hm2,森林生態系統只有125.71hm2的轉化量;城鎮生態系統用地向森林生態系統轉出196.02hm2,道路兩側和居民點周圍綠化率的提高是主要原因。4)工業生態系統的轉出和轉入均比較顯著,農田、森林和草地生態系統用地向工業生態系統均有大量的轉化,其中農田生態系統用地的轉化量占總轉入量的50.18%;工業生態系統的轉出方向是農田、森林和草地生態系統,轉出量分別為254.94、384.48、105.33hm2,其主要原因是安太堡露天礦的南排土場、西排土場、內排土場的復墾效果已非常明顯,而最晚進行復墾的安太堡西排土場擴大區也已初見成效。

表5　2000—2013年礦區子生態系統用地轉化情況

根據上述各生態系統用地在1986—2013年間的轉化情況,結合平朔礦區有關未來生態功能區劃的資料,將平朔礦區生態系統演變劃分為3個階段：原地貌階段、損毀階段、重建階段,其與土地利用結構變化之間的關系如圖3所示。

3.2礦區生態儲存估算

參考謝高地等對中國不同陸地生態系統服務價值的研究成果[23],結合以往有關平朔礦區生態系統服務價值的研究[37],將平朔礦區生態系統服務劃分為氣候調節、氣體調節、水源涵養、土壤形成、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、原材料生產、娛樂文化。根據謝高地等提出的全國平均狀態下不同陸地生態系統單位面積生態系統服務價值表及生物量因子修正法[23,38],確定研究區單位面積農田、森林、草地生態系統服務價值(表6)。謝高地等的成果沒有對城鎮生態系統和工業生態系統的服務價值進行說明,目前相關研究也比較少見;因數據獲取的有限性,參考張建軍的成果[8],確定城鎮和工業生態系統各項服務的價值,如表6所示。

圖3　平朔礦區生態系統演變與土地利用結構的關系Fig.3　Relationship between ecosystem evolution and land use structure in Pingshuo mining area

生態系統功能Ecosystemfunction農田生態系統Farmlandecosystem森林生態系統Forestlandecosystem草地生態系統Grasslandecosystem城鎮生態系統Urbanecosystem工業生態系統Industrialecosystem氣體調節Gasregulation203.51424.5325.6-48.4-1380.3氣候調節Climateregulation362.31099.0366.300水源涵養Waterconservation244.21302.5325.6-1919.16-14542.0土壤形成Soilformationandprotection594.31587.4793.700廢物處理Wastetreatment667.6533.2533.2-93.8-10128.6生物多樣性保護Biodiversityconservation289.01326.8443.6300.8300.8食物生產Foodproduction407.140.7122.100原材料生產Rawmaterialproduction40.71058.520.400娛樂文化Entertainmentculture4.0518.116.200總計Total2812.78890.72946.7-1760.5-25750.7

3.2.1生態儲存狀態

利用公式1分別計算研究區各研究時段的生態儲存狀態(表7),1986年為0.3782萬元/hm2,2000年為0.2252萬元/hm2,2013年為-0.0116萬元/hm2。生態儲存量呈下降趨勢,這是因為自礦區開始開采以來,采礦活動的劇烈程度逐漸增加,導致礦區損毀土地的面積持續擴大,進而使研究區的生態功能狀態越來越差;城鎮建設用地的大幅度增加也導致積極的生態系統用地面積減少,對礦區生態水平產生了不利影響。1986—2000年間生態儲存量的年下降率為0.0109萬元/hm2,2000—2013年間的年下降率為0.0182萬元/hm2?？梢?生態儲存的惡化速度有加快的趨勢,其主要原因是1998年之前只有安太堡露天礦在開發,而1998年之后安家嶺露天礦和東露天礦相繼投產,即三大露天礦同時在生產建設,對礦區土地損毀的程度加劇。

表7　平朔礦區生態系統生態儲存狀況

3.2.2生態儲存過程

生態儲存過程是通過研究區的生態儲存轉化情況來實現的,利用公式2分別計算1986—2000年、2000—2013年這2個時段的生態儲存轉化量和生態儲存轉化率(表7)。平朔礦區在2個研究時段的生態儲存轉化量和生態儲存轉化率均為負值,可知1986—2013年間整個生態系統總體為逆向轉化。1986—2000年間,總生態儲存轉化量為-0.1530萬元/hm2,總生態儲存轉化率為-40.45%;其中,積極的轉化量為0.0200萬元/hm2,轉化率為5.29%,消極的轉化量為-0.1730萬元/hm2,轉化率為-45.74%。積極的生態儲存轉化主要得益于平魯區于20世紀90年代末實行的退耕還林政策,但由于政策推行較晚,該研究時段積極的轉化量較少。2000—2013年間總生態儲存轉化量為-0.2368萬元/hm2,總生態儲存轉化率為-105.15%;其中,積極的轉化量為0.0605萬元/hm2,轉化率為26.87%,消極的轉化量為-0.2973萬元/hm2,轉化率為-132.02%。此階段積極的生態儲存轉化來源于退耕還林政策的大力推行,礦區若干排土場復墾也初見成效,因此積極轉化較上一階段得到較為明顯的提高。1986—2000年、2000—2013年的消極生態儲存轉化均來自研究區內城鎮擴展和采礦損毀土地大幅增加;且2個階段內采礦活動對研究區生態儲存狀況的影響均大于城鎮擴張產生的影響,這是由于工業生態系統服務價值遠小于城鎮生態系統服務價值,從而工業生態系統對整個區域產生的更為惡劣的負面影響。

3.2.3生態儲存能力

利用公式3分別計算1986—2000年、2000—2013年研究區的生態儲存能力(表7)。2個階段的生態儲存能力分別為-0.3266萬元、-0.2514萬元;二者均為負值,說明研究區生態儲存狀況在研究時段內處于消極水平;但2000—2013年的生態儲存能力大于1986—2000年的生態儲存能力,說明研究區生態儲存惡化有減緩的趨勢。礦區生態儲存能力是對生態系統良性發展的可能性的表達,其高低由生態系統結構決定。在1986年,農田、森林、草地生態系統的用地面積占整個研究區的98.94%,這些位于黃土高原的原地貌生態系統極度脆弱,輕微干擾也可導致生態水平下降,且一旦遭到破壞很難短時間內自然恢復,因此這些生態系統保持較高生態水平的潛能很差,即生態儲存能力差。在2013年,城鎮生態系統和工業生態系統用地面積得到大幅增長,造成一定程度的土地損毀;但經土地復墾后生態系統類型趨于多樣化,結構更加穩定,重建生態系統的生態儲存遠高于原地貌水平。因此,在研究時段內,雖然整個研究區的生態儲存狀態呈下降趨勢,生態儲存過程也表現出逆向過程,但由于土地復墾成效顯著,使得研究區的生態儲存能力越來越好。

4　結論與討論

圖4　平朔礦區生態系統演變生命周期與煤炭產業發展的關系Fig.4　Relationship between lifecycle of ecosystem evolution and development of mining industry in Pingshuo mining area

(1)露天煤礦區生態系統演變與土地利用-覆被變化之間有著密切的關系,直觀的土地利用變化可反映礦區生態系統的演變過程與特征。平朔礦區生態系統演變可劃分為原地貌階段、損毀階段和重建階段,而煤炭產業的發展也因資源的有限性而必然經歷新建、形成、發展、穩定和衰退等階段[39],二者均具有明顯的生命周期特征,其對應關系如圖4所示。平朔礦區有安太堡、安家嶺、東露天三大露天煤礦,分別于1987年、1998年、2009年開工建設。到2013年,三者均已歷經基建期與過渡期,安太堡和安家嶺露天礦處于達產期,東露天礦則處于達產初期。就土地利用而言,三大露天煤礦的開發造成嚴重的土地損毀,在短時間內改變了平朔礦區生態系統的景觀格局[31]。隨著煤炭資源開采對礦區生態系統的負面影響逐步加大,土地復墾與生態重建成為礦區生態環境改善的必然途徑[40]。平朔礦區的土地復墾與生態重建工作主要從地貌重塑、土壤重構、植被重建這3個方面展開,對應工程措施分別為排土場構筑、黃土母質直接覆蓋與土壤培肥、喬灌草植被種植模式配置[41]。在上述過程中,損毀土地面積逐漸減少,復墾地表層土壤質量不斷提升,并接近原地貌[42]。在保證礦區重建生態系統安全穩定的前提下,科學規劃礦區生態系統功能分區,最終實現景觀再造、生物多樣性重組,重建生態系統的服務功能遠超原始脆弱生態系統[43]。

(2)研究區生態儲存狀態呈惡化趨勢;生態儲存轉化表現為逆向過程,但由于退耕還林政策的推行和損毀土地的復墾,積極的生態儲存轉化有明顯提高;生態儲存能力逐步變好,生態系統良性發展的可能性大。從生態儲存模型的原理以及各生態系統的服務價值來看,農田、森林、草地生態系統的服務價值為正值,城鎮和工業生態系統的服務價值為負值,因此農田、森林、草地生態系統用地向城鎮和工業生態系統用地轉化將導致整體生態儲存狀況惡化。具體原因如下：1)耕地大幅減少。首先,平魯區6°以上的坡耕地占全區耕地面積的74.5%[44],在積極推行生態退耕政策的背景下,大量坡耕地轉為林草地[32];同時嚴重的撂荒現象也導致耕地總量下降[45]。其次,城鎮建設用地的擴張也加速耕地減少。最后,露天開采引起地表劇烈擾動,造成耕地損毀。就研究區而言,1986—2013年間共有4668.59hm2耕地轉化為林地和草地;建設用地增長占用耕地面積達2297.86hm2,占2013年建設用地總面積的62.93%;采礦損毀耕地共計3746.82hm2。2)城鎮用地和農村居民點顯著增長,主要受人口和社會經濟發展的影響[46]。根據統計年鑒,平魯區總人口由2000—2012年共增加17.7%,非農人口則增長近2.5倍;2006—2012年間平魯區國民生產總值增長12.3倍。另外,平魯區大力推行新農村建設,促進農村居民點面積增加;但農村建設用地低效閑置狀況較為嚴重,農村居民點用地布局分散,土地利用集約水平低[44]。1986年研究區農村居民點占全區總面積的0.3%,到2013年增長至3.9%,增長13倍。3)損毀土地范圍逐年擴大。自1987年安太堡露天礦開工建設以來,露天采坑、排土場、剝離區、工業場地等損毀土地的面積持續增長,到2013年占研究區總面積的11.77%。1987—2000年間,露天開采以安太堡礦為主,損毀土地增幅4.1%;2000—2013年間安家嶺礦和東露天礦相繼投產,三大露天礦同時開采,損毀土地增長迅速,增幅達7.67%。

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Ecosystem evolution and ecological storage in outsize open-pit mining area

ZHANG Xiaoran1, BAI Zhongke1,2,*, CAO Yingui1,2, ZHAO Zhongqiu1,2, LU Yuanqing1, PAN Jian1

1SchoolofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China2KeyLabofLandConsolidation,MinistryofLandandResourceofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100035,China

Open-pit mining area is an area greatly disturbed by human activities. Landscape change in this area, caused by large-scale exploitation of mineral resources, leads to differences in ecosystem evolution between mining area and the natural environment. The ecosystem in a mining area plays a significant role in the human society. Its healthy development contributes significantly to the sustainable economic development of the whole society. In order to better understand the ecosystem in a mining area and provide scientific basis for its management, it is necessary to analyze and evaluate evolution process. This paper analyzes the process of ecosystem evolution and calculates the ecological storage in the Pingshuo outsized open-it coalmine in Shanxi Province, China. The ecological storage model, which is based on the theory of ecosystem service value, comprises state evaluation, process evaluation and capability evaluation, and describes the ecological condition of study area with respect to the static state, changes and conversion direction. The land use information studied herein was extracted from remote sensing images made in 1986, 2000 and 2013. The results indicate the following: 1) The area of arable land and forestland decreases sharply, while urban and rural construction land and destruction land increase dramatically. 2) The evolutionnary process of ecosystem in the Pingshuo mining area can be divided into three stages: the origin stage, the destruction stage, and the reconstruction stage. The characteristics of land use in each stage are different as the diversity of landscape increases 3) The ecosystem types of the Pingshuo mining area include farmland, forest, grassland, urban, and industrial ecosystem. The conversions among these ecosystem types in the periods 1986—2000 and 2000—2013, caused by urban expansion, severe mining activities and land reclamation were very active; 4) The ecological storage state shows a trend of deterioration, the ecological storage process presents a reverse process, and the ecological storage capacity influenced by land reclamation and eco-engineering tends to be higher. In addition, of the image of the ecosystem evolution cycle has been mapped according to the development of mining industry. The image indicates that: the evolution of an ecosystem in open-pit mining area reflects the change in land use; the results of the ecological storage model are in relative accordance with the current conditions at the mining site; and timely and effective land reclamation and other eco-engineering practices can improve the ecological condition of a mining area. This paper presents the first systematic analysis of the evolutionary process of the ecosystem in the Pingshuo mining area relative to the change in land use, and employs for the first time the ecological storage model on the open-pit mine to evaluate the ecological condition of an outsized open-pit coalmine. The findings of this paper provide

for land reclamation and ecological restoration of outsize open-pit mining areas in China.

open-pit mining area; ecosystem evolution; ecological storage; ecosystem services value; land-use transformation

國土資源部公益性行業科研專項(201411017); 2014年全國生態修復研究生論壇支持項目

2015- 01- 26; 網絡出版日期:2015- 11- 30

Corresponding author.E-mail: baizk@cugb.edu.cn

10.5846/stxb201501260205

張笑然,白中科,曹銀貴,趙中秋,盧元清,潘健.特大型露天煤礦區生態系統演變及其生態儲存估算.生態學報,2016,36(16):5038- 5048.

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