基于GIS的土地利用變化對礦區生態系統服務價值的影響

金輝，李晉陵，韓偉宏，邢虹娟，郭軍玲

（1.山西省農業科學院農業資源與經濟研究所，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

基于GIS的土地利用變化對礦區生態系統服務價值的影響

金輝1，李晉陵1，韓偉宏1，邢虹娟1，郭軍玲2

（1.山西省農業科學院農業資源與經濟研究所，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

運用GIS技術對山西繁峙縣金方圓礦區土地復墾方案（2013—2028年）的土地利用數據進行處理，對研究區進行生態系統服務價值估算，分析了礦區土地利用類型變化及其所引起的生態系統服務價值的變化。結果表明，2013—2028年間土地利用類型變化較大，其他草地、采礦用地、其他林地和裸地呈減少趨勢，有林地、灌木林地、人工牧草地呈增加趨勢；土地利用類型變化主要是其他草地和采礦用地向人工牧草地、灌木林地和有林地轉變，其中，以其他草地和采礦用地減少為主，人工牧草地呈平穩增加趨勢；期間生態系統服務價值呈現先下降后升高的趨勢，研究區內生態系統服務價值占比以林地和草地為主。礦區土地復墾方案的實施，驅使土地利用類型向著耕地、有林地和草地等生態系統服務價值系數較高的地類轉變，不斷提高礦區生態系統服務價值總量，對保障區域生態安全和生態系統可持續發展具有重要意義。

GIS；土地利用；礦區；生態系統服務；價值

礦產資源是社會發展和經濟建設的重要物質基礎，礦產資源的合理、高效開發利用極大地推動了社會經濟發展，但伴隨而來的礦區土地退化和環境惡化等給生態環境帶來了巨大的壓力[1-2]。土地復墾能夠有效、快速且明顯地恢復和提高土地可持續利用能力，提高土地生產率和利用率，保護和增值自然資源，進而增強經濟、生態、社會綜合效益[3]。土地復墾規劃是以最大程度恢復礦山生態系統功能為根本目標，對礦山生態恢復起到指導和約束的作用，同時規劃的實施將有效提升礦區生態系統服務價值，極大地緩解礦區土地破壞給環境帶來的壓力[4]。Costanza等較早對全球生態系統服務與自然資本價值估算進行了研究，推動了關于生態系統服務在全球的廣泛研究，我國眾多學者也分別對青藏高原、陸地、平原等不同生態系統進行了評價[5-10]。生態系統服務功能是指自然生態系統所提供的可以滿足和維持人類生活所需的條件和過程[11-13]，土地利用/覆蓋變化能改變生態系統的結構、過程和功能，進而影響生態系統服務[14-16]，因此，針對山西工礦區待復墾面積大、復墾率低的現狀[17-18]，可對復墾前后不同時期生態系統服務進行定量測算以反映礦區土地利用結構的變化以及礦山生態環境治理所取得的效果，引導生態環境朝著生態系統服務價值提升的土地利用方向進行恢復治理，對保障區域生態安全和可持續發展具有至關重要意義，促進縣域經濟與生態環境健康可持續發展[19-20]。

本研究以忻州市繁峙縣金方圓礦區為研究對象，應用土地利用現狀及復墾規劃資料，定量計算和分析礦區復墾過程中土地利用變化所導致的生態系統服務價值的變化，從生態經濟價值的角度研究礦區生態復墾為環境帶來的貢獻，為礦區土地生態恢復治理提供科學決策依據。

1 研究區域概況

繁峙縣金方圓礦業有限公司鐵礦位于繁峙縣城214°方向，直距約15 km處，官地村西南3.5 km處，行政區劃隸屬于繁峙縣巖頭鄉管轄。礦區中心地理坐標為東經113°15′13″，北緯39°04′55″，面積為2.49 km2。屬暖溫帶半干旱季風氣候，四季分明，夏秋濕潤多雨，冬季干燥寒冷。多年平均氣溫6.9℃，最高氣溫35.5℃，最低氣溫-32.5℃；多年平均降水量565.8 mm，最大年降水量為914.4 mm，最小年降水量為265.7 mm，降水主要集中在7—9月，約占全年降水量的70%；年蒸發量為1 600～1 800 mm，年日照2700～2900h，≥10℃積溫2600～3500℃，無霜期120 d。地勢高峻而起伏不平，地形切割強烈，土壤分布主要類型為中性粗骨土和石灰性褐土。項目區所在巖頭鄉總面積315 km2，2014年巖頭鄉財政收入4 654萬元，人均收入4 351元，人均耕地0.16 hm2。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以《繁峙縣金方圓礦業有限公司鐵礦項目土地復墾方案》（2013—2028年）、2013年度繁峙縣土地利用現狀圖、遙感影像、野外實地調查為主要數據來源，同時根據需要搜集的繁峙縣2010—2014年糧食總產量、糧食作物播種面積、農業總產值等社會經濟數據來源于《山西省統計年鑒》（2011—2015年）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化土地利用動態模型反映研究時間域內土地利用類型面積的變化速度。即在某一段時期內，某種土地利用類型面積變化量與初始值的比值。其表達式如下。

其中，K為研究時間區段內土地利用類型時間區間變化率；Ua，Ub分別為研究時間區段初期和末期的土地利用類型面積。本研究中以時間區間為單位，所以，K值為該研究區域某種土地利用類型面積的區間變化強度。

為反映某土地利用類型的變化劇烈程度，采用公式（2）表示某一土地類型變化的動態度（Rss）。

其中，ΔUin為在一定時期內其他地類轉變為該類型土地的面積之和；ΔUout為在一定時期內某一地類轉變為其他地類的面積之和；Rss≥0，當Rss趨于0時，說明在研究時段內，該類型土地面積變化極小，Rss數值越大，表明該類型土地面積的變化程度愈劇烈。

2.2.2 土地生態系統服務價值參考Costanza的生態系統服務價值計算公式，結合繁峙縣社會經濟數據和土地利用等相關資料，對生態服務價值進行參數修正，計算得出礦區生態系統服務價值。

式中，ESV代表生態服務價值；AR代表R類土地利用類型的面積（hm2）；VCR為土地利用類型的生態服務系數（元/（hm2·a））。

2.3 技術路線

本研究參考Costanza對生態系統服務價值的估算模型，結合社會經濟數據、礦區土地利用數據和生態系統服務價值評估體系，引用謝高地等[21]對中國生態系統服務價值估算當量表，將重新分類的土地利用類型與Costanza等研究全球生態系統分類進行比對，對單位面積各地類生態系統服務功能進行估價，即確定項目區各類土地利用類型的生態系統服務價值系數，得出區域生態系統服務價值多元一次函數關系式；利用遙感影像、空間數據和ArcGIS軟件對各項空間數據和屬性數據進行處理，建立礦區生態系統服務價值評價數據庫，得出礦區生態系統服務價值匯總數據及相關圖件，以便進一步分析研究區域生態系統服務價值的變化情況，評估復墾規劃目標對生態系統的貢獻價值量，技術路線如圖1所示

。

3 結果與分析

3.1 土地利用狀況分析

由表1和圖2可知，項目區土地現狀以其他草地和采礦用地為主，占項目區總面積的67.08%，其次是林地、裸地和農村道路，同時有少量耕地、村莊分布。根據復墾方案的規劃，2013—2028年間土地利用方式轉變最主要的是：（1）其他草地、采礦用地減少，其中，其他草地面積減少31.07 hm2，采礦用地面積減少12.58hm2，其他林地和裸地減少面積較小，僅為3.48，0.31 hm2；（2）人工牧草地、灌木林地和有林地增加，其中，人工牧草地面積增加35.80 hm2，有林地和灌木林地面積分別增加了4.79，6.83 hm2。通過規劃實施，對礦區損毀土地復墾，在保證項目實施后耕地面積不減少的基本原則下，將已損毀土地根據復墾適宜性恢復為林地和人工牧草地，有效增加項目區生態綠地面積。

表12013 —2028年礦區土地利用的年際變化hm2

在礦區生產過程中實施“邊生產、邊治理”的策略，2013—2019年以土地占用為主，復墾工作逐步開展，采礦用地面積增加27.18 hm2用于礦區開采作業，因土地占用，其他草地面積減少31.07 hm2，其他林地面積減少3.48 hm2，旱地和裸地面積分別減少0.22，0.31 hm2，期間通過恢復治理，人工牧草地增加7.70hm2，灌木林地面積增加0.19hm2；2019—2025年土地利用方式轉變因工程復墾而由建設用地向生態用地轉變，期間采礦用地面積減少了20.39 hm2，復墾為人工牧草地面積14.69 hm2，有林地和灌木林地面積分別增加2.29，3.42 hm2；2025—2028年為項目區復墾收官階段，所有損毀土地都將恢復為農用地，本階段采礦用地面積再減少19.37 hm2，恢復旱地面積0.22 hm2，有林地面積2.50 hm2，灌木林地3.22 hm2，人工牧草地13.41 hm2，至此因礦區開采作業損毀土地均已完成生態恢復，主要以人工牧草地為主要恢復地類，有效增加了礦區植被覆蓋。

3.2 土地利用變化率和動態度分析

從圖3可以看出，2013—2019年，礦區采礦用地面積變化率最大，為45.3%，其次是其他草地，為-29.02%，旱地、灌木林地、其他林地和裸地變化率較小；2019—2025年，礦區地類面積變化率最大的是人工牧草地，為190%，灌木林地和采礦用地面積變化率分別為15.72%和-23.39%；2025—2028年，礦區地類面積變化率最大的是有林地，為104.60%，其次是人工牧草地，為59.89%，采礦用地面積變化率為-29%，灌木林地和旱地變化幅度較小，分別為12.79 %和4.99%。

2013—2028年礦區土地利用類型面積變化速度和地類相關性較大，復墾初地類變化速度較快的是采礦用地，動態度達到7.55；隨著規劃的實施，2019—2025年間地類變化速度較快的是人工牧草地，動態度為31.80；規劃實施末期地類向生態用地轉變，變化速度較快的是有林地，動態度達到34.87，其次是人工牧草地，為19.96，其他地類變化動態度較小。整個復墾期間建設用地的變化除其他草地和裸地因礦區開采作業階段損毀外，而后地類再沒有發生變化。

3.3 生態系統服務價值分析

為了反映礦區土地利用類型對生態系統服務價值的影響，利用2010—2012年繁峙縣糧食作物播種面積3.65萬hm2，年均糧食產量7.12萬t，年均農業總產值5 651.69元/hm2，生態系統服務價值當量因子則參考謝高地等[21]的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表，1個生態服務價值當量因子的經濟價值量等于當年全國平均糧食單產市場價值的1/7，同時根據土地利用現狀分類定義，對林地、草地的生態系統服務價值進行系數修訂，計算出繁峙縣1個生態服務價值當量因子的經濟價值為807.38元，基于此建立多元一次函數式來推算得出繁峙縣生態系統單位面積生態服務價值表（表2），利用地理信息系統構建數據庫，得出礦區復墾前、后生態系統服務價值單位面積分布（圖4）。

表2 繁峙縣生態系統單位面積生態服務價值元/（hm2·a）

根據繁峙縣生態系統單位面積生態服務價值表和土地利用面積計算出了復墾方案實施階段（2013，2019，2025，2028年）礦區的生態系統服務價值。由表3可知，2013—2028年間生態系統服務價值呈先降低后增加的趨勢，即2013年因礦區開采作業階段損毀部分土地，導致礦區生態系統服務價值總量降低，而后隨著復墾規劃實施，高生態系統服務價值土地利用類型土地面積逐漸增加，2013年礦區生態系統服務價值為110.73萬元，2028年礦區生態系統服務價值為131.07萬元，年均增加1.36萬元。其中，農田的生態系統服務價值保持不變，其占比由2013年的2.33%減少到2028年的1.97%；林地作為礦區生態系統服務價值唯一增加的土地利用類型，增加了13.18萬元，占比由原來的57.54%提高到2028年的58.66%，林地生態系統服務價值增加的主要原因是：一方面源自于林地面積的增加，另一方面林地是礦區內對生態系統服務功能貢獻最大的土地利用類型；荒漠生態系統服務價值因面積減少0.31 hm2而減少0.01萬元；2013年草地生態系統服務價值占比是39.57%，隨著規劃的實施，草地生態系統服務價值占比呈現先降低后增加的趨勢，2028年草地生態系統服務價值占比為38.90%；2013—2028年農田生態系統服務價值因為其他地類被占用導致占比提高，隨著復墾的實施其他高生態價值地類得到恢復補充，使得農田占礦區生態系統服務價值比例下降至1.97%。

表32013 ，2019，2025，2028年礦區生態系統服務價值

4 結論

本研究對《繁峙縣金方圓礦業有限公司鐵礦項目土地復墾方案》中土地利用類型的變化情況進行評估，結果顯示，2013—2028年礦區土地利用類型總體變化是由損毀土地向宜耕宜農的方向轉變，其中變化最大的是其他草地和采礦用地損毀后恢復為人工牧草地；從變化過程來看，由初期項目占用各個地類的損毀導致土地利用類型向建設用地的轉移，復墾方案實施后進入生態系統恢復階段，土地利用類型根據工程安排，逐步開始向著旱地、林地、草地等生態系統服務價值較高的土地利用類型轉變，這也符合國家對礦業用地恢復治理的基本原則，因此，提高土地利用水平是恢復和提高區域生態系統服務功能的最有效途徑。

礦區土地復墾方案的實施將大幅提升礦區生態系統服務價值，由2013年的110.73萬元增加到2028年的131.07萬元，增幅達18.36%，年均增加1.36萬元，其中為礦區生態系統服務價值貢獻最大的是林地，面積增加8.14 hm2，其生態系統服務價值增加13.18萬元，占比增加1.12百分點。草地生態系統服務價值增加7.17萬元，為礦區生態系統服務價值貢獻占比減少0.66百分點。礦區生態系統服務價值的提升得益于建設用地和荒漠的損毀后的生態恢復，通過工程、技術措施和資金投入，使單位面積生態系統服務價值較低的建設用地和未利用地轉變為農用地。

基于時空動態監測評估的區域生態系統服務功能和價值的評價，是評估區域生態系統服務真實價值的基礎和依據，有助于從科學角度對礦區土地復墾方案進行評估，可作為復墾方案的可行性和合理性的重要指標。

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Effect of Land Use Change on Ecosystem Services Value in Mining Area Based on GIS

JINHui1，LI Jinling1，HANWeihong1，XINGHongjuan1，GUOJunling2
（1.Institute of Agricultural Resources&Economy，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Environment&Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

This paper studied the land use pattern change of Jinfangyuan mining area in Fanshi county of Shanxi province in 2013-2028.It evaluated ecosystem service value of the study area and analyzed the changes of land use pattern and ecosystem service value based on the land use changes.The results showed that land use patterns had remarkable changes between 2013 to 2028.Other grassland,mining land,other woodland and bare land appeared decreasing trend,while forest land,shrub land and artificial grassland showed increasing trend.The land use patterns were changed mainly by other grassland and mining land to artificial grassland,shrub land and woodland.Other grassland and mining land substantially reduced,artificial grassland steadily increased year by year. Meanwhile,ecosystem service value showed decreased trend at first and then increased.Ecosystem service values were mainly controlled by woodland and grassland in the study area.The implementation of mining land reclamation scheme promoted transformation of land use patterns to farmland,woodland and grassland,which ecosystem service value coefficients were higher.Finally,the total ecosystem service value in the mining area improved greatly,which was especially important for the protection of regional ecological security and the sustainable development of ecosystem.

GIS;land use;mining area;ecosystem service;values

F301.24

A

1002-2481（2016）11-1669-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.22

2016-07-08

山西省農業科學院科技攻關項目（YGG1430）

金輝（1985-），男，河南濮陽人，助理研究員，主要從事基于GIS的農業資源高效利用研究工作。郭軍玲為通信作者。