煤礦區(qū)土地利用綜合效益耦合關(guān)系分析

崔藝馨，李永峰，王曉輝

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

土地是人類生存和發(fā)展的必要和基礎(chǔ)資源，在人地系統(tǒng)得長期演化過程中，土地和人類形成了互為反饋的機制。[1]一方面土地資源利用影響著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，而人類社會經(jīng)濟發(fā)展反過來也會作用于土地，尤其是工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，土地的生態(tài)條件與環(huán)境質(zhì)量在此過程中受到影響。顯然，在煤礦區(qū)土地損毀更加嚴重，生態(tài)環(huán)境問題突出，土地資源利用引發(fā)的社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)間矛盾愈加尖銳，因此研究土地利用效益可以為制定可持續(xù)的土地利用規(guī)劃服務(wù)，通過解讀土地利用效益耦合關(guān)系趨勢可以提高礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的及時性[2]。

1 煤礦區(qū)土地利用綜合評價指標體系

1.1 煤礦區(qū)土地利用社會效益與生態(tài)效益耦合機理

在不同礦井生命周期階段，由于生產(chǎn)組織的重點不同，煤炭開采對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響程度和方式也會有所不同，又由于煤炭和土地具有同位性，土地資源利用方式與狀態(tài)也會受到不同影響，遵循礦井的生命周期。[3]土地利用效益是土地利用是否可持續(xù)的檢驗標準，受到礦區(qū)特點的影響，土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的影響因素相互滲透、相互促進又相互制約，遵循著礦井生命周期的演變規(guī)律(圖1)。

圖1 煤礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益耦合機理

在規(guī)劃建設(shè)期，煤炭企業(yè)主要進行生產(chǎn)和生活區(qū)建設(shè)，對地表基本不產(chǎn)生影響，此時企業(yè)為礦區(qū)居民提供了更多就業(yè)崗位，此時主要表現(xiàn)為對土地利用社會經(jīng)濟的正效益；投產(chǎn)達產(chǎn)期，礦井開始投入生產(chǎn)，且強度和規(guī)模不斷擴大，煤炭產(chǎn)量增加，“三廢”排放增加，開始出現(xiàn)土地塌陷與占用等，影響土地利用的生態(tài)效益，但是從整體上，煤炭資源開發(fā)引導(dǎo)礦區(qū)經(jīng)濟逐步繁榮，居民生活水平提高，福利增加，提高了土地利用的社會經(jīng)濟效益；到達穩(wěn)產(chǎn)期后，煤炭資源開發(fā)對土地生態(tài)的影響也逐漸趨于最大化，土地損毀加劇后果就是土地的完整性遭到了破壞，而耕地的耕作條件也被改變，生產(chǎn)力開始下降[4]，道路也受到破壞，可能出現(xiàn)廢棄不可利用的荒地。居民生活受到資源開采的負面影響加劇，企業(yè)與地方矛盾突出，此時煤炭資源開發(fā)對土地利用社會經(jīng)濟效益影響的正值已經(jīng)不足以抵消其對土地利用生態(tài)效益影響的負值，生態(tài)環(huán)境開始制約社會經(jīng)濟的發(fā)展；到礦井衰退期，土地利用的社會經(jīng)濟效益下降，土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的任務(wù)突出，及時的具有針對性的措施會阻止土地生態(tài)環(huán)境的破壞繼續(xù)擴大，同時非煤替代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，都可以緩解生態(tài)環(huán)境破壞對社會經(jīng)濟效益影響的抑制作用，可以加減緩煤炭資源開采對土地利用生態(tài)效益負值的影響。

1.2 煤礦區(qū)土地利用綜合效益評價指標體系

基于土地利用社會效益與生態(tài)效益耦合機理分析，考慮影響土地利用效益的影響因素，遵循科學(xué)性、合理性、可操作性等原則，構(gòu)建煤礦區(qū)土地利用效益評價指標體系(表1)。

1.3 評價方法與評價標準

1.3.1 評價模型與方法

1.3.1.1 數(shù)據(jù)標準化處理

由于選取的指標來源不同，單位和數(shù)量級也不相同，為方便指標間比較，對指標進行標準化處理。

(1)

(2)

1.3.1.2 確定評價指標權(quán)重

熵權(quán)法、層次分析法、德爾菲法和變異系數(shù)法是常用的確定權(quán)重的方法，相對也較為成熟。層次分析法和德爾菲法是主觀賦權(quán)的方法，具有一定的主觀性，煤礦區(qū)土地利用效益評價相關(guān)研究極少，沒有參考，主觀性過大會導(dǎo)致誤差增大；而熵權(quán)法和變異系數(shù)法都屬于客觀賦權(quán)的方法，其中變異系數(shù)法更適宜于評價指標對于評價目標比較模糊的情況，且此種方法對指標的經(jīng)濟意義重視不夠，顯然不適于用于效益評價。因此，最終選擇熵權(quán)法確定指標權(quán)重。

各指標熵值，表示為式(3)、式(4)。定義權(quán)重值，如式(5)所示。

ei=-∑ρimln(ρim),k=1/ln(n)

(3)

(4)

式中，n代表年份，ρit表示第i項指標下第t個方案指標值的比重。

(5)

式中，m代表m個指標。

1.3.1.3 耦合模型

通過式(1)～(5)可以計算出各個指標的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上通過式(6)，可以計算出煤礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益I1和生態(tài)效益I2。

(6)

據(jù)分析，煤礦區(qū)土地利用的社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有明顯的耦合關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)論，可以將整個煤礦區(qū)的土地系統(tǒng)看作是由社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)兩個系統(tǒng)復(fù)合而成的系統(tǒng)，土地利用效益受到社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益兩個主導(dǎo)因素影響。通過曲線擬合可以得到兩種效益的演化方程，見式(7)。

表1 煤礦區(qū)土地利用效益評價指標體系

(7)

式中，A表示土地利用社會經(jīng)濟效益子系統(tǒng)的演化方程，B表示生態(tài)效益子系統(tǒng)的演化方程。A與B兩個子系統(tǒng)相互影響，而A、B與I1、I2相互作用，整個系統(tǒng)中的所有要素相互關(guān)聯(lián)，相互滲透，共同形成一個整體。由此通過對演化方程(式(8))求導(dǎo)，得到土地利用社會經(jīng)濟效益演化速度VA和生態(tài)效益演化速度VB，整個系統(tǒng)的演化速度V與子系統(tǒng)演化速度VA和VB相關(guān)，由此通過判斷兩個子系統(tǒng)直接的耦合度來判斷整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展狀況。

(8)

在理論上，社會經(jīng)濟的發(fā)展符合S型演變理論，雖然煤礦區(qū)具有特殊性，但是結(jié)合礦井生命周期，可以判斷出土地利用的社會經(jīng)濟效益符合S型演變理論，而土地利用的生態(tài)效益與社會經(jīng)濟相互耦合，因此也應(yīng)該符合S型理論，但是由于煤炭資源開采對生態(tài)環(huán)境影響的累積效應(yīng)與滯后效應(yīng)，導(dǎo)致土地利用生態(tài)效益的演化速度慢于社會經(jīng)濟效益。因此，在以VA作為縱軸，VB作為橫軸，以V的變化軌跡構(gòu)成非線性模型時，形成的圖形應(yīng)該是橢圓型(圖2)。V與橫軸形成一個夾角α，即為耦合度，可以表示為式(9)。

(9)

圖2 土地利用效益演化速度

1.3.2 評價標準

通過求取α，可以確定煤礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的耦合程度，以判斷土地利用的協(xié)調(diào)程度。依據(jù)圖2，將耦合度分為低級共生、協(xié)調(diào)發(fā)展、極限發(fā)展和再生發(fā)展四種類型(表2)。

表2 土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益耦合度判斷標準

表3 煤礦區(qū)土地利用效益指標標準化值及其權(quán)重

2 朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益耦合關(guān)系

2.1 研究區(qū)概況

朔南礦區(qū)地處山西朔州市朔城區(qū)，東經(jīng)112°15′～112°34′，北緯39°07′39°25′,礦區(qū)面積580 km2[5],屬于干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)脆弱，四季分明。整個礦區(qū)包括馬營堡、豐予、高莊、梵王寺和麻家梁5個礦井和1個張家嘴勘查區(qū)。

2.2 指標數(shù)據(jù)處理與權(quán)重確定

由于朔城區(qū)區(qū)域劃分以行政邊界為基礎(chǔ)，而礦區(qū)劃分以礦區(qū)的邊界為基礎(chǔ)，而可直接獲取的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)以行政邊界為依據(jù)。因此，本文朔南礦區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的獲取是以朔州市朔城區(qū)2005～2014年統(tǒng)計年鑒為基礎(chǔ)，結(jié)合礦區(qū)實地實際調(diào)研調(diào)節(jié)而來。根據(jù)礦區(qū)開采的空間布局，針對不同生命周期階段開采后的地表狀況進行實地調(diào)研，包括地表構(gòu)建筑物的毀損情況、地表植被的破壞情況、地表農(nóng)作物的生長-收成情況，對照統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，反映礦區(qū)土地利用受采礦影響的程度；同時，考慮到朔南礦區(qū)雖然屬于朔城區(qū)范圍內(nèi)，但地處農(nóng)村，結(jié)合了統(tǒng)計年鑒朔城區(qū)農(nóng)民人均收入數(shù)據(jù)，調(diào)研礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民的收入狀況，為礦山提供勞務(wù)、服務(wù)的情況，礦山對破壞土地的補償情況等，了解礦山開采對礦區(qū)居民收入、生活的影響。對照統(tǒng)計年鑒，反映煤礦開采不同階段對當?shù)鼐用裆畹挠绊憽?/p>

本文朔南礦區(qū)煤炭產(chǎn)量主要是以統(tǒng)計年鑒為基礎(chǔ)，結(jié)合實地調(diào)研對缺失數(shù)據(jù)加以補充。土地利用數(shù)據(jù)獲取主要通過朔城區(qū)與朔南礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀。另外，根據(jù)何書金，蘇光全測算，井工開采每萬噸煤造成的土地塌陷面積為0.27 hm2，土地壓占面積為0.005 hm2。[6]據(jù)此推算出朔南礦區(qū)土地塌陷面積與土地壓占面積。在獲取到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)計算計算指標值，對指標進行標準化處理，利用熵權(quán)法取得權(quán)重(表3)。

2.3 耦合結(jié)果分析

2.3.1 煤礦區(qū)土地利用綜合效益計算

通過式(6)計算出朔南礦區(qū)2005～2014年土地利用社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的綜合值，演化曲線見圖3。從圖3中可以看出，煤礦區(qū)的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益呈現(xiàn)不同的演變趨勢，矛盾突出。2009年以前，由于整個煤礦區(qū)還處于投產(chǎn)初期，煤炭產(chǎn)量多以小煤窯生產(chǎn)為主，產(chǎn)量較少[7]，對土地的破壞也基本沒有顯現(xiàn)，此時土地利用生態(tài)效益波動不明顯，并且高于土地利用的社會經(jīng)濟效益；隨著整個礦區(qū)較大型礦井的投產(chǎn)，與生產(chǎn)規(guī)模的擴大，土地損壞開始顯現(xiàn)并日益嚴重，而礦區(qū)以農(nóng)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)打破，社會經(jīng)濟受煤炭產(chǎn)量影響迅速發(fā)展，因此在2009年以后煤礦區(qū)土地利用的社會經(jīng)濟效益超過其生態(tài)效益，且差距日益拉大，也直觀顯示出煤礦區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境的矛盾。

2.3.2 土地利用效益耦合度計算

借助EXCEL對圖3的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益兩條曲線進行擬合，結(jié)合實際情況，通過對比擬合度的大小，選擇適合的趨勢曲線類型。社會經(jīng)濟效益選擇乘冪趨勢線，擬合度為0.9364，而生態(tài)效益采用多項擬合，擬合度為0.9404。由此得出關(guān)于時間t的朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益A和生態(tài)效益B的函數(shù)關(guān)系式，見式(10)和式(11)。

A=0.0921t0.7058

(10)

B=0.0014t3-0.0214t2+0.054t+0.3323

(11)

式中，t=1，2，3，…，10，分別對應(yīng)2005～2014年的10年時間。

按照式(8)對土地利用社會經(jīng)濟效益A和生態(tài)效益B的函數(shù)方程進行求導(dǎo)，得到朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益演化速度VA與生態(tài)效益的演化速度VB的函數(shù)關(guān)系式，見式(12)、式(13)。

VA=0.065t-0.2942

(12)

VB=0.0042t3-0.0656t2+0.0978

(13)

在計算出VA和VB的基礎(chǔ)上，通過式(9)計算出朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的耦合度α，并繪制耦合度曲線圖，見表4和圖4。

圖3 朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益綜合值

年份VAVBVA/VBα(°)200500650015442211766720060053-00148-358191056200700471-00366-1285612788200800432-005-0864713915200900405-0055-0736114364201000384-00516-0743614336201100367-00398-0921413734201200353-00196-1798911907201300341000937841752201400330046071783567

圖4 朔南礦區(qū)土地利用社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益耦合度

根據(jù)圖4可以看出，2005～2014年，朔南礦區(qū)土地利用綜合效益的耦合度呈現(xiàn)倒“U型”，從76.67°到143.64°，又降回到35.67°，經(jīng)歷了協(xié)調(diào)發(fā)展和極限發(fā)展兩個階段，并且大部分年份處于極限發(fā)展階段，即由于煤炭資源開發(fā)對土地生態(tài)環(huán)境的破壞，土地利用的生態(tài)效益開始制約其社會經(jīng)濟效益，兩者矛盾日益突出，但后期受到生態(tài)環(huán)境保護措施的影響，矛盾又有所緩解。2005～2014年朔南礦區(qū)土地利用綜合效益的耦合度大致可以分為三個階段。

第一階段：協(xié)調(diào)發(fā)展階段，2005年，VA>VB。此時，煤礦區(qū)土地利用還未有明顯破壞，生態(tài)效益較大，但是受到煤炭產(chǎn)業(yè)的影響，大力拉動了社會經(jīng)濟發(fā)展，因此社會經(jīng)濟效益的增長速度迅速。說明在礦區(qū)投產(chǎn)達產(chǎn)初期，煤炭產(chǎn)業(yè)帶動區(qū)域土地社會經(jīng)濟效益快速增長的同時，仍然處于土地的生態(tài)承載力范圍之內(nèi)。同時，在理論上煤炭資源開發(fā)對土地生態(tài)環(huán)境的破壞在加劇，土地利用的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益矛盾也在加劇，但煤炭資源開發(fā)帶來的社會經(jīng)濟效益在某種程度上也增大了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境容量，因此生態(tài)效益也在上升[8]。

第二階段：極限發(fā)展階段，2006～2007年，VA>VB。此時土地利用的社會經(jīng)濟效益仍然處于上升狀態(tài)，但煤炭資源開發(fā)對土地生態(tài)環(huán)境的負效應(yīng)開始顯現(xiàn)，開始限制土地利用社會經(jīng)濟效益的發(fā)展速度。2008～2011年，VAVB。社會經(jīng)濟效益的上升速度大于生態(tài)效益的下降速度，但是上升速度和生態(tài)效益下降速度都放緩。一方面，說明受到資源有限性與開采規(guī)模的限制，加之土地的塌陷與壓占造成的負面影響出現(xiàn)，土地利用的社會經(jīng)濟效益也開始放緩；另一方面，說明朔城區(qū)委、區(qū)政府“創(chuàng)優(yōu)社會，發(fā)展環(huán)境，改變作風”的三項舉措在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護中取得了一定成效。

第三階段：協(xié)調(diào)發(fā)展階段，2013年，VA>VB。2014年，VA

3 結(jié) 論

判斷煤礦區(qū)土地利用綜合效益的耦合度可以將土地利用效益系統(tǒng)分為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)關(guān)于時間呈非線性變化，通過測算兩者之間的耦合度可以判斷兩種效益的協(xié)調(diào)情況以及煤礦區(qū)土地持續(xù)利用情況[10]。本文以山西省朔南礦區(qū)為例，2005～2014年，朔南礦區(qū)土地利用綜合效益的耦合度經(jīng)歷了協(xié)調(diào)發(fā)展到極限發(fā)展兩個階段，并發(fā)現(xiàn)土地利用的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益基本符合礦井生命周期規(guī)律，土地利用的社會經(jīng)濟效益不斷上升，但隨著煤炭資源開采對土地的破壞，生態(tài)效益下滑，其對社會經(jīng)濟效益的限制愈加明顯，土地利用社會經(jīng)濟效益增長速度變緩。朔南礦區(qū)在干旱半干旱地區(qū)的煤礦區(qū)中具有一定的代表性，說明煤礦區(qū)土地利用的社會經(jīng)濟效益與生態(tài)效益矛盾較為突出，與非資源型城市土地利用的效益耦合度具有明顯差異[11-12]。因此，應(yīng)結(jié)合礦井生命周期，把握土地利用效益的變化規(guī)律，在促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，及時發(fā)展非煤產(chǎn)業(yè)或者進行產(chǎn)業(yè)升級，也要合理配置土地資源，把握時機進行土地整治與生態(tài)修復(fù)。

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