兗州礦區土地利用變化對生態系統服務價值的影響

呂欣怡，王慧*，袁興中，孫小銀，孫曉芳，孫晉芳

(1. 曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276826；2. 重慶大學資源及環境科學學院，重慶 400044)

煤礦和土地是人類生存和發展的重要自然資源，礦區作為一類特殊的小尺度典型區域，其土地利用變化和生態問題非常值得關注。生態系統服務功能是在生態系統與生態過程中形成的維持人類生存的自然環境條件及其效用[1-2]，生態系統服務價值(ecosystem service value，ESV)評估現已成為環境經濟學和生態經濟學的研究重點之一[3-5]，并有助于人類福利和經濟可持續發展相關研究的深化。Constanza等[6]最先將生態系統服務功能劃分為氣候調節、水分調節、物質循環、娛樂及文化價值等17類生態系統服務價值功能，估算了全球生態系統服務價值。礦區是人類活動影響和干擾比較劇烈的區域，探討采礦活動對生態系統服務功能的影響具有典型意義。目前，部分學者就此開展了相關研究。Norgaard等[7]指出，可以通過對礦區生態系統的修復來實現其功能上的可持續發展。Larondelle等[8]采用生態系統服務方法評估采礦活動對德國東部礦區景觀格局的影響，強調未來發展重點在于糧食生產和生物能源利用。李保杰等[9]認為在礦區土地復墾實施過程中根據ESV的變化對土地利用結構進行調整，有助于礦區土地效益達到最大化。頓耀龍等[10]指出土地利用結構變化在一定程度上導致生態功能失調，由于礦區生態環境的復雜性，應合理調控生態系統的組成、結構和功能。徐占軍等[11]通過植被凈初級生產力的計算，認為采礦區氣候是影響環境的主導因素，增加耕地和林地的NPP值可改善生態環境。陳淳[12]認為采礦活動會破壞植物群落的組成和結構，需進行人工干預加快生態系統的修復過程。因此，研究土地利用變化下的生態系統服務價值變化，采取科學有效的生態修復方法，對協調礦產資源開采與生態系統的平衡發展、改善礦區生態環境、提高生態系統服務價值具有重要意義。

兗州礦區位于山東省西南部的濟寧市，自改革開放以來，隨著煤炭資源的大面積開采，區域土地利用變化劇烈。礦區地表大面積塌陷，耕地流失嚴重，礦區建設和村莊搬遷帶來建設用地擴張的同時，其空間布局變化劇烈，礦區的恢復與治理成為我國國土整治面臨的重大課題。這種典型礦區土地利用變化條件下的ESV變化研究，能夠為客觀認識礦區生態環境條件演化規律，尋求礦區恢復與治理的合理路徑提供參考依據。本研究利用遙感影像解譯數據，分析兗州礦區1994—2013年間土地利用變化及其ESV變化和空間表現特征，提出在礦區國土整治中，應該充分利用礦區塌陷濕地的ESV補償功能，重建區域人地關系系統的基本路徑。

1 研究區概況

本研究區為兗州礦區的主采區，包括山東省濟寧市的鄒城、兗州和曲阜3個縣(區)的部分轄區(圖1)，面積1 023 km2。研究區屬溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫約為13.3～14.1 ℃，多年平均降水量600～820 mm左右。礦區內廣泛分布著石炭、二迭系含煤地層，已探明的儲藏絕大部分在-1 000 m以上，水文地質條件較簡單，斷層少，開發條件好。兗州礦區轄兗州、濟東兩大煤田，包括東灘煤礦、鮑店煤礦、南屯煤礦、興隆莊煤礦等，是中國大型現代化煤炭工業基地之一。

圖1 兗州礦區地理位置示意圖Fig.1 Location of the Yanzhou mining area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

遙感數據采用1994、2000、2004、2009、2013年的Landsat-5 TM和 Landsat-8 OLI遙感影像。本研究所需的影像數據來源于USGS，其影像已經過輻射校正、地面控制點的幾何校正以及DEM地形校正。以2004年的影像為基準，對其他年份的遙感影像進行地理坐標配準。土地利用分類基于GB/T 21010—2007土地利用現狀分類[13]，結合礦區實際情況以及遙感影像的分辨率，將研究區的土地利用類型分為5類：耕地、林地、水域、建設用地和其他用地。本研究采用監督分類中的最大似然法，通過對影像進行訓練樣本的選擇和計算機分類，得到5個時期的土地利用分類圖。其遙感解譯精度中的kappa系數均大于0.80，總體分類精度均大于90%，分類結果具有較高的精度，滿足研究的需要。

2.2 土地利用空間變化

根據土地利用分類圖，運用ArcGIS空間分析功能獲得各土地利用類型面積和1994—2013年土地利用轉移矩陣，并在此基礎上計算土地轉移貢獻率，探討類型間的內部轉化[14-15]。利用土地利用變化圖譜模型反映用地類型變化的狀態和趨勢，為了便于空間數據的地圖代數運算，對各期數據的土地利用類型重新進行編碼。耕地、林地、水域、建設用地、其他用地分別設置為1、2、3、4、5。以時間序列為軸，選取相鄰兩個時段柵格單元的土地利用類型編碼值進行代數運算，即把前一采樣時刻柵格單元的屬性值作為十位數、把后一采樣時刻柵格單元的屬性值作為個位數，生成一個兩位數編碼的新空間單元[16]，進而得到礦區1994—2004年間和2004—2013年間的土地利用變化圖譜。

2.3 ESV變化

本研究以謝高地等[17-18]制定的“中國陸地生態系統服務當量因子表”為基礎，根據研究區實際情況，采用研究區農田糧食單位面積產量與全國農田糧食單位面積產量的比值作為地區修訂系數[19]，確定研究區土地利用類型相對應的生態系統類型及生態價值系數，研究假定建設用地的價值系數為0(表1)。以此為基礎，采用 Costanza 等[6]的生態系統服務價值公式，計算生態系統服務功能[20-28]：

ESV=∑Ak×VCk，

(1)

ESVf=∑Ak×VCfk，

(2)

式中，ESV為生態系統服務總價值(元)；Ak為土地利用類型k的分布面積(hm2)；VCk為土地利用類型k的單位面積生態價值系數(元/(hm2a))；ESVf為第f項生態服務功能價值；VCfk為土地利用類型k的第f項生態服務功能價值系數。

表1 研究區各土地利用類型單位面積ESVTable 1 Ecosystem services value of each land use type in the unit area 單位：元/hm2

本文通過敏感性指數(coefficient of sensitivity，CS)來確定生態系統服務價值(ESV)隨時間的變化情況對生態價值系數(VC)的依賴程度，當 CS1，表明ESV對于VC是富有彈性的。研究將各土地利用類型的生態服務價值系數VC分別上下調整50%來計算CS[29-32]。

(3)

式中,p和q分別為初始和調整后的生態服務價值系數；i表示土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 兗州礦區土地利用變化

從土地利用分類圖(圖2)和土地利用情況統計表(表2)可知，1994—2013年間研究區土地利用結構變化顯著。區域土地利用類型仍以耕地為主，其面積由1994年的360.99 km2減少到2013年的234.33 km2，年變化率-1.85%。從土地類型的內部轉換來看，耕地轉出主要是轉變為水域和建設用地，兩者對耕地轉出的貢獻率分別為-11.17%和-9.45%；耕地對林地、水域和建設用地轉入貢獻率分別為29.48%、70.04%、64.78%。建設用地面積19年間增加了63.05 km2，年變化率8.46%，反映了礦區建設用地擴張速度較快；水域面積增加了17.60 km2，年變化率10.31%，主要原因是平原礦區煤礦開采導致的大面積地表塌陷，形成了地表積水。林地面積增加了61.78 km2，主要來源于耕地轉換，反映了當地淺層塌陷地棄耕植樹和塌陷地土地整治綠化造林的狀況。其他用地向耕地和林地的轉化是導致其他用地減少的主要原因，具有傳統平原農區地區土地利用變化的一般特征。

從研究區土地利用變化空間圖(圖3)可以看出，1994—2004年間，明顯變化的是耕地→水域(編碼13)，主要分布在研究區中部和南部的兗州、曲阜、鄒城3個縣(區)的交匯處，其中鄒城水域形成較多，這是兗礦早期主要采煤區所在地；2004—2013年間，轉化區域較前一時期明顯向北轉移，反映了礦區煤炭采區的延伸和采煤塌陷地空間的拓展。其次，變化較明顯的是耕地→建設用地(編碼14)和林地→建設用地(編碼24)，其分布地區主要涉及曲阜和鄒城兩個縣(區)的市區和兗州鄒城邊界地區，主要是壓煤村莊搬遷和城鎮工礦建設所致。

圖2 研究區1994—2013年間土地利用分類圖 Fig. 2 Classification chart of land use during 1994—2013 in the study area

表2 研究區1994—2013年間土地利用轉換及其動態變化Table 2 Land use conversion and its dynamic change during 1994—2013 in the study area

21林地→耕地;31 水域→耕地;41 建設用地→耕地;12 耕地→林地;32 水域→林地;42 建設用地→林地 13耕地→水域;23 林地→水域;43 建設用地→水域;14 耕地→建設用地;24 林地→建設用地;34 水域→建設用地。圖3 研究區1994—2013年間土地利用變化圖譜Fig.3 Map of each land use change during 1994—2013 in the study area

3.2 兗州礦區ESV變化

根據上述土地利用相關數據，運用公式(1)計算得到研究區不同土地利用類型的ESV(表3)。結果表明，研究區1994年總ESV為6.97億元，2013年為9.00億元，總體呈上升趨勢。從歷年生態系統構成上分析，林地的ESV最大，約占總價值的50.86%，主要得益于區域內耕地轉化和林木工程等生態建設工程的實施；其次是耕地(32.76%)、水域(16.24%)。林地生態系統服務價值增量最大，達1.74億元；其次是水域，達1.43億元；而耕地的ESV減少了1.13億元。在增長率方面，水域的生態價值系數大，面積的微小變化都會引起ESV較大的改變，增幅高達195.85%；耕地ESV增長率為-35.09%。總體上來看，水域和林地面積的相對增加有利于整體ESV的正流向，抵沖了建設用地對農地等的侵吞帶來的ESV的減少，使得研究區總的ESV增加了2.03億元，增長率達29.16%。

表3 研究區1994—2013年間ESV結構及其變化Table 3 The ESV structure and its change during 1994—2013 in the study area 單位：億元

根據敏感性指數(CS)的計算公式(3)，計算出研究區1994—2013年間各土地利用類型的CS(表4)。結果表明，研究區所有土地利用類型的ESV對VC的敏感性指數均小于1，ESV對VC缺乏彈性，研究結果可信。

表4 生態系統服務價值敏感度Table 4 The coefficients of sensitivity (CS)for ecosystem service value

3.3 土地利用變化對兗州礦區ESV變化的驅動因素分析

礦區作為具有特殊人地關系的區域，土地利用變化劇烈，人地矛盾突出，人地關系協調面臨多重困難。兗州礦區是我國較早開發的煤炭基地，隨著煤炭資源的大面積開采，導致耕地大面積塌陷，部分耕地由于塌陷蓄水形成一種特殊的地表水體，進而發展成為濕地，部分耕地在土地復墾后轉為林地。煤炭資源的開發和利用，帶動了與之相關的能源、原材料、制造業和通訊、交通等產業發展，城鎮工礦用地逐漸擴大，致使耕地面積進一步減少，食物生產ESV處于下降趨勢，年變化率為-2.34%。就其他單項生態系統服務功能而言(圖4)，1994—2103年間氣候調節、水源涵養、原材料和娛樂文化ESV變化較大，其變化率分別為1.29%、1.90%、1.70%、2.53%；氣體調節、保持土壤、廢物處理、生物多樣性保護變化緩慢，年變化率分別為1.27%、0.43%、0.93%、1.01%。其中，氣候調節、水源涵養、土壤保護、廢物處理是研究區各時段最主要的生態系統服務功能，其價值占比均超過10%以上。同時，這4項ESV之和占研究區ESV的60%以上。研究區水源涵養、氣候調節生態系統服務功能較高，主要因為水域面積增加并形成天然濕地，將各個生態系統內部相連，加強了各系統間信息流、物質流與能量流的相互轉化。

圖4 研究區1994—2013年單項ESV結構變化Fig. 4 The single structural changes of ESV during 1994—2013 in the study area

4 結論與討論

兗州礦區在1994—2013年間，其土地利用結構變化明顯，以建設用地不斷侵吞耕地為主要特征，采礦活動導致耕地塌陷形成積水區，致使研究區水域面積明顯增加。研究區不同土地利用類型ESV存在差異性，區域土地利用結構的變化帶來ESV的變化。但從整體上看，在研究時段內，區域土地利用結構的動態變化并沒有降低整個區域的ESV。林地和水域對整個區域的ESV變化起決定性作用，其面積的增加彌補了由于建設用地侵吞耕地以及耕地塌陷帶來的ESV負面影響。1994—2013年間總ESV增加了2.03億元，其主要由林地支撐(50.86%)，其次為耕地(32.76%)，水域由于面積較小只占16.24%。從ESV的構成上來看，氣候調節、水源涵養、土壤保護、廢物處理是研究區最主要的生態系統服務功能。

礦區是人類活動比較劇烈的區域，也是土地利用類型變化較快的區域。根據本文研究結論及區域發展定位，兗州礦區應從經濟社會與生態環境的可持續發展角度因地制宜制定土地利用政策，優化調整土地利用結構。兗州礦區作為我國重要的煤炭能源基地應走綠色發展道路，加快資源枯竭型城市的產業轉型，科學評價采煤塌陷新生濕地的ESV，因勢利導，合理利用塌陷地。通過建設濕地公園，合理發展濕地生態旅游、濕地生態農業等方式發揮采煤塌陷新生濕地在涵養水源、調節氣候、凈化水質、生態旅游和濕地農業等方面的積極作用，摒棄塌陷地復墾的單一利用模式[33-34]。區域土地利用結構的調整與優化，應系統考慮各種土地利用類型的整體ESV變化。礦區區域人地關系的重建必須以礦區人地關系的特殊背景為基礎，將礦區經濟社會發展和生態環境改善有機結合起來，使得生態效益、社會效益和經濟效益達到最大化。

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