興隆莊煤礦生態系統服務價值評估

宋 媛 符福存 孫寧湖 田莉雅 孟慶俊 王 慧

(1.中國礦業大學江蘇省老工業基地資源利用與生態修復協同創新中心，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇省徐州市，221116；3.兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟寧市，272102；4.兗州煤業股份有限公司環保部，山東省鄒城市，273500)

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，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]。生態系統服務價值評估在緩解煤礦區生態環境壓力、促進煤礦企業可持續發展等方面發揮重大作用[2]。

國際上對于生態系統服務功能的研究開始得比較早。Westman[3]最初提出“自然服務”的說法，認為利用生態系統的社會價值可以幫助社會做出更明智的管理決策；Ehrich等[4]在研究中將“Westman's service”稱為“生態系統服務”。從20世紀90年代開始，生態系統服務及其價值評估的研究發展得比較快，其中，Costanza[5]和Dialy[6]的生態系統服務價值評估研究對后世產生深遠影響。我國學者大多數以土地利用類型面積變化和遙感解譯為基礎，參照謝高地等建立的“中國陸地生態系統單位面積服務價值表”，對煤礦區生態服務價值變化進行研究。張耿杰等[7]以山西省朔州市為例，采用市場價值法、成本法和影子工程法等研究該區域從1985年到2005年土地利用變化所引起的生態系統服務價值的變化；邱文瑋等[8]綜合考慮了自然生態系統和社會經濟系統之間的相互關系來構建徐州九里礦區自然生態用地系統服務功能價值評估模型。

本研究對兗州礦區興隆莊煤礦(以下簡稱“興隆莊煤礦”)1990-2018年的土地利用變化進行分析，并對煤礦區生態系統服務價值進行定量評估，以期為建設生態文明礦井提供理論依據。

1 研究區概況

興隆莊煤礦地處東經116°47′56″～116°54′40″，北緯35°27′27″～35°34′38″，位于兗州區興隆莊鎮東南約8 km處，其井田位于兗州煤田中北部，總面積為5623.46 hm2。評估區四季分明，屬溫帶半濕潤季風氣候區。區內為汶泗沖積平原，地形平坦，由東北向西南逐漸降低。

興隆莊煤礦井下采煤采用冒落式管理頂板方法，即煤層采出后對采空區不進行充填，也不進行永久性支護，所以采空區上方的巖層在自重作用下發生沉降，這種沉降傳遞到地表形成塌陷區。截至2017年12月31日，煤礦各采區能夠布置工作面的個數為46個，可采儲量達5242萬t。井田內煤層平均厚度為8.35 m，最大塌陷深度為7.6 m，常年存有積水，煤礦自1981年12月底投產以來，塌陷區面積已達1535 hm2，其面積還在不斷增加。

2 研究方法

2.1 礦區生態系統服務功能劃分

礦區生態系統服務功能既包括提供原材料、物質基礎和食物等，也包括通過人工整治后帶來的娛樂休閑等文化服務功能，與單一類型的生態系統相比，礦區生態系統更為復雜[9]。21世紀初，聯合國的千年生態系統評估把生態系統服務功能界定為4項主功能、25項副功能。謝高地[10]將生態系統服務分為供給、調節、支持、社會服務等4種服務功能，得到了廣泛的認可和采納。本研究在結合礦區生態系統特點的基礎上，決定將礦區生態系統服務功能分為供給、調節、支持、文化4項主服務功能。

2.2 評估指標的篩選

評估指標是估量生態系統服務價值的重要參數，也是評估工作能夠順利進行的有效保障。根據謝高地等[11]對中國陸地生態系統服務功能的劃分，本文將礦區生態系統服務分為包括供給服務中的食物及原料供應；調節服務的氣體調節、氣候調節、水源涵養和廢棄物處理；支持服務中的維護生物多樣性和土壤保持以及文化服務中的提供休閑娛樂共9種類型的生態系統服務類型。

2.3 礦區生態系統服務價值測算評估

2.3.1 生態系統服務價值評價方法

參考國家土地利用現狀分類標準，并結合興隆莊煤礦土地利用特征及煤炭開采對當地景觀產生的影響，將研究區土地利用類型劃分為耕地、建設用地、自然水體、塌陷水體、林地5種類型，將其與之最接近的生態系統相對應，耕地對應農田生態系統、林地對應森林生態系統、建設用地對于荒漠生態系統、自然水體和塌陷水體對應水域生態系統。

本文通過查詢濟寧市近10年的統計年鑒數據，計算兗州區單位糧食播種面積農業總產值，參照謝高地等人的研究，確定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[12]，得出興隆莊單位面積農田生產糧食的價值為5158.6元/(hm2·a)，從而計算研究區單位面積各生態系統服務價值。

采用Costanza的生態系統服務價值估算方法來計算各種生態服務功能的價值，其計算公式見式(1)：

ESVi=∑Aj×Eij

(1)

式中：ESVi——第i項生態服務功能價值，元；

Aj——土地利用類型j的分布面積，hm2；

Eij——土地利用類型j的第i項生態服務功能價值。

2.3.2 敏感性分析

為了驗證生態系統服務價值對于土地利用類型的代表性，通常利用敏感性指數(CS)來確定生態服務價值(ESV)對價值系數(VC)變化的依賴程度[13-15]，其計算公式見式(2)：

(2)

式中：CS——敏感性指數；

ESV——總生態系統服務價值；

VC——生態價值系數；

j——各土地利用類型；

ESVa、ESVb——初始價值和生態價值系數調整以后的價值。

如果CS>1, 說明ESV對VC是富有彈性的，比值越大說明VC的準確性越關鍵；如果CS<1，則說明ESV對于VC是缺乏彈性的。

3 討論與分析

3.1 土地利用結構的變化

根據興隆莊煤礦在1990年、2000年、2010年和2018年的影像處理及分析，可得到各時間節點評估區域土地利用現狀圖，興隆莊煤礦1990-2018年土地利用類型空間分布如圖1所示。

興隆莊煤礦1990-2018年土地利用面積統計見表1。

表1 興隆莊煤礦1990-2018年土地利用面積統計

由表1可以看出，耕地和建設用地是研究區主要的景觀類型，這2種景觀類型占區域總面積的83%以上。其中1990年和2000年耕地的面積占比最大，分別占區域總面積的72.67%和60.30%，而在2010年和2018年，建設用地占比超過了耕地；其次由于采煤活動造成塌陷水體面積的增加，塌陷水體面積從1990年占區域總面積的1.07%增加為2018年的9.70%以上；水體的面積最小的4個年份分別占區域總面積的0.46%、0.52%、1.98%和1.52%。

從研究區1990-2018年各景觀類型的變化上來看，呈減少趨勢的只有耕地，減少了2132.73 hm2，由此可以看出, 隨著社會和經濟的發展，耕地呈持續減少的趨勢；建設用地、林地、水體和塌陷水體整體上呈增加趨勢，但水體、林地和塌陷水體在2010-2018年間均有所減少，建設用地的增幅最大，從1990年的1352.61 hm2增加到2018年的2771.10 hm2，水體的增加集中表現在當地水上娛樂性項目的增設以及退耕還湖政策的實施，林地的增加主要得益于人們環保意識的增強，以及采取的一系列植樹造林活動。由于采煤塌陷造成的塌陷水體在2010年達到了研究區段最大值為567.63 hm2，2010-2018年間得益于礦區生態建設，塌陷水體開始呈現減少的趨勢。

3.2 興隆莊煤礦單位面積生態服務價值

通過研究區農田生態系統單位面積食物生產服務的經濟價值和謝高地等制定的我國陸地生態系統單位面積生態服務價值表計算得出興隆莊單位面積生態服務價值表，興隆莊單位面積生態系統服務價值見表2。

表2 興隆莊單位面積生態系統服務價值 元/(hm2·a)

由表2可以看出，耕地的生態系統服務功能主要為提供食物、廢棄物處理和土壤保持，其價值分別為5158.6元/(hm2·a)、8459.9元/(hm2·a)和7531.2元/(hm2·a)，氣候調節、水源涵養和維持生物多樣性的價值也較高，而提供娛樂活動的價值最小，僅為51.3元/(hm2·a)；水體的水源涵養和廢棄物處理價值量最大，分別為105126.1元/(hm2·a)和93778.2元/(hm2·a)，其次是維持生物多樣性和提供休閑娛樂活動；林地的生態系統服務功能則以土壤保持和氣體調節為主，分別為20117.3元/(hm2·a)和18054.2元/(hm2·a)；建設用地屬于人工生態系統其生態系統服務價值較其他土地類型生態系統服務價值量均偏小。

3.3 興隆莊煤礦生態服務價值及變化分析

結合興隆莊煤礦1990-2000年不同土地利用類型面積，利用公式(1)，可以得到各類生態系統服務功能的價值，興隆莊1990-2018年不同土地利用類型生態系統服務總價值見表3。

表3 興隆莊1990-2018年不同土地利用類型生態系統服務總價值

由表3可以看出，從生態服務價值組成和所占比例上分析，1990年和2000年耕地生態系統服務價值一直處在前2位，分別為14936.6萬元和12392萬元，占比均在61.00%以上，但在2010年降到了28.22%；2010年以后水域生態系統在提供生態服務價值上具有明顯優勢，其次是耕地和林地，耕地提供生態服務價值所占比例從1990年的79.26%降低到2018年的27.62%，水域的生態服務價值從1990年的2091.5萬元增加到2010年的16170.4萬元，為研究區總生態系統服務價值做出巨大貢獻。

根據興隆莊煤礦1990-2018年不同土地利用類型面積，結合各種生態系統單位面積生態系統服務價值，得到研究區不同土地利用類型的ESV，對區間價值變化、年變化率以及總價值變化進行計算，1990-2018年不同土地利用類型生態系統服務價值變化情況見表4。

由表3和表4可以看出，1990-2018年，興隆莊煤礦生態系統服務價值的變化呈先增加而后略有降低的變化趨勢，即先由1990年的18841.5萬元增加至2010年的29034.2萬元，而后在2010-2018年間降低了2484.8萬元。其中從歷年生態系統服務價值變化上分析，建設用地、水體和林地的生態服務價值均呈正向變化，水體服務價值增量最大，達13250.9萬元，增長率達46.68%；其次是林地，達1751.8萬元；而耕地的生態服務價值呈負向變化，從14936.6萬元降低到7332.7萬元，共減少了7601.9萬元。總體上來看，水體和林地面積的相對增加有利于整體ESV的增加，抵消了由于建設用地對農田的侵吞帶來大幅度的ESV減少，使得研究區總的ESV增加。

表4 1990-2018年不同土地利用類型生態系統服務價值變化情況

3.4 敏感性分析

本研究將各土地利用類型的生態價值系數分別上下調整50%來衡量ESV的變化情況[16-17]。

根據敏感性指數(CS) 的計算公式(2) ，計算出興隆莊煤礦1990-2018年間各土地利用類型的CS，生態系統服務價值敏感度見表5。

表5 生態系統服務價值敏感度

由表5可以看出，耕地和水體是興隆莊煤礦生態系統服務價值最敏感的因素。所有土地類型敏感性指數最大值為0.79，均小于1，說明結果具有可靠性，最低值為0.02，即當建設用地的VC增加1%時，對應的ESV增加0.02%，對研究區的ESV影響很小；最高值為0.79，即當耕地的VC增加1%時，對應的ESV增加0.79%，對研究區的ESV影響最大。從不同時期的敏感性指數變化來看, 研究區內耕地的敏感性指數逐年減小，由1990年的0.79降為2018年的0.28，可見耕地在ESV中的主導地位逐年降低，2010年以后水體成為該研究區域最敏感的因素，敏感性指數達0.56。

4 結語

整體上看，1990-2018年，區域土地利用類型的動態變化對整個區域的總ESV產生了積極作用，水域和林地生態服務價值的增加彌補了耕地大面積轉變為建設用地對總ESV帶來的負面影響。從ESV的構成上來看，過去耕地是研究區最主要的生態系統服務功能，2000年以后水域生態系統的服務功能逐漸占據主導地位；從ESV的變化趨勢上看，興隆莊煤礦在1990-2018年間，其土地利用結構變化明顯，耕地減少了36.96%，建設用地、林地、水體和塌陷水體整體上呈增加趨勢，尤其建設用地的增幅最大，1990-2018年間增加了1418.49 hm2。從單項生態服務價值上來看，1990-2018年，耕地呈負向變化，共減少了7601.9萬元，其余整體上均呈正向增加。耕地和水體是興隆莊煤礦生態系統服務價值最敏感的因素，但是耕地敏感性指數在逐年降低，而水體敏感性增加。

未來可以從以下兩方面來提高生態系統服務價值，一是采用先進的開采技術，因勢利導，合理利用塌陷地，減少塌陷區面積；二是科學合理地使用土地資源和水資源，可以通過建設濕地公園，合理發展旅游業，發揮塌陷水體在涵養水源、調節氣候和提供休閑娛樂文化等方面的積極作用提高水域生態系統的服務價值。