鶴崗礦區生態系統服務價值

龍精華,張 衛,付艷華,胡振琪

1 河北經貿大學公共管理學院, 石家莊 050061 2 天津城建大學經濟與管理學院, 天津 300384 3 中國礦業大學環境與測繪學院, 徐州 221116

礦區煤炭開采活動通過改變生態系統結構和功能,影響生態系統服務價值,嚴重威脅礦區生態環境和以煤為生城市社會經濟的可持續發展。生態系統服務是人類能夠從生態環境中得到的各種恩惠,包括有形物質產品和無形服務兩方面,可分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[1- 3]。生態系統服務的概念早在1970年聯合國大會上發表的《人類對全球環境的影響》報告中被首次提出[4]。之后,西方學者[5]進展緩慢的開始對全球生態系統服務價值進行概略的評估,沒有形成相應的評估理論和方法體系。直到1997年Constanza等[6]發表了《The Value of the World′ s Ecosystem Services and Nature Capital》一文,在國內外學者中引起了很大的反響,生態系統服務價值研究開始成為生態領域研究的熱點。國內學者20世紀80年代開始對生態系統服務的概念和計算方法進行關注,至21世紀初謝高地等人[7]在Constanza等人研究成果的基礎上,采用問卷調查法制定出了適合中國陸地生態系統服務價值評估的單位面積價值當量因子,有利的推動了我國不同尺度(全國、流域、省域或市域、縣域)、不同生態系統類型(森林、農田、濕地、水域、草地、城市等)[8- 19]下生態系統服務價值的研究。目前,對中小尺度礦區生態服務價值研究相對較少。對礦區生態系統服務價值的研究主要集中在采礦前后、復墾前后生態系統服務價值的變化情況,以價值大小來反映采礦活動或土地復墾對生態環境的影響[20- 24],對采礦過程中生態系統服務價值的變化研究少見。

生態系統服務價值評估方法大致可分為基于單位服務功能價格的方法和基于單位面積價值當量因子的方法。基于單位面積價值當量因子的方法要求數據少,簡單易算,比較適用于區域和大尺度各類生態系統服務價值的評估[25- 26]。礦區是以礦業作業區為核心的一個獨特的人工、半人工的區域生態系統[27],為人類提供多種產品和服務。與其他區域生態系統相比,礦區是被人類擾動較大的土地受損區,各區域土地受損程度不同[28- 29],各生態系統具有很強的空間異質性。基于單位面積價值當量因子法評估礦區生態系統服務價值,考慮不到礦區各生態系統內部服務的空間異質性問題,評估出價值的結論可能存在著一定的偏差。一些學者采用不同方法,針對自己研究區特點對單位面積價值當量因子進行了適當的修正。謝高地等[30- 31]利用某區某月/某年某生態系統的NPP、平均單位面積降水量和土壤保持量與全國范圍內年均NPP、年均單位面積降水量和單位面積平均土壤保持量的比值對不同類型生態系統單位面積上各類服務功能年均價值當量進行了修正。韓增林等[32- 33]引入植被覆蓋度系數,在柵格尺度上根據植被覆蓋度和NDVI的對應關系對生態系統服務進行修訂。那么,對于人工擾動強烈的、土地受損程度嚴重、空間異質性較強的礦區,如何采用單位面積價值量法評估出更符合礦區實際的生態系統服務價值？開采時序、開采強度等開采活動對礦區生態系統服務價值又有何影響？

綜上,煤礦區是生態環境受損的集中區域[34],有必要對單位面積價值當量因子進行修正,評估出礦區受損生態系統的生態系統服務價值,從生態系統服務的視角研究采煤活動對礦區生態環境的影響。鶴崗礦區為我國典型的東北多煤層老礦區,煤層厚、開采歷史長。2013年沉陷面積達7932.12hm2,嚴重制約鶴崗城市的發展。因而,該研究對單位面積生態系統服務價值當量因子進行修正,對鶴崗礦區不同開采時期的生態系統服務價值進行估算,分析采煤過程中鶴崗礦區生態系統服務價值的基本特征,以期為生態系統服務價值的計算和煤礦區生態系統服務的恢復提供參考。

1 研究區概況

鶴崗市是一座緣煤而建的城市。鶴崗礦區(47°08′—47°23′,130°13′—130°22′)行政區隸屬于黑龍江省東北部的鶴崗市管轄,位于鶴崗市轄區南部,興山區、向陽區、工農區、南山區的東部一帶,興安區中部，地處三江(黑龍江、松花江和小興安嶺)平原交匯的金三角地帶(圖1)。地貌單元屬砂礫石丘陵臺地,海拔約100—140m。鶴崗礦區(主要包括興山、益新、振興、鳥山、南山、新陸、富力、興安和峻德煤礦)煤炭開采始于1917年,至今已有百年開采歷史。現礦區開采范圍北起興山礦,南至峻德礦,南北長27km,東西寬4km,面積108km2。核定生產能力為1351萬t/a 。鶴崗礦區是我國典型的多煤層老礦區,煤層最多的益新煤礦層組數達36個,截至2012年末已開采或局部開采28個煤層；煤層最少的振興煤礦層組數共計13個,已開采或局部開采5個煤層。煤礦煤層多屬于中厚及厚煤層,總厚在44—90m,富集在中生界白堊系下統石頭河子含煤組的中部含煤段。經開采沉陷預計,到閉礦,總沉陷面積11794.02hm2,最大下沉值達39.4m,嚴重制約鶴崗城市的發展。

圖1 研究區位置Fig.1 The position of study area

2 研究方法

2.1 數據來源

土地利用矢量數據通過對1993年9月、2000年9月和2013年9月Landsat TM遙感衛星影像(30m分辨率)進行非監督分類獲得。結合Goggle earth對識別不清的地類進行校正。Kappa系數依次為80.74%、93.06%和84.95%,滿足精度要求。基于Landsat TM數據,參照中科院資源環境科學數據庫分類法將1993、2000和2013年土地利用類型分為耕地、建設用地、林地、草地、水域和未利用地六大類。各期土地利用數據利用ArcGIS軟件進行統計分析。其他社會經濟數據均從黑龍江省統計年鑒和鶴崗歷年統計年鑒中獲得。礦區植被凈初級生產力(NPP)通過CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型模擬估算獲得。降雨數據由鶴崗氣象站提供。鶴崗礦區柵格尺度上的土壤保持量通過InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型估算獲得。

2.2 生態系統服務價值評估

采用基于單位面積價值當量因子法[35],經農田為基準的地區修正法對各生態系統服務進行修正[36],將計算全國生態系統服務價值的單位面積價值當量因子修正為黑龍江省的單位面積價值當量因子。再經礦區NPP、降雨量和沉陷因子將黑龍江單位面積價值當量因子修正為礦區單位面積價值當量因子。經公式(5)和(6)計算出鶴崗礦區不同類型生態系統和各服務的價值量。具體做法為：經公式(1)、(2)、(3)和(4)分別計算礦區1993、2000和2013年生態系統服務當量的修訂系數。之后,依據中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表,以2013年黑龍江省糧食平均收購價格(2.41元/kg)和1993—2013年農田單位面積平均產量(3779.38kg/hm2)為標準,按照在沒有人力投入的自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積農田提供食物生產服務經濟價值的1/7[7],計算礦區不同生態系統的單項生態功能服務價值,其中建設用地生態服務價值參考袁興中[37]等的研究結果予以賦值。總服務價值經公式(7)進行敏感性指數檢驗。

2.2.1地區修正法

采用以農田為基準的地區修正法,修正公式如下：

(1)

式中,Ei為第i類土地利用類型經地區修訂后的生態系統服務價值當量；Q和Q0分別為研究區和全國的農田單位面積糧食產量；E0i為第i類土地利用類型全國平均的生態系統服務價值當量,其中i=1,2,…,6分別代表林、草、耕、水域、建設和其他土地。

2.2.2NPP因子修正

NPP因子修正食物生產、原材料、氣體調節、氣候調節、廢物處理、生活多樣性保護和娛樂文化服務功能[38- 39]。計算公式如(2)所示。

侯湖平等[38]以礦區耕地為例,將CASA模型模擬四期礦區耕地的NPP值與其對應檢驗值(產量轉為碳儲量的算法作為檢驗值[40])進行對比、驗證。結果發現,四期模擬值的平均值與其檢驗值的平均值殘差為8.04gC (m2月)-1,并進一步對四期NPP模擬值與其檢驗值進行了相關性分析,相關系數為0.75,并對礦區NPP進行了模擬,證明采用CASA模型模擬礦區NPP值可行。肖武等[24]采用CASA模型對礦區NPP進行了模擬,并將其計算結果與朱文泉的[41]進行比對,也在合理范圍之內。本文NPP采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型進行估算。

(2)

式中,Ni為第i類土地利用類型經NPP修正后的生態系統服務價值當量；Pi_y為研究區第y年第i類土地利用類型的單位面積NPP；y指1993年、2000年和2013年；E0i和i同上。

2.2.3降水因子修正

降水因子修正水源涵養服務功能。計算公式如(3)所示。

韓鵬等利用當量因子方法計算干旱半干旱區生態系統服務價值時認為降雨因素會對水源涵養價值產生影響[30,42]。

(3)

式中,Pi為第i類土地利用類型經降水因子修正后的生態系統服務價值當量；W和W0分別為研究區和全國年平均降雨量；E0i和i同上。

2.2.4沉陷因子修正

采煤沉陷影響土壤保持量,柵格尺度上土壤保持量修正土壤形成與保護服務功能[30]。計算公式如下：

(4)

式中,si為第i類土地利用類型經沉陷因子修正后的土壤保持服務價值當量；Si_y為研究區第y年第i類土地利用類型土壤保持量；E0i和i同上。

2.2.5生態系統服務價值計算

ESV=∑(Ak×VCk)

(5)

ESVf=∑(Ak×VCfk)

(6)

式中,ESVf為第f項生態服務價值；ESV為總的服務價值；Ak為研究區第k類型的土地利用面積(hm2)；VCk為第k類型土地利用單位面積的服務價值系數(元 hm-2a-1)；VCfk為第k類型土地利用對應的第f項生態功能的單位面積服務價值系數(元 hm-2a-1)。

2.2.6敏感性指數檢驗

敏感性指數的計算公式如下：

(7)

式中,ESV為生態系統服務價值,E為生態系統服務價值當量,i,j分別表示初始的生態系統服務價值和生態系統服務價值當量調整后的值。

敏感性指數檢驗,意指將各類土地利用類型的價值指數分別調整50%,衡量總生態系統服務價值的變化情況。若CS>1,表明生態系統服務價值(ESV)相當于當量系數(E)是富有彈性的；若CS<1,ESV則被認為是缺乏彈性的。比值越大,表明當量系數的準確性越關鍵。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征

1993—2013年,耕地和建設用地為鶴崗礦區的主要用地類型,平均比重依次為47.18%和44.85%。耕地和建設用地變化最大,耕地依次減少,減少量共計910.16hm2,變化率為-14.99%；建設用地依次增加,增加量共計776.69hm2,變化率為15.98%(表1)。經土地利用轉移矩陣分析,2013年土地利用類型的減少或增加均是1993年土地類型的得失轉換。建設用地的擴張主要是由耕地的減少轉化而來,2013年1078.91hm2耕地轉化為建設用地(圖2)。

表1 1993—2013年鶴崗礦區土地利用類型變化特征

圖2 1993—2013鶴崗礦區土地利用變化 Fig.2 Change pattern of land use in Hegang coal mining area during 1993—2013UL: 未利用地；GL: 草地；WB: 水域；FL: 耕地；CL: 建設用地；FR: 林地

3.2 生態系統服務價值分析3.2.1 生態系統服務總價值

由1993—2013年鶴崗礦區不同生態系統服務類型的價值變化來看(表2),1993、2000和2013年鶴崗礦區生態系統服務的總價值量分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元。耕地的平均總服務價值最大,約占平均總價值的189.35%；其次是林地(46.50%)、水域(26.83%)；草地、未利用地和建設用地所占比重偏低,建設用地平均總服務價值為-3925.51萬元,約占平均總價值的-173.79%。

表2 1993—2013年鶴崗礦區不同生態系統類型的價值變化/萬元

1993—2000年,總價值變化量為-1194.06萬元,其中耕地變化量最大,為-1059.36萬元,變化率為-22.44%；其次是水域,變化價值量為-54.53萬元,變化率為-9.45%。2000—2013年,總價值增加2506.80萬元,其中林地、草地、耕地、水域和建設用地價值均在增加,耕地和建設用地價值增加最大,分別為789.97和1037.68萬元,變化率最大的是林地和草地,分別為43.94%和39.97%。1993—2013年間,總價值增加1312.74萬元,其中建設用地增加量最大,為1010.60萬元,變化率為-23.76%(表2)。1993—2013年價值先減少后增加主要是隨著采礦活動,耕地面積在不斷下降,建設用地、林地和水域面積在不斷增加,而采煤沉陷地土地生態狀況呈現出先下降后回升的趨勢。建設用地面積增加到一定程度,會使總服務價值提高。

3.2.2生態系統服務類型

由1993—2013年鶴崗礦區不同服務功能的價值變化可知(表3),1993—2013年,土壤形成與保護價值最大,分別占該年總價值量的145.18%、192.97%和154.86%；其次是氣候調節服務和生物多樣性服務,平均價值比分別為40.54%和37.79%；食物生產的平均價值比為22.36%；其他服務價值占比較小。由于鶴崗礦區建設用地面積較大,水源涵養服務價值為負值,分別占該年總服務價值量的-155.99%、-308.65%和-127.68%。

1993—2000年,土壤形成與保護價值減少最大,為-1243.66萬元,年變化率為-5.51%。氣候調節和水源涵養服務價值均處于增加狀態。2000—2013年間,土壤形成與保護價值增加最大,為3491.17萬元,年變化率為13.58%；其次為氣體調節和廢物處理服務,增加值分別為129.34和277.79萬元。1993—2013年間,氣體調節價值年變化率最大,分別為5.70%、44.04%和42.04%(表3)。1993—2013年,土壤形成與保護價值先減少后增加,主要是隨煤炭開采,耕地和建設用地的土壤保持量呈先下降后上升、建設用地面積大大增加的結果。

表3 1993—2013年鶴崗礦區不同服務功能的價值變化/萬元

3.2.3生態系統服務價值的空間差異及其影響因素

鶴崗礦區煤炭開采方向自西向東行進,且北部煤礦開發較早于南部。1993—2013年,生態系統服務價值西部小、東部大,北部小、南部大,自西向東遞增。西部一帶為過去各煤礦煤炭開采初始地段,土地利用類型多由耕地轉變為建設用地,生態系統服務價值較低；東部一帶為各煤礦開發較晚或還未開發地段,土地利用類型多為耕地,生態系統服務價值較高。鳥山煤礦2017年投產使用,受采煤擾動較少,生態系統服務價值最高,占平均總價值的60.19%。北部煤礦開發程度較深,興山、益新、振興和南山煤礦生態系統服務價值均值之和占平均總價值的-11.65%；南部峻德煤礦,服務價值均值占平均總價值的48.08%,服務單位價值最高的地區主要分布在峻德礦沉陷區范圍,地型為林地(圖3)。這種分布趨勢主要受由采煤活動引起的土地利用類型、面積及質量變化的影響。

圖3 1993—2013鶴崗礦區生態服務價值分布Fig.3 Distribution of ecological service value in Hegang coal mine during 1993—2013

3.2.4鶴崗礦區生態系統服務價值修正前后比較

1993—2013年,鶴崗礦區總生態系統服務價值分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元,與無考慮空間異質性因素情況相比,1993和2000年服務總價值分別減少了152.96和580.12萬元,2013年增加了781.63萬元。隨著煤炭開采,1993—2000年,鶴崗礦區生態環境受采煤影響較大,到2013年,生態環境呈好轉的趨勢。

4 結論與討論

生態系統服務與人類福祉關系極其密切。充分評估礦區沉陷地生態服務價值是生態系統服務恢復的科學依據。本文主要采用修正的單位面積生態系統價值當量因子的方法,對鶴崗礦區生態系統提供的9種生態系統服務類型進行評估,得出以下結論：

(1)1993、2000和2013年鶴崗礦區總服務價值量分別為2219.21、1025.15和3531.95萬元。隨著采礦活動的進行,這與耕地面積不斷減少、建設用地不斷增加有關,也與采煤沉陷地土地生態指標呈現先下降后回升有關。建設用地面積增加到一定程度,土壤形成與保護價值的大大增加會使總服務價值提高。

(2)按照生態系統類型劃分,1993—2013年,鶴崗礦區耕地的平均服務價值最高,占總平均價值的189.35%；其次是林地和水域,分別占總平均價值的46.50%和26.83%；按照生態系統服務類別劃分,支持功能服務價值最高,平均價值占總平均價值的186.67%,其次是調節服務,占45.34%,文化服務占5.73%,供給服務占-137.74%。

(3)1993、2000和2013年,鶴崗礦區生態系統服務價值自西向東遞增,北部小、南部大,與采煤方向由西向東行進、開采程度差異有關。生態系統服務價值空間差異主要受由采礦活動引起的土地利用類型、面積、質量變化的影響。

(4)與無考慮空間異質性因素情況相比, 鶴崗礦區1993和2000年生態系統服務總價值分別減少了152.96和580.12萬元,2013年增加了781.63萬元。隨著煤炭開采,1993—2000年,鶴崗礦區生態環境受采煤影響較大,到2013年,自然生態環境狀況好轉。

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