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(huán)境科學學院，重慶 400044)

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

兗州礦區(qū)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(qū)域土地利用變化劇烈。礦區(qū)地表大面積塌陷，耕地流失嚴重，礦區(qū)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(qū)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(qū)土地利用變化條件下的ESV變化研究，能夠為客觀認識礦區(qū)生態(tài)環(huán)境條件演化規(guī)律，尋求礦區(qū)恢復與治理的合理路徑提供參考依據(jù)。本研究利用遙感影像解譯數(shù)據(jù)，分析兗州礦區(qū)1994—2013年間土地利用變化及其ESV變化和空間表現(xiàn)特征，提出在礦區(qū)國土整治中，應該充分利用礦區(qū)塌陷濕地的ESV補償功能，重建區(qū)域人地關(guān)系系統(tǒng)的基本路徑。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為兗州礦區(qū)的主采區(qū)，包括山東省濟寧市的鄒城、兗州和曲阜3個縣(區(qū))的部分轄區(qū)(圖1)，面積1 023 km2。研究區(qū)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(qū)內(nèi)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(zhì)條件較簡單，斷層少，開發(fā)條件好。兗州礦區(qū)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(xiàn)代化煤炭工業(yè)基地之一。

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

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源于USGS，其影像已經(jīng)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(xiàn)狀分類[13]，結(jié)合礦區(qū)實際情況以及遙感影像的分辨率，將研究區(qū)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(jiān)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(shù)均大于0.80，總體分類精度均大于90%，分類結(jié)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(jù)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(zhuǎn)移矩陣，并在此基礎(chǔ)上計算土地轉(zhuǎn)移貢獻率，探討類型間的內(nèi)部轉(zhuǎn)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(tài)和趨勢，為了便于空間數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)運算，對各期數(shù)據(jù)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(shù)運算，即把前一采樣時刻柵格單元的屬性值作為十位數(shù)、把后一采樣時刻柵格單元的屬性值作為個位數(shù)，生成一個兩位數(shù)編碼的新空間單元[16]，進而得到礦區(qū)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(tài)系統(tǒng)服務當量因子表”為基礎(chǔ)，根據(jù)研究區(qū)實際情況，采用研究區(qū)農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量與全國農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量的比值作為地區(qū)修訂系數(shù)[19]，確定研究區(qū)土地利用類型相對應的生態(tài)系統(tǒng)類型及生態(tài)價值系數(shù)，研究假定建設用地的價值系數(shù)為0(表1)。以此為基礎(chǔ)，采用 Costanza 等[6]的生態(tài)系統(tǒng)服務價值公式，計算生態(tài)系統(tǒng)服務功能[20-28]：

ESV=∑Ak×VCk，

(1)

ESVf=∑Ak×VCfk，

(2)

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)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(tài)價值系數(shù)(元/(hm2a))；ESVf為第f項生態(tài)服務功能價值；VCfk為土地利用類型k的第f項生態(tài)服務功能價值系數(shù)。

表1 研究區(qū)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(shù)(coefficient of sensitivity，CS)來確定生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)隨時間的變化情況對生態(tài)價值系數(shù)(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(tài)服務價值系數(shù)VC分別上下調(diào)整50%來計算CS[29-32]。

(3)

式中,p和q分別為初始和調(diào)整后的生態(tài)服務價值系數(shù)；i表示土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 兗州礦區(qū)土地利用變化

從土地利用分類圖(圖2)和土地利用情況統(tǒng)計表(表2)可知，1994—2013年間研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化顯著。區(qū)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(nèi)部轉(zhuǎn)換來看，耕地轉(zhuǎn)出主要是轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚝徒ㄔO用地，兩者對耕地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換，反映了當?shù)販\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(zhuǎn)化是導致其他用地減少的主要原因，具有傳統(tǒng)平原農(nóng)區(qū)地區(qū)土地利用變化的一般特征。

從研究區(qū)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(qū)中部和南部的兗州、曲阜、鄒城3個縣(區(qū))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(qū)所在地；2004—2013年間，轉(zhuǎn)化區(qū)域較前一時期明顯向北轉(zhuǎn)移，反映了礦區(qū)煤炭采區(qū)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(qū)主要涉及曲阜和鄒城兩個縣(區(qū))的市區(qū)和兗州鄒城邊界地區(qū)，主要是壓煤村莊搬遷和城鎮(zhèn)工礦建設所致。

圖2 研究區(qū)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(qū)1994—2013年間土地利用轉(zhuǎn)換及其動態(tài)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(qū)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(qū)ESV變化

根據(jù)上述土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)，運用公式(1)計算得到研究區(qū)不同土地利用類型的ESV(表3)。結(jié)果表明，研究區(qū)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(tài)系統(tǒng)構(gòu)成上分析，林地的ESV最大，約占總價值的50.86%，主要得益于區(qū)域內(nèi)耕地轉(zhuǎn)化和林木工程等生態(tài)建設工程的實施；其次是耕地(32.76%)、水域(16.24%)。林地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)價值系數(shù)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%?？傮w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(nóng)地等的侵吞帶來的ESV的減少，使得研究區(qū)總的ESV增加了2.03億元，增長率達29.16%。

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

表4 生態(tài)系統(tǒng)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(qū)ESV變化的驅(qū)動因素分析

礦區(qū)作為具有特殊人地關(guān)系的區(qū)域，土地利用變化劇烈，人地矛盾突出，人地關(guān)系協(xié)調(diào)面臨多重困難。兗州礦區(qū)是我國較早開發(fā)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(fā)展成為濕地，部分耕地在土地復墾后轉(zhuǎn)為林地。煤炭資源的開發(fā)和利用，帶動了與之相關(guān)的能源、原材料、制造業(yè)和通訊、交通等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，城鎮(zhèn)工礦用地逐漸擴大，致使耕地面積進一步減少，食物生產(chǎn)ESV處于下降趨勢，年變化率為-2.34%。就其他單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能而言(圖4)，1994—2103年間氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、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(diào)節(jié)、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(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保護、廢物處理是研究區(qū)各時段最主要的生態(tài)系統(tǒng)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(qū)ESV的60%以上。研究區(qū)水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)內(nèi)部相連，加強了各系統(tǒng)間信息流、物質(zhì)流與能量流的相互轉(zhuǎn)化。

圖4 研究區(qū)1994—2013年單項ESV結(jié)構(gòu)變化Fig. 4 The single structural changes of ESV during 1994—2013 in the study area

4 結(jié)論與討論

兗州礦區(qū)在1994—2013年間，其土地利用結(jié)構(gòu)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(qū)，致使研究區(qū)水域面積明顯增加。研究區(qū)不同土地利用類型ESV存在差異性，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的變化帶來ESV的變化。但從整體上看，在研究時段內(nèi)，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化并沒有降低整個區(qū)域的ESV。林地和水域?qū)φ麄€區(qū)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(gòu)成上來看，氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤保護、廢物處理是研究區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

礦區(qū)是人類活動比較劇烈的區(qū)域，也是土地利用類型變化較快的區(qū)域。根據(jù)本文研究結(jié)論及區(qū)域發(fā)展定位，兗州礦區(qū)應從經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展角度因地制宜制定土地利用政策，優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)。兗州礦區(qū)作為我國重要的煤炭能源基地應走綠色發(fā)展道路，加快資源枯竭型城市的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游、濕地生態(tài)農(nóng)業(yè)等方式發(fā)揮采煤塌陷新生濕地在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)、生態(tài)旅游和濕地農(nóng)業(yè)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(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，應系統(tǒng)考慮各種土地利用類型的整體ESV變化。礦區(qū)區(qū)域人地關(guān)系的重建必須以礦區(qū)人地關(guān)系的特殊背景為基礎(chǔ)，將礦區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善有機結(jié)合起來，使得生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益達到最大化。

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