抚顺西露天矿西排土场不同土地利用方式下生态环境效益分析

王 晶，魏忠义

（沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳110866）

露天矿排土场是矿山开采对矿区生态干扰与破坏的主要类型之一[1-2]，土地复垦后其生态环境有所改善，近年来随着复垦后土地利用率不断提高[3]，相关研究不断取得新进展[4-6]，土地利用在改变地表覆被状况同时也影响着矿区生态[7]。本文所研究排土场土地复垦的生态环境效益指复垦土壤在恢复植被、大气环流和太阳辐射等共同作用下，通过物理、化学及生物作用为排土场及其周围环境提供直接和间接有利于人类的具有使用价值和“公共商品”特征的公益效能（经济价值除外），是土地复垦对排土场植被、土壤、水资源及其生态过程改善程度的经济度量。以生态学为理论依据的传统效益评价[8-10]多针对森林等天然生态系统[11]，如何客观定量评价排土场土地复垦产生的生态效益尚未形成体系，选取估算指标及方法各异[12-13]。因此，依据露天煤矿排土场复垦后土地利用方式，建立相应生态效益估算模型并应用尤为重要。

排土场是由露天采煤所产生的固体废弃物堆积而成，原有植被、地貌被矸石所覆盖的典型人工堆垫地[2]。经土地复垦的露天煤矿排土场是以生态恢复与土地循环利用为中心的人工或半人工生态系统，在复垦过程中自身表现出对外界环境变化及人类干扰的自我调节能力。本文以抚顺西露天矿西排土场土地经复垦形成林地、耕地、牧草地为研究对象，建立基于无质量与价值量的生态环境效益估算指标体系，运用生态学和生态经济学原理及价值计量方法，结合研究区现状估算土地复垦取得的生态环境效益，探讨不同土地利用方式的生态效益构成，为明确复垦后土地利用和发展方向、优化土地利用结构提供理论依据。

1 研究区概况

抚顺西露天矿西排土场（以下简称“西排土场”）坐落于抚顺市西南部，西露天矿坑以西2.5 km处，目前总排弃剥离土层和矸石量达6.28×108t，占地12.9 km2，顶部平台面积7.69 km2，最高标高+176 m，是迄今国内最大的露天煤矿排土场。表层排弃物主要由碳质页岩、绿色泥岩及油母页岩残余物等组成，周边土壤以轻壤土和砂壤土为主。排土场在西露天煤矿开采前为植被良好的丘陵区，人为活动和矿区生产使植被遭到严重破坏，原有林地基本消失，现主要为灌草丛。排土场内除人工栽种针叶松树类外，无天然木本植物，草本植物主要为猪毛菜、碱蓬等典型旱生植物。在矸石风化时间较长、水肥条件改善地段有茜草、野艾蒿、益母蒿等菊科植物生长。2000年西排土场最顶盘进行的大面积复垦将西排土场划分为几部分：其中复垦后林地以火炬树、紫穗槐为主；耕地种植玉米、大豆等作物；牧草地种植紫花苜蓿等。据西排土场复垦规划显示，复垦后林地、耕地、牧草地面积分别为261.84 hm2、216.09 hm2、375.31 hm2。

2 数据来源与研究方法

本文基于矿区土地复垦理论和生态经济学理论，采用文献研究、实证研究、样地调查、模型适宜性分析等方法，以西排土场土地复垦后林地、耕地、牧草地为研究对象，从物质量与价值量角度出发，选取涵养水源、保持土壤、气体调节、营养物质循环及净化地表水体效益等指标，建立指标体系估算三种典型用地类型的生态效益，具体方法包括市场价值法、影子价格法、工程替代法、造林成本法等。其中，实验数据为2010年课题组对研究区进行的相关实验研究，如土壤物理性状测定、地表水水质及重金属含量测定等。统计调查资料来自国家发布的社会公共数据、中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》[15]中相关评估指标和价格参数以及近年来相关领域研究的数据资料等。

2.1 涵养水源

涵养水源效益是复垦后矿区生态系统对大气降水调节作用的货币表示。本文结合研究区复垦现状，取水库蓄水成本为“影子价格”[16]。各复垦类型的涵养水源效益计算公式如下：

式1中，Vwi为涵养水源效益（元/a）；hi为土壤平均深度（m），均取复垦后表层土壤平均厚度0.6 m；pi为非毛管孔隙率度（%），取值为实验研究数据，见表1；Si为林地、耕地、牧草地面积（hm2），取复垦规划中各用地类型面积；Cw为单位库容蓄水成本（元/t），据《中国水利年鉴》（2011）[19]平均水库库容造价为2.17元/t及价格指数2.816，即得到单位库容蓄水成本为6.11元/t。

2.2 保持土壤

土壤保持量可根据潜在土壤侵蚀模数和实际土壤侵蚀模数之差计算，此方法更适于不同尺度不同土地利用方式下的土壤侵蚀量估算[23]。该效益可通过复垦后各类型减少表土损失、减轻泥沙淤积及保持土壤肥力等三方面衡量。

2.2.1 减少表土损失 根据土壤保持量和复垦土壤表土平均厚度，推算土壤侵蚀减少土地面积，采用机会成本法[11]，通过单位面积林业平均收益或单位面积农业产值，估算因土地减少所损失效益：

式2中，Vs-ei为减少表土损失效益（元/a）；Sp为潜在土壤侵蚀模数（t/km2·a），据统计，抚顺市潜在土壤侵蚀模数为500—1500 t/km2·a，因复垦前土壤侵蚀较严重，本文将潜在土壤侵蚀模数取最大值1500 t/km2·a；Sr为实际土壤侵蚀模数（t/km2·a），据齐晓君[19]等对研究区内林地、耕地、牧草地研究成果推算实际土壤侵蚀模数分别为582.56 t/km2·a、442.63 t/km2·a、578.49 t/km2·a；单位面积年均收益 ARf（元 /hm2）据研究区主要作物年均产量、单价及抚顺市林地、草地年均产值等统计资料估算，得出各类型年均收益分别为11039.79元/hm2、10293.45元/hm2、10000元 /hm2；Di为土壤容重（g/cm3），源自实测数据，见表 1。

2.2.2 减少泥沙淤积 采用挖取单位泥沙成本法计算植被减轻泥沙淤积效益，其估算公式[21]如下：

式3中，Vs-ui为减少泥沙淤积效益（元/a）；Is为泥沙淤积系数（%），按照中国主要流域泥沙运动规律，全国土壤侵蚀流失泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊等，故泥沙淤积系数取值24%；Cr为单位清淤成本（元/m3），西排土场边缘坡度较陡，易发生水土流失、泥沙淤积等，单位体积清淤成本较高，据《辽宁省水利水电建筑工程预算定额》[18]中人工挖土方Ⅰ和Ⅱ土类的人工费计算单位清淤成本为12.6元/m3。

2.2.3 保持土壤养分 根据研究区复垦土壤中N、P、K和有机质含量及其市场价格或“影子价格”，计算该效益。其估算公式[12]如下：

表1 西排土场复垦土地不同用地类型的土壤物理性质及营养元素含量Tab.1 Soil physical properties and content of nutrient elements in different reclaimed land uses in the western dump

式 4中，Vfi为保持土壤养分效益（元 /a）；WSNi、WSPi、WSKi、WSOMi分别为复垦后不同用地类型土壤 N、P、K、有机质平均含量（%），见表 1；R1、R2、R3分别为磷酸二铵含N量（%）、磷酸二铵含P量（%）、氯化钾含K量（%），Pf1、Pf2、Pf3分别为磷酸二铵、氯化钾化肥、有机质的平均价格（元/t），参考《森林生态系统服务功能评估规范》[15]中数据，R1、R2、R3分别取值 14%、15.01%、50%；Pf1、Pf2、Pf3分别为 2400元 /t、2200元 /t、320元 /t。

2.3 气体调节

根据气体调节量与“替代价格”估算气体调节效益。本文利用生物量法[24]估算年气体调节量。CO2替代价格确定方法有造林成本法、碳税率法、人工吸收CO2成本法和避免损害费用法等。O2替代价格确定方法有造林成本法、氧气的商品价格和工业制氧成本法等。植被恢复是矿区土地复垦工程重要内容之一，因此，本文使用造林成本法计算植被固定CO2和释放O2价值。

2.3.1 固碳效益 根据光合作用化学方程式，森林植被每积累1 kg干物质可以固定1.63 g的CO2、释放1.19 g的O2，土地复垦后排土场植被固定CO2价值的计算公式[22]为：

式 5中，Vci为固碳效益（元 /a）；1.63为形成 1 g干物质需要 CO2量；Bi为植被年净生产力（t/（hm2·a）），据相关研究[24]推算研究区内复垦后不同用地类型的物质生产力分别为9.54 t/（hm2·a）、8.93 t/（hm2·a）、6.53 t/（hm2·a）；C1为固碳价格（元/t），取造林成本法固定1 t CO2成本为260.9元/t。

2.3.2 释氧效益 复垦后植被（作物）的释氧效益可用下式[22]计算：

式6中，Voi为复垦区各用地类型的年制氧效益（元/a）；Si为研究区林地、耕地、牧草地面积（hm2），采用复垦规划各用地类型的面积；C2为制氧成本（元/t），取造林成本法提供1 t O2成本为352.93元/t。

2.4 营养物质循环效益

参与生态系统维持养分循环的物质种类繁多，现仅考虑主要元素N、P、K和有机质等。由植被年净生产力和元素含量可计算出复垦土壤保持营养物质量。采用影子价格法[14]，定量估算该效益。其公式为：

式 7中，Vni为营养物质循环效益（元 /a）；Bi含义及取值与气体调节效益中 Bi相同；WSN、WSP、WSK、R1、R2、R3、Pf1、Pf2、Pf3含义及取值与保持土壤养分涉及参数相同。

2.5 净化地表水体

依据已有研究并结合研究区现状，采用替代费用法[23]依据最优等效替代治理技术所需成本得到估算模型为：

式8中，Vpw为净化地表水效益（元/a）；WT为研究区内达到国家环境标准的年涵养水源总量（t/a）；Ccs为净化污水成本（元/t），采用网格法得出2007年全国大中城市居民用水平均价格2.09元/t[11]；Cht为重金属废水处理成本（元/t），采用生化法[20]进行重金属废水处理的成本2元/t。

3 结果分析

本文基于西排土场复垦后不同土地利用方式，建立相关的生态效益估算模型（式1—式8），结合数理统计方法及已有研究估算生态效益。结果如下：

（1）根据估算结果（表2），西排土场经土地复垦取得年生态效益为1586.5×104元/a。各效益构成按其价值量大小排序，依次为气体调节＞涵养水源＞净化地表水体＞保持土壤效益＞营养物质循环。

（2）由表3可知，西排土场单位面积年生态效益大小顺序为：耕地＞林地＞牧草地。其中，气体调节效益：林地＞耕地＞牧草地；涵养水源及净化地表水体效益：耕地＞牧草地＞林地；营养物质循环效益：耕地＞林地＞牧草地；保持土壤效益：耕地＞牧草地≈林地。

表2 西排土场土地复垦的年生态效益值 单位：104元/aTab.2 The annual ecological benefits of western dump after land reclamationunit:104yuan/a

表3 单位面积复垦后各用地类型年生态环境效益值 单位：104 元/（hm·2a）Tab.3 Annual ecological benefits in each unit area of different land uses after reclamationunit:104yuan/（hm·2a）

4 结论与讨论

4.1 结论

本文结合西排土场土地复垦生态系统结构、特征和生态过程建立生态效益评估指标体系，在分析各项生态效益评估方法及参数基础上，计算不同土地利用方式下各项生态效益值并估算其总效益及单位面积生态效益，得出气体调节和涵养水源效益所占比例较大，而保持土壤和营养物质循环效益较小。故加强复垦区水土保持措施和复垦土壤肥力研究是提高研究区生态效益的重要手段。应指出，牧草地生态效益总量较大是由于研究区在复垦初期大面积种植紫花苜蓿，既具有经济效益又具有培肥土壤作用，可作为实现耕地占补平衡的主要来源。

不同土地利用方式对西排土场生态环境效益影响的差异揭示了土地复垦活动对环境变化的影响程度。由估算结果可知：林地在气体调节方面作用显著，而耕地在涵养水源等其他方面取得的生态效益也很明显，这与近年来研究区重点发展农业和林业密切相关。研究区内牧草地作用主要体现在气体调节和保持土壤上，可作为耕地后备资源。值得指出的是，在营养物质循环方面，三种利用方式下单位面积复垦土地取得效益及其在总效益中所占比例都很小，不利于土地可持续利用。因排土场受人为扰动影响较大，并且对外界具有极强的依赖性，如客土、施肥、灌溉等措施，因此加强复垦后矿区土地营养物质循环能力研究对维持该生态系统稳定性具有重要作用。

4.2 讨论

本文生态效益估算不仅考虑研究区土壤的特殊性，也考虑了复垦后各用地类型在功能上的差异，使结果更能反映复垦区域实际情况，通过分析不同估算方法适用范围、可操作性和实用性差异，运用市场价值法、影子价格法、工程替代法、造林成本法等价值确定方法，选择适宜的估算方法及参数定量估算，使所建立估算模型适合不同用地类型的生态条件，估算结果更客观。另外，指标及参数选取方面尚未统一，会影响各项研究结果的准确性，评价参数选择差异可能导致结论出现偏差，因此建立和完善价值评估标准尤为重要。由于复垦后情况复杂及现有数据资料有限，本文仅估算研究区内林地、耕地和牧草地3种用地类型5项主要功能取得的生态环境效益。

（References）：

［1］吕春娟，白中科，陈卫国，等.黄土区采煤排土场生态复垦工程实施成效分析［J］.水土保持通报，2011，6（31）：233-235.

［2］高淑慧，贾志斌，张树礼，等.露天煤矿排土场的复垦研究［J］.北方环境，2011，3（23）：40-41.

［3］张伟.河北省矿山废弃地治理模式与适宜性评价研究［D］.北京：中国矿业大学，2011.

［4］傅伯杰.我国生态系统研究的发展趋势与优先领域［J］.地理研究，2010，29（3）：383-396.

［5］虞依娜，彭少麟.生态系统服务价值评估的研究进展［J］.生态环境学报，2010，19（9）：2246-2252.

［6］侯元兆，吴水荣.生态系统价值评估理论方法的最新进展及对我国流行概念的辨正［J］.世界林业研究，2008，21（5）：7-16.

［7］李保杰，顾和和，纪亚洲.矿区土地复垦景观格局变化和生态效应［J］.农业工程学报，2012，28（3）：251-256.

［8］李文华.生态系统服务研究是生态系统评估的核心［J］.资源科学，2006，28（4）：4.

［9］杨光梅，李文华，闵庆文.生态系统服务价值评估研究进展：国外学者观点［J］.生态学报，2006，26（1）：205-212.

［10］李立平.邹城矿区生态系统服务价值变化研究［D］.北京：中国地质大学，2008.

［11］王兵，鲁绍伟，尤文忠，等.辽宁省森林生态系统服务价值评估［J］.应用生态学报，2010，21（7）：1793-1797.

［12］刘鸣达，黄晓姗，张玉龙，等.农田生态系统服务功能研究进展［J］.生态环境，2008，17（2）：834-838.

［13］李江锋.北京矿山废弃地生态恢复质量评价研究［D］.北京：北京林业大学，2010，6.

［14］刘庚，毕如田，曹毅.露天矿区排土场土地复垦经济效益评价研究［J］.中国煤炭，2008，34（8）：109-111.

［15］国家林业局.LY/T 1721-2008，森林生态系统服务功能评估规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［16］司今，韩鹏，赵春龙.森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究［J］.自然资源学报，2011，12（26）：2100-1209.

［17］齐晓君，王恩德，贾三石.基于GIS和RS的抚顺市土壤侵蚀动态研究［J］.东北大学学报：自然科学版，2008，29（9）：1342-1345.

［18］辽宁省水利水电建筑工程预算定额（2007）［M］.黄河水利出版社，2007.

［19］中国水利年鉴（2011）［M］.中国水利水电出版社，2011.

［20］张礼平，杨海真.重金属废水生化处理技术的研究进展［J］.四川环境，2006，25（5）：75-80.

［21］钱一武.北京市门头沟区生态修复综合效益价值评估研究［D］.北京：北京林业大学，2011.

［22］陈雅琳，高吉喜，常学礼，等.矿区土地利用及生态服务价值动态评估——以山西省朔州市为例［J］.干旱区资源与环境，2011，25（1）：44-47.

［23］盛莉，金艳，黄敬.中国水土保持生态服务功能价值估算及其空间分布［J］.自然资源学报，2010，25（7）：1106-1112.

［24］刘喜云，孙向阳，夏朝宗，等.东北地区森林植被生产力遥感定量估测［J］.林业资源管理，2007，（6）：78-83.

［25］Hobbs，R.J.，Cramer，V.A.Restoration ecology：interventionist approaches for restoring and maintaining ecosystem function in the face of rapid environmental change［J］.Annual Review of Environment and Resources,2008,33:39-61.