河南义马煤矿矿区生态系统服务价值动态演化过程分析

朱九龙

(中原工学院 经济管理学院，郑州 450007)

河南义马煤矿矿区生态系统服务价值动态演化过程分析

朱九龙

(中原工学院 经济管理学院，郑州 450007)

基于联合国千年生态系统评估的基本理念和评价框架，从供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4个方面对河南省义马矿区单位面积的生态功能价值进行测算，并分析了义马矿区生态系统服务价值在2005—2012年间的演化过程及敏感因素。结果表明：(1)义马矿区单项生态服务价值在2005—2008年间，废弃物处理、水源涵养、娱乐活动和控制侵蚀呈正向变化，食物生产、生物多样性、空气净化、土壤保持、气候调节呈负向变化，在2008—2012年间，仅有土壤保持功能价值为负向变化，其他均为正向变化；(2)矿区生态系统服务总价值呈现出降低—上升—缓慢下降的趋势；(3)农田和水域为义马矿区生态系统服务价值最敏感的因素，即矿区实现可持续发展的关键举措是进行土地与生态修复和水资源保护。

生态服务价值；演化过程；煤炭矿区；义马市

0 引言

早在1965年，G.P.Marsh[1]首次对生态系统的服务价值进行研究，分析地中海地区的人类活动对周边生态系统功能的影响情况。此后，J.P.Holdren等[2]，D.Pimentel等[3]从全球视野对生态系统服务价值做了一些有益探索。经过几十年的发展，国外学者对于生态服务功能价值的研究取得了较大进展，尤其是R.Costanza等[4]的研究成果得到了较为广泛的认可。国际著名的《Ecological Economics》杂志在2008年以专辑的形式刊登了来自全球各国生态研究的顶尖学者的20多篇论文，是迄今为止有关生态服务价值的较权威的研究成果。20世纪90年代以来，生态服务的概念被引入后，国内学者从不同角度对生态系统服务功能进行了广泛研究，取得了一些研究结论。目前，国内学者已经开始着眼于一些生态敏感区的生态服务价值变化的研究。谢高地等[5]对青藏高原特殊的生态系统的服务价值进行了较为系统的评价；李保杰等[6]、谭敏等[7]利用LUCC数据，对徐州煤矿区生态服务价值变化进行了马尔科夫预测；此外，韩永伟等[8]、唐紫晗等[9]、陈春阳等[10]也对不同的生态敏感区域的生态服务价值进行相应研究。总体而言，目前国内学者较多关注森林、草原、水源区、土地等生态系统的服务功能价值，关于矿区的相关研究成果较少，且现有的少量成果更多采取截面数据进行分析，利用时期动态数据分析的研究成果更为鲜见。

矿区是由于矿产开发利用及附属产业所形成的一个特殊社会经济活动区域[11]。矿区生态系统服务是指人类通过矿区生态系统的结构、演化过程和功能直接或间接获得生命的支持产品和服务。矿区生态系统是由生物群落系统和非生物的自然环境系统组成的复杂系统[12]。长期掠夺性的开发已经引起了矿区地表塌陷、土地污染和水土流失等生态环境问题，影响矿区经济与环境的协调发展，危及矿区居民的生存与健康。本研究以河南义马矿区为案例，分析矿区生态服务价值动态演化过程，判别矿区生态系统演化发展的敏感性因素和发展趋势，针对性地提出调控措施，避免矿产资源开发中的一些损害生态系统的短期行为，保障矿区生态环境和经济发展呈现良性循环。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

义马矿区位于河南省西部，地跨北纬34°42′～34°46′，东经111°50′47″～111°50′49″，总占地8 250 hm2。义马矿区属于豫西浅山丘陵区，境内起伏不平，沟壑纵横，地层内断裂构造发育，含水性不强。矿区交通方便，拥有6条煤炭运输专线，煤炭资源丰富，重工业发达，是河南省乃至全国重要的煤炭基地之一，这为义马市经济腾飞提供便利的同时也对区域生态环境产生了严重影响。

1.2 数据来源

数据主要通过以下3种方式得到：1)以2005，2008，2012年义马矿区3期遥感影像和2011年义马矿区的航片作为土地利用信息数据提取源；2)利用义马统计年鉴及义马国土资源局提供的2005—2012年义马市土地利用类型统计数据及土地利用规划(2008—2020年)，并根据矿区面积占整个义马市面积比例，推算矿区不同年份矿区的土地利用数据；3)当遥感数据与统计数据出入较大时，为了减少误差，采用两者均值进行测算。通过以上方式，获取相关土地面积数据(表1)。

表1 2005—2012年义马煤炭矿区不同土地利用类型的面积统计 hm2

2 研究方法

2.1 矿区生态系统服务功能划分

供给服务、调节服务、支持服务和文化服务是矿区生态系统服务功能的4个重要组成成分(表2)。根据对义马煤矿区域的实地调研，将义马煤矿生态系统划分为农田、林地、水域、草地、园地、建设用地、塌陷地和未利用地生态系统*由于资料收集难度较大，未利用地暂不予考虑。。因为园地的特性介于林地与草地之间，所以将林地和草地单位服务价值量的算术平均值作为园地单位价值量。建设用地主要向自然生态系统索取资源和排放废物，其单位服务价值为负数，本研究以食物供应、水源涵养、空气净化、废物处理等作为建设用地生态服务价值的衡量标准[13-14]。塌陷地由于地表变形严重，表面裂缝众多，基本丧失了涵养水源、保持土壤、控制侵蚀等功能，其涵养水源、保持土壤、控制侵蚀的价值为零，因此，仅测算塌陷地的食物生产、气候调节、空气净化、废弃物处理和营养物质循环等功能价值量。

2.2 单位面积服务价值估算

2.2.1 供给服务。矿区生态系统中能提供供给服务的主要为农田、林地、园地、水域和草地[15]。据查，小麦和玉米是义马市的主要粮食作物。2012年义马市小麦和玉米单产分别为5 942，10 532 kg/hm2，小麦和玉米单价分别为2.06，1.98元/kg，因此可得到单位面积农田、林地、草地、园地、水域和塌陷地生态供给服务价值分别为32 750，1 235.2，354，794.6，2 631，1 312元/(hm2·a)。

2.2.2 调节服务。1)气候及气体调节。矿区生态系统的气候及气体调节作用主要表现在固定CO2和释放O2方面，根据光合作用反应式可以得到矿区生态系统固定CO2和释放O2的价值计算式分别如下[16-17]：

VCi=1.63Cc×Si。

(1)

VOi=1.19Co×Si。

(2)

式中：VCi表示第i种土地上的植物吸收CO2的经济贡献；VOi表示第i种土地上的植物释放O2的经济贡献；Cc表示消减CO2的成本；Co表示工业制氧的成本；Si表示第i种土地的初级净生产力。2012年造林成本平均为978.23元/t，制氧成本为885.25元/t。林地、草地、农田、水域的初级净生产力分别为6 860，4 170，6 000，1 800kg/(hm2·a)。根据义马矿区实际情况，将塌陷地范围内的农田初级净生产能力确定为正常值的30%，林地、草地为正常值的80%，水域为0，由此测算出塌陷地的初级净生产能力为5 591kg/(hm2·a)。

表2 矿区生态服务功能种类划分

2)空气净化。一般而言，生态系统的空气净化功能主要包括吸收有毒物质、阻滞灰尘、消灭病菌和减少噪声污染等方面，但由于SO2和粉尘是矿区空气污染的主要表现，因此主要通过计算生态系统的吸收、滞尘的价值，从而实现对生态系统的空气净化价值的估算[18](表3)。计算公式如下：

(3)

(4)

式中：ViSO2代表第i类土地吸附SO2的价值；Vid代表第i类土地滞尘价值；QiSO2代表第i类土地单位面积吸附SO2的能力；Qid代表第i种类型土地单位面积滞尘的能力；CSO2代表消减SO2的成本；Cd代表除尘的成本。

表3 单位面积土地的空气净化能力 kg/(hm2·a)

3)水源涵养。利用水量平衡公式，采用影子价格法和替代工程法分别对不同类型土地的水源涵养功能进行估算，然后取其平均值作为最终值。计算公式为：R=P-E。式中：R为年均径流量(即生态涵养水量)；P为年平均降水量；E为年平均蒸发量。由此可以测算得到义马矿区农田，林地，水域，草地，园地和建设用地的水源涵养价值分别为1 639，3 168，8 321，1 639，2 403，-3 025元/(hm2·a)。

4)控制侵蚀。控制侵蚀功能主要体现在减少矿区土地废弃(包括耕地、植被退化)、减少泥沙淤积以及维持土壤肥力3个方面[19]。

一是减少土地废弃功能测算。该功能的测算公式为：

V=(Q×R)/(t×m)。

(5)

式中：V为矿区生态系统在减少土地废弃方面的功能单位量；Q为土地废弃的减少量(土壤保持量)；R为每年矿区内耕地的平均收益，取值为28 936元/(hm2·a)；t为区域内土壤平均厚度，以全国平均值(0.6 m)替代；m为土壤比重，矿区土壤多为沙土，因此，土壤比重介于1.41～1.69 g/cm3之间，用该区间中位数(1.55)作为矿区土壤比重取值。

二是减少泥沙淤积功能。此项功能的计算式为：

V=Q×m-1×R×Z。

(6)

式中：V为降低矿区内泥沙淤积的价值；Q为土壤保持量；m为土壤容重；R为流失泥沙在河流湖泊中的淤积百分数，取全国平均数24%；Z为单位库容的蓄水成本，为1.34元/m3。

三是维持土壤肥力功能。其测算公式为：

V=∑(Qi×ρ×Mi×Pi)。

(7)

式中：V表示保持土壤肥力的价值；Qi表示土壤保持量；ρ是土壤中N，P，K的折算系数；Mi表示土壤N，P，K的平均含量；Pi为碳酸氢铵、过磷酸钙和氯化钾的价格(元/t)；i表示土地类型。根据实地采样化验得出义马矿区土壤中N，P，K的含量分别为106.01，23.12，195.63mg/kg。2012年河南碳酸氢铵、过磷酸钙和氯化钾的平均价格为0.71,0.82,1.12元/kg。

5)废弃物处理。采用农田对污水的净化力来测算废弃物处理的功能。以中国北方农田污水灌溉的比例13.7%作为研究区内农田灌溉水量中的污水比例[20]。污水处理成本为1.2元/t，农田灌溉蓄水定额为3 000m3/hm2，污水量为411m3/hm2，由此得出义马矿区农田生态系统废弃物处理功能价值量为411m3/(hm2·a)。其他类型土地的弃物处理功能参照农田进行计算。

2.2.3 支持服务。1)土壤保持。土壤保持功能主要体现为植被根物质和生物物质对土壤中的有机质的保持作用。本研究参照谢高地等[5]的成果进行义马矿区不同土地类型的土壤保持价值的测算。2)维持生物多样性。本研究采用功能当量方法测算矿区生态系统的维持区域生物多样性的价值。

2.2.4 文化服务。文化服务价值难以定量描述，本研究采用专家咨询法和综合评分法计算各种类型土地的文化服务价值[21]。

根据上述计算方法得到义马矿区各类型单位面积生态价值(表4)。

表4 义马矿区单位面积生态价值估算结果 元/(hm2·a)

2.3 矿区生态系统服务总价值及敏感性系数

生态系统服务总价值的计算方法如下[22]：

(8)

式中：V为生态系统服务总价值；Vj为第j项生态服务价值；Pc为不同类型单位面积的土地生态服务价值；Ai为不同类型土地的面积；j表示服务功能种类。本研究采用敏感性系数λ测算Vj对V的影响情况。λ的具体内涵为当Vj变化1%时引起V的变化情况。若λ>1，表明V对Vj是富有弹性的，反之亦然。λ的计算公式如下：

(9)

式中：Pc1，Pc2分别为单位服务价值变化前后的价值。

3 结果分析

3.1 矿区土地利用变化情况

为了较为清晰地分析义马矿区2005—2012年间的土地利用变化情况，引入单一类型土地利用类型动态变化程度系数，计算公式为：

(10)

式中：K表示一定时期内的土地类型变化程度；Mb和Ma分别表示终点与起点时刻土地的面积；T表示研究时段内的期数。

由表1与表5可知，矿区土地利用情况确实发生了一些变化，但是以农田、建设用地、塌陷地和林地为主。在2005—2008年时段内，除建设用地和水域呈现递增趋势外，其他土地利用情况均为减少趋势，而且塌陷地变化最为明显，这与2005年以后义马矿区积极采取先进煤炭资源开采方式、矿石回填、塌陷地复垦治理等措施密不可分。在2008—2012年时段内，由于矿区实行基本农田保护政策和城镇化建设速度加快，农田、建设用地和水域呈现增加趋势，其他土地数量均减少，未利用土地和园地的变化最为明显。

表5 2005—2012年义马矿区土地利用结构变化情况

3.2 矿区生态系统单项服务价值变化

从表6可知，义马矿区各单项服务功能价值在2005—2008和2008—2012年间变化趋势较为明显。在2005—2008年间，呈现正向变化的服务功能按照变化率大小排序分别是废弃物处理、水源涵养、娱乐活动和控制侵蚀，呈现负向变化的服务功能分别是食物生产、生物多样性、空气净化、土壤保持、气候调节；在2008—2012年间，正向变化最大的服务功能为废弃物处理和娱乐活动，表明此间区域城镇化水平的完善度逐渐提高；负向变化的服务功能仅有土壤保持。

表6 义马矿区生态系统单项服务功能价值变化率 %

3.3 矿区生态服务总价值变化

按照生态服务价值计算方法和相关统计数据，算出义马矿区2005—2012年生态系统服务总价值(表7)。

1)义马矿区生态系统服务总价值呈现先下降后上升的趋势，到2009年以后，又表现出了逐年下降的趋势。在单位服务价值方面，从高到低的排序依次为农田、林地、园地、水域、草地、塌陷地。

2)对于不同类型的生态服务价值而言，农田生态服务价值呈先降后升，然后再继续降低。主要原因为：其一，2005—2012年间，义马矿区内的农田面积呈先减少后稳步缓慢增加；其二，农田单位生态服务价值变化。此外，其他土地利用类型的生态服务价值呈现逐年下降的趋势，表明义马矿区的生态环境持续恶化，对矿区环境进行保护和修复迫在眉睫。

3.4 敏感性分析

根据敏感性系数λ的计算公式，将不同类型的单位面积生态服务价值Pc分别进行±10%，±20%，±30%，和±50%调整，计算出相应的λ值，然后求λ系数的算术平均值，将其作为各年份对应的λ值。结果表明，V对λ的敏感系数小于1，λ值从高到低的顺序为农田、水域、建设用地、林地、草地、园地和塌陷地，农田λ值变化区域的中位数为0.43，可以看出，矿区V对于Pc缺乏弹性，而且影响最大的为农田和水域，即土地与生态修复、水资源保护是矿区实现可持续发展的关键举措。

表7 2005—2012年义马矿区生态系统服务总价值变化

4 结论与讨论

1)矿区的可持续发展战略的实施应该在区域生态系统理论的指导下合理利用土地资源，有计划、有步骤实施矿区塌陷地的生态恢复，控制矿区城镇化步伐，实施基本农田的红线保护政策，加强水域和园地保护，提高矿区各种土地类型的生态价值，营造矿区资源、环境、经济、社会和人文协调发展的多赢局面。

2)本研究对义马矿区的农田、林地、水域、草地、园地、建设用地、塌陷地生态系统服务价值动态演化过程进行研究，但由于数据收集的难度及研究方法的局限，未考虑未利用地生态系统，从而会导致计算值偏小。

3)煤炭开采对区域生态系统影响较为复杂，对矿区生态系统服务价值各项功能的定量评价今后应进行深入探索。由于义马矿区各个煤矿是点状分布，很多准确数据难以得到，因此，本研究中少数参数借鉴了现有研究成果，适用性方面会有所欠缺，这也是今后研究工作的改进方向。

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Analysis of Dynamic Evolution Process of Ecosystem Service Value of Yima Coal-Mining Area in Henan Province

Zhu Jiulong

(School of Economics and Management, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Based on the framework of Millennium Ecosystem Assessment (MEA), ecological function value of per unit area of Yima coal-mining area was calculated from the aspects of supply service, regulating service, support service and cultural service. In addition, evolutionary process of ecosystem service value of Yima coal-mining area from 2005 to 2012 was analyzed. Results showed that among individual ecological service values from 2005 to 2008, waste treatment, water conservation, recreational activities and erosion control had a positive change, while food production, biological diversity, air purification, soil conservation and climate regulation had a negative change. From 2008 to 2012, soil conservation value had a negative change and other ecological service values had a positive change. Results also showed that total ecosystem service value of Yima coal-mining area presented a trend of decrease-increase-slow decrease. Finally, results showed that farmland and water area were the most sensitive factors to ecosystem service value of Yima coal-mining area, which meant that land and ecological restoration and protection of water resources were key measures to realize sustainable development Yima coal-mining area.

ecosystem service value； evolution process； coal-mining area; Yima City

2015-01-12；

2015-11-26

国家自然科学基金项目(U1204709，71103213)；教育部人文社会科学基金项目(14YJA630060)；河南省青年骨干教师资助计划项目(2013GGJS-119)

朱九龙(1976-)，男，江西抚州市人，副教授，硕士生导师，博士(后)，主要从事区域生态环境管理、流域水资源管理等方面的研究，(E-mail)zhujiulong7699@163.com。

F127.41

A

1003-2363(2016)02-0145-05