黄土丘陵山区煤炭开采对生态系统健康的影响——以晋城市长河流域为例

杨静，毕如田，荆耀东，徐振，高阳

(山西农业大学 资源环境学院, 山西 太谷 030801)

黄土丘陵山区煤炭开采对生态系统健康的影响
——以晋城市长河流域为例

杨静，毕如田*，荆耀东，徐振，高阳

(山西农业大学 资源环境学院, 山西 太谷 030801)

[目的]研究煤炭开采对长河流域生态系统健康的影响。[方法]基于GIS和RS技术，以长河流域为例，通过目标分层法，结合长河流域的特点，从自然地理条件、水资源状况、受煤炭开采影响程度、社会生态环境4个方面构建评价指标体系，共选取18个指标，利用两两比较法和熵值法确定权重，将研究区划分为300 m×300 m的格网，共1 257个，以格网为评价单元，运用综合指数评价法对长河流域生态系统健康进行综合评价。[结果]长河流域以西受煤炭开采影响较大，采煤扰动区生态系统健康状况较差，处于疾病与一般病态的区域占整个流域的53.7%。长河以东山区部分植被覆盖度高，其生态系统健康状况较好，健康及以上的占整个流域的14.6%。处于亚健康的区域主要分布在长河两岸，占整个流域的31.7%。[结论]长河流域采煤对流域生态系统健康状况影响较大，研究区大部分区域处于亚健康水平以下。研究结果可为长河流域土地综合整治提供一定参考依据。

生态健康评价； 长河流域； 格网法； 指标体系

随着社会经济快速发展，工业化和城镇化进程加速，人类活动对生态系统的干扰加剧，生态环境日益脆弱，对生态系统健康造成了威胁，人类生存环境问题越来越突出[1,2]。因此，国内外学者和各国政府对生态系统健康问题相当重视，不少学者开展相关研究[3～6]，这也成为近年来研究的热门问题之一。为实现生态系统的可持续发展，生态系统健康成为环境管理的终极目标[7]。

生态系统是稳定的，有可持续性，可以为自然和人类提供生存所需，满足合理要求，在受到人类和自然干扰、损害的情况下，经过一段时间的修复，能够维持长期正常的运转，具备一定自我调控能力[8]。Karr给出了生态系统健康的概念，认为生态系统在某些条件下具有相对稳定性，并且在受到干扰时，具备一定的自我修复能力[9]。李卫海等根据PSR模型，采用格网评价单元，基于景观尺度建立评价指标体系来研究贵阳市城市生态健康时空变化过程[3]；陈晨等以小流域为评价单元，从陆域、岸边带和水域3个子系统的结构、功能和生态胁迫特征构建评价指标体系，评价九江流域生态健康状况，并基于主要影响因素探讨管理对策，提出建议[4]；闫旭骞等基于模糊评价理论评价矿区生态系统健康状况，并利用灰色预测及趋势函数法预测矿区生态系统健康的发展趋势，基于非线性理论评价系统的稳定性[5]；付爱红等综合考虑塔里木河流域的经济、社会和生态情况，从生态系统结构、服务功能、人类健康、社会发展等方面选取11个指标，采用专家问卷调查法和层次分析法确定权重，对流域指标分级赋值并加权求和，得到生态系统健康综合评价度[6]；李兵等基于物元模型，结合矿区生态系统的特点，从自然资源、社会经济和生态环境这3方面确定指标体系，构建物元、节域和经典域矩阵，经过计算关联函数确定评定等级，通过多年数据分析邹城市平阳寺镇矿区的健康发展状况和影响健康的限制因子[10]；王广成等建立多层次评价指标体系，运用层次分析法并通过熵技术修正确定指标权重，结合模糊综合评价法对矿区生态系统健康进行评价[11]。本文以晋城市长河流域为例，结合其黄土丘陵地貌的特点，研究煤炭开采对其生态系统健康状况的影响，结果可为流域生态可持续发展和规划管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况

研究区长河流域(图1)位于晋城市泽州县西北部，地理坐标是北纬35°20′～35°30′，东经112°30′～113°00′，主要包括川底乡、大东沟镇和下村镇3个乡镇，涉及47个行政村，面积约为108 km2，研究区总人口为32 853人，农村经济总收入148 076万元。地形起伏变化较大，为低山丘陵区，海拔在730～1 185 m之间，降水充沛，多集中在7～9月份，冬季寒冷，少雨雪，属暖温带大陆性季风气候，四季分明；主要有长河，是沁河的支流，属于黄河水系，由东北向西南汇入沁河，为季节性河流。研究区地下资源丰富，以煤炭资源为主，有11个大型煤矿，分布在长河以西，年产煤量均在90万t以上。由于受到煤炭开采的持续影响，造成土地塌陷、裂缝和压占等现象，影响生态系统健康状况。

图1 研究区地理区位图Fig.1 Map of study area

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的基础数据包括：2015年5月泽州县长河流域TM遥感影像图(来源于地理空间数据云)，30 m分辨率DEM栅格图，土地利用现状来源于全国第二次土地调查数据库成果，2015年泽州县统计年鉴，长河流域1∶2 000正射影像图，2015年7月耕地土壤采样点测定数据、2015年农户调查问卷和村长访谈式调查问卷，煤矿环境影响评价报告和复垦报告书等资料。采样点以1 km×1 km网格确定，在格网中针对耕地选取具有代表性的样点，在其5 m半径范围内，结合实际情况，采集0～20 cm深度的土壤，混合3个不同位置的表层土壤，共采集116个表层土壤样点。农户调查问卷以行政村为单位对农户进行随机抽取调查，每村至少调查10户，共发放调查问卷641份，有效问卷为621份，有效率达96.88%，主要调查农户基本情况、主要收入来源、煤炭开采对生活和环境的影响、土地利用现状等。

2.2 研究方法

2.2.1 评价方法

综合指数评价法能够综合反映区域生态环境状况优劣程度。它由单要素指数综合而成，是区域生态环境健康状况综合评价的重要手段，全面反映了某一生态环境单元或区域的生态环境健康状况差异[12,13]。

长河流域是一个采煤扰动下的综合生态系统，从单方面评价缺乏科学性，所以本研究采用综合指数评价法进行生态系统健康评价，评价模型如下[14]

(1)

式中，I表示流域生态系统健康评价结果，Xij表示第i个部分第j个指标的标准化值，Wij表示第i个部分第j个指标的权重系数，Wi表示第i个部分的权重系数。

为了使评价结果更有利于对比分析，本研究采取定性和定量相结合的方法，对研究区的生态健康状况进行等级划分。评价结果根据研究区特点，将分为5个级别，分别是非常健康、健康、亚健康、一般病态和疾病。

2.2.2 评价体系构建

本文采用目标分层法建立评价指标体系，根据研究目的确定指标体系的目标层，然后在目标层下建立一个或多个较为具体详细的准则层，最后确定指标层。研究区长河流域处于低山丘陵区，地形起伏变化大，有较为丰富的水资源，植被覆盖多，同时流域内有丰富的矿产资源，经济发展主要依托煤炭开采及相关行业，因此准则层确定为自然地理条件、水资源状况、受煤炭开采影响程度和社会生态环境4个方面。参考前人对流域、矿区生态系统健康评价选取的指标[8～10,15,16]，最后共选择18个指标确定指标层，构建了长河流域生态系统健康评价指标体系(见表1)。

表1 长河流域生态健康评价指标及权重

2.2.3 评价单元

传统评价方法以行政村界线为评价单元，而以格网为评价单元将打破这一限制。格网分析方法是地理空间统计基础方法，将研究的空间尺度缩放到较小尺度的每一个格网范围，既便于自然地理要素数据与各种统计数据的结合，同时也可以提高区域生态系统健康评价的精度和可信度，反映各评价单元的空间分布差异[15,16]。

为了防止空间单元过于破碎化，考虑到研究范围、尺度以及数据类型等原因，利用GIS空间分析功能，将研究区分为300 m×300 m的格网，面积为0.09 km2，研究区边缘地带，面积大于格网一半的单元格予以保留，本研究区最终划定为1257个格网。

2.2.4 评价指标的空间化处理及说明

通过格网将数据可视化表达。评价指标所用数据在空间化处理上存在差异，具体可分为调查问卷和统计年鉴数据、矢量数据和栅格数据3种类型。

①调查问卷和统计年鉴数据。评价中涉及的统计数据包括：人均耕地、人均收入、人均粮食、人口密度、农业机械普及率、化肥施用强度。通过空间分析工具赋值给格网，然后计算相关指标。

②矢量数据。评价中涉及的矢量数据包括：到水域距离、到矿区距离、塌陷占耕地比、工矿废弃地占比、受矸石场影响程度、道路密度、人为干扰度。到矿区距离、到水域距离均通过ArcGIS获取格网中心点到矿区、水域最近的距离。道路密度为格网内道路长度占格网面积的百分比，道路是由1∶2 000正射影像图矢量化获取。人为干扰度是指流域内建设用地、采矿用地和耕地面积占格网的比例，将泽州县土地利用现状图用ArcGIS裁剪得到长河流域部分，按照土地利用现状分类标准，分为耕地、草地、林地、水域、未利用地、采矿用地和建设用地7类。生态系统的健康状况与人类干扰密切相关，人类对生态环境的干扰与破坏是影响健康状况的重要因素。塌陷占耕地比是指塌陷耕地占耕地的比例，塌陷耕地由塌陷地和耕地用相交工具得到。在矸石场周围建立50 m、150 m、350 m缓冲区，受矸石场影响依次减弱[17]，赋影响权重分别为0.8、0.5、0.2，矸石场赋值1，然后计算每部分的面积比和影响权重的乘积。

③栅格数据。评价中涉及的栅格数据包括：坡度、地形起伏度、植被覆盖度、土壤有机质、土壤含水量。栅格数据通过区域分析建立分区统计表，然后和格网连接，取均值。山西省30 m分辨率DEM(数字高程模型Digital Elevation Model)栅格数据经掩膜处理后提取出长河流域DEM，然后提取坡度；利用块统计提取规定大小栅格内海拔的最大值和最小值，并计算地形起伏度。TM影像经过辐射定标、大气校正，然后掩膜提取长河流域部分，计算植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Inde)，然后利用李苗苗等在像元二分模型基础上研究的模型估算植被覆盖度。116个土壤采样点，按实验过程严格测定土壤含水量和土壤有机质，对数据验证和分析，利用ArcGIS里的探索性空间分析工具里的直方图和QQ正态图检验数据是否服从正态分布，并进行校正，然后选择普通克里金插值的方法对土壤含水量和有机质进行插值。

2.2.5 数据标准化

为了消除单位不统一对结果的影响，对指标进行标准化处理[18]。本研究采用极差法，由于所选评价指标与生态系统健康有正负关系[19]，分为正向指标和负向指标，取值设定在0～1之间。与流域生态系统健康成正相关的指标，即为正向指标，指标的值越大越好；与流域生态系统健康成负相关的指标，即为负向指标，指标的值越小越好。

正项指标标准化公式：

(2)

负向指标标准化公式：

(3)

其中，Xi表示第i个格网指标的实际值；Xmin表示该指标的最小值；Xmax表示该指标的最大值。指标标准化后的值，越接近1，表示该格网所描述的情况越好。指标的标准化处理，用SPSS软件计算得到。

2.2.6 权重确定

权重表示某一评价要素在综合指标评价中的重要程度，实际反映该因素与评判对象关系密切程度或该因素对评判对象的影响程度[20]。本文将主、客观赋权法相结合，采用两两比较法确定准则层的权重，用熵值法确定指标层的权重。两两比较法属于层次分析法的一种，采用1～9比率标度法，根据专家意见，确定准则层对评价目标的相对重要程度，构成判断矩阵，经过一致性检验，得到准则层权重值[21](见表1)。

熵值法通过计算信息熵，根据各指标的相对变化程度对系统的影响来决定指标权重。相对变化程度较小的权重就小，相对变化程度较大的权重就大[22]。首先对原始数据进行标准化和同趋势化处理，然后利用公式依次计算每个指标的的信息熵和权重值[23]，公式为：

(4)

(5)

(6)

式中：yij表示第j个指标的第i个记录占该指标的比重；xij表示第j项指标的第i个记录标准化后的值，ej表示第j项指标的信息熵，wj表示第j项指标的权重。通过MATLAB软件，分别计算得到4个准则层下指标层的权重，见表1。

3 结果与分析

3.1 各准则层评价结果及分析

基于格网评价单元，经过两两比较法和熵值法确定权重，得到自然地理条件、水资源状况、受煤炭开采影响程度和社会生态环境4个准则层，并进行分析。

(1)自然地理条件包括坡度、地形起伏度、植被覆盖度、土壤有机质、人均耕地5个指标，权重分别为0.039、0.011、0.183、0.184、0.583。由图2可以看出，流域自然地理条件分值低的地方主要集中在西北部和东南部，这两个区域为山地，坡度相对较陡，地形起伏较大，不利于农作物的种植，耕地较少，粮食产量相对较低；自然地理条件分值高的地方主要集中在贾泉村、庾能村、岭头村、北村村、辛壁村、和村、川底村、天户村的西部和马坪头村的西部，这些地方地势平坦，坡度较小，适合作物的生长，多为耕地，可以为居民提供更多的粮食；其余部分地势相对平坦，但是由于人口数量众多或覆盖林地草地，人均耕地较少，所以自然地理条件处于中等水平。

(2)长河流域分布着一条主河道、两条支流、4个水库和一些坑塘水面、沟渠。水域附近的水资源状况好，距离水域越远，水资源状况越差。水资源状况包括到水域距离、土壤含水量2个指标，权重分别为0.246、0.754。流域西南部和东北部的贾泉村、庾能村植被覆盖多，土壤含水量高，且距离长河不远，零星分布着坑塘水面，所以水资源状况分值较高。水资源状况分值较低的地方，主要是由于距离水域较远，且为耕地，7月份采样的时候，地里的庄稼已经收割，表层的土壤水容易蒸发，土壤含水量也相对较低(见图3)。

图3 水资源状况Fig.3 Situation of water resources

(3)受煤炭开采程度影响包括塌陷占耕地比、工矿废弃地占比、受矸石场影响程度、到矿区距离4个指标，权重分别为0.173、0.002、0.006、0.819。由图4可以看出，矿区在长河以西，受煤炭开采影响较大，而长河以东远离采区，基本不受影响。影响严重的地方，主要为塌陷地，且多为耕地，粮食产量也有所减少。矿区零星分布的废弃地和矸石场，对土地也有影响。

图4 受煤炭开采影响程度Fig.4 Effects of coal mining

(4)社会生态环境包括人均收入、人均粮食、人口密度、农业机械普及率、道路密度、人为干扰度、化肥施用强度7个指标，权重分别为0.073、0.048、0.022、0.155、0.223、0.440、0.039。流域社会生态环境分值高的地方集中在西北部和东南部，

主要是林地和草地，人口密度低，人类活动相对少，对生态环境的干扰也就小。分值低的地方主要为建设用地和耕地，建设用地上人为活动频繁，耕地上主要是由于道路少，交通不够便利(见图5)。

图5 社会生态环境Fig.5 Social ecological environment

3.2 生态系统健康评价

经过两两比较法确定准则层权重，采用ArcGIS将各个评价指标图层按照综合指数评价模型加权叠加，计算流域内每个格网的健康指数，得到最后的生态系统健康评价结果，将评价结果分为5个等级(见表2)，并制作生态系统健康评价等级分布图(见图6)。

表2 生态系统健康评价分级

长河流域有11个煤矿，受煤炭开采影响很大，给当地带来经济收益，但同时对环境造成了一定的损害，比如土地塌陷、房屋裂缝、地下水位下降、水资源减少等，这间接影响粮食作物的产量，破坏生活居住环境。粮食作物的生长离不开水，水资源状况直接影响到粮食产量。因此，煤炭开采和水资源状况对流域的健康程度影响最大。由图6可以看出，长河流域整体的健康状况分布，主要为亚健康和一般病态。健康状况为非常健康的占整个流域的4.7%，健康的占9.9%，亚健康的占31.7%，一般病态的占33.1%，疾病的占20.6%。长河以东的健康状况整体比长河以西的好，且有规律，呈现阶梯式分布，离长河越远，健康状况越好。这主要是因为距离矿区越来越远，受煤炭开采的影响就越小，也没有土地损毁的情况；流域东南部坡度较大，地形起伏较大，主要为草地和林地，植被覆盖度高，减少水土流失、土壤侵蚀，有利于土壤涵养水源，对生态环境健康发展起到重要作用。长河以西，生态系统健康状况相对较差，以成庄村的东南部、段都的中部、西王庄和中街村的大部分、范庄村的东部、沙沟村和上麓村的大部分、马坪头村的东部、东烟村的北部、天户村的东部为核心，向外辐射，还有一些健康状况较差的零星分布，主要因为这些村庄地下是煤炭采区，有大量采空区，土地塌陷比较严重，对粮食产量也有影响。流域的西部边缘在矿区或附近，有房屋裂缝情况，但是塌陷土地很少，且地势较陡，覆盖大量植被，以乔木为主，所以健康状况不是最差。

图6 长河流域生态系统健康评价分级图Fig.6 Classification map of ecosystem health assessment in Changhe Basin

4 结论与讨论

本研究基于综合指数评价法，结合流域特点，从自然地理条件、水资源状况、受煤炭开采影响程度和社会生态环境4个方面综合考虑选择18个指标，构建指标体系，通过两两比较法和熵值法确定准则层、指标层权重，计算得到长河流域生态系统健康评价结果。以格网为评价单元，实现数据可视化表达，直观反映研究结果，表明流域健康状况的空间差异。

长河流域生态系统健康评价结果分为5个等级，有从长河以西低值的核心区域向四周逐步阶梯式升高的趋势。整体健康状况较差，尤其是长河以西，受煤炭开采影响较大。评价结果基本符合实际情况。流域生态系统健康状况在健康以上的(包括健康)占总面积的14.6%，主要分布在长河流域的东部，远离煤炭采区，且植被覆盖度高；其余部分的健康状况处于亚健康、一般病态和疾病，占整个流域总面积的85.4%。从评价分级图中可以看出，煤炭开采对流域生态系统健康的影响较大，造成土地塌陷，房屋裂缝，粮食减产等不良后果。本研究结果可为流域土地综合整治提供参考依据。

评价单元划分越细致，评价精度相应就越高，但数据收集和处理的难度也会增加，选择合适的格网大小，要充分考虑数据的收集情况、研究区特点等因素，所以流域研究尺度需进一步研究。评价指标体系未考虑到景观方面，也有待进一步完善。

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(编辑：武英耀)

Impact of mining on ecosystem health in Loess Plateau——A case study on Changhe basin in Jincheng City

Yang Jing, Bi Rutian*, Jing Yaodong, Xu Zhen, Gao Yang

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801,China)

[Objective] Research on the impact of mining on ecosystem health in Changhe Basin.[Methods] This research carried out a case study on Changhe Basin of Jincheng City, which evaluated the ecosystem health by selecting 18 indexes from four aspects: physiographic condition, water resource situation, impact of mining and social ecological environment. Based on GIS and RS, the study area was divided into a total of 1 257 square grids with the length and width of 300 m.The paired comparisons and entropy methods were used to determine weight. [Results]The west of the Changhe basin was strongly influenced by the coal mining, and the ecosystem health status of the mining disturbed area was poor in which the area of disease and general morbidity accounted for 53.7% of the whole basin. The vegetation coverage of the hilly area in the east of Changhe river was high, and the ecosystem health status was good in which the area of health accounted for 14.6% of the whole basin. The subhealthy areas were mainly distributed on both sides of the river, accounted for 31.7% of the entire basin.[Conclusion]Coal mining had a great impact on ecosystem health status of Changhe basin, and most of the research area was under the subhealthy level. The results could provide a reference for the comprehensive improvement of land in Changhe basin.

Ecosystem health evaluation， Changhe basin， Grid method， Index system

2016-11-04

2016-12-08

杨静(1991-)，女(汉)，山西太原人，硕士研究生，研究方向：3S技术与应用

*通信作者：毕如田，教授，博士生导师，Tel:0354-6288912;E-mail: brt@sxau.edu.cn

国土资源部公益性行业项目(201411007)

X826

A

1671-8151(2017)04-0268-08