矿业开发对生态系统服务价值影响研究

陈福松

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063200)

1 引言

过度的矿山开采活动会引发自然生态系统中的各种生态环境问题，其中包括：土地利用类型结构发生改变；各种污染物和废弃物的排放；生物多样性降低；水土流失等。生态系统与人类生存息息相关，为人类提供了生存必要的自然环境，也为人类提供了各种服务功能[1]。Costanza等[2]对全球生态系统服务功能价值进行估算，使生态系统服务功能价值评价这一研究成为生态学中的热点， Cairns[3]、Groot[4]、Fisher[5]等也先后对生态系统服务功能的研究进行了总结，为我国学者的研究提供参考。谢高地等[6,7]在Costanza研究的基础上，制定了我国生态系统服务功能价值当量因子表，并在此之后使用单位面积生态系统服务功能价值当量因子的方法对中国生态系统服务功能价值进行评价，发现在中国生态系统中，森林生态系统的服务价值最高。辛琨[8]对辽河某地区的湿地生态系统价值进行考察，采用地理信息系统及野外调查实验等手段，结合环境经济学、资源经济学等方法，得出了该地区生态系统总价值，并对不同方法评估的优缺点进行了阐述。欧阳志云等[9]基于生态系统服务功能，对中国陆地生态系统有机物、二氧化碳吸收、氧气生产等方面进行分类研究，并利用影子分析法对其进行价值研究。赵同谦等[10]建立了多种生态系统评价指标，对森林生态系统服务功能价值进行了评价。

目前，在对生态系统服务功能价值的研究中，主要是对Costanza的研究进行延伸[11]，对生态系统服务功能价值的评价也主要从价值量的角度对其进行研究[12]，这些研究让人清晰地意识到环境污染问题的严重性，也认识到保护生态环境的重要性[13]。而在土地利用变化对生态系统服务的影响研究上，仍存有缺陷。首先是缺乏准确的数据，从大尺度区域上，实地调查与观测过于耗时耗力，成本极高，但简化的指标又会使数据的精度不够；第二是缺乏先进的评估方法；最后是针对结果的验证，目前大部分学者对生态系统服务功能评估的结果并未验证[14]。

在谢高地在生态系统服务功能价值研究的基础上，本文结合迁安矿区的实际情况，对研究区单位面积生态系统服务功能价值当量因子进行修正，以此估算出矿区生态系统服务功能价值量，并分析矿区生态系统服务功能价值的特点，探明矿业开发对生态系统的影响，以期为迁安矿区生态文明建设提供参考。

2 研究区概况

迁安市位于河北省东北部，地理坐标为北纬39°51′～40°15′，东经118°26′～118°55′。南北跨纬度0°24′，东西跨经度0°29′，全市总面积1227 km2。主要地貌类型有低山、丘陵、平原3种,属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降雨量为681.4 mm，植物种类主要以常绿针叶，落叶针叶，落叶阔叶，灌木林，草类和农作物等植物为主。矿产资源丰富，但在21世纪前的开发程度极低，随着矿产资源的开发程度加大，迁安市的矿物资源产量飞速上涨，但是环境破坏也逐渐成为严重问题并走进人们的视野。随着采矿活动的进行，大量的土地资源遭到占用，占用土地主要为耕地。并且以露天开采为主的采矿方式使山体滑坡等地质灾害更容易发生，而尾矿的堆积也导致泥石流等自然灾害成为了隐患。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

土地利用数据来源于国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn/)，数据精度为30m。根据从地理空间云(http://www.gscloud.cn/)中获取的遥感影像数据对土地利用数据做修订，获取研究区1990年、2000年、2010年和2020年的土地利用信息，参考《土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2007)》的标准，对研究区的土地利用类型进行归并，总共分为9大类。其他数据来源见表1。

表1 其他数据来源

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用变化分析

土地利用变化计算公式[15]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中:P1—研究时段内区域某一土地利用类型总变化率；P2—研究时段内某一土地利用类型的年变化率；Ua—研究时段初期区域土地利用面积；Ub—研究末期区域土地利用面积；t—研究时段。

3.2.2 生态系统服务功能价值系数修正与计算

3.2.2.1 生态系统服务价值系数修正

对于草地生态系统、森林生态系统、湿地生态系统和农田生态系统，本文沿用谢高地等在青藏高原生态资产的价值评估中的研究[3]，通过查询年鉴和加权平均的方法，计算迁安市平均每年农田食物生产功能价值单价。迁安市的农业产品主要是由旱地作物提供，水田可忽略不计，主要粮食作物有小麦、玉米、甘薯、稻谷、谷子、高粱、豆类等。根据该地区1987～2006年地方统计年鉴以及该年份国家价格年鉴可以得到该地区各种农作物的多年平均产量，为276～349 kg/亩，即4734.85 kg/hm2。农作物单价按2000年计算，综合各类作物的单价，得农作物平均价格为0.79元/kg。得出迁安市单位农田生态系统提供食物生产服务功能的经济价值为534.36元/hm2·a。计算公式：

(3)

式(3)中：Vcrop—单位农田生态系统提供食物生产服务功能的经济价值，元/hm2·a。

因此修订的生态系统服务功能价值系数计算公式为：

(4)

对于工业生态系统和城镇生态系统两类建筑用地，采用成本估算的方法，计算其气体调节服务功能损耗、水源涵养服务功能损耗、废弃物处理服务功能损耗，通过对其产生的废水和消耗的水资源，排出的SO2气体以及产生的尾矿和生活废物这些数据的调查，确定其服务功能价值损耗当量。计算公式如下：

(5)

C水源涵养=

(6)

(7)

由此得到修订后的迁安市生态系统服务功能价值系数(表2)。

3.2.2.2 生态系统服务价值计算

生态系统服务功能价值计算公式：

Ei=Ai×Ci

(8)

式(8)中：Ei—第i种生态系统类型的服务功能价值；Ai—第i种生态系统类型的面积；Ci—第i种生态系统类型的服务功能价值系数。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化

1990～2020年间迁安矿区的耕地面积减小最多，总变化量为-2957.72 hm2，变化率为-30.47%，其中2000～2010年间的减小幅度最大，面积变化量为-3429.81 hm2，但在2010～2020年间开始缓慢增加，变化量为1364.4 hm2。采矿场面积增长最大，1990～2020年间采矿场面积变化量为3022.02 hm2，变化率为146.76%，其中2000～2010年间的增加幅度最大，面积变化量为3798.72 hm2，但在2010～2020年间开始减小，变化量为-1558.71 hm2。而林地、草地和湿地面积变化幅度较小，草地面积轻微减小，林地和湿地面积轻微增加(表3、表4)。

表2 迁安市生态系统服务功能价值系数 元/hm2

表3 迁安矿区土地利用变化

表4 迁安矿区土地利用变化(续)

4.2 生态系统服务价值变化

从总体来看，1990～2020年迁安矿区生态系统服务功能价值(ESV)呈先下降后上升的趋势。ESV的变化主要受土地利用结构改变影响，1990～2010年间ESV为下降趋势，并在2000～2010年下降量最大，为15865.2万元，其剧烈下降的原因是，在此期间，采矿场面积大幅度增加，农田的面积减少，这二者的变化对ESV影响显著。2010～2020年间ESV为上升趋势，上升了9145.68万元，说明在此期间，随着相关政策的发布，迁安矿区生态系统的稳定性有所改善。

4.2.1 不同生态系统结构服务价值变化

从不同生态系统结构看，农田和森林生态系统的ESV占比较大，并且变化趋势大致相同，都呈现在1990～2010年减小，在2010～2020年变大的变化趋势，造成这种变化趋势的原因是采矿场面积在1990～2010年增大，农田和森林因此遭到占用，尤其是农田，在1990～2010年农田生态系统的ESV降低了1572.83万元。对于造成服务功能损耗的两种生态系统，工业生态系统的影响力远高于城镇生态系统，1990～2020年间，工业生态系统的服务功能损耗呈先上升后下降的趋势，并在2010年损耗最高，为34512.58万元，但在2010～2020年间损耗开始降低(表5)。

4.2.2 不同服务功能类型价值变化

从不同服务功能类型价值变化来看，废物处理服务功能的占比最大，1990～2020年矿区生态系统废物处理功能分别为-7946.82万元、-12565.01万元、-21992.74万元和-16873.36万元，这对矿区生态系统服务功能价值带来了巨大的影响，矿区生态系统的废物处理服务功能损耗主要体现在尾矿的排放，尾矿堆积所带来的问题是巨大的，其不仅占用土地，对周边环境造成影响，还有引发泥石流的可能性，因此在今后的规划中，要多做针对于尾矿处理的安排(表6)。

表5 矿区生态系统1990～2020年各类生态系统价值 万元

表6 矿区生态系统1990～2020年各类服务功能价值 万元

4.2.3 不同行政区域价值变化

从不同行政区域来看，3个镇的ESV变化趋势大致相同，都呈先降低后增加的趋势，并且在2000～2010年间下降幅度最大，但马兰庄镇的ESV在2010～2020年间上涨幅度最小，表明马兰庄镇的自然地貌受采矿活动影响大，并且变现为难恢复性，因此对马兰庄镇的土地复垦工作需要更加重视。蔡园镇和马兰庄镇的ESV都为负值，而大崔庄镇的ESV在1990～2000年间为正值，说明在大崔庄镇，采矿活动所造成的影响较低(表7)。

表7 矿区生态系统1990～2020年各类服务功能价值 万元

5 结论

在对迁安矿区土地利用变化分析的基础上，通过当量因子法揭示了迁安矿区的ESV变化情况。结果表明：迁安矿区的ESV在1990～2020年呈先下降后上升的趋势，其中2000～2010年间的下降幅度最大。但2010～2020年间ESV却开始上升，说明在此期间，随着相关政策的发布，迁安矿区生态系统的稳定性有所改善。在矿区生态系统中，1990～2000年间农田生态系统的ESV最高，但在2000～2010年间却急速下降，其对外转出最高，并且工业生态系统服务功能价值耗损远高于城镇生态系统耗损，说明采矿活动对矿区生态系统的ESV变化影响极大。

从ESV的计算公式中得知，ESV的变化与不同生态系统的面积变化和服务功能价值当量系数直接联系的。ESV是以货币的形式综合表征出生态系统的服务功能，因此对矿区的ESV进行评价对矿区的可持续发展与规划有着重要的意义，并且由于ESV与土地利用情况关系密切，因此对矿区土地利用进行合理的规划也对矿区生态系统起着至关重要的作用。