龙南稀土矿区土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响

郭祥光，陈永林，林建平

(赣南师范大学地理与环境工程学院，341000，江西，赣州)

0 引言

稀土作为一种不可再生的矿产资源，被誉为“现代工业的维生素”，在工业生产领域具有十分重要的战略价值。在我国，随着稀土需求的增加，稀土开采的加大，稀土开采无序、乱采滥挖等现象普遍存在，稀土矿区及周边地区的土地利用现状发生了深刻的变化，并由此产生了一系列生态环境问题[1]。

稀土矿区土地利用变化是由稀土开采造成的局部地区土地动态演化的过程，是人类活动影响区域生态系统最直接的表现形式，是生态系统服务价值变化的重要影响因素[2]。生态系统服务价值(ESV)是生态系统功能效用的价值表现，是衡量区域生态环境质量的重要指标[3-5]。当前，国内外学术界针对稀土矿区进行了一系列研究，主要包括利用遥感技术对稀土矿山进行土地利用动态监测[6-7]和环境监测[8-9]、稀土矿区土壤稀土元素污染[10-11]、稀土矿区土地修复[12-13]等，而对矿区土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响研究也取得了一定成果[14-16]，但是针对稀土矿区这一特殊土地利用类型，研究其土地利用变化与生态系统服务价值的相关研究相对较少，尤其是在县域小尺度范围的相关研究还较为鲜见。事实上，比较分析稀土资源开采的前后，稀土矿区的土地利用发生了深刻的变化，研究它们的变化规律，并系统探讨由此带来的生态系统服务价值的变化，有利于更好地理解人类活动对矿区生态环境的影响，促进区域土地资源的合理利用及生态环境的改善，系统解决人地矛盾的突出问题，实现区域经济的持续健康发展。而基于县域中小尺度下的分析，更能精准把握变化规律，在此基础上提出的政策措施具有更强的针对性。

本研究以龙南市稀土矿区为研究对象，基于2009年、2019年2个不同时段龙南市土地调查数据和2017年龙南市稀土矿区分布范围数据，利用GIS空间分析技术系统分析稀土矿区及其周边土地利用变化特征规律，运用生态系统服务价值评价方法，探究稀土矿区土地利用变化对区域生态系统服务价值(ESV)的影响，以期为区域土地资源的高效合理利用、改善地区生态环境以及政府决策提供科学参考。

1 研究区概况

龙南市位于江西省赣州市南部，为亚热带季风气候，年均温19.2 ℃，年均降水1 506 mm，地形以山地丘陵为主，森林覆盖率达80.30%。境内有丰富的稀土矿产资源，其中重稀土的储量和质量都居世界之首，被誉为“重稀土之乡”[17]。稀土矿区主要分布在龙南市东北部，距龙南市区约10 km，主要包括东江乡足洞矿区、关西镇富坑矿区、汶龙镇黄沙矿区以及龙南镇矿区等。2017年稀土矿区范围总面积约393 hm2，矿区地理坐标位于东经E114°46′～114°54′，北纬N24°48′～24°52′之间(图1)。龙南稀土的开发历史较为悠久，最早可以追溯到20世纪60年代末，20世纪80年代中期进入迅猛开采的发展阶段，先后采取了露天池浸、堆浸、原地浸矿的开采工艺进行生产，多年开采造成了严重的生态环境问题[18]。

图1 研究区地理位置图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究所使用的龙南市2009年全国第2次土地调查分类数据、2019年全国第3次土地调查分类数据及2017年龙南市稀土矿区分布范围矢量数据均来源于龙南市政府相关部门。数据分类结果精度高，克服了以往常用的Landsat遥感影像分辨率低、解译难度大造成的分类精度不高的缺陷。生态系统服务价值研究中用到的统计数据来源于《龙南市统计年鉴(2009—2019年)》。

参照2007年《土地利用现状分类》国家标准[19]，根据研究区的土地利用情况和研究的现实需要，利用ArcGIS对龙南市第2、第3次全国土地调查划分的土地利用类型进行重分类，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、采矿用地、水域、其他土地共7大类。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化特征分析 利用ArcGIS的裁剪工具，用龙南市2017年稀土矿区范围对2009年、2019年龙南市第2、第3次全国土地调查重分类后的数据进行裁剪，生成稀土矿区2009年和2019年2期土地利用现状数据，并通过土地利用类型面积统计表进行对比分析，探讨龙南稀土矿区2009—2017年以及2017—2019年开采前后土地利用现状及其变化特征。

利用ArcGIS的相交工具，对龙南稀土矿区2009年和2019年土地利用现状图进行叠加，基于土地利用转移矩阵的方法对稀土矿区2009—2019年的10年来土地利用类型转移的情况进行分析，探究稀土矿区土地利用转变规律。转移矩阵公式如下：

(1)

式中：S为面积；i为土地利用的类型数目；m、n为研究区初、末的土地利用类型；Smn为研究区初、末第m类土地转化为第n类的面积[20]。

2.2.2 ArcGIS缓冲区分析 缓冲区分析是ArcGIS中用来确定不同地理要素的空间邻近性和接近程度的空间操作。当对发生在地理要素及其附近的活动的影响范围进行分析时，需要围绕地理要素生成缓冲区，进行缓冲区分析[21]。利用ArcGIS缓冲区分析工具，以2017年龙南稀土矿区范围为基础，分别作出矿区外围50 m、100 m、150 m、200 m范围内的缓冲区，与2009年和2019年土地利用数据叠加，得到矿区外围不同缓冲区的土地利用现状数据，来探讨稀土矿区外围一定范围内2009年和2019年的土地利用变化情况，以此分析矿区的稀土开采活动对周边土地利用的影响。

2.2.3 生态系统服务价值评估 根据Costanza等[22]提出的生态系统服务价值(ESV)评估体系，参照谢高地等[23]修订的“中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表”确定研究区单位面积生态系统服务价值当量表(表1)。建设用地、采矿用地、其他土地不涉及相关生态功能的用0表示。随后根据研究区土地利用结构和研究区现实经济状况，对单位面积农田粮食年产量经济价值进行修正：研究区2009—2019年粮食均产为5 002.96 kg/hm2·a，以2019年粮食均价5.39元/kg为基准。考虑到没有人力投入情况，根据谢高地提出的中国生态系统服务系数修正方法，即一个生态系统服务价值当量为单位面积粮食产值的1/7[2]，得到研究区食物生产经济价值为3 852.28元/hm2·a，获得区域生态服务价值当量。根据区域生态服务价值当量得到研究区生态系统服务价值系数表(表2)。

表1 单位面积生态系统服务价值当量表

表2 研究区单位面积土地利用类型生态系统服务价值系数表/元·(hm2·a)-1

采用Costanza等提出的生态系统服务价值计算公式对龙南稀土矿区不同时期的生态系统服务价值进行计算，计算公式如下[24]：

ESV=∑Ak×VCk

(2)

ESVf=∑Ak×VCfk

(3)

式中：ESV为生态系统服务价值 (元)；Ak为土地利用类型k的总面积(hm2) ；VCk为土地利用类型k的单位面积生态系统服务价值系数(元/hm2·a )；ESVf为第f项生态系统服务价值；VCfk为土地利用类型k的第f项生态系统服务价值系数。

3 结果分析

3.1 稀土矿区土地利用变化特征

由龙南稀土矿区2009年、2019年土地利用现状图(图2、图3)和龙南稀土矿区2009年、2019年土地利用类型面积统计表(表3)可以看出，稀土矿区2009—2017以及2017—2019年开采前后土地利用现状、结构发生显著变化。

图2 龙南稀土矿区2009年土地利用现状图

图3 龙南稀土矿区2019年土地利用现状图

表3 龙南稀土矿区2009年、2019年土地利用类型面积统计表

从矿区用地类型结构的变化来看，2009—2017年，有111.3 hm2林地、44 hm2建设用地、11 hm2耕地转化为稀土矿区，其中由林地转变为稀土矿区的面积最大，约占稀土矿区总面积的28.3%。未发生变化的采矿用地有213 hm2，占总面积的54.2%。2017—2019年，稀土矿区转变为林地的面积为122 hm2，转变为建设用地的面积为56 hm2，转变为水域的面积为21 hm2，转变为草地的面积为16 hm2，其中稀土矿区转变为林地的面积最大，约31%的稀土矿区转变为林地。未发生变化的采矿用地有175 hm2，占总面积的44.5%。因此，2009—2017年前期阶段龙南稀土矿区的稀土开采主要占用了林地、建设用地以及耕地，其中林地所占比重最大；2017—2019年后期阶段龙南稀土矿区主要转变为林地、建设用地、水域、草地，其中林地所占比重最大。

从矿区土地利用动态变化来看， 2009—2017年再到2019年变化最剧烈的是采矿用地，其所占比重由54.2%变为100%再变为44.5%；其次为林地，其所占比重由28.3%变为0再变为31.0%。因此，采矿用地和林地是矿区土地利用变化最剧烈的两种土地类型。采矿用地和林地发生剧烈变化的过程反映出龙南稀土矿区前期随着稀土开采活动的深入和采矿用地面积的增加导致大片林地被毁，林地面积减少，由此产生了一系列生态环境问题，后期对稀土矿区进行了土地修复、土地复垦以及营造生态林的过程，使得林地增加，废弃稀土矿区减少。

根据龙南稀土矿区2009—2019年土地利用转移矩阵表(表4)可以看出10年来矿区不同土地类型的转移变化方向。具体情况如下：2009—2019年，耕地由10.91 hm2减少到2.63 hm2，净转出8.28 hm2，主要转变为林地和采矿用地；林地由111.25 hm2增加到121.15 hm2，净转入9.9 hm2，主要由建设用地 、采矿用地转入；草地由4.79 hm2增加到16.09 hm2，净转入11.3 hm2，主要由林地、采矿用地转入；建设用地由43.97 hm2增加到55.93 hm2，净转入11.96 hm2，主要由林地、采矿用地转入；采矿用地由212.68 hm2减少到175.72 hm2，净转出36.96 hm2，主要转变为林地、草地及建设用地；水域由8.24 hm2增加到21.05 hm2，净转入12.81 hm2，主要由林地、采矿用地转入；其他土地面积较小，呈转出状态，转出0.73 hm2。耕地、采矿用地、其他土地的转出促使林地、草地、建设用地、水域的转入，这有利于稀土矿区生态环境的改善。

表4 龙南稀土矿区2009—2019年土地利用转移矩阵/hm2

3.2 稀土矿区外围土地利用变化特征

根据龙南稀土矿区外围缓冲区土地利用变化特征表(表5)可知，龙南稀土矿区外围缓冲区土地利用类型主要是林地、采矿用地，其次为建设用地和耕地，有少量草地、水域和其他土地。具体来看，龙南稀土矿区外围50 m、100 m、150 m、200 m缓冲区范围内的耕地面积从2009—2019年均呈减少的趋势；10年间，稀土矿区外围200 m范围内的耕地面积由66.8 hm2减少到31.4 hm2，减少了52.99%；从矿区外围50～200 m范围内耕地减少的变化率越来越小。这表明矿区的稀土开采活动与矿区外围的耕地减少有影响。距稀土矿区越近，耕地减少的趋势越明显；距稀土矿区越远，耕地减少的趋势越不明显。因此，矿区的稀土开采是导致矿区外围耕地面积减少的重要影响因素。缓冲区范围内林地面积从2009—2019年均呈增加的趋势；10年间，稀土矿区外围200 m范围内的林地面积由803.3 hm2增加到1 267.4 hm2，增加了57.77%；从50～200 m范围内林地增加的变化率越来越小。距稀土矿区越近，林地增加的趋势越明显，这反映出随着矿区稀土开采的进行和环境问题的产生，矿区外围实施了植树造林、营造生态防护林等使林地面积增加。缓冲区范围内建设用地面积从2009—2019年均呈增加的趋势；10年间，稀土矿区外围200 m范围内的建设用地面积由61.8 hm2增加到95.9 hm2，增加了55.18%；从50～200 m范围内建设用地增加的变化率越来越大。这可能是因为距稀土矿区越远的外围地区，受稀土开采活动的负面影响越小，居民的生产建设活动越活越。缓冲区范围内采矿用地面积从2009—2019年间均呈减少的趋势；10年间，稀土矿区外围200 m范围内的采矿用地面积由6 62.9 hm2减少到198.4 hm2，减少了70.07%；从50～200 m范围内采矿用地减少的变化率越来越大。这反映出稀土矿区外围进行了废弃矿区和尾矿堆积区等的治理及复垦使得采矿用地面积减小。缓冲区范围内草地、水域的面积从2009—2019年均呈增加的趋势，增加的面积较小；其他土地的面积从2009—2019年均呈减少的趋势，减少的面积较小。

表5 龙南稀土矿区外围缓冲区2009年和2019年土地利用变化特征表

年份2009年2019年2009年2019年土地类型150 m以内/hm2变化率/%200 m以内/hm2变化率/%耕地51.821.6-58.3066.831.4-52.99林地564.1938.866.42803.31267.457.77草地15.422.344.8123.524.85.53建设用地54.378.845.1261.895.955.18采矿用地554.6179.7-67.60662.9198.4-70.07水域10.216.460.7811.820.372.47其他土地1.40.5-64.291.50.5-66.67

对比发现，从2009—2019年的10年间，稀土矿区外围200 m范围内采矿用地减少了464.5 hm2，而林地增加了464.1 hm2，采矿用地减少的面积与林地增加的面积实现了互补。由此可推测，矿区外围采取了有效的生态恢复措施，使得2009—2019年来矿区外围200 m范围内存在大量的采矿用地转变为林地。

3.3 生态系统服务价值评价

稀土矿区土地利用变化引起区域生态系统价值服务的变化[25]。根据研究区土地利用类型单位面积生态系统服务价值(ESV)系数表(表2)和龙南稀土矿区2009年、2019年土地利用类型面积统计表(表3)计算得到龙南稀土矿区土地利用类型2009—2019年生态系统服务价值(表6)。

表6 龙南稀土矿区土地利用类型2009—2019年生态系统服务价值

由表6可以看出，龙南稀土矿区2009—2019年来生态系统服务价值总量呈增加的趋势，由2009年的853.76万元增加到2019年的1 699.39万元，增加了845.63万元，增长近1倍。具体来看，2009—2019年耕地面积的减少导致耕地的ESV呈减少的趋势，由16.48万元减少到4.50万元，减少了72.75%。林地、草地、水域面积的增加导致其ESV呈增加的趋势。林地的ESV由984.00万元增加到1 078.60万元，增加了9.61%；草地的ESV由36.41万元增加到121.36万元，增加了233.32%；水域的ESV由396.79万元增加到1 016.16万元，增加了156.10%。其他土地的面积及其ESV未发生明显变化。而建设用地和采矿用地对生态系统服务价值产生负面影响。2009年建设用地的使用对ESV造成了99.33万元的损失，2019年对ESV造成了126.42万元的损失。因此，随着建设用地面积的扩大，建设用地对ESV造成的损失也逐渐加大。2009年采矿用地的使用对ESV造成了480.83万元的损失，2019年对ESV造成了395.05万元的损失，由此可见，随着矿区土地整治、土地复垦的进行，采矿用地面积减少，采矿用地对ESV造成的损失也逐渐减小。从各土地利用类型产生的生态系统服务价值量来看，林地和水域的ESV最大，其次为草地和耕地，因此，林地和水域对区域生态系统服务价值的影响最大，是对区域生态系统服务价值总量增加贡献最大的2种土地利用类型。

4 讨论与分析

从龙南稀土矿区10年间土地利用变化及矿区外围土地利用情况分析来看，早期矿区的稀土开采活动很大程度上存在着对山区土地的挖损和占用林地，导致林地转变为稀土采矿用地。随着稀土开采活动的深入，导致大量的耕地损毁、压占，耕地转变为采矿用地，耕地面积减少，产生了一系列生态环境问题。近几年来，龙南市政府及环保部门高度重视废弃稀土矿山环境的治理与恢复问题，积极探索废弃稀土矿山治理的有效途径，取得了显著的成效。例如，龙南足洞稀土矿区在早期的稀土开采过程中存在无序化现象，使得土壤中的氨氮含量偏高，土壤酸性过高，还产生了水土流失、土地沙化、植被破坏等一系列问题。对此，足洞稀土矿区进行了土地复垦和土地修复，采用“山顶栽松，坡面布草，台地种桑，沟谷植竹”的整体布局，利用尾砂种植百喜草、狗尾草等植物，目前，复垦区各种植物长势良好，产生较好的经济效益的同时还改善了生态环境[26]。正是稀土矿区及其外围采取了一系列行之有效的治理措施，使得采矿用地向林地、水域、草地等土地类型转变。土地利用发生变化的同时也改善着矿区生态环境，使得矿区生态系统价值服务(ESV)随之增加。

从总体上看，龙南稀土矿区土地利用动态变化并未使区域生态系统服务价值量(ESV)减少，ESV反而呈增加的趋势，这主要是因为林地和水域对区域ESV总量增加具有重要贡献。2009—2019年矿区林地和水域面积增加产生的正面影响弥补了由建设用地、采矿用地侵占耕地以及耕地塌陷、耕地破坏对区域ESV产生的负面影响，使得矿区ESV呈现出收益大于损失的情况。未来龙南稀土矿区及其周边在进行稀土开采活动的同时应加强林地、水域等生态用地的保护，以缓解稀土开采对区域生态环境造成的压力。

土地利用结构变化对矿区生态系统服务价值起着至关重要的作用[27]，因此，要科学合理利用土地，发挥土地利用变化对生态系统服务价值的正向作用。但是，区域生态系统服务价值不仅会受土地利用变化的影响，还会受气候变化、人口密度、经济发展水平、城市化率及绿化率等诸多自然、社会经济因素的影响。本文仅从土地利用结构变化方面分析其对区域生态系统服务价值的影响，未来的研究更应考虑上述自然因素及社会经济因素对区域生态系统服务价值的影响，以提高研究结果的科学性和准确性。

5 结论

本文系统分析了稀土矿区及其周边土地利用变化规律，并对稀土矿区土地利用变化引起的生态系统服务价值的变化进行分析，结果表明如下。

1)2009—2017年前期阶段龙南稀土矿区的稀土开采主要占用了林地、建设用地以及耕地；2017—2019年后期阶段龙南稀土矿区主要转变为林地、建设用地、水域、草地。其中采矿用地和林地变化最剧烈，其剧烈变化的过程反映了矿区前期生态破坏与后期生态修复的过程。2009—2019的十年间，龙南稀土矿区范围内的耕地、采矿用地、其他土地呈转出趋势，林地、草地、建设用地、水域呈转入趋势。

2)龙南稀土矿区外围的土地利用类型主要是林地、采矿用地，其次为建设用地和耕地，有少量草地、水域和其他土地。2009—2019年来，矿区外围的耕地和采矿用地面积均呈现减少的趋势；林地和建设用地面积均呈增加的趋势；其他的土地类型变化较小。采矿用地减少与林地增加的面积实现了互补。

3)2009—2019年来，龙南稀土矿区的生态系统服务价值总量呈增加的趋势，由2009年的853.76万元增加到2019年的1 699.39万元，增长近1倍。其中林地和水域对区域生态系统服务价值总量增加贡献最大，林地和水域面积的增加弥补了建设用地增加和采矿用地占用耕地对区域生态系统服务价值产生的负面影响。