张家口尚义县废弃矿山修复生态效益评估研究

杨丛铭, 袁 颖, 侯明华, 刘 波

1. 河北地质大学 a. 水资源与环境学院, b. 城市地质与工程学院, 河北 石家庄 050031; 2. 河北省高校生态环境地质应用技术研发中心, 河北 石家庄 050031; 3. 宁夏回族自治区地质资料馆, 宁夏 银川 750000

0 引言

张家口市矿产资源丰富, 开采历史悠久, 但因为缺乏有效管理, 废弃矿山环境问题极为突出。 根据《张家口首都水源涵养功能区和生态环境支撑区建设规划(2019—2035 年) 》 中曾提出“坚持蓝天碧水净土增绿协调推进, 统筹山林水田湖草系统治理” 的要求, 开展矿山修复工程刻不容缓。 进行生态效益评估, 将生态效益进行量化分析, 可以更加直观地反映生态效益, 在一定层面上提高政府及民众对矿山修复工程的重视。

对于不同类型、 不同生态系统的生态效益评估,目前国内已有部分研究, 傅伯杰[1]曾提出生态系统服务功能的评估, 并进行了生态管理与预测的系统论述; 王金龙[2]结合市场价格法和影子工程法对京冀水源涵养林工程进行生态效益评估; 张航[3]通过分析建设大型废弃矿山生态治理恢复体系、 确定生态治理恢复能力评估指标; 李坦[4]通过对国家级公益林生态效益进行分析并结合市场价值法以及影子工程法, 对生态效益进行了评估; 李芬[5]通过分析城市矿山的修复特点, 结合荆门市矿山修复案例, 建立起了评价体系, 并结合影子工程法对生态效益进行了评价。 国外专家学者提出基于蚁群算法的生态矿区环境效益评估方法[6], 对评估指标和相关公式进行了优化, 建立了生态矿区环境效益评估模型。 但针对张家口地区废弃矿山生态效益的评估仍然处在起步阶段,进行矿山修复生态效益评估需要进行评估指标筛选和相关模型的建立。

在国内废弃矿山的生态效益估算以及人工林生态系统生态效益估算研究的基础上, 结合张家口废弃矿山的特征[7], 通过频数统计法, 筛选出评估指标, 借助影子工程法以及Shannon-Wiener 指数建立生态效益评估模型, 将评估模型应用于张家口尚义县废弃矿山修复生态效益评估中, 计算各项指标的生态效益, 通过将资金投入和生态效益进行对比, 可直观反映废弃矿山的生态效益。

1 生态效益评估指标筛选

生态修复带来的生态效益主要表现在植被覆盖率、 小气候效益、 水土保持、 净化水质、 净化大气环境、 减少粉尘、 涵养水源、 固碳释氧、 减少淤泥以及林木积累营养物质等方面。

张家口废弃矿山修复生态效益评估的首要任务是选择适合地区的评估指标。 目前常见的用于筛选评价指标的方法有频数统计、 理论分析、 专家评分等[8]。其中频数统计法主要是对相关领域的研究论文进行汇总, 通过柱状图的形式筛选出使用频数较高的指标,根据研究对象出现的频数, 可以帮助快速有效地确定矿山生态修复效益评估的指标。

搜集国内已有文献, 发现国内关于矿山修复生态效益评价研究较少, 同时研究发现人工林生态系统的效益评价的评价指标与矿山修复生态效益评价指标有很多相似之处, 所以在筛选张家口地区矿山修复生态效益评价指标中借鉴了国内废弃矿山修复和人工生态林系统的相关文献。 统计得到矿山修复[9-15]和人工生态林系统[16-24]效益评估指标统计见图1、 图2。

图1 矿山修复生态效益评估指标频数统计Fig.1 Frequency statistics of evaluation indexes for ecological restoration benefits in mines

图2 人工生态林生态效益评估指标频数统计Fig.2 Frequency statistics of ecological benefit evaluation indexes of artificial ecological forest

如图1 所示, 涵养水源与林木营养物质积累两项指标选取频数较高。 由图2 所示, 人工林生态系统生态效益评估中选取频数较高的4 项指标分别为涵养水源、 固碳释氧、 物种保育以及林木营养物质积累。 通过对比借鉴矿山修复生态系统与人工林生态系统的评级指标, 结合生态效益评估指标的可量化、 专一化以及震撼性的选取标准[25], 利用频数统计分析法, 确定涵养水源、 林木营养物质积累、 固碳释氧以及物种保育4 项基本指标。 同时, 考虑到张家口地区废弃矿山粉尘危害大, 且近些年河北地区沙尘暴、 浮沉等天气影响严重, 因此, 在原有4 项指标中加入减少粉尘, 共5 项指标为废弃矿山生态修复效益评估指标。

2 生态效益评估模型建立

进行生态效益评估主要通过将难以量化的生态价值转换为可量化的经济价值来实现。 目前国内用于建立评价模型的方法主要有所谓替代市场法、 模拟市场法以及影子工程法, 但前两者往往可信度较低且主观影响较大, 存在失真等问题, 影子工程法可以有效地避免上述问题, 且影子工程法简单易行, 在简化了环境资源的估价上具有明显的优势。 通过影子工程法结合已选取的生态效益评价指标, 建立起涵养水源、 林木营养物质积累、 固碳释氧以及减少粉尘4 个效益评估分模型。 由于在确定单位物种保育的市场价值上影子工程法难以实施, 所以结合《森林生态系统服务功能评估规范》[26]中提出的Shannon-Wiener 指数来建立物种保育的评估模型。

2.1 涵养水源效益评估模型

修复工程种植植被涵养水源效益模型, 如公式(1) 所示:

式中,V为年涵养水源的经济价值(元/a);Q为涵养水源的总量 (t/a);P为水库单位蓄水费用(0.67 元/m3)。 其中Q值的计算如公式(2) 所示:

式中,Q为涵养水源的增加量(m3/a);Si为第i类植被林的面积 (hm2);J为地区的年降雨量(mm);K为区域的侵蚀性降雨比例(北方地区取0.4);Ri为不同类型林地系统在减少径流上的效益系数(参数如表1 所示)。

表1 不同类型林地系统在减少径流上的效益系数[5]Table 1 Benefit factors of different types of forest land systems in reducing runoff

2.2 林木营养积累效益评估模型

修复工程种植植被林木营养积累效益分别通过植被所固定的氮、 磷、 钾3 种元素含量来表示。 引入影子工程法分别建立氮、 磷、 钾3 种元素的积累效益评估模型, 如公式(3)、 (4) 和(5) 所示:

式中,G氮,G磷,G钾为区域种植植被总固氮、磷、 钾总量(t·a-1);P氮和P磷的价格为磷酸化二胺农业用肥价格, 取2 700.00 (元/t),P钾的价格为氯化钾农业用肥价格, 取2 050.00 (元/t),I1、I2分别为磷酸二铵化肥中氮、 磷的含量,I3为氯化钾化肥中钾的含量。

其中固氮量计算具体如公式(6) 所示:

修复固磷量计算具体如公式(7) 所示:

修复固钾量计算具体如公式(8) 所示:

式中,N营养为氮元素含量, 取14.00%;P营养为磷元素含量, 取15.01%;K营养为钾元素含量, 取50.00%;B年为林分净生产力[t/ (hm2×a) ], 具体参数选择参照表2;A为林分面积(hm2) (文章涉及林分面积均取治理工程种植植被面积)。

表2 河北省各类森林的净生产力[27]Table 2 Net productivity of forests in Hebei Province

2.3 固碳释氧效益模型

修复工程种植植被固碳释氧[28]评估模型, 如公式(9)、 (10) 所示:

式中,Vcf和Vor分别为固定二氧化碳和释放氧气的价值(元/a);C1、C2分别为固碳释氧的单位价格(元/t) (张家口地区固碳价格取1 200 元/t, 释氧价格取1 000 元/t;G植被固碳为年固碳量(t/a),G土壤固碳为年土壤固碳量 (t/a);G氧气为年释氧量 (t/a)。G植被固碳、G土壤固碳、G氧气的计算[29], 如公式 (11)、(12) 和(13) 所示。

式中,R碳为CO2中碳百分含量, 取值27.27%;B为林分净生产力[t / (hm2×a) ];G土壤固碳为植被土壤年固碳量(t/a);F为植被年土壤单位面积固碳量[5.54 t/ (hm2×a) ];A为林分面积(hm2)。

2.4 减少粉尘效益模型

修复工程种植植被减少粉尘效益模型, 如公式(14) 所示:

式中,M为降低粉尘的经济价值(元/a);m为单位除尘运行成本 (170 元/t);Y为减少粉尘总量(t/a)。 减少粉尘总量如公式(15) 所示:

式中,Si为修复工程种植i类植被的面积(hm2);Ci为第i类植被阻滞粉尘的效率[t/ (hm2×a) ] 见表3。

表3 不同类型植被减少粉尘的能力[t/ (hm2×a) ]Table 3 Dust reduction capacity of different vegetation types [t/ (hm2×a) ]

2.5 物种保育效益模型

修复工程种植植被物种保育效益模型引入Shannon-Wiener 指数建立, 如公式(16) 所示:

式中,U生物多样性为年物种保育价值(元/a);S生为单位面积年物种损失的机会成本 [元/ (hm2×a) ];A为林分面积(hm2)。 根据Shannon-Weiner 指数确定S生, 具体如公式(17) 所示:

式中,ni为第i类植物的个体数目;N为群落中所有植物的个体总数,S生具体值由H确定(具体取值参照表4)。

表4 Shannon-Weiner 指数对照表Table 4 Shannon-Weiner Index

3 张家口尚义县废弃矿山修复效益评估

3.1 自然地理及地理位置概况

张家口尚义县北部为坝上高原地带, 紧邻山区,山体资源丰富, 存在众多早期的露天采矿活动形成的矿山工程, 对原地貌形态及植被环境产生了严重破坏, 整体环境与周边自然环境景观形成巨大反差, 与生态环境极不和谐, 亟需治理。

选取尚义县水泉沟村西南2 000 m 无证群采矿区作为评估对象。 该矿区位于尚义县小蒜沟镇水泉沟村西南2 000 m, 东洋河西南侧。 南距张家口市85 km,治理区南1 000 m 处有Y039 乡道通过, 且区内有乡村道路连通Y035 乡道, 南侧有唐呼铁路通过, 交通较便利。

3.2 矿山生态效益评估

根据张家口尚义县矿区实际情况和相关规范[30]确定张家口废弃矿山治理方案, 并估算矿山修复资金投入。 在此基础上, 结合上述建立的生态效益模型,计算各个指标分模型的效益, 并对张家口市废弃矿山修复的生态效益进行评估。 通过资金投入与效益估算的对比, 提高政府及民众对张家口地区矿山修复的认识, 促进全市矿山迹地及周边环境综合治理的开展,加快构建绿色和谐的矿山环境。

3.2.1 矿山修复资金投入估算

根据张家口尚义县矿区实际情况和相关规范确定张家口废弃矿山治理方案, 治理共分两个阶段: 第一阶段复垦期(1 年), 主要分为土壤复垦和水土保持两个部分。 复垦程序包括表土去除、 平整治理区、 覆土工程和植被种植, 计划恢复林地13.79 公顷。 为保证植被存活率, 避免资源浪费, 充分结合治理区周边土壤及植被类型, 确定了樟子松、 油松作为绿化工程种植乔木, 丁香、 柠条作为绿化工程种植灌木。 第二阶段管护期(3 年), 矿区种植植物养护, 包括浇灌、施肥等一系列养护工程。 具体费用见表5。

表5 工程估算表Table 5 Engineering estimate table

3.2.2 矿山修复的生态效益估算及结果讨论

根据上述绿化工程, 确定了种植植被及相关面积(见表6)。 引入文章建立的5 个生态效益评估模型,进行5 个分模型的计量评估及价值评估(见表7),带来的经济价值分别为0.3 万元/年、 4.14 万元/年、20.17 万元/年、 23.39 万元/年、 2.57 万元/年。

表6 种植植被类型与相关面积Table 6 Types and related areas of planted vegetation

表7 矿山生态修复工程生态效益估算Table 7 Estimation of ecological benefit of mine ecological restoration project

通过上述对评估模型效益的分析, 可以发现评估指标总体生态效益较好。 植被涵养水源生态量总量高, 但由于评估模型采用的影子价格为水库单位蓄水价格, 所以在生态效益中显示出的经济价值不高。 物种保育、 固碳释氧、 林木营养积累以及减少粉尘4 项指标经济效益相对较好。 物种保育价值与矿山种植植被数量直接相关, 矿山修复直接增加了治理区植物覆盖率, 单位面积年物种损失的机会成本提高, 所得出的物种保育效益较好; 由于植被覆盖率的提升, 地区植被光合作用增强, 矿区废弃地固碳释氧生态效益更加显著; 针叶林较其他种植林具有更好的阻滞粉尘能

力, 所以阻滞粉尘效益较好; 废弃矿山治理中通过种植植被改良了地区的土壤环境, 地区林木营养积累得到了提升, 使得固氮、 固磷、 固钾量提高, 林木营养积累效益显著。 由此可见, 上述生态效益的高低均符合治理区实际情况。 矿山修复工程按1 年复垦3 年管护总投入约为209.95 万元, 生态效益总额为50.57 万元/年。

4 结论

通过对张家口尚义县废弃矿山修复工程生态效益评估中选取指标和建立模型的研究, 得到如下结论:

(1) 采用频数统计法分析了废弃矿山修复以及人工生态林的生态效益评价指标, 并结合张家口地区环境特点得到5 个效益评价指标, 分别为涵养水源、 固碳释氧、 林木营养积累、 减少粉尘以及物种保育。 此5 项指标可为张家口及北方地区矿山修复生态效益评价指标选取提供参考。

(2) 通过与治理工程4 年总支出对比, 产生的生态效益价值每年可补偿总资金投入的24%。 生态效益筛选出5 项指标取得了较好的评估结果, 但矿山修复带来的生态价值和经济价值远不止此。