矿区生态系统服务功能价值对煤矿开采工程的响应

李峰王素芳

（1河南省煤田地质局资源环境调查中心 河南郑州 4500032河南省矿山地质环境重点实验室 河南郑州 450003 3机械工业第六设计研究院有限公司 河南郑州 450007）

我国采煤活动以井采为主，由于煤炭被采出后，开采区域周围岩体的应力在达到新的平衡过程中将产生开采地面沉陷，地表沉陷程度较严重区域，可以使陆地变为水域，动植物的生存环境发生较大变化，从而导致矿区生态系统的结构和功能发生较大的变化；矿区生态系统是一个复杂的生命支持系统[1]，矿区要实现可持续发展就必须保护这个生命支持系统，维持生态系统服务功能价值的可持续性[2]。生态系统服务功能价值是生态系统环境质量定量评价方法之一，国内外许多学者运用不同方法从不同角度对各种生态系统服务功能价值进行了研究[3-4]，但对于井采的煤矿区生态系统服务功能价值的研究较少，井采导致的生态系统结构和功能变化较大，因此，研究生态系统结构和功能变化背景下煤矿区生态系统服务功能价值的变化响应具有重要意义。

1 研究区概况

某煤矿区位于淮北平原中部，矿井设计规模1.8Mt/a，可采煤层数7层，设计生产年限为50.3a，井田东西走向长6.9~13.6km，南北宽1.2~3.4km，井田面积34.85km2。所研究矿区在地貌单元上属于华北大平原的一部分，井田范围内地形平坦，在土地利用上，是一个土地利用率较高的农业耕作区。井田区域内的水体均为人工开挖的农灌沟渠，地表潜水位埋深为2.26～5.688m。

2 研究方法

2.1 数据来源

结合卫星影像图，取得植被组成、土地利用现状、地貌地形、土壤地质等第一手资料，利用Acr/info处理软件绘制评价矿区现状1/50000相关生态数据统计表。

研究矿区服务期结束后生态系统的数据采用中国矿业大学开采损害及防护研究所研制的矿区沉陷预计系统（MSPS），该系统应用原理为概率积分法模型[5-6]。根据煤层开采厚度，采深及有关预计参数，计算出矿井开采后产生的地表变形最大值，并结合矿区地下水环境的特点，进一步得出矿区服务期结束后的生态系统类型统计数据。

2.2 矿区生态系统服务价值评价方法

矿区内生态系统类型的不同将引起生态系统服务功能在维持矿区生态协调发展中的作用不同，有关生态系统服务的研究始于20世纪70年代，但由于生态系统的内在复杂性和缺乏相应的价值评估理论与方法体系而进展缓慢[7]。1997年Costanza等在《自然》杂志上首次明确了生态系统服务价值的原理及方法，并明确指出生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[8]，其提供的价值当量在生态服务评价中得到了广泛引用。但在该项研究某些数据存在较大偏差，如对耕地的估计过低，对湿地又偏高等，我国学者谢高地等人[9]根据中国实情,参考Costanza的研究成果制定了中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表(见表1)。考虑到研究矿区评价范围内没有湿地，且耕地占有较大比例，因此，本次研究选用了谢高地等提出的生态服务价值表，并结合Costanza提出的ESV计算公式进行估算。其计算公式为:

ESV是生态系统服务价值(元)；Ak为研究区k种生态系统类型的分布面积(hm2)；VCk为该类生态系统单位面积的生态系统服务价值系数(元/hm2)；ESVf为生态系统单项服务功能价值（元）；VCfk是单项服务功能价值系数(元/hm2).

2.3 敏感性分析方法

为验证矿区生态系统类型对于各生态系统类型的代表性和谢高地所提供价值系数的准确性,本文应用敏感性指数(Coefficient ofSensitivity,简称CS)以确定ESV随时间变化对VC变化的依赖程度,即VC变动1%引起ESV的变化情况,如果CS>1,就说明ESV对VC是富有弹性的;如果CS<1,就说明ESV对VC是缺乏弹性的.比值越大,表明VC的准确性越关键.本研究采用将各生态系统的价值系数分别调整50%，来说明ESV对VC的敏感程度．敏感性指数(CS)计算公式如下[10-11]：

式中：ESV为总生态系统服务价值；VC为生态价值系数；i和j分别代表初始总价值和生态价值系数调整以后的总价值：k为各生态系统利用类型。

表1 中国陆地生态系统单位面积服务价值表 元/（hm2）

3 研究结果及分析评价

3.1 研究区生态系统类型变化分析

由图1可看出，研究矿区在服务期满后，生态系统类型发生了较大变化。其总趋势表现为农田、森林、草地、荒漠生态系统类型占地面积均减少，湿地生态系统类型占地面积增加。通过以上结果可知，研究矿区在开采过程中地表沉陷面积比较大，而且地表下沉值较大，使原有的较平坦的地表产生明显的斜坡与大面积的积水区域，最终使研究区生态系统发生了较大变化。

3.2 研究区生态系统服务价值变化分析

根据生态系统单位面积服务价值系数（表1）和研究矿区个生态系统类型占地面积（图1），计算出研究矿区开采前后的生态系统服务价值情况（表2）和研究矿区各种生态系统类型服务价值比例情况（图2）。由表2可知，研究矿区开采前ESV为4030.171万元，开采后ESV为9277.077万元，开采后比开采前ESV增加了5246.907万元；由图2可知，研究矿区生态系统单项类型功能服务价值比例变化中农田、森林、草地和荒漠功能服务价值在数量上均有所减少，而湿地生态价值增幅十分明显。综合表2和图2，研究矿区开采前后生态系统服务价值的显著增大，主要是受各生态系统类型占地面积发生变化的影响。由于单位面积生态价值系数较低的农田、森林、草地和荒漠生态系统转化为单位面积生态价值系数较高的的湿地，致使研究矿区开采前后生态系统服务价值整体上升。表明在开采前后矿区生态系统的变化产生了较好的生态效益，生态服务功能得到了一定程度的改善。

图1 研究矿区各生态系统类型面积及其变化

表2 研究矿区生态系统服务总价值及价值构成变化表单位：万元

图2 各种生态系统类型 服务价值比例

图3 ESV敏感性指数变化曲线

3.3 研究区生态服务价值敏感度分析

根据前文所述公式3的计算方法，计算结果见图3，由图3可知，ESV对VC的敏感性指数<1，由高到低依次为农田、森林、湿地、草地、未利用地．最高值为0.672～0.686．这说明，研究区内ESV对VC缺乏弹性．研究结果可信．

4 讨论

4.1 本文根据矿区开采沉陷的预测，分析了研究矿区的生态系统类型占地面积的变化，然而在实际生产过程中，由于种种因素，在开采很漫长的矿山服务期内生态系统类型占地面积会有所变化，因此，在下一步的研究中，应结合矿区内动态监测结果来分析矿区生态系统功能服务价值的情况。

4.2 矿区生态系统服务价值的价格不仅仅和矿区生态系统的种类、结构、生物多样性、生物量等有密切的关系，还和矿区所在的空间位置有关系。而本次采用的生态系统服务价值系数是一个广泛的生物群落赋予的一套估价系数，因此，我们还需要对特定矿区分解生态系统的价值系数工作进行更深层次的研究。

4.3 本文以生态系统服务功能价值理论为基础进行矿区开采前后生态系统服务价值的评价是对其评价方法的尝试，通过对矿区开采前后生态系统服务功能价值的变化情况，调整、配置和优化矿区内部及其与外界的物质、能量、信息流动过程,使生态系统的结构、功能和生态学潜力尽快地恢复到正常的、或原有的乃至更高的水平,使矿区生态系统朝着更健康的方向发展。

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[11]熊鹰,谢更新,曾光明,等.喀斯特区土地利用变化对生态系统服务价值的影响—以广西环江县为例[J].中国环境科学,2008,28(3):210-214.