基于GIS的土地利用变化对矿区生态系统服务价值的影响

金辉，李晋陵，韩伟宏，邢虹娟，郭军玲

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

基于GIS的土地利用变化对矿区生态系统服务价值的影响

金辉1，李晋陵1，韩伟宏1，邢虹娟1，郭军玲2

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

运用GIS技术对山西繁峙县金方圆矿区土地复垦方案（2013—2028年）的土地利用数据进行处理，对研究区进行生态系统服务价值估算，分析了矿区土地利用类型变化及其所引起的生态系统服务价值的变化。结果表明，2013—2028年间土地利用类型变化较大，其他草地、采矿用地、其他林地和裸地呈减少趋势，有林地、灌木林地、人工牧草地呈增加趋势；土地利用类型变化主要是其他草地和采矿用地向人工牧草地、灌木林地和有林地转变，其中，以其他草地和采矿用地减少为主，人工牧草地呈平稳增加趋势；期间生态系统服务价值呈现先下降后升高的趋势，研究区内生态系统服务价值占比以林地和草地为主。矿区土地复垦方案的实施，驱使土地利用类型向着耕地、有林地和草地等生态系统服务价值系数较高的地类转变，不断提高矿区生态系统服务价值总量，对保障区域生态安全和生态系统可持续发展具有重要意义。

GIS；土地利用；矿区；生态系统服务；价值

矿产资源是社会发展和经济建设的重要物质基础，矿产资源的合理、高效开发利用极大地推动了社会经济发展，但伴随而来的矿区土地退化和环境恶化等给生态环境带来了巨大的压力[1-2]。土地复垦能够有效、快速且明显地恢复和提高土地可持续利用能力，提高土地生产率和利用率，保护和增值自然资源，进而增强经济、生态、社会综合效益[3]。土地复垦规划是以最大程度恢复矿山生态系统功能为根本目标，对矿山生态恢复起到指导和约束的作用，同时规划的实施将有效提升矿区生态系统服务价值，极大地缓解矿区土地破坏给环境带来的压力[4]。Costanza等较早对全球生态系统服务与自然资本价值估算进行了研究，推动了关于生态系统服务在全球的广泛研究，我国众多学者也分别对青藏高原、陆地、平原等不同生态系统进行了评价[5-10]。生态系统服务功能是指自然生态系统所提供的可以满足和维持人类生活所需的条件和过程[11-13]，土地利用/覆盖变化能改变生态系统的结构、过程和功能，进而影响生态系统服务[14-16]，因此，针对山西工矿区待复垦面积大、复垦率低的现状[17-18]，可对复垦前后不同时期生态系统服务进行定量测算以反映矿区土地利用结构的变化以及矿山生态环境治理所取得的效果，引导生态环境朝着生态系统服务价值提升的土地利用方向进行恢复治理，对保障区域生态安全和可持续发展具有至关重要意义，促进县域经济与生态环境健康可持续发展[19-20]。

本研究以忻州市繁峙县金方圆矿区为研究对象，应用土地利用现状及复垦规划资料，定量计算和分析矿区复垦过程中土地利用变化所导致的生态系统服务价值的变化，从生态经济价值的角度研究矿区生态复垦为环境带来的贡献，为矿区土地生态恢复治理提供科学决策依据。

1 研究区域概况

繁峙县金方圆矿业有限公司铁矿位于繁峙县城214°方向，直距约15 km处，官地村西南3.5 km处，行政区划隶属于繁峙县岩头乡管辖。矿区中心地理坐标为东经113°15′13″，北纬39°04′55″，面积为2.49 km2。属暖温带半干旱季风气候，四季分明，夏秋湿润多雨，冬季干燥寒冷。多年平均气温6.9℃，最高气温35.5℃，最低气温-32.5℃；多年平均降水量565.8 mm，最大年降水量为914.4 mm，最小年降水量为265.7 mm，降水主要集中在7—9月，约占全年降水量的70%；年蒸发量为1 600～1 800 mm，年日照2700～2900h，≥10℃积温2600～3500℃，无霜期120 d。地势高峻而起伏不平，地形切割强烈，土壤分布主要类型为中性粗骨土和石灰性褐土。项目区所在岩头乡总面积315 km2，2014年岩头乡财政收入4 654万元，人均收入4 351元，人均耕地0.16 hm2。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以《繁峙县金方圆矿业有限公司铁矿项目土地复垦方案》（2013—2028年）、2013年度繁峙县土地利用现状图、遥感影像、野外实地调查为主要数据来源，同时根据需要搜集的繁峙县2010—2014年粮食总产量、粮食作物播种面积、农业总产值等社会经济数据来源于《山西省统计年鉴》（2011—2015年）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化土地利用动态模型反映研究时间域内土地利用类型面积的变化速度。即在某一段时期内，某种土地利用类型面积变化量与初始值的比值。其表达式如下。

其中，K为研究时间区段内土地利用类型时间区间变化率；Ua，Ub分别为研究时间区段初期和末期的土地利用类型面积。本研究中以时间区间为单位，所以，K值为该研究区域某种土地利用类型面积的区间变化强度。

为反映某土地利用类型的变化剧烈程度，采用公式（2）表示某一土地类型变化的动态度（Rss）。

其中，ΔUin为在一定时期内其他地类转变为该类型土地的面积之和；ΔUout为在一定时期内某一地类转变为其他地类的面积之和；Rss≥0，当Rss趋于0时，说明在研究时段内，该类型土地面积变化极小，Rss数值越大，表明该类型土地面积的变化程度愈剧烈。

2.2.2 土地生态系统服务价值参考Costanza的生态系统服务价值计算公式，结合繁峙县社会经济数据和土地利用等相关资料，对生态服务价值进行参数修正，计算得出矿区生态系统服务价值。

式中，ESV代表生态服务价值；AR代表R类土地利用类型的面积（hm2）；VCR为土地利用类型的生态服务系数（元/（hm2·a））。

2.3 技术路线

本研究参考Costanza对生态系统服务价值的估算模型，结合社会经济数据、矿区土地利用数据和生态系统服务价值评估体系，引用谢高地等[21]对中国生态系统服务价值估算当量表，将重新分类的土地利用类型与Costanza等研究全球生态系统分类进行比对，对单位面积各地类生态系统服务功能进行估价，即确定项目区各类土地利用类型的生态系统服务价值系数，得出区域生态系统服务价值多元一次函数关系式；利用遥感影像、空间数据和ArcGIS软件对各项空间数据和属性数据进行处理，建立矿区生态系统服务价值评价数据库，得出矿区生态系统服务价值汇总数据及相关图件，以便进一步分析研究区域生态系统服务价值的变化情况，评估复垦规划目标对生态系统的贡献价值量，技术路线如图1所示

。

3 结果与分析

3.1 土地利用状况分析

由表1和图2可知，项目区土地现状以其他草地和采矿用地为主，占项目区总面积的67.08%，其次是林地、裸地和农村道路，同时有少量耕地、村庄分布。根据复垦方案的规划，2013—2028年间土地利用方式转变最主要的是：（1）其他草地、采矿用地减少，其中，其他草地面积减少31.07 hm2，采矿用地面积减少12.58hm2，其他林地和裸地减少面积较小，仅为3.48，0.31 hm2；（2）人工牧草地、灌木林地和有林地增加，其中，人工牧草地面积增加35.80 hm2，有林地和灌木林地面积分别增加了4.79，6.83 hm2。通过规划实施，对矿区损毁土地复垦，在保证项目实施后耕地面积不减少的基本原则下，将已损毁土地根据复垦适宜性恢复为林地和人工牧草地，有效增加项目区生态绿地面积。

表12013 —2028年矿区土地利用的年际变化hm2

在矿区生产过程中实施“边生产、边治理”的策略，2013—2019年以土地占用为主，复垦工作逐步开展，采矿用地面积增加27.18 hm2用于矿区开采作业，因土地占用，其他草地面积减少31.07 hm2，其他林地面积减少3.48 hm2，旱地和裸地面积分别减少0.22，0.31 hm2，期间通过恢复治理，人工牧草地增加7.70hm2，灌木林地面积增加0.19hm2；2019—2025年土地利用方式转变因工程复垦而由建设用地向生态用地转变，期间采矿用地面积减少了20.39 hm2，复垦为人工牧草地面积14.69 hm2，有林地和灌木林地面积分别增加2.29，3.42 hm2；2025—2028年为项目区复垦收官阶段，所有损毁土地都将恢复为农用地，本阶段采矿用地面积再减少19.37 hm2，恢复旱地面积0.22 hm2，有林地面积2.50 hm2，灌木林地3.22 hm2，人工牧草地13.41 hm2，至此因矿区开采作业损毁土地均已完成生态恢复，主要以人工牧草地为主要恢复地类，有效增加了矿区植被覆盖。

3.2 土地利用变化率和动态度分析

从图3可以看出，2013—2019年，矿区采矿用地面积变化率最大，为45.3%，其次是其他草地，为-29.02%，旱地、灌木林地、其他林地和裸地变化率较小；2019—2025年，矿区地类面积变化率最大的是人工牧草地，为190%，灌木林地和采矿用地面积变化率分别为15.72%和-23.39%；2025—2028年，矿区地类面积变化率最大的是有林地，为104.60%，其次是人工牧草地，为59.89%，采矿用地面积变化率为-29%，灌木林地和旱地变化幅度较小，分别为12.79 %和4.99%。

2013—2028年矿区土地利用类型面积变化速度和地类相关性较大，复垦初地类变化速度较快的是采矿用地，动态度达到7.55；随着规划的实施，2019—2025年间地类变化速度较快的是人工牧草地，动态度为31.80；规划实施末期地类向生态用地转变，变化速度较快的是有林地，动态度达到34.87，其次是人工牧草地，为19.96，其他地类变化动态度较小。整个复垦期间建设用地的变化除其他草地和裸地因矿区开采作业阶段损毁外，而后地类再没有发生变化。

3.3 生态系统服务价值分析

为了反映矿区土地利用类型对生态系统服务价值的影响，利用2010—2012年繁峙县粮食作物播种面积3.65万hm2，年均粮食产量7.12万t，年均农业总产值5 651.69元/hm2，生态系统服务价值当量因子则参考谢高地等[21]的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表，1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7，同时根据土地利用现状分类定义，对林地、草地的生态系统服务价值进行系数修订，计算出繁峙县1个生态服务价值当量因子的经济价值为807.38元，基于此建立多元一次函数式来推算得出繁峙县生态系统单位面积生态服务价值表（表2），利用地理信息系统构建数据库，得出矿区复垦前、后生态系统服务价值单位面积分布（图4）。

表2 繁峙县生态系统单位面积生态服务价值元/（hm2·a）

根据繁峙县生态系统单位面积生态服务价值表和土地利用面积计算出了复垦方案实施阶段（2013，2019，2025，2028年）矿区的生态系统服务价值。由表3可知，2013—2028年间生态系统服务价值呈先降低后增加的趋势，即2013年因矿区开采作业阶段损毁部分土地，导致矿区生态系统服务价值总量降低，而后随着复垦规划实施，高生态系统服务价值土地利用类型土地面积逐渐增加，2013年矿区生态系统服务价值为110.73万元，2028年矿区生态系统服务价值为131.07万元，年均增加1.36万元。其中，农田的生态系统服务价值保持不变，其占比由2013年的2.33%减少到2028年的1.97%；林地作为矿区生态系统服务价值唯一增加的土地利用类型，增加了13.18万元，占比由原来的57.54%提高到2028年的58.66%，林地生态系统服务价值增加的主要原因是：一方面源自于林地面积的增加，另一方面林地是矿区内对生态系统服务功能贡献最大的土地利用类型；荒漠生态系统服务价值因面积减少0.31 hm2而减少0.01万元；2013年草地生态系统服务价值占比是39.57%，随着规划的实施，草地生态系统服务价值占比呈现先降低后增加的趋势，2028年草地生态系统服务价值占比为38.90%；2013—2028年农田生态系统服务价值因为其他地类被占用导致占比提高，随着复垦的实施其他高生态价值地类得到恢复补充，使得农田占矿区生态系统服务价值比例下降至1.97%。

表32013 ，2019，2025，2028年矿区生态系统服务价值

4 结论

本研究对《繁峙县金方圆矿业有限公司铁矿项目土地复垦方案》中土地利用类型的变化情况进行评估，结果显示，2013—2028年矿区土地利用类型总体变化是由损毁土地向宜耕宜农的方向转变，其中变化最大的是其他草地和采矿用地损毁后恢复为人工牧草地；从变化过程来看，由初期项目占用各个地类的损毁导致土地利用类型向建设用地的转移，复垦方案实施后进入生态系统恢复阶段，土地利用类型根据工程安排，逐步开始向着旱地、林地、草地等生态系统服务价值较高的土地利用类型转变，这也符合国家对矿业用地恢复治理的基本原则，因此，提高土地利用水平是恢复和提高区域生态系统服务功能的最有效途径。

矿区土地复垦方案的实施将大幅提升矿区生态系统服务价值，由2013年的110.73万元增加到2028年的131.07万元，增幅达18.36%，年均增加1.36万元，其中为矿区生态系统服务价值贡献最大的是林地，面积增加8.14 hm2，其生态系统服务价值增加13.18万元，占比增加1.12百分点。草地生态系统服务价值增加7.17万元，为矿区生态系统服务价值贡献占比减少0.66百分点。矿区生态系统服务价值的提升得益于建设用地和荒漠的损毁后的生态恢复，通过工程、技术措施和资金投入，使单位面积生态系统服务价值较低的建设用地和未利用地转变为农用地。

基于时空动态监测评估的区域生态系统服务功能和价值的评价，是评估区域生态系统服务真实价值的基础和依据，有助于从科学角度对矿区土地复垦方案进行评估，可作为复垦方案的可行性和合理性的重要指标。

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Effect of Land Use Change on Ecosystem Services Value in Mining Area Based on GIS

JINHui1，LI Jinling1，HANWeihong1，XINGHongjuan1，GUOJunling2
（1.Institute of Agricultural Resources&Economy，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Environment&Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

This paper studied the land use pattern change of Jinfangyuan mining area in Fanshi county of Shanxi province in 2013-2028.It evaluated ecosystem service value of the study area and analyzed the changes of land use pattern and ecosystem service value based on the land use changes.The results showed that land use patterns had remarkable changes between 2013 to 2028.Other grassland,mining land,other woodland and bare land appeared decreasing trend,while forest land,shrub land and artificial grassland showed increasing trend.The land use patterns were changed mainly by other grassland and mining land to artificial grassland,shrub land and woodland.Other grassland and mining land substantially reduced,artificial grassland steadily increased year by year. Meanwhile,ecosystem service value showed decreased trend at first and then increased.Ecosystem service values were mainly controlled by woodland and grassland in the study area.The implementation of mining land reclamation scheme promoted transformation of land use patterns to farmland,woodland and grassland,which ecosystem service value coefficients were higher.Finally,the total ecosystem service value in the mining area improved greatly,which was especially important for the protection of regional ecological security and the sustainable development of ecosystem.

GIS;land use;mining area;ecosystem service;values

F301.24

A

1002-2481（2016）11-1669-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.22

2016-07-08

山西省农业科学院科技攻关项目（YGG1430）

金辉（1985-），男，河南濮阳人，助理研究员，主要从事基于GIS的农业资源高效利用研究工作。郭军玲为通信作者。