兖州矿区土地利用变化对生态系统服务价值的影响

2018-03-16吕欣怡王慧袁兴中孙小银孙晓芳孙晋芳

山东科学 2018年1期

吕欣怡，王慧*，袁兴中，孙小银，孙晓芳，孙晋芳

(1. 曲阜师范大学地理与旅游学院，山东日照 276826；2. 重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044)

煤矿和土地是人类生存和发展的重要自然资源，矿区作为一类特殊的小尺度典型区域，其土地利用变化和生态问题非常值得关注。生态系统服务功能是在生态系统与生态过程中形成的维持人类生存的自然环境条件及其效用[1-2]，生态系统服务价值(ecosystem service value，ESV)评估现已成为环境经济学和生态经济学的研究重点之一[3-5]，并有助于人类福利和经济可持续发展相关研究的深化。Constanza等[6]最先将生态系统服务功能划分为气候调节、水分调节、物质循环、娱乐及文化价值等17类生态系统服务价值功能，估算了全球生态系统服务价值。矿区是人类活动影响和干扰比较剧烈的区域，探讨采矿活动对生态系统服务功能的影响具有典型意义。目前，部分学者就此开展了相关研究。Norgaard等[7]指出，可以通过对矿区生态系统的修复来实现其功能上的可持续发展。Larondelle等[8]采用生态系统服务方法评估采矿活动对德国东部矿区景观格局的影响，强调未来发展重点在于粮食生产和生物能源利用。李保杰等[9]认为在矿区土地复垦实施过程中根据ESV的变化对土地利用结构进行调整，有助于矿区土地效益达到最大化。顿耀龙等[10]指出土地利用结构变化在一定程度上导致生态功能失调，由于矿区生态环境的复杂性，应合理调控生态系统的组成、结构和功能。徐占军等[11]通过植被净初级生产力的计算，认为采矿区气候是影响环境的主导因素，增加耕地和林地的NPP值可改善生态环境。陈淳[12]认为采矿活动会破坏植物群落的组成和结构，需进行人工干预加快生态系统的修复过程。因此，研究土地利用变化下的生态系统服务价值变化，采取科学有效的生态修复方法，对协调矿产资源开采与生态系统的平衡发展、改善矿区生态环境、提高生态系统服务价值具有重要意义。

兖州矿区位于山东省西南部的济宁市，自改革开放以来，随着煤炭资源的大面积开采，区域土地利用变化剧烈。矿区地表大面积塌陷，耕地流失严重，矿区建设和村庄搬迁带来建设用地扩张的同时，其空间布局变化剧烈，矿区的恢复与治理成为我国国土整治面临的重大课题。这种典型矿区土地利用变化条件下的ESV变化研究，能够为客观认识矿区生态环境条件演化规律，寻求矿区恢复与治理的合理路径提供参考依据。本研究利用遥感影像解译数据，分析兖州矿区1994—2013年间土地利用变化及其ESV变化和空间表现特征，提出在矿区国土整治中，应该充分利用矿区塌陷湿地的ESV补偿功能，重建区域人地关系系统的基本路径。

1 研究区概况

本研究区为兖州矿区的主采区，包括山东省济宁市的邹城、兖州和曲阜3个县(区)的部分辖区(图1)，面积1 023 km2。研究区属温带半湿润季风气候，四季分明，年平均气温约为13.3～14.1 ℃，多年平均降水量600～820 mm左右。矿区内广泛分布着石炭、二迭系含煤地层，已探明的储藏绝大部分在-1 000 m以上，水文地质条件较简单，断层少，开发条件好。兖州矿区辖兖州、济东两大煤田，包括东滩煤矿、鲍店煤矿、南屯煤矿、兴隆庄煤矿等，是中国大型现代化煤炭工业基地之一。

图1 兖州矿区地理位置示意图Fig.1 Location of the Yanzhou mining area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

遥感数据采用1994、2000、2004、2009、2013年的Landsat-5 TM和 Landsat-8 OLI遥感影像。本研究所需的影像数据来源于USGS，其影像已经过辐射校正、地面控制点的几何校正以及DEM地形校正。以2004年的影像为基准，对其他年份的遥感影像进行地理坐标配准。土地利用分类基于GB/T 21010—2007土地利用现状分类[13]，结合矿区实际情况以及遥感影像的分辨率，将研究区的土地利用类型分为5类：耕地、林地、水域、建设用地和其他用地。本研究采用监督分类中的最大似然法，通过对影像进行训练样本的选择和计算机分类，得到5个时期的土地利用分类图。其遥感解译精度中的kappa系数均大于0.80，总体分类精度均大于90%，分类结果具有较高的精度，满足研究的需要。

2.2 土地利用空间变化

根据土地利用分类图，运用ArcGIS空间分析功能获得各土地利用类型面积和1994—2013年土地利用转移矩阵，并在此基础上计算土地转移贡献率，探讨类型间的内部转化[14-15]。利用土地利用变化图谱模型反映用地类型变化的状态和趋势，为了便于空间数据的地图代数运算，对各期数据的土地利用类型重新进行编码。耕地、林地、水域、建设用地、其他用地分别设置为1、2、3、4、5。以时间序列为轴，选取相邻两个时段栅格单元的土地利用类型编码值进行代数运算，即把前一采样时刻栅格单元的属性值作为十位数、把后一采样时刻栅格单元的属性值作为个位数，生成一个两位数编码的新空间单元[16]，进而得到矿区1994—2004年间和2004—2013年间的土地利用变化图谱。

2.3 ESV变化

本研究以谢高地等[17-18]制定的“中国陆地生态系统服务当量因子表”为基础，根据研究区实际情况，采用研究区农田粮食单位面积产量与全国农田粮食单位面积产量的比值作为地区修订系数[19]，确定研究区土地利用类型相对应的生态系统类型及生态价值系数，研究假定建设用地的价值系数为0(表1)。以此为基础，采用 Costanza 等[6]的生态系统服务价值公式，计算生态系统服务功能[20-28]：

ESV=∑Ak×VCk，

(1)

ESVf=∑Ak×VCfk，

(2)

式中，ESV为生态系统服务总价值(元)；Ak为土地利用类型k的分布面积(hm2)；VCk为土地利用类型k的单位面积生态价值系数(元/(hm2a))；ESVf为第f项生态服务功能价值；VCfk为土地利用类型k的第f项生态服务功能价值系数。

表1 研究区各土地利用类型单位面积ESVTable 1 Ecosystem services value of each land use type in the unit area 单位：元/hm2

本文通过敏感性指数(coefficient of sensitivity，CS)来确定生态系统服务价值(ESV)随时间的变化情况对生态价值系数(VC)的依赖程度，当 CS1，表明ESV对于VC是富有弹性的。研究将各土地利用类型的生态服务价值系数VC分别上下调整50%来计算CS[29-32]。

(3)

式中,p和q分别为初始和调整后的生态服务价值系数；i表示土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 兖州矿区土地利用变化

从土地利用分类图(图2)和土地利用情况统计表(表2)可知，1994—2013年间研究区土地利用结构变化显著。区域土地利用类型仍以耕地为主，其面积由1994年的360.99 km2减少到2013年的234.33 km2，年变化率-1.85%。从土地类型的内部转换来看，耕地转出主要是转变为水域和建设用地，两者对耕地转出的贡献率分别为-11.17%和-9.45%；耕地对林地、水域和建设用地转入贡献率分别为29.48%、70.04%、64.78%。建设用地面积19年间增加了63.05 km2，年变化率8.46%，反映了矿区建设用地扩张速度较快；水域面积增加了17.60 km2，年变化率10.31%，主要原因是平原矿区煤矿开采导致的大面积地表塌陷，形成了地表积水。林地面积增加了61.78 km2，主要来源于耕地转换，反映了当地浅层塌陷地弃耕植树和塌陷地土地整治绿化造林的状况。其他用地向耕地和林地的转化是导致其他用地减少的主要原因，具有传统平原农区地区土地利用变化的一般特征。

从研究区土地利用变化空间图(图3)可以看出，1994—2004年间，明显变化的是耕地→水域(编码13)，主要分布在研究区中部和南部的兖州、曲阜、邹城3个县(区)的交汇处，其中邹城水域形成较多，这是兖矿早期主要采煤区所在地；2004—2013年间，转化区域较前一时期明显向北转移，反映了矿区煤炭采区的延伸和采煤塌陷地空间的拓展。其次，变化较明显的是耕地→建设用地(编码14)和林地→建设用地(编码24)，其分布地区主要涉及曲阜和邹城两个县(区)的市区和兖州邹城边界地区，主要是压煤村庄搬迁和城镇工矿建设所致。

图2 研究区1994—2013年间土地利用分类图 Fig. 2 Classification chart of land use during 1994—2013 in the study area

表2 研究区1994—2013年间土地利用转换及其动态变化Table 2 Land use conversion and its dynamic change during 1994—2013 in the study area

21林地→耕地;31 水域→耕地;41 建设用地→耕地;12 耕地→林地;32 水域→林地;42 建设用地→林地 13耕地→水域;23 林地→水域;43 建设用地→水域;14 耕地→建设用地;24 林地→建设用地;34 水域→建设用地。图3 研究区1994—2013年间土地利用变化图谱Fig.3 Map of each land use change during 1994—2013 in the study area

3.2 兖州矿区ESV变化

根据上述土地利用相关数据，运用公式(1)计算得到研究区不同土地利用类型的ESV(表3)。结果表明，研究区1994年总ESV为6.97亿元，2013年为9.00亿元，总体呈上升趋势。从历年生态系统构成上分析，林地的ESV最大，约占总价值的50.86%，主要得益于区域内耕地转化和林木工程等生态建设工程的实施；其次是耕地(32.76%)、水域(16.24%)。林地生态系统服务价值增量最大，达1.74亿元；其次是水域，达1.43亿元；而耕地的ESV减少了1.13亿元。在增长率方面，水域的生态价值系数大，面积的微小变化都会引起ESV较大的改变，增幅高达195.85%；耕地ESV增长率为-35.09%。总体上来看，水域和林地面积的相对增加有利于整体ESV的正流向，抵冲了建设用地对农地等的侵吞带来的ESV的减少，使得研究区总的ESV增加了2.03亿元，增长率达29.16%。

表3 研究区1994—2013年间ESV结构及其变化Table 3 The ESV structure and its change during 1994—2013 in the study area 单位：亿元

根据敏感性指数(CS)的计算公式(3)，计算出研究区1994—2013年间各土地利用类型的CS(表4)。结果表明，研究区所有土地利用类型的ESV对VC的敏感性指数均小于1，ESV对VC缺乏弹性，研究结果可信。

表4 生态系统服务价值敏感度Table 4 The coefficients of sensitivity (CS)for ecosystem service value

3.3 土地利用变化对兖州矿区ESV变化的驱动因素分析

矿区作为具有特殊人地关系的区域，土地利用变化剧烈，人地矛盾突出，人地关系协调面临多重困难。兖州矿区是我国较早开发的煤炭基地，随着煤炭资源的大面积开采，导致耕地大面积塌陷，部分耕地由于塌陷蓄水形成一种特殊的地表水体，进而发展成为湿地，部分耕地在土地复垦后转为林地。煤炭资源的开发和利用，带动了与之相关的能源、原材料、制造业和通讯、交通等产业发展，城镇工矿用地逐渐扩大，致使耕地面积进一步减少，食物生产ESV处于下降趋势，年变化率为-2.34%。就其他单项生态系统服务功能而言(图4)，1994—2103年间气候调节、水源涵养、原材料和娱乐文化ESV变化较大，其变化率分别为1.29%、1.90%、1.70%、2.53%；气体调节、保持土壤、废物处理、生物多样性保护变化缓慢，年变化率分别为1.27%、0.43%、0.93%、1.01%。其中，气候调节、水源涵养、土壤保护、废物处理是研究区各时段最主要的生态系统服务功能，其价值占比均超过10%以上。同时，这4项ESV之和占研究区ESV的60%以上。研究区水源涵养、气候调节生态系统服务功能较高，主要因为水域面积增加并形成天然湿地，将各个生态系统内部相连，加强了各系统间信息流、物质流与能量流的相互转化。

图4 研究区1994—2013年单项ESV结构变化Fig. 4 The single structural changes of ESV during 1994—2013 in the study area

4 结论与讨论

兖州矿区在1994—2013年间，其土地利用结构变化明显，以建设用地不断侵吞耕地为主要特征，采矿活动导致耕地塌陷形成积水区，致使研究区水域面积明显增加。研究区不同土地利用类型ESV存在差异性，区域土地利用结构的变化带来ESV的变化。但从整体上看，在研究时段内，区域土地利用结构的动态变化并没有降低整个区域的ESV。林地和水域对整个区域的ESV变化起决定性作用，其面积的增加弥补了由于建设用地侵吞耕地以及耕地塌陷带来的ESV负面影响。1994—2013年间总ESV增加了2.03亿元，其主要由林地支撑(50.86%)，其次为耕地(32.76%)，水域由于面积较小只占16.24%。从ESV的构成上来看，气候调节、水源涵养、土壤保护、废物处理是研究区最主要的生态系统服务功能。

矿区是人类活动比较剧烈的区域，也是土地利用类型变化较快的区域。根据本文研究结论及区域发展定位，兖州矿区应从经济社会与生态环境的可持续发展角度因地制宜制定土地利用政策，优化调整土地利用结构。兖州矿区作为我国重要的煤炭能源基地应走绿色发展道路，加快资源枯竭型城市的产业转型，科学评价采煤塌陷新生湿地的ESV，因势利导，合理利用塌陷地。通过建设湿地公园，合理发展湿地生态旅游、湿地生态农业等方式发挥采煤塌陷新生湿地在涵养水源、调节气候、净化水质、生态旅游和湿地农业等方面的积极作用，摒弃塌陷地复垦的单一利用模式[33-34]。区域土地利用结构的调整与优化，应系统考虑各种土地利用类型的整体ESV变化。矿区区域人地关系的重建必须以矿区人地关系的特殊背景为基础，将矿区经济社会发展和生态环境改善有机结合起来，使得生态效益、社会效益和经济效益达到最大化。

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