兴隆庄煤矿生态系统服务价值评估

宋 媛 符福存 孙宁湖 田莉雅 孟庆俊 王 慧

(1.中国矿业大学江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏省徐州市，221116；3.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东省济宁市，272102；4.兖州煤业股份有限公司环保部，山东省邹城市，273500)

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，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]。生态系统服务价值评估在缓解煤矿区生态环境压力、促进煤矿企业可持续发展等方面发挥重大作用[2]。

国际上对于生态系统服务功能的研究开始得比较早。Westman[3]最初提出“自然服务”的说法，认为利用生态系统的社会价值可以帮助社会做出更明智的管理决策；Ehrich等[4]在研究中将“Westman's service”称为“生态系统服务”。从20世纪90年代开始，生态系统服务及其价值评估的研究发展得比较快，其中，Costanza[5]和Dialy[6]的生态系统服务价值评估研究对后世产生深远影响。我国学者大多数以土地利用类型面积变化和遥感解译为基础，参照谢高地等建立的“中国陆地生态系统单位面积服务价值表”，对煤矿区生态服务价值变化进行研究。张耿杰等[7]以山西省朔州市为例，采用市场价值法、成本法和影子工程法等研究该区域从1985年到2005年土地利用变化所引起的生态系统服务价值的变化；邱文玮等[8]综合考虑了自然生态系统和社会经济系统之间的相互关系来构建徐州九里矿区自然生态用地系统服务功能价值评估模型。

本研究对兖州矿区兴隆庄煤矿(以下简称“兴隆庄煤矿”)1990-2018年的土地利用变化进行分析，并对煤矿区生态系统服务价值进行定量评估，以期为建设生态文明矿井提供理论依据。

1 研究区概况

兴隆庄煤矿地处东经116°47′56″～116°54′40″，北纬35°27′27″～35°34′38″，位于兖州区兴隆庄镇东南约8 km处，其井田位于兖州煤田中北部，总面积为5623.46 hm2。评估区四季分明，属温带半湿润季风气候区。区内为汶泗冲积平原，地形平坦，由东北向西南逐渐降低。

兴隆庄煤矿井下采煤采用冒落式管理顶板方法，即煤层采出后对采空区不进行充填，也不进行永久性支护，所以采空区上方的岩层在自重作用下发生沉降，这种沉降传递到地表形成塌陷区。截至2017年12月31日，煤矿各采区能够布置工作面的个数为46个，可采储量达5242万t。井田内煤层平均厚度为8.35 m，最大塌陷深度为7.6 m，常年存有积水，煤矿自1981年12月底投产以来，塌陷区面积已达1535 hm2，其面积还在不断增加。

2 研究方法

2.1 矿区生态系统服务功能划分

矿区生态系统服务功能既包括提供原材料、物质基础和食物等，也包括通过人工整治后带来的娱乐休闲等文化服务功能，与单一类型的生态系统相比，矿区生态系统更为复杂[9]。21世纪初，联合国的千年生态系统评估把生态系统服务功能界定为4项主功能、25项副功能。谢高地[10]将生态系统服务分为供给、调节、支持、社会服务等4种服务功能，得到了广泛的认可和采纳。本研究在结合矿区生态系统特点的基础上，决定将矿区生态系统服务功能分为供给、调节、支持、文化4项主服务功能。

2.2 评估指标的筛选

评估指标是估量生态系统服务价值的重要参数，也是评估工作能够顺利进行的有效保障。根据谢高地等[11]对中国陆地生态系统服务功能的划分，本文将矿区生态系统服务分为包括供给服务中的食物及原料供应；调节服务的气体调节、气候调节、水源涵养和废弃物处理；支持服务中的维护生物多样性和土壤保持以及文化服务中的提供休闲娱乐共9种类型的生态系统服务类型。

2.3 矿区生态系统服务价值测算评估

2.3.1 生态系统服务价值评价方法

参考国家土地利用现状分类标准，并结合兴隆庄煤矿土地利用特征及煤炭开采对当地景观产生的影响，将研究区土地利用类型划分为耕地、建设用地、自然水体、塌陷水体、林地5种类型，将其与之最接近的生态系统相对应，耕地对应农田生态系统、林地对应森林生态系统、建设用地对于荒漠生态系统、自然水体和塌陷水体对应水域生态系统。

本文通过查询济宁市近10年的统计年鉴数据，计算兖州区单位粮食播种面积农业总产值，参照谢高地等人的研究，确定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[12]，得出兴隆庄单位面积农田生产粮食的价值为5158.6元/(hm2·a)，从而计算研究区单位面积各生态系统服务价值。

采用Costanza的生态系统服务价值估算方法来计算各种生态服务功能的价值，其计算公式见式(1)：

ESVi=∑Aj×Eij

(1)

式中：ESVi——第i项生态服务功能价值，元；

Aj——土地利用类型j的分布面积，hm2；

Eij——土地利用类型j的第i项生态服务功能价值。

2.3.2 敏感性分析

为了验证生态系统服务价值对于土地利用类型的代表性，通常利用敏感性指数(CS)来确定生态服务价值(ESV)对价值系数(VC)变化的依赖程度[13-15]，其计算公式见式(2)：

(2)

式中：CS——敏感性指数；

ESV——总生态系统服务价值；

VC——生态价值系数；

j——各土地利用类型；

ESVa、ESVb——初始价值和生态价值系数调整以后的价值。

如果CS>1, 说明ESV对VC是富有弹性的，比值越大说明VC的准确性越关键；如果CS<1，则说明ESV对于VC是缺乏弹性的。

3 讨论与分析

3.1 土地利用结构的变化

根据兴隆庄煤矿在1990年、2000年、2010年和2018年的影像处理及分析，可得到各时间节点评估区域土地利用现状图，兴隆庄煤矿1990-2018年土地利用类型空间分布如图1所示。

兴隆庄煤矿1990-2018年土地利用面积统计见表1。

表1 兴隆庄煤矿1990-2018年土地利用面积统计

由表1可以看出，耕地和建设用地是研究区主要的景观类型，这2种景观类型占区域总面积的83%以上。其中1990年和2000年耕地的面积占比最大，分别占区域总面积的72.67%和60.30%，而在2010年和2018年，建设用地占比超过了耕地；其次由于采煤活动造成塌陷水体面积的增加，塌陷水体面积从1990年占区域总面积的1.07%增加为2018年的9.70%以上；水体的面积最小的4个年份分别占区域总面积的0.46%、0.52%、1.98%和1.52%。

从研究区1990-2018年各景观类型的变化上来看，呈减少趋势的只有耕地，减少了2132.73 hm2，由此可以看出, 随着社会和经济的发展，耕地呈持续减少的趋势；建设用地、林地、水体和塌陷水体整体上呈增加趋势，但水体、林地和塌陷水体在2010-2018年间均有所减少，建设用地的增幅最大，从1990年的1352.61 hm2增加到2018年的2771.10 hm2，水体的增加集中表现在当地水上娱乐性项目的增设以及退耕还湖政策的实施，林地的增加主要得益于人们环保意识的增强，以及采取的一系列植树造林活动。由于采煤塌陷造成的塌陷水体在2010年达到了研究区段最大值为567.63 hm2，2010-2018年间得益于矿区生态建设，塌陷水体开始呈现减少的趋势。

3.2 兴隆庄煤矿单位面积生态服务价值

通过研究区农田生态系统单位面积食物生产服务的经济价值和谢高地等制定的我国陆地生态系统单位面积生态服务价值表计算得出兴隆庄单位面积生态服务价值表，兴隆庄单位面积生态系统服务价值见表2。

表2 兴隆庄单位面积生态系统服务价值 元/(hm2·a)

由表2可以看出，耕地的生态系统服务功能主要为提供食物、废弃物处理和土壤保持，其价值分别为5158.6元/(hm2·a)、8459.9元/(hm2·a)和7531.2元/(hm2·a)，气候调节、水源涵养和维持生物多样性的价值也较高，而提供娱乐活动的价值最小，仅为51.3元/(hm2·a)；水体的水源涵养和废弃物处理价值量最大，分别为105126.1元/(hm2·a)和93778.2元/(hm2·a)，其次是维持生物多样性和提供休闲娱乐活动；林地的生态系统服务功能则以土壤保持和气体调节为主，分别为20117.3元/(hm2·a)和18054.2元/(hm2·a)；建设用地属于人工生态系统其生态系统服务价值较其他土地类型生态系统服务价值量均偏小。

3.3 兴隆庄煤矿生态服务价值及变化分析

结合兴隆庄煤矿1990-2000年不同土地利用类型面积，利用公式(1)，可以得到各类生态系统服务功能的价值，兴隆庄1990-2018年不同土地利用类型生态系统服务总价值见表3。

表3 兴隆庄1990-2018年不同土地利用类型生态系统服务总价值

由表3可以看出，从生态服务价值组成和所占比例上分析，1990年和2000年耕地生态系统服务价值一直处在前2位，分别为14936.6万元和12392万元，占比均在61.00%以上，但在2010年降到了28.22%；2010年以后水域生态系统在提供生态服务价值上具有明显优势，其次是耕地和林地，耕地提供生态服务价值所占比例从1990年的79.26%降低到2018年的27.62%，水域的生态服务价值从1990年的2091.5万元增加到2010年的16170.4万元，为研究区总生态系统服务价值做出巨大贡献。

根据兴隆庄煤矿1990-2018年不同土地利用类型面积，结合各种生态系统单位面积生态系统服务价值，得到研究区不同土地利用类型的ESV，对区间价值变化、年变化率以及总价值变化进行计算，1990-2018年不同土地利用类型生态系统服务价值变化情况见表4。

由表3和表4可以看出，1990-2018年，兴隆庄煤矿生态系统服务价值的变化呈先增加而后略有降低的变化趋势，即先由1990年的18841.5万元增加至2010年的29034.2万元，而后在2010-2018年间降低了2484.8万元。其中从历年生态系统服务价值变化上分析，建设用地、水体和林地的生态服务价值均呈正向变化，水体服务价值增量最大，达13250.9万元，增长率达46.68%；其次是林地，达1751.8万元；而耕地的生态服务价值呈负向变化，从14936.6万元降低到7332.7万元，共减少了7601.9万元。总体上来看，水体和林地面积的相对增加有利于整体ESV的增加，抵消了由于建设用地对农田的侵吞带来大幅度的ESV减少，使得研究区总的ESV增加。

表4 1990-2018年不同土地利用类型生态系统服务价值变化情况

3.4 敏感性分析

本研究将各土地利用类型的生态价值系数分别上下调整50%来衡量ESV的变化情况[16-17]。

根据敏感性指数(CS) 的计算公式(2) ，计算出兴隆庄煤矿1990-2018年间各土地利用类型的CS，生态系统服务价值敏感度见表5。

表5 生态系统服务价值敏感度

由表5可以看出，耕地和水体是兴隆庄煤矿生态系统服务价值最敏感的因素。所有土地类型敏感性指数最大值为0.79，均小于1，说明结果具有可靠性，最低值为0.02，即当建设用地的VC增加1%时，对应的ESV增加0.02%，对研究区的ESV影响很小；最高值为0.79，即当耕地的VC增加1%时，对应的ESV增加0.79%，对研究区的ESV影响最大。从不同时期的敏感性指数变化来看, 研究区内耕地的敏感性指数逐年减小，由1990年的0.79降为2018年的0.28，可见耕地在ESV中的主导地位逐年降低，2010年以后水体成为该研究区域最敏感的因素，敏感性指数达0.56。

4 结语

整体上看，1990-2018年，区域土地利用类型的动态变化对整个区域的总ESV产生了积极作用，水域和林地生态服务价值的增加弥补了耕地大面积转变为建设用地对总ESV带来的负面影响。从ESV的构成上来看，过去耕地是研究区最主要的生态系统服务功能，2000年以后水域生态系统的服务功能逐渐占据主导地位；从ESV的变化趋势上看，兴隆庄煤矿在1990-2018年间，其土地利用结构变化明显，耕地减少了36.96%，建设用地、林地、水体和塌陷水体整体上呈增加趋势，尤其建设用地的增幅最大，1990-2018年间增加了1418.49 hm2。从单项生态服务价值上来看，1990-2018年，耕地呈负向变化，共减少了7601.9万元，其余整体上均呈正向增加。耕地和水体是兴隆庄煤矿生态系统服务价值最敏感的因素，但是耕地敏感性指数在逐年降低，而水体敏感性增加。

未来可以从以下两方面来提高生态系统服务价值，一是采用先进的开采技术，因势利导，合理利用塌陷地，减少塌陷区面积；二是科学合理地使用土地资源和水资源，可以通过建设湿地公园，合理发展旅游业，发挥塌陷水体在涵养水源、调节气候和提供休闲娱乐文化等方面的积极作用提高水域生态系统的服务价值。