山西煤矿区生态系统服务重要性评价及时空异质性

吴树荣，潘换换，杨琪雪，杜自强*，武志涛，张红

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006）

0 引言

生态系统服务是支撑人类生存发展和生产活动的重要环境条件和外在物质基础，包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务等关乎人类福祉[1-2]。生态系统服务重要性评价可以明晰区域内各种生态系统服务的重要区域，从总体上揭示生态系统服务服务数量值和空间特征，能够反映区域生态系统的可持续状态，有助于明确重点进行生态规划和保护的地区[3]。

生态系统服务评价始于20世纪60年代，日本采用替代成本法评估森林公益机能经济价值[4]。20世纪80年代中国林学会基于森林综合效益实施评估工作[5]，1997年Daily等系统阐述了生态系统服务的相关定义和价值测算的技术手段[6]。目前国内外研究内容主要集中在生态系统服务经济价值估算及机理分析、生态系统服务主导功能划分等方面，研究内容由类型划分、经济价值核算趋向注重综合评价分析[7]，同时开始探索不同因素对生态系统服务的影响机理。生态系统服务重要性通常采用单项指标或多项指标综合来表征，主要是根据价值估算和服务指数来评估其总体服务能力和分布特征。评价区域多集中在对小流域[8]、省市生态用地[9-10]、特定生态区和某种生态系统等对生态系统服务重要性予以识别。前人的这些研究提高了人们对生态系统服务的重视，但多集中于大中尺度生态系统服务重要性评估。另外，评估生态系统服务重要性时需要从时空尺度切入，且揭示生态系统服务重要性的内在机理的研究有待进一步展开。

由于社会经济快速发展对煤炭资源利用长期的依赖，煤矿区开发仍与日俱增，相应的带来建设用地的持续增加和生态用地的持续大幅缩减。山西省煤矿开采自20世纪初开始，社会发展受其巨大惠益，但随之地表地下水系破坏，植被覆盖度降低，土壤功能退化，原有生态系统功能受损，给煤矿区生态系统服务和人类福祉带来严重威胁[11]。21世纪作为煤矿开采中后期，也是调节生态问题和经济发展矛盾的关键节点，人们开始注重环境保护和经济建设的并行，并探索资源开发与煤矿区生态系统的耦合机制。本文基于山西省2000年—2018年NDVI数据、气象数据、土壤数据和高程数据等，对煤矿区生态系统服务重要性区域进行识别和划分，从时空尺度揭示其异质性和中心迁移，并基于土地利用类型[12]和影响因子揭示生态系统服务重要性内在机制，以期为山西省煤矿区生态环境建设和生态恢复提供参考。

1 研究区概况和数据获取

1.1 研究区概况

研究区位于山西省煤矿区（110°30′E —113°80′E、35°50′N—40°20′N），包括河东煤田、霍西煤田、宁武煤田、沁水煤田、大同煤田和西山煤田（图1）。总面积约53 800 km2，地类主要为草地、林地和未利用地。东部和西部以山区、丘陵为主，中部为盆地，地形地貌结构多变。温带大陆性季风气候，年平均气温6℃～13℃，年降水量400 mm～600 mm，年均风速约2 m/s。矿产资源丰富，探索到地下矿种达上百种，近一半已探明储量，煤炭储量全国第一[11]。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源与处理

本文数据（表1）处理主要包括：（1）气象数据，包括研究区2000−2018年月均气温、月均降水、月均风速、月均潜在蒸散量和月总太阳辐射量通过kriging插值，求得年均数据并将结果归一化得到多年平均降水因子（Fpre）和多年平均气温因子（Ftem）等，并通过栅格计算器得到多年平均气候侵蚀力（Fq）。（2）基于NDVI和气象数据通过CASA模型估算2000—2018年煤矿区植被净初级生产力（NPP），进行统一坐标和栅格计算得到多年植被净初级生产力平均值（NPPmean）。（3）基于 DEM 数据提取坡度、地形起伏度、海拔，通过归一化得到坡度因子（Fslo）、地表粗糙度因子（D）和海拔因子（Falt）的空间分布图。（4）对土壤质地数据进行提取、分类，进行归一化处理得到土壤渗流因子值（Fsic）和土壤可蚀性值（K）[13]。通过ArcGIS将各因子通过重采样统一转为分辨率1 km×1 km的栅格数据进行计算。

表1 数据描述及来源Table 1 Data description and source

2 研究方法

2.1 NPP估算

NPP作为指示生态系统服务的重要因子，通过 CASA模型[14]由植被光合有效辐射APAR、实际光能利用率ε计算，（x，t）表示t月x像元，公式为：

其中，APAR公式由太阳辐射总量SOL、植被层对入射光合有效辐射的吸收比例FPAR和植被利用太阳有效辐射占太阳总辐射比例0.5的乘积得到，ε由Tε和Wε温度和水分胁迫因子等计算得到，公式分别为：

2.2 生态系统服务重要性评价

2.2.1 生态系统服务单项指标评价

（1）水源涵养服务是生态系统对降水进行时空再分配，缓和地表径流，补充地下水，增加有效水的能力。该指数（WR）[15]计算公式为：

式中：NPPmean表示多年植被净初级生产力平均值；Fsic为土壤渗流因子；Fpre为多年平均降水因子；Fslo坡度因子。

（2）水土保持服务是指生态系统过程中，通过其自身结构和过程的相互作用得以避免水土流失，减少地表径流，增加地面覆盖，防止土壤侵蚀的能力[16]。该指数（Spro）计算公式为：

式中，K为土壤可蚀性因子。

（3）防风固沙服务是指陆地生态系统能够减缓风速，改变风向，固沙固土，防止沙尘暴，保护良田，避免沙漠化的能力[17]。该指数（Sws）具体计算公式为：

式中，Fq为多年平均气候侵蚀力因子；D为地表粗糙度因子。

（4）生物多样性维护服务即生态系统对生物多样性的维护和固持，稳定生态系统，提高生产力的能力[18]。该指数（Sbio）计算公式为：

式中，Ftem为多年平均气温因子；Falt为海拔因子。

2.2.2 生态系统服务功能综合评价

综合考虑水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性服务指标，通过变异系数法[19]设置指标权重，利用加权综合指数法得到生态系统服务重要性综合指数（ESI），其计算公式为：

式中，Ai表示第i项指标的功能值，Wi表示第i项指标的权重。

表2 研究区生态系统服务重要性指标权重Table 2 Index weight of importance of ecosystem services in the study area

2.3 生态系统服务重要性识别和分析方法

（1）采用自然断点法将生态系统服务重要性评估结果按其自然分布规律划分为4个等级，分别为极重要、高度重要、比较重要和一般重要[15]。

（2）为揭示其时空变化规律，通过ArcGIS中位数计算得到不同重要性级别的地理中心，再通过标准差椭圆创建各重要性级别区域的分布方向和离散程度，椭圆的长轴表示方向，长轴越短表示越集中。

（3）分析生态系统服务重要性内在机理，结合土地利用和生态系统综合服务各重要性等级进行叠加分析，再识别生态系统综合服务重要性指标中不同等级影响因子的均值，并通过如下公式计算其相对偏差[20]：

式中，di为影响因子的偏离程度，xi为i等级区域影响因子的均值，xˉ为影响因子在整个区域的均值[21]。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务重要性

3.1.1 水源涵养重要性

从空间上来看，水源涵养重要性基本呈东部高、西部低的空间分布趋势（图2），其中高度重要和极重要区域面积分别为7 908.6 km2和6 509.8 km2，分别占总面积的14.7%和12.1%（表3），主要分布于西山煤田、沁水煤田和霍西煤田。主要是由于这些煤田多年平均降水量较高、水热平衡条件较好，对于维持水质，清洁水源供给有重要意义。低值区面积最大，约为18 076.8 km2，区域占比达到33.6%，主要分布在大同煤田、宁武煤田和西山煤田的大部分地区，这是由于这些区域植被覆盖率低、工矿建设活动较为频繁，不利于涵养水源。

3.1.2 水土保持重要性

从图2可以看出，水土保持重要性区域分散分布在煤矿区的东北部和东南部，面积为4 411.6 km2，占总面积的8.2%（表3），高度及以上重要地区主要分布在沁水煤田东北部和东南部、霍西煤田大部分区域以及西山煤田西部，这些地区土壤不易受雨水侵蚀，水土保持效果较好。水土保持服务一般重要区域主要分布在大同煤田、宁武煤田和河东煤田北部等地势较为低平的区域，面积约为20 766.8 km2，占比高达38.6%。

表3 生态系统服务各重要性区域面积占比统计表Table 3 The importance of ecosystem services area accounted for statistics

3.1.3 防风固沙重要性

防风固沙重要性在空间上呈现一般重要区域广泛分布、重要区域零星散落分布于东北部的特征（图2），其中极重要区域面积为645.6km2，仅占矿区总面积的1.2%（表3）；高度重要区域面积2 743.8 km2，占总面积的5.1%。高度及以上重要地区主要分布在沁水煤田东北部，这些地区土壤可蚀性较小，气候侵蚀力小，对防风固沙起到一定程度的作用。研究区防风固沙服务一般重要区域占研究区面积的73.0%，防风固沙服务相对于其他服务并不突出。

3.1.4 生物多样性重要性

生物多样性重要性在空间上呈现东南高西北低的分布特征（图2），一般重要区域主要分布于研究区西北部，高度及以上重要区域大多分布在研究区东南部的沁水煤田、中部霍西煤田，高度重要区域面积达到11 405.6 km2，占总面积的21.2%；极重要区域面积为3 981.2 km2，占总面积的7.4%（表3）。这些区域植被覆盖率较高，降水丰富，适宜动植物生存，生境质量好，物种丰富，有助于维持生物多样性。

3.1.5 生态系统综合服务重要性

研究区生态系统综合重要性面积比例随等级升高呈下降趋势，高度及以上重要的区域面积占比达到20.1%（表3）。生态系统综合服务重要性自煤矿区西北向东南部逐渐递增（图3），其中极重要区主要分布在沁水煤田东北部和南部、霍西煤田中南部区域，占各自煤田面积比分别为22.7%和24.1%（图4），高度重要区主要分布在沁水煤田东部和南部大部分地区以及霍西煤田中部，占各自煤田面积比分别为25.6%和22.4%，比其他煤田人为扰动较小。霍西煤田和西山煤田部分地区以水土保持服务为主，研究区东南部山地丘陵区以水源涵养和生物多样性维护服务为主（图2），对维持整个煤矿区及山西省地区的生态系统可持续具有重要意义。

图3 研究区生态系统综合服务评价结果Fig.3 Evaluation results of comprehensive ecosystem services in the study area

图4 六大煤田生态系统服务重要性分区占比Fig.4 The proportions of the six major coalfield ecosystem services

3.2 生态系统服务重要性时空变化特征

生态系统服务重要性时空变化在一定程度上可反映区域生态系统服务的可持续和动态变化过程[22]。通过对比2000年和2018年生态系统服务重要性分布得到煤矿区生态系统服务重要性时空变化图（图5），近年来对煤矿区采取了一系列生态环境保护和恢复措施，大部分区域生态系统服务重要性呈现增加趋势，沁水煤田西北部平原区、东南部低山区和霍西煤田南部以及河东煤田南部出现降低现象，主要受人类经济建设活动影响，山地丘陵区域生态系统服务重要性程度基本不变。

图5 研究区生态系统服务重要性时空变化Fig.5 Spatiotemporal changes in the importance of ecosystem services in the study area

煤矿区2000年—2018年生态系统服务重要性区域中心总体由东南部向西部和北部偏移，极重要和高度重要区域中心始终位于沁水煤田，极重要区域中心向西迁移12 km，高度重要中心向西南方位偏移21 km；比较重要区域中心由霍西煤田向霍西煤田以外的西北方位偏移，偏移距离为24 km；一般重要区域中心由河东煤田和西山煤田周边向东北迁移100 km到宁武煤田。生态系统服务各重要性级别区域分布方向从2000年—2018年基本呈现东北—西南走向，仅比较重要区域分布方向由2000年东北—西南方向到2018年转变为东南—西北方向。从生态系统服务重要性分布离散程度来看，各个重要性级别区域分布集中，限于一个煤田或跨两个煤田，而一般重要区域分布较为离散，基本各个煤田均有分布。随着时间迁移，各重要性等级区域分布逐渐趋于集中状态（图6）。

图6 各重要性级别区域的地理中心及方向分布的时空变化Fig.6 Distribution of geographical center and direction of each importance level area shows temporal and spatial changes

3.3 生态系统服务重要性区域形成的内在机理

基于生态系统综合服务重要性区域计算煤矿区土地利用类型面积所占比，可看出研究区生态系统服务重要区域草地和林地面积占比较高，且随着重要性等级提高草地和林地面积比例持续上升，而未利用地面积持续下降。一般重要区域主要土地利用方式为人类活动较多的耕地和城乡、工矿、居民用地；水域面积在研究区占比较小，与生态系统服务重要性的潜在机理仍待进一步探讨（图7）。

图7 生态系统服务不同重要性等级区域土地利用面积占比Fig.7 Proportion of land use area in different importance levels of ecosystem service

通过对生态系统综合服务主要影响因子的分析，从图8可以看出，对煤矿区重要区域的影响因子分别为多年平均降水因子（Fpre）和多年平均气温因子（Ftem），而在一般重要区域较为突出的影响因子除前述因子之外，还有土壤渗流因子（Fsic）。

图8 生态系统服务不同重要性等级空间分布影响因子Fig.8 Influencing factors of spatial distribution of ecosystem services in different importance levels

4 讨论

煤矿区作为山西生态恢复的重点推进区域，从其生态系统服务重要性评价结果来看，生态系统服务重要区域水热条件较好且植被覆盖度较高，应在保护原有植被的基础上，继续提高植物覆盖率，同时调整区域内用地结构[23]；而生态系统服务一般重要区域自然生态本底脆弱，应引导适度开发和利用资源，提高土地利用效率，协调产业布局，加强生态环境保护和植被恢复工作。整体上煤矿区提供生态系统服务水平并不高，水源涵养、水土保持和生物多样性维护服务均以比较重要区域居多，大部分区域防风固沙服务一般，林地和草地对生态系统服务正向作用明显。研究表明植被对于土壤风蚀具有抑制作用，且随植被恢复区域防风固沙能力近几年有所提高[24]。2000—2018年煤矿区生态系统服务重要性区域增加且逐渐由沁水煤田向北部和西部扩散，得益于区域生态恢复与保护工作的全面落实[25]。煤矿区生态系统服务重要区域形成的主要影响因子为降水和气温，有学者表明生态系统服务对于降水和气温的年际变化是最为敏感的，且土地利用对生态系统服务的影响需要在十年乃至更长时间尺度才能显现[24]，这将是今后的研究重点。

为提高煤矿区生态系统服务功能评价结果的客观性以及与区域的相符性，在对重要性区域的级别划定时，选择自然断点法[26]。由于研究选取的是典型生态环境脆弱区域，考虑到区域尺度及不连贯性且受限于复杂的生态环境，对生态系统服务重要性评估存在一定影响。其次NPP定量评估法作为生态红线划定的主要方法[25]，能够一定程度反映区域生态系统服务空间差异，但不能与实际完全吻合。此外，在研究过程中，该评价体系指标选取涵盖面有限，参数有待进一步校验，且未考虑社会和政策对生态系统服务的影响。本文的研究方法区别于模型评估法，具有地域适宜性，不能提供空间量化的结果，主要通过甄别研究区主要生态功能，在此基础上得到具有可信度的生态系统服务重要性评估结果[27]。因此，在今后的研究中，将进一步多方面探索研究区生态系统服务重要性区域大尺度宏观的时空变化规律，结合模型评估法和实地观测对研究结果予以校验，更科学地为研究区生态保护红线划定和国土空间规划、环境和管理规划实践等提供客观合理的决策依据[28]，以提高人类福祉。

5 结论

本研究选取山西省煤矿区为研究对象，基于GIS工具以栅格单元进行空间分析，运用NPP定量指标法构建评估体系，从时空尺度揭示研究区生态系统服务的重要性，结果表明：

（1）煤矿区生态系统服务功能重要区域占研究区的20.1%，面积为10 813.8 km2，其中水源涵养、水土保持和生物多样性功能重要性相对较高，重要性区域主要分布在沁水煤田和霍西煤田。

（2）2000年—2018年煤矿区生态系统服务重要性大部分区域有所提高。生态系统服务一般重要区域逐渐减少，极重要和高度重要区域始终主要分布于沁水煤田和霍西煤田，极重要区域中心向西迁移12 km，高度重要区域中心向西南方位迁移21 km。

（3）煤矿区生态系统服务功能极重要和高度重要区域主要土地利用类型包括草地、林地和未利用地，随着重要性等级的提升，草地和林地占煤矿区面积相应增加。影响生态系统服务重要性分布的主要因子为降水和气温。