城中采煤塌陷地土地利用和生态系统服务价值演变研究

王志亮 李传夏 尹亚军 郑国栋 张慧敏 薄怀志 卢国宏 刘康

收稿日期：20231121；修订日期：20240102；编辑：曹丽丽

基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程），矿区土壤生态修复与大宗固废高值利用关键技术及工程示范（项目编码：2020CXGC011403）和2023年济宁市重点研发计划，采煤塌陷地生态修复关键技术集成与示范（项目编码：2023HHCG003）

作者简介：王志亮（1983—），男，山东临朐人，高级工程师，主要从事矿产勘查、矿山生态修复工作；Email：wazl4585@163.com

*通讯作者：刘康（1989—），男，山东兖州人，工程师，主要从事地质灾害方面工作；Email：314965394@qq.com

摘要：城中采煤塌陷地严重限制了城市发展，影响了生态系统服务的供给。因此，城中采煤塌陷地的生态修复与开发利用更为迫切和重要。本文利用2000—2021年遥感影像数据，采用土地利用变化分析和生态系统服务价值当量模型研究了太白湖新区采煤塌陷地土地利用和生态系统服务价值时空演变，探讨了主要驱动因素。结果表明：采煤塌陷地土地利用以耕地和水域占优，其次是建设用地，林地和草地再次之；各地类间的转移以耕地向水域转出为主，其次是耕地向建设用地的转移。生态系统服务总价值（ESV）呈长期显著增加后小幅回落；水域生态系统服务价值大幅增加，耕地价值显著减少，林地和草地价值较小；水文调节、废物处理、气候调节3项服务功能价值量相对较大；ESV高值区由西南向东南、中部、北部不断扩张，随后向中部聚集。土地利用和ESV变化主要是由城镇化建设、采煤塌陷、采煤塌陷地修复治理和政策驱动共同驱动造成的。

关键词：采煤塌陷地;土地利用;生态系统服务价值;驱动分析;太白湖新区;山东济宁

中图分类号：P96;X37    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.008

引文格式：王志亮，李传夏，尹亚军，等.城中采煤塌陷地土地利用和生态系统服务价值演变研究——以山东济宁太白湖新区为例［J］.山东国土资源，2024，40（6）：5767.WANG Zhiliang， LI Chuanxia， YIN Yajun， et al. Study on the Change of Land Use and Ecosystem Service Value in Coal Mining Subsidence Area in the City——Taking Taibaihu New District in Ji'ning City as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：5767.

0  引言

我国东部平原地区分布有多座煤炭资源型城市，如唐山、济宁、枣庄、徐州、淮北、淮南等［15］。煤炭开采为区域经济社会发展作出了巨大贡献，但随之而来的采煤塌陷造成大面积地表塌陷、积水，显著改变了土地利用结构［67］、景观格局［810］和生态功能［1115］，进而影响生态系统服务的供给。此外，随着城市的快速扩张，煤炭开采区域由原来的远郊转变为城郊、城中［5］，形成采煤塌陷地“环城”的窘境，在影响土地利用结构、景观格局和生态功能的同时，严重限制了城市发展［16］。因此，城中采煤塌陷地的生态修复与开发利用更为迫切和重要。太白湖新区作为未来济宁城市的主中心，煤炭资源丰富，煤炭开采形成了大面积采煤塌陷地，生态保护压力和生态产品供给需求巨大。本文以济宁市太白湖新区采煤塌陷地为研究对象，利用2000—2021年高分辨率遥感影像数据，借助生态修复服务价值（ESV）当量模型，量化土地利用和ESV时空变化，探讨土地利用和ESV的驱动机制，为城市发展和生态保护修复提供参考。

1  研究区概况

太白湖新区位于山东省济宁市主城区南部（图1），是未来济宁城市的主中心。南接南四湖，北靠老城区，河网密布，地势平坦，交通便利，自然环境优越，生态禀赋独特，建有国家4A级旅游景区太白湖生态景区。共辖1个街道办事处（许庄街道）和1个镇（石桥镇），面积约133km2，人口12万人。

太白湖新区煤炭资源储量丰富，煤炭资源分布面积约占全区国土面积的70%。区内采煤塌陷地主要由2处矿井的煤炭开采所致，为兖矿能源集团股份有限公司所属的济宁二号煤矿（以下简称济二煤矿）和济宁三号煤矿（以下简称济三煤矿），矿区面积分别为87.11km2、105.05km2，主采3上、3下两层煤，平均厚度超过6m，合计生产能力超1000万t/a。

为实现土地利用和生态系统服务价值数据的空间范围一致和时序演化对比，本文以2021年济宁太白湖新区采煤塌陷地为研究对象，面积3833.16hm2，全部位于石桥镇，占全区国土面积的28.82%。

2  数据来源与方法

2.1  数据来源及预处理

为分析煤炭开采以来土地利用和生态系统服务价值的变化，根据研究区煤矿投产时间，选取2000年、2004年、2009年、2013年Landsat5TM和2016年、2018年、2021年Landsat8 OLI遥感影像数据作为土地利用类型数据源。根据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），结合研究区土地利用特点，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域和建设用地5类。在ENVI软件支持下，对遥感数据进行辐射定标、大气校正、图像增强、裁剪等预处理后，采用支持向量机监督分类解译得到初始分类结果，随后结合土地变更调查和野外调查数据，对初始分类结果进行修正，得到研究区的7期土地利用数据。生态系统服务价值计算所需的经济社会数据主要来源于山东省统计年鉴、济宁市统计年鉴、国家统计局国家数据网站及当地有关部门。

2.2  土地利用变化分析

土地利用变化分析主要采用土地利用动态度和土地利用转移矩阵来刻画。

土地利用动态度是定量刻画区域土地利用变化速度和剧烈程度的重要参数［17］，包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。

（1）单一土地利用动态度（K）。

单一土地利用动态度是指一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，计算公式为式（1）［18］：

K=Ub-UaUa×T×100%（1）

式中：K为单一土地利用动态度；Ua、Ub分别为研究时段初期和研究时段末期某种土地利用类型的面积（hm2）；T为研究时段长度（a）。

（2）综合土地利用动态度（LC）。

综合土地利用动态度指一定时间范围内全部土地利用类型的综合变化率［19］，计算公式为式（2）：

LC=∑ni=1△LUi-j2LU×T×100%（2）

式中：LC为综合土地利用动态度；LU为研究区总面积（hm2）；△LUi-j表示研究时段内第i类土地利用类型转为j（i≠j）类土地利用类型面积的绝对值（hm2）；T为研究时段长度（a）。

2.3  ESV当量模型修正

谢高地等［20］把中国生态系统服务类型划分为4种一级类型和11种二级类型，得到普遍认可和广泛采用。本文以谢高地的中国生态系统单位面积生态服务价值体系为基础，结合太白湖新区土地利用实际和生态系统现状进行适当修正，将耕地对应农田生态系统，林地对应森林生态系统，草地对应草地生态系统，水域采用水域和河流/湖泊生态系统的平均值，建设用地的ESV指标为0［21］，因此本次不讨论建设用地的ESV。根据谢高地等［22］提出的区域修正系数表可以得到，山东省农田生态系统的生物量因子为1.38，同时太白湖新区平均粮食产量是山东省平均粮食产量的1.18倍，因此太白湖新区农田生态系统服务价值系数是全国水平的1.63倍。根据山东省统计年鉴数据，2000—2021年山东省平均粮食产量为5967.27kg/hm2，为消除物价等市场因素影响，以2021年山东省平均粮食价格为准，计算得出太白湖新区采煤塌陷地生态系统服务价值单位当量因子的价值量为2635.49元/hm2，由此得到太白湖新区生态系统单位面积服务价值系数（VC）（表1）。

采用Costanza［23］的ESV估算模型计算各种生态服务功能的价值，计算公式为式（3）、式（4）：

ESV=∑ni=1（Ak×VCk）（3）

ESVf=∑ni=1（Ak×VCfk）（4）

式中：ESV、ESVf为生态系统服务总价值、第f项服务功能类型的价值（万元）；Ak为土地利用类型k的面积（hm2）；VCk、VCfk为土地利用类型k的生态系统服务价值系数和第f项服务功能类型价值系数（元/hm2）。

2.4  驱动分析

研究表明，自然干扰和人类活动会影响物种的正常生长和演替，从而改变系统的物种组成和结构［24］。为了进一步探讨ESV变化的驱动机制，本文采用皮尔逊（Pearson）相关分析，从城镇化建设、采煤塌陷、采煤塌陷修复治理、政策驱动和自然因素5个方面分析ESV变化的主要驱动因素。Pearson相关系数r计算公式见文献［25］。利用Origin软件对驱动因子和各土地利用类型面积、ESV进行Pearson相关分析计算，得出显著性小于0.05的Pearson相关系数r。

相关系数r的绝对值越接近1，表明自变量和因变量之间的线性相关关系越强。当|r|≥0.8时，为高度相关；当0.5≤|r|＜0.8时，为中度相关；当0.3≤|r|＜0.5时，为低度相关；当|r|＜0.3时，自变量和因变量之间相关性极弱，为非线性相关。

3  结果与分析

3.1  土地利用变化

2000—2021年太白湖新区采煤塌陷地土地利用分布情况如图2、表2所示。

总体来看，2000—2021年太白湖新区采煤塌陷地耕地和水域面积占优，耕地呈减少—增加—减少的趋势，水域呈增加—减少—增加的趋势，林地、草地和建设用地面积比例相对较小，林地呈波动增长趋势，建设用地和草地变化波动较大。2021年，耕地面积比重最大（56.41%），水域（31.72%）略小于耕地，建设用地再次之（6.77%），林地和草地面积比重均不足5%。

2000—2021年太白湖新区采煤塌陷地土地利用变化动态特征如表3、图3所示。从单一景观动态度来看，2000—2021年间，耕地面积除在2013—2016年间均呈下降趋势，其中在2000—2004年间下降速率最快，其动态度为4.27%，水域除2013—2016年均呈上升趋势，其中在2000—2004年间增长速率最快，其动态度为43.50%，建设用地除2013—2016年和2018—2021年均呈上升趋势，其中在2016—2018年间增长速率最快，其动态度为50.99%；从综合动态度来看，在2000—2004年、2004—2009年、2009—2013年、2013—2016年、2016—2018年、2018—2021年的综合景观动态度分别为3.36%、2.76%、3.56%、6.14%、6.74%和3.69%，研究区土地利用动态度在2004—2009年减缓，受人为干扰较小，在2016—2018年最快，受人为干扰影响较大。

3.1.1  耕地

耕地在2000—2021年期间一直占主导地位，面积比例始终高于50%，是构成采煤塌陷地的土地利用基质类型。除2013—2016年耕地面积增加，在2000—2013年、2016—2021年期间耕地均呈现逐年减少趋势。2013—2016年，耕地面积大幅增加459.66hm2，动态度为7.40%，面积比例从54.02%变为66.03%，2000—2013年面积及其比例分别减少1222.42hm2、19.91%，2016—2021年间耕地面积进一步减少，2021年较2016年减少368.18hm2，面积比例减少9.62%。

研究初期区内耕地广布，随着采煤塌陷由东南向中部、北部逐步扩张，至2021年研究区耕地主要分布于西部和北部，相对规整。耕地向水域转出量最大，建设用地次之。

3.1.2  林地和草地

林地面积比重较小，呈波动增加趋势。2000年仅有31.68hm2，比重0.83%，2004年面积减少至17.50hm2，比重为0.46%，2013—2016年波动增至最大93.53hm2、比重2.44%，动态度为13.30%；2016—2021年减少至63.69hm2、比重1.66%，动态度为7.81%。

草地面积比重较小，呈波动变化趋势。2000—2009年波动较大，面积增加至106.67hm2、比重2.79%，动态度为1.18%；2009—2018年锐减至最低46.76hm2、比重1.22%，动态度为6.24%，2018—2021年波动增至最大131.54hm2、比重3.42%，动态度为45.33%。

林地和草地呈伴存出现，分布相对零散，2021年主要分布于西北部。林地和草地与耕地和水域转入转出频繁。

3.1.3  水域

水域除2013—2016年面积减少，在2000—2013年，2016—2021年期间均呈现逐年面积增加趋势。水域在2000年时面积仅为343.19hm2、比重8.96%；2000—2004年大幅增加至940.38hm2、24.55%，动态度达43.50%；2004—2013年，水域面积增速减缓，至2013年面积达到最大1405.66hm2、比重36.70%，动态度为5.50%；2016—2021年，水域面积逐年增加，至2021年面积为1214.89hm2、比重31.72%，动态度为4.38%。2000—2021年，水域始终是区内面积第二的土地利用类型。

2000年水域主要是区内西南的南四湖自然水域，由于潜水位埋深浅，采煤塌陷形成大面积积水区，使水域面积迅速扩张，至2021年水域广泛分布于全区，集中于中部。水域主要是受采煤塌陷影响，由耕地和建设用地转变而来。

3.1.4  建设用地

2000—2013年建设用地面积增加显著，2000年仅为67.19hm2、占比1.75%，2013年增至235.42hm2、占比6.15%，动态度为23.81%。2018年建设用地面积最大330.79hm2、占比8.64%。建设用地与耕地、水域转移较频繁，建设用地的增加主要由耕地转入而来。

3.2  生态系统服务价值时空变化

利用太白湖新区生态系统单位面积服务价值系数（表1）和2000—2021年土地利用数据，得到相应年份的ESV，统计结果见表4、图4。

3.2.1  不同生态系统类型价值变化

如表4所示，总体来看，2000—2018年太白湖新区采煤塌陷地生态系统服务总价值显著增加，从2000年的19 403.75万元增长至2018年的45461.85万元，2018—2021年出现小幅回落，年均增长率整体下降明显。由于2000—2021年区内除建设用地外，耕地和水域面积比重超过75%，而林地和草地虽然VC相对较高，但其面积规模有限（不足5%），导致ESV主要取决于耕地和水域。进一步来看，水域的VC是耕地的近7倍，这就使得研究区ESV表现出水域面积基本一致的变化规律。

从各生态系统类型的价值构成来看，2000—2021年，水域是生态系统服务价值的最大贡献者，耕地次之，林地和草地明显小。从各生态系统类型的价值变化来看，水域生态系统服务价值的变化规律与总价值的变化规律一致，呈长期增加后小幅回落，由2000年的7523.10万元增至2021年的33644.78万元，增加近3.5倍，占总价值比重由38.06%增至82.92%；耕地变化规律则相反，2000—2018年显著减少，由2000年的11131.37万元减至2018年的4145.09万元，减少近2/3，比重由56.31%缩水至9.18%，2018—2021年，价值和比重开始回升，2021年分别为5612.76万元、13.83%；林地和草地呈现多次波动变化，林地由2000年的570.05万元增至2016年最大3237.53万元，随后2021年减少为1225.91万元，比重3.02%；草地由2000年的543.19万元增至2018年最大1995.23万元，随后2021年降为92.50万元，比重仅0.23%。

3.2.2  不同服务功能类型价值变化

如图4所示，从各项生态系统服务功能价值构成来看，2000—2021年，水文调节、废物处理、气候调节3项服务功能价值占总价值的比重一直较大，为53.66%～70.46%，其中水文调节和废物处理产生的价值大致相当，气候调节次之，2021年三者比重分别为28.49%、26.87%、15.09%；维持生物多样性和供美学基本相当，约占8.00%左右，保持土壤略大于5.00%，气体调节、原材料生产、食物生产近年来均不足5%。

3.2.3  生态系统服务价值空间变化

采用渔网法对太白湖新区采煤塌陷地生态系统服务价值空间分布进行分析，考虑到研究区范围，采用250m×250m网格以探究生态系统服务价值空间分布及演变，结果见图5。

在ArcGIS软件中采用自然断点法将ESV划分为5个等级，分别代表ESV从低到高（极低、低、中等、高、极高）。总体来看，2000—2021年，太白湖新区采煤塌陷地ESV高值区由西南向东南、中部、北部不断扩张。其中，2000年，ESV主要为低值，边缘部分为极低，仅西南部为中等—极高值；2004年，高和极高ESV分布区向东南部扩展，北部和中部以低值为主；2009年，ESV高值分布区继续向中部扩张；2013年，ESV高值区中心和南部相连；2016年，整个区域以高的ESV为主；2018年，高ESV区域向中部汇集，外围极高值向高值和中等转化；2021年，高ESV区域继续向中部汇集，外围ESV略有下降。

4  驱动分析

4.1  城镇化建设

我国东部煤炭资源型城市，自2000年以来城镇化快速发展，建设用地规模持续扩张，城镇周边大量土地被侵占。济宁市城镇化率由2000年的23.79%增至2021年61.19%，城市建成区面积由30km2扩张到248.94km2。21年间太白湖新区采煤塌陷地内建设用地增加近10倍，但其规模整体不大，一定程度上压缩了ESV的产生空间。通过相关分析（表5）发现，城镇化率与耕地、水域、建设用地、ESV之间呈现显著的相关关系，表明城镇化建设是区内土地利用和ESV变化的重要驱动因素。

4.2  采煤塌陷

济二煤矿和济三煤矿煤炭产量超过1000万t/a，高强度的煤炭资源开采不可避免地形成大量采煤塌陷地，由于本区域地下潜水位埋深浅、煤层厚度大、煤粮复合度高，采煤塌陷致使大面积耕地形成积水区域，造成研究期内土地利用呈现耕地减少和水域扩大的显著变化特征。水域不断扩大挤占了城市发展，尤其是建设用地发展的空间。由表5可知，采煤塌陷地面积与耕地、水域、建设用地、ESV呈现显著的相关关系，表明采煤塌陷是区内土地利用和ESV变化的重要驱动因素。

4.3  采煤塌陷地修复治理

由于区内土地利用率高、土源匮乏，使得采煤塌陷地很大比例难以恢复耕地。2000—2018年，当地政府和煤炭企业实施了一系列土地复垦工程，虽然未能改变区内耕地不断减少的趋势，但有效降低了耕地减少的速率。近年来，当地政府不断探索采煤塌陷地修复治理新技术，实施了多项动态治理和超前治理项目，最大限度恢复耕地，使得2018—2021年区内耕地“扭亏为盈”，实现大幅增长，水域开始减少。由表5可知，采煤塌陷地修复治理面积与耕地、林地、水域、建设用地、ESV呈现显著的相关关系，表明采煤塌陷地修复治理是区内土地利用和ESV变化的重要驱动因素。

4.4  政策驱动

相关研究表明，政策是土地利用变化的主要驱动力甚至决定因素［26］，进而影响ESV。研究期早期，政府引导和约束相对缺乏，采煤塌陷地土地复垦多是群众自发性的，规模小、效果差。2008年太白湖新区成立，2009年获批成为城市发展的主中心，2014年石桥镇划归太白湖新区，区内生态文明建设不断深化。2015年，山东省人民政府出台《山东省采煤塌陷地综合治理工作方案》，强化全省采煤塌陷地治理。近年来，我国不断加大耕地保护和生态修复力度，当地政府在采煤塌陷地修复治理工作中也更加注重耕地保护和生态修复，一方面实施了动态治理和超前治理项目，开展了退林还耕、退湿还耕，最大限度保护和恢复耕地；另一方面实施了一批生态修复治理工程，在采煤塌陷积水区营造了结构协调、功能完善、具有良好自我维持功能的采煤塌陷型新生水域生态系统，使原本较单一的农田生态系统转变成以农田和水域为主的多生态系统协调的生态格局，对太白湖新区生态城市建设和毗邻的南四湖自然保护区生态保护起到了良好的推动作用。可见，政策驱动是土地利用和ESV变化的主要驱动因素之一。

4.5  自然因素

研究结果表明，温度和降水作为最直接的自然因素，将不可避免地影响生态系统的自然演替，并且存在一定的累积和滞后效应［26］。近20年来，太白湖新区年均降水量波动频繁，但多年平均降水较稳定，年均气温呈上升趋势，因此，气候呈现出变暖和干燥的趋势，这种变化不利于植被的自然演替和发展。然而，由于地下水位较稳定，年均降水量、年均气温和土地利用、ESV之间的相关性不显著。因此，认为自然因素对ESV变化的驱动作用并不显著。

综上所述，城镇化建设使太白湖新区采煤塌陷地建设用地不断扩张，压缩了ESV的产生空间，采煤塌陷造成耕地持续减少、水域大幅扩大，采煤塌陷地修复治理和政策驱动有力保护和恢复了耕地，使耕地实现“扭亏为盈”，保护了水域生态系统，形成了以农田和水域为主的多生态系统协调的生态格局。土地利用变化是生态系统服务价值变化的直接原因［21］，因此，研究区土地利用和ESV变化主要是由城镇化建设、采煤塌陷、采煤塌陷地修复治理和政策驱动共同驱动造成的。

5  结论

（1）2000—2021年太白湖新区采煤塌陷地土地利用结构中耕地和水域占优，其次是建设用地，林地和草地再次之。主要变化趋势为耕地呈减少趋势，湿地呈增长趋势，林地和建设用地呈显著增长趋势，草地波动减少。各地类间的转移以耕地向水域转出为主，其次是耕地向建设用地的转移。

（2）2000—2021年太白湖新区采煤塌陷地ESV呈长期显著增加后小幅回落。水域生态系统服务价值大幅增加，成为总价值的最大贡献者；耕地价值显著减少，是总价值的第二大贡献者，林地和草地价值较小。对于各项生态系统服务功能价值来说，提供美学景观、废物处理、气候调节价值及其占总价值比重均呈增加趋势，气体调节价值增加但其比重下降，食物生产、保持土壤、原材料生产价值及比重均减小。从空间演变来看，ESV高值区由西南向东南、中部、北部不断扩张，随后向中部聚集。

（3）土地利用和ESV变化主要是由城镇化建设、采煤塌陷、采煤塌陷地修复治理和政策驱动共同驱动造成的。

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Study on the Change of Land Use and Ecosystem Service Value in Coal Mining Subsidence Area in the City——Taking Taibaihu New District in Ji'ning City as an Example

WANG Zhiliang， LI Chuanxia，YIN Yajun， ZHENG Guodong， ZHANG Huimin， BO Huaizhi， LU Guohong， LIU Kang

（Lunan Geo-engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources）， Technology Innovation Center of Restoration and Reclamation in Mining Induced Subsidence Area of the Ministry of Natural Resources， Engineering Technology Research Center for Comprehensive Treatment of Coal Mining Subsidence of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'ning 272100， China）

Abstract： Coal mining subsidence in the city has severely restricted urban development and affected the supply of ecosystem services. Therefore， the ecological restoration and utilization of coal mining subsidence areas in the city are more urgent and important. Based on remote sensing image data from 2000 to 2021， land use change analysis， landscape pattern index and ESV equivalent model are used to analyze the spatiotemporal evolution of land use， landscape pattern and ecosystem service value in coal mining subsidence area of Taibaihu new district in the past 21 years. It is showed that the cultivated land and water area are dominant in land use structures， followed by construction land， forest land and grassland. The transfer of cultivated land to water area is the main form， followed by the transfer of cultivated land to construction land. The ESV has increased significantly for a long time and then decreased slightly. The ESV of water has increased significantly， the ESV of cultivated land has decreased significantly， and the ESV of forest land and grassland is small. The value and its proportion in ESV of aesthetic landscape， waste treatment， climate regulation are both increasing， the value of gas regulation is increasing but its proportion in ESV is decreasing， and the value and its proportion in ESV of food production， soil conservation， raw material production are both decreasing. The high value area of ESV continues to expand from southwest to southeast， central， and northern regions， and then accumulates towards the central region. The change of land use and ESV is mainly driven by urbanization construction， coal mining subsidence， coal mining subsidence remediation and policy.

Key words：Coal mining subsidence; land use; ecosystem service value（ESV）；driving analysis；Taibai Lake New District；Shandong Ji'ning