李保杰,顧和和,紀亞洲,陳軍

（1.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室,江蘇徐州221116;2.徐州師范大學城市與環(huán)境學院,江蘇徐州 221116）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命的支持產品和服務[1]。生態(tài)系統(tǒng)的開放性使得生態(tài)系統(tǒng)服務(特別是其生態(tài)效益)具有無償性和外部性,成為最廉價、最持久的服務提供系統(tǒng)[2]。由于長期以來人類在經濟活動決策過程中對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的忽略。導致自然資源的過度消耗和生態(tài)系統(tǒng)的破壞[3]。直到近年來,隨著全球氣候變暖、土地荒漠化、生物多樣性銳減等全球性生態(tài)環(huán)境問題的加劇,對于生態(tài)系統(tǒng)的服務功能研究越來越受到重視。如:1997年Daily等[4]首次較全面、系統(tǒng)、深入地研究了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的各個方面,引起了廣泛關注。同年Costanza[1]以貨幣形式對全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值進行了評估,使得生態(tài)價值評估進入一個新階段,分析與評價生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值已成為當前生態(tài)學研究的前沿課題。20世紀90年代末以來,國外有關生態(tài)系統(tǒng)服務的概念、生態(tài)效益的價值理論及評估方法等開始引入國內[5]。國內也開始從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值、單個生態(tài)系統(tǒng)服務價值和生態(tài)系統(tǒng)單項服務價值3個層面開展研究[6]。但目前,對生態(tài)服務價值的研究區(qū)由大區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化轉變?yōu)閷ι鷳B(tài)敏感區(qū)的生態(tài)服務價值變化的研究,如:張華等人利用解譯的遙感圖像對遼寧省濱海濕地的生態(tài)服務價值進行研究[7],尹劍慧等人對草原生態(tài)服務價值核算體系的構建進行了研究[8],陳源泉等人對中國糧食主產區(qū)農田生態(tài)服務價值進行了評價[9]等。對生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的定量評估已成為可持續(xù)發(fā)展研究的焦點,是當前生態(tài)學、資源經濟學、環(huán)境經濟學以及生態(tài)經濟學的交叉前沿領域。

礦區(qū)是以礦產資源為對象的采掘工業(yè)及相關的社會生產發(fā)展到一定規(guī)模后,由于人口集聚而形成的特殊地域,在資源型城市中占有突出的位置[10]。礦產資源的開發(fā)對土地利用以及由此導致的土地覆蓋的變化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)必然影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能,這種變化過程對維持生態(tài)系統(tǒng)服務功能起著決定性的作用,同時LUCC驅動下的ESV(生態(tài)服務價值,Ecosystem Services Values)變化,也是LUCC環(huán)境效應的一個重要量化指標。因此,研究礦區(qū)LUCC背景下的礦區(qū)ESV變化具有重要意義。通過分析該礦區(qū)20 a來生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化過程,探求其變化的特點及存在的問題,為礦區(qū)復墾以及生態(tài)恢復提供有力的依據。

徐州是江蘇省唯一的能源基地,是華東地區(qū)重要的煤炭生產供應基地,2006年原煤產量2 827 146萬t,占江蘇省的93%,是我國12個年產量超過1 000萬t的煤炭產地之一,有百余年的煤炭開采史。隨著煤炭開采規(guī)模的擴大,生態(tài)環(huán)境破壞日益加劇,如地表植被破壞,土地沙化,礦區(qū)塌陷,地表地下水遭到污染等生態(tài)問題,這些變化必將對徐州市生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅。因此采用定量的方法研究徐州礦區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值損益影響的研究,為該區(qū)土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護與建設提供決策支持[2]。

1 研究區(qū)概況

徐州市九里礦區(qū)位于徐州市西北部,北緯34°15′,東經 117°00′,大部分區(qū)域為黃淮海沖積平原,地勢較為平坦,年平均氣溫為14.2℃,年平均降水量為834.7 mm。土壤類型為黃潮土,土層較深厚,肥力中等。該區(qū)交通繁忙,煤炭資源豐富,重工業(yè)發(fā)達,是我國煤炭、電力工業(yè)的重要基地之一,這些條件為徐州的經濟快速發(fā)展提供便利的同時也可能給該區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來一定的破壞。因此研究九里區(qū)礦區(qū)生態(tài)服務價值的變化具有十分重要的現實意義,利用九里礦區(qū)1987-2008年的3期Landsat TM/ETM影像解譯數據,而后采用Costanza的生態(tài)服務價值公式,計算該礦區(qū)不同土地類型的ESV在1987-2008年間的變化。

2 數據來源及研究方法

2.1 土地利用數據的來源

土地利用變化數據以1987年、2001年和2008年的3期遙感影像和2007年徐州市九里區(qū)的1∶5 000的航片作為土地利用變化信息提取的數據源。首先,利用1∶1萬的礦區(qū)地形圖在ERDAS 9.0環(huán)境下對3期遙感影像進行精確配準,然后利用徐州市行政區(qū)劃矢量圖轉化成AOI對九里礦區(qū)進行裁剪,目視解譯前,先采用監(jiān)督分類中的最小距離分類法對遙感影像進行預分類,結合實地調查,確定影像訓練區(qū)。為了提高分類精度,采用光譜信息與紋理信息相結合的方法,在進行多種分類方法比較后,以分類精度較高的最大似然分類法進行分類,三期影像分類結果的Kappa系數為0.914 6～0.926 5,精度滿足分析的要求。參考2008年土地利用詳查圖、地形圖和土壤圖,參照全國土地分類(過渡期間適用),將徐州九里礦區(qū)的土地利用類型分為耕地、園/林/草地、城鎮(zhèn)/工礦用地、交通用地和水體5類,其中水體包括河流,湖泊和采煤塌陷地。

2.2 土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法

1997年,美國學者Costanza等在Nature上發(fā)表了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值和自然資源”一文,對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行了定量估算,隨后Daily[11]、歐陽志云[12-13]等人的研究使生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的原理和方法得以明確,將生態(tài)系統(tǒng)服務研究推向生態(tài)經濟學的前沿[14]。我國學者謝高地等人借鑒Constanza等的研究成果,在對我國200位生態(tài)學者進行問卷調查的基礎上,制定出中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值表[15],用于我國區(qū)域生態(tài)資產價值的評估。謝高地等人確定的生態(tài)服務價值系數是針對全國平均狀況,而生態(tài)系統(tǒng)的服務價值隨其所處區(qū)域的不同而有所差異,全球或全國尺度的通用系數應用到區(qū)域尺度時需要進行修正[16]。鑒于上述原因,國內學者根據研究地區(qū)的實際情況,參考Costanza等的估價方法,在概括、綜合的基礎上,探討適合于我國的各類生態(tài)系統(tǒng)服務單價,并對一定時間跨度下不同尺度的自然生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行估算和變化評估(表1),依據Costanza等對生態(tài)系統(tǒng)服務類型的劃分,本文將生態(tài)服務分為大氣調節(jié)、氣候調節(jié)、擾動調節(jié)、水分調節(jié)、水供應、侵蝕控制、土壤形成與保護、營養(yǎng)物循環(huán)、廢物處理、傳粉、生物控制、食物生產、原材料供應、基因資源、娛樂和文化共16項。結合研究區(qū)實際情況,在借鑒謝高地[8]等人的研究成果基礎上,對耕地、林地、水體等部分生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數進行修正,制定了適用于估算九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的價值系數,見表2。

表1 我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值估價方法對比

表2 徐州市九里礦區(qū)土地利用類型單位面積生態(tài)價值 元/(hm2?a)

考慮到九里礦區(qū)的林地主要集中在九里山區(qū)(主要樹種為側柏),其次是行政村周圍的小片林地(主要樹種為楊樹、刺槐等),根據謝高地等[3]人的研究將森林生態(tài)服務價值的平均值作為該區(qū)林地生態(tài)服務價值系數;該區(qū)的耕地主要以單季稻田和旱田為主,旱田主要以玉米、大豆和花生為主,結合旱田和水田的種植面積的比重和謝高地等人制定的生態(tài)價值服務表進行加權計算取83 013元/(hm2?a)?？紤]到城鎮(zhèn)及工礦用地在水分供應和廢物處理方面對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響,并在生態(tài)學者及相關研究者進行問卷調查的基礎上得出其生態(tài)服務價值為-5 372.1元/(hm2?a);其中水體包括湖泊、河流以及塌陷地中的水體等,其生態(tài)服務價值為7 021 862元/(hm2?a)。

生態(tài)服務價值的計算采用徐州九里礦區(qū)生態(tài)服務價值表,套用Costanza的ESV計算公式來計算。具體計算公式為

式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務價值;Ak——研究區(qū)k類土地利用類型的面積;VCk——生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值系數,即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務價值[元/(hm2?a)]。

本文用敏感性指數(Coefficient of Sensitivity,CS)來確定ESV對(Value Coefficient)VC變化的依賴程度。CS的含義是指VC變動1%引起ESV的變化情況,如果CS＞1,說明ESV對VC是富有彈性的;如果CS＜1,則說明ESV對VC是缺乏彈性的,比值越大,表明VC的準確性越關鍵。本文通過分別調整50%的VC來計算CS,從而來說明ESV對VC的敏感程度。敏感性指數(CS)計算公式如下:

式中:ESV,VC,k的含義同前;i,j——初始價值和生態(tài)價值系數調整以后的價值。

3 結果分析

3.1 研究區(qū)土地利用變化分析

根據徐州市九里礦區(qū)土地利用變化表可見,在1987-2008年間該區(qū)土地利用變化明顯。為了分析該區(qū)土地利用動態(tài)變化的程度,引入了單一土地利用類型動態(tài)度來表達,其表達式為

式中:K——研究時段內某一土地利用類型動態(tài)度;Ua——研究期初某一種土地利用類型的數量;Ub——研究期末某一種土地利用類型的數量;T——研究時段。當T的時段設定為年時,K值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率,結果見表3。由表3可見,該區(qū)的主要土地利用類型為耕地和城鎮(zhèn)及工礦用地,其次是林地和水體,在1987-2001年和2001-2008年這兩個時段內,水體和交通用地均呈增加趨勢,林地則呈現減少的趨勢。耕地呈現出先減少而后增加的變化,而城鎮(zhèn)及工礦用地呈現出先增加而后減少的變化情況。從年均變化率上來看,水體的年均變化率最大,其次是交通用地和城鎮(zhèn)及工礦用地,其年均變化率分別是21.42%,6.37%和2.47%。

表3 1987-2008年徐州市土地利用結構變化

3.2 土地利用變化的生態(tài)服務價值損益分析

對九里礦區(qū)1987-2008年土地利用變化導致的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化進行的計算表明(表4),近20 a間九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的總價值從125 334.8萬元增加到559 531.2萬元,增加了346.43%。1987-2001年和2001-2008年兩個時間段的生態(tài)服務價值總量的變化分別為55 995.69萬元和396 956.2萬元,年均變化量分別為37 414.3萬元和396 782.1萬元,變化率分別為29.85%和243.8%。

3.2.1 1987-2001年間的ESV變化 九里礦區(qū)在20世紀80年代已是徐州的主礦區(qū),該區(qū)的發(fā)展主要受煤炭開采的影響。由于煤炭的開采帶動了該區(qū)經濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)及礦區(qū)面積增加較快,導致了城鎮(zhèn)和工礦用的面積增加了1 035.99 hm2,增幅為27.49%,導致生態(tài)服務價值下降了556.54萬元,其次是城市化加快了基礎設施的建設,如高速公路,城市道路等,大量占用了耕地等土地,使生態(tài)服務價值減少,但是由于礦區(qū)的開采,塌陷區(qū)開始出現,導致水體的面積增加,在該時段內,水體的面積增加了66.51 hm2,由于水體的生態(tài)系統(tǒng)服務單價遠大于其他用地類型。因此,由水體的增加帶來生態(tài)服務價值的增量(46 702.4萬元)超過了耕地的減少和城鎮(zhèn)及工礦面積的增加導致的生態(tài)服務價值減少的量(9 290.69萬元),因此研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值總量呈緩慢增加的趨勢。

3.2.2 2001-2008年間的ESV變化 在2001-2008年期間,該區(qū)處于后采礦階段。由于煤炭的開采導致塌陷地的面積急劇增加,同時導致該區(qū)水體的面積急劇增加,在該時段,水體的面積增加了559.17 hm2,同時,由于當地政府積極地對采礦塌陷地進行復墾,其中部分工礦用地轉化為水體和耕地,導致水體和耕地的單項生態(tài)服務價值急劇增加了392 641.45萬元和3 670.41萬元。在該階段,除了由于城鎮(zhèn)和工礦用地的增加導致生態(tài)服務價值略有減少之外,其他土地利用類型的生態(tài)服務價值均呈增加的趨勢。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值變化 從表5可以看出,1987-2001和2001-2008年間各項單項服務功能按生態(tài)系統(tǒng)占總服務功能排序發(fā)生了不同程度的變化。在1987-2001年間,水分調節(jié)和水分供應變化較大,分別占總變化的52.16%和20.77%,其次是廢物處理的價值,占總變化的6.11%,其中保持增加的單項生態(tài)服務價值有水分調節(jié)、水供應、廢物處理、傳粉、侵蝕控制和娛樂,其余項均呈減少趨勢。可見在該階段,礦區(qū)的興建和城市化進程的加快,沒有導致總體生態(tài)服務價值下降其主要原因是由于水體的增加。在2001-2008年間,生態(tài)服務價值增幅較大,主要是由于水分調節(jié)、水供應兩項生態(tài)服務價值的增加導致的,其主要原因是由于該區(qū)屬于后采礦區(qū),處于復墾階段,采煤塌陷地的復墾方向主要是以農業(yè)和漁業(yè)為主,積極復墾為旅游業(yè),適當復墾為建設用地。從而使得該區(qū)的水體和農業(yè)用地(主要是林地、綠地和耕地)面積增加,導致該階段九里礦區(qū)的生態(tài)服務價值急劇增加。

表4 1987-2008年九里礦區(qū)生態(tài)服務系統(tǒng)服務總價值及價值構成變化

表5 九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項服務功能價值變化

3.2.4 敏感性分析 根據前面CS計算公式,本文把VC分別上下調整 50%,計算出了研究區(qū)1987年、2001年和2008年的CS。結果表明,ESV對VC的敏感性指數都小于1,由高到低依次為水體、耕地、城鎮(zhèn)及工礦用地、園/林/草地和交通用地,最高值為0.29～0.30即說明當水體的VC增加1%時,ESV增加0.29%～0.30%。這表明,研究區(qū)內ESV對VC是缺乏彈性的,研究結果是可信的。

4 結論

九里礦區(qū)20 a的土地利用類型變化在1987-2001年和 2001-2008年這兩個時段有所不同,在1987-2001期間,由于礦區(qū)的開采,導致大量的耕地和林地等轉化為工礦用地,但是水體的面積有所增加,從而使該區(qū)整體的生態(tài)服務價值在該階段呈現緩慢增加的趨勢,增加了55 995.69萬元;在2001-2008年期間,該區(qū)屬于后采礦階段,當地政府出臺了相關有利于礦區(qū)土地復墾的相關政策,使得大量的礦區(qū)用地轉化為耕地、水體和觀光旅游區(qū)等,使得該區(qū)在該時段整體生態(tài)服務價值急劇增加,增加了396 956.27萬元。

16類單項生態(tài)系統(tǒng)服務功能中的水分調節(jié)、水供應、廢物處理和娛樂4類功能呈上升趨勢,其主要原因是在煤炭的開采和煤礦區(qū)土地復墾的過程中,水體的面積大量增加。此外,大氣調節(jié)、擾動調節(jié)、土壤的形成與保護、食物生產等的單項生態(tài)服務價值呈現先減少后增加的趨勢,其主要原因是煤炭的開采過程中,礦區(qū)的修建占用農田等,煤礦區(qū)土地復墾的過程中使得水體和耕地的面積增加所致。

資源枯竭型礦區(qū)的調整改造和振興的主要任務是大力推進產業(yè)結構調整和優(yōu)化升級,而產業(yè)結構的調整必然伴隨著土地利用結構的變化,這必將對生態(tài)服務價值損益產生影響。在這個過程中應在不影響其生態(tài)環(huán)境的基礎上,進一步加大土地利用規(guī)劃的科學性并且有步驟地實施采煤塌陷的生態(tài)恢復,發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經濟,遏制景觀破碎化,合理控制城鎮(zhèn)建設用地的擴展,加強水域保護,進一步提高各地類自身的生態(tài)價值,促進地區(qū)社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善的雙贏。

[1]Costanza R,Arge R,Groot R,et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997,386:253-260.

[2]梁欣,臧淑英,張思沖.基于土地利用變化的生態(tài)服務價值損益估算:以大慶市為例[J].自然災害學報,2006,15(2):68-72.

[3]Xie G D,Lu C X,Cheng S K.Progress in evaluating the global ecosystem services[J].Resources Science,2001,23(6):5-9.

[4]Dail Y G C,Soderqvist T,Aniyar S,et al.The value of nature and nature of value[J].Science,2000,289(5478):395-396.

[5]張志強,徐中民,王建,等.黑河流域生態(tài)系統(tǒng)服務的價值[J].冰川凍土,2001,23(4):360-367.

[6]徐中民,張志強,程國棟.生態(tài)經濟學理論方法與應用[M].鄭州:黃河水利出版社,2003:126-130.

[7]張華,張麗媛,伏捷,等.遼寧省濱海濕地類型及生態(tài)服務價值研究[J].濕地科學,2009,7(4):342-350.

[8]尹劍慧,盧欣石.草原生態(tài)服務價值核算體系構建研究[J].草地學報,2009,17(2):147-180.

[9]陳源泉,高旺盛.中國糧食主產區(qū)農田生態(tài)服務價值總體評價[J].中國農業(yè)資源與區(qū)劃,2009,30(1):33-39.

[10]張以誠.礦業(yè)城市與可持續(xù)發(fā)展[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[11]Daily G C.Nature's services:societal dependence on natural ecosystem[M].Washington D C:Island Press,1997:1-22.

[12]歐陽志云,王如松.生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其生態(tài)經濟價值測評[J].應用生態(tài)學報,1999,10(5):635-640.

[13]歐陽志云,王效科.中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能及生態(tài)經濟價值的初步研究[J].生態(tài)學報,1999,19(5):607-613.

[14]趙威,蘇朝陽,程金龍,等.基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的開封市土地利用評估[J].河南大學學報:自然科學版,2009,39(2):158-162.

[15]謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產的價值評估[J].自然資源學報,2003,18(2):189-196.

[16]楊光梅,李文華,閔慶文.生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估研究進展[J].生態(tài)學報,2006,26(1):205-212.

[17]陳仲新,張新時.中國生態(tài)系統(tǒng)效益的價值[J].科學通報,2000,45(1):17-19.

[18]冉圣宏,呂昌河,賈克敬,等.基于生態(tài)服務價值的全國土地利用變化環(huán)境影響評價[J].環(huán)境科學,2006,27(10):2139-2144.

[19]呂光輝,楊建軍,于恩濤,等.新疆生態(tài)服務價值功能估算與分析[J].生態(tài)經濟,2007,26(8):58-62.

[20]王建強,郝潤梅,吉日嘎拉.內蒙古和林格爾縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估[J].內蒙古師范大學學報:自然科學漢文版,2009,38(1):98-101.

[21]徐立,劉少博,劉云國.湘中紅壤丘陵區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響:以長沙市為例[J].環(huán)境科學學報,2009,29(8):1788-1792.

[22]張曉晨,朱志玲,王彩娟,等.銀川市城市生態(tài)服務功能價值的變化分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測,2009,23(1):41-45.

[23]王成,魏朝富,邵景安.區(qū)域生態(tài)服務價值對土地利用變化的響應:以重慶市沙坪壩區(qū)為例[J].應用生態(tài)學報,2006,17(8):1485-1489.

[24]王建華,呂憲國,姜明.長春市南湖公園生態(tài)服務價值評估[J].濕地科學,2007,5(2):159-165.

[25]余新曉,魯紹偉,靳芳,等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估[J].生態(tài)學報,2005,25(8):2096-2102.