楊子睿， 侯湖平， 丁忠義， 王 慧

[中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州 221116]

耕地生態(tài)系統(tǒng)是生物地球化學(xué)系統(tǒng)的核心組成部分，對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境有重要影響。煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)是在礦區(qū)范圍內(nèi)以耕作為主的耕地自然景觀和以礦產(chǎn)資源開(kāi)采為主導(dǎo)的人類(lèi)活動(dòng)相互作用形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]，其生態(tài)價(jià)值主要體現(xiàn)在為人類(lèi)提供食物、工業(yè)原材料等直接價(jià)值和大氣調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等間接價(jià)值2個(gè)方面。由于受大規(guī)模礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的擾動(dòng)影響，煤糧復(fù)合區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，肥力下降，地表發(fā)生沉陷、積水等狀況，對(duì)區(qū)域內(nèi)的耕地生態(tài)系統(tǒng)造成了極大的影響[2-3]。開(kāi)展煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的變化研究，有利于解決煤糧復(fù)合區(qū)煤炭開(kāi)采和耕地保護(hù)之間的矛盾，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)礦業(yè)活動(dòng)對(duì)煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)功能價(jià)值的干擾效應(yīng)，明晰區(qū)域耕地可保有容量與煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的預(yù)期目標(biāo)。

1 研究概述

煤糧復(fù)合區(qū)是當(dāng)前一個(gè)特殊的土地利用研究單元，在煤礦開(kāi)采區(qū)域，由于大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)，區(qū)域內(nèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)處于十分不穩(wěn)定的狀態(tài)，耕地利用類(lèi)型發(fā)生劇烈變化。耕地利用類(lèi)型和格局變化是影響研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和生態(tài)價(jià)值的主要因素，因此可通過(guò)耕地利用類(lèi)型和格局變化來(lái)反映耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的變化，為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)的研究提供新的思路。目前對(duì)生態(tài)價(jià)值的研究結(jié)果主要集中在定量評(píng)價(jià)土地利用變化所引起的生態(tài)價(jià)值變化及其所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)度量方面。在計(jì)算方法方面，國(guó)內(nèi)的研究多以謝高地等的生態(tài)價(jià)值估算成果[4]為依據(jù)，盧元清等在此基礎(chǔ)上針對(duì)小尺度生態(tài)系統(tǒng)提出了生態(tài)價(jià)值修正模型，將現(xiàn)實(shí)干擾因素考慮進(jìn)去，提高了生態(tài)價(jià)值的測(cè)算精度[5]。在研究對(duì)象方面，目前大多為大尺度區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，少量為農(nóng)田、草地等生態(tài)子系統(tǒng)，對(duì)礦區(qū)尤其是煤糧復(fù)合區(qū)的研究還十分少見(jiàn)。楊璐等基于土地利用變化對(duì)鄒城市煤糧復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值進(jìn)行測(cè)算，為研究煤糧復(fù)合區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值提供了重要的研究思路[6]。本研究嘗試將劉洪江等使用的信息重分類(lèi)方法[7]應(yīng)用于研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的重新判別，分別測(cè)算重分類(lèi)后各耕地生態(tài)子系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值并分析其變化情況，并基于謝高地等提出的生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算模型[4]構(gòu)建生態(tài)效應(yīng)計(jì)算模型，以反映自然、社會(huì)等因素對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。

江蘇省徐州市沛北煤礦區(qū)是兩淮國(guó)家大型煤炭基地與華東地區(qū)煤炭工業(yè)基地的重要組成部分，是徐淮平原乃至黃淮海平原的商品糧生產(chǎn)基地，屬于典型的煤糧復(fù)合區(qū)。目前，沛北煤礦區(qū)已經(jīng)造成5 596.41 hm2土地塌陷，煤炭資源開(kāi)采與耕地資源保護(hù)形成了極其尖銳的矛盾[8]。如何正確研判耕地變化時(shí)空格局及耕地變化生態(tài)效應(yīng)，對(duì)我國(guó)煤糧復(fù)合區(qū)資源協(xié)調(diào)利用調(diào)控、生態(tài)建設(shè)與社會(huì)穩(wěn)定至關(guān)重要[9]。本研究以徐州市沛北煤礦區(qū)作為研究對(duì)象，將2000、2004、2008年地球觀測(cè)系統(tǒng)(SPOT)遙感影像與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析與量化耕地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值，評(píng)估重分類(lèi)下耕地面積和結(jié)構(gòu)變化引起的生態(tài)價(jià)值變化和生態(tài)效應(yīng)變化，揭示煤炭資源開(kāi)采對(duì)耕地生態(tài)價(jià)值的影響，以期為煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所采用的遙感圖像為從中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所購(gòu)買(mǎi)的SPOT影像，影像分辨率為10 m×10 m，全色波段，時(shí)相選擇塌陷地水體信息豐富和植被光譜特征明顯的植物生長(zhǎng)季后期的8—9月份，采集時(shí)間分別為2000年09月15日、2004年09月09日、2008年09月23日，云量均為0%。研究區(qū)枯水期影像選擇的是2000、2004、2008年3月期間的Landsat TM影像，并從徐州市國(guó)土資源局獲取了2011年沛縣土地利用現(xiàn)狀圖、2011年沛北煤礦區(qū)塌陷積水分布圖、2013年沛北煤礦區(qū)范圍矢量圖以及2000、2004、2008年沛北煤礦區(qū)塌陷范圍矢量圖(均為shp格式矢量數(shù)據(jù))，用于相關(guān)輔助分析；江蘇省徐州市沛縣的糧食產(chǎn)量和糧食單價(jià)均來(lái)源于2000、2004、2008年《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 耕地信息重分類(lèi)

煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)是在礦區(qū)范圍內(nèi)以耕作為主的耕地自然景觀和以礦產(chǎn)資源開(kāi)采為主導(dǎo)的人類(lèi)活動(dòng)相互作用形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。在煤礦開(kāi)采區(qū)域，由于大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)，區(qū)域內(nèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)處于十分不穩(wěn)定的狀態(tài)。沛北煤礦區(qū)屬于高潛水位煤礦區(qū)，受采礦活動(dòng)開(kāi)采的影響，其區(qū)域內(nèi)的耕地生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)經(jīng)歷未沉陷階段、沉陷階段、季節(jié)性積水階段和常年積水階段等4個(gè)變化階段。利用遙感數(shù)據(jù)發(fā)掘4種耕地生態(tài)系統(tǒng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)耕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部變化的隱含信息，并進(jìn)行信息重分類(lèi)是其行之有效的手段。

信息重分類(lèi)的主要思想是盡量避免代碼重復(fù)，對(duì)n個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)而言，須將它們盡量分開(kāi)，這樣經(jīng)分類(lèi)后，將所有信息進(jìn)行疊加，可以得到1張土地變化信息總圖，通過(guò)對(duì)這張圖進(jìn)行信息提取與分析，即可得到所需要的信息[7]。在進(jìn)行信息重分類(lèi)時(shí)一般要考慮研究對(duì)象特征和遙感對(duì)象判讀處理等2個(gè)因素。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于信息重分類(lèi)方法的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如李柏延等在研究土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化時(shí)，采用重分類(lèi)方法將研究區(qū)土壤侵蝕狀況劃分為基本無(wú)土壤侵蝕、輕度土壤侵蝕、中度土壤侵蝕和重度土壤侵蝕等4種進(jìn)行分析[10]。

為揭示因采煤活動(dòng)造成煤糧復(fù)合區(qū)耕地發(fā)生未沉陷—地表沉陷—季節(jié)性積水—常年積水的過(guò)程以及該過(guò)程導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能狀態(tài)變化[11]，將煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)重分類(lèi)為未沉陷一般耕地子系統(tǒng)、沉陷未積水耕地子系統(tǒng)、季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)和常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)等4類(lèi)；須要說(shuō)明的是，常年淹水絕產(chǎn)耕地即通常意義的積水地，由于常年積水無(wú)法進(jìn)行耕作，一般已經(jīng)演化為魚(yú)塘、池塘等，為凸顯耕地內(nèi)部變化而將其作為一類(lèi)耕地進(jìn)行分析。

遵循遙感影像數(shù)據(jù)處理過(guò)程，采用最大似然法(ROIs)[12]對(duì)2000、2004、2008年影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)；由于ROIs無(wú)法精確地將未沉陷一般耕地和沉陷未積水耕地區(qū)分出來(lái)，因此對(duì)4類(lèi)耕地的識(shí)別將在識(shí)別水域(自然水體和塌陷水體)、村莊和塌陷區(qū)范圍的基礎(chǔ)上完成，并將判別結(jié)果轉(zhuǎn)換成shp格式。地類(lèi)識(shí)別過(guò)程為(1)未沉陷一般耕地的識(shí)別。首先，利用監(jiān)督分類(lèi)對(duì)耕地、水域和村莊等進(jìn)行識(shí)別，然后導(dǎo)入塌陷地范圍，用耕地范圍對(duì)塌陷地范圍進(jìn)行裁剪后得到的區(qū)域即為未沉陷一般耕地。(2)沉陷未積水耕地的識(shí)別。在完成未沉陷一般耕地識(shí)別之后，得到位于塌陷區(qū)的耕地和塌陷區(qū)以外的耕地；塌陷區(qū)范圍內(nèi)的耕地即為沉陷未積水耕地。(3)季節(jié)性積水耕地的識(shí)別[13]。由于季節(jié)性積水耕地具有“多雨季節(jié)積水，少雨或無(wú)雨季節(jié)板結(jié)”的特征，因此主要應(yīng)用時(shí)相分析法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，即在完成水域、塌陷區(qū)范圍識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用同一年度9月份的豐水期和3月份的枯水期影像比較得到。(4)常年淹水絕產(chǎn)耕地[14]。在水域判別的基礎(chǔ)上，常年性積水區(qū)即為常年淹水絕產(chǎn)耕地。

在分類(lèi)完成后，將未沉陷一般耕地、沉陷未積水耕地、季節(jié)性積水耕地和常年淹水絕產(chǎn)耕地追加到同一數(shù)據(jù)集，并制作專(zhuān)題圖；數(shù)據(jù)處理后得到的耕地重分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

2.3 耕地生態(tài)價(jià)值測(cè)算方法

為了度量各類(lèi)耕地子系統(tǒng)變化對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)，可以用生態(tài)價(jià)值變化來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)功能狀態(tài)變化，進(jìn)而反映其生態(tài)效應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)主要采用當(dāng)量因子法對(duì)生態(tài)價(jià)值進(jìn)行測(cè)算[15-16]，該方法是在謝高地修正Costanza提出的測(cè)算方式[17]的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同地理空間異質(zhì)性表達(dá)提出的[18]。

根據(jù)謝高地等研究制定的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表[18]，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出沛北煤糧復(fù)合區(qū)各類(lèi)耕地生態(tài)子系統(tǒng)的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表(表2)。其中，未沉陷一般耕地子系統(tǒng)、沉陷未積水耕地子系統(tǒng)、季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)、常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的當(dāng)量因子取值原則借鑒田小松等的取值思路[19]，定為未沉陷一般耕地子系統(tǒng)取值與農(nóng)田一致；根據(jù)宋戈等對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的測(cè)算[20]，沉陷未積水耕地子系統(tǒng)取值為農(nóng)田的70%；沛北煤礦區(qū)的常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)1/2為未經(jīng)綜合整治的濕地地貌，而靠近微山湖一側(cè)的常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)則進(jìn)行了微山湖濕地公園改造計(jì)劃，綜合實(shí)際水土資源利用特點(diǎn)，常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子在此取濕地和水域的平均值；季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)由于具有季節(jié)性變化特點(diǎn)，因此將其取值設(shè)定為沉陷未積水耕地子系統(tǒng)與常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的平均值[21]。

表1 研究區(qū)耕地面積變化

表2 單位面積耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子

根據(jù)表2并結(jié)合《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒》中的糧食單產(chǎn)和糧食單價(jià)即可計(jì)算出研究區(qū)各類(lèi)耕地單位面積年度生態(tài)價(jià)值。但此種計(jì)算生態(tài)價(jià)值的方法一般適用于全國(guó)大區(qū)域陸地生態(tài)價(jià)值的評(píng)估，對(duì)于小尺度耕地生態(tài)價(jià)值的研究，難以有效識(shí)別采礦活動(dòng)波動(dòng)性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段及資源稀缺性等因素對(duì)耕地生態(tài)價(jià)值的影響[22-24]。因此本研究考慮到上述3個(gè)因素對(duì)耕地資源價(jià)值的影響，采用現(xiàn)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)平均狀態(tài)下耕地生態(tài)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估修正。計(jì)算公式為

Ve=Vc×K×L×S。

(1)

式中：Ve為修正后的耕地生態(tài)價(jià)值；Vc為根據(jù)謝高地等的研究成果[15]修改后計(jì)算出來(lái)的研究區(qū)耕地生態(tài)價(jià)值；L為社會(huì)發(fā)展階段修正系數(shù)；K為采礦活動(dòng)影響修正系數(shù)；S為資源稀缺修正系數(shù)。

2.3.1 采礦活動(dòng)影響系數(shù)修正 根據(jù)王行風(fēng)等提出的煤礦區(qū)生命周期理論[25]，礦區(qū)的發(fā)展在不同時(shí)期對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的影響也大不相同。采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)耕地的土壤肥力具有很強(qiáng)的負(fù)面作用，因此，可通過(guò)對(duì)煤礦區(qū)不同階段土壤肥力的測(cè)算來(lái)修正耕地生態(tài)價(jià)值，數(shù)據(jù)來(lái)源于沛北煤礦區(qū)2000年以來(lái)各項(xiàng)土壤評(píng)價(jià)項(xiàng)目報(bào)告，計(jì)算公式[26]為

(2)

式中：Pi為不同時(shí)期的土壤綜合肥力系數(shù)；Pia為不同時(shí)期土壤各屬性分肥力系數(shù)的平均值；Pim為不同時(shí)期土壤各屬性分肥力系數(shù)的最小值；n為參與評(píng)價(jià)的土壤因子個(gè)數(shù)。增加修正項(xiàng)(n-1)/n是為了反映可信度，即參評(píng)土壤屬性項(xiàng)目越多，可信度越高。

2.3.2 社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)修正 由于人們對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的認(rèn)識(shí)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，在較低發(fā)展階段，人們對(duì)生態(tài)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平也較低，且這種認(rèn)識(shí)水平的提高較為緩慢；但達(dá)到小康水平之后，人們對(duì)環(huán)境舒適性服務(wù)的需求會(huì)急劇提高，當(dāng)繼續(xù)發(fā)展到極富階段時(shí)，這種需求便會(huì)趨于飽和。因此，可以采取皮爾生長(zhǎng)曲線模型[5]來(lái)測(cè)算社會(huì)發(fā)展階段系數(shù)：

(3)

式中：e為自然對(duì)數(shù)底數(shù)；En為2000、2004、2008年研究區(qū)恩格爾系數(shù)。

2.3.3 資源稀缺系數(shù)修正 資源稀缺度可反映某區(qū)域在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中生態(tài)資源需求量與供給量之間的關(guān)系。生態(tài)資源存量越小，需求量越大，稀缺度就越高，則人們對(duì)單位生態(tài)資源的支付意愿越大，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價(jià)值越大。同一區(qū)域的自然地理?xiàng)l件較接近，其土地利用結(jié)構(gòu)特征也較接近。本研究采用的資源稀缺系數(shù)修正公式[5]為

(4)

式中：p、P分別為研究區(qū)、全國(guó)平均人口密度。經(jīng)計(jì)算，p為398人/km2，P為通過(guò)《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒》分別計(jì)算出的2000、2004、2008年研究區(qū)的人口密度。

2.4 生態(tài)效應(yīng)測(cè)算模型

2.4.1 生態(tài)效應(yīng)指數(shù)模型 生態(tài)效應(yīng)是指人為活動(dòng)造成的環(huán)境污染和環(huán)境破壞引起的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化[27]。定量評(píng)價(jià)生態(tài)效應(yīng)有利于揭示人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境的相互作用機(jī)制與變化過(guò)程。趙丹陽(yáng)等通過(guò)構(gòu)建城市用地?cái)U(kuò)張的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)P-S-R(EU-P-S-R)模型，計(jì)算松花江流域城市用地?cái)U(kuò)張的生態(tài)環(huán)境綜合效應(yīng)指數(shù)，用以解釋城市用地?cái)U(kuò)張產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)的時(shí)空變化特征[28]。崔王平等從城市擴(kuò)展模式、人為干擾強(qiáng)度、景觀格局梯度等3個(gè)方面對(duì)重慶市主城區(qū)城市擴(kuò)展過(guò)程中景觀組分變化引起的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同走向局部區(qū)域景觀格局梯度變化存在顯著的時(shí)空差異，這是城市化過(guò)程中景觀組分變化引起生態(tài)效應(yīng)的主要原因[29]。耕地生態(tài)系統(tǒng)總效應(yīng)不僅受耕地面積變化的影響，還受研究區(qū)內(nèi)其他多種因素影響。

為了探索耕地變化引起的生態(tài)效應(yīng)，應(yīng)在研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的總價(jià)值中分別確定由耕地面積變化而引起的變化比例和由農(nóng)業(yè)發(fā)展等其他因素所引起的變化比例。構(gòu)建如公式(5)、(6)所示的耕地生態(tài)效應(yīng)指數(shù)模型[30]，以度量生態(tài)效應(yīng)變動(dòng)幅度。

(5)

(6)

式中：H(ef)i表示i類(lèi)耕地面積變化的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)；K(ef)i表示i類(lèi)耕地單位面積生態(tài)價(jià)值變化的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)；A(e)i、A(f)i分別表示研究期初、研究期末i類(lèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)的面積；D(e)ij、D(f)ij分別表示研究期初、研究期末單位面積i類(lèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)第j項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值；i表示耕地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型；j表示生態(tài)服務(wù)功能類(lèi)型；m表示耕地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型總數(shù)；n表示生態(tài)服務(wù)功能類(lèi)型總數(shù)。

2.4.2 生態(tài)效應(yīng)模數(shù)模型 同樣的生態(tài)價(jià)值變化量產(chǎn)生的效果因發(fā)生區(qū)域面積以及發(fā)生時(shí)段長(zhǎng)度的不同而不同[30]，即生態(tài)效應(yīng)不僅須要考慮變動(dòng)幅度，也應(yīng)該關(guān)注生態(tài)效應(yīng)變動(dòng)效率或效果。借鑒水文學(xué)徑流模數(shù)[30]建立如公式(7)所示的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)模型，以度量生態(tài)效應(yīng)變動(dòng)效果。

(7)

式中：M(ef)i表示i類(lèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)面積變化引起的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)；T表示的時(shí)間段在本研究中只有1個(gè)，即2000—2008年，為了對(duì)不同時(shí)段間進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)分別計(jì)算2000—2004年、2004—2008年的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)，因此T可以直接取值為4，其他參數(shù)的含義與生態(tài)效應(yīng)指數(shù)模型中的一致。但在計(jì)算不同時(shí)段生態(tài)效應(yīng)模數(shù)時(shí)，A(e)i、A(f)i以及D(e)ij的值隨著時(shí)間的變化而變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)價(jià)值測(cè)算及修正

按照公式(2)、(3)、(4)對(duì)測(cè)算出的生態(tài)價(jià)值進(jìn)行修正，得到修正之后的研究區(qū)耕地生態(tài)價(jià)值。由表3可知，2000—2008年期間，未沉陷一般耕地生態(tài)子系統(tǒng)由于單位面積年度生態(tài)價(jià)值的增加，其生態(tài)價(jià)值由88.57×106元/年增加為189.75×106元/年，增加了 114.24%。沉陷未積水耕地子系統(tǒng)一部分轉(zhuǎn)換成了季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)和常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)，但由于單位面積年度生態(tài)價(jià)值的增加，其生態(tài)價(jià)值反而由16.93×106元/年增加到了28.16×106元/年，增加的幅度達(dá)到了66.33%。相比之下，季節(jié)性積水耕地、常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)隨著面積的增長(zhǎng)保持著穩(wěn)定的生態(tài)價(jià)值增長(zhǎng)幅度，加之單位面積生態(tài)價(jià)值的增加，2000—2008年期間季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值由1.52×106元/年增加為8.04×106元/年，增長(zhǎng)幅度達(dá)428.95%。常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值則由 12.45×106元/年上升為119.4×106元/年，增長(zhǎng)幅度達(dá)859.04%。

表3 研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值

生態(tài)價(jià)值貢獻(xiàn)率是指各耕地子系統(tǒng)所提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值占耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例。由圖2可知，2000—2008年期間各耕地子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率均是未沉陷一般耕地子系統(tǒng)最大，季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)最小。

為了更加直觀地體現(xiàn)研究區(qū)的耕地生態(tài)價(jià)值變化，將計(jì)算所得生態(tài)價(jià)值賦予煤礦區(qū)耕地分布圖，即可得到單位像元的耕地生態(tài)價(jià)值(像元大小20 m×20 m)，具體如圖3所示，圖中除灰色區(qū)域表示建筑、水域、河流等用地分布外，其他均為各個(gè)類(lèi)別耕地子系統(tǒng)單位像元生態(tài)價(jià)值分布。

通過(guò)對(duì)3年圖像進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值是逐年增加的；2000年的圖像大部分介于區(qū)間[100，500)萬(wàn)元/像元之間，小部分介于區(qū)間[50，100)萬(wàn)元/像元之間，只有少部分零星斑塊介于區(qū)間[1，50)萬(wàn)元/像元之間；2004年圖像上大部分區(qū)域介于區(qū)間[500，1 000)萬(wàn)元/像元之間，部分介于區(qū)間[50，100)萬(wàn)元/像元之間；2008年圖像基本在區(qū)間[100，500)萬(wàn)元/像元之間。

3.2 生態(tài)價(jià)值變化結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)沛北煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的測(cè)算，可得出研究區(qū)各耕地子系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的變化特點(diǎn)：(1)2000—2008年期間，研究區(qū)4類(lèi)耕地子系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值都有一定程度的增加，其中常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的增加幅度最大。主要是因?yàn)槌Ｄ暄退^產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值與濕地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)相近，具有較高的當(dāng)量值，且常年淹水絕產(chǎn)耕地面積的大幅度增加，導(dǎo)致其生態(tài)價(jià)值大幅增加。

未沉陷一般耕地子系統(tǒng)和沉陷未積水耕地子系統(tǒng)雖然面積減少但是生態(tài)價(jià)值反而增加，主要是由于2000—2003年期間種糧積極性嚴(yán)重不足，2004—2008年期間國(guó)家為振興農(nóng)業(yè)，全面廢除了農(nóng)業(yè)稅，促進(jìn)了糧食產(chǎn)量大幅提高，這一政策變化使得研究區(qū)未沉陷一般耕地子系統(tǒng)和沉陷未積水耕地子系統(tǒng)面積有所減少，但2004年以后單位面積生態(tài)價(jià)值飛速提升。(2)沛北煤糧復(fù)合區(qū)常年的采煤活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐母厣鷳B(tài)系統(tǒng)價(jià)值有著很大的影響。研究區(qū)季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)、常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的面積增加主要是在2000—2004年，這一現(xiàn)象是導(dǎo)致研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值大幅上升的原因。而在未沉陷一般耕地向沉陷未積水耕地轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，采煤活動(dòng)對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)造成的影響更多為負(fù)面的。(3)未沉陷一般耕地子系統(tǒng)對(duì)沛北煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值的貢獻(xiàn)率最大，2004、2008年其他地類(lèi)根據(jù)貢獻(xiàn)率的遞減依次為常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)、沉陷未積水耕地子系統(tǒng)和季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)。常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率增長(zhǎng)幅度是各子系統(tǒng)中最快的，且其貢獻(xiàn)率增長(zhǎng)幅度與未沉陷一般耕地貢獻(xiàn)率下降幅度基本一致。相比之下，季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)因所占面積最小，對(duì)整體耕地生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)價(jià)值最小。

3.3 生態(tài)效應(yīng)變化分析

3.3.1 生態(tài)效應(yīng)指數(shù)變化分析 將各類(lèi)耕地2000—2008年的面積變化數(shù)據(jù)及2000、2008年的耕地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)價(jià)值數(shù)據(jù)代入生態(tài)效應(yīng)指數(shù)模型公式(5)、公式(6)中，可以得到各類(lèi)耕地子系統(tǒng)面積變化所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)以及單位面積生態(tài)價(jià)值變化所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)。由表4可知，各類(lèi)耕地子系統(tǒng)面積變化的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)介于0.01至0.17之間，具體表現(xiàn)為常年淹水絕產(chǎn)耕地>未沉陷一般耕地>沉陷未積水耕地>季節(jié)性積水耕地，表明在單位面積生態(tài)價(jià)值不變的前提下，常年淹水絕產(chǎn)耕地面積變化對(duì)研究區(qū)耕地生態(tài)效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，季節(jié)性積水耕地的貢獻(xiàn)率最小。

表4 耕地生態(tài)效應(yīng)指數(shù)

各類(lèi)耕地子系統(tǒng)單位面積生態(tài)價(jià)值變化的生態(tài)效應(yīng)指數(shù)介于0.01至0.51之間，具體表現(xiàn)為未沉陷一般耕地>沉陷未積水耕地>常年淹水絕產(chǎn)耕地>季節(jié)性積水耕地的趨勢(shì)。

從整體來(lái)說(shuō)，由耕地單位面積生態(tài)價(jià)值變化所引起的研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)大于由耕地面積變化所引起的生態(tài)效應(yīng)，其原因是研究區(qū)耕地面積的變化主要是耕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各類(lèi)耕地子系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換，耕地與其他用地之間轉(zhuǎn)換較少，單位面積生態(tài)價(jià)值的變化主要受經(jīng)濟(jì)、政策等外在因素的影響。在研究期內(nèi)，受農(nóng)業(yè)政策的影響，農(nóng)民的種糧積極性提高，使得糧食產(chǎn)量提高，且國(guó)家提高了糧食的收購(gòu)價(jià)格，使得糧食單價(jià)大幅提升，導(dǎo)致單位面積耕地的生態(tài)價(jià)值有了很大的提高，對(duì)研究區(qū)整個(gè)耕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的生態(tài)效應(yīng)。

3.3.2 生態(tài)效應(yīng)模數(shù)變化分析 將各類(lèi)耕地2000—2008年的面積變化數(shù)據(jù)以及2000、2004、2008年的耕地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)價(jià)值數(shù)據(jù)代入生態(tài)效應(yīng)模數(shù)模型公式(7)中，可以得到2000—2004年的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)以及2004—2008年的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)。由表5可知，在2000—2004年、2004—2008年這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)各類(lèi)耕地子系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)均表現(xiàn)為常年淹水絕產(chǎn)耕地>未沉陷一般耕地>沉陷未積水耕地>季節(jié)性積水耕地，且4類(lèi)耕地子系統(tǒng)在2004—2008年期間產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于2000—2004年。通過(guò)對(duì)比分析2個(gè)時(shí)段的生態(tài)效應(yīng)模數(shù)可以得出：(1)未沉陷一般耕地、常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)強(qiáng)度較大，它們分別作為研究區(qū)內(nèi)面積和單位生態(tài)價(jià)值較大的2類(lèi)耕地，其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)越大，對(duì)研究區(qū)內(nèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)的影響越大。(2)2000—2004年期間耕地變化產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2004—2008年期間，主要由于1997—2003年期間，我國(guó)的農(nóng)業(yè)處于蕭條期[31]，糧食產(chǎn)量降低，并在2003年達(dá)到最低值，但2004—2009年為我國(guó)農(nóng)業(yè)的振興期，2004年作為一個(gè)大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，導(dǎo)致2000—2004年研究區(qū)耕地變化產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于2004—2008年；此外，2000年沛北煤礦區(qū)的生態(tài)建設(shè)剛剛起步，2004年微山湖地區(qū)濕地景觀建設(shè)基本成型，且2004—2008年該地區(qū)的耕地面積變化小于2000—2004年。

3.3.3 生態(tài)效應(yīng)空間分布變化分析 耕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效應(yīng)不僅表現(xiàn)在面積和時(shí)間上，同時(shí)在空間分布上也呈現(xiàn)一定的規(guī)律，將研究區(qū)各類(lèi)耕地不同年份的重心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，可以得到各類(lèi)耕地子系統(tǒng)的重心點(diǎn)坐標(biāo)變化。由表6可知，未沉陷一般耕地子系統(tǒng)的分布趨勢(shì)主要朝著研究區(qū)的西南方向變化，沉陷未積水耕地子系統(tǒng)的分布趨勢(shì)主要朝著研究區(qū)的西北方向變化，季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)的分布趨勢(shì)主要朝著研究區(qū)的東南方向變化，常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)的分布趨勢(shì)主要是朝著研究區(qū)的東南方向變化。產(chǎn)生上述現(xiàn)象主要有以下原因：(1)沛北地區(qū)東臨微山湖，近年來(lái)政府加大了對(duì)采礦地區(qū)濕地景觀開(kāi)發(fā)的重視，而微山湖濕地公園建設(shè)對(duì)研究區(qū)積水地的分布造成了極大影響，微山湖周邊的積水地基本都被劃入了濕地公園的范圍之內(nèi)，以加強(qiáng)觀賞性。同時(shí)一些位于研究區(qū)東南方向的塌陷地受微山湖南北湖開(kāi)道連通的影響，積水變成了常年淹水絕產(chǎn)耕地；(2)受研究區(qū)東南方向濕地公園建設(shè)，以及沛北煤礦區(qū)西部的人口密集程度大于東部區(qū)域的影響，未沉陷一般耕地子系統(tǒng)的分布在一定程度上具有向西部擴(kuò)展的趨勢(shì)；受沛北煤礦區(qū)礦井分布地點(diǎn)的影響，沉陷未積水耕地子系統(tǒng)的分布趨勢(shì)也朝著研究區(qū)西向發(fā)展。

表5 耕地生態(tài)效應(yīng)模數(shù)

表6 耕地重心坐標(biāo)變化

注：表中數(shù)據(jù)為坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)，其中x坐標(biāo)變大表示向東方分布，反之則向西；y坐標(biāo)變大表示向北方分布，反之則向南。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)沛北煤糧復(fù)合區(qū)耕地變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，本研究將復(fù)合區(qū)內(nèi)的耕地生態(tài)系統(tǒng)細(xì)分為未沉陷一般耕地子系統(tǒng)、沉陷未積水耕地子系統(tǒng)、季節(jié)性積水耕地子系統(tǒng)和常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)等4類(lèi)，并對(duì)其面積變化導(dǎo)致的生態(tài)價(jià)值和生態(tài)效應(yīng)變化進(jìn)行分析，從定性和定量2個(gè)方面探究了沛北煤糧復(fù)合區(qū)采煤活動(dòng)對(duì)其區(qū)域內(nèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。主要得出以下結(jié)論：(1)沛北煤糧復(fù)合區(qū)2000—2008年的耕地生態(tài)價(jià)值總體呈上升趨勢(shì)，其主要原因是采煤活動(dòng)造成的塌陷區(qū)耕地積水，導(dǎo)致積水地面積大幅度增加，說(shuō)明受采煤活動(dòng)影響的煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)與自然耕地生態(tài)系統(tǒng)有較大差異。(2)同一年份中未沉陷一般耕地子系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)耕地生態(tài)效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，不同年份間常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)面積變化對(duì)研究區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)引起的生態(tài)效應(yīng)最大；加強(qiáng)對(duì)未沉陷一般耕地的保護(hù)與利用，注重對(duì)常年淹水絕產(chǎn)耕地的開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)煤糧復(fù)合區(qū)景觀功能和生態(tài)調(diào)節(jié)功能的必要途徑。(3)采煤活動(dòng)對(duì)沛北煤糧復(fù)合區(qū)耕地的影響較大，未沉陷一般耕地子系統(tǒng)向沉陷未積水耕地子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，沉陷未積水耕地子系統(tǒng)再向常年淹水絕產(chǎn)耕地子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致耕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值總體呈上升趨勢(shì)。與此同時(shí)，煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)的功能價(jià)值也受?chē)?guó)家農(nóng)業(yè)政策的影響。

本研究?jī)H主要考慮采煤活動(dòng)對(duì)4類(lèi)耕地子系統(tǒng)造成的影響，雖在一定程度上反映了煤糧復(fù)合區(qū)耕地生態(tài)系統(tǒng)與其他地區(qū)的差異，但對(duì)4類(lèi)耕地子系統(tǒng)的內(nèi)涵解釋與遙感圖像識(shí)別可能存在一定欠缺，生態(tài)價(jià)值當(dāng)量因子的確定也還需要更多的驗(yàn)證，有待今后繼續(xù)研究完善。