張玉韓， 周 璞， 趙 玉

（1.自然資源部信息中心，北京 100036；2.中國自然資源經濟研究院，北京 101149；3.中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院，北京 100048）

黃河流域在我國經濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位［1］。黃河流域又被稱為“能源流域”［2］，域內煤炭查明資源儲量占到了全國的60%以上。同時，黃河流域也是中國重要的生態(tài)屏障，是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態(tài)廊道。2019 年9 月，習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上提出“促進全流域高質量發(fā)展”的構想。環(huán)境協調性是流域高質量發(fā)展的重要組成部分［3］，表現為社會經濟系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協同發(fā)展和演化［4］。黃河流域點多面廣的煤炭礦山對生態(tài)環(huán)境造成了較大脅迫［5］，威脅到國家生態(tài)安全，煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協調發(fā)展，對于統(tǒng)籌能源資源安全與生態(tài)安全具有重要現實意義。

資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協調發(fā)展問題是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展領域的重大科學命題之一［6］，學者們圍繞特定區(qū)域，從資源賦存與開發(fā)利用入手，分析了煤炭資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響及協調發(fā)展建議［7-12］。自黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略以來，資源環(huán)境、地質礦產領域內學者針對該地區(qū)產業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境問題開展了大量研究，有側重要素發(fā)展狀態(tài)、問題以及產業(yè)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境單要素影響分析的研究［13-16］，也有從全方位角度審視煤炭資源開發(fā)和能源重化工產業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境關系的研究［17］。在揭示煤炭資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響之后，相應治理措施成為學界關注的焦點，學者們多從環(huán)境管理、生態(tài)修復、技術改進等終端入手，來探討礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理［18-19］。而隨著國家生態(tài)環(huán)境保護理念從末端治理向源頭管控的轉變，從空間角度優(yōu)化煤炭開發(fā)利用成為更有效的管控手段［20］?？傮w來看，已有研究還缺乏基于空間脅迫視角對黃河流域煤炭資源開發(fā)與生態(tài)保護協調發(fā)展變化的分析，且學者們在具體評價過程中，研究對象和尺度多以市級行政區(qū)為主，未細化到礦區(qū)。

近年來，我國煤炭資源由于受到去產能、資源整合以及環(huán)境保護政策等影響，其開發(fā)活動在空間上已經發(fā)生了較大變化。據統(tǒng)計，2012 年以來，黃河流域煤炭礦山數量減少幅度超過了40%。在這一背景下，煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫程度是否也隨之發(fā)生了變化，變化方向與幅度如何，脅迫演進的空間格局又是怎樣的？研究與回答這些問題，一方面有助于認識黃河流域近年來煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的空間協調性變化情況，另一方面，能夠為政府部門制定更精細的管理對策提供支撐?；诖耍狙芯繑M以2012 年和2019 年黃河流域煤炭礦區(qū)數據為研究對象，構建空間脅迫指數，從空間脅迫視角研究7 a來黃河流域煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫變化及其空間格局，為黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展提供決策參考。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以黃河干流流經的省區(qū)為主體，其范圍以行政邊界為標準確定，包括青海、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、山東以及內蒙古自治區(qū)（包括呼和浩特、包頭、烏海、鄂爾多斯、巴彥淖爾、阿拉善盟）8個省級行政單元，89 個市級行政單元［21］，總面積約為235×104km2。煤炭資源在黃河流域8個省區(qū)中均有分布，其中山西、內蒙古、陜西、河南、山東等地區(qū)查明資源儲量較大，合計共占全國的57%。從開發(fā)利用來看，2019年五省區(qū)煤炭礦山企業(yè)個數共2195個，占到了全國的42%，從業(yè)人數總和達143.5×104，占全國的62.5%①來源于《2019全國非油氣礦產資源開發(fā)利用統(tǒng)計年報》。。2012年，煤炭采礦權分布在黃河流域71個市級行政單元，到2019年減少為64個，本研究在分析空間格局時以71 個市級行政單元為研究區(qū)域。

1.2 數據來源

本研究所采用的數據主要包括煤炭礦區(qū)數據、生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性數據、行政區(qū)劃空間數據3種類型，以2012、2019年2個時點開展動態(tài)演化分析。數據主要來源如下：（1）2019 年煤炭礦區(qū)數據來源于自然資源部全國礦業(yè)權人勘查開采信息公示系統(tǒng)（http://kyqgs.mnr.gov.cn/），2012 年煤炭礦區(qū)數據來源于自然資源部。（2）黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性數據來源于中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全格局數據庫（http://www.ecosystem.csdb.cn/），為2010 年數據，原始柵格數據精度為1 km×1 km，考慮到本研究中最小煤炭礦區(qū)面積為4900 m2，在計算二者重疊面積時，為提高結果的精確度，將柵格大小轉換為50 m×50 m，即最小煤炭礦區(qū)約相當于2 個柵格像元。（3）黃河流域省級、市級行政單元底圖來源于國家標準地圖服務網站（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/）下載的審圖號為GS（2016）1606的底圖。

1.3 研究方法

1.3.1重要生態(tài)保護空間識別 從已有研究來看，生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性是區(qū)域生態(tài)保護重要性評價的常用指標［22-26］，前者是指生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成與維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用的重要程度［27］，后者是指一定區(qū)域發(fā)生生態(tài)問題的可能性和程度［28］。黃河流域煤炭資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的典型影響包括地質地貌破壞、地表沉陷和崩塌等引發(fā)的土壤退化和沙化；“三廢”排放、尾礦堆積、礦山廢棄物中毒性、酸堿性等成分通過地面雨水滲透、徑流等方式擴散，引發(fā)酸雨、土壤侵蝕和鹽漬化；礦山突水和排水等引發(fā)礦區(qū)沙漠化和水土流失；勘探、采礦和礦石加工設施的建設剝離土壤植被，導致野生動植物生境改變［29-36］。針對這些影響，本研究選取生物多樣性維持與保護、水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風固沙為生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性單因子，選取酸雨、土壤侵蝕、鹽漬化、沙漠化為生態(tài)系統(tǒng)敏感性單因子。

黃河流域重要生態(tài)保護空間由重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間與生態(tài)系統(tǒng)敏感空間共同組成，計算公式為：

式中：P為重要生態(tài)保護空間；IEFS為重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間；ESS為生態(tài)系統(tǒng)敏感空間，二者參考《省級主體功能區(qū)劃技術規(guī)程》，根據各單因子評價結果生成。根據中國生態(tài)功能區(qū)劃數據庫劃分標準，生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性各單因子評價結果分為“極重要”、“重要”、“中等”和“一般”，篩選其中“極重要”和“重要”區(qū)域生成重要生物多樣性維持與保護功能區(qū)、重要水源涵養(yǎng)功能區(qū)、重要土壤保持功能區(qū)和重要防風固沙功能區(qū)，重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間計算公式為：

生態(tài)系統(tǒng)敏感性單因子評價結果分為“極敏感”、“高度敏感”、“中度敏感”、“輕度敏感”和“不敏感”，篩選其中“極敏感”和“高度敏感”區(qū)域生成酸雨敏感區(qū)、土壤侵蝕敏感區(qū)、鹽漬化敏感區(qū)和沙漠化敏感區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)敏感空間計算公式為：

1.3.2煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間脅迫程度評價

構建空間脅迫指數來測度煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫程度，將某一地區(qū)煤炭礦區(qū)范圍與重要生態(tài)保護空間的重疊面積占該區(qū)域重要生態(tài)保護空間面積的比例定義為空間脅迫指數，計算公式如下：

式中：C為某一地區(qū)煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫指數，位于0～1之間，值越大說明該地區(qū)煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫程度越高，反之亦然，本研究中的煤炭礦區(qū)特指煤炭采礦權的空間范圍；So為該地區(qū)煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間的重疊面積；Se為該地區(qū)重要生態(tài)保護空間總面積。So的具體計算方法為：在ArcGIS 平臺中，將煤炭礦區(qū)矢量圖層轉換為柵格圖層，與重要生態(tài)保護空間圖層進行疊加，采用Zonal工具進行統(tǒng)計。

2 結果與分析

2.1 黃河流域整體脅迫指數變化

煤炭礦區(qū)對黃河流域重要生態(tài)保護空間的脅迫程度總結較低，2019 年空間脅迫指數僅為1.01%（表1），但2012—2019 年呈小幅上升趨勢，上升了0.13 個百分點，二者重疊面積增加了2278 km2。從單因子來看，重要土壤保持功能區(qū)和土壤侵蝕敏感區(qū)受煤炭礦區(qū)脅迫程度最高，2019年空間脅迫指數分別為2.00%和1.99%；其次是重要防風固沙功能區(qū)和沙漠化敏感區(qū)，空間脅迫指數依次為1.91%和1.47%，而重要水源涵養(yǎng)功能區(qū)、重要生物多樣性維持與保護功能區(qū)和鹽漬化敏感區(qū)受脅迫程度較輕。從2012—2019年的變化情況來看，煤炭礦區(qū)新增或退出對重要水源涵養(yǎng)功能區(qū)、重要防風固沙功能區(qū)以及沙漠化敏感區(qū)的影響最大，煤炭礦區(qū)幾乎全部退出了重要水源涵養(yǎng)功能區(qū)和重要生物多樣性維持與保護功能區(qū)，酸雨敏感區(qū)受煤炭礦區(qū)的脅迫程度也呈小幅降低趨勢，鹽漬化敏感區(qū)受脅迫程度基本保持穩(wěn)定，其他環(huán)境單因子面臨的脅迫進一步上升。此外，分析表明，雖然煤炭礦區(qū)與重要防風固沙功能區(qū)重疊面積最大，但對其脅迫的程度卻不是最高的，主要原因為黃河流域重要防風固沙功能區(qū)本底面積較大，沖淡了煤炭礦區(qū)對其產生的脅迫效應。

表1 黃河流域煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間的重疊面積及脅迫指數變化Tab.1 Overlapping between coal mine sites and key ecological protection areas and the changes of spatial stress index in the Yellow River Basin

2.2 脅迫指數變化空間格局

2.2.1空間脅迫現狀分布格局 煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫指數呈現較明顯的空間分異特征，中下游地區(qū)總體高于上游地區(qū)。2019年脅迫程度較高的地市主要分布在黃土高原和魯西地區(qū)（圖1），26 個地市空間脅迫指數高于流域平均水平（1.01%），山西有9個地市空間脅迫指數超過了2%，其中大同、朔州、太原、長治超過了5%，晉中和呂梁超過了10%，陽泉超過了20%；山東、陜西均有6 個地市空間脅迫指數在1%以上，其中菏澤超過了5%，榆林超過了10%，咸陽、濟寧超過了20%；此外，內蒙古鄂爾多斯和烏海空間脅迫指數也分別超過了5%和10%。河南、秦嶺一帶、青海、寧夏南部以及內蒙古（除鄂爾多斯和烏海）脅迫程度總體較輕，19個地市對重要生態(tài)保護空間的脅迫指數為0，其中11 個在河南；甘肅酒泉等14 個地市空間脅迫指數低于0.1%，其中4個在內蒙古。

圖1 2019年黃河流域煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫指數Fig.1 Spatial stress index of coal mining sites on key ecological protection areas in the Yellow River Basin in 2019

從各地市煤炭礦區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性、生態(tài)系統(tǒng)敏感性單因子脅迫指數來看（圖2），鄂爾多斯平原和陜北地區(qū)煤炭礦區(qū)脅迫的環(huán)境單因子以重要土壤保持、防風固沙功能區(qū)以及沙漠化、鹽漬化、土壤侵蝕敏感區(qū)為主，如陜西榆林煤炭礦區(qū)對鹽漬化敏感區(qū)的脅迫指數達22.1%；陜西中部地區(qū)以重要土壤保持功能區(qū)和土壤侵蝕敏感區(qū)為主，如陜西咸陽煤炭礦區(qū)對重要土壤保持功能區(qū)、土壤侵蝕敏感區(qū)脅迫指數分別達27.3%和26.7%；晉北、晉中地區(qū)主要脅迫的環(huán)境因子為重要土壤保持、防風固沙功能區(qū)以及土壤侵蝕、沙漠化、酸雨敏感區(qū)，如山西陽泉煤炭礦區(qū)對重要防風固沙功能區(qū)脅迫指數達30.3%；魯西地區(qū)主要脅迫的環(huán)境因子為重要防風固沙功能區(qū)以及沙漠化、鹽漬化、酸雨敏感區(qū)，其中濟寧煤炭礦區(qū)對重要防風固沙功能區(qū)和沙漠化敏感區(qū)的脅迫指數分別達24.4%和25.2%。2.2.2空間脅迫變化趨勢 從空間脅迫指數的變化趨勢來看（圖3、表2），大部分地市（43 個）脅迫程度下降，主要分布在青南、甘肅、蒙西、山西、豫西、豫南、山東以及秦嶺一帶，其中降低最明顯的是山西太原和陜西銅川，降低幅度超過了5%；其次為山西陽泉和山東淄博，降低幅度超過了3%。從煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間的重疊面積來看，陜西安康、山西太原和山東淄博退出面積超過了100 km2，山西大同、忻州、臨汾，山東濟南、濟寧以及陜西銅川、甘肅張掖退出面積超過了50 km2，河南洛陽、信陽，陜西安康、商洛，甘肅甘南以及青海西寧、玉樹、果洛等地市煤炭礦區(qū)全部退出了重要生態(tài)保護空間。

圖2 2019年黃河流域煤炭礦區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性單因子空間脅迫指數分布Fig.2 Spatial stress index of coal mining sites on single factors of ecosystem service function importance and ecological sensitivity in the Yellow River Basin in 2019

表2 黃河流域各地市煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間的重疊面積及脅迫指數變化Tab.2 Change of overlapping between coal mining sites and key ecological protection areas and spatial stress index in the cities of Yellow River Basin

圖3 2012—2019年黃河流域煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間脅迫指數變化空間分布Fig.3 Distribution of spatial stress index changes of coal mining sites on key ecological protection areas in the Yellow River Basin from 2012 to 2019

相比之下，脅迫指數升高的地市僅13 個，其中陜西咸陽和榆林升高較為明顯，尤其是咸陽，增加了近20%。但從煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間的重疊面積來看，則是陜西榆林增加最多，超過了2000 km2，其次為鄂爾多斯，增加了約814 km2，陜西咸陽重疊面積增加了近200 km2。綜合上述分析可以看出，黃河流域整體空間脅迫指數的上升主要是由局部地區(qū)如榆林、鄂爾多斯、咸陽等地市煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間重疊面積的較快增加造成的。

綜合前文測算結果，并對比各地市煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間重疊面積以及礦區(qū)總面積的變化情況，可以判斷出不同地市在煤炭礦區(qū)退出時是否優(yōu)先考慮了重要生態(tài)保護空間，以及在新增時是否重點考慮了對重要生態(tài)保護空間的避讓，判斷結果如表3所示。脅迫指數降低的地市中，有33個地市在煤炭礦區(qū)退出時優(yōu)先考慮了重要生態(tài)保護空間，10 個未優(yōu)先考慮重要生態(tài)保護空間；脅迫指數不變的地市中，山西長治和晉城在煤炭礦區(qū)增加時考慮了對重要生態(tài)保護空間的避讓，而山東臨沂和寧夏固原在煤炭礦區(qū)退出時未優(yōu)先考慮重要生態(tài)保護空間；脅迫指數升高的地市中，山東菏澤和陜西延安、咸陽、寶雞在煤炭礦區(qū)增加時優(yōu)先考慮了對重要生態(tài)保護空間的避讓，而7 個地市未優(yōu)先考慮對重要生態(tài)保護空間的避讓?？傮w上看，更多地市在煤炭礦區(qū)退出或增加時考慮了本地區(qū)內重要生態(tài)保護空間。

表3 黃河流域各地市在煤炭礦區(qū)退出或增加時對重要生態(tài)保護空間的考慮類型Tab.3 Whether the key ecological protection areas were considered by the cities in the Yellow River Basin when coal mining sites withdraw or increase

3 結論

本研究以礦區(qū)和50 m×50 m柵格為基礎分析單元，測算了2019年黃河流域煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性、生態(tài)系統(tǒng)敏感性單因子的空間脅迫現狀及其分布格局，分析了2012—2019 年黃河流域整體及各地市煤炭礦區(qū)與重要生態(tài)保護空間協調演進趨勢，主要研究結論如下：

（1）煤炭礦區(qū)對黃河流域重要生態(tài)保護空間的脅迫程度總體較低但空間分異特征明顯。2019 年流域整體空間脅迫指數僅為1.01%，但2012—2019年呈小幅上升趨勢。脅迫程度較高的地區(qū)主要分布在黃土高原和魯西地區(qū)，河南、蒙西北、蒙中、秦嶺一帶、青海以及寧夏南部脅迫程度總體較輕，19個地市煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫指數為零。

（2）分類型來看，重要土壤保持功能區(qū)和土壤侵蝕敏感區(qū)受煤炭礦區(qū)脅迫程度最高，其次為重要防風固沙功能區(qū)和沙漠化敏感區(qū)，且2012—2019年面臨的脅迫呈進一步增強態(tài)勢；重要水源涵養(yǎng)、生物多樣性維持與保護功能區(qū)以及鹽漬化敏感區(qū)受脅迫程度較輕，2019年煤炭礦區(qū)幾乎全部退出了重要水源涵養(yǎng)和生物多樣性維持與保護功能區(qū)。

（3）流域整體空間脅迫指數的上升主要是由局部地區(qū)煤炭礦區(qū)與重點生態(tài)保護空間重疊面積的較快增加造成的，大部分地市脅迫程度下降，主要分布在青南、甘肅、蒙西、山西、豫西、豫南、山東以及秦嶺一帶，河南洛陽8 個地市煤炭礦區(qū)全部退出了重要生態(tài)保護空間?？傮w上看，更多地市在煤炭礦區(qū)退出或增加時考慮了本地區(qū)內的重要生態(tài)保護空間。

本研究主要從重疊面積角度分析了煤炭礦區(qū)對重要生態(tài)保護空間的脅迫程度，但煤炭資源開發(fā)對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響還受到開采量、開采階段、工藝流程、復墾方式等多種因素的影響，由于受數據可獲性限制，本研究尚未考慮上述因素。此外，煤炭資源開發(fā)對地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響并非都是負面的，相反，一些地區(qū)煤炭資源開發(fā)在一定程度上改善了當地生態(tài)環(huán)境，需要進一步結合影像數據進行分析。下一步將針對上述問題繼續(xù)深化研究，為黃河流域煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協調發(fā)展提供更加科學的決策支撐。