楊叢銘, 袁 穎, 侯明華, 劉 波

1. 河北地質(zhì)大學(xué) a. 水資源與環(huán)境學(xué)院, b. 城市地質(zhì)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050031; 2. 河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心, 河北 石家莊 050031; 3. 寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)資料館, 寧夏 銀川 750000

0 引言

張家口市礦產(chǎn)資源豐富, 開(kāi)采歷史悠久, 但因?yàn)槿狈τ行Ч芾? 廢棄礦山環(huán)境問(wèn)題極為突出。 根據(jù)《張家口首都水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2019—2035 年) 》 中曾提出“堅(jiān)持藍(lán)天碧水凈土增綠協(xié)調(diào)推進(jìn), 統(tǒng)籌山林水田湖草系統(tǒng)治理” 的要求, 開(kāi)展礦山修復(fù)工程刻不容緩。 進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)估, 將生態(tài)效益進(jìn)行量化分析, 可以更加直觀地反映生態(tài)效益, 在一定層面上提高政府及民眾對(duì)礦山修復(fù)工程的重視。

對(duì)于不同類型、 不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益評(píng)估,目前國(guó)內(nèi)已有部分研究, 傅伯杰[1]曾提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估, 并進(jìn)行了生態(tài)管理與預(yù)測(cè)的系統(tǒng)論述; 王金龍[2]結(jié)合市場(chǎng)價(jià)格法和影子工程法對(duì)京冀水源涵養(yǎng)林工程進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)估; 張航[3]通過(guò)分析建設(shè)大型廢棄礦山生態(tài)治理恢復(fù)體系、 確定生態(tài)治理恢復(fù)能力評(píng)估指標(biāo); 李坦[4]通過(guò)對(duì)國(guó)家級(jí)公益林生態(tài)效益進(jìn)行分析并結(jié)合市場(chǎng)價(jià)值法以及影子工程法, 對(duì)生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)估; 李芬[5]通過(guò)分析城市礦山的修復(fù)特點(diǎn), 結(jié)合荊門市礦山修復(fù)案例, 建立起了評(píng)價(jià)體系, 并結(jié)合影子工程法對(duì)生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 國(guó)外專家學(xué)者提出基于蟻群算法的生態(tài)礦區(qū)環(huán)境效益評(píng)估方法[6], 對(duì)評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)公式進(jìn)行了優(yōu)化, 建立了生態(tài)礦區(qū)環(huán)境效益評(píng)估模型。 但針對(duì)張家口地區(qū)廢棄礦山生態(tài)效益的評(píng)估仍然處在起步階段,進(jìn)行礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)估需要進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)篩選和相關(guān)模型的建立。

在國(guó)內(nèi)廢棄礦山的生態(tài)效益估算以及人工林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益估算研究的基礎(chǔ)上, 結(jié)合張家口廢棄礦山的特征[7], 通過(guò)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法, 篩選出評(píng)估指標(biāo), 借助影子工程法以及Shannon-Wiener 指數(shù)建立生態(tài)效益評(píng)估模型, 將評(píng)估模型應(yīng)用于張家口尚義縣廢棄礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)估中, 計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)效益, 通過(guò)將資金投入和生態(tài)效益進(jìn)行對(duì)比, 可直觀反映廢棄礦山的生態(tài)效益。

1 生態(tài)效益評(píng)估指標(biāo)篩選

生態(tài)修復(fù)帶來(lái)的生態(tài)效益主要表現(xiàn)在植被覆蓋率、 小氣候效益、 水土保持、 凈化水質(zhì)、 凈化大氣環(huán)境、 減少粉塵、 涵養(yǎng)水源、 固碳釋氧、 減少淤泥以及林木積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等方面。

張家口廢棄礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)估的首要任務(wù)是選擇適合地區(qū)的評(píng)估指標(biāo)。 目前常見(jiàn)的用于篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法有頻數(shù)統(tǒng)計(jì)、 理論分析、 專家評(píng)分等[8]。其中頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法主要是對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究論文進(jìn)行匯總, 通過(guò)柱狀圖的形式篩選出使用頻數(shù)較高的指標(biāo),根據(jù)研究對(duì)象出現(xiàn)的頻數(shù), 可以幫助快速有效地確定礦山生態(tài)修復(fù)效益評(píng)估的指標(biāo)。

搜集國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn), 發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)于礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)研究較少, 同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)人工林生態(tài)系統(tǒng)的效益評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多相似之處, 所以在篩選張家口地區(qū)礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)中借鑒了國(guó)內(nèi)廢棄礦山修復(fù)和人工生態(tài)林系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)。 統(tǒng)計(jì)得到礦山修復(fù)[9-15]和人工生態(tài)林系統(tǒng)[16-24]效益評(píng)估指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1、 圖2。

圖1 礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)估指標(biāo)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Frequency statistics of evaluation indexes for ecological restoration benefits in mines

圖2 人工生態(tài)林生態(tài)效益評(píng)估指標(biāo)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Frequency statistics of ecological benefit evaluation indexes of artificial ecological forest

如圖1 所示, 涵養(yǎng)水源與林木營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累兩項(xiàng)指標(biāo)選取頻數(shù)較高。 由圖2 所示, 人工林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益評(píng)估中選取頻數(shù)較高的4 項(xiàng)指標(biāo)分別為涵養(yǎng)水源、 固碳釋氧、 物種保育以及林木營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累。 通過(guò)對(duì)比借鑒礦山修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)與人工林生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)級(jí)指標(biāo), 結(jié)合生態(tài)效益評(píng)估指標(biāo)的可量化、 專一化以及震撼性的選取標(biāo)準(zhǔn)[25], 利用頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法, 確定涵養(yǎng)水源、 林木營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累、 固碳釋氧以及物種保育4 項(xiàng)基本指標(biāo)。 同時(shí), 考慮到張家口地區(qū)廢棄礦山粉塵危害大, 且近些年河北地區(qū)沙塵暴、 浮沉等天氣影響嚴(yán)重, 因此, 在原有4 項(xiàng)指標(biāo)中加入減少粉塵, 共5 項(xiàng)指標(biāo)為廢棄礦山生態(tài)修復(fù)效益評(píng)估指標(biāo)。

2 生態(tài)效益評(píng)估模型建立

進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)估主要通過(guò)將難以量化的生態(tài)價(jià)值轉(zhuǎn)換為可量化的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。 目前國(guó)內(nèi)用于建立評(píng)價(jià)模型的方法主要有所謂替代市場(chǎng)法、 模擬市場(chǎng)法以及影子工程法, 但前兩者往往可信度較低且主觀影響較大, 存在失真等問(wèn)題, 影子工程法可以有效地避免上述問(wèn)題, 且影子工程法簡(jiǎn)單易行, 在簡(jiǎn)化了環(huán)境資源的估價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)影子工程法結(jié)合已選取的生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo), 建立起涵養(yǎng)水源、 林木營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累、 固碳釋氧以及減少粉塵4 個(gè)效益評(píng)估分模型。 由于在確定單位物種保育的市場(chǎng)價(jià)值上影子工程法難以實(shí)施, 所以結(jié)合《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[26]中提出的Shannon-Wiener 指數(shù)來(lái)建立物種保育的評(píng)估模型。

2.1 涵養(yǎng)水源效益評(píng)估模型

修復(fù)工程種植植被涵養(yǎng)水源效益模型, 如公式(1) 所示:

式中,V為年涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/a);Q為涵養(yǎng)水源的總量 (t/a);P為水庫(kù)單位蓄水費(fèi)用(0.67 元/m3)。 其中Q值的計(jì)算如公式(2) 所示:

式中,Q為涵養(yǎng)水源的增加量(m3/a);Si為第i類植被林的面積 (hm2);J為地區(qū)的年降雨量(mm);K為區(qū)域的侵蝕性降雨比例(北方地區(qū)取0.4);Ri為不同類型林地系統(tǒng)在減少?gòu)搅魃系男б嫦禂?shù)(參數(shù)如表1 所示)。

表1 不同類型林地系統(tǒng)在減少?gòu)搅魃系男б嫦禂?shù)[5]Table 1 Benefit factors of different types of forest land systems in reducing runoff

2.2 林木營(yíng)養(yǎng)積累效益評(píng)估模型

修復(fù)工程種植植被林木營(yíng)養(yǎng)積累效益分別通過(guò)植被所固定的氮、 磷、 鉀3 種元素含量來(lái)表示。 引入影子工程法分別建立氮、 磷、 鉀3 種元素的積累效益評(píng)估模型, 如公式(3)、 (4) 和(5) 所示:

式中,G氮,G磷,G鉀為區(qū)域種植植被總固氮、磷、 鉀總量(t·a-1);P氮和P磷的價(jià)格為磷酸化二胺農(nóng)業(yè)用肥價(jià)格, 取2 700.00 (元/t),P鉀的價(jià)格為氯化鉀農(nóng)業(yè)用肥價(jià)格, 取2 050.00 (元/t),I1、I2分別為磷酸二銨化肥中氮、 磷的含量,I3為氯化鉀化肥中鉀的含量。

其中固氮量計(jì)算具體如公式(6) 所示:

修復(fù)固磷量計(jì)算具體如公式(7) 所示:

修復(fù)固鉀量計(jì)算具體如公式(8) 所示:

式中,N營(yíng)養(yǎng)為氮元素含量, 取14.00%;P營(yíng)養(yǎng)為磷元素含量, 取15.01%;K營(yíng)養(yǎng)為鉀元素含量, 取50.00%;B年為林分凈生產(chǎn)力[t/ (hm2×a) ], 具體參數(shù)選擇參照表2;A為林分面積(hm2) (文章涉及林分面積均取治理工程種植植被面積)。

表2 河北省各類森林的凈生產(chǎn)力[27]Table 2 Net productivity of forests in Hebei Province

2.3 固碳釋氧效益模型

修復(fù)工程種植植被固碳釋氧[28]評(píng)估模型, 如公式(9)、 (10) 所示:

式中,Vcf和Vor分別為固定二氧化碳和釋放氧氣的價(jià)值(元/a);C1、C2分別為固碳釋氧的單位價(jià)格(元/t) (張家口地區(qū)固碳價(jià)格取1 200 元/t, 釋氧價(jià)格取1 000 元/t;G植被固碳為年固碳量(t/a),G土壤固碳為年土壤固碳量 (t/a);G氧氣為年釋氧量 (t/a)。G植被固碳、G土壤固碳、G氧氣的計(jì)算[29], 如公式 (11)、(12) 和(13) 所示。

式中,R碳為CO2中碳百分含量, 取值27.27%;B為林分凈生產(chǎn)力[t / (hm2×a) ];G土壤固碳為植被土壤年固碳量(t/a);F為植被年土壤單位面積固碳量[5.54 t/ (hm2×a) ];A為林分面積(hm2)。

2.4 減少粉塵效益模型

修復(fù)工程種植植被減少粉塵效益模型, 如公式(14) 所示:

式中,M為降低粉塵的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/a);m為單位除塵運(yùn)行成本 (170 元/t);Y為減少粉塵總量(t/a)。 減少粉塵總量如公式(15) 所示:

式中,Si為修復(fù)工程種植i類植被的面積(hm2);Ci為第i類植被阻滯粉塵的效率[t/ (hm2×a) ] 見(jiàn)表3。

表3 不同類型植被減少粉塵的能力[t/ (hm2×a) ]Table 3 Dust reduction capacity of different vegetation types [t/ (hm2×a) ]

2.5 物種保育效益模型

修復(fù)工程種植植被物種保育效益模型引入Shannon-Wiener 指數(shù)建立, 如公式(16) 所示:

式中,U生物多樣性為年物種保育價(jià)值(元/a);S生為單位面積年物種損失的機(jī)會(huì)成本 [元/ (hm2×a) ];A為林分面積(hm2)。 根據(jù)Shannon-Weiner 指數(shù)確定S生, 具體如公式(17) 所示:

式中,ni為第i類植物的個(gè)體數(shù)目;N為群落中所有植物的個(gè)體總數(shù),S生具體值由H確定(具體取值參照表4)。

表4 Shannon-Weiner 指數(shù)對(duì)照表Table 4 Shannon-Weiner Index

3 張家口尚義縣廢棄礦山修復(fù)效益評(píng)估

3.1 自然地理及地理位置概況

張家口尚義縣北部為壩上高原地帶, 緊鄰山區(qū),山體資源豐富, 存在眾多早期的露天采礦活動(dòng)形成的礦山工程, 對(duì)原地貌形態(tài)及植被環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞, 整體環(huán)境與周邊自然環(huán)境景觀形成巨大反差, 與生態(tài)環(huán)境極不和諧, 亟需治理。

選取尚義縣水泉溝村西南2 000 m 無(wú)證群采礦區(qū)作為評(píng)估對(duì)象。 該礦區(qū)位于尚義縣小蒜溝鎮(zhèn)水泉溝村西南2 000 m, 東洋河西南側(cè)。 南距張家口市85 km,治理區(qū)南1 000 m 處有Y039 鄉(xiāng)道通過(guò), 且區(qū)內(nèi)有鄉(xiāng)村道路連通Y035 鄉(xiāng)道, 南側(cè)有唐呼鐵路通過(guò), 交通較便利。

3.2 礦山生態(tài)效益評(píng)估

根據(jù)張家口尚義縣礦區(qū)實(shí)際情況和相關(guān)規(guī)范[30]確定張家口廢棄礦山治理方案, 并估算礦山修復(fù)資金投入。 在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合上述建立的生態(tài)效益模型,計(jì)算各個(gè)指標(biāo)分模型的效益, 并對(duì)張家口市廢棄礦山修復(fù)的生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)估。 通過(guò)資金投入與效益估算的對(duì)比, 提高政府及民眾對(duì)張家口地區(qū)礦山修復(fù)的認(rèn)識(shí), 促進(jìn)全市礦山跡地及周邊環(huán)境綜合治理的開(kāi)展,加快構(gòu)建綠色和諧的礦山環(huán)境。

3.2.1 礦山修復(fù)資金投入估算

根據(jù)張家口尚義縣礦區(qū)實(shí)際情況和相關(guān)規(guī)范確定張家口廢棄礦山治理方案, 治理共分兩個(gè)階段: 第一階段復(fù)墾期(1 年), 主要分為土壤復(fù)墾和水土保持兩個(gè)部分。 復(fù)墾程序包括表土去除、 平整治理區(qū)、 覆土工程和植被種植, 計(jì)劃恢復(fù)林地13.79 公頃。 為保證植被存活率, 避免資源浪費(fèi), 充分結(jié)合治理區(qū)周邊土壤及植被類型, 確定了樟子松、 油松作為綠化工程種植喬木, 丁香、 檸條作為綠化工程種植灌木。 第二階段管護(hù)期(3 年), 礦區(qū)種植植物養(yǎng)護(hù), 包括澆灌、施肥等一系列養(yǎng)護(hù)工程。 具體費(fèi)用見(jiàn)表5。

表5 工程估算表Table 5 Engineering estimate table

3.2.2 礦山修復(fù)的生態(tài)效益估算及結(jié)果討論

根據(jù)上述綠化工程, 確定了種植植被及相關(guān)面積(見(jiàn)表6)。 引入文章建立的5 個(gè)生態(tài)效益評(píng)估模型,進(jìn)行5 個(gè)分模型的計(jì)量評(píng)估及價(jià)值評(píng)估(見(jiàn)表7),帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為0.3 萬(wàn)元/年、 4.14 萬(wàn)元/年、20.17 萬(wàn)元/年、 23.39 萬(wàn)元/年、 2.57 萬(wàn)元/年。

表6 種植植被類型與相關(guān)面積Table 6 Types and related areas of planted vegetation

表7 礦山生態(tài)修復(fù)工程生態(tài)效益估算Table 7 Estimation of ecological benefit of mine ecological restoration project

通過(guò)上述對(duì)評(píng)估模型效益的分析, 可以發(fā)現(xiàn)評(píng)估指標(biāo)總體生態(tài)效益較好。 植被涵養(yǎng)水源生態(tài)量總量高, 但由于評(píng)估模型采用的影子價(jià)格為水庫(kù)單位蓄水價(jià)格, 所以在生態(tài)效益中顯示出的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高。 物種保育、 固碳釋氧、 林木營(yíng)養(yǎng)積累以及減少粉塵4 項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較好。 物種保育價(jià)值與礦山種植植被數(shù)量直接相關(guān), 礦山修復(fù)直接增加了治理區(qū)植物覆蓋率, 單位面積年物種損失的機(jī)會(huì)成本提高, 所得出的物種保育效益較好; 由于植被覆蓋率的提升, 地區(qū)植被光合作用增強(qiáng), 礦區(qū)廢棄地固碳釋氧生態(tài)效益更加顯著; 針葉林較其他種植林具有更好的阻滯粉塵能

力, 所以阻滯粉塵效益較好; 廢棄礦山治理中通過(guò)種植植被改良了地區(qū)的土壤環(huán)境, 地區(qū)林木營(yíng)養(yǎng)積累得到了提升, 使得固氮、 固磷、 固鉀量提高, 林木營(yíng)養(yǎng)積累效益顯著。 由此可見(jiàn), 上述生態(tài)效益的高低均符合治理區(qū)實(shí)際情況。 礦山修復(fù)工程按1 年復(fù)墾3 年管護(hù)總投入約為209.95 萬(wàn)元, 生態(tài)效益總額為50.57 萬(wàn)元/年。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)張家口尚義縣廢棄礦山修復(fù)工程生態(tài)效益評(píng)估中選取指標(biāo)和建立模型的研究, 得到如下結(jié)論:

(1) 采用頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法分析了廢棄礦山修復(fù)以及人工生態(tài)林的生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo), 并結(jié)合張家口地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)得到5 個(gè)效益評(píng)價(jià)指標(biāo), 分別為涵養(yǎng)水源、 固碳釋氧、 林木營(yíng)養(yǎng)積累、 減少粉塵以及物種保育。 此5 項(xiàng)指標(biāo)可為張家口及北方地區(qū)礦山修復(fù)生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)選取提供參考。

(2) 通過(guò)與治理工程4 年總支出對(duì)比, 產(chǎn)生的生態(tài)效益價(jià)值每年可補(bǔ)償總資金投入的24%。 生態(tài)效益篩選出5 項(xiàng)指標(biāo)取得了較好的評(píng)估結(jié)果, 但礦山修復(fù)帶來(lái)的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)不止此。