基于RS和GIS的礦區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益影響研究——以徐州市九里礦區(qū)為例

李保杰,顧和和,紀(jì)亞洲,陳軍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116;2.徐州師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,江蘇徐州 221116）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命的支持產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)系統(tǒng)的開放性使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(特別是其生態(tài)效益)具有無償性和外部性,成為最廉價(jià)、最持久的服務(wù)提供系統(tǒng)[2]。由于長期以來人類在經(jīng)濟(jì)活動決策過程中對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的忽略。導(dǎo)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(wù)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(wù)功能的各個(gè)方面,引起了廣泛關(guān)注。同年Costanza[1]以貨幣形式對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行了評估,使得生態(tài)價(jià)值評估進(jìn)入一個(gè)新階段,分析與評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值已成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的前沿課題。20世紀(jì)90年代末以來,國外有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念、生態(tài)效益的價(jià)值理論及評估方法等開始引入國內(nèi)[5]。國內(nèi)也開始從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值3個(gè)層面開展研究[6]。但目前,對生態(tài)服務(wù)價(jià)值的研究區(qū)由大區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閷ι鷳B(tài)敏感區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)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(wù)價(jià)值進(jìn)行研究[7],尹劍慧等人對草原生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算體系的構(gòu)建進(jìn)行了研究[8],陳源泉等人對中國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評價(jià)[9]等。對生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的定量評估已成為可持續(xù)發(fā)展研究的焦點(diǎn),是當(dāng)前生態(tài)學(xué)、資源經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的交叉前沿領(lǐng)域。

礦區(qū)是以礦產(chǎn)資源為對象的采掘工業(yè)及相關(guān)的社會生產(chǎn)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(chǎn)資源的開發(fā)對土地利用以及由此導(dǎo)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(jié)構(gòu)和功能,這種變化過程對維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用,同時(shí)LUCC驅(qū)動下的ESV(生態(tài)服務(wù)價(jià)值,Ecosystem Services Values)變化,也是LUCC環(huán)境效應(yīng)的一個(gè)重要量化指標(biāo)。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(wù)價(jià)值的變化過程,探求其變化的特點(diǎn)及存在的問題,為礦區(qū)復(fù)墾以及生態(tài)恢復(fù)提供有力的依據(jù)。

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(chǎn)供應(yīng)基地,2006年原煤產(chǎn)量2 827 146萬t,占江蘇省的93%,是我國12個(gè)年產(chǎn)量超過1 000萬t的煤炭產(chǎn)地之一,有百余年的煤炭開采史。隨著煤炭開采規(guī)模的擴(kuò)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(yán)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(wù)價(jià)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(hù)與建設(shè)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(jīng) 117°00′,大部分區(qū)域?yàn)辄S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(dá),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(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供便利的同時(shí)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(wù)價(jià)值的變化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,利用九里礦區(qū)1987-2008年的3期Landsat TM/ETM影像解譯數(shù)據(jù),而后采用Costanza的生態(tài)服務(wù)價(jià)值公式,計(jì)算該礦區(qū)不同土地類型的ESV在1987-2008年間的變化。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 土地利用數(shù)據(jù)的來源

土地利用變化數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jìn)行精確配準(zhǔn),然后利用徐州市行政區(qū)劃矢量圖轉(zhuǎn)化成AOI對九里礦區(qū)進(jìn)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(jìn)行預(yù)分類,結(jié)合實(shí)地調(diào)查,確定影像訓(xùn)練區(qū)。為了提高分類精度,采用光譜信息與紋理信息相結(jié)合的方法,在進(jìn)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(jìn)行分類,三期影像分類結(jié)果的Kappa系數(shù)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(wù)價(jià)值評價(jià)方法

1997年,美國學(xué)者Costanza等在Nature上發(fā)表了“全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和自然資源”一文,對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)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(wù)價(jià)值評估的原理和方法得以明確,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究推向生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的前沿[14]。我國學(xué)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(xué)者進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)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(wù)價(jià)值表[15],用于我國區(qū)域生態(tài)資產(chǎn)價(jià)值的評估。謝高地等人確定的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)是針對全國平均狀況,而生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)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(shù)應(yīng)用到區(qū)域尺度時(shí)需要進(jìn)行修正[16]。鑒于上述原因,國內(nèi)學(xué)者根據(jù)研究地區(qū)的實(shí)際情況,參考Costanza等的估價(jià)方法,在概括、綜合的基礎(chǔ)上,探討適合于我國的各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價(jià),并對一定時(shí)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(wù)價(jià)值進(jìn)行估算和變化評估(表1),依據(jù)Costanza等對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的劃分,本文將生態(tài)服務(wù)分為大氣調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、擾動調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、水供應(yīng)、侵蝕控制、土壤形成與保護(hù)、營養(yǎng)物循環(huán)、廢物處理、傳粉、生物控制、食物生產(chǎn)、原材料供應(yīng)、基因資源、娛樂和文化共16項(xiàng)。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,在借鑒謝高地[8]等人的研究成果基礎(chǔ)上,對耕地、林地、水體等部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修正,制定了適用于估算九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)值系數(shù),見表2。

表1 我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估價(jià)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(jià)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(cè)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(jù)謝高地等[3]人的研究將森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值的平均值作為該區(qū)林地生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù);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(jié)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(jià)值服務(wù)表進(jìn)行加權(quán)計(jì)算取83 013元/(hm2?a)?？紤]到城鎮(zhèn)及工礦用地在水分供應(yīng)和廢物處理方面對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響,并在生態(tài)學(xué)者及相關(guān)研究者進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上得出其生態(tài)服務(wù)價(jià)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(wù)價(jià)值為7 021 862元/(hm2?a)。

生態(tài)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算采用徐州九里礦區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值表,套用Costanza的ESV計(jì)算公式來計(jì)算。具體計(jì)算公式為

式中:ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(wù)功能的價(jià)值系數(shù),即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值[元/(hm2?a)]。

本文用敏感性指數(shù)(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(zhǔn)確性越關(guān)鍵。本文通過分別調(diào)整50%的VC來計(jì)算CS,從而來說明ESV對VC的敏感程度。敏感性指數(shù)(CS)計(jì)算公式如下:

式中:ESV,VC,k的含義同前;i,j——初始價(jià)值和生態(tài)價(jià)值系數(shù)調(diào)整以后的價(jià)值。

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)土地利用變化分析

根據(jù)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(dá),其表達(dá)式為

式中:K——研究時(shí)段內(nèi)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(shù)量;Ub——研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T——研究時(shí)段。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí),K值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率,結(jié)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(gè)時(shí)段內(nèi),水體和交通用地均呈增加趨勢,林地則呈現(xiàn)減少的趨勢。耕地呈現(xiàn)出先減少而后增加的變化,而城鎮(zhèn)及工礦用地呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)變化

3.2 土地利用變化的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益分析

對九里礦區(qū)1987-2008年土地利用變化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行的計(jì)算表明(表4),近20 a間九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的總價(jià)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(gè)時(shí)間段的生態(tài)服務(wù)價(jià)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(jì)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城鎮(zhèn)及礦區(qū)面積增加較快,導(dǎo)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(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降了556.54萬元,其次是城市化加快了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),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(wù)價(jià)值減少,但是由于礦區(qū)的開采,塌陷區(qū)開始出現(xiàn),導(dǎo)致水體的面積增加,在該時(shí)段內(nèi),水體的面積增加了66.51 hm2,由于水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價(jià)遠(yuǎn)大于其他用地類型。因此,由水體的增加帶來生態(tài)服務(wù)價(jià)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(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少的量(9 290.69萬元),因此研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)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(dǎo)致塌陷地的面積急劇增加,同時(shí)導(dǎo)致該區(qū)水體的面積急劇增加,在該時(shí)段,水體的面積增加了559.17 hm2,同時(shí),由于當(dāng)?shù)卣e極地對采礦塌陷地進(jìn)行復(fù)墾,其中部分工礦用地轉(zhuǎn)化為水體和耕地,導(dǎo)致水體和耕地的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)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(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價(jià)值略有減少之外,其他土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值均呈增加的趨勢。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化 從表5可以看出,1987-2001和2001-2008年間各項(xiàng)單項(xiàng)服務(wù)功能按生態(tài)系統(tǒng)占總服務(wù)功能排序發(fā)生了不同程度的變化。在1987-2001年間,水分調(diào)節(jié)和水分供應(yīng)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(jià)值,占總變化的6.11%,其中保持增加的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值有水分調(diào)節(jié)、水供應(yīng)、廢物處理、傳粉、侵蝕控制和娛樂,其余項(xiàng)均呈減少趨勢?？梢娫谠撾A段,礦區(qū)的興建和城市化進(jìn)程的加快,沒有導(dǎo)致總體生態(tài)服務(wù)價(jià)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(wù)價(jià)值增幅較大,主要是由于水分調(diào)節(jié)、水供應(yīng)兩項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的增加導(dǎo)致的,其主要原因是由于該區(qū)屬于后采礦區(qū),處于復(fù)墾階段,采煤塌陷地的復(fù)墾方向主要是以農(nóng)業(yè)和漁業(yè)為主,積極復(fù)墾為旅游業(yè),適當(dāng)復(fù)墾為建設(shè)用地。從而使得該區(qū)的水體和農(nóng)業(yè)用地(主要是林地、綠地和耕地)面積增加,導(dǎo)致該階段九里礦區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值急劇增加。

表4 1987-2008年九里礦區(qū)生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值及價(jià)值構(gòu)成變化

表5 九里礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值變化

3.2.4 敏感性分析 根據(jù)前面CS計(jì)算公式,本文把VC分別上下調(diào)整 50%,計(jì)算出了研究區(qū)1987年、2001年和2008年的CS。結(jié)果表明,ESV對VC的敏感性指數(shù)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(dāng)水體的VC增加1%時(shí),ESV增加0.29%～0.30%。這表明,研究區(qū)內(nèi)ESV對VC是缺乏彈性的,研究結(jié)果是可信的。

4 結(jié)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(gè)時(shí)段有所不同,在1987-2001期間,由于礦區(qū)的開采,導(dǎo)致大量的耕地和林地等轉(zhuǎn)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(wù)價(jià)值在該階段呈現(xiàn)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(dāng)?shù)卣雠_了相關(guān)有利于礦區(qū)土地復(fù)墾的相關(guān)政策,使得大量的礦區(qū)用地轉(zhuǎn)化為耕地、水體和觀光旅游區(qū)等,使得該區(qū)在該時(shí)段整體生態(tài)服務(wù)價(jià)值急劇增加,增加了396 956.27萬元。

16類單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的水分調(diào)節(jié)、水供應(yīng)、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(fù)墾的過程中,水體的面積大量增加。此外,大氣調(diào)節(jié)、擾動調(diào)節(jié)、土壤的形成與保護(hù)、食物生產(chǎn)等的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)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(nóng)田等,煤礦區(qū)土地復(fù)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(diào)整改造和振興的主要任務(wù)是大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級,而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整必然伴隨著土地利用結(jié)構(gòu)的變化,這必將對生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益產(chǎn)生影響。在這個(gè)過程中應(yīng)在不影響其生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加大土地利用規(guī)劃的科學(xué)性并且有步驟地實(shí)施采煤塌陷的生態(tài)恢復(fù),發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì),遏制景觀破碎化,合理控制城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展,加強(qiáng)水域保護(hù),進(jìn)一步提高各地類自身的生態(tài)價(jià)值,促進(jìn)地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善的雙贏。

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