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      煤礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存估算及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

      2018-07-19 15:24:22徐占軍馮俊芳
      關(guān)鍵詞:天安儲(chǔ)存土地利用

      徐占軍,馮俊芳,程 盼,張 媛

      (山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,晉中,030801)

      0 引 言

      煤炭是中國最主要的能源,對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。但相關(guān)資料顯示,2016年中國的煤炭年產(chǎn)量為33.6億t,據(jù)預(yù)計(jì),截止到2035年,煤炭在中國基礎(chǔ)能源消費(fèi)中仍會(huì)占比51%[1]。多年的高強(qiáng)度開采,在礦區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害,破壞了整個(gè)礦區(qū)的原有的土地利用結(jié)構(gòu)以及景觀格局[2],并持續(xù)威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全[3]。因此,在礦區(qū)優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)最大化生態(tài)儲(chǔ)存,從而最小化生態(tài)損失已成為礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)之一[4-7]。

      生態(tài)存儲(chǔ)是土地利用數(shù)量、質(zhì)量、類型及分布所引起的生態(tài)變化的綜合表達(dá)[8],對(duì)于煤礦區(qū)而言,要最大化煤炭開采中的生態(tài)儲(chǔ)存,需要估算煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài),并明確其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)程度。對(duì)此張建軍基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值構(gòu)建“生態(tài)存儲(chǔ)”模型,從生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)、生態(tài)儲(chǔ)存加速度、生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)研究了礦業(yè)城市以及礦業(yè)城鎮(zhèn)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的響應(yīng)過程[4,9]。但是基于礦業(yè)城市和礦業(yè)城鎮(zhèn)空間尺度上的研究及其結(jié)論還不能精確和全面的描述煤炭開采活動(dòng)對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)存儲(chǔ)影響及其過程,因?yàn)槿祟惷禾块_采活動(dòng)對(duì)生態(tài)存儲(chǔ)影響最為劇烈的核心區(qū)域是煤礦區(qū)。在礦區(qū)人類活動(dòng)對(duì)土地利用以及景觀格局的擾動(dòng)因素、形式、過程、程度與其周邊的非礦區(qū)完全不同,故而其生態(tài)存儲(chǔ)狀態(tài)及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)也不同。

      針對(duì)該問題,張笑然等基于煤礦區(qū)尺度利用生態(tài)儲(chǔ)存模型對(duì)平朔露天煤礦的生態(tài)存儲(chǔ)進(jìn)行了定量分析和研究[8],本文則以山西省晉煤集團(tuán)11個(gè)集中連片的井工煤礦區(qū)為研究區(qū),基于生態(tài)儲(chǔ)存理論研究煤炭開采區(qū)土地利用轉(zhuǎn)變中的生態(tài)儲(chǔ)存和保護(hù),集中于煤礦區(qū)空間尺度,強(qiáng)調(diào)“轉(zhuǎn)變進(jìn)程”,將生態(tài)內(nèi)涵量化,研究井工煤礦開采區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存和保護(hù)對(duì)土地利用轉(zhuǎn)變的響應(yīng),從而為井工礦區(qū)土地利用及生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)提供基礎(chǔ)和依據(jù),推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

      1 數(shù)據(jù)和方法

      1.1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于山西省晉城市長河流域(圖1),流域內(nèi)部包含川底鄉(xiāng)、大東溝鎮(zhèn)和下村鎮(zhèn),共48個(gè)村莊,總面積約108 km2,總?cè)丝诩s5.4萬人,屬于溫帶大陸性氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱濕潤,全年四季分明,降水較少,降水量自西北向東南遞增,年平均氣溫10~11℃,且自南向北遞減。地貌呈現(xiàn)為黃土高原與褶皺山板兩者交錯(cuò)分布,整體上北高南低。

      流域境內(nèi)礦產(chǎn)資源以煤為主,含煤面積達(dá)528.6 km2。含煤地層為山西組和太原組,共含煤8~17層,總厚度約9.18~14.23 m。該區(qū)煤礦隸屬山西晉煤集團(tuán),集中分布著成莊煤礦等11個(gè)煤礦,煤礦的生產(chǎn)規(guī)模目前均在45萬t/a以上,是中國主要的產(chǎn)煤區(qū)之一。該地區(qū)地處黃土高原,依靠豐富的煤炭資源,經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展,但特殊的黃土層和粗放的煤炭開采方式使該區(qū)的土地塌陷,滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重[10-13],抑制著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力,使其在中國北方多數(shù)壓煤區(qū)、采煤區(qū)具有很強(qiáng)的代表性。

      圖1 研究區(qū)礦區(qū)分布Fig.1 Distribution of mining area in study area

      1.2 數(shù)據(jù)來源

      澤州縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于澤州縣國土局以及晉城市國土局,各年度土地利用現(xiàn)狀調(diào)查及變更數(shù)據(jù)庫和相關(guān)遙感影像數(shù)據(jù);煤礦區(qū)數(shù)據(jù)由晉城市長河流域各煤礦提供,其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)依托國土資源部行業(yè)性專項(xiàng),由澤州縣農(nóng)業(yè)局、統(tǒng)計(jì)局等提供。

      1.3 研究方法

      1.3.1 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)模型

      本文使用的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)模型來自Robert Costanza于1997年提出的ESV(ecosystem service value)評(píng)價(jià)模型[14],即:按照不同的生態(tài)系統(tǒng)類型,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量化,使得抽象的生態(tài)概念與具體的經(jīng)濟(jì)效益相聯(lián)系,以便更好地評(píng)價(jià)和衡量研究區(qū)綜合發(fā)展能力[4]。

      式中ESV是研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量,Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i的面積,hm2;VCi是與生態(tài)系統(tǒng)類型i對(duì)應(yīng)的價(jià)值系數(shù)。除了上述模型,本文還參考了謝高地等于2003年制定的生態(tài)系統(tǒng)單位面積的服務(wù)價(jià)值系數(shù)[15],其結(jié)果更切合中國實(shí)際情況。本文的研究對(duì)象是研究區(qū)內(nèi)的礦區(qū)及非礦區(qū)。因此本文依據(jù)張建軍根據(jù)成本法估算出的礦業(yè)城市城鎮(zhèn)和工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值系數(shù),以及修正的水體生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)于季節(jié)性河流的價(jià)值系數(shù)[4],得到最終的價(jià)值系數(shù)(表1)。

      表1 不同陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)Table1 Different land ecosystem service function value coefficient

      1.3.2 生態(tài)儲(chǔ)存模型及其相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

      生態(tài)儲(chǔ)存描述的是土地利用變化與其生態(tài)響應(yīng)之間的相互關(guān)系,是由過去、當(dāng)前及未來可能的自然活動(dòng)和人類活動(dòng)共同決定的土地利用數(shù)量、質(zhì)量、類型及分布所引起的生態(tài)變化的綜合表達(dá)。根據(jù)張建軍提出的生態(tài)儲(chǔ)存理論,生態(tài)儲(chǔ)存不僅是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的主要積累方式,還是使生態(tài)系統(tǒng)在各種人為和自然活動(dòng)擾動(dòng)下得到更新與保護(hù)的重要前提。生態(tài)儲(chǔ)存估算模型包括狀態(tài)模型(ecological storage state,ESS)、過程模型(ecological storage process)和能力模型(ecological storage capacity,ESC)。

      生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)(ESS)描述的是當(dāng)前研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存的靜態(tài)情況。而偏差(deviation,D)被用來描述生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)與區(qū)域平均生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的偏差以及兩年之間生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的偏差,生態(tài)儲(chǔ)存加速度(ecological storage acceleration,ESA)則被用來描述在研究期內(nèi)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存水平的變化狀態(tài)。

      生態(tài)儲(chǔ)存過程描述的是礦區(qū)2種煤礦區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變的過程中帶來的生態(tài)儲(chǔ)存的變化,可用生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率(ecological storage transformation rate,ESR)來表征。

      生態(tài)儲(chǔ)存能力(ESC)描述的是過去及當(dāng)前生態(tài)儲(chǔ)存水平在未來某時(shí)段發(fā)生轉(zhuǎn)換的可能性。ESC越高意味著一種具有低效生態(tài)功能的系統(tǒng)向另一種具有高效生態(tài)功能的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的可能性越大。

      ESS、D、ESA、ESR、ESC的計(jì)算公式如下[4]。

      式中ESS是礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài),h是估算礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)對(duì)應(yīng)的年數(shù)(ESS是每年都進(jìn)行估計(jì),h可以看成是“1”),ESVi是生態(tài)系統(tǒng)類型i所對(duì)應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i的面積。

      式中D表示第k個(gè)礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)與整個(gè)研究區(qū)域生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)之間的偏差,ESSk表示第k個(gè)礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)值,k是待評(píng)估礦區(qū)。是整個(gè)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的平均值。

      式中ESA是礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存加速度,表示ESS改善或退化的程度,q和j是起始年和結(jié)束年,nq和nj是估算年初期和末期礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的年份數(shù)(由于ESS是每年估計(jì)的,nq和nj都看作是1),N是研究階段的總年數(shù)。

      式中ESR是生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率,a是轉(zhuǎn)變之前的生態(tài)系統(tǒng)類型,b是轉(zhuǎn)變之后的生態(tài)系統(tǒng)類型,Aa→b表示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型由a類型轉(zhuǎn)變?yōu)閎類型的轉(zhuǎn)換面積,VCb和VCa分別代表生態(tài)系統(tǒng)類型b和a的價(jià)值系數(shù),ESV0指研究區(qū)初始生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

      式中ESC是生態(tài)儲(chǔ)存能力,是生態(tài)系統(tǒng)類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷臉O端生態(tài)服務(wù)價(jià)值的平均數(shù),f是生態(tài)系統(tǒng)類型i可能轉(zhuǎn)變的所有類型的數(shù)量,Pi是生態(tài)系統(tǒng)類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷目赡苄?,Ai是生態(tài)系統(tǒng)類型i占研究區(qū)的面積,At是研究區(qū)的總面積。

      1.3.3 生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)模型和方法

      在工礦區(qū)人類采煤活動(dòng)越活躍,強(qiáng)度越高,礦區(qū)土地利用轉(zhuǎn)化就越頻繁,對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的的影響越強(qiáng),礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存的響應(yīng)也越為明顯,而土地作為媒介,能夠指示這種響應(yīng)程度。所以本文通過生態(tài)“活躍度”來反映礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用綜合響應(yīng),以生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)(ESS)、生態(tài)儲(chǔ)存過程(ESR)和生態(tài)儲(chǔ)存能力(ESC)的綜合評(píng)估為基礎(chǔ),分別代表土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍狀態(tài)、活躍程度和活躍可能性;同時(shí),工礦區(qū)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)模式?jīng)Q定了未來長期的土地利用和生態(tài)平衡,所以選擇生態(tài)儲(chǔ)存格局(ecological storage pattern,EP)作為指標(biāo)體系的組成部分,作為土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍平衡性;而且,在某些人口密集或者產(chǎn)業(yè)集中的工礦區(qū),條件較差的土地是十分重要的后備生態(tài)補(bǔ)償資源。因此,本文也將生態(tài)儲(chǔ)存條件(ecological storage condition,LC)考慮在內(nèi),作為土地利用對(duì)生態(tài)影響的活躍條件。

      生態(tài)儲(chǔ)存格局(EP)指標(biāo)我們選用景觀格局指標(biāo)中的香農(nóng)指數(shù)(Shannon指數(shù))求取[16-17]。而生態(tài)儲(chǔ)存條件(LC)定義為礦區(qū)內(nèi)不可利用土地(裸地)的面積與礦區(qū)整體面積的比率。二者的計(jì)算公式:

      式中P′c是第c種土地利用類型的面積占整個(gè)研究區(qū)的面積比;μ指研究區(qū)土地利用類型的數(shù)量,Ac是指研究區(qū)第c種土地利用類型的面積,hm2;At是指整個(gè)研究區(qū)的面積,hm2;LCk是礦區(qū)k的生態(tài)儲(chǔ)存條件值,Ask是礦區(qū)k中未利用土地的面積,hm2;As是研究區(qū)未利用土地的面積,hm2。

      綜上所述,利用ESC、ESR、ESC、EP和LC來綜合評(píng)價(jià)生態(tài)存儲(chǔ)對(duì)土地利用的響應(yīng)程度,評(píng)價(jià)方法選用模糊綜合評(píng)價(jià)法。評(píng)價(jià)過程如下:

      1)建立上述5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)單元集合

      2)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣

      3)建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合并確定模糊隸屬度函數(shù)。

      4)計(jì)算評(píng)價(jià)要素所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊隸屬度矩陣其中rij代表指標(biāo)ui到評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度[18-20]。在指標(biāo)映像中,值為0意味著指標(biāo)不在模糊集合中;值等于1說明指標(biāo)完全在模糊集合之內(nèi);0~1之間的數(shù)值描述指標(biāo)的隸屬程度。

      5)運(yùn)用B=WR確定各礦區(qū)的隸屬度矩陣,進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

      1.4 數(shù)據(jù)處理

      1.4.1 ESS、ESR、ESC、EP和LC的計(jì)算

      基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值模型,依據(jù)ESS、ESR、ESC、EP和LC的計(jì)算公式,并利用研究區(qū)2010—2015年的土地利用變化數(shù)據(jù)計(jì)算了研究區(qū)11個(gè)煤礦的ESS、ESR、ESC、EP和LC值。

      1.4.2 建立評(píng)價(jià)單元集合(U)并計(jì)算權(quán)重矩陣(W)設(shè)總體使用AHP法確定上述5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,并在Matlab軟件實(shí)現(xiàn)(表2)。

      表2 判別矩陣和權(quán)重確定Table2 Discriminant matrix and weight

      1.4.3 建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合V,確定模糊隸屬度函數(shù)

      首先確定指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn):1)研究區(qū)內(nèi)指標(biāo)值的發(fā)生概率(頻數(shù));2)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)閾值區(qū)間的等間隔分布;3)區(qū)分指標(biāo)值的正值與負(fù)值。運(yùn)用SPSS制作出各指標(biāo)在各個(gè)區(qū)域評(píng)價(jià)分值的頻數(shù)圖,結(jié)合頻數(shù)圖及另外兩項(xiàng)原則,得到各指標(biāo)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

      表3 研究區(qū)生態(tài)保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation index of ecological conservation level standard in study area

      其次確定各個(gè)指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)。以ESS指標(biāo)為研究案例,其分組關(guān)系依據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及本文1.3.3小節(jié),基于三角模糊分布、升半梯形模糊分布和降半梯形模糊分布隸屬度函數(shù)[21-25],來確定指標(biāo)的分組。ESS的5組等式集被劃分成如下5組群組關(guān)系,其中x代表ESS所對(duì)應(yīng)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)值,yi代表各等級(jí)。其他指標(biāo)的分組關(guān)系計(jì)算方法類似。

      1.4.4 綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

      將研究區(qū)各個(gè)煤礦區(qū)的ESS、ESR、ESC、EP、LC這5個(gè)指標(biāo)代入基于模糊隸屬度函數(shù)得到模糊隸屬度矩陣R結(jié)合權(quán)重矩陣W,依據(jù)公式B= WR,來對(duì)研究區(qū)11個(gè)煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以研究區(qū)的天安岳圣煤礦區(qū)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其他區(qū)域的數(shù)據(jù)處理過程與之相同。計(jì)算過程如下:

      1)將5個(gè)指標(biāo)起始數(shù)據(jù)與分組關(guān)系功能對(duì)應(yīng),然后可以得到5×5模糊矩陣;

      2)用模糊矩陣乘以表2中的權(quán)重矩陣,可以得到綜合評(píng)價(jià)矩陣B;

      3)最后,根據(jù)模糊評(píng)價(jià)法中的最大隸屬度原則得到天安岳圣的生態(tài)保護(hù)值為等級(jí)3。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 土地利用變化和ESV變化

      2.1.1 土地利用變化

      如圖2所示,研究區(qū)共7種土地利用類型,其中耕地是土地利用結(jié)構(gòu)的重要組成部分,占總面積一半以上。但從2006起,晉煤集團(tuán)執(zhí)行《山西省煤炭工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,加快實(shí)“億噸基地、千億規(guī)模、百年企業(yè)、能源旗艦”的戰(zhàn)略,促使研究區(qū)采礦用地增加,同時(shí)由于煤礦的擴(kuò)大生產(chǎn),礦區(qū)人口也快速增加,促使建設(shè)用地也逐漸增多。盡管在2012之后,由于政府加強(qiáng)推進(jìn)煤炭工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)以及嚴(yán)格控制各類用地之間的轉(zhuǎn)換,變化趨勢有所減緩,但是該區(qū)采礦用地和建設(shè)用地在研究期(2006—2015年)仍然大量增加,建設(shè)用地和采礦用地分別增加271.33和283.35 hm2,耕地和林地面積分別減少360.24和219.37 hm2,變化明顯??傮w來說,研究區(qū)具有正向生態(tài)效應(yīng)的土地利用類型大都有減少的趨勢,不利于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善。

      圖2 研究區(qū)2006—2015年土地利用變化Fig.2 Land use change in study area from 2006 to 2015

      2.1.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值的變化

      研究表明,土地利用變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要因素[26]。由于研究區(qū)各類用地面積變化及其生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)不同,所以各類土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV)變化也不同。圖3顯示研究區(qū)耕地、林地和采礦用地ESV的主要變化情況,其中采礦用地的ESV值大幅下降且與研究區(qū)ESV總值變化程度趨同。

      圖3 研究區(qū)2006—2015年ESV變化Fig.3 ESVs change in study area from 2006 to 2015

      研究期內(nèi),研究區(qū)內(nèi)耕地和林地面積逐年減少,兩者ESV值均小幅下降,鑒于林地的價(jià)值系數(shù)高于耕地區(qū),因而林地ESV的變化幅度更明顯。此外,采礦用地ESV下降趨勢最明顯,主要是由于采礦用地的增加以及采煤活動(dòng)的開展,強(qiáng)烈干擾著區(qū)域土壤基質(zhì)、生物區(qū)系、植被類型與分布[27-30],這種多方位的損傷使得每單位采礦用地的增加所帶來的生態(tài)負(fù)價(jià)值比其他各類用地都強(qiáng),最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞,從而影響區(qū)域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。綜上所述,與林地、耕地相比,研究區(qū)總ESV值與采礦用地ESV值變化趨勢更為接近。具體表現(xiàn)為:2006—2012年明顯減少,2012年之后下降趨勢逐漸減緩。

      表4 研究區(qū)2010和2015年礦區(qū)及非礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)Table 4 Ecological storage state of the mining area and non-mining area between 2010 and 2015 in study area

      2.2 生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)

      表4為研究區(qū)11個(gè)煤礦區(qū)的2010和2015年的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)(ESS)值和生態(tài)儲(chǔ)存加速度(ESA)值。從表4中可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)除了天安盈盛的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)由正變負(fù)外,其余都為正,說明研究區(qū)整體生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)良好。其中天安圣華的ESS最佳。據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù),在2010年后天安圣華煤礦經(jīng)兼并重組,井田面積大幅縮小,加之有序發(fā)展農(nóng)業(yè),人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)對(duì)固有生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)較小,因而該煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)最佳。而天安盈盛煤礦在研究期間生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大,由30萬t/a增加到60萬t/a,加劇了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性和敏感性,導(dǎo)致其2015年生態(tài)儲(chǔ)存大幅下降,甚至變?yōu)樨?fù)值。

      本文利用生態(tài)儲(chǔ)存加速度(ESA),以分析研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)的改善水平。表4顯示,在2010和2015年,除天安圣華的ESA為正值,ESS得到改善,其他區(qū)域ESA值均為負(fù),其中天安盈盛煤礦以1000.41元/hm2·a的速度發(fā)展,生態(tài)退化最嚴(yán)重。研究區(qū)90%以上的煤礦區(qū)以及非礦區(qū)的ESA均為負(fù)值,表明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境處于不斷退化的狀態(tài),且主要區(qū)域集中在礦區(qū),因?yàn)榉堑V區(qū)的ESA絕對(duì)值與其他10個(gè)煤礦區(qū)相比很小,表明非礦區(qū)生態(tài)退化不嚴(yán)重。

      相比于整個(gè)研究區(qū)的平均ESS(圖4),4個(gè)礦區(qū)的ESS處于低水平,其偏差都為負(fù)值,生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)不穩(wěn)定,而5個(gè)ESS處于高水平的礦區(qū)在一定程度上彌補(bǔ)了其他礦區(qū)所帶來的負(fù)生態(tài)儲(chǔ)存,保證了研究區(qū)總體生態(tài)平衡。此外,由于天安壁盈煤礦連年的采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)原有地貌和生態(tài)環(huán)境損毀加劇,使其生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)不斷惡化。而天安晉瑞和非礦區(qū)則恰恰相反,采煤活動(dòng)所帶來的部分消極影響基本被后期土地復(fù)墾和植被恢復(fù)所增加的積極生態(tài)用地所抵消,其生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)逐漸趨穩(wěn)。

      圖4 研究區(qū)2010年和2015年礦區(qū)及非礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存偏差Fig 4 Ecological storage deviation of mining area and non-mining area between 2010 and 2015 in study area

      2.3 生態(tài)儲(chǔ)存過程

      生態(tài)儲(chǔ)存過程可通過生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化率和生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量來表示。如表5所示,研究區(qū)2010年到2015年的生態(tài)系統(tǒng)整體上呈消極轉(zhuǎn)化態(tài)勢。在研究時(shí)段和研究區(qū)范圍內(nèi),由于天安圣華只分布耕地和水域2種具有積極生態(tài)儲(chǔ)存功能的用地類型,其生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量為9.33千元/hm2,轉(zhuǎn)化率最高,為23.12%,且無消極生態(tài)儲(chǔ)存,故生態(tài)儲(chǔ)存朝正向發(fā)展。其余研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化量和轉(zhuǎn)化率均為負(fù)值,其消極轉(zhuǎn)化量主要來自由于研究區(qū)工業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度的增加所引起區(qū)域土地利用變化,如礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與升級(jí)以及工業(yè)化帶動(dòng)城鎮(zhèn)化的發(fā)展,從而使整個(gè)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存朝消極方向發(fā)展。此外,在研究區(qū)內(nèi),天安盈盛的耕地和林地減少最為明顯,且未得到相應(yīng)補(bǔ)償,因而總轉(zhuǎn)化率最低,為-115.38%;除天安圣華外,由于非礦區(qū)居民點(diǎn)較多,城鎮(zhèn)建設(shè)用地比例大,但城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)遠(yuǎn)大于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng),故非礦區(qū)總生態(tài)轉(zhuǎn)化率最高,為-3.27%。

      表5 研究區(qū)2010—2015年生態(tài)儲(chǔ)存過程Table 5 Ecological storage process from 2010 to 2015 in study area

      表6 研究區(qū)2010—2015年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換面積Table 6 Ecosystem type conversion area in study area from 2010 to 2015

      2.4 生態(tài)儲(chǔ)存能力

      結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,本文把不同生態(tài)系統(tǒng)類型之間的轉(zhuǎn)換作為估算ESC的基礎(chǔ)。表6顯示研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型從原先的4種轉(zhuǎn)變?yōu)?種,其中森林生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向其他生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)出面積最多,分別為114.78和158.93hm2,且兩者都未出現(xiàn)轉(zhuǎn)入的情況。轉(zhuǎn)出的生態(tài)系統(tǒng)類型主要集中在工業(yè)、城鎮(zhèn)、草地生態(tài)系統(tǒng),其中工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)入量最多,為134.61hm2,占總轉(zhuǎn)化面積的46.33%;城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)分別占到41.11%、35.04% 。綜上所述,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)化頻繁,主要表現(xiàn)為積極生態(tài)功能的生態(tài)系統(tǒng)面積減少,且多轉(zhuǎn)化為具有消極功能的生態(tài)系統(tǒng)。

      本文以天安岳圣為例,估算ESC,其他煤礦區(qū)和天安岳圣的估算過程相同,不一一列出。根據(jù)表1以及ESC計(jì)算公式,可以得到天安岳圣的ESC(表7)及其他區(qū)域的ESC(表8)。

      表7 天安岳圣的生態(tài)儲(chǔ)存能力(ESC)Table 7 Estimation of ecological storage capacity in Tian’an yue sheng 103元×hm-2×a-1

      表8 研究區(qū)各煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存能力Table 8 Ecological storage capacity of study area

      如表8所示,研究區(qū)所有區(qū)域的ESC都為正值,表明該研究時(shí)段研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存狀況較積極。在研究期(2006—2015年),由于山西省煤炭資源整合政策的施行,各個(gè)礦區(qū)都先后進(jìn)行兼并重組,并實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)治理與土地復(fù)墾工程,有力地推進(jìn)了研究區(qū)的生態(tài)工程建設(shè),逐步實(shí)現(xiàn)采礦和建設(shè)用地向生態(tài)用地的轉(zhuǎn)變,增加潛在的生態(tài)儲(chǔ)存能力。通過對(duì)比,天安海天的ESC最小,土地類型的單一,易受干擾的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng),導(dǎo)致與其他用地之間的轉(zhuǎn)換可能性較小,故生態(tài)儲(chǔ)存能力最?。欢彀彩トA的土地類型主要為具有積極生態(tài)功能的耕地和水域用地,其生態(tài)系統(tǒng)基本上能保持平衡,所以ESC值最大??傮w而言研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存能力有積極轉(zhuǎn)變趨勢。

      2.5 生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)

      生態(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃一共涉及5個(gè)因素(包括ESS、ESR、ESC、EP和LC),其他2個(gè)因素——生態(tài)儲(chǔ)存格局(EP)和生態(tài)儲(chǔ)存條件(LC)的計(jì)算結(jié)果見表9。不同于EP,LC則與區(qū)域的地形地貌相關(guān)。成莊煤礦的裸地較多,故LC值最高;而天安葦町、天安海天、天安壁盈、天安圣華、天泰岳南在研究區(qū)內(nèi)沒有裸地,所有土地都得到利用,LC值均為0。

      表9 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣性和土地條件Table 9 Ecosystem diversity and soil conditions of study area

      基于本文1.3.3節(jié)有關(guān)研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)的計(jì)算模型和方法,其他煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果以及評(píng)價(jià)等級(jí)均可以得到(圖5)。

      圖5 研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)Fig.5 Ecological protection level in study area

      結(jié)果表明研究區(qū)11個(gè)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)集中在第3級(jí)。天安圣華屬于第一級(jí)區(qū)域(高生態(tài)保護(hù)能力),根據(jù)《澤州縣生態(tài)功能區(qū)劃》發(fā)展綱要,天安圣華煤礦所在區(qū)域?qū)儆陂L河流域煤產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū),依靠優(yōu)越的地理位置,長期堅(jiān)持發(fā)展與保護(hù)并重的政策,著重建設(shè)蔬菜基地,促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,因而生態(tài)保護(hù)程度最高,屬于較為積極的生態(tài)響應(yīng)等級(jí)。而在第4、5級(jí)的區(qū)域中,天安壁盈、天安葦町和天安盈盛等煤礦則是由于其前期落后的煤炭開采方式,導(dǎo)致采空區(qū)煤柱面積比率較其他礦區(qū)大,采礦和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞遠(yuǎn)超生態(tài)系統(tǒng)承受能力,在生態(tài)脆弱的黃土高原,其難以持續(xù)保持高的生態(tài)水平,這些煤礦區(qū)礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存對(duì)土地利用的響應(yīng)較為被動(dòng)。但總體來看,研究區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存綜合響應(yīng)能力較強(qiáng),大多數(shù)區(qū)域?qū)儆诘?級(jí)。

      由圖5可知,第2、3級(jí)區(qū)域存在豐富的林地,在一定程度可提高區(qū)域的生態(tài)保護(hù)能力;第5級(jí)區(qū)域建設(shè)用地和采礦用地分布多,因而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高,而人類采煤活動(dòng)是研究區(qū)的生態(tài)破壞的主要因素。除了天安壁盈,1、2、4、5級(jí)區(qū)域都分布在研究區(qū)的邊緣地帶,中心部分則被第3級(jí)區(qū)域覆蓋。最重要的是第1級(jí)與第5級(jí)區(qū)域之間存在過渡帶,這非常有益于研究區(qū)整體的生態(tài)改善。

      3 結(jié)論

      本文基于生態(tài)儲(chǔ)存理論,以山西省晉煤集團(tuán)11個(gè)集中連片的井工煤礦區(qū)為研究區(qū),研究了煤礦區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存估算及其對(duì)土地利用的綜合響應(yīng),得到了以下研究結(jié)論。

      1)研究區(qū)總體的生態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)(ESS)較好,幾乎所有煤礦區(qū)以及非煤礦區(qū)都是正生態(tài)儲(chǔ)存。從整體來看,研究區(qū)頻繁的土地利用轉(zhuǎn)變帶來了消極的生態(tài)儲(chǔ)存。在所有區(qū)域中,只有天安圣華總體處于積極生態(tài)儲(chǔ)存過程,其他煤礦區(qū)的消極生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化都多于積極轉(zhuǎn)化,生態(tài)環(huán)境退化,且都比非礦區(qū)嚴(yán)重。而在這之中,天安盈盛的消極生態(tài)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化最多。

      2)研究區(qū)所有煤礦區(qū)的生態(tài)儲(chǔ)存格局(EP)值都為負(fù)值,生態(tài)系統(tǒng)多樣性差,生態(tài)模式不穩(wěn)定。而非礦區(qū)由于受到附近礦區(qū)采煤的影響,EP也為負(fù),表明采煤對(duì)礦區(qū)及其周邊的生態(tài)環(huán)境具有負(fù)影響。

      3)在研究期(2006—2015年)研究區(qū)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存能力有積極轉(zhuǎn)變趨勢,原因是山西省煤炭資源整合政策的施行以及積極實(shí)施的礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)恢復(fù)治理與土地復(fù)墾工程,能夠有力地推進(jìn)了研究區(qū)的生態(tài)工程建設(shè),并增加潛在的生態(tài)儲(chǔ)存能力。

      4)研究區(qū)煤礦的生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)集中在第3級(jí),從研究區(qū)生態(tài)儲(chǔ)存等級(jí)的空間分布上發(fā)現(xiàn),在第1級(jí)與第5級(jí)區(qū)域之間存在過渡帶,非常有益于研究區(qū)整體的生態(tài)改善。其中天安壁盈煤礦接近研究區(qū)中心位置,相關(guān)部門應(yīng)著重該區(qū)的的生態(tài)恢復(fù)和改善,調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),增加生態(tài)投入,使得生態(tài)退化在可控范圍之內(nèi),平衡生態(tài)格局以促進(jìn)生態(tài)多樣化。

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