礦區生態系統服務功能價值對煤礦開采工程的響應

李峰王素芳

（1河南省煤田地質局資源環境調查中心 河南鄭州 4500032河南省礦山地質環境重點實驗室 河南鄭州 450003 3機械工業第六設計研究院有限公司 河南鄭州 450007）

我國采煤活動以井采為主，由于煤炭被采出后，開采區域周圍巖體的應力在達到新的平衡過程中將產生開采地面沉陷，地表沉陷程度較嚴重區域，可以使陸地變為水域，動植物的生存環境發生較大變化，從而導致礦區生態系統的結構和功能發生較大的變化；礦區生態系統是一個復雜的生命支持系統[1]，礦區要實現可持續發展就必須保護這個生命支持系統，維持生態系統服務功能價值的可持續性[2]。生態系統服務功能價值是生態系統環境質量定量評價方法之一，國內外許多學者運用不同方法從不同角度對各種生態系統服務功能價值進行了研究[3-4]，但對于井采的煤礦區生態系統服務功能價值的研究較少，井采導致的生態系統結構和功能變化較大，因此，研究生態系統結構和功能變化背景下煤礦區生態系統服務功能價值的變化響應具有重要意義。

1 研究區概況

某煤礦區位于淮北平原中部，礦井設計規模1.8Mt/a，可采煤層數7層，設計生產年限為50.3a，井田東西走向長6.9~13.6km，南北寬1.2~3.4km，井田面積34.85km2。所研究礦區在地貌單元上屬于華北大平原的一部分，井田范圍內地形平坦，在土地利用上，是一個土地利用率較高的農業耕作區。井田區域內的水體均為人工開挖的農灌溝渠，地表潛水位埋深為2.26～5.688m。

2 研究方法

2.1 數據來源

結合衛星影像圖，取得植被組成、土地利用現狀、地貌地形、土壤地質等第一手資料，利用Acr/info處理軟件繪制評價礦區現狀1/50000相關生態數據統計表。

研究礦區服務期結束后生態系統的數據采用中國礦業大學開采損害及防護研究所研制的礦區沉陷預計系統（MSPS），該系統應用原理為概率積分法模型[5-6]。根據煤層開采厚度，采深及有關預計參數，計算出礦井開采后產生的地表變形最大值，并結合礦區地下水環境的特點，進一步得出礦區服務期結束后的生態系統類型統計數據。

2.2 礦區生態系統服務價值評價方法

礦區內生態系統類型的不同將引起生態系統服務功能在維持礦區生態協調發展中的作用不同，有關生態系統服務的研究始于20世紀70年代，但由于生態系統的內在復雜性和缺乏相應的價值評估理論與方法體系而進展緩慢[7]。1997年Costanza等在《自然》雜志上首次明確了生態系統服務價值的原理及方法，并明確指出生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[8]，其提供的價值當量在生態服務評價中得到了廣泛引用。但在該項研究某些數據存在較大偏差，如對耕地的估計過低，對濕地又偏高等，我國學者謝高地等人[9]根據中國實情,參考Costanza的研究成果制定了中國陸地生態系統單位面積生態服務價值表(見表1)。考慮到研究礦區評價范圍內沒有濕地，且耕地占有較大比例，因此，本次研究選用了謝高地等提出的生態服務價值表，并結合Costanza提出的ESV計算公式進行估算。其計算公式為:

ESV是生態系統服務價值(元)；Ak為研究區k種生態系統類型的分布面積(hm2)；VCk為該類生態系統單位面積的生態系統服務價值系數(元/hm2)；ESVf為生態系統單項服務功能價值（元）；VCfk是單項服務功能價值系數(元/hm2).

2.3 敏感性分析方法

為驗證礦區生態系統類型對于各生態系統類型的代表性和謝高地所提供價值系數的準確性,本文應用敏感性指數(Coefficient ofSensitivity,簡稱CS)以確定ESV隨時間變化對VC變化的依賴程度,即VC變動1%引起ESV的變化情況,如果CS>1,就說明ESV對VC是富有彈性的;如果CS<1,就說明ESV對VC是缺乏彈性的.比值越大,表明VC的準確性越關鍵.本研究采用將各生態系統的價值系數分別調整50%，來說明ESV對VC的敏感程度．敏感性指數(CS)計算公式如下[10-11]：

式中：ESV為總生態系統服務價值；VC為生態價值系數；i和j分別代表初始總價值和生態價值系數調整以后的總價值：k為各生態系統利用類型。

表1 中國陸地生態系統單位面積服務價值表 元/（hm2）

3 研究結果及分析評價

3.1 研究區生態系統類型變化分析

由圖1可看出，研究礦區在服務期滿后，生態系統類型發生了較大變化。其總趨勢表現為農田、森林、草地、荒漠生態系統類型占地面積均減少，濕地生態系統類型占地面積增加。通過以上結果可知，研究礦區在開采過程中地表沉陷面積比較大，而且地表下沉值較大，使原有的較平坦的地表產生明顯的斜坡與大面積的積水區域，最終使研究區生態系統發生了較大變化。

3.2 研究區生態系統服務價值變化分析

根據生態系統單位面積服務價值系數（表1）和研究礦區個生態系統類型占地面積（圖1），計算出研究礦區開采前后的生態系統服務價值情況（表2）和研究礦區各種生態系統類型服務價值比例情況（圖2）。由表2可知，研究礦區開采前ESV為4030.171萬元，開采后ESV為9277.077萬元，開采后比開采前ESV增加了5246.907萬元；由圖2可知，研究礦區生態系統單項類型功能服務價值比例變化中農田、森林、草地和荒漠功能服務價值在數量上均有所減少，而濕地生態價值增幅十分明顯。綜合表2和圖2，研究礦區開采前后生態系統服務價值的顯著增大，主要是受各生態系統類型占地面積發生變化的影響。由于單位面積生態價值系數較低的農田、森林、草地和荒漠生態系統轉化為單位面積生態價值系數較高的的濕地，致使研究礦區開采前后生態系統服務價值整體上升。表明在開采前后礦區生態系統的變化產生了較好的生態效益，生態服務功能得到了一定程度的改善。

圖1 研究礦區各生態系統類型面積及其變化

表2 研究礦區生態系統服務總價值及價值構成變化表單位：萬元

圖2 各種生態系統類型 服務價值比例

圖3 ESV敏感性指數變化曲線

3.3 研究區生態服務價值敏感度分析

根據前文所述公式3的計算方法，計算結果見圖3，由圖3可知，ESV對VC的敏感性指數<1，由高到低依次為農田、森林、濕地、草地、未利用地．最高值為0.672～0.686．這說明，研究區內ESV對VC缺乏彈性．研究結果可信．

4 討論

4.1 本文根據礦區開采沉陷的預測，分析了研究礦區的生態系統類型占地面積的變化，然而在實際生產過程中，由于種種因素，在開采很漫長的礦山服務期內生態系統類型占地面積會有所變化，因此，在下一步的研究中，應結合礦區內動態監測結果來分析礦區生態系統功能服務價值的情況。

4.2 礦區生態系統服務價值的價格不僅僅和礦區生態系統的種類、結構、生物多樣性、生物量等有密切的關系，還和礦區所在的空間位置有關系。而本次采用的生態系統服務價值系數是一個廣泛的生物群落賦予的一套估價系數，因此，我們還需要對特定礦區分解生態系統的價值系數工作進行更深層次的研究。

4.3 本文以生態系統服務功能價值理論為基礎進行礦區開采前后生態系統服務價值的評價是對其評價方法的嘗試，通過對礦區開采前后生態系統服務功能價值的變化情況，調整、配置和優化礦區內部及其與外界的物質、能量、信息流動過程,使生態系統的結構、功能和生態學潛力盡快地恢復到正常的、或原有的乃至更高的水平,使礦區生態系統朝著更健康的方向發展。

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