基于生態價值的幕府山采礦廢棄地修復效果評估

潘 葉, 王臘春, 張 燕

(南京大學 地理與海洋科學學院, 南京 210023)

生境破壞造成的環境問題已成為世界面臨的重要環境問題之一，其中，礦產資源開采、選冶對生態環境、土地利用均造成了嚴重的負面影響。近幾十年，生態修復及評價工作不斷深化，對采礦廢棄地的生態修復研究也開始出現[1]，使得礦區生態修復工程有了量化指標，有利于修復重建工作的進一步開展，但仍處于逐漸完善的階段。

國外采礦廢棄地生態恢復的實踐始于1935年，主要針對采礦業和開采地下水造成的各種塌陷環境進行生態恢復[2]。經濟較發達的采礦工業國較早開展了生態修復的研究和評價[3-4]。在其后的實證評估中，生態恢復協會(SER)總結出標志生態系統成功恢復的9個關鍵屬性[5]，通常用于對生態系統狀況的評價指標進行分類[6]。生態修復評價注重生態修復對于社會和經濟方面的貢獻評價，常用意愿調查法[7]、成本—效益分析法[8]、機會成本法[9]等來評估生態恢復工程效果。Daily[10]系統地解析了生態系統服務概念，Costanza等[11]提出了對于全球尺度生態系統服務功能類型的劃分標準，估算了全球的生態價值量。2001年，全球啟動了“千年生態系統評估”(MA)的國際合作項目，提出了具有廣泛應用性的生態系統服務功能分類方法[12]。生態系統服務功能評價多運用于某一個生態系統或國家層面[13-15]，為地區的生態修復提供了較好的決策基礎。

我國從20世紀50年代開始進行生態修復工作[16]，主要側重于水體、森林和城市景觀等的修復[17-19]；采礦廢棄地生態修復的評價多側重于土壤重金屬污染和植被修復的評價[20-23]，對礦山廢棄地生態修復綜合效果的全面系統評價的研究比較少。在少量礦山廢棄地生態修復綜合效果評價的研究文獻中，評價方法主要是層次分析法[24]、頻度分析法[25]、模糊評價[26]。我國對于生態系統服務功能的研究源于20世紀80年代起步的森林資源價值核算[27]，有學者根據Costanza等總結出的生態系統服務功能評估，提出了符合我國的生態系統服務功能價值評估方法[28-29]。但是，森林生態服務功能的價值評估多針對的是整個中國的生態功能評價和自然保護區的估值[30-33]，對較小區域的生態修復效果的精準分析研究不是很多，區域內準確位置上的數據較難獲取是其中一個原因，而且區域內較長尺度的監測數據也缺乏實測資料的支撐。由于沒有建立生境與動植物之間長期的動態監測系統，生態修復評價的指標與數據選取存在很大差異，評價結果無法直接比較。

南京幕府山位于南京市北部、長江南岸，占地面積約44 km2，是白云石和石灰石的極佳采礦場，建國初期就有多家采石場在此建礦采石，之后50 a，采礦業曾是南京經濟的重要產業，但經大規模、無規范的開采，周邊地區的生境嚴重退化，大面積巖石裸露，幕府山西南部海拔200 m的主峰被夷平，并留下50萬m2的大礦坑，山體西北部產生了大量的陡崖和絕壁，采礦前后的地形對比見圖1。1998年，南京市政府關停了所有采礦場，幕燕風景區管理處開展了10 a共10期生態修復工程，每期修復區域的位置不同，修復的主要方式是客土穴植、客土覆被、垂直綠化等，2001年和2002年還分別針對棲建與渡江采石場開采形成的陡崖面進行了專項修復。

圖1 幕府山采礦前后的地形高度變化

本文在實地勘察、采樣、測試，結合高分辨率遙感數據的基礎上，運用生態學的相關原理，探討綜合評價采礦廢棄地生態修復效果的方法，精準計算南京幕府山這一較小區域生態修復初期和修復后的生態服務價值量，并采用可視化方式展現生態修復的效果。研究結果有利于提高人們對于生態修復的重視，以期能得出生態修復評價研究的新成果，進一步豐富生態修復的學術研究，同時，為南京幕燕風景區生態環境的提升與優化提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 評價指標體系建立

根據區域特點和生態價值的內涵以及數據的可獲取性，建立幕府山生態修復效果評價的指標體系，體系分為目標層、準則層和指標層3個層次，涵蓋大氣、土壤、枯落物和植被4個方面。評價指標體系的具體內容如圖2所示。

圖2 南京幕府山生態修復效果評價指標體系

1.2 遙感影像判讀及生物量統計

遙感影像能夠提供可靠的地物和地形的識別依據，通過遙感影像可以掌握幕府山生態修復初期和修復后的生物量變化?；贓NVI與ArcGIS 10，通過對幕府山生態修復初期和修復后的遙感影像圖進行幾何校正、圖像變換和增強等處理，提取土地類型影像特征，計算區域內的歸一化植被指數(NDVI)值。參考文獻[34]中得出的生物量與NDVI值的回歸方程式，并經過與南京紫金山風景區林地生物量[35]的比較修正，計算出幕府山生態修復初期和修復后的生物量以及植被凈生產力NPP，為大氣層的固碳價值量和釋氧價值量的計算做準備。南京幕府山生態修復初期和修復后的遙感影像分別來自于2002年法國空間研究中心SPOT4的全色和多光譜遙感影像(分辨率10 m)，2013年我國資源三號衛星(軌道9525號)的全色和多光譜遙感影像(分辨率5.8 m)。

1.3 采樣與試驗

通過野外調查，統計研究區內植被種類及各樹種的株數，為大氣層和植被層價值量的計算做準備。野外采集幕府山自然生長區和生態修復區的樣品，每一修復工程區內采集1～2個樣品，并通過下列方法，獲得生態修復初期和修復后的土壤層和枯落物層價值量計算的基礎數據。

土壤層調查采用剖面法，在自然生長區和每一生態修復工程區的20 m×20 m樣方內挖取土壤剖面，測量土層厚度，根據現場觀察，各樣地土壤均沒有明顯分層，故在0—30 cm土層內采集約1 kg土壤，裝入布袋，在實驗室風干、分檢、研磨，以備理化性質分析使用。并在土層深度為0—20 cm，21—40 cm，41—60 cm的樣方土壤中，用直徑為50.46 mm、高度為50 mm的環刀采取土樣，密封后帶回。在實驗室中用烘干法測定土壤容重；用環刀浸泡法測定土壤孔隙度和持水量，并計算土壤有效持水量；用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機質含量[36]。

枯落物層采樣時，選擇幕府山具有代表性的林分類型，在選取的1 m ×1 m樣方上，測量枯落物層總厚度，并收集樣方內全部枯落物樣品。采用室內烘干、浸泡法測定枯落物有效持水量，以干物質量推算枯落物養分含量[37]。

1.4 生態價值計算

根據國家林業局《森林生態系統服務功能評估規范(LY/T1721—2008)》，結合南京幕府山生態修復特點，計算幕府山大氣層、土壤層、枯落物層和植被層4個層次共8個指標的生態系統服務功能的價值量。

1.4.1 大氣層生態服務功能的價值量 大氣層的生態價值量由固碳價值、釋氧價值和滯塵價值組成，這些指標可以指示生態修復工程對于幕府山在固碳釋氧和優化空氣質量方面的修復效果。

(1) 根據光合作用和呼吸作用反應方程式[38]，計算林木的固碳與釋氧價值量。

U固碳=1.63×NPP×A×27.27%×1200

U釋氧=1.2×0.5×0.45×NPP×A×1000

式中：U固碳為像元點林木年凈固碳價值量(元/a)；U釋氧為像元點林木年凈釋氧價值量(元/a)；NPP為植被凈生產力[t/(m2·a)]；A為像元點林分面積(m2)；1 200為林木固碳價格(元/t)；1 000為林木釋氧價格(元/t)。

(2) 林地滯塵價值量。

U滯塵=(Q落葉喬木×D×A落葉喬木+Q常綠喬木×D×A常綠喬木+Q灌木×D×A灌木)×150

式中：U滯塵為像元點林地滯塵價值量(元/a)；Q為單位面積的相應樹種平均每天的滯塵量(t)；A為相應樹種的像元點林分面積(m2)；150為降塵清理費用(元/t)；D為滯塵天數，根據江蘇省氣象臺的資料，在生態修復期間，南京市年平均晴天數為61.6 d，陰天數為140 d，據此估算林地滯塵天數一年有200 d。

1.4.2 土壤層生態服務功能的價值量 土壤層的價值量由土壤有效持水價值和土壤有機質蓄積價值決定。

U土壤持水=R土壤×2.09

U土壤蓄積=S土壤×320

式中：U土壤持水為像元點土壤有效持水價值量(元/a)；R土壤為像元點土壤有效持水量(t/a)；2.09為水的凈化費用(元/t)；U土壤蓄積為像元點土壤有機質蓄積價值量(元/a)；S土壤為像元點土壤有機質蓄積量(t/a)；320為有機質價格(元/t)。

1.4.3 枯落物層生態服務功能的價值量 枯落物層的價值量由枯落物有效持水價值和枯落物養分蓄積價值組成。

U枯落物持水=R枯落物×2.09

U枯落物蓄積=S枯落物×320

式中：U枯落物持水為像元點枯落物有效持水價值量(元/a)；R枯落物為像元點枯落物有效持水量(t/a)；U枯落物蓄積為像元點枯落物養分蓄積價值量(元/a)；S枯落物為像元點枯落物養分蓄積量(t/a)。

1.4.4 植被層生態服務功能的價值量 根據Shannon-Wiener指數評估法[39]計算物種保育價值量：

U物種保育=S×A

式中：U物種保育為像元點植被物種保育價值量(元/a)；S為Shannon-Wiener指數所對應的單位面積物種多樣性保育價值(元/m2)。

1.5 各評價層結果的可視化

用ArcGIS中的克里金空間插值方法和其他空間統計方法，將計算出的評價指標體系中每一層次的價值量進行可視化處理，而后運用自然間斷點分級方法，將每一評價值的圖像劃分為5個等級。對于指標層中的大氣層價值下的固碳價值和釋氧價值，由遙感數據計算得出每一個像元點的價值量，而其他指標值則是根據自然生長區和生態修復區采樣點分布位置做空間插值處理得出；準則層中4個方面的價值量由指標層的價值量分別加總得到，最終目標層的生態修復總價值由準側層的價值量加總獲得。價值量的可視化可以更加直觀地分析生態修復對于提升幕府山生態環境的貢獻。

2 結果與分析

2.1 生態修復效果評價

2.1.1 大氣層價值量變化 幕府山的固碳價值、釋氧價值和滯塵價值見表1。林木總計固定11.08萬t的CO2，并釋放8.31萬t的O2；生態修復后，固碳釋氧能力的總價值為4 022.22萬元，較修復初期的價值量增長了3 881.85萬元，其中，固碳價值在大氣層中占比為41%，較釋氧價值高，其年平均增長量也約是釋氧價值量的兩倍。生態修復后的滯塵價值變化量比固碳釋氧價值變化量小，年平均增長量10.16萬元，據測算，滯塵價值中，常綠喬木占比達到了55%，較灌木的滯塵價值量大。匯總大氣層的價值量，生態修復初期僅為209.76萬元，生態修復后達到4 213.47萬元，占幕府山生態總價值量的比重也大幅提高，由22.1%增長到77.9%，其中，固碳價值的占比最大，釋氧價值和滯塵價值次之。總體來看，大氣層功能有很大提高，但東北部自然生長區修復后的價值量不如生態修復區的價值量高(圖3A—3B)。

從圖3A可以看出，生態修復初期，幕府山各區域的價值量均低于3.39萬元/m2，東北部自然生長區的大氣層價值量比生態修復區高一個等級，處于(1.7～3.39)萬元/m2。幕府山北部沿岸區域，有零星區域的價值量落在(1.7～3.39)萬元/m2區間，因歷經多年采礦活動后，北部沿岸由山坡變為了裸露陡崖，修復工程在陡崖處采用垂直綠化的覆被方式，因此，在空間分布上，修復初期北部沿岸會產生垂直綠化的疊加效應，價值量比較高。

從圖3B可以看出，生態修復后，幕府山的大氣層價值量顯著提升，生態修復區的價值處于比較高的兩個等級，東北部自然生長區次之，越靠近生態修復區或是自然生長區的地塊，價值量越高，幕府山四周的價值量略低一些。在生態修復區，第一、二期工程和專項修復工程區域的價值量要低于其他區域的價值量，這與修復初期經驗不足和專項修復工程區域的地形有關。修復初期種植的植被種類單一、密度過大，植被大量無序繁殖，致使植被固碳釋氧和優化空氣質量的能力受阻，而專項修復工程區域的地形均為裸崖，修復手段為鑿石挖槽生態修復法或輪胎織網生態修復法，植被覆蓋度較低，修復效果也沒有中后期修復工程好。幕府山四周的低值區則與修復工程結束后的旅游景點開發有關。

表1 幕府山生態修復初期和修復后各個評價層次的生態總價值量

2.1.2 土壤層價值量變化 10年生態修復，將建筑棄土覆蓋在裸地和土壤貧瘠的區域，后期還將南京市玄武湖隧道施工、湖底清淤產生的淤泥搬到幕府山，改善了幕府山的土壤結構。由表1可見，生態修復后土壤水肥蓄積總價值為649.69萬元，是修復初期的兩倍左右，占幕府山生態總價值量的12%，其中，土壤有機質蓄積價值占土壤層總價值量的94%，年均增長量為22.42萬元。

由圖3C可知，修復初期的土壤層價值量由東北部自然生長區向山體南部遞減，北部的第10期修復工程區域因遭到破壞并還未開展修復工程，所以價值量也很低。圖3D則顯示，經過生態修復，自然生長區的土壤層變化較慢，而生態修復區的價值量顯著提高，特別是第5、第8和第9期修復工程區域的價值量達到(6.25～7.81)萬元/m2，修復區價值量由第5、第8和第9期修復工程區域向專項修復區域遞減。因初期覆蓋土壤的厚度較薄，第一期生態修復工程的修復效果也比較差，且隨時間增加，枯落物的蓄積與分解及地下根系的生長發育，加上自然淋溶作用及動植物的遷移運動，土壤水肥蓄積能力有所下降；中后期修復工程區域覆土量高，土壤養分不易流失。

圖3 幕府山生態修復初期和修復后的準則層價值量分級

2.1.3 枯落物層價值量變化 枯落物有效持水價值和養分蓄積價值見表1。修復初期的枯落物層價值量18.48萬元，修復后20.66萬元，年均增長量僅0.19萬元，其中枯落物有效持水價值的占比較大一些。

從圖3E—3F可以看出，生態修復對幕府山枯落物層的修復效果并不大，生態修復區的價值量不如未被破壞的自然生長區的價值量高，僅第2、第5和第6期修復工程區的價值量由(0～0.05)萬元/m2增長到(0.05～0.1)萬元/m2，其他修復區的價值量并沒有很大提升，因為生態修復工程實施時間僅10 a，2008年之后就沒有再進行生態修復工作，生態修復時種植的植被還處于幼齡，到2013年為止，后期修復區域內的植被還沒有形成頂級群落，枯落物的蓄積量也不多，因此，還有提高的潛力。第2、第5和第6期修復工程區內種植的多為落葉林，或是區域內的樹種較為豐富，枯枝落葉積累相對較多，枯落物層的價值量相對較高，而第1期和修復后期工程的部分區域的種植密度過高，使植物生境變差，枯落物的有效持水價值和養分蓄積價值隨著淋溶作用和浸泡時間而降低，枯落物的持水和蓄積能力反而低。

2.1.4 植被層價值量變化 物種保育價值即植被層價值量見表1。生態修復后的物種保育價值量為528.5萬元，較修復初期增加了171.66萬元，年平均增長量為14.31萬元。

圖3G—3H展現了幕府山生態修復初期和修復后植被層價值量的空間變化。修復初期的價值量由東北部向南部遞減，修復后自然生長區的價值量沒有多大變化，而生態修復區的價值量由(0～0.88)萬元/m2增長到(2.65～3.53)萬元/m2，價值量有很大提升，但與自然生長區相比仍有一些差距。幕府山的植物種類較豐富，根據生態修復后的統計，有高等植物(含部分栽培植物)110科、331屬、490種，其中含有中國特有分布屬7個，一個地區特有種——秤錘樹。生態修復初期，修復工程區內的植被沒有形成復雜的群落結構，而未被破壞的東北部自然生長區域的生物多樣性比較完整，因此價值量比較高。修復后的生態修復區內(3.53～4.42)萬元/m2的價值量區間缺失，說明生態修復種植的植被對幕府山的生長環境還在不斷適應的階段，沒有達到與自然生長區植被一樣的生長狀態。

2.2 生態修復綜合評價

匯總幕府山大氣層、土壤層、枯落物層和植被層的生態價值(表1)，10年生態修復工程共創造生態服務價值4 465.17萬元，其中，價值量占比最大的是大氣層，占總價值的89.67%，其次是土壤層，創造的總生態價值為287.62萬元，植被層的價值量位居第3，占比3.84%，枯落物層的價值量最小。

從圖4可以看出，生態修復初期，幕府山的生態價值量未超過11.42萬元/m2，而山體東北部自然生長區植被未受到破壞，生態環境優良，植被生長茂盛，因而價值量相對高。生態修復工程幾乎覆蓋了幕府山采礦廢棄區域，但第1到第4期修復工程結束時，還是不如自然生長區的生態環境好。生態修復后，幕府山分級價值量面積最大的是(3.81～7.61)萬元/m2的區域，與修復初期面積最大的(0～3.81)萬元/m2的分級區間相比，提高了一個等級；(0～3.81)萬元/m2的低值區仍存在，主要位于山體西南部大礦坑的四周，這是由于礦坑四周的陡崖和絕壁較難修復，并且，在生態修復完成后不到半年，幕燕開發公司就在幕府山西南部的山頭南側進行住宅開發，推倒了原已修復的植被；(15.22～19.03)萬元/m2的高值區也不是很多，均位于生態修復區的幾個子區域。這說明，生態修復對提升幕府山生態環境的貢獻比較大，使得大部分區域的生態價值量提高了一個層次，且低分值的區域變少了，但高分值的區域仍舊不多，還有提升的空間。

圖4 幕府山生態修復初期和修復后的目標層價值量的分級

3 結 論

10 a生態修復對改善幕府山生態環境起著重要作用。修復工程總面積達268.8萬m2，填土量194.60萬m3，種植量282.94萬株，生態修復工程共創造生態服務價值4 465.17萬元，其中，大氣層、土壤層、植被層和枯落物層創造出的價值量分別為4 003.71萬元、287.62萬元、171.66萬元和2.18萬元。較修復初期的生態狀況而言，修復工作使得幕府山內大部分區域的生態環境得到提升，植被種植和后期養護讓幕府山的空氣質量得到優化，覆土增加了采礦廢棄地的土壤層厚度，提供了更多的土壤保肥與持水生態功能價值。所以，生態修復可顯著改善采礦廢棄地的生態環境質量。

然而，不同區域的生態修復效果存在差異，主要由采礦后形成的地形、修復時間長短、種植的植物種類與群落構成、后期對修復植被的撫育管護措施等的不同產生。采礦造成幕府山地形突變，使得陡崖和絕壁的生態修復效果不佳，特別是北部沿岸中部陡崖和山體南部礦坑周圍的陡崖極難恢復。因為有了初期修復的經驗積累，生態修復中后期工程區的修復效果好于修復初期工程區，中后期的修復對環境優化效果提高很快。同時，不同修復工程種植的植被類型和密度存在差異，使得其對幕府山環境的影響存在差異。此外，部分生態修復工程完成后不長時間，開發公司在幕府山西南山頭南側進行住宅開發，毀掉了原已修復的植被，也使得生態修復的效果大打折扣。

2013年通過對生態修復效果的監測及其與修復初期生境的對比發現，修復工程使幕府山環境有了很大改變，但各修復區在不同年份進行修復，生態恢復時間的不同導致修復效果存在顯著差異，10年的生態修復時間還比較短，而土壤與植被的恢復需要較長的時間，影響因素之間也存在相互聯系與制約，因此，穩定的生態修復效果還有待時間的積累才能充分顯現，需長期監測采礦廢棄地生態修復工程區的生態演替，嚴格保護生態修復的成果。