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鹤岗矿区生态系统服务评估与权衡研究

龙精华  
【摘要】:煤炭开采在给国民经济带来巨大经济利益的同时也给人类生存环境造成了很大的影响。煤炭井工开采使土地利用方式改变,地表下沉,房屋裂缝,环境污染、水土流失等,生态环境不断恶化,严重扰动了矿区的生态系统,威胁矿区生态文明建设和社会的可持续发展。鹤岗矿区开发始于1917年,是我国东北地区一座典型的多煤层老矿区,主要由9大井工煤矿组成,由北向南依次为兴山煤矿、益新煤矿、振兴煤矿、鸟山煤矿、南山煤矿、新陆煤矿、富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿,跨越鹤岗市五个区。其中,煤层数量最少的煤矿为13层,最多的达36层。至今,9大煤矿中可开采剩余煤层数在6~34层之间,剩余平均服务年限48.9年,最长剩余服务年限可达到128.9年。矿区总面积9933.68 hm~2,至2013年,沉陷面积达7932.12 hm~2,严重制约着鹤岗城市经济的发展。生态系统服务与人类福祉密切相关。矿区生态环境的治理恢复最终要恢复服务于人类的矿区生态系统服务。自上世纪90年代以来,生态系统服务一直是国际上生态学和相关学科研究的前沿和热点。近几年,生态系统服务研究的重点逐步由生态系统服务价值评估转向生态系统服务之间相互关系的研究,生态系统服务权衡与协同是生态系统服务相互关系研究的重点之一。从生态系统服务及其相互关系的角度研究煤炭开采对矿区生态环境的影响,明确采矿活动对不同生态系统服务的影响及矿区生态系统服务间权衡与协同关系,有助于系统地评价采矿活动对生态环境的影响,为矿区土地复垦与生态重建及管理政策的制定提供科学依据,对实现矿区生态文明建设,促进矿区和谐、可持续发展具有重要的现实意义。本研究从生态系统服务、生态系统服务功能定量估算、生态系统服务权衡与协同及煤矿区采煤沉陷地生态效应4个方面对国内外研究进展进行了综述。在综合考虑鹤岗矿区采煤沉陷地沉陷、土地利用变化、气候、土壤等特征的基础上,结合鹤岗矿区沉陷地实际特点,确定了适合煤矿区生态系统服务估算的方法,对鹤岗矿区不同沉陷阶段(1993、2000和2013年)产水量、土壤保持量、植被净初级生产力和食物供给服务进行了模拟估算。其中产水量和土壤保持量利用In VEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型进行模拟估算;植被净初级生产力利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型进行模拟估算;粮食供给采用各类食物产量与矿区NPP修正相结合的方法进行评估。为了保证鹤岗矿区生态系统服务模拟估算的准确度,结合区域特点对模型参数进行了修正。在对鹤岗矿区生态系统服务模拟估算的基础上,分析了不同沉陷时期各生态系统服务的时空变化特征及其主要驱动因素。然而各生态系统服务并不是孤立存在的,彼此间存在着相互增益或此消彼长的权衡与协同关系。本文采用回归分析法深入分析了不同沉陷时期植被净初级生产力与产水量和土壤保持量之间空间上的权衡与协同关系,明确了采煤沉陷对生态系统服务及服务之间相互关系的影响。同时,对鹤岗矿区未来沉陷情况进行了预测,并对沉陷地未来损毁程度进行了评估,根据鹤岗矿区采煤沉陷地目前及未来土地损毁特征和沉陷地稳沉时序构建了适宜的土地复垦规划情景。在此基础上采用情景分析法对鹤岗矿区采煤沉陷地食物供给、土壤保持量和产水量在时间上的权衡与协同关系进行了研究。明确不同情景与不同地面沉陷情况下各生态系统服务及其各服务在时间上的权衡与协同关系,从生态系统服务时间权衡的角度指导鹤岗矿区未来复垦规划。经以上研究,主要得出以下结论:(1)鹤岗矿区土地利用类型主要为耕地和建设用地,耕地和建设用地的平均比重分别为47.21%和44.87%;林地、草地、水域和未利用地面积较小,占总面积的7.92%。1993-2013年间,随着采煤沉陷范围的不断扩大,耕地和建设用地变化最大。耕地依次减少,共计减少910.17 hm~2,变化率为-14.99%;建设用地依次增加,共计增加776.68 hm~2,变化率为15.98%。经土地利用转移矩阵分析,建设用地的扩张主要是由耕地的减少转化而来,至2013年,共有1078.91 hm~2耕地转化为建设用地。(2)随着煤炭的开采,采煤沉陷面积的不断扩大,1993-2013年鹤岗矿区NPP、土壤保持量、产水量和食物供给具有明显的空间差异性。鹤岗矿区采煤沉陷区域平均产水量高于非沉陷区,沉陷区平均土壤保持量、NPP和食物供给均低于非沉陷区。1993-2013年,鹤岗矿区NPP年平均值从57.89 g C·(m~2·年)减小到36.42 g C/(m~2·年),72.03%的区域上NPP出现了不同程度的减少,与矿区沉陷范围不断扩大和建设用地持续向东部扩张有关。结果表明,随着地下煤层的开采,矿区生态环境越来越差。鹤岗矿区1993-2013年的年均产水量由339.66mm增加到465.58mm,与降雨因子(R~2=0.994)和采矿活动所带来的土地利用类型的变化有关。鹤岗矿区1993年、2003年和2013年的年均土壤保持量依次为129.73、77.54、190.08 t·hm~(-2)·a~(-1),主要与降雨因子(R~2=0.947)和采煤沉陷因子(R~2=0.30)有关。(3)从空间格局看,1993-2013年鹤岗矿区NPP东部高于西部,NPP较低区域的面积在逐渐增加,并且逐渐向东部扩张,这是由于采煤沉陷范围和建设用地在逐渐增加并向东部扩张,耕地越来越少。产水量西部高于东部,空间差异越来越大,这与降雨量分布、沉陷区域和建设用地持续向东部扩张有关。鹤岗矿区西南部土壤保持量较低,随着沉陷面积扩大,土壤保持量在300 t·hm~(-2)·a~(-1)以上的区域持续增大。由于鹤岗矿区沉陷范围由西向东逐渐扩大,导致食物供给服务区域由西向东逐渐缩减。(4)通过分析鹤岗矿区生态系统服务空间权衡与协同关系发现,1993、2000和2013年鹤岗矿区NPP与土壤保持量在空间上呈协同关系,NPP与产水量在空间上呈权衡关系。与其他学者的相关研究结论相比较,矿区NPP与土壤保持量空间上的协同关系与NPP与产水量的权衡关系程度均较弱。这与鹤岗矿区建设用地与耕地所占比例较大有关。鹤岗矿区生态环境脆弱,应加强林地和草地建设,减少水土流失。通过对鹤岗矿区生态系统服务进行热点区识别,发现多重服务热点区的核心大致分布在鹤岗采煤沉陷地的东北部和中东部地区,基本上都是位于受采煤沉陷影响小或未受采煤影响的农业区,以食物供给和NPP服务为主要类型。1993-2013年,随着采煤沉陷地自西部向东部的不断扩张,多重服务热点区范围在自西部向东部不断的缩减。(5)基于多时段采煤沉陷预计构建了矿区采煤沉陷地不同土地利用情景划分方法。具体通过分析鹤岗矿区2013年、2014-2020年和2021-闭矿3个时期的沉陷地土地损毁程度和沉陷地稳沉时序,将鹤岗矿区划分为永久稳沉区、临时稳沉区、动态沉陷区和未来沉陷区。结合以上4个区域划分,构建了鹤岗矿区采煤沉陷地未来(2020年)不同的土地复垦规划情景,分别为耕地保护情景、城市发展情景、生态保护情景和耕地、城市和生态兼顾情景。(6)在耕地保护情景、城市发展情景、生态保护情景和耕地、城市与生态兼顾情景下,地表下沉均会对食物供给和土壤保持量产生一定的影响,对产水量则影响不明显。随着煤炭开采,地表下沉深度增加,单位面积食物供给和土壤保持量会减少;而随着地表下沉深度平均增加7 m左右,产水量并无明显变化。另外,不同土地利用情景的单位面积食物供给和土壤保持量由大到小的顺序依次为:城市保护情景、生态保护情景、耕地、城市和生态兼顾情景、耕地保护情景;不同土地利用情景的单位面积产水量由小到大依次为:生态保护情景、耕地、城市和生态兼顾情景、城市保护情景、耕地保护情景。矿区增加耕地面积,易造成矿区水土流失。(7)地表下沉会对不同土地利用情景下食物供给、土壤保持量和产水量之间权衡与协同关系产生影响。在耕地保护、城市发展和耕地、城市与生态兼顾3种情景下,随着地表下沉深度的增加,土壤保持量和产水量关系由协同关系转变为了权衡关系。采煤沉陷深度的不断加深,土壤保持量的减少、产水量的增加,会加剧鹤岗矿区采煤沉陷地水土流失,使鹤岗矿区生态环境向着不良的方向发展。生态保护情景下随着地表下沉深度的增加,土壤保持量和产水量由权衡关系转变为了协同关系。单位面积产水量的大幅度减少有助于鹤岗矿区生态环境的良好发展。经生态系统服务时间权衡分析,认为在对粮食需求较大的情况下,耕地、城市和生态兼顾情景是最理想的未来土地利用方式。在对粮食需求不大的情况下,生态保护情景最有利于鹤岗矿区未来的长远发展。


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