龍南稀土礦區土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響

郭祥光，陳永林，林建平

(贛南師范大學地理與環境工程學院，341000，江西，贛州)

0 引言

稀土作為一種不可再生的礦產資源，被譽為“現代工業的維生素”，在工業生產領域具有十分重要的戰略價值。在我國，隨著稀土需求的增加，稀土開采的加大，稀土開采無序、亂采濫挖等現象普遍存在，稀土礦區及周邊地區的土地利用現狀發生了深刻的變化，并由此產生了一系列生態環境問題[1]。

稀土礦區土地利用變化是由稀土開采造成的局部地區土地動態演化的過程，是人類活動影響區域生態系統最直接的表現形式，是生態系統服務價值變化的重要影響因素[2]。生態系統服務價值(ESV)是生態系統功能效用的價值表現，是衡量區域生態環境質量的重要指標[3-5]。當前，國內外學術界針對稀土礦區進行了一系列研究，主要包括利用遙感技術對稀土礦山進行土地利用動態監測[6-7]和環境監測[8-9]、稀土礦區土壤稀土元素污染[10-11]、稀土礦區土地修復[12-13]等，而對礦區土地利用變化及其對生態系統服務價值的影響研究也取得了一定成果[14-16]，但是針對稀土礦區這一特殊土地利用類型，研究其土地利用變化與生態系統服務價值的相關研究相對較少，尤其是在縣域小尺度范圍的相關研究還較為鮮見。事實上，比較分析稀土資源開采的前后，稀土礦區的土地利用發生了深刻的變化，研究它們的變化規律，并系統探討由此帶來的生態系統服務價值的變化，有利于更好地理解人類活動對礦區生態環境的影響，促進區域土地資源的合理利用及生態環境的改善，系統解決人地矛盾的突出問題，實現區域經濟的持續健康發展。而基于縣域中小尺度下的分析，更能精準把握變化規律，在此基礎上提出的政策措施具有更強的針對性。

本研究以龍南市稀土礦區為研究對象，基于2009年、2019年2個不同時段龍南市土地調查數據和2017年龍南市稀土礦區分布范圍數據，利用GIS空間分析技術系統分析稀土礦區及其周邊土地利用變化特征規律，運用生態系統服務價值評價方法，探究稀土礦區土地利用變化對區域生態系統服務價值(ESV)的影響，以期為區域土地資源的高效合理利用、改善地區生態環境以及政府決策提供科學參考。

1 研究區概況

龍南市位于江西省贛州市南部，為亞熱帶季風氣候，年均溫19.2 ℃，年均降水1 506 mm，地形以山地丘陵為主，森林覆蓋率達80.30%。境內有豐富的稀土礦產資源，其中重稀土的儲量和質量都居世界之首，被譽為“重稀土之鄉”[17]。稀土礦區主要分布在龍南市東北部，距龍南市區約10 km，主要包括東江鄉足洞礦區、關西鎮富坑礦區、汶龍鎮黃沙礦區以及龍南鎮礦區等。2017年稀土礦區范圍總面積約393 hm2，礦區地理坐標位于東經E114°46′～114°54′，北緯N24°48′～24°52′之間(圖1)。龍南稀土的開發歷史較為悠久，最早可以追溯到20世紀60年代末，20世紀80年代中期進入迅猛開采的發展階段，先后采取了露天池浸、堆浸、原地浸礦的開采工藝進行生產，多年開采造成了嚴重的生態環境問題[18]。

圖1 研究區地理位置圖

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究所使用的龍南市2009年全國第2次土地調查分類數據、2019年全國第3次土地調查分類數據及2017年龍南市稀土礦區分布范圍矢量數據均來源于龍南市政府相關部門。數據分類結果精度高，克服了以往常用的Landsat遙感影像分辨率低、解譯難度大造成的分類精度不高的缺陷。生態系統服務價值研究中用到的統計數據來源于《龍南市統計年鑒(2009—2019年)》。

參照2007年《土地利用現狀分類》國家標準[19]，根據研究區的土地利用情況和研究的現實需要，利用ArcGIS對龍南市第2、第3次全國土地調查劃分的土地利用類型進行重分類，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、采礦用地、水域、其他土地共7大類。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化特征分析 利用ArcGIS的裁剪工具，用龍南市2017年稀土礦區范圍對2009年、2019年龍南市第2、第3次全國土地調查重分類后的數據進行裁剪，生成稀土礦區2009年和2019年2期土地利用現狀數據，并通過土地利用類型面積統計表進行對比分析，探討龍南稀土礦區2009—2017年以及2017—2019年開采前后土地利用現狀及其變化特征。

利用ArcGIS的相交工具，對龍南稀土礦區2009年和2019年土地利用現狀圖進行疊加，基于土地利用轉移矩陣的方法對稀土礦區2009—2019年的10年來土地利用類型轉移的情況進行分析，探究稀土礦區土地利用轉變規律。轉移矩陣公式如下：

(1)

式中：S為面積；i為土地利用的類型數目；m、n為研究區初、末的土地利用類型；Smn為研究區初、末第m類土地轉化為第n類的面積[20]。

2.2.2 ArcGIS緩沖區分析 緩沖區分析是ArcGIS中用來確定不同地理要素的空間鄰近性和接近程度的空間操作。當對發生在地理要素及其附近的活動的影響范圍進行分析時，需要圍繞地理要素生成緩沖區，進行緩沖區分析[21]。利用ArcGIS緩沖區分析工具，以2017年龍南稀土礦區范圍為基礎，分別作出礦區外圍50 m、100 m、150 m、200 m范圍內的緩沖區，與2009年和2019年土地利用數據疊加，得到礦區外圍不同緩沖區的土地利用現狀數據，來探討稀土礦區外圍一定范圍內2009年和2019年的土地利用變化情況，以此分析礦區的稀土開采活動對周邊土地利用的影響。

2.2.3 生態系統服務價值評估 根據Costanza等[22]提出的生態系統服務價值(ESV)評估體系，參照謝高地等[23]修訂的“中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值當量表”確定研究區單位面積生態系統服務價值當量表(表1)。建設用地、采礦用地、其他土地不涉及相關生態功能的用0表示。隨后根據研究區土地利用結構和研究區現實經濟狀況，對單位面積農田糧食年產量經濟價值進行修正：研究區2009—2019年糧食均產為5 002.96 kg/hm2·a，以2019年糧食均價5.39元/kg為基準?？紤]到沒有人力投入情況，根據謝高地提出的中國生態系統服務系數修正方法，即一個生態系統服務價值當量為單位面積糧食產值的1/7[2]，得到研究區食物生產經濟價值為3 852.28元/hm2·a，獲得區域生態服務價值當量。根據區域生態服務價值當量得到研究區生態系統服務價值系數表(表2)。

表1 單位面積生態系統服務價值當量表

表2 研究區單位面積土地利用類型生態系統服務價值系數表/元·(hm2·a)-1

采用Costanza等提出的生態系統服務價值計算公式對龍南稀土礦區不同時期的生態系統服務價值進行計算，計算公式如下[24]：

ESV=∑Ak×VCk

(2)

ESVf=∑Ak×VCfk

(3)

式中：ESV為生態系統服務價值 (元)；Ak為土地利用類型k的總面積(hm2) ；VCk為土地利用類型k的單位面積生態系統服務價值系數(元/hm2·a )；ESVf為第f項生態系統服務價值；VCfk為土地利用類型k的第f項生態系統服務價值系數。

3 結果分析

3.1 稀土礦區土地利用變化特征

由龍南稀土礦區2009年、2019年土地利用現狀圖(圖2、圖3)和龍南稀土礦區2009年、2019年土地利用類型面積統計表(表3)可以看出，稀土礦區2009—2017以及2017—2019年開采前后土地利用現狀、結構發生顯著變化。

圖2 龍南稀土礦區2009年土地利用現狀圖

圖3 龍南稀土礦區2019年土地利用現狀圖

表3 龍南稀土礦區2009年、2019年土地利用類型面積統計表

從礦區用地類型結構的變化來看，2009—2017年，有111.3 hm2林地、44 hm2建設用地、11 hm2耕地轉化為稀土礦區，其中由林地轉變為稀土礦區的面積最大，約占稀土礦區總面積的28.3%。未發生變化的采礦用地有213 hm2，占總面積的54.2%。2017—2019年，稀土礦區轉變為林地的面積為122 hm2，轉變為建設用地的面積為56 hm2，轉變為水域的面積為21 hm2，轉變為草地的面積為16 hm2，其中稀土礦區轉變為林地的面積最大，約31%的稀土礦區轉變為林地。未發生變化的采礦用地有175 hm2，占總面積的44.5%。因此，2009—2017年前期階段龍南稀土礦區的稀土開采主要占用了林地、建設用地以及耕地，其中林地所占比重最大；2017—2019年后期階段龍南稀土礦區主要轉變為林地、建設用地、水域、草地，其中林地所占比重最大。

從礦區土地利用動態變化來看， 2009—2017年再到2019年變化最劇烈的是采礦用地，其所占比重由54.2%變為100%再變為44.5%；其次為林地，其所占比重由28.3%變為0再變為31.0%。因此，采礦用地和林地是礦區土地利用變化最劇烈的兩種土地類型。采礦用地和林地發生劇烈變化的過程反映出龍南稀土礦區前期隨著稀土開采活動的深入和采礦用地面積的增加導致大片林地被毀，林地面積減少，由此產生了一系列生態環境問題，后期對稀土礦區進行了土地修復、土地復墾以及營造生態林的過程，使得林地增加，廢棄稀土礦區減少。

根據龍南稀土礦區2009—2019年土地利用轉移矩陣表(表4)可以看出10年來礦區不同土地類型的轉移變化方向。具體情況如下：2009—2019年，耕地由10.91 hm2減少到2.63 hm2，凈轉出8.28 hm2，主要轉變為林地和采礦用地；林地由111.25 hm2增加到121.15 hm2，凈轉入9.9 hm2，主要由建設用地 、采礦用地轉入；草地由4.79 hm2增加到16.09 hm2，凈轉入11.3 hm2，主要由林地、采礦用地轉入；建設用地由43.97 hm2增加到55.93 hm2，凈轉入11.96 hm2，主要由林地、采礦用地轉入；采礦用地由212.68 hm2減少到175.72 hm2，凈轉出36.96 hm2，主要轉變為林地、草地及建設用地；水域由8.24 hm2增加到21.05 hm2，凈轉入12.81 hm2，主要由林地、采礦用地轉入；其他土地面積較小，呈轉出狀態，轉出0.73 hm2。耕地、采礦用地、其他土地的轉出促使林地、草地、建設用地、水域的轉入，這有利于稀土礦區生態環境的改善。

表4 龍南稀土礦區2009—2019年土地利用轉移矩陣/hm2

3.2 稀土礦區外圍土地利用變化特征

根據龍南稀土礦區外圍緩沖區土地利用變化特征表(表5)可知，龍南稀土礦區外圍緩沖區土地利用類型主要是林地、采礦用地，其次為建設用地和耕地，有少量草地、水域和其他土地。具體來看，龍南稀土礦區外圍50 m、100 m、150 m、200 m緩沖區范圍內的耕地面積從2009—2019年均呈減少的趨勢；10年間，稀土礦區外圍200 m范圍內的耕地面積由66.8 hm2減少到31.4 hm2，減少了52.99%；從礦區外圍50～200 m范圍內耕地減少的變化率越來越小。這表明礦區的稀土開采活動與礦區外圍的耕地減少有影響。距稀土礦區越近，耕地減少的趨勢越明顯；距稀土礦區越遠，耕地減少的趨勢越不明顯。因此，礦區的稀土開采是導致礦區外圍耕地面積減少的重要影響因素。緩沖區范圍內林地面積從2009—2019年均呈增加的趨勢；10年間，稀土礦區外圍200 m范圍內的林地面積由803.3 hm2增加到1 267.4 hm2，增加了57.77%；從50～200 m范圍內林地增加的變化率越來越小。距稀土礦區越近，林地增加的趨勢越明顯，這反映出隨著礦區稀土開采的進行和環境問題的產生，礦區外圍實施了植樹造林、營造生態防護林等使林地面積增加。緩沖區范圍內建設用地面積從2009—2019年均呈增加的趨勢；10年間，稀土礦區外圍200 m范圍內的建設用地面積由61.8 hm2增加到95.9 hm2，增加了55.18%；從50～200 m范圍內建設用地增加的變化率越來越大。這可能是因為距稀土礦區越遠的外圍地區，受稀土開采活動的負面影響越小，居民的生產建設活動越活越。緩沖區范圍內采礦用地面積從2009—2019年間均呈減少的趨勢；10年間，稀土礦區外圍200 m范圍內的采礦用地面積由6 62.9 hm2減少到198.4 hm2，減少了70.07%；從50～200 m范圍內采礦用地減少的變化率越來越大。這反映出稀土礦區外圍進行了廢棄礦區和尾礦堆積區等的治理及復墾使得采礦用地面積減小。緩沖區范圍內草地、水域的面積從2009—2019年均呈增加的趨勢，增加的面積較??；其他土地的面積從2009—2019年均呈減少的趨勢，減少的面積較小。

表5 龍南稀土礦區外圍緩沖區2009年和2019年土地利用變化特征表

年份2009年2019年2009年2019年土地類型150 m以內/hm2變化率/%200 m以內/hm2變化率/%耕地51.821.6-58.3066.831.4-52.99林地564.1938.866.42803.31267.457.77草地15.422.344.8123.524.85.53建設用地54.378.845.1261.895.955.18采礦用地554.6179.7-67.60662.9198.4-70.07水域10.216.460.7811.820.372.47其他土地1.40.5-64.291.50.5-66.67

對比發現，從2009—2019年的10年間，稀土礦區外圍200 m范圍內采礦用地減少了464.5 hm2，而林地增加了464.1 hm2，采礦用地減少的面積與林地增加的面積實現了互補。由此可推測，礦區外圍采取了有效的生態恢復措施，使得2009—2019年來礦區外圍200 m范圍內存在大量的采礦用地轉變為林地。

3.3 生態系統服務價值評價

稀土礦區土地利用變化引起區域生態系統價值服務的變化[25]。根據研究區土地利用類型單位面積生態系統服務價值(ESV)系數表(表2)和龍南稀土礦區2009年、2019年土地利用類型面積統計表(表3)計算得到龍南稀土礦區土地利用類型2009—2019年生態系統服務價值(表6)。

表6 龍南稀土礦區土地利用類型2009—2019年生態系統服務價值

由表6可以看出，龍南稀土礦區2009—2019年來生態系統服務價值總量呈增加的趨勢，由2009年的853.76萬元增加到2019年的1 699.39萬元，增加了845.63萬元，增長近1倍。具體來看，2009—2019年耕地面積的減少導致耕地的ESV呈減少的趨勢，由16.48萬元減少到4.50萬元，減少了72.75%。林地、草地、水域面積的增加導致其ESV呈增加的趨勢。林地的ESV由984.00萬元增加到1 078.60萬元，增加了9.61%；草地的ESV由36.41萬元增加到121.36萬元，增加了233.32%；水域的ESV由396.79萬元增加到1 016.16萬元，增加了156.10%。其他土地的面積及其ESV未發生明顯變化。而建設用地和采礦用地對生態系統服務價值產生負面影響。2009年建設用地的使用對ESV造成了99.33萬元的損失，2019年對ESV造成了126.42萬元的損失。因此，隨著建設用地面積的擴大，建設用地對ESV造成的損失也逐漸加大。2009年采礦用地的使用對ESV造成了480.83萬元的損失，2019年對ESV造成了395.05萬元的損失，由此可見，隨著礦區土地整治、土地復墾的進行，采礦用地面積減少，采礦用地對ESV造成的損失也逐漸減小。從各土地利用類型產生的生態系統服務價值量來看，林地和水域的ESV最大，其次為草地和耕地，因此，林地和水域對區域生態系統服務價值的影響最大，是對區域生態系統服務價值總量增加貢獻最大的2種土地利用類型。

4 討論與分析

從龍南稀土礦區10年間土地利用變化及礦區外圍土地利用情況分析來看，早期礦區的稀土開采活動很大程度上存在著對山區土地的挖損和占用林地，導致林地轉變為稀土采礦用地。隨著稀土開采活動的深入，導致大量的耕地損毀、壓占，耕地轉變為采礦用地，耕地面積減少，產生了一系列生態環境問題。近幾年來，龍南市政府及環保部門高度重視廢棄稀土礦山環境的治理與恢復問題，積極探索廢棄稀土礦山治理的有效途徑，取得了顯著的成效。例如，龍南足洞稀土礦區在早期的稀土開采過程中存在無序化現象，使得土壤中的氨氮含量偏高，土壤酸性過高，還產生了水土流失、土地沙化、植被破壞等一系列問題。對此，足洞稀土礦區進行了土地復墾和土地修復，采用“山頂栽松，坡面布草，臺地種桑，溝谷植竹”的整體布局，利用尾砂種植百喜草、狗尾草等植物，目前，復墾區各種植物長勢良好，產生較好的經濟效益的同時還改善了生態環境[26]。正是稀土礦區及其外圍采取了一系列行之有效的治理措施，使得采礦用地向林地、水域、草地等土地類型轉變。土地利用發生變化的同時也改善著礦區生態環境，使得礦區生態系統價值服務(ESV)隨之增加。

從總體上看，龍南稀土礦區土地利用動態變化并未使區域生態系統服務價值量(ESV)減少，ESV反而呈增加的趨勢，這主要是因為林地和水域對區域ESV總量增加具有重要貢獻。2009—2019年礦區林地和水域面積增加產生的正面影響彌補了由建設用地、采礦用地侵占耕地以及耕地塌陷、耕地破壞對區域ESV產生的負面影響，使得礦區ESV呈現出收益大于損失的情況。未來龍南稀土礦區及其周邊在進行稀土開采活動的同時應加強林地、水域等生態用地的保護，以緩解稀土開采對區域生態環境造成的壓力。

土地利用結構變化對礦區生態系統服務價值起著至關重要的作用[27]，因此，要科學合理利用土地，發揮土地利用變化對生態系統服務價值的正向作用。但是，區域生態系統服務價值不僅會受土地利用變化的影響，還會受氣候變化、人口密度、經濟發展水平、城市化率及綠化率等諸多自然、社會經濟因素的影響。本文僅從土地利用結構變化方面分析其對區域生態系統服務價值的影響，未來的研究更應考慮上述自然因素及社會經濟因素對區域生態系統服務價值的影響，以提高研究結果的科學性和準確性。

5 結論

本文系統分析了稀土礦區及其周邊土地利用變化規律，并對稀土礦區土地利用變化引起的生態系統服務價值的變化進行分析，結果表明如下。

1)2009—2017年前期階段龍南稀土礦區的稀土開采主要占用了林地、建設用地以及耕地；2017—2019年后期階段龍南稀土礦區主要轉變為林地、建設用地、水域、草地。其中采礦用地和林地變化最劇烈，其劇烈變化的過程反映了礦區前期生態破壞與后期生態修復的過程。2009—2019的十年間，龍南稀土礦區范圍內的耕地、采礦用地、其他土地呈轉出趨勢，林地、草地、建設用地、水域呈轉入趨勢。

2)龍南稀土礦區外圍的土地利用類型主要是林地、采礦用地，其次為建設用地和耕地，有少量草地、水域和其他土地。2009—2019年來，礦區外圍的耕地和采礦用地面積均呈現減少的趨勢；林地和建設用地面積均呈增加的趨勢；其他的土地類型變化較小。采礦用地減少與林地增加的面積實現了互補。

3)2009—2019年來，龍南稀土礦區的生態系統服務價值總量呈增加的趨勢，由2009年的853.76萬元增加到2019年的1 699.39萬元，增長近1倍。其中林地和水域對區域生態系統服務價值總量增加貢獻最大，林地和水域面積的增加彌補了建設用地增加和采礦用地占用耕地對區域生態系統服務價值產生的負面影響。