矿区资源开采带来巨大经济效益的同时，也给生态环境造成极大的影响。随着战略西移政策的推进，我国现有采煤基地大多位于西北干旱荒漠区。该区干旱缺水、大风时间多、土地沙化严重，生态系统极其脆弱。随着区域内煤炭开采规模和强度不断增大，土地退化、植被衰退等生态安全问题日益严重^[1-5]。排矸场作为煤炭矿区开采(排弃)占压形成的典型损毁类型，与原自然地貌对比，其基质理化性质及生态环境具有明显差异，是矿区生态修复关注的重点^[6]。

生态系统服务是指人类能够从生态环境中得到的有形物质产品和无形服务，包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，是维持人类赖以生存的自然环境条件与效用^[7-9]。谢高地等在Constanza等^[7]研究的基础上，制定出适合中国陆地生态系统服务价值评估的单位面积价值当量因子，为我国陆地生态系统服务价值定量估算奠定了理论基础^[10-12]。目前，当量因子法由于评估需要数据少、结果直观等优势^[13-16]，受到众多学者的关注。龙精华等^[17]核算2013年鹤岗矿区的生态系统服务价值为3 531.95万元。叶尔纳尔·胡马尔汗等^[18]选取内蒙古某钢铁企业的尾矿库边坡绿化、人工湿地、植树造林等3种类型的生态修复区，调查评估不同类型铁矿生态修复区的生态系统服务价值。宋媛等^[19]以兖州矿区兴隆庄煤矿为例，核算兴隆煤矿1990—2010年期间生态系统服务价值由18 841.5万元增加至29 034.2万元。综上，生态系统服务价值当量因子法在矿区的应用研究已相对成熟。通过对矿区治理前后不同阶段的生态系统服务价值的变化进行核算，可以直观定量地对比出生态恢复效果，为生态修复效果评价提供新的思路。

位于西北干旱荒漠区的灵武煤矿区，由于自身条件差和高强度煤炭开采造成生态系统服务价值的退化。为治理和改善区域生态环境问题、恢复生态系统服务价值，灵武煤矿区中生态破坏严重的典型损毁类型排矸场已实施不同的生态修复措施，并经过一段时间的恢复。目前，排矸场现状基本达到稳定，但其恢复效果亟需研究。为此，笔者通过对灵武矿区排矸场开采(排弃)占压前、未治理及治理后生态系统服务价值的估算，以定量地研究其时空变化，并评价其生修复效果。本研究可以为灵武煤炭矿区排矸场今后的生态修复及环境生态特点相似排矸场的生态修复评价提供参考。

1 研究区概况

笔者选取复垦时间均为3年的典型煤矿排矸场进行调查，各研究区的选取及文中简写代称见表 1，地理位置图如图 1所示，其对照区位置位于羊场湾排矸场周边。

羊场湾排矸场、枣泉排矸场、梅花井排矸场均位于宁夏自治区灵武市境内。该区属于中温带大陆性干旱气候，平均年降水量260 mm，平均年潜在蒸发量2 513 mm。土壤类型主要有灰钙土和风沙土，相对贫瘠，植被多抗旱性强，包括红砂(Reaumuria soongarica)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)等。

2 材料与方法 2.1 数据获取和处理

笔者主要应用的遥感数据为灵武煤矿区各排矸场不同恢复阶段的无人机遥感影像，采用大疆Phantom 4 Advanced无人机于8月中旬悬停定点拍摄获得。航拍相对地面高度为150 m，地面分辨率可达到0.05 m。影像利用Pix4Dmapper Pro软件拼接合成，通过ENVI 5.3软件结合地面调查对影像校正、裁剪和监督分类处理精度达到92.01%，Kappa系数为0.84。经济统计数据来源于《宁夏统计年鉴》http://tj.nx.gov.cn/。数据由SPSS处理，图表由Origin 2018绘制。

2.2 当量因子法的区域修订

基于谢高地改进的当量因子法^[11-12]，将研究区生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大类，并进一步细分为食物供给、原料供给、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观等11种服务功能。

研究区及其对照的土地利用分类均为草地和裸地，植被主要为灌草丛，无植被覆盖部分包括比例均衡的裸地与荒漠。故参照谢高地修正的关于中国陆地生态系统服务价值的当量表，将草地-灌草丛、裸地-荒漠与裸地取均值相对应，从而获取价值系数(表 2)。考虑空间异质性，根据宁夏自治区统计年鉴和已有研究成果^[11]，修正得到研究区ESV当量因子为1 914.1元/hm²。基于修正的当量因子，结合公式(1)对生态系统服务价值进行计算：

$ E=\sum\limits_k \sum\limits_f A_k \times \mathrm{VC}_{k f}。$

(1)

式中：E为生态系统服务价值；A_k为第k类土地面积，hm²；VC_kf为第k类土地第f项生态系统功能的单位价值，元/hm²。

2.3 土地利用动态度

土地利用动态变化研究是基于土地利用动态变化模型，分析土地利用类型及土地利用变化^[20]。单一土地利用动态度公式为:

$ K=\frac{U_{\mathrm{b}}-U_{\mathrm{a}}}{U_{\mathrm{a}}} \times \frac{1}{T} \times 100 \%。$

(2)

式中：K为在a—b时段内特定土地利用类型的单一动态指数；U_a、U_b分别为在时间a、b处某种土地利用类型的面积；T为a—b时段，文中以年为单位。

3 结果与分析 3.1 土地利用分类及变化特征

利用ENVI 5.3软件结合实地调查对无人机影像进行植被覆盖度的提取，结果如下：开采占压前(对照1)的植被覆盖度为43.61%，由于矿区开采活动，完全破坏研究区地表植被，后经覆土占压，未治理的研究区几乎无植被覆盖、植被覆盖度为0。经一系列的生态修复工程的实施，植被覆盖度呈现不断增长的趋势，其中，2019年YCW为22.87%，2019年ZQ为29.09%，2019年MHJ为21.96%；2020年MHJ植被覆盖度最高，达到33.28%；2020年ZQ次之，为30.35%；2020年YCW最低，为28.04%。各研究区的不同恢复阶段中裸地均为主要的土地利用类型。

基于植被覆盖度的变化得出研究区土地利用动态度(图 2)。各研究区均受到矿区开采占压活动的严重破坏，故在不同恢复阶段的土地利用动态度趋势一致且变化幅度较大。随着生态恢复，裸地动态度由正转负、灌草丛面积由负转正且变化幅度逐渐降低。排矸场间则变化一致，均为2019—2020年期间高于未治理到治理后(2019年)期间。未治理到治理后(2019年)期间，土地动态度表现为ZQ>YCW>MHJ；2019—2020年期间，土地动态度表现为MHJ>YCW>ZQ。ZQ、YCW土地利用变化逐渐恢复稳定，MHJ在生态修复工程下植被覆盖度持续增长且速度较快。

3.2 单位面积生态系统服务价值

为便于比较不同排矸场恢复效果，采用单位面积生态系统服务价值量估算。基于土地利用结果，以单位面积(1 hm²)计算各研究区生态系统服务价值。其中，各研究区开采前的自然区域单位面积生态系统服务价值均为17 139.17元；经井工开采排弃占压后未治理的单位面积生态系统服务价值均为1 244.18元，由于表土被剥离重新覆土，表土几乎不存在植被覆盖，区域生态系统服务价值遭到严重破坏，降低至原来的7.26%。经过生态修复，治理后的各研究区单位面积生态系统服务价值结果统计见表 3。

由表 3可知，各排矸场生态系统服务价值总量呈现不断上升趋势，相较于开采前，2019年YCW生态系统服务价值恢复至58.89%，2020年YCW恢复至66.88%；2019年ZQ生态系统服务价值恢复至69.12%，2020年ZQ恢复至71.79%；2019年MHJ生态系统服务价值恢复至53.96%，2020年-MHJ恢复至78.02%。

3.3 单项生态系统服务价值

根据研究区单位面积生态系统服务价值表(表 3) 可知，不同排矸场不同恢复阶段的各生态系统服务类型的价值量及其变化均有差别，为更清晰地展示不同阶段、不同研究区各生态系统服务类型价值的变化，以生态系统服务类型为横轴、相应的生态系统服务价值量为纵轴，得到图 3。

可见，各排矸场不同研究期间各生态服务价值量和变化率均不一。各研究区不同阶段原料生产、水资源供给、维持养分循环3项生态服务类型的价值量几乎一致，可知此3项生态服务价值几乎不受植被覆盖度变化的影响。食物生产、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、生物多样性和美学景观8项生态服务类型价值量均随着植被覆盖度呈现正相关的变化。其中，食物生产类型除开采(排弃)占压前对照外，其他研究区不同研究期间均变化不大；气候调节和水文调节2个生态服务类型的价值量的变化幅度最大，即受植被覆盖度变化的影响最大。

总体来看，YCW、ZQ和MHJ在2019、2020年的各项生态服务价值与对照1差距较大，均高于对照2并呈现逐年增长的趋势。除对照1粮食生产高于原料生产外，其他生态系统服务类型的价值量变化趋势一致，均为气候调节>水文调节>净化环境>水土保持>生物多样性>气体调节>美学景观>原料生产>水资源供给>食物生产>维持养分循环，其中，2020年MHJ各项生态服务价值均高于同研究期其他排矸场。

4 讨论

1) 煤矿区排矸场植被恢复影响主要因素。区域中排矸场修复效果的好坏影响煤矿区整体生态恢复的质量效果，植被作为生态系统的初级生产者，与矿区的生物生存条件、矿区生物量、矿区生态系统的结构和功能密切相关。因此，植被恢复是生态修复的重要前提和直接表现^[21]。煤矿区排矸场植被恢复的影响因素是多方面的，而开采占压造成植物根系损伤、土壤生境破坏和干旱缺水是研究区植物恢复的主要限制因子^[22]。灵武矿区排矸场开采占压后植被覆盖度降低为0，经过生态修复，在2019年到2020年期间呈现上升的趋势，生态恢复效果显著，虽接近但仍未达到排弃占压前的水平。原因可能是井工开采方式直接造成植被根系拉伤。此外，地表破损、土壤养分流失也将会造成一些植物死亡，因此影响植被的恢复^[23-24]。西北干旱区干旱缺水致使植被覆盖度恢复受到影响，虽然在人工修复下有所提升，但难以达到破坏前水平。

2) 煤矿区排土矸场生态修复的价值评价。生态系统服务与人类对环境的破坏、修复活动关系密切。通过对生态服务价值的定量估算可以为评价生态恢复效果提供科学依据。近年来，基于谢高地当量因子法的应用越来越广泛，其中，单位面积生态系统服务价值当量因子估算法是其常用方法。薛娟娟等^[25]以轩岗矿区为例对黄土高原矿区的生态系统服务价值进行估算，李佳鸣等^[26]基于土地利用变化估算内蒙古自治区的生态系统服务变化以探究改善治理效果，夏鑫鑫等^[27]通过单位面积当量因子法对荒漠系统的生态系统服务进行正负价值测算。此外，谢高地改进的当量因子表进一步细化生态系统的二级分类，更具体地确定出不同生态系统的当量因子，一定程度上提高评价结果的准确性。本研究采用单位面积生态系统服务价值估算法，对改进后的当量因子表和当量因子进行修订，根据恢复生态学原理，研究分析开采占压造成生态系统服务价值降低、经过治理后逐年恢复的内在逻辑，对灵武羊场湾、枣泉、梅花井排矸场开采(排弃)占压前、未治理、治理后(2019和2020年)3个场景的单位面积生态系统服务价值进行估算，以开采(排弃)占压前为基准，对比同地区的不同排土矸场生态系统服务价值恢复程度，进而对恢复效果进行评价。以上单位面积生态系统服务价值量的数量级与其他矿区研究相近^[17]，具有相当可信性，但与同地区(宁夏)有所差异^[28]，原因是矿区排矸场生态环境遭到破坏，虽经过生态修复，但与未受干扰的周边环境仍有差距，且恢复效果是个缓慢的过程，研究区的生态系统服务质量会随着恢复时间进一步提升。

5 结论

1) 灵武煤矿区排矸场土地动态度呈现逐年降低的状态，生态环境逐渐稳定。其中，2020年梅花井排矸场的植被覆盖度最高，接近开采占压前的水平，且土地动态度高于同期羊场湾排矸场和枣泉排矸场；相较于羊场湾排矸场和枣泉排矸场，梅花井排矸场的植被恢复程度和恢复速度均为最高。

2) 灵武排矸场不同阶段的生态系统服务价值总体上呈现先下降再上升的趋势，生态修复工程是煤矿区生态服务功能价值恢复的重要原因。梅花井排矸场单位面积生态系统服务价值在2019年较羊场湾排矸场、枣泉排矸场最低，但在2020年达到最高且恢复至开采占压前的78.02%，因此，需要长时期的观测。

3) 灵武煤矿区排矸场生态系统服务类型中，气候调节和水文调节2项受植被覆盖度变化影响最明显，是最主要的单项生态系统服务。研究矿区生态系统不同生态服务的重要程度，与生态修复目标相结合，才能使受损煤矿区生态系统恢复到破坏前的水平。