礦區(qū)生態(tài)破壞碳擾動研究
——以徐州九里礦為例

邱文瑋，侯湖平

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

礦區(qū)生態(tài)破壞碳擾動研究
——以徐州九里礦為例

邱文瑋，侯湖平

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境測繪學(xué)院，江蘇 徐州221000)

礦區(qū)煤炭開采對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量造成極大的干擾。以徐州九里礦區(qū)為例，運用遙感手段對礦區(qū)1995、2001、2009年各土地利用類型進(jìn)行提取，集中分析礦區(qū)植被碳和土壤有機碳的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1995年至2009年九里礦區(qū)土地利用變化明顯；2009年礦區(qū)植被碳儲量為3525噸碳比2001年有所減少；1995年、2001年、2009年土壤有機碳儲量以2001年最小為174334.1噸碳，2009年土壤有機碳儲量為182329.1噸碳，比2001年增加了7995噸碳儲量。最后得出結(jié)論，礦區(qū)生態(tài)破壞對生態(tài)系統(tǒng)碳擾動明顯。

生態(tài)破壞；礦區(qū)；碳擾動；徐州九里礦

隨著全球環(huán)境問題的不變加劇以及溫室效應(yīng)的日益嚴(yán)峻，人們對碳排放和碳吸收等碳效應(yīng)問題的關(guān)注也日益加重。我國是煤炭能源大國，煤炭資源開采在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。煤炭礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)作為碳源碳匯的重要組成部分，一方面在煤炭燃燒過程中會釋放大量的溫室氣體，對環(huán)境產(chǎn)生極大的污染，另一方面在煤炭開采過程中，土地覆蓋類型變化，區(qū)域微氣候、水文、植被、生物地球化學(xué)循環(huán)及生物多樣性等改變，對礦區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的干擾[1-4]，也影響了礦區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳物質(zhì)的循環(huán)與流動。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，全球約有1400～1500Gt的碳是以有機質(zhì)的形式儲存于土壤中，是陸地植被碳庫(500～600Gt)的2～3倍，是全球大氣碳庫的(750Gt)的2倍多，土壤貢獻(xiàn)于大氣CO2的年通量是燃燒化石燃料貢獻(xiàn)量的10倍，煤炭開采勢必對這些碳源碳匯產(chǎn)生巨大的影響[5-7]。目前，各國學(xué)者對于能源燃燒以及土地利用變化的碳效應(yīng)已經(jīng)有了一定研究進(jìn)展，但對于礦區(qū)生態(tài)破壞造成的碳干擾并沒有進(jìn)行針對性的研究，因此對于我國這樣一個煤炭開采大國，研究礦區(qū)生態(tài)破壞過程中造成的碳擾動對于實現(xiàn)我國礦區(qū)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

本文以徐州九里礦為例，該研究區(qū)位于徐州市西北部，區(qū)域內(nèi)地勢平坦主要分布有龐莊、寶應(yīng)、張小樓等多個煤礦。研究區(qū)地處溫暖帶濕潤半濕潤氣候區(qū)，土壤類型多為棕土、褐土、潮土，土層較厚，肥力中等，區(qū)域生物資源量豐富，物種多樣性較高。礦區(qū)周邊為長期耕作區(qū)，主要以農(nóng)作物和林業(yè)植被這兩種人工植被為主，其中農(nóng)作物主要為水稻、小麥以及旱生作物。區(qū)域內(nèi)林業(yè)主要分布在農(nóng)田以及道路、渠道兩旁，以綠化為主，結(jié)構(gòu)簡單，缺乏完整性。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文分別采用1995年9月、2001年9月和2009年9月的三期遙感影像以及實地調(diào)查為手段，對徐州九里礦區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，將土地利用類型劃分為6類，分別是水域、建設(shè)用地、林地、旱地、水田、其他用地，其中其他用地主要考慮礦區(qū)各種廢棄地和未利用地。根據(jù)九里礦區(qū)在開采過程中的土地利用類型和地表植被覆蓋的變化，再結(jié)合2006年IPCC國家溫室氣體清單指南中公布的各類用地碳排放計算方法對礦區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)的碳擾動進(jìn)行分析。研究中主要對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的植被碳和土壤有機碳進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上綜合考慮礦山開采過程中各種生態(tài)污染、破壞對生態(tài)系統(tǒng)中植被碳和土壤碳儲量的影響。

3 礦區(qū)生態(tài)破壞與碳擾動

3.1 礦區(qū)生態(tài)破壞

礦區(qū)生態(tài)破壞是指在礦山資源開采過程中，由于礦山基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及煤炭開采、加工、運輸?shù)炔傻V活動導(dǎo)致地表土地破壞、空氣污染、水土流失等，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重干擾、生態(tài)功能發(fā)生衰退的一種資源掠奪式開采行為。礦山開采在前期的建設(shè)過程中大量的占用林地、耕地、未利用地等土地資源用于礦區(qū)建筑、道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，礦區(qū)土地利用類型和植被覆蓋發(fā)生明顯的變化。煤炭開采期間隨著地下井工開采的不斷進(jìn)行，地表逐漸受開采影響形成塌陷盆地，在高潛水位地區(qū)因地下水和地表降雨的補給，部分塌陷地形成大面積的積水區(qū)；煤矸石、粉煤灰等廢棄物堆積占用大量土地面積，同時對空氣、土壤、地表水造成嚴(yán)重的污染，使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生極大改變。綜合而言，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境因采礦活動影響最直觀的體現(xiàn)在土地利用結(jié)構(gòu)和地表植被覆蓋率的變化上，引起礦區(qū)景觀格局發(fā)生較大的改變，根據(jù)遙感影像徐州九里礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化如表1所示。

1995～2009年徐州九里礦區(qū)土地利用變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1) 水域面積從461.7hm2增長為622.9hm2，已經(jīng)基本形成明顯的常年塌陷積水區(qū)，并且礦區(qū)周圍大量的旱地隨著開采影響的不斷加深逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗锸沟V區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生明顯改變；2) 礦山開采過程中，建設(shè)用地面積的比重逐漸加大，到2001年建設(shè)用地面積已達(dá)1311.4hm2，占礦區(qū)土地面積的39.7%，其中新增建設(shè)用地主要占用了絕大部分的未利用地，2001年以后工礦用地建設(shè)基本穩(wěn)定；3) 1995年礦區(qū)周邊基本沒有林地覆被，而在2001年礦區(qū)水田和水淹地周邊開始出現(xiàn)一些零星的林地覆蓋，其中以人工灌木林地為主，然而由于塌陷和各方面因素的進(jìn)一步影響，2009年灌木林面積又有所減少。由于礦山開采活動對九里礦及其周邊地區(qū)產(chǎn)生巨大的生態(tài)干擾，一方面造成土地利用類型的明顯改變，另一方面造成地區(qū)空氣、土壤、空氣等各方面的污染，包括煤礦開采、運輸過程中的粉塵污染、噪音污染，洗煤過程中的污水排放等嚴(yán)重破壞了原有的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，從而對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中動植物產(chǎn)生極大的影響，嚴(yán)重阻礙了包括碳物質(zhì)在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，對礦區(qū)碳效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)影響。

表1 1995～2009年九里礦各類土地利用類型面積(單位：hm2)

3.2 生態(tài)破壞碳擾動

礦區(qū)生態(tài)破壞碳擾動主要表現(xiàn)在煤炭資源開采過程中引起的植被碳和土壤有機碳擾動這兩方面。礦區(qū)土地利用中的林地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要的碳匯，綠色植被作為生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，起著吸收二氧化碳、固定光能的作用，土地利用類型的改變和植被的破壞直接影響到區(qū)域碳吸收和碳儲存能力；土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，既是碳源又是碳匯，土壤特性的改變在很大程度上都會影響土壤的碳儲存能力，同時影響土壤微生物的分解活性。因此在煤炭資源開采過程中造成的生態(tài)破壞勢必會對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳流動產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

3.2.1 植被碳擾動

植被主要通過光合作用吸收二氧化碳和其它含碳無機物將其轉(zhuǎn)化為自身生物量，從而達(dá)到碳物質(zhì)存儲的過程。植被碳儲量大小跟植被生物量密切相關(guān)，通常采用植被干物質(zhì)生物量乘以干物質(zhì)含碳比例估算，目前對于不同植被類型地上生物量的研究相對較多，已經(jīng)形成一定的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，然而相對于地上生物量而言植被生物量中的地下生物量數(shù)據(jù)較難獲得，一般根據(jù)地下生物量和地上生物量比值來推算林地總生物量。因此在本為中植被碳儲量的計算公式為：

式中：CCO2(噸碳)為植被碳儲量，Cb為地上生物量(噸干物質(zhì)/hm2)，R為地下生物量與地上生物量比值，CF為干物質(zhì)含碳比例，A(hm2)為植被面積。

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中各種農(nóng)作物和林木對于二氧化碳等含碳物質(zhì)的吸收起著重要作用，由于研究區(qū)的農(nóng)作物以水稻、小麥、玉米等一年生作物為主，生長周期短，碳儲存不具有長期性、效果不明顯，因此對于徐州九里礦區(qū)的植被碳研究主要以林地碳儲存為主。1995年九里礦區(qū)基本沒有林地覆蓋，隨著近幾年的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作的進(jìn)行在2001年和2009年的林地面積分別為472.6hm2和251.5hm2。徐州九里區(qū)氣候溫暖濕潤，植被類型屬溫帶闊葉林，根據(jù)2006年IPCC中公布的數(shù)據(jù)對參數(shù)予以賦值，其中地上生物量Cb為20噸干物質(zhì)/hm2，地下生物量與地上生物量比值R取0.46，干物質(zhì)碳比例CF取0.48，依據(jù)公式(1)求得2001年和2009年九里礦區(qū)植被碳儲量為6624噸碳和3525噸碳，相對于2001年而言2009年的植被碳儲量有所減少，其中最主要的原因在于礦區(qū)范圍內(nèi)部分林地由于開采沉陷的影響地面出現(xiàn)積水，在后期的土地復(fù)墾中將部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)樗锏雀赜糜谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此礦區(qū)植被碳儲量在研究期間有了較大的變化。

3.2.2 土壤有機碳擾動

土壤有機碳是土壤有機質(zhì)中的重要一部分，是通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動植物殘體和微生物體的合稱，其含量是進(jìn)入土壤的生物殘體等有機質(zhì)的輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機物質(zhì)的損失之間的平衡。土壤有機質(zhì)碳儲量通常跟地區(qū)氣候、土壤類型，土地利用因子，土地管理因子，土地投入因子密切相關(guān)，其中土地利用因子反映土地利用類型相關(guān)的碳庫變化，管理因子反映土地利用部門的主要管理方式，例如農(nóng)田的不同耕作方式，而投入因子反映土壤的不同碳投入水平，氣候和土壤類型綜合反映在土壤參考碳庫的變化上。因此根據(jù)土壤有機碳庫的影響因素其計算公式具體為：

式中SOC(噸碳)為土壤有機碳儲量，SOC參考(噸碳/hm2)為土壤參考碳庫，F(xiàn)lu為土地利用因子，F(xiàn)mg為土地管理因子，F(xiàn)1為土地投入因子，A(hm2)為土地面積。

研究區(qū)土地利用主要分為水域、建設(shè)用地、水田、旱地、林地、其他用地，其中建設(shè)用地以建筑設(shè)施、聚居地、道路覆蓋為主，地表土壤基本喪失碳儲存、碳吸收功能，建設(shè)用地碳排放主要體現(xiàn)在人為碳源的能源消耗方面，因此在本次分析過程中主要考慮其他5類用地的土壤碳庫變化。表2為研究區(qū)各類用地土壤有機碳參數(shù)的選取，然后根據(jù)1995、2001、2009年各類用地面積，估算各年的土壤碳儲量，結(jié)果如表3。礦區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)中1995年的土壤碳儲量分別高于2001年和2009年，但2009年的礦區(qū)土壤碳儲量又比2001年增加了7995.0噸有機碳，其中很大一部分原因在于近幾年徐州市加大了對礦區(qū)塌陷地的生態(tài)修復(fù)工作，開展了九里湖生態(tài)濕地公園建設(shè)，對九里湖一帶進(jìn)行大規(guī)模的治理工作，生態(tài)環(huán)境得到很大的改善。1995年至2009年徐州九里礦區(qū)水域面積從461.7hm2增加到622.9hm2，水域面積增加了161.2hm2，在該過程中由于土壤長期受水淹沒的影響土壤有機質(zhì)分解速度在短期內(nèi)有很大的提高，根據(jù)2006年IPCC中涉及的水淹地二氧化碳排放公式計算發(fā)現(xiàn)因塌陷積水的影響在14年里排放二氧化碳近5484噸碳，由此可見大面的塌陷積水對礦區(qū)碳排放效應(yīng)影響十分顯著。

表2 各類用地土壤有機碳參數(shù)

表3 各類用地土壤有機碳儲量(單位：噸碳)

礦區(qū)生態(tài)破壞一方面造成地表植被破壞和土地利用類型改變，另一方面在煤炭開采過程中，由于井工開采、地下水抽取、矸石壓占等原因造成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞、土壤含水率下降以及土壤重金屬污染，使土壤pH值、土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量等特性發(fā)生較大改變。據(jù)相關(guān)研究表明土壤性質(zhì)、粘土礦物類型及土壤環(huán)境如地形地貌特征對土壤有機碳含量及其穩(wěn)定性也有很大的影響，一般情況下，土壤有機碳含量與粘粒含量和土壤含水率呈顯著的正相關(guān)性與土壤溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)性[8-11]。因此礦區(qū)煤炭開采造成的土地破壞和土壤污染，對礦區(qū)土壤有機碳儲量造成了嚴(yán)重的破壞，使土壤在煤炭開采過程中釋放大量的二氧化碳等溫室氣體，對礦區(qū)碳循環(huán)產(chǎn)生明顯的干擾，在一定程度上加大了礦區(qū)的碳源作用。

4 總結(jié)

礦區(qū)煤炭開采對地區(qū)生態(tài)造成顯著影響的同時，產(chǎn)生明顯的碳擾動現(xiàn)象。本文通過對徐州九里礦區(qū)采礦引起的土地利用結(jié)構(gòu)和植被覆蓋變化進(jìn)行分析，并對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤有機碳儲量變化進(jìn)行估算，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1995年至2009年九里礦區(qū)土地利用類型發(fā)生較大的變化，其中總的變化趨勢為旱地和其他用地面積明顯減少，水田、建筑用地、林地面積有大幅增加，水域面積相對穩(wěn)定。礦區(qū)植被碳主要體現(xiàn)在林木的長期碳儲存方面，2001年九里礦區(qū)植被碳儲量為6624噸碳，2009年的植被碳儲量比2001年有所減少為3525噸碳，主要原因是林地面積的退化減少。土壤有機碳是礦區(qū)最大的碳匯，1995、2001、2009年土壤有機碳儲量以2001年最小為174334.1噸碳，一方面也體現(xiàn)了2001年礦區(qū)生態(tài)破壞較嚴(yán)重，隨著礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的開展，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到相應(yīng)改善，2009年土壤有機碳儲量為182329.1噸碳，比2001年增加了7995噸碳儲量。綜合而言，礦區(qū)生態(tài)破壞對礦區(qū)碳循環(huán)、碳效應(yīng)擾動效果明顯，因此煤礦開采和礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的過程中，必須注重對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的整體保護(hù)以減少礦區(qū)碳排放。

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Researchoncarbondisturbanceofmineecologicaldamage:ACaseStudyinXuzhouJiulimine

QIU Wen-wei,HOU Hu-ping

(School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining & Technology,Xuzhou221000,China)

Coal mining disturbs the carbon storage of mine ecosystem.It takes Xuzhou Jiuli mine for example,using remote sensing tools to extract the mining area of different land use type in1995,2001,2009.Based on this,it analyzes the changes of vegetation carbon and soil organic carbon.The results show that the changes of land use type in Jiuli mine are obvious from1995to2009.In2009,the vegetation carbon reserves is3525tons less than2001;In2001,the soil organic carbon reserves is175323.6tons less than1995and2009,and in2009,the number is182426.2tons have an increase of7103.6tons compared with2001.It concludes that mining ecological damage has obvious disturbance on ecosystem carbon storage.

ecological damage;mine area;carbon disturbance;Xuzhou Jiuli mine

X820.4

A

1004-4051(2013)02-0049-04

2012-04-12

邱文瑋(1988-)，男，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事土地利用和低碳研究。E-mail：qiuwen.wei@163.com。

能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃印發(fā)

根據(jù)中國政府網(wǎng)發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知》，“十二五”期間，我國將對能源消費總量和強度實施“雙控制”，具體控制目標(biāo)將分解到地方，并把落實情況納入各地考核。專家分析指出，能源消費控制已成為倒逼我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的“突破口”，將促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設(shè)。

該規(guī)劃提出，到2015年，全國能源消費總量和用電量分別控制在40億t標(biāo)煤和6.15萬億kW時，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2010年下降16%。能源綜合效率提高到38%。

該規(guī)劃提出，綜合考慮各地經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、區(qū)位和資源特點等因素，將能源和電力消費總量分解到各省(區(qū)、市)，由省級人民政府負(fù)責(zé)落實。把能源消費總量控制目標(biāo)落實情況納入各地經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展綜合評價考核體系，實施定期通報制度。

當(dāng)前，我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，開發(fā)利用方式粗放，資源環(huán)境壓力加大。與此同時，國際上應(yīng)對氣候變化的壓力日益增大，迫切需要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)。

該規(guī)劃提出，到2015年我國非化石能源消費比重提高到11.4%。天然氣占一次能源消費比重提高到7.5%，煤炭消費比重降低到65%左右。突破煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)技術(shù)瓶頸。

該規(guī)劃提出，科學(xué)界定競爭性和非競爭性業(yè)務(wù)，對可以實現(xiàn)有效競爭的業(yè)務(wù)引入市場競爭機制，積極培育市場競爭主體；對自然壟斷業(yè)務(wù)，加強監(jiān)管，保障公平接入和普遍服務(wù)。