典型干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)

董霽紅，吉 莉，房阿曼

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

草原占我國國土總面積的40%，是面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有固碳、保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國主要的草原分布區(qū)，同時(shí)擁有豐富的煤炭資源，截止2016年底累計(jì)查明煤炭儲量達(dá)10 246億t，居全國各省區(qū)煤炭儲量的首位[2-4]。黃河流域是能源流域，兼具生態(tài)環(huán)境治理和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重任，一直以來受到國家的高度重視。內(nèi)蒙古自治區(qū)位于黃河中上游地區(qū)，該地區(qū)煤炭產(chǎn)業(yè)是黃河流域中上游的主要經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè)之一。煤炭資源大規(guī)模開采引起草場退化、地下水位下降、生物多樣性減少等生態(tài)問題，經(jīng)過長期累積和空間外擴(kuò)，對礦區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響[5-9]。國家高度關(guān)注草原生態(tài)問題，2020年黨的十九屆五中全會提出“推行草原森林河流湖泊休養(yǎng)生息”，草原被放到了最前面，說明保護(hù)草原生態(tài)的重要性和緊迫性。煤炭大規(guī)模開采加劇了水土流失和污染，導(dǎo)致沙漠化進(jìn)程加速以及耕地生產(chǎn)力的持續(xù)下降。

內(nèi)蒙古東部屬于干旱半干旱地區(qū)，年降水量低于400 mm，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。區(qū)內(nèi)有勝利、伊敏、元寶山、霍林河等多個(gè)大型露天礦以及錫林郭勒大型煤電基地等。煤炭開采及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了劇烈破壞[10-12]。2000—2009年，伊敏露天礦煤炭開采造成地下水水位累積下降27.2 m，產(chǎn)生固體廢物約4.5萬t[13]。2012年初步調(diào)查，呼倫貝爾市因采煤造成的地面塌陷約36 km2，廢石場占地累計(jì)10.3 km2，地下水漏斗24 km2，土地污染10 km2[14]。目前，呼倫貝爾草原以每年2%速度退化，其中煤炭采掘過程中剝離的松散沙土在風(fēng)力作用下掩蓋農(nóng)田與草地是造成草原退化的重要原因之一[15]。因此，在推進(jìn)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略背景下，內(nèi)蒙古東部草原礦區(qū)生態(tài)問題治理刻不容緩。

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)具有時(shí)間累積性和空間延展性。當(dāng)累積效應(yīng)超過區(qū)域生態(tài)環(huán)境容量，將會給地域自然及社會生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的破壞。依據(jù)外部條件的影響程度和當(dāng)?shù)氐纳鐣到y(tǒng)的特征，可以表現(xiàn)出不同的生態(tài)累積效應(yīng)過程和結(jié)果。就我國干旱半干旱地區(qū)的草原生態(tài)系統(tǒng)而言，在一定時(shí)間內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在受到工業(yè)、放牧及采礦等外部活動長期干擾時(shí)，草原生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，部分生態(tài)系統(tǒng)組分能夠通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，關(guān)鍵組分一旦超過安全閾值則難以恢復(fù)，甚至?xí)绊懫渌嚓P(guān)組分的穩(wěn)定性，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變，生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生動態(tài)演變[13,16]。因此，研究煤礦發(fā)展過程與草原生態(tài)系統(tǒng)演變的相互關(guān)系十分必要。筆者針對內(nèi)蒙古東部典型干旱半干旱草原礦區(qū)煤炭長期開采引起的生態(tài)累積問題，通過分析礦區(qū)發(fā)展與草原生態(tài)演變的關(guān)系、草原礦區(qū)生態(tài)累積特征及關(guān)鍵生態(tài)要素的累積響應(yīng)特點(diǎn)，揭示草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)機(jī)理。

1 干旱半干旱草原礦區(qū)相關(guān)研究

1.1 干旱半干旱草原礦區(qū)的內(nèi)涵

由于認(rèn)識和應(yīng)用目的的差異，關(guān)于礦區(qū)(Mining Area)內(nèi)涵具有多種解釋。采礦規(guī)劃強(qiáng)調(diào)礦區(qū)由若干礦井及其附著設(shè)施組成，即采礦工業(yè)涉及的相關(guān)地域空間，一般為地下埋藏的礦產(chǎn)資源開采及其地表影響范圍，空間上具有有限性和連續(xù)性。行政管理部門則認(rèn)為礦區(qū)是井田及其所屬行政機(jī)構(gòu)的合稱。而多數(shù)學(xué)者明確指出礦區(qū)是基于礦物開采和加工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促使人口聚集形成社區(qū)，即特定地理空間范圍內(nèi)的社會群體所在的區(qū)域，并具有自身的特征[17]。從上述概念可以看出，礦區(qū)具有區(qū)域性、礦業(yè)主導(dǎo)性和社會性3個(gè)基本特征。

國內(nèi)外學(xué)者對草原礦區(qū)(Grassland Mining Area)的內(nèi)涵并沒有明確的解釋。根據(jù)我國草原煤礦的分布(圖1)，結(jié)合學(xué)者、環(huán)保機(jī)構(gòu)等對草原煤炭開采引起的生態(tài)問題進(jìn)行的學(xué)術(shù)研究、專利申請及技術(shù)規(guī)范[18-20]可以得出，草原礦區(qū)具有3個(gè)基本特征:① 處于干旱半干旱氣候區(qū)，地表植被形態(tài)以草本植物為主;② 重要的草原放牧區(qū)，畜牧業(yè)在區(qū)域經(jīng)濟(jì)中占重要地位;③ 地下蘊(yùn)藏有一定儲量、一定種類的礦產(chǎn)資源的區(qū)域，并且在開采區(qū)域內(nèi)形成相對完善的生產(chǎn)及生活設(shè)施。

1.2 干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)要素

干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是涵蓋社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和資源為一體的復(fù)合大系統(tǒng)。當(dāng)前，學(xué)者對草原礦區(qū)生態(tài)的關(guān)注重點(diǎn)是生態(tài)服務(wù)功能及生態(tài)健康的評價(jià)。干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)指標(biāo)能夠以量化形式反映草原生態(tài)環(huán)境局部或者某一方面的特征和狀態(tài)，能夠刻畫草原表面生態(tài)和環(huán)境的生物、物理與化學(xué)參數(shù)。因此，通過選取草原生態(tài)適宜指標(biāo)能夠更好的了解草原的變化趨勢。

部分學(xué)者依據(jù)草原生態(tài)系統(tǒng)的特征，分別從物質(zhì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)及功能方面選取基礎(chǔ)生態(tài)要素(如水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境及其他生物環(huán)境等)、種群結(jié)構(gòu)、景觀結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)生態(tài)功能等指標(biāo)[21];部分學(xué)者則從草原的生產(chǎn)、生態(tài)兩大功能選取畜產(chǎn)品單位、植被蓋度、廢棄物處理情況、固碳吐氧量、生物多樣性等指標(biāo)[22];另有部分學(xué)者將草原劃分為典型草原、草甸草原、荒漠草原及高寒草原，分別選取各類型草原的生態(tài)指標(biāo)，如典型草原區(qū)的草地覆蓋率、理論載畜量、濕潤度等，草甸草原區(qū)的葉面積指數(shù)、物種綜合優(yōu)勢比、物種豐富度等，荒漠草原的年降水量、干燥度、土壤腐殖層厚度等以及高寒草原的優(yōu)勢物種覆蓋度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、草地覆蓋度等指標(biāo)[23-26]。草原礦區(qū)景觀格局中，草地、沙地、水域等面積變化作為顯性的指標(biāo)，能夠直觀反映采礦活動產(chǎn)生的生態(tài)影響，但一些隱性指標(biāo)存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在短期內(nèi)不易察覺，其顯化需要過程。因此，分析生態(tài)要素指標(biāo)及其特性是草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)研究的關(guān)鍵。

2 干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)評述

2.1 礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)與特征

煤炭資源開發(fā)的時(shí)間持續(xù)性、空間擴(kuò)展性和人類活動強(qiáng)干擾性，使礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)顯著，主要表現(xiàn)為地形地貌的改變、景觀格局轉(zhuǎn)變、水土流失加劇、植被退化和土壤重金屬污染等，具有多源性、復(fù)雜性、時(shí)空累積性、閾值性。

考慮煤炭開采宏觀生態(tài)影響，王行風(fēng)等[27]認(rèn)為礦區(qū)的生態(tài)累積效應(yīng)是各種生態(tài)效應(yīng)在時(shí)空尺度上的累積，指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在過去、現(xiàn)在和未來的可預(yù)見的外力作用，其中主要是與煤炭資源開采相關(guān)的人類活動的影響，產(chǎn)生的響應(yīng)及變化結(jié)果，而各種變化間同時(shí)具有一定的相關(guān)性，呈現(xiàn)時(shí)空兩方面的表現(xiàn)特征，且形式復(fù)雜。從地球化學(xué)的微觀角度來講，趙元藝等[28]認(rèn)為累積環(huán)境影響是指元素在金屬礦開采前、開采過程中、閉坑后幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)的元素遷移及沉淀在特定環(huán)境下綜合作用的總體效應(yīng)。綜上，探究草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)，需要宏觀分析煤礦在投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)、豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及衰退各個(gè)階段的土地覆被、植被演變效應(yīng)，同時(shí)微觀分析關(guān)鍵生態(tài)要素在整個(gè)生命周期的遷移及沉淀效應(yīng)。

2.2 礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評估與文獻(xiàn)評述

關(guān)于礦區(qū)生態(tài)問題研究具有要素單一性和研究時(shí)段性。生態(tài)要素方面，礦區(qū)水、土壤、植被、大氣等是研究的重點(diǎn)[29]。研究時(shí)段方面，重在分析礦區(qū)某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)或者時(shí)期內(nèi)礦區(qū)的生態(tài)問題[30]。生態(tài)累積的復(fù)雜性和時(shí)空積累性決定了礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)的研究不能局限于某一時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段的一種生態(tài)要素，而要從煤炭生命周期重要階段(如開采初期、豐產(chǎn)期、衰退期等)出發(fā)，研究礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各要素相互作用共同產(chǎn)生的累積效應(yīng)。

國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)累積效應(yīng)的研究相對較多。理論方面，解釋了生態(tài)累積效應(yīng)的概念及特征、煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源識別、累積途徑及效應(yīng)類型;方法方面，主要包括地理信息系統(tǒng)、系統(tǒng)動力學(xué)、解釋結(jié)構(gòu)模型等定量與定性方法;涉及區(qū)域方面，包括流域、濕地、煤礦區(qū)等。但是，關(guān)于干旱半干旱草原區(qū)煤炭資源開發(fā)的生態(tài)累積效應(yīng)研究相對較少，已有研究只是針對草原區(qū)煤電開發(fā)的生態(tài)累積效應(yīng)識別的理論研究，并沒有系統(tǒng)性進(jìn)行草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)機(jī)理分析。而草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)程度如何？已有模型方法是否適合草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)的定量分析？這些問題并沒有深入研究。因此，總結(jié)草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)理論、定量評估草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)累積程度是亟需解決的理論與實(shí)踐問題。

3 草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)過程與特征

3.1 煤礦生命周期分析

煤礦服務(wù)年限常依據(jù)礦區(qū)劃定范圍內(nèi)的煤炭資源儲量而定。根據(jù)礦山開采方案，經(jīng)過前期勘察規(guī)劃、建成開采、投產(chǎn)達(dá)產(chǎn)等階段后，理論上應(yīng)按照要求經(jīng)歷長期的穩(wěn)產(chǎn)階段。已有研究多將煤礦生命周期大致劃分為規(guī)劃期、建設(shè)期、投產(chǎn)期、達(dá)產(chǎn)期、穩(wěn)產(chǎn)期、衰退期[31]。然而，在實(shí)際開采過程中，隨著開采技術(shù)的改進(jìn)及設(shè)備的增加，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，進(jìn)入豐產(chǎn)期，之后逐漸降低至穩(wěn)定。豐產(chǎn)期由于開采量大，對生態(tài)擾動較為明顯，需特別強(qiáng)調(diào)重視。本文將煤礦生命周期劃分為規(guī)劃階段、建設(shè)階段、投產(chǎn)階段、達(dá)產(chǎn)階段、豐產(chǎn)階段、穩(wěn)產(chǎn)階段、衰退階段、閉礦階段，如圖2所示。

圖2 煤礦生命周期階段劃分Fig.2 Division of coal life cycle stages

3.2 草原礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替

3.2.1草原生態(tài)系統(tǒng)演替特征

草原生態(tài)系統(tǒng)是以飼用植物和草食動物為主體的生物群落與其生存環(huán)境共同構(gòu)成的有一定界面的動態(tài)開放系統(tǒng)。草原生態(tài)系統(tǒng)演替不僅是生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)在時(shí)間序列上的替代，同時(shí)是生態(tài)系統(tǒng)在空間上的動態(tài)演變。

草原生態(tài)系統(tǒng)的空間格局及過程一直呈現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)，即物質(zhì)流、能量流及信息流的流動與交換、生長與死亡、競爭、擴(kuò)散與縮減等，在沒有干擾條件下，運(yùn)動從不間斷。自然及人為干擾作為草原生態(tài)系統(tǒng)演替的內(nèi)、外在驅(qū)動力，共同作用引起生態(tài)系統(tǒng)的對稱性破缺，從而推動系統(tǒng)的正向和逆向演替。如氣候條件變化，氣溫升高、降雨量減少及極端天氣的出現(xiàn)，對干旱半干旱的草原地區(qū)影響尤其顯著，由于蒸發(fā)量加大，牧草生長發(fā)育受阻，優(yōu)勢草種比例下降，草地呈現(xiàn)逆向演替，冬春季氣候變暖利于蝗卵孵化，導(dǎo)致蝗蟲數(shù)量增加，對草原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。草原墾殖、過度放牧、煤炭開采等干擾活動改變了草原的組成、分布范圍及空間布局，其強(qiáng)度和規(guī)模遠(yuǎn)大于自然干擾。

3.2.2煤炭開采干擾草原生態(tài)系統(tǒng)空間演變

根據(jù)煤礦生命周期各階段的特征，可將其歸納為4個(gè)發(fā)展時(shí)期，即發(fā)展初期(規(guī)劃階段、建設(shè)階段)、加速發(fā)展期(投產(chǎn)階段、達(dá)產(chǎn)階段、豐產(chǎn)階段)、穩(wěn)定發(fā)展期(穩(wěn)產(chǎn)階段)、發(fā)展衰退期(衰退階段、閉礦階段)，如圖3所示。

煤礦發(fā)展各時(shí)期生產(chǎn)組織重點(diǎn)不同，對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響存在差異。發(fā)展初期，礦區(qū)主要建設(shè)生產(chǎn)、生活基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生固體廢渣，以挖損、壓占土地為主，草地破壞、物種遷徙，生態(tài)系統(tǒng)未受到顯著的影響，如圖4所示。加速發(fā)展期，隨著煤炭開采量增加，煤炭運(yùn)輸、破碎加工等項(xiàng)目增多，生態(tài)要素如水、土地、植被等均受到影響。大面積的原始地貌被挖損，地下巖層破碎，表土堆放、矸石山數(shù)量不斷增加，選煤水、生活污水排放，爆破、瓦斯泄露等造成的大氣污染，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，給生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力越來越接近閾值。

圖3 草原生態(tài)系統(tǒng)演替與煤礦發(fā)展時(shí)期Fig.3 Grassland ecosystem succession and coal mine development period

圖4 草原礦區(qū)生態(tài)擾動示意Fig.4 Ecological disturbance of grassland mining area

穩(wěn)定發(fā)展期，雖然開采量無明顯提高，但對生態(tài)的負(fù)面影響長期處于增長狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素逐漸超過閾值，即環(huán)境容量，生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，促使生態(tài)系統(tǒng)由受損轉(zhuǎn)化為退化或極端退化狀態(tài)，人類開始更加關(guān)注礦區(qū)生態(tài)問題，投入人力、財(cái)力、物力修復(fù)或重建生態(tài)系統(tǒng)。

發(fā)展衰退期，煤礦發(fā)展主要為3個(gè)方向:科技創(chuàng)新、平穩(wěn)轉(zhuǎn)型和閉礦。其中，煤炭開采量逐漸減少直至閉礦，生態(tài)系統(tǒng)趨于自我修復(fù)、穩(wěn)定狀態(tài)?？萍紕?chuàng)新、平穩(wěn)轉(zhuǎn)型則可能促使生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，也可能產(chǎn)生新的生態(tài)問題，影響生態(tài)平衡。

3.3 草原礦區(qū)生態(tài)累積特征

草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)具有以下累積特征，其中前5個(gè)屬生態(tài)累積效應(yīng)共有特征，后2個(gè)屬草原地區(qū)獨(dú)有的特征:

(1)時(shí)間累積性。煤礦生命周期較長，生態(tài)影響可能早于煤礦開采行為產(chǎn)生，并遲于煤礦關(guān)閉結(jié)束。在煤礦開采建設(shè)之前，已開始對礦山進(jìn)行勘察、地質(zhì)調(diào)查等工作，物探、鉆探、采樣等勘查手段，對礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)生微弱的影響。煤礦關(guān)閉后，廢棄礦區(qū)匯集地下水缺少人為疏導(dǎo)未能及時(shí)排出，導(dǎo)致水位上升而淹沒礦區(qū)及周邊地區(qū)，地下采空區(qū)因長期缺乏維護(hù)造成大面積的地面塌陷、開裂。

(2)空間擴(kuò)展性。隨著煤礦發(fā)展，礦區(qū)人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的生活居住服務(wù)設(shè)施不斷完善，礦區(qū)周邊逐漸形成城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)等。煤炭開采、加工過程中產(chǎn)生的廢水隨地表徑流進(jìn)入周邊河流，廢氣隨大氣交換擴(kuò)散到周邊地區(qū)。煤礦規(guī)劃后，對周邊地區(qū)牧區(qū)范圍產(chǎn)生影響。

(3)累積源疊加或協(xié)同。呼倫貝爾市、錫林郭勒盟的煤礦不是單一分布，多以煤礦群分布，因此生態(tài)影響源不是惟一的。多個(gè)煤礦協(xié)同作用影響區(qū)域生態(tài)。對于單一煤礦來說，累積源也不是惟一的，比如水質(zhì)的影響源，選礦廢水、電廠污水、生活污水等都是主要的污水來源，而矸石山自燃產(chǎn)生的廢氣隨降水落入地表河流，成為污水的來源。

(4)隱性與顯性。煤礦開采引起的地表塌陷、水土流失及工礦、交通運(yùn)輸?shù)扔玫孛娣e增加、植被物種數(shù)量及種類的變化等屬顯性特征，而地下水位改變、生態(tài)系統(tǒng)演替、區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等屬隱性特征。經(jīng)過時(shí)空累積，隱性會逐漸轉(zhuǎn)化為顯性，如地下水下降引起草地退化，土地荒漠化加劇。顯性也會轉(zhuǎn)化為隱性，如植被物種群落多樣性及地表景觀的改變終會導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生演替。

(5)間接效應(yīng)。煤炭開采會造成礦區(qū)周邊地區(qū)草地退化，對區(qū)域牧業(yè)產(chǎn)生影響。地表塌陷引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下降。礦區(qū)工業(yè)污水的排放影響礦區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)生活用水及水生生物生長。

(6)閾值敏感性。生態(tài)累積效應(yīng)強(qiáng)調(diào)閾值及觸發(fā)點(diǎn)，在生態(tài)脆弱區(qū)，閾值具有敏感性。如干旱半干旱氣候條件下較低的降水量及較高的蒸發(fā)量決定了水分是草原植物生長的關(guān)鍵制約因素。由于人類采礦的擾動導(dǎo)致區(qū)域下墊面性質(zhì)變化，如草地變?yōu)樗輩^(qū)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為坑塘用地，地表水體改變影響區(qū)域水循環(huán)、水量。

(7)生態(tài)功能可恢復(fù)性差。內(nèi)蒙古東部草原礦區(qū)位于呼倫貝爾沙地、陰山北麓—渾善達(dá)克沙地，屬于高度敏感區(qū)，生態(tài)環(huán)境較脆弱，一旦遭到破壞，超過生態(tài)環(huán)境閾值，修復(fù)難度較大，恢復(fù)時(shí)間較長。

3.4 草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)涵蓋研究

由于外部條件的影響程度和當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)的特征差異性，生態(tài)累積效應(yīng)在不同礦區(qū)、不同的生命階段的表現(xiàn)形式不同，不同的累積形式組合在一起，具有較高的相關(guān)性。煤炭資源開采對草原地區(qū)生態(tài)影響種類較多，累積效應(yīng)的途徑及表現(xiàn)形式復(fù)雜，實(shí)際研究中難以做到全面分析。針對水、土、植被、大氣等干旱半干旱區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)要素進(jìn)行分析。

(1)水環(huán)境累積響應(yīng)。內(nèi)蒙古東部草原地區(qū)水源主要來自于大氣降水、地表河水、湖泊水及地下水。煤炭開采產(chǎn)生的工業(yè)廢水、生活污水部分流入地表河流，部分下滲進(jìn)入地下，部分蒸發(fā)進(jìn)入大氣，再通過降水進(jìn)入地表水和地下水。長期的累積變化不僅影響區(qū)域水循環(huán)，對水量及水質(zhì)均產(chǎn)生影響。

(2)土地環(huán)境累積響應(yīng)。長期開采引起地下水水位下降，同時(shí)受干旱半干旱少雨氣候的影響，草原植被發(fā)生退化，區(qū)域沙化、荒漠化嚴(yán)重。因煤礦發(fā)展建設(shè)的工業(yè)廣場、生活居住區(qū)等，以及煤炭開采引起的地表塌陷、水土流失等，導(dǎo)致礦區(qū)及周邊地區(qū)地表景觀發(fā)生變化。煤炭生產(chǎn)及加工過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣中的化學(xué)物質(zhì)隨著地表水進(jìn)入土壤，造成土壤環(huán)境污染。

(3)植被環(huán)境累積響應(yīng)。煤礦建設(shè)導(dǎo)致草地被硬化，煤炭開采造成草地的挖損、壓占及塌陷。原始地貌中的植被物種減少，甚至消失。地下水位下降及污染也會引起植被退化。煤礦粉塵的排放通過影響礦區(qū)及周邊地區(qū)的植被高度、蓋度及密度進(jìn)而影響植物的生長。同時(shí)，由于氣溫、水分的改變，會增加新的適生植物。

(4)大氣環(huán)境累積響應(yīng)。煤炭運(yùn)輸產(chǎn)生的揚(yáng)塵、電廠煤炭燃燒排放的廢氣、煤矸石自燃產(chǎn)生的含硫化合物等都是大氣中污染物的主要來源。大氣污染的累積形式主要表現(xiàn)為空間擴(kuò)散效應(yīng)，由于風(fēng)力、地形等影響，可以影響礦區(qū)周邊更遠(yuǎn)區(qū)域。

(5)生物生態(tài)累積響應(yīng)。礦區(qū)地表塌陷區(qū)長期積水，由陸地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為水域生態(tài)系統(tǒng)。土地利用類型的變化，如草地轉(zhuǎn)化為工礦用地，引起動物遷徙，植物群落數(shù)量及組成的變化，影響區(qū)域生物量，進(jìn)而影響草原的碳排放。

3.5 基于趨勢線分析法的植被生態(tài)累積效應(yīng)示例

3.5.1IGNDV值獲取

植被是衡量地球生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，在維系土壤、調(diào)節(jié)氣候、反映生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。歸一化植被指數(shù)(INDV)作為反映植被長勢的重要參數(shù)常用于反映植被覆蓋度的變化[32]。采用趨勢線分析法，通過各年份生長季(4—10月)INDV值獲取內(nèi)蒙古東部地區(qū)35 a間(1981—2015年)每個(gè)像元年生長季最大值(IGNDV)，以反映INDV年際變化特征。

3.5.2趨勢線分析法

趨勢線分析法能夠清楚的表達(dá)柵格像元的變化規(guī)律，更好的體現(xiàn)研究區(qū)時(shí)間序列要素(IGNDV、氣溫、降水等)的時(shí)空變化特征。利用一元線性回歸逐個(gè)分析柵格像元的變化趨勢，并將線性回歸方程的斜率定義為要素的年際變化趨勢率sl[33]。sl具體計(jì)算如式(1)所示[34]。相關(guān)系數(shù)R可用于判定變化趨勢的顯著程度，R值的正負(fù)反映要素隨時(shí)間變化的增加或減少，其顯著性可用t分布檢驗(yàn)，具體計(jì)算如式(2)，(3)所示。依據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，將變化趨勢分為5個(gè)等級，見表1。

(1)

(2)

(3)

其中，sl為某一要素與時(shí)間年份擬合的一元線性回歸方程的斜率，表示該要素的年際變化趨勢;n為時(shí)間序列長度，n=35;i為年序號(i=1,2,…,35);xi為某一要素在第i年的數(shù)值。若sl>0，表明1981—2015年要素呈增加的趨勢;若sl=0，表明1981—2015年要素?zé)o明顯變化;若sl<0，表明1981—2015年要素呈減少的趨勢。sl的絕對值越大，表明變化速率越大。

表1 變化趨勢類型劃分Table 1 Classification of significant test results

3.5.31981—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)植被覆蓋累積變化

根據(jù)計(jì)算，內(nèi)蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度變化斜率sl的取值在-0.008～0.002，如圖5(a)所示。依據(jù)斜率的顯著性，對內(nèi)蒙古東部地區(qū)植被時(shí)空變化趨勢進(jìn)行分級如圖5(b)和表2所示。

圖5 1981—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度累積變化Fig.5 Cumulative change trend of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia from 1981 to 2015

表2 內(nèi)蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度累積變化趨勢類型比例Table 2 Cumulative change trend type ratio of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia

內(nèi)蒙古東部地區(qū)約61.29%的像元植被覆蓋度變化不明顯;通遼市的西北部、赤峰市的北部及呼倫貝爾市的中部地區(qū)約16.86%的像元植被覆蓋度呈現(xiàn)減少的趨勢;呼倫貝爾市的西部、興安盟的南部、赤峰市及通遼市的西南部地區(qū)約21.85%的像元植被覆蓋度呈現(xiàn)增加的趨勢。

4 草原礦區(qū)生態(tài)要素累積效應(yīng)與彈性調(diào)控

4.1 水環(huán)境累積源識別與表征

地表水環(huán)境和地下水環(huán)境構(gòu)成了礦區(qū)水環(huán)境。煤炭資源開采工業(yè)活動及人類活動共同作用水資源系統(tǒng)，通過影響水量和水質(zhì)進(jìn)而影響水資源平衡，產(chǎn)生礦區(qū)水環(huán)境問題。

4.1.1累積源識別與累積特征

礦區(qū)水資源工程系統(tǒng)主要包括供給和排水。其中，大氣降水、地表河流及地下水是重要的補(bǔ)給來源，同時(shí)這3者構(gòu)成了礦區(qū)水循環(huán)。礦區(qū)水環(huán)境累積特征見表3。

表3 水環(huán)境累積效應(yīng)特征Table 3 Cumulative effects of water environment

4.1.2累積表征形式

(1)水系分布。礦區(qū)地形地貌的變化影響了地表水系的分布。排土場、矸石山的形成，在雨水的沖刷下造成水土流失;地表裂縫由于地表水的沖蝕，逐漸擴(kuò)大，形成水蝕溝;塌陷區(qū)隨著程度的加深及影響范圍的擴(kuò)大，積水區(qū)域面積不斷增大，形成了較大的匯水區(qū)，甚至?xí)淖儏^(qū)域河流的流向。

(2)水量變化。采煤塌陷區(qū)減少了地表水的蒸發(fā)量。干旱半干旱區(qū)的氣候特點(diǎn)決定區(qū)域蒸發(fā)量較大;內(nèi)蒙古東部地區(qū)多分布大型露天煤礦，巨大的礦坑積水后，導(dǎo)致區(qū)域蒸發(fā)量明顯增加;而采煤引起的地表硬化減少了淺層地下水蒸發(fā)量，增加了區(qū)域水資源;以及采煤引起的地下水位下降增強(qiáng)了對外流域水資源的競爭量，補(bǔ)充了地下水資源，從而增加了區(qū)域水資源。

(3)水質(zhì)改變。選礦廢水、洗煤水含有大量的懸浮物及有害物質(zhì)，被排入河流后淤塞河道，有毒的浮選劑導(dǎo)致水質(zhì)下降，有毒的重金屬會造成河流污染，對河流周邊牧群產(chǎn)生危害;矸石山、排礦堆等經(jīng)過雨水淋濾，含有硫酸鹽及有害重金屬元素的淋溶水若未經(jīng)排放處理，會通過地表徑流污染河流，甚至地下水;井工開采過程中產(chǎn)生的礦井水排放或滲漏會對地下水造成污染。

4.1.3地表水環(huán)境累積響應(yīng)機(jī)理

礦區(qū)地表水系的形成受地表植被截留、土壤入滲、地形變化的影響，地形的變化常影響地表水文的徑流和匯流，因此，草原礦區(qū)地表水文過程模型可綜合植被截留模型、土壤入滲模型和徑流匯流模型[32]，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 地表水文過程模型示意Fig.6 Surface hydrological process model

4.2 土地環(huán)境生態(tài)累積響應(yīng)機(jī)理

4.2.1土地覆被累積響應(yīng)

(1)地形地貌。露天礦區(qū)通常經(jīng)過表土剝離后再進(jìn)行煤炭開采，從而形成挖損區(qū)和堆放區(qū)。由于挖損地表形成大面積的采坑，經(jīng)過長期積水形成了坑塘。排土場的迎背風(fēng)坡由于氣溫、降水量的不同，植被長勢的差異性顯著。隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大，礦區(qū)人口集聚規(guī)模不斷增加，礦區(qū)周邊原有城鎮(zhèn)建設(shè)景觀面積增加，或形成新的煤炭城市。新增了煤炭運(yùn)輸或城鎮(zhèn)發(fā)展的配套基礎(chǔ)設(shè)施如交通運(yùn)輸、電廠等建設(shè)用地景觀。礦區(qū)景觀的復(fù)雜性、空間異質(zhì)性及破碎化程度受人類采礦活動的干擾不斷發(fā)生變化。

(2)場地類型。在礦區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)，因煤炭開采、加工、運(yùn)輸?shù)刃纬闪烁黝悎龅?，整體上可歸納為原生場地、開采場地、污染場地、損毀場地4種類型，見表4。

(3)土壤質(zhì)量。由于采礦業(yè)的影響，礦區(qū)部分地區(qū)形成了以固體廢棄巖土為母質(zhì)，受人工整理、改良，使其風(fēng)化、熟化而成的土壤。在礦產(chǎn)資源開采、加工、利用等過程中，進(jìn)入礦區(qū)土壤中污染物的速度及含量明顯超過了土壤環(huán)境相應(yīng)的承載能力，導(dǎo)致土壤功能和質(zhì)量產(chǎn)生變化。土壤pH、微量元素、營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)等是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，如圖7所示。

4.2.2土地覆被演變生態(tài)累積效應(yīng)機(jī)理

(1)土地覆被變化響應(yīng)。在土地利用類型數(shù)量方面，草原礦區(qū)未開采前，以草地和林地為主，隨著人類開采活動的影響，草地大幅度轉(zhuǎn)化為工礦用地，進(jìn)而引起交通運(yùn)輸、建設(shè)等用地面積擴(kuò)大，礦區(qū)復(fù)墾及生態(tài)修復(fù)等措施將工礦用地復(fù)墾為草地和林地。在土地利用類型的空間布局方面，增加的建設(shè)用地多出現(xiàn)在工礦用地附近。在土地利用景觀結(jié)構(gòu)方面，采礦引起礦區(qū)景觀斑塊數(shù)量增多，景觀生態(tài)功能隨之變化。在土地利用重心方面，分析礦區(qū)各土地利用類型的重心遷移方向及距離，能夠反映土地利用類型的空間變化特征。

表4 露天礦區(qū)主要場地類型Table 4 Site types of open-pit mines

圖7 土壤環(huán)境累積效應(yīng)Fig.7 Accumulative effects of soil environment

(2)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能響應(yīng)。土地利用景觀格局的時(shí)空變化必然引起區(qū)域相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改變。隨著人類擾動增加，土地利用景觀類型不斷發(fā)生變化，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)逐漸從自然生態(tài)系統(tǒng)(草地、林地等)演變?yōu)榘胱匀话肴斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)(農(nóng)田等)，直至人工生態(tài)系統(tǒng)(工業(yè)、城鎮(zhèn)等)。在草原區(qū)，原始生態(tài)系統(tǒng)以草地、林地生態(tài)系統(tǒng)為主，保持水土、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務(wù)功能較強(qiáng)，采礦活動、城鎮(zhèn)化等因素影響下逐漸演變?yōu)槌擎?zhèn)、工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)功能增強(qiáng)，系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能下降，隨著人類環(huán)保意識的加強(qiáng)，工礦用地被復(fù)墾為林地、草地，相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到恢復(fù)。

(3)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)。土地利用景觀格局的變化，在改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的同時(shí)，增加了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能性。土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估是基于生態(tài)學(xué)、毒理學(xué)等理論研究一種或多種因素可能產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)。土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的前提是風(fēng)險(xiǎn)源的識別、風(fēng)險(xiǎn)受體及生態(tài)終點(diǎn)的確定，如圖8所示。在草原礦區(qū)，主要的風(fēng)險(xiǎn)源為氣象災(zāi)害及人類活動。人類活動主要表現(xiàn)為放牧和采礦活動，其中采礦活動是主要的人為風(fēng)險(xiǎn)源。風(fēng)險(xiǎn)受體是可能遭受風(fēng)險(xiǎn)源不利作用的承受者，在選擇時(shí)，選取具有代表性、能夠反映研究區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，包括生物群落、生態(tài)系統(tǒng)、土壤質(zhì)量等單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)體，也可以是若干個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)也可是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與過程的分析。生態(tài)終點(diǎn)作為受體對風(fēng)險(xiǎn)的響應(yīng)，呈現(xiàn)了生態(tài)后果，常表現(xiàn)為土壤質(zhì)量下降、水體污染、生物多樣性減少、生態(tài)彈性降低、生態(tài)服務(wù)功能下降等。

圖8 草原礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)受體與生態(tài)終點(diǎn)Fig.8 Ecological risk sources,receptors and endpoints of mining areas in grassland

4.3 植被群落多樣性響應(yīng)

植被作為連接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，對區(qū)域生態(tài)狀況具有指示作用。礦區(qū)水環(huán)境、地表景觀、土壤質(zhì)量變化會影響植物生長，尤其是對氣候變化較為敏感的植物。植物的響應(yīng)宏觀上表現(xiàn)為區(qū)域植物的生長狀況，微觀上體現(xiàn)在局部地區(qū)群落數(shù)量、群落組成、多樣性的變化。

4.3.1植物生長狀況

作為地表植被覆蓋的重要指示因子，植被覆蓋度是描述植被生長的重要定量參數(shù)，常被應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估中衡量地表植被覆蓋狀況的量化指標(biāo)之一。氣候因子，包括溫度和降水，是植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動因素。同時(shí)，人類活動對植被覆蓋度的變化具有雙重效應(yīng)，土地整治復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)等正向效應(yīng)會促使植被覆蓋度增加，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變好;開采建設(shè)占用耕地、草地等負(fù)效應(yīng)會破壞原始地表植被生長環(huán)境，不僅導(dǎo)致植被覆蓋度降低，同時(shí)會加快降低的速率。

4.3.2植物群落數(shù)量及組成

植物群落在一定的地段上，一定的植物種類群居在一起，構(gòu)成了有其特定的外貌、結(jié)構(gòu)的植物組合。適宜的氣候、物種的競爭、特定的食物鏈構(gòu)成了植物群落穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。土壤水是干旱半干旱區(qū)草原植被群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因素，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷也是重要的影響因素。采礦活動對水環(huán)境及土壤環(huán)境的擾動，間接影響了植被群落結(jié)構(gòu)。

4.3.3植物群落多樣性響應(yīng)

植物群落物種多樣性與生境密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分的積累利于植物群落多樣性增加，土壤含水率的降低影響灌木的生存，從而減少了植物群落多樣性。采礦活動對土壤環(huán)境的擾動間接影響了植物群落多樣性。

4.4 生態(tài)累積效應(yīng)、生態(tài)承載力與生態(tài)系統(tǒng)彈性

礦區(qū)生態(tài)承載力指在礦區(qū)特定范圍內(nèi)，以已有的經(jīng)濟(jì)技術(shù)及確保生態(tài)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)、自我維持的條件下，礦區(qū)資源(自然、環(huán)境等資源)能夠支持的具有一定生活質(zhì)量的人口及經(jīng)濟(jì)規(guī)模。礦區(qū)生態(tài)承載力分析不僅考慮資源、環(huán)境承載能力，同時(shí)需考慮開發(fā)強(qiáng)度、開發(fā)頻度在時(shí)間和空間的累積性及引起的承載力動態(tài)變化性。生態(tài)系統(tǒng)彈性是生態(tài)系統(tǒng)在遭受壓力及擾動情況下能夠通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到原始平衡狀態(tài)的能力，可分為彈性強(qiáng)度和彈性限度，如圖9所示。彈性限度表示生態(tài)系統(tǒng)能夠承受干擾的范圍，即生態(tài)承載力。彈性強(qiáng)度則強(qiáng)調(diào)抗壓性及恢復(fù)性，是動態(tài)反復(fù)的過程，與生態(tài)效應(yīng)的累積過程具有相似性。生態(tài)閾值是3者共有的特性。

圖9 累積效應(yīng)、系統(tǒng)彈性和承載力3者關(guān)系示意Fig.9 Relationship between cumulative effect,system resilience and carrying capacity

生態(tài)承載力包含壓力層和支持層2個(gè)層面。其中，壓力層為礦區(qū)社會及經(jīng)濟(jì)活動的干擾作用，包含礦區(qū)特定范圍內(nèi)資源利用狀況、人口及經(jīng)濟(jì)規(guī)模、生態(tài)狀況等。支持層分為上下2個(gè)層面，上層為資源環(huán)境的供容能力，即資源承載力和環(huán)境承載力，下層為生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)及維持能力，即生態(tài)系統(tǒng)的彈性力。礦區(qū)生態(tài)承載力層次體系中，資源承載力發(fā)揮基礎(chǔ)作用，環(huán)境承載力起約束作用，生態(tài)彈性力是支持條件。在進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)承載力評價(jià)時(shí)，采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評價(jià)模型，從自然影響力、社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力及生態(tài)系統(tǒng)健康度3個(gè)方面選取構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)。生態(tài)系統(tǒng)承載力共分3種情況:超載、滿載和未超載。超載、滿載均會破壞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，單個(gè)要素的值越大，對生態(tài)系統(tǒng)承載力造成的壓力越大，因此對生態(tài)系統(tǒng)有利的因素為負(fù)面指標(biāo)，不利因素為正面指標(biāo)。

生態(tài)彈性體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)更新、重組和不斷發(fā)展的能力及恢復(fù)速度，其評估必須建立在生態(tài)系統(tǒng)與人類系統(tǒng)相互作用的基礎(chǔ)上。社會彈性主要強(qiáng)調(diào)以社會各主體應(yīng)對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多方面因素對社會的破壞和使其具有從根本上進(jìn)行轉(zhuǎn)變的綜合能力。近年來，先進(jìn)國家在礦區(qū)生態(tài)治理技術(shù)方面，已由單純的“負(fù)生態(tài)效應(yīng)控制”技術(shù)發(fā)展為“礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與恢復(fù)”，實(shí)現(xiàn)由以“負(fù)生態(tài)效應(yīng)控制”為目標(biāo)向以“區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)”為目標(biāo)的轉(zhuǎn)變。在技術(shù)體系上，呈現(xiàn)出多元化、集成化和系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢。顯然，礦區(qū)需要建立工程彈性、經(jīng)濟(jì)彈性、生態(tài)彈性和社會彈性的生態(tài)調(diào)控機(jī)制。

5 結(jié) 論

(1)煤炭資源開采對干旱半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響具有周期長、范圍廣及程度深等特點(diǎn)，累積的負(fù)生態(tài)效應(yīng)加劇了內(nèi)蒙古東部干旱半干旱草原地區(qū)生態(tài)的脆弱性。因此，系統(tǒng)了解草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)的累積特征及關(guān)鍵生態(tài)要素的累積狀況，有利于及時(shí)采取應(yīng)對措施以減緩礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)的累積趨勢，促進(jìn)煤炭開采與草原生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2)研究總結(jié)分析了草原礦區(qū)、礦區(qū)生態(tài)及礦區(qū)生態(tài)要素，從礦區(qū)發(fā)展過程與草原生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)系、草原礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)累積特征及內(nèi)容、草原礦區(qū)生態(tài)承載力等方面探究闡述了典型干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的機(jī)理與彈性應(yīng)對機(jī)制。研究煤礦全生命周期的生態(tài)累積效應(yīng)有助于明確草原礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空演變規(guī)律，為干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。