煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)及其地域分異

楊永均，張紹良，侯湖平，李效順

（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)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221116）

煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)及其地域分異

楊永均1，張紹良2，侯湖平1，李效順1

（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)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221116）

研究目的：分析不同地域礦區(qū)煤炭開采引起的生態(tài)效應(yīng)及其地域分異現(xiàn)象，為差異性土地復(fù)墾與生態(tài)重建技術(shù)提供依據(jù)。研究方法：綜述法、實(shí)地調(diào)查法和比較研究法。研究結(jié)果：煤炭開采擾動生態(tài)系統(tǒng)要素，改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，其生態(tài)效應(yīng)明顯；這種效應(yīng)在礦區(qū)內(nèi)和礦區(qū)間表現(xiàn)程度和形式不盡相同，存在分異現(xiàn)象；影響生態(tài)效應(yīng)差異的主要因素是采礦擾動因子和本底生態(tài)條件。研究結(jié)論：開展礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測和修復(fù)需要分區(qū)對待，并探索其敏感性指標(biāo)或建立綜合性指標(biāo)評價(jià)體系。

土地整治；煤炭開采；生態(tài)效應(yīng)；地域分異；生態(tài)修復(fù)

煤炭資源開采不可避免地?fù)p毀或占用土地資源，引發(fā)一系列社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境問題。據(jù)測算1987—2020年煤炭生產(chǎn)損毀土地2700.12萬畝，待復(fù)墾面積為2107.59萬畝，復(fù)墾潛力巨大，礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建已經(jīng)成為國家生態(tài)文明建設(shè)和國土綜合整治的重要任務(wù)之一[1]。根據(jù)國家大型煤炭基地建設(shè)規(guī)劃，14個(gè)大型煤炭基地廣泛分布在晉陜蒙、兩淮、云貴、新疆等地，礦區(qū)自然地理?xiàng)l件和煤炭賦存條件差異較大，煤炭開采對礦區(qū)生態(tài)破壞具有地域、地質(zhì)分異性[2]。在一些礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測實(shí)踐中，常觀測到不同的生態(tài)效應(yīng)，如在高潛水位礦區(qū)，觀測到強(qiáng)烈的土地覆蓋變化[3]，在西北荒漠礦區(qū)，只觀測到地下水位下降，卻并沒有觀測到植被覆蓋的大面積變化[4]。由此可見，煤炭開采對礦區(qū)造成明顯但又分異的生態(tài)效應(yīng)，在開展礦區(qū)土地復(fù)墾、生態(tài)監(jiān)測和重建工作時(shí)，有必要區(qū)別對待，認(rèn)識不同類型、不同區(qū)域、不同開采方法的礦產(chǎn)資源開采造成的生態(tài)環(huán)境損傷規(guī)律，發(fā)展差異性土地復(fù)墾與生態(tài)重建技術(shù)[5]，而目前此類研究較少。因此，本文選擇典型煤礦區(qū)，開展采礦干擾和土地退化因素調(diào)查，分析煤炭開采引起的生態(tài)效應(yīng)及其地域分異現(xiàn)象，為不同地域煤礦區(qū)土地復(fù)墾工作提供依據(jù)。

1 典型煤礦區(qū)調(diào)查

1.1 煤礦區(qū)選擇

由于煤炭開采對生態(tài)擾動較為特殊，難以用單一、細(xì)致的模型描述全國煤礦區(qū)的生態(tài)問題，依據(jù)前人研究成果，綜合考慮各種影響條件，在分區(qū)內(nèi)選擇典型礦區(qū)，涵蓋一般性礦區(qū)條件，避免了重復(fù)調(diào)查，進(jìn)行一般化分析，有助于認(rèn)識煤炭開采的差異化生態(tài)損傷規(guī)律。按照代表性、指標(biāo)可比性的原則選擇了神東、徐州、平朔、昭通4個(gè)煤礦區(qū)，礦區(qū)基本情況如表1。從煤炭賦存與開采方面看，4礦區(qū)的煤炭賦存分屬于中國華東、西北、中部、西南4個(gè)不同的煤田，煤層地質(zhì)儲存條件中，煤層產(chǎn)狀埋深不同（含傾斜、近水平，淺埋、深埋等條件），煤炭開采方式有露天和井工兩種[6]；從基本自然地理?xiàng)l件來看，氣候分屬于東部季風(fēng)、干旱半干旱、西南山地氣候區(qū)，地形包括中山、黃土高原、沙漠、平原，生態(tài)系統(tǒng)包括農(nóng)業(yè)、荒漠、森林、草原4大類型；從土地復(fù)墾與生態(tài)破壞方面來看，4礦區(qū)的土地復(fù)墾分區(qū)屬于黃淮海、晉陜蒙、西南區(qū)，生態(tài)破壞類型包括結(jié)構(gòu)和功能缺損兩種[7]。

表1 礦區(qū)基本情況Tab.1 The basic condition of investigated mining area

1.2 生態(tài)效應(yīng)及指標(biāo)

煤炭開采所帶來的塌陷、挖損、壓占、占用、污染活動會使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到干擾或損害，從而產(chǎn)生系列生態(tài)效應(yīng)[8]，這引起了主要產(chǎn)煤國的廣泛關(guān)注，生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)?？梢杂蒙鷳B(tài)因子、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等表述，國內(nèi)外主要從地下水、土壤、植被、景觀格局、碳收支等生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行采礦擾動、采礦跡地和復(fù)墾土地的生態(tài)監(jiān)測[9-14]，礦業(yè)活動對生態(tài)因子、結(jié)構(gòu)和功能的干擾，常產(chǎn)生植被演替、景觀格局演變等生態(tài)效應(yīng)，如表2。按照指標(biāo)可比性原則，利用一般性煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)及指標(biāo)對不同煤礦區(qū)的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行定量、定性分析，認(rèn)識典型礦區(qū)的生態(tài)干擾程度，比較其生態(tài)效應(yīng)的地域差異。

表2 煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)及指標(biāo)Tab.2 Indicators of ecological impacts of coal mining

2 煤礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)分析

認(rèn)識煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)，一方面，通過監(jiān)測手段獲取生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)對采礦擾動的響應(yīng)信息，即表面生態(tài)監(jiān)測，掌握生態(tài)效應(yīng)的表現(xiàn)程度和形式。另一方面，選擇礦區(qū)代表性地質(zhì)剖面，依據(jù)實(shí)際采礦地質(zhì)資料，利用剖面圖示法分析煤炭開采活動和地表生態(tài)響應(yīng)，認(rèn)識地表生態(tài)效應(yīng)的產(chǎn)生過程和礦區(qū)內(nèi)生態(tài)效應(yīng)差異，神東、徐州、平朔、昭通4個(gè)典型礦區(qū)煤炭開采生態(tài)效應(yīng)剖面示意圖（圖1—圖4）。

圖1 神東礦區(qū)煤炭開采生態(tài)效應(yīng)剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Shendong

圖2 徐州礦區(qū)煤炭開采生態(tài)效應(yīng)剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Xuzhou

圖3 平朔露天礦區(qū)煤炭開采生態(tài)效應(yīng)剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Pingshuo

圖4 昭通礦區(qū)煤炭開采生態(tài)效應(yīng)剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Zhaotong

綜合來看，煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)主要特征概括為：（1）煤炭開采活動（含井下開采和地表活動）首先破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的非生物因子，產(chǎn)生潛水疏排、土地?fù)p毀等效應(yīng)，繼而影響到礦區(qū)動植物等生態(tài)因子，致使土地覆蓋和景觀變化、植被凈初級生產(chǎn)力下降。（2）景觀、地形、植被覆蓋變化發(fā)生在地表，容易被自上而下的遙感和地面調(diào)查觀測，該類效應(yīng)較為明顯。但地下水疏排、巖層彎曲等效應(yīng)需要進(jìn)行自下而上的地質(zhì)環(huán)境影響分析。（3）由于礦區(qū)內(nèi)和礦區(qū)之間煤炭賦存與開采、基本自然地理?xiàng)l件的較大變化，使得不同礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)的表現(xiàn)形式和程度有較大差異。

3 生態(tài)效應(yīng)的地域分異分析

3.1 生態(tài)效應(yīng)比較

從前述生態(tài)效應(yīng)剖面分析可以看出，在地表生態(tài)響應(yīng)煤炭開采活動的過程中，水、土作為關(guān)鍵生態(tài)因子，受到最為直接的擾動，其效應(yīng)響應(yīng)的差異性最為強(qiáng)烈；植被作為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能力流動的基礎(chǔ)，其擾動狀況間接影響到第一性生產(chǎn)力、碳循環(huán)等其他生態(tài)系統(tǒng)功能；土地利用結(jié)構(gòu)作為生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)，直接反應(yīng)礦區(qū)景觀格局和土地利用/覆蓋狀況。因此，從指標(biāo)的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性和差異性出發(fā)，選擇水、土、植被和土地利用結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵指標(biāo)比較礦區(qū)間生態(tài)效應(yīng)差異，不僅可以標(biāo)識礦區(qū)內(nèi)和礦區(qū)間的生態(tài)擾動情況，還可以間接反應(yīng)其他生態(tài)學(xué)指標(biāo)的變化和差異情況（表3）。

（1）各項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)形式存在差異。水方面，4礦區(qū)煤炭開采均會破壞煤系地下含水層和上覆含水層，但由于礦區(qū)煤層采深和潛水埋深不一，地表生態(tài)系統(tǒng)依賴的潛水破壞形式不同，主要有潛水疏排、直接破壞、地表積水三種表現(xiàn)形式。土方面，露天礦區(qū)主要以土地直接損毀（挖損、壓占和占用）為主，而井工開采時(shí)，由于上覆巖層厚度和松散層差別，土地?fù)p毀也表現(xiàn)為連續(xù)型損毀（下沉盆地）、非連續(xù)型損毀（塌陷坑、崩塌、裂縫等）兩種形式。植被方面，地表積水、土地的挖損導(dǎo)致植被覆蓋強(qiáng)烈變化；土地?fù)p毀和地表積水則增加植被死亡率，導(dǎo)致植被群落變化、生產(chǎn)力下降；地下水下降時(shí)，對植被產(chǎn)生選擇性影響。土地利用結(jié)構(gòu)方面，植被覆蓋強(qiáng)烈變化和土地直接損毀造成強(qiáng)土地利用變化，而植被選擇性影響區(qū)域，表現(xiàn)出弱土地利用變化。

表3 4礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)比較Tab.3 Comparison of ecological impacts in different mining area

（2）各項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)程度存在差異。水方面，同為潛水疏排形式時(shí)，地下水位下降高度也隨著煤炭開采強(qiáng)度而變化，同為地表積水形式時(shí)，積水深度也隨潛水高低和塌陷深度而變化。土方面，塌陷深度、裂縫寬度等土地?fù)p毀程度也在礦區(qū)間存在差異。植被方面，神東礦區(qū)生態(tài)建設(shè)和煤炭開采擾動疊合影響，植被覆蓋率增加57%，徐州和平朔礦區(qū)植被覆蓋率分別下降24.09%、24.47%。土地利用結(jié)構(gòu)方面，露天開采時(shí)，原地貌林地全部消失，徐州礦區(qū)塌陷積水區(qū)年均增加4.08%，表現(xiàn)出的強(qiáng)土地利用變化，而昭通礦區(qū)土地利用變化量小于1%，強(qiáng)弱差異明顯。

3.2 生態(tài)效應(yīng)影響因素

煤炭賦存條件決定煤炭開采的條件和方式，決定著煤炭開采帶來的塌陷、挖損、壓占、污染活動擾動地表生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律。而同時(shí)，地表生態(tài)系統(tǒng)對于煤炭開采的擾動做出何種響應(yīng)，又取決于本底生態(tài)條件，歸納神東、徐州等4礦區(qū)煤炭開采生態(tài)差異主要影響因子，如表4。

從表4中可以看出，影響煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)主要有采礦擾動和本底生態(tài)條件兩類因子，4大研究區(qū)各項(xiàng)因子的自身差異表現(xiàn)較為明顯，如開采工藝存在露井開采，地形地貌分別屬于中山、黃土高原、荒漠、平原，各項(xiàng)因子又綜合影響生態(tài)擾動或響應(yīng)過程，從而產(chǎn)生不同的生態(tài)效應(yīng)，如潛水位的高低決定了地表沉陷后是否積水、有無較大的土地利用結(jié)構(gòu)的變化。從上述歸納結(jié)果也可以看出，煤炭開采生態(tài)效應(yīng)的影響因素眾多，中國地域廣闊，各影響因子的條件差別較大，這就直接導(dǎo)致煤炭開采生態(tài)效應(yīng)存在較強(qiáng)的地域分異性。

表4 煤炭開采生態(tài)差異主要影響因子Tab.4 The main factors of ecological impacts

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

神東、徐州、平朔、昭通4礦區(qū)煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)調(diào)查和分析表明：（1）煤炭開采首先破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的水、土等物質(zhì)環(huán)境，繼而改變生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，損害生態(tài)系統(tǒng)功能。其生態(tài)效應(yīng)較為明顯，如遙感監(jiān)測徐州礦區(qū)1987—2013年塌陷地年均增加率為4.08%，表現(xiàn)為較強(qiáng)土地利用變化。（2）由于受到礦區(qū)內(nèi)微地貌等條件的影響，煤炭開采生態(tài)效應(yīng)在礦區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)分異現(xiàn)象。如神東礦區(qū)內(nèi)，由于潛水埋深不一樣，植被受到選擇性影響。在礦區(qū)間，各項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)效應(yīng)表現(xiàn)形式和程度存在差異，如土地利用結(jié)構(gòu)方面，平朔礦區(qū)原地貌林地全部消失，土地利用變化劇烈，而昭通礦區(qū)土地利用變化量小于1%。因此，在礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)實(shí)踐時(shí)，有必要區(qū)別對待，根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況，選擇敏感、有針對性的指標(biāo)和合適的尺度進(jìn)行監(jiān)測評估煤炭開采對于生態(tài)環(huán)境的影響，并進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。（3）影響生態(tài)效應(yīng)差異的主要因素是采礦擾動因子和本底生態(tài)條件。兩類因素的自身差異，導(dǎo)致不同的生態(tài)擾動或響應(yīng)過程，從而產(chǎn)生不同的生態(tài)效應(yīng)。

4.2 討論

（1）本文以煤礦區(qū)調(diào)查為基礎(chǔ)，對于典型煤炭開采生態(tài)效應(yīng)差異性規(guī)律的認(rèn)識有類比作用。但中國煤炭資源分布廣泛，生態(tài)效應(yīng)的差異較大，有必要開展分區(qū)研究，深一步探究生態(tài)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)展差異性生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)。（2）煤炭開采對各指標(biāo)產(chǎn)生效應(yīng)的表現(xiàn)程度和形式存在較大差異，為綜合評估煤炭開采的生態(tài)效應(yīng)，未來可以探索敏感性指標(biāo)，或建立綜合性指標(biāo)體系用于礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測和生態(tài)修復(fù)評價(jià)。

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（本文責(zé)編：郎海鷗）

The Ecological Impacts of Coal Mining and the Regional Differentiation

YANG Yong-jun1, ZHANG Shao-liang2, HOU Hu-ping1, LI Xiao-shun1
（1. School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China）

The purpose of this paper is to analyze the ecological impacts of coal mining and the regional differentiation to provide evidence for differentiated technologies of land reclamation and ecological rehabilitation. Methods employed include literature comprehensive analysis, field survey and comparative research. The results show that the mining activities disrupt the ecosystem with sharp ecological effects. In different mining area or different places in intra-mining area, the effects vary in degree and mode. The main factors that cause the differentiation are mining disturbance and background ecological conditions. Therefore, it is essential to have differential treatment while dealing with ecological monitoring and restoration in different mining areas.

land consolidation; coal mining; ecological effect; regional differentiation; ecological rehabilitation

F301.2

A

1001-8158（2015）01-0055-08

2013-06-05

2014-10-15

國家自然科學(xué)基金（51474214，U1361214，71473249）；科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)（2014FY110800）；中國博士后特別資助項(xiàng)目（2013T60577）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（SZBF2011-6-B35）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（KYZZ-0386）。

楊永均（1990-），男，四川儀隴人，博士研究生。主要研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾與生態(tài)修復(fù)。E-mail: yangyongjuncumt@163.com

張紹良（1968-），男，安徽安慶人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾與生態(tài)修復(fù)。E-mail: slzhang@cumt.edu.cn