矿区生态破坏碳扰动研究——以徐州九里矿为例

邱文玮，侯湖平

(中国矿业大学环境测绘学院，江苏 徐州 221000)

矿区生态破坏碳扰动研究
——以徐州九里矿为例

邱文玮，侯湖平

(中国矿业大学环境测绘学院，江苏 徐州221000)

矿区煤炭开采对生态系统碳储量造成极大的干扰。以徐州九里矿区为例，运用遥感手段对矿区1995、2001、2009年各土地利用类型进行提取，集中分析矿区植被碳和土壤有机碳的变化情况。结果发现，1995年至2009年九里矿区土地利用变化明显；2009年矿区植被碳储量为3525吨碳比2001年有所减少；1995年、2001年、2009年土壤有机碳储量以2001年最小为174334.1吨碳，2009年土壤有机碳储量为182329.1吨碳，比2001年增加了7995吨碳储量。最后得出结论，矿区生态破坏对生态系统碳扰动明显。

生态破坏；矿区；碳扰动；徐州九里矿

随着全球环境问题的不变加剧以及温室效应的日益严峻，人们对碳排放和碳吸收等碳效应问题的关注也日益加重。我国是煤炭能源大国，煤炭资源开采在社会经济发展中起着至关重要的作用。煤炭矿区生态系统作为碳源碳汇的重要组成部分，一方面在煤炭燃烧过程中会释放大量的温室气体，对环境产生极大的污染，另一方面在煤炭开采过程中，土地覆盖类型变化，区域微气候、水文、植被、生物地球化学循环及生物多样性等改变，对矿区陆地生态系统产生巨大的干扰[1-4]，也影响了矿区陆地生态系统碳物质的循环与流动。据相关学者研究，全球约有1400～1500Gt的碳是以有机质的形式储存于土壤中，是陆地植被碳库(500～600Gt)的2～3倍，是全球大气碳库的(750Gt)的2倍多，土壤贡献于大气CO2的年通量是燃烧化石燃料贡献量的10倍，煤炭开采势必对这些碳源碳汇产生巨大的影响[5-7]。目前，各国学者对于能源燃烧以及土地利用变化的碳效应已经有了一定研究进展，但对于矿区生态破坏造成的碳干扰并没有进行针对性的研究，因此对于我国这样一个煤炭开采大国，研究矿区生态破坏过程中造成的碳扰动对于实现我国矿区的持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

本文以徐州九里矿为例，该研究区位于徐州市西北部，区域内地势平坦主要分布有庞庄、宝应、张小楼等多个煤矿。研究区地处温暖带湿润半湿润气候区，土壤类型多为棕土、褐土、潮土，土层较厚，肥力中等，区域生物资源量丰富，物种多样性较高。矿区周边为长期耕作区，主要以农作物和林业植被这两种人工植被为主，其中农作物主要为水稻、小麦以及旱生作物。区域内林业主要分布在农田以及道路、渠道两旁，以绿化为主，结构简单，缺乏完整性。

2 研究方法与数据来源

本文分别采用1995年9月、2001年9月和2009年9月的三期遥感影像以及实地调查为手段，对徐州九里矿区的土地利用结构进行提取，将土地利用类型划分为6类，分别是水域、建设用地、林地、旱地、水田、其他用地，其中其他用地主要考虑矿区各种废弃地和未利用地。根据九里矿区在开采过程中的土地利用类型和地表植被覆盖的变化，再结合2006年IPCC国家温室气体清单指南中公布的各类用地碳排放计算方法对矿区整个生态系统的碳扰动进行分析。研究中主要对矿区生态系统的植被碳和土壤有机碳进行定量分析，在此基础上综合考虑矿山开采过程中各种生态污染、破坏对生态系统中植被碳和土壤碳储量的影响。

3 矿区生态破坏与碳扰动

3.1 矿区生态破坏

矿区生态破坏是指在矿山资源开采过程中，由于矿山基础设施建设以及煤炭开采、加工、运输等采矿活动导致地表土地破坏、空气污染、水土流失等，使矿区生态系统遭到严重干扰、生态功能发生衰退的一种资源掠夺式开采行为。矿山开采在前期的建设过程中大量的占用林地、耕地、未利用地等土地资源用于矿区建筑、道路等基础设施建设，矿区土地利用类型和植被覆盖发生明显的变化。煤炭开采期间随着地下井工开采的不断进行，地表逐渐受开采影响形成塌陷盆地，在高潜水位地区因地下水和地表降雨的补给，部分塌陷地形成大面积的积水区；煤矸石、粉煤灰等废弃物堆积占用大量土地面积，同时对空气、土壤、地表水造成严重的污染，使矿区生态环境发生极大改变。综合而言，矿区生态环境因采矿活动影响最直观的体现在土地利用结构和地表植被覆盖率的变化上，引起矿区景观格局发生较大的改变，根据遥感影像徐州九里矿区土地利用结构的变化如表1所示。

1995～2009年徐州九里矿区土地利用变化主要体现在以下几个方面：1) 水域面积从461.7hm2增长为622.9hm2，已经基本形成明显的常年塌陷积水区，并且矿区周围大量的旱地随着开采影响的不断加深逐渐转变为水田使矿区生态环境发生明显改变；2) 矿山开采过程中，建设用地面积的比重逐渐加大，到2001年建设用地面积已达1311.4hm2，占矿区土地面积的39.7%，其中新增建设用地主要占用了绝大部分的未利用地，2001年以后工矿用地建设基本稳定；3) 1995年矿区周边基本没有林地覆被，而在2001年矿区水田和水淹地周边开始出现一些零星的林地覆盖，其中以人工灌木林地为主，然而由于塌陷和各方面因素的进一步影响，2009年灌木林面积又有所减少。由于矿山开采活动对九里矿及其周边地区产生巨大的生态干扰，一方面造成土地利用类型的明显改变，另一方面造成地区空气、土壤、空气等各方面的污染，包括煤矿开采、运输过程中的粉尘污染、噪音污染，洗煤过程中的污水排放等严重破坏了原有的矿区生态环境，从而对矿区生态系统中动植物产生极大的影响，严重阻碍了包括碳物质在内的生态系统物质循环和能量流动，对矿区碳效应产生相应影响。

表1 1995～2009年九里矿各类土地利用类型面积(单位：hm2)

3.2 生态破坏碳扰动

矿区生态破坏碳扰动主要表现在煤炭资源开采过程中引起的植被碳和土壤有机碳扰动这两方面。矿区土地利用中的林地是陆地生态系统中主要的碳汇，绿色植被作为生态系统的生产者，起着吸收二氧化碳、固定光能的作用，土地利用类型的改变和植被的破坏直接影响到区域碳吸收和碳储存能力；土壤是陆地生态系统中最大的碳库，既是碳源又是碳汇，土壤特性的改变在很大程度上都会影响土壤的碳储存能力，同时影响土壤微生物的分解活性。因此在煤炭资源开采过程中造成的生态破坏势必会对矿区生态系统碳循环和碳流动产生相应的影响。

3.2.1 植被碳扰动

植被主要通过光合作用吸收二氧化碳和其它含碳无机物将其转化为自身生物量，从而达到碳物质存储的过程。植被碳储量大小跟植被生物量密切相关，通常采用植被干物质生物量乘以干物质含碳比例估算，目前对于不同植被类型地上生物量的研究相对较多，已经形成一定的经验数据，然而相对于地上生物量而言植被生物量中的地下生物量数据较难获得，一般根据地下生物量和地上生物量比值来推算林地总生物量。因此在本为中植被碳储量的计算公式为：

式中：CCO2(吨碳)为植被碳储量，Cb为地上生物量(吨干物质/hm2)，R为地下生物量与地上生物量比值，CF为干物质含碳比例，A(hm2)为植被面积。

矿区生态系统中各种农作物和林木对于二氧化碳等含碳物质的吸收起着重要作用，由于研究区的农作物以水稻、小麦、玉米等一年生作物为主，生长周期短，碳储存不具有长期性、效果不明显，因此对于徐州九里矿区的植被碳研究主要以林地碳储存为主。1995年九里矿区基本没有林地覆盖，随着近几年的矿区生态修复工作的进行在2001年和2009年的林地面积分别为472.6hm2和251.5hm2。徐州九里区气候温暖湿润，植被类型属温带阔叶林，根据2006年IPCC中公布的数据对参数予以赋值，其中地上生物量Cb为20吨干物质/hm2，地下生物量与地上生物量比值R取0.46，干物质碳比例CF取0.48，依据公式(1)求得2001年和2009年九里矿区植被碳储量为6624吨碳和3525吨碳，相对于2001年而言2009年的植被碳储量有所减少，其中最主要的原因在于矿区范围内部分林地由于开采沉陷的影响地面出现积水，在后期的土地复垦中将部分林地转变为水田等耕地用于农业生产，因此矿区植被碳储量在研究期间有了较大的变化。

3.2.2 土壤有机碳扰动

土壤有机碳是土壤有机质中的重要一部分，是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称，其含量是进入土壤的生物残体等有机质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡。土壤有机质碳储量通常跟地区气候、土壤类型，土地利用因子，土地管理因子，土地投入因子密切相关，其中土地利用因子反映土地利用类型相关的碳库变化，管理因子反映土地利用部门的主要管理方式，例如农田的不同耕作方式，而投入因子反映土壤的不同碳投入水平，气候和土壤类型综合反映在土壤参考碳库的变化上。因此根据土壤有机碳库的影响因素其计算公式具体为：

式中SOC(吨碳)为土壤有机碳储量，SOC参考(吨碳/hm2)为土壤参考碳库，Flu为土地利用因子，Fmg为土地管理因子，F1为土地投入因子，A(hm2)为土地面积。

研究区土地利用主要分为水域、建设用地、水田、旱地、林地、其他用地，其中建设用地以建筑设施、聚居地、道路覆盖为主，地表土壤基本丧失碳储存、碳吸收功能，建设用地碳排放主要体现在人为碳源的能源消耗方面，因此在本次分析过程中主要考虑其他5类用地的土壤碳库变化。表2为研究区各类用地土壤有机碳参数的选取，然后根据1995、2001、2009年各类用地面积，估算各年的土壤碳储量，结果如表3。矿区陆地生态系统中1995年的土壤碳储量分别高于2001年和2009年，但2009年的矿区土壤碳储量又比2001年增加了7995.0吨有机碳，其中很大一部分原因在于近几年徐州市加大了对矿区塌陷地的生态修复工作，开展了九里湖生态湿地公园建设，对九里湖一带进行大规模的治理工作，生态环境得到很大的改善。1995年至2009年徐州九里矿区水域面积从461.7hm2增加到622.9hm2，水域面积增加了161.2hm2，在该过程中由于土壤长期受水淹没的影响土壤有机质分解速度在短期内有很大的提高，根据2006年IPCC中涉及的水淹地二氧化碳排放公式计算发现因塌陷积水的影响在14年里排放二氧化碳近5484吨碳，由此可见大面的塌陷积水对矿区碳排放效应影响十分显著。

表2 各类用地土壤有机碳参数

表3 各类用地土壤有机碳储量(单位：吨碳)

矿区生态破坏一方面造成地表植被破坏和土地利用类型改变，另一方面在煤炭开采过程中，由于井工开采、地下水抽取、矸石压占等原因造成土壤团粒结构破坏、土壤含水率下降以及土壤重金属污染，使土壤pH值、土壤结构、土壤含水量等特性发生较大改变。据相关研究表明土壤性质、粘土矿物类型及土壤环境如地形地貌特征对土壤有机碳含量及其稳定性也有很大的影响，一般情况下，土壤有机碳含量与粘粒含量和土壤含水率呈显著的正相关性与土壤温度呈显著的负相关性[8-11]。因此矿区煤炭开采造成的土地破坏和土壤污染，对矿区土壤有机碳储量造成了严重的破坏，使土壤在煤炭开采过程中释放大量的二氧化碳等温室气体，对矿区碳循环产生明显的干扰，在一定程度上加大了矿区的碳源作用。

4 总结

矿区煤炭开采对地区生态造成显著影响的同时，产生明显的碳扰动现象。本文通过对徐州九里矿区采矿引起的土地利用结构和植被覆盖变化进行分析，并对矿区生态系统植被和土壤有机碳储量变化进行估算，分析结果发现：1995年至2009年九里矿区土地利用类型发生较大的变化，其中总的变化趋势为旱地和其他用地面积明显减少，水田、建筑用地、林地面积有大幅增加，水域面积相对稳定。矿区植被碳主要体现在林木的长期碳储存方面，2001年九里矿区植被碳储量为6624吨碳，2009年的植被碳储量比2001年有所减少为3525吨碳，主要原因是林地面积的退化减少。土壤有机碳是矿区最大的碳汇，1995、2001、2009年土壤有机碳储量以2001年最小为174334.1吨碳，一方面也体现了2001年矿区生态破坏较严重，随着矿区生态修复的开展，矿区生态环境得到相应改善，2009年土壤有机碳储量为182329.1吨碳，比2001年增加了7995吨碳储量。综合而言，矿区生态破坏对矿区碳循环、碳效应扰动效果明显，因此煤矿开采和矿区生态修复的过程中，必须注重对矿区生态环境的整体保护以减少矿区碳排放。

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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

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

能源发展“十二五”规划印发

根据中国政府网发布的《国务院关于印发能源发展“十二五”规划的通知》，“十二五”期间，我国将对能源消费总量和强度实施“双控制”，具体控制目标将分解到地方，并把落实情况纳入各地考核。专家分析指出，能源消费控制已成为倒逼我国转变经济发展方式的“突破口”，将促进资源节约型和环境友好型社会建设。

该规划提出，到2015年，全国能源消费总量和用电量分别控制在40亿t标煤和6.15万亿kW时，单位国内生产总值能耗比2010年下降16%。能源综合效率提高到38%。

该规划提出，综合考虑各地经济社会发展水平、区位和资源特点等因素，将能源和电力消费总量分解到各省(区、市)，由省级人民政府负责落实。把能源消费总量控制目标落实情况纳入各地经济社会发展综合评价考核体系，实施定期通报制度。

当前，我国能源结构以煤为主，开发利用方式粗放，资源环境压力加大。与此同时，国际上应对气候变化的压力日益增大，迫切需要转变经济发展方式和调整能源消费结构。

该规划提出，到2015年我国非化石能源消费比重提高到11.4%。天然气占一次能源消费比重提高到7.5%，煤炭消费比重降低到65%左右。突破煤层气、页岩气等非常规油气资源开发技术瓶颈。

该规划提出，科学界定竞争性和非竞争性业务，对可以实现有效竞争的业务引入市场竞争机制，积极培育市场竞争主体；对自然垄断业务，加强监管，保障公平接入和普遍服务。