煤炭开采的生态效应及其地域分异

杨永均，张绍良，侯湖平，李效顺

（1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学低碳能源研究院，江苏 徐州 221116）

煤炭开采的生态效应及其地域分异

杨永均1，张绍良2，侯湖平1，李效顺1

（1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学低碳能源研究院，江苏 徐州 221116）

研究目的：分析不同地域矿区煤炭开采引起的生态效应及其地域分异现象，为差异性土地复垦与生态重建技术提供依据。研究方法：综述法、实地调查法和比较研究法。研究结果：煤炭开采扰动生态系统要素，改变生态系统结构和功能，其生态效应明显；这种效应在矿区内和矿区间表现程度和形式不尽相同，存在分异现象；影响生态效应差异的主要因素是采矿扰动因子和本底生态条件。研究结论：开展矿区生态监测和修复需要分区对待，并探索其敏感性指标或建立综合性指标评价体系。

土地整治；煤炭开采；生态效应；地域分异；生态修复

煤炭资源开采不可避免地损毁或占用土地资源，引发一系列社会、经济与生态环境问题。据测算1987—2020年煤炭生产损毁土地2700.12万亩，待复垦面积为2107.59万亩，复垦潜力巨大，矿区土地复垦与生态重建已经成为国家生态文明建设和国土综合整治的重要任务之一[1]。根据国家大型煤炭基地建设规划，14个大型煤炭基地广泛分布在晋陕蒙、两淮、云贵、新疆等地，矿区自然地理条件和煤炭赋存条件差异较大，煤炭开采对矿区生态破坏具有地域、地质分异性[2]。在一些矿区生态监测实践中，常观测到不同的生态效应，如在高潜水位矿区，观测到强烈的土地覆盖变化[3]，在西北荒漠矿区，只观测到地下水位下降，却并没有观测到植被覆盖的大面积变化[4]。由此可见，煤炭开采对矿区造成明显但又分异的生态效应，在开展矿区土地复垦、生态监测和重建工作时，有必要区别对待，认识不同类型、不同区域、不同开采方法的矿产资源开采造成的生态环境损伤规律，发展差异性土地复垦与生态重建技术[5]，而目前此类研究较少。因此，本文选择典型煤矿区，开展采矿干扰和土地退化因素调查，分析煤炭开采引起的生态效应及其地域分异现象，为不同地域煤矿区土地复垦工作提供依据。

1 典型煤矿区调查

1.1 煤矿区选择

由于煤炭开采对生态扰动较为特殊，难以用单一、细致的模型描述全国煤矿区的生态问题，依据前人研究成果，综合考虑各种影响条件，在分区内选择典型矿区，涵盖一般性矿区条件，避免了重复调查，进行一般化分析，有助于认识煤炭开采的差异化生态损伤规律。按照代表性、指标可比性的原则选择了神东、徐州、平朔、昭通4个煤矿区，矿区基本情况如表1。从煤炭赋存与开采方面看，4矿区的煤炭赋存分属于中国华东、西北、中部、西南4个不同的煤田，煤层地质储存条件中，煤层产状埋深不同（含倾斜、近水平，浅埋、深埋等条件），煤炭开采方式有露天和井工两种[6]；从基本自然地理条件来看，气候分属于东部季风、干旱半干旱、西南山地气候区，地形包括中山、黄土高原、沙漠、平原，生态系统包括农业、荒漠、森林、草原4大类型；从土地复垦与生态破坏方面来看，4矿区的土地复垦分区属于黄淮海、晋陕蒙、西南区，生态破坏类型包括结构和功能缺损两种[7]。

表1 矿区基本情况Tab.1 The basic condition of investigated mining area

1.2 生态效应及指标

煤炭开采所带来的塌陷、挖损、压占、占用、污染活动会使矿区生态系统受到干扰或损害，从而产生系列生态效应[8]，这引起了主要产煤国的广泛关注，生态系统的状态常可以用生态因子、生态系统的结构和功能等表述，国内外主要从地下水、土壤、植被、景观格局、碳收支等生态指标进行采矿扰动、采矿迹地和复垦土地的生态监测[9-14]，矿业活动对生态因子、结构和功能的干扰，常产生植被演替、景观格局演变等生态效应，如表2。按照指标可比性原则，利用一般性煤炭开采的生态效应及指标对不同煤矿区的生态效应进行定量、定性分析，认识典型矿区的生态干扰程度，比较其生态效应的地域差异。

表2 煤炭开采的生态效应及指标Tab.2 Indicators of ecological impacts of coal mining

2 煤矿区生态效应分析

认识煤炭开采的生态效应，一方面，通过监测手段获取生态系统各项指标对采矿扰动的响应信息，即表面生态监测，掌握生态效应的表现程度和形式。另一方面，选择矿区代表性地质剖面，依据实际采矿地质资料，利用剖面图示法分析煤炭开采活动和地表生态响应，认识地表生态效应的产生过程和矿区内生态效应差异，神东、徐州、平朔、昭通4个典型矿区煤炭开采生态效应剖面示意图（图1—图4）。

图1 神东矿区煤炭开采生态效应剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Shendong

图2 徐州矿区煤炭开采生态效应剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Xuzhou

图3 平朔露天矿区煤炭开采生态效应剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Pingshuo

图4 昭通矿区煤炭开采生态效应剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of ecological impacts of coal mining in Zhaotong

综合来看，煤炭开采的生态效应主要特征概括为：（1）煤炭开采活动（含井下开采和地表活动）首先破坏地表生态系统的非生物因子，产生潜水疏排、土地损毁等效应，继而影响到矿区动植物等生态因子，致使土地覆盖和景观变化、植被净初级生产力下降。（2）景观、地形、植被覆盖变化发生在地表，容易被自上而下的遥感和地面调查观测，该类效应较为明显。但地下水疏排、岩层弯曲等效应需要进行自下而上的地质环境影响分析。（3）由于矿区内和矿区之间煤炭赋存与开采、基本自然地理条件的较大变化，使得不同矿区生态效应的表现形式和程度有较大差异。

3 生态效应的地域分异分析

3.1 生态效应比较

从前述生态效应剖面分析可以看出，在地表生态响应煤炭开采活动的过程中，水、土作为关键生态因子，受到最为直接的扰动，其效应响应的差异性最为强烈；植被作为整个生态系统的生产者，是生态系统物质循环和能力流动的基础，其扰动状况间接影响到第一性生产力、碳循环等其他生态系统功能；土地利用结构作为生态系统的形态结构指标，直接反应矿区景观格局和土地利用/覆盖状况。因此，从指标的关键性、基础性和差异性出发，选择水、土、植被和土地利用结构为关键指标比较矿区间生态效应差异，不仅可以标识矿区内和矿区间的生态扰动情况，还可以间接反应其他生态学指标的变化和差异情况（表3）。

（1）各项指标的生态效应表现形式存在差异。水方面，4矿区煤炭开采均会破坏煤系地下含水层和上覆含水层，但由于矿区煤层采深和潜水埋深不一，地表生态系统依赖的潜水破坏形式不同，主要有潜水疏排、直接破坏、地表积水三种表现形式。土方面，露天矿区主要以土地直接损毁（挖损、压占和占用）为主，而井工开采时，由于上覆岩层厚度和松散层差别，土地损毁也表现为连续型损毁（下沉盆地）、非连续型损毁（塌陷坑、崩塌、裂缝等）两种形式。植被方面，地表积水、土地的挖损导致植被覆盖强烈变化；土地损毁和地表积水则增加植被死亡率，导致植被群落变化、生产力下降；地下水下降时，对植被产生选择性影响。土地利用结构方面，植被覆盖强烈变化和土地直接损毁造成强土地利用变化，而植被选择性影响区域，表现出弱土地利用变化。

表3 4矿区生态效应比较Tab.3 Comparison of ecological impacts in different mining area

（2）各项指标的生态效应表现程度存在差异。水方面，同为潜水疏排形式时，地下水位下降高度也随着煤炭开采强度而变化，同为地表积水形式时，积水深度也随潜水高低和塌陷深度而变化。土方面，塌陷深度、裂缝宽度等土地损毁程度也在矿区间存在差异。植被方面，神东矿区生态建设和煤炭开采扰动叠合影响，植被覆盖率增加57%，徐州和平朔矿区植被覆盖率分别下降24.09%、24.47%。土地利用结构方面，露天开采时，原地貌林地全部消失，徐州矿区塌陷积水区年均增加4.08%，表现出的强土地利用变化，而昭通矿区土地利用变化量小于1%，强弱差异明显。

3.2 生态效应影响因素

煤炭赋存条件决定煤炭开采的条件和方式，决定着煤炭开采带来的塌陷、挖损、压占、污染活动扰动地表生态系统的规律。而同时，地表生态系统对于煤炭开采的扰动做出何种响应，又取决于本底生态条件，归纳神东、徐州等4矿区煤炭开采生态差异主要影响因子，如表4。

从表4中可以看出，影响煤炭开采的生态效应主要有采矿扰动和本底生态条件两类因子，4大研究区各项因子的自身差异表现较为明显，如开采工艺存在露井开采，地形地貌分别属于中山、黄土高原、荒漠、平原，各项因子又综合影响生态扰动或响应过程，从而产生不同的生态效应，如潜水位的高低决定了地表沉陷后是否积水、有无较大的土地利用结构的变化。从上述归纳结果也可以看出，煤炭开采生态效应的影响因素众多，中国地域广阔，各影响因子的条件差别较大，这就直接导致煤炭开采生态效应存在较强的地域分异性。

表4 煤炭开采生态差异主要影响因子Tab.4 The main factors of ecological impacts

4 结论与讨论

4.1 结论

神东、徐州、平朔、昭通4矿区煤炭开采的生态效应调查和分析表明：（1）煤炭开采首先破坏地表生态系统的水、土等物质环境，继而改变生态系统的形态、营养结构，损害生态系统功能。其生态效应较为明显，如遥感监测徐州矿区1987—2013年塌陷地年均增加率为4.08%，表现为较强土地利用变化。（2）由于受到矿区内微地貌等条件的影响，煤炭开采生态效应在矿区内呈现分异现象。如神东矿区内，由于潜水埋深不一样，植被受到选择性影响。在矿区间，各项指标的生态效应表现形式和程度存在差异，如土地利用结构方面，平朔矿区原地貌林地全部消失，土地利用变化剧烈，而昭通矿区土地利用变化量小于1%。因此，在矿区生态监测与修复实践时，有必要区别对待，根据矿区实际情况，选择敏感、有针对性的指标和合适的尺度进行监测评估煤炭开采对于生态环境的影响，并进行生态修复。（3）影响生态效应差异的主要因素是采矿扰动因子和本底生态条件。两类因素的自身差异，导致不同的生态扰动或响应过程，从而产生不同的生态效应。

4.2 讨论

（1）本文以煤矿区调查为基础，对于典型煤炭开采生态效应差异性规律的认识有类比作用。但中国煤炭资源分布广泛，生态效应的差异较大，有必要开展分区研究，深一步探究生态效应的产生机理，发展差异性生态监测与修复技术。（2）煤炭开采对各指标产生效应的表现程度和形式存在较大差异，为综合评估煤炭开采的生态效应，未来可以探索敏感性指标，或建立综合性指标体系用于矿区生态监测和生态修复评价。

（

）:

［1］ 罗明，白中科，刘喜韬，等.土地复垦潜力调查评价研究［M］ .北京：中国农业出版社，2013.

［2］ 卞正富，许家林，雷少刚.论矿山生态建设［J］ .煤炭学报，2007，32（1）：13 - 19.

［3］ 侯湖平，张绍良，闫艳，等. 基于RS、GIS的矿区生态景观修复研究——以徐州市城北煤矿区为例［J］ . 中国土地科学，2009，23（8）：62 - 67.

［4］ 雷少刚.荒漠矿区关键环境要素的监测与采动影响规律研究［D］ . 徐州：中国矿业大学，2009.

［5］ 胡振琪.中国土地复垦与生态重建20年：回顾与展望［J］ .科技导报，2009，27（17）：25 - 29.

［6］ 张泓，晋香兰，李贵红.世界主要产煤国煤田与煤矿开采地质条件之比较［J］ .煤田地质与勘探，2007，35（6）：1 - 9.

［7］ 卞正富.煤矿区土地复垦条件分区研究［J］ .中国矿业大学学报，1999，28（3）：237 - 242.

［8］ 彭建，蒋一军，吴健生，等. 我国矿山开采的生态环境效应及土地复垦典型技术［J］ .地理科学进展，2005，24（2）：38 - 48.

［9］ Bell F G, Stacey T R, Genske D D. Mining subsidence and its effect on the environment: some differing examples［J］ . Environment Geology, 2000, 40（1-2）: 135 - 152.

［10］ Shrestha R K, Lal R. Ecosystem carbon budgeting and soil carbon sequestration in reclaimed mine soil［J］ . Environment International, 2008, 32（6）:781 - 796.

［11］ Bian Z F, Lei S G, Inyang H I, et al. Integrated method of RS and GPR for monitoring the changes in the soil moisture and groundwater environment due to underground coal mining［J］ . Environment Geology, 2009, 57（1）:131 - 142.

［12］ Zipper C E, Burger J A, Skousen J G, et al. Restoring Forests and Associated Ecosystem Services on Appalachian Coal Surface Mines［J］ . Environment Management, 2011, 47（5）:751 - 765.

［13］ Larondelle N, Haase D. Valuing post-mining landscapes using an ecosystem services approach-An example from Germany［J］ . Ecological Indicators, 2012, 18:567 - 574.

［14］ 韩武波，贾薇，孙泰森.基于3S的平朔矿区土地利用及景观格局演变研究［J］ .中国土地科学，2012，26（4）：60 - 65.

［15］ 徐友宁，何芳，武自生.神东矿区开采沉陷及塌陷指数预测［J］ .中国煤炭，2005，31（12）：37 - 42.

［16］ 王玉琢. 神东煤炭集团植被覆盖率提高57%［N］ . 内蒙古日报， 2014 - 09 - 26.

［17］ 雒建中.基于3S技术的大柳塔煤矿土地利用动态研究［J］ . 能源环境保护，2012，26（2）：49 - 53.

［18］ 王光亚. 徐州地区采煤活动引发的生态地质环境破坏和防治对策［J］ .江苏地质，2000，24（3）：165 - 169.

［19］ 侯湖平，张绍良，丁忠义，等. 基于植被净初级生产力的煤矿区生态损失测度研究［J］ .煤炭学报，2012，37（3）：445 - 451.

［20］ 毕如田，白中科，李华，等. 基于 RS 和 GIS 技术的露天矿区土地利用变化分析［J］ .农业工程学报，2008，24（12）：201 - 204.

［21］ 陈思. 露井复域分布区土地利用格局演变及差异化管理对策［D］ . 北京：中国地质大学，2014.

［22］ 张召，白中科，贺振伟，等.基于RS与GIS的平朔露天矿区土地利用类型与碳汇量的动态变化［J］ .农业工程学报，2012，28（3）：230 - 236.

（本文责编：郎海鸥）

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

国家自然科学基金（51474214，U1361214，71473249）；科技基础性工作专项（2014FY110800）；中国博士后特别资助项目（2013T60577）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（SZBF2011-6-B35）；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（KYZZ-0386）。

杨永均（1990-），男，四川仪陇人，博士研究生。主要研究方向为土地复垦与生态修复。E-mail: yangyongjuncumt@163.com

张绍良（1968-），男，安徽安庆人，教授，博士生导师。主要研究方向为土地复垦与生态修复。E-mail: slzhang@cumt.edu.cn