系統視角下中國西部煤炭開采生態損傷與自然修復研究綜述

王 麗,雷少剛,卞正富(.中國礦業大學 環境與測繪學院,江蘇 徐州 226;2.滁州學院 地理信息與旅游學院,安徽 滁州 239000)

系統視角下中國西部煤炭開采生態損傷與自然修復研究綜述

王 麗1,2,雷少剛1,卞正富1
(1.中國礦業大學 環境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;2.滁州學院 地理信息與旅游學院,安徽 滁州 239000)

我國西部半干旱礦區生態受到采煤與氣候的雙重脅迫,區域生態環境脆弱。掌握區域生態系統自然修復規律,可為半干旱礦區生態恢復與重建提供基礎理論參考?；谙到y視角,分析了我國西部礦區煤炭地下開采對地貌、水文、土壤和植被等生態環境要素影響的研究進展。分析指出，已有研究尚存在以下不足:研究尺度單一、各生態子系統間互饋關系不清、采礦對生態的擾動機理不明、生態修復標準與評價體系不完善。今后應從多尺度(特別是微觀尺度)定量研究西部礦區采煤對生態系統的損傷機理,構建礦區生態系統自修復評價指標體系并提出可量化的自修復標準。

干旱半干旱礦區;地下開采;生態系統;自然修復

1 引言

我國煤炭資源分布不均,其中“三西區域”(山西、陜西、內蒙古)煤炭產能占到全國煤炭總產能的50%?！叭鳌钡靥幐珊蛋敫珊禋夂騾^,生態極其脆弱,煤礦開采以地下開采為主要[1],在全球變化背景下,區域氣候不穩定和采礦干擾等因素的耦合脅迫導致西部礦區環境保護問題亟待解決。眾多學者對西部煤礦開采區的生態環境影響開展了探索性調查研究[2-5],結果表明:煤炭采空后誘發地表塌陷和裂縫[6],對礦區生態系統產生強烈干擾性,原有生態系統結構和功能遭到破壞[7],生態環境因子相應發生變化,如土壤含水量下降[8]、土壤速效氮流失[9]、土壤孔隙增大[10]等。與此同時,煤炭地下開采不僅直接干擾植被生長,還通過破壞土地資源、水資源的間接影響植被[11,12]。掌握礦區生態自然修復規律及特點,在生態恢復的關鍵時間點進行適度的人為干預,促進生態系統正向演替,可加快礦區生態修復的進程,提高生態修復的效益,達到事半功倍的效果。但已有研究主要聚焦在煤炭開采對特定生態因子影響研究[13],缺少對礦區生態系統各子系統間還存在復雜互饋關系的綜合分析。

鑒于此,本研究立足系統層面,對采煤塌陷引發的地貌、水文、土壤和植被損傷與自然修復的相關研究進行了綜合分析,總結已有研究的成果及存在的不足,以期為后續煤炭開采的生態損傷與自然修復系統的綜合研究提供理論參考。

2 人工、自然與礦區生態系統自然修復

2.1 自然修復與人工修復的思辨

Tansley S A G明確提出了生態系統的概念,即在自然界的一定的空間內,生物與環境構成一個統一整體,其中生物與環境之間相互影響、相互制約,并在一定時期內處于相對穩定的動態平衡狀態(穩態)[14]。生態系統的結構和功能能保持相對的穩定狀態(具有穩定性)是因為它本身具有一定的自我調節能力,即自修復力[15]。生態系統的自修復能力是有限的,外界干擾超出了一定的范圍,生態系統就可能受到破壞。生態系統自我調節的限度稱為“生態閾限”[16]。在閾值概念模型研究的基礎上,依據外界擾動對系統造成的破壞程度,可采取兩種不同的退化生態系統恢復模式[17]:①生態系統受損在生態閾限范圍內,壓力和干擾去除后,系統恢復可以在自然過程中發生,即自然修復;②生態系統受損超出生態閾值范圍,系統發生不可逆的變化,僅依靠自然力已很難或不可能使系統恢復到初始狀態,必須依靠人為干預措施才能使其發生逆轉,即人工修復。

長期以來,由于人工修復具有目的性強、速度快、效率高的特點[18],被廣泛應用于生態恢復實踐中。例如，李樹志對我國采煤沉陷土地復墾技術進行了綜合回顧[19];李東風等針對性地提出了適宜半干旱礦區的土地復墾模式[20]。相比之下,自然修復雖然具有低成本的優勢,但由于恢復時間長、受環境制約的特點而飽受質疑。關于自然修復和人工修復的爭論由來已久,張紹良等研究指出,爭議主要圍繞自然修復的可行性和適用性兩個方面展開[21]:一方面,Lee認為作為自然實體應出于道德義務對人類活動造成的損害進行恢復[22];洪雙旌指出應通過合理的人為干預加速生態修復的進程[23];另一方面,Maria研究指出,外界開采活動停止后采區可自發、快速地形成與非采區組成結構相似的植物群落[24]。孫猛認為應充分利用自然力修復生態系統[25]。隨著研究的深入,越來越多的學者逐漸認識到自然修復和人為修復并不矛盾,兩種修復模式各有所長,適用范圍不同。劉震指出,生態自我修復與人工治理都是促進人與自然的和諧相處的重要手段,通過人工治理與生態自我修復的有機結合,可促進人與自然的和諧發展[26]。針對西部礦區干旱少雨的特點,韓霽研究指出自然修復符合物種選擇的自然法則,修復后形成的植物群落比較穩定,因此適用于人為活動較少、降水稀缺的干旱地區[18];胡振琪等認為,人工修復不適用于我國西部礦區[27],自然恢復更加符合區域的特點。

2.2 礦區生態系統自然修復初步探討

迄今為止,關于西部煤炭開采生態損傷與自然修復的研究較少。已有的少量研究都是對一些自修復現象的描述,對煤礦區生態自然修復的概念還較模糊,缺少明析的定義和概念界定,關于自修復力的定量測度研究也較少。我國學者對生態自然修復的概念提出了一些獨到的見解:韓霽認為,自然修復是依靠自然力恢復植被的一種環境修復方式[18];胡振琪等研究指出,生態系統的自修復、自我修復可統稱為自然修復,兩者都是依靠自然的力量實現,同時提出礦區生態環境的自修復是指采礦驅動力在對地表生態環境造成損毀的過程中,自動修復部分生態損毀的現象和過程[27];馬超認為,生態自然修復指生態系統對外界干擾的抵御和恢復。即在環境條件允許的前提下,系統通過生產者自然生長、繁殖、傳播,重新恢復遭到破壞的自然生境[28]。張紹良等研究指出,自然修復不是絕對排除人的主觀能動性,而是強調由人主宰到輔助角色的轉變[21]。結合已有自然修復的理論研究,研究認為礦區生態系統自然修復是指煤炭開采和塌陷造成的外界干擾消失后,依靠生態系統本身的自組織與自調控能力,或輔以外界人工調控行為,使受損的生態系統(包括構成系統的各子系統)恢復到相對健康的狀態,最終實現區域煤炭資源可持續利用和達到對生態環境的保護[29]。

礦區生態系統是一個同時受到多種生態效應力作用下的有機整體,人類采煤活動也是眾多生態效應力之一,單一生態效應力不能決定系統演替的方向[30]。因此,應基于文獻分析,從系統的視角綜合分析半干旱區采煤引發的地表變形、生境擾動和植被響應,厘清生態系統各子系統間的相互作用和依賴關系,同時結合全球氣候變化的背景,構建西部礦區生態系統結構關系模型[30](圖1)。

圖1 西部礦區生態系統結構關系模型

根據文獻分析,一方面采礦、地表變形過程本身直接影響植被;另一方面采礦引起采空區地表移動變形,引發環境變化,最終引起植被結構和功能的變化[11,12]。文獻分析還表明,采煤對植被子系統干擾的具體形式主要包括挖損、塌陷、壓占、排放和污染,進而影響到地形、巖層、地表水、地下水、土壤等生態因子,最終產生覆巖破裂、地表移動變形、土壤養分空間分布變異、地下水疏干、植被移除等[17]。

3 生態系統損傷與自然修復研究進展

3.1 地貌環境子系統損傷與自然修復

越來越多的專家學者關注到地下開采擾動后礦區地貌環境的自修復(自然恢復)現象。相關研究指出，地下開采導致的地表生態損傷具有“自修復”趨勢[31],應輔以人工引導型的生態修復模式;煤炭開采產生的裂縫具有快速閉合的自修復特征,不需要人工干預；而工作面開采邊界內緣是主要的環境損傷區,應重點進行人工修復[27];風積沙采煤塌陷區40%的受損區具有明顯自修復能力[32]。已有研究表明,地下開采引發的地貌損傷具有區域空間差異性,區域對應的自修復能力不同,應分區構建差異性修復策略。

3.2 水文環境子系統損傷與自然修復

水資源是西部礦區環境的重要組成部分,是維護區域生態環境的決定性因素。采煤對水文環境的損傷與修復特征主要表現為:采煤塌陷改變包氣帶結構和巖土孔隙度,導致地下水大量滲漏[33],地下水水位顯著下降[34],地表層含水性自修復周期一般小于1個自然年,大氣降水是修復地表層含水性的主要外因[31]。從這些研究可見,采煤塌陷裂隙貫穿地表和含水層,破壞了區域的水文地質條件,改變了水循環模式,進而造成地表含水量損失,一般水文環境損傷可在1年內自然修復。

3.3 土壤環境子系統損傷與修復

土壤環境是構成礦區生態系統的基本環境要素,采煤塌陷對土壤環境的擾動主要體現在:采煤導致采空區上方垂直入滲能力增強,改變潛水補給條件和土壤表面蒸發能力,最終影響土壤含水率[35];風積沙采煤沉陷區土壤具備一定的自修復能力[36]。在此基礎上,一些學者對采煤塌陷生態環境的自修復規律進行了初步探索,主要研究結論包括:風沙區采煤沉陷后2—7年土壤含水量可自然恢復到75%左右,土壤孔隙度可完全恢復,土壤N、P元素含量沉陷后12—17年才能逐步恢復[37]。有學者針對裂縫對土壤的影響進行了特定研究,結果表明:西部風沙區采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量影響不大,可在短期內自修復[38];地裂縫造成周邊土體的剪切強度下降,距離地裂縫越近剪切強度越低[39]。上述研究表明，采煤塌陷后引起土體結構改變,進而對土壤理化性質產生影響,其中土壤水和土壤的物理性質恢復較快,而土壤的化學性質則恢復較慢。

3.4 植被子系統損傷與自然修復

作為西部生態脆弱環境的重要組成部分,植被生長與覆蓋狀況直接影響整個礦區的生態環境質量,因此植被恢復是區域生態恢復的重要前提和核心內容。已有部分學者基于個體尺度從根系損傷和根際微生態環境破壞等方面對采煤造成的植物損傷進行了相關研究,結果表明:采煤塌陷會抑制植物根系生長[40],破壞植物根際的生物活性[41],導致植物的死亡率增大,植被生長狀況與地表破損率呈負相關關系[42];干旱缺水和開采導致的傷根是制約植被修復的關鍵[43]。同時,在大中尺度上開展的采煤塌陷區植被恢復演替主要集中在群落類型結構和景觀特征的改變方面。研究表明，煤炭開發對植被擾動強度與煤炭產量成正比[44];地下開采造成礦區景觀破碎度加大、斑塊形狀復雜化、植被生物量減少;塌陷區植被結構類型從灌木叢向灌草叢轉化[45],優勢物種由多年生草本植物演變為一、二年生草本植物[46];沉陷導致植物多樣性提高[47]?？梢钥闯?采煤擾動對植被會產生雙重生態效應,即造成植物個體損傷、死亡和景觀破碎,但同時又增加了植物的多樣性。

3.5 新技術和新方法的應用

近年來,隨著一些新技術、新方法的不斷成熟和完善,這些新技術逐漸應用到干旱礦區生態自修復研究中,使相關研究取得了新的進展。主要表現在:①根系生態監測系統。有學者應用根系原位監測系統對西部礦區先鋒植物根系進行了監測,指出干旱缺水和開采導致的傷根是制約植被修復的關鍵[43,48],采后1年受損植物的根系逐漸恢復。以沙蒿為材料的研究表明,根系自修復能力從大到小依次為中沙蒿、小沙蒿、大沙蒿[40]。②探地雷達技術。相關研究表明,探地雷達是一種適用于中尺度的土壤含水率測定技術[48]。卞正富等、張耀平等應用探地雷達設備對礦區土壤水[49]和采空區覆蓋層厚度[50]進行了探測。③葉綠素熒光動力學技術。目前葉綠素熒光動力學技術已廣泛應用于植物逆境脅迫,但在礦區植被損傷診斷方面仍處于初步探索階段?；谌~綠素熒光動力學技術的研究表明,接種AM真菌可增強植物對煤礦廢棄物不良環境的抗逆性。④合成孔徑雷達干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)技術。合成孔徑雷達干涉技術主要應用在對礦區的沉降監測[51]、開采沉陷區形變參數的測定[52]。⑤無人機技術。低空無人機航測系統具有受地面狀況影響較小、作業方式靈活快速的特點,已有學者對無人機技術在礦產資源環境快速調查[53]、礦山開發[54]、礦區地形測繪、裂縫信息提取[55]、礦區植被信息提取[56]等方面進行了大量探索性研究，取得了一定的成績。

4 存在的問題與不足

根據以上分析表明，已有文獻研究具有研究角度多樣化、尺度多維化、應用技術綜合化的特點。但上述分析也表明,關于西部采煤塌陷區生態系統損傷與自然修復研究仍然存在以下幾方面的不足:①缺乏基于系統層面的綜合研究?，F有研究多是基于特定生態要素展開(表1),只有少數學者對礦區植被與土壤進行了同步觀測研究[57,58],研究指出不同地貌區植被群落多樣性影響因子不同,風沙地貌區土壤含水量是主要限制因子,黃土丘陵地貌區土壤有機質含量是關鍵影響因子,植物個體生長與土壤水分呈現相同的變化趨勢。但相關研究只對塌陷區土壤指標及植被指標進行了簡單的相關分析,而對植物群落與沉陷區環境脅迫因子互饋作用的定量分析不足,對沉陷干擾下礦區生態系統恢復與演替的過程和規律認識不清,今后應基于西部礦區生態系統理論結構模型,著眼系統層面開展生態各子系統協同損傷的綜合研究。②采礦對生態擾動的機理研究不足。根據分析表明,已有研究主要集中在對采煤塌陷的現象描述(表1),即主要應用統計學方法(方差分析)對采煤塌陷區與非采區生物[59]和非生物因素[60]進行了比較分析,礦區生態系統損傷與恢復的動態規律尚不明晰,缺少定量評價采煤與生態損傷、自修復間對應關系的數量模型,同時也缺少從采煤塌陷機理和植物損傷生態機制方面對塌陷影響的深入分析。今后應構建采煤生態損傷機理模型,實現采煤生態擾動的模擬與預測。③生態自修復標準和評價體系不完善?，F有研究側重于煤炭開采后某一環境要素的損傷(表1)、修復評價[61]和生態建設模式研究[62],缺少對礦區生態自修復標準與修復程度的定量分析與評價研究?；謴土Ω拍钆c理論為礦區生態自修復研究提供了新思路,已有研究對礦區生態系統恢復力的應用與測度進行了理論探討[30],但目前尚缺乏實踐應用研究,今后應著重構建具有一定區域適應性的生態恢復力評價體系,提出明晰且可量化的生態修復標準。④微觀研究還處于初步探索階段。當前關于采煤塌陷對植被的損傷與恢復研究主要集中在宏觀和中觀尺度,基于宏觀尺度的塌陷區植被恢復研究主要是利用遙感數據和GIS技術從景觀尺度展開[63],而中觀尺度上主要采用傳統樣方調查方法(表1),費時費力,不利于獲取長期定位監測數據。同時,基于微觀尺度的研究尚顯不足,根系生態監測技術和葉綠素熒光技術雖然已廣泛應用于植物個體逆境脅迫研究,但這些技術主要應用于室內試驗,針對某一特定環境要素梯度下的植物損傷進行診斷分析。在礦區特殊自然環境下,植物個體同時受到多因素綜合作用的影響,從室內試驗推廣到礦區原位觀測還存在很多技術難點有待攻克。另外，植物個體對采煤擾動的生理響應特征與差異也有待進一步深入研究。

表1 西部礦區生態損傷及自然修復研究特征

注:*為研究集中的主要尺度,d為時間(天),a為時間單位(年)。

鑒于此,今后應進一步明確植被自修復的概念、內涵,完善自修復的基礎理論體系和研究方法,從多尺度(特別是微觀尺度)定量研究西部礦區采煤對生態系統的損傷機理,構建礦區生態系統自修復評價指標體系并提出可量化的自修復的標準。

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ReviewonStudyofEcologicalDamageandNaturalRecoveryintheCoalMiningSubsidenceAreainWesternChina

WANG Li1,2,LEI Shao-gang1,BIAN Zheng-fu1
(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Geography Information and Tourism,Chuzhou University,Chuzhou 239000,China)

The regional ecological system was under the double influence of coal mining and climate.The ecological environment of the semi-arid coal mining subsidence area was fragile.Mastering the law of regional ecological restoration could provide theoretical reference for ecological restoration and reconstruction in semi-arid area.This paper summarized the research progress on geomorphology,hydrology,soil and vegetation in the semi-arid area of China.The analysis indicated that there were still some shortcomings in the existing studies:The research scale was single,it was not clear that the mutual supply relation between the ecological subsystems,the disturbance mechanism of mining to ecology was unknown,the standards of ecological restoration and evaluation system were imperfect.In the future,it was necessary to quantitatively study the damage mechanism of coal mining to the ecosystem in western mining area from the multi scale (especially the micro scale).It was also important to construct the evaluation index system of natural restoration of mining area ecosystem,and to put forward the standard of natural restoration.

arid and semi-arid mining area;underground mining;ecological system;natural recovery

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.10.007

F540.6

A

1005-8141(2017)10-1188-05

2017-08-17；

2017-09-22

國家自然科學基金重點項目(編號:U1361214);國家重點研發計劃項目(編號:2016YFC0501107)。

王麗(1978-),女,山西省侯馬人,博士研究生,講師,主要從事土地信息管理與礦山生態重建的研究。

雷少剛(1981-),男,四川省南部人,教授,博士生導師,主要從事礦山生態重建與環境遙感方面的研究。