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第29卷 第1期 2015年1月 Vol.29 No.1 Jan.,2015 中 国 土 地 科 学 China Land Sciences 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） 摘要 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。 关键词 土地整治； 煤炭开采； 生态效应； 地域分异； 生态修复 中图分类号 F301.2 文献标识码 A 文章编号 1001-8158 （2015） 01-0055-08 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 Inatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China） Abstract 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. s 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. Key words land consolidation; coal mining; ecological effect; regional differentiation; ecological rehabilitation 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19872020 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 收稿日期 2013-06-05 修稿日期 2014-10-15 基金项目 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） 。 第一作者 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 通讯作者 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 DOI10.13708/11-2640.2015.01.006 中国土地科学 2015年1月 第1期56 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 矿区煤炭赋存与开采基本自然地理条件土地复垦分区生态破坏类型 神东鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层近水平煤田、 浅 部井工开采 干旱半干旱大陆性气候、 毛乌素沙漠与陕 北黄土高原过渡地带、 荒漠生态系统 晋陕蒙西区、 生态破坏型、 结 构缺损 徐州华北地台外环变形区石炭二叠纪煤田、 浅 深部井工开采 暖温带季风区、 平原高潜水位厚冲积层、 东 部农田生态系统 黄淮海区、 生产力下降型、 结 构缺损 平朔宁武煤田西北部石炭二叠纪浅埋区、 露井 联采 温带半干旱大陆性季风气候、 黄土高原丘 陵缓坡区、 干旱草原生态系统 晋陕蒙西区、 生态破坏型、 结 构缺损 昭通华南强变形区晚二叠世煤田、 浅中部井工 开采 高原亚热带山地季风气候、 云贵高原北部中 山地形、 亚热带湿润常绿阔叶林生态系统 西南区、 生态破坏型、 结构 缺损 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 57杨永均等 煤炭开采的生态效应及其地域分异 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 生态学指标效应 生态因子非生物因子地形/土地沉陷、 挖损、 压占、 占用、 污染土地 土壤土壤理化性质改变、 流失 水地表水破坏、 地下水疏排、 水污染 生物因子植被植被群落演替、 植被覆盖变化、 多样性变化 动物生境改变， 群落变化、 多样性变化 生态系统结构形态结构土地利用结构土地利用方式、 结构改变、 荒漠/沙漠/盐渍化 景观格局景观格局变化， 景观稳定性降低 营养结构第一性生产力生态系统生产力下降， 系统能量和物质量下降 生态系统功能物质流动C循环碳素生物地球化学循环受到影响， 碳汇量改变 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 中国土地科学 2015年1月 第1期58 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 59杨永均等 煤炭开采的生态效应及其地域分异 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 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 中国土地科学 2015年1月 第1期60 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。 （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3 4矿区生态效应比较 Tab.3 Comparison of ecological impacts in different mining area 矿区水土植被土地利用结构 神东 潜水直接疏排， 地 下水位下降 （实例 观测到绝对水位 下降超过6 m[4]） 非连续型土地损毁 （塌陷坑、 崩塌、 裂缝 等） ， 预计平均最大下 沉值为2.2 m[15] 土地损毁增加植被死亡率， 地下水 下降时植被选择性影响， 生态建设， 2014年时植被覆盖率已经从矿山开 发之初的3增加到60[16] 耕地、 水域微量转变为林地和 建设用地， 土地利用变化较小， 2002 2009年间大柳塔矿井 LUCC综合动态变化度为5.22[17] 徐州 地表积水， 积水深 度可达56 m 连续型土地塌陷 （下沉 盆地深度达26 m[18]） 植被覆盖变化， 植被生产能力下 降 [3,19]， 遥感连续观测19872013 年间植被覆盖度降低24.09 农地大量破坏， 土地利用变化较 大 [3]， 遥感连续观测19872013 年间塌陷积水区年均增加率为 4.08 平朔潜水层直接破坏 土地直接损毁 （挖损、 压占、 占用） ， 原地貌 15年间平均每年挖损 减少1 km2左右 [20] 露采区19862013年间有植被的 耕地、 林地和草地覆盖比例降低 24.47[21] 林地、 耕地全部消失， 转变为矿业 建设用地， 强土地利用变化 [22] 昭通 煤系地层含水层 和上覆含水层破坏 非连续型土地损毁 （塌陷坑、 崩塌、 滑移、 裂缝等） 土地损毁增加植被死亡率， 地下水 下降时植被选择性影响 土地损毁， 难利用土地增加， 林 地、 耕地被占用和挖损， 但变化量 小于1， 弱土地利用变化 61杨永均等 煤炭开采的生态效应及其地域分异 表4 煤炭开采生态差异主要影响因子 Tab.4 The main factors of ecological impacts 因子自身差异效应影响 采 矿 扰 动 开采方式露、 井开采地质采矿条件影响水、 土损毁形式和程度 （1） 神东矿区大规模长壁开采浅埋藏、 薄基岩、 地表覆盖有较厚风积砂层的煤 层， 形成土地非连续型损毁和潜水疏排。 （2） 徐州矿区开采缓倾斜、 浅深部、 地表覆盖厚冲积层的煤层， 形成连续型土 地塌陷 （下沉盆地） ， 地表积水。 （3） 平朔露天开采浅埋煤层， 挖损、 压占、 占用活动直接重塑地表， 摧毁潜水层。 （4） 昭通矿区开采急倾斜、 薄第四系、 地表为中山地形的煤层， 开采沉陷缺失 弯曲下沉带， 形成土地非连续型损毁、 煤系地层含水层和上覆含水层破坏。 采深采厚采深采厚比 煤层倾角近水平、 倾斜、 急倾斜 煤层开采 开发强度年产量、 采空区面积 大小 地层基岩煤层上覆岩层厚度与 隔水性质 松散层第四系厚度 地形地貌中山、 黄土高原、 荒 漠、 平原 潜水赋存潜水埋深高、 低 本 底 生 态 条 件 植被系统农业、 荒漠 森林、 草原 本底生态条件影响生态系统响应的形式和程度 （1） 神东矿区植被生长多依赖大气降水， 地下水位下降植被受选择性影响， 泉 沟域植被死亡， 土地损毁处， 植被死亡或演替， 加之生态建设， 植被指数增加。 （2） 徐州矿区水热条件较好， 农业活动影响大， 植被覆盖变化明显， 土地利用 变化大。 （3） 平朔矿区， 原地貌林地全部消失， 土地利用变化剧烈。水热条件差， 排土 场、 复垦区植被恢复演替速度较慢。 （4） 昭通矿区水热条件好， 植被未受较大影响， 弱土地利用变化。 水热条件干湿、 热量 土地利用农、 林、 牧 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19872013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 中国土地科学 2015年1月 第1期62 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。 参考文献 （References） ［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. 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