系统视角下中国西部煤炭开采生态损伤与自然修复研究综述

王 丽,雷少刚,卞正富(.中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 226;2.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000)

系统视角下中国西部煤炭开采生态损伤与自然修复研究综述

王 丽1,2,雷少刚1,卞正富1
(1.中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 221116;2.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000)

我国西部半干旱矿区生态受到采煤与气候的双重胁迫,区域生态环境脆弱。掌握区域生态系统自然修复规律,可为半干旱矿区生态恢复与重建提供基础理论参考。基于系统视角,分析了我国西部矿区煤炭地下开采对地貌、水文、土壤和植被等生态环境要素影响的研究进展。分析指出，已有研究尚存在以下不足:研究尺度单一、各生态子系统间互馈关系不清、采矿对生态的扰动机理不明、生态修复标准与评价体系不完善。今后应从多尺度(特别是微观尺度)定量研究西部矿区采煤对生态系统的损伤机理,构建矿区生态系统自修复评价指标体系并提出可量化的自修复标准。

干旱半干旱矿区;地下开采;生态系统;自然修复

1 引言

我国煤炭资源分布不均,其中“三西区域”(山西、陕西、内蒙古)煤炭产能占到全国煤炭总产能的50%。“三西”地处干旱半干旱气候区,生态极其脆弱,煤矿开采以地下开采为主要[1],在全球变化背景下,区域气候不稳定和采矿干扰等因素的耦合胁迫导致西部矿区环境保护问题亟待解决。众多学者对西部煤矿开采区的生态环境影响开展了探索性调查研究[2-5],结果表明:煤炭采空后诱发地表塌陷和裂缝[6],对矿区生态系统产生强烈干扰性,原有生态系统结构和功能遭到破坏[7],生态环境因子相应发生变化,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。与此同时,煤炭地下开采不仅直接干扰植被生长,还通过破坏土地资源、水资源的间接影响植被[11,12]。掌握矿区生态自然修复规律及特点,在生态恢复的关键时间点进行适度的人为干预,促进生态系统正向演替,可加快矿区生态修复的进程,提高生态修复的效益,达到事半功倍的效果。但已有研究主要聚焦在煤炭开采对特定生态因子影响研究[13],缺少对矿区生态系统各子系统间还存在复杂互馈关系的综合分析。

鉴于此,本研究立足系统层面,对采煤塌陷引发的地貌、水文、土壤和植被损伤与自然修复的相关研究进行了综合分析,总结已有研究的成果及存在的不足,以期为后续煤炭开采的生态损伤与自然修复系统的综合研究提供理论参考。

2 人工、自然与矿区生态系统自然修复

2.1 自然修复与人工修复的思辨

Tansley S A G明确提出了生态系统的概念,即在自然界的一定的空间内,生物与环境构成一个统一整体,其中生物与环境之间相互影响、相互制约,并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态(稳态)[14]。生态系统的结构和功能能保持相对的稳定状态(具有稳定性)是因为它本身具有一定的自我调节能力,即自修复力[15]。生态系统的自修复能力是有限的,外界干扰超出了一定的范围,生态系统就可能受到破坏。生态系统自我调节的限度称为“生态阈限”[16]。在阈值概念模型研究的基础上,依据外界扰动对系统造成的破坏程度,可采取两种不同的退化生态系统恢复模式[17]:①生态系统受损在生态阈限范围内,压力和干扰去除后,系统恢复可以在自然过程中发生,即自然修复;②生态系统受损超出生态阈值范围,系统发生不可逆的变化,仅依靠自然力已很难或不可能使系统恢复到初始状态,必须依靠人为干预措施才能使其发生逆转,即人工修复。

长期以来,由于人工修复具有目的性强、速度快、效率高的特点[18],被广泛应用于生态恢复实践中。例如，李树志对我国采煤沉陷土地复垦技术进行了综合回顾[19];李东风等针对性地提出了适宜半干旱矿区的土地复垦模式[20]。相比之下,自然修复虽然具有低成本的优势,但由于恢复时间长、受环境制约的特点而饱受质疑。关于自然修复和人工修复的争论由来已久,张绍良等研究指出,争议主要围绕自然修复的可行性和适用性两个方面展开[21]:一方面,Lee认为作为自然实体应出于道德义务对人类活动造成的损害进行恢复[22];洪双旌指出应通过合理的人为干预加速生态修复的进程[23];另一方面,Maria研究指出,外界开采活动停止后采区可自发、快速地形成与非采区组成结构相似的植物群落[24]。孙猛认为应充分利用自然力修复生态系统[25]。随着研究的深入,越来越多的学者逐渐认识到自然修复和人为修复并不矛盾,两种修复模式各有所长,适用范围不同。刘震指出,生态自我修复与人工治理都是促进人与自然的和谐相处的重要手段,通过人工治理与生态自我修复的有机结合,可促进人与自然的和谐发展[26]。针对西部矿区干旱少雨的特点,韩霁研究指出自然修复符合物种选择的自然法则,修复后形成的植物群落比较稳定,因此适用于人为活动较少、降水稀缺的干旱地区[18];胡振琪等认为,人工修复不适用于我国西部矿区[27],自然恢复更加符合区域的特点。

2.2 矿区生态系统自然修复初步探讨

迄今为止,关于西部煤炭开采生态损伤与自然修复的研究较少。已有的少量研究都是对一些自修复现象的描述,对煤矿区生态自然修复的概念还较模糊,缺少明析的定义和概念界定,关于自修复力的定量测度研究也较少。我国学者对生态自然修复的概念提出了一些独到的见解:韩霁认为,自然修复是依靠自然力恢复植被的一种环境修复方式[18];胡振琪等研究指出,生态系统的自修复、自我修复可统称为自然修复,两者都是依靠自然的力量实现,同时提出矿区生态环境的自修复是指采矿驱动力在对地表生态环境造成损毁的过程中,自动修复部分生态损毁的现象和过程[27];马超认为,生态自然修复指生态系统对外界干扰的抵御和恢复。即在环境条件允许的前提下,系统通过生产者自然生长、繁殖、传播,重新恢复遭到破坏的自然生境[28]。张绍良等研究指出,自然修复不是绝对排除人的主观能动性,而是强调由人主宰到辅助角色的转变[21]。结合已有自然修复的理论研究,研究认为矿区生态系统自然修复是指煤炭开采和塌陷造成的外界干扰消失后,依靠生态系统本身的自组织与自调控能力,或辅以外界人工调控行为,使受损的生态系统(包括构成系统的各子系统)恢复到相对健康的状态,最终实现区域煤炭资源可持续利用和达到对生态环境的保护[29]。

矿区生态系统是一个同时受到多种生态效应力作用下的有机整体,人类采煤活动也是众多生态效应力之一,单一生态效应力不能决定系统演替的方向[30]。因此,应基于文献分析,从系统的视角综合分析半干旱区采煤引发的地表变形、生境扰动和植被响应,厘清生态系统各子系统间的相互作用和依赖关系,同时结合全球气候变化的背景,构建西部矿区生态系统结构关系模型[30](图1)。

图1 西部矿区生态系统结构关系模型

根据文献分析,一方面采矿、地表变形过程本身直接影响植被;另一方面采矿引起采空区地表移动变形,引发环境变化,最终引起植被结构和功能的变化[11,12]。文献分析还表明,采煤对植被子系统干扰的具体形式主要包括挖损、塌陷、压占、排放和污染,进而影响到地形、岩层、地表水、地下水、土壤等生态因子,最终产生覆岩破裂、地表移动变形、土壤养分空间分布变异、地下水疏干、植被移除等[17]。

3 生态系统损伤与自然修复研究进展

3.1 地貌环境子系统损伤与自然修复

越来越多的专家学者关注到地下开采扰动后矿区地貌环境的自修复(自然恢复)现象。相关研究指出，地下开采导致的地表生态损伤具有“自修复”趋势[31],应辅以人工引导型的生态修复模式;煤炭开采产生的裂缝具有快速闭合的自修复特征,不需要人工干预；而工作面开采边界内缘是主要的环境损伤区,应重点进行人工修复[27];风积沙采煤塌陷区40%的受损区具有明显自修复能力[32]。已有研究表明,地下开采引发的地貌损伤具有区域空间差异性,区域对应的自修复能力不同,应分区构建差异性修复策略。

3.2 水文环境子系统损伤与自然修复

水资源是西部矿区环境的重要组成部分,是维护区域生态环境的决定性因素。采煤对水文环境的损伤与修复特征主要表现为:采煤塌陷改变包气带结构和岩土孔隙度,导致地下水大量渗漏[33],地下水水位显著下降[34],地表层含水性自修复周期一般小于1个自然年,大气降水是修复地表层含水性的主要外因[31]。从这些研究可见,采煤塌陷裂隙贯穿地表和含水层,破坏了区域的水文地质条件,改变了水循环模式,进而造成地表含水量损失,一般水文环境损伤可在1年内自然修复。

3.3 土壤环境子系统损伤与修复

土壤环境是构成矿区生态系统的基本环境要素,采煤塌陷对土壤环境的扰动主要体现在:采煤导致采空区上方垂直入渗能力增强,改变潜水补给条件和土壤表面蒸发能力,最终影响土壤含水率[35];风积沙采煤沉陷区土壤具备一定的自修复能力[36]。在此基础上,一些学者对采煤塌陷生态环境的自修复规律进行了初步探索,主要研究结论包括:风沙区采煤沉陷后2—7年土壤含水量可自然恢复到75%左右,土壤孔隙度可完全恢复,土壤N、P元素含量沉陷后12—17年才能逐步恢复[37]。有学者针对裂缝对土壤的影响进行了特定研究,结果表明:西部风沙区采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量影响不大,可在短期内自修复[38];地裂缝造成周边土体的剪切强度下降,距离地裂缝越近剪切强度越低[39]。上述研究表明，采煤塌陷后引起土体结构改变,进而对土壤理化性质产生影响,其中土壤水和土壤的物理性质恢复较快,而土壤的化学性质则恢复较慢。

3.4 植被子系统损伤与自然修复

作为西部生态脆弱环境的重要组成部分,植被生长与覆盖状况直接影响整个矿区的生态环境质量,因此植被恢复是区域生态恢复的重要前提和核心内容。已有部分学者基于个体尺度从根系损伤和根际微生态环境破坏等方面对采煤造成的植物损伤进行了相关研究,结果表明:采煤塌陷会抑制植物根系生长[40],破坏植物根际的生物活性[41],导致植物的死亡率增大,植被生长状况与地表破损率呈负相关关系[42];干旱缺水和开采导致的伤根是制约植被修复的关键[43]。同时,在大中尺度上开展的采煤塌陷区植被恢复演替主要集中在群落类型结构和景观特征的改变方面。研究表明，煤炭开发对植被扰动强度与煤炭产量成正比[44];地下开采造成矿区景观破碎度加大、斑块形状复杂化、植被生物量减少;塌陷区植被结构类型从灌木丛向灌草丛转化[45],优势物种由多年生草本植物演变为一、二年生草本植物[46];沉陷导致植物多样性提高[47]。可以看出,采煤扰动对植被会产生双重生态效应,即造成植物个体损伤、死亡和景观破碎,但同时又增加了植物的多样性。

3.5 新技术和新方法的应用

近年来,随着一些新技术、新方法的不断成熟和完善,这些新技术逐渐应用到干旱矿区生态自修复研究中,使相关研究取得了新的进展。主要表现在:①根系生态监测系统。有学者应用根系原位监测系统对西部矿区先锋植物根系进行了监测,指出干旱缺水和开采导致的伤根是制约植被修复的关键[43,48],采后1年受损植物的根系逐渐恢复。以沙蒿为材料的研究表明,根系自修复能力从大到小依次为中沙蒿、小沙蒿、大沙蒿[40]。②探地雷达技术。相关研究表明,探地雷达是一种适用于中尺度的土壤含水率测定技术[48]。卞正富等、张耀平等应用探地雷达设备对矿区土壤水[49]和采空区覆盖层厚度[50]进行了探测。③叶绿素荧光动力学技术。目前叶绿素荧光动力学技术已广泛应用于植物逆境胁迫,但在矿区植被损伤诊断方面仍处于初步探索阶段。基于叶绿素荧光动力学技术的研究表明,接种AM真菌可增强植物对煤矿废弃物不良环境的抗逆性。④合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)技术。合成孔径雷达干涉技术主要应用在对矿区的沉降监测[51]、开采沉陷区形变参数的测定[52]。⑤无人机技术。低空无人机航测系统具有受地面状况影响较小、作业方式灵活快速的特点,已有学者对无人机技术在矿产资源环境快速调查[53]、矿山开发[54]、矿区地形测绘、裂缝信息提取[55]、矿区植被信息提取[56]等方面进行了大量探索性研究，取得了一定的成绩。

4 存在的问题与不足

根据以上分析表明，已有文献研究具有研究角度多样化、尺度多维化、应用技术综合化的特点。但上述分析也表明,关于西部采煤塌陷区生态系统损伤与自然修复研究仍然存在以下几方面的不足:①缺乏基于系统层面的综合研究。现有研究多是基于特定生态要素展开(表1),只有少数学者对矿区植被与土壤进行了同步观测研究[57,58],研究指出不同地貌区植被群落多样性影响因子不同,风沙地貌区土壤含水量是主要限制因子,黄土丘陵地貌区土壤有机质含量是关键影响因子,植物个体生长与土壤水分呈现相同的变化趋势。但相关研究只对塌陷区土壤指标及植被指标进行了简单的相关分析,而对植物群落与沉陷区环境胁迫因子互馈作用的定量分析不足,对沉陷干扰下矿区生态系统恢复与演替的过程和规律认识不清,今后应基于西部矿区生态系统理论结构模型,着眼系统层面开展生态各子系统协同损伤的综合研究。②采矿对生态扰动的机理研究不足。根据分析表明,已有研究主要集中在对采煤塌陷的现象描述(表1),即主要应用统计学方法(方差分析)对采煤塌陷区与非采区生物[59]和非生物因素[60]进行了比较分析,矿区生态系统损伤与恢复的动态规律尚不明晰,缺少定量评价采煤与生态损伤、自修复间对应关系的数量模型,同时也缺少从采煤塌陷机理和植物损伤生态机制方面对塌陷影响的深入分析。今后应构建采煤生态损伤机理模型,实现采煤生态扰动的模拟与预测。③生态自修复标准和评价体系不完善。现有研究侧重于煤炭开采后某一环境要素的损伤(表1)、修复评价[61]和生态建设模式研究[62],缺少对矿区生态自修复标准与修复程度的定量分析与评价研究。恢复力概念与理论为矿区生态自修复研究提供了新思路,已有研究对矿区生态系统恢复力的应用与测度进行了理论探讨[30],但目前尚缺乏实践应用研究,今后应着重构建具有一定区域适应性的生态恢复力评价体系,提出明晰且可量化的生态修复标准。④微观研究还处于初步探索阶段。当前关于采煤塌陷对植被的损伤与恢复研究主要集中在宏观和中观尺度,基于宏观尺度的塌陷区植被恢复研究主要是利用遥感数据和GIS技术从景观尺度展开[63],而中观尺度上主要采用传统样方调查方法(表1),费时费力,不利于获取长期定位监测数据。同时,基于微观尺度的研究尚显不足,根系生态监测技术和叶绿素荧光技术虽然已广泛应用于植物个体逆境胁迫研究,但这些技术主要应用于室内试验,针对某一特定环境要素梯度下的植物损伤进行诊断分析。在矿区特殊自然环境下,植物个体同时受到多因素综合作用的影响,从室内试验推广到矿区原位观测还存在很多技术难点有待攻克。另外，植物个体对采煤扰动的生理响应特征与差异也有待进一步深入研究。

表1 西部矿区生态损伤及自然修复研究特征

注:*为研究集中的主要尺度,d为时间(天),a为时间单位(年)。

鉴于此,今后应进一步明确植被自修复的概念、内涵,完善自修复的基础理论体系和研究方法,从多尺度(特别是微观尺度)定量研究西部矿区采煤对生态系统的损伤机理,构建矿区生态系统自修复评价指标体系并提出可量化的自修复的标准。

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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

国家自然科学基金重点项目(编号:U1361214);国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0501107)。

王丽(1978-),女,山西省侯马人,博士研究生,讲师,主要从事土地信息管理与矿山生态重建的研究。

雷少刚(1981-),男,四川省南部人,教授,博士生导师,主要从事矿山生态重建与环境遥感方面的研究。