采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响

　　摘要：系统评价煤矿区生态环境损失驱动因素的相对作用力，对矿区土地资源配置和生态环境治理具有重要指导作用。该文从生态学的角度，以徐州矿区为例，选择植被净初级生产力作为统一气候变化和采矿活动对矿区生态环境损失的衡量指标，通过该指标实现气候变化和采矿活动对矿区生态环境损失的可比性。研究结果表明：1）矿区植被净初级生产力NPP变化是气候因素和采矿因素综合作用的结果，气候变化对NPP的影响范围为0.111～3.333g/(m2·月)（以每月每平方米植被生产的C计）之间，采矿活动对NPP影响的范围为90.525～107.892g/(m2·月)，采矿活动对NPP的影响大于气候变化对NPP的影响，NPP变化对采矿活动具有敏感性。2）气候变化推动NPP是向正向发展，采矿活动推动NPP向负向发展。1987－1998年采矿活动是推动NPP变化的主导因素，1998－2005年气候变化是推动NPP变化的主导因素，2005－2008年采矿活动成为推动NPP变化的主导因素，同时，随着采矿活动的加剧，采矿活动对NPP推动变成主导因素，并且推动NPP向负向发展的比例在增大。3）在采矿活动破坏区内，采矿活动对矿区生态环境的影响具有主导作用，主要表现为耕地NPP的大幅下降，通过土地复垦措施增加林地的NPP，可改变矿区生态环境的发展方向；在采矿活动的影响区内，气候变化对生态环境的影响具有主导作用。

　　关键词：气候变化，生态，煤矿，采矿活动，相对作用

　　0、引言

　　随着煤炭资源的大规模开采，煤矿区土地利用和生态环境产生或轻或重的负面影响，尤其是地下开采造成了土地大面积塌陷，导致农作物减产、土地利用结构变化、土壤污染、地下水系破坏等，使得矿区生态系统的微气候、水文、植被、生物等生境发生变化，造成整个矿区生态环境破坏，进而发展为不可逆转的生态问题。

　　对于矿区生态环境评价的研究比较多，目前主要采用多指标法进行评价，但该方法在不同矿区无法进行比较。采煤对矿区生态环境的影响形成了具有采矿活动特征的地表植被的格局与变化过程，因此本文从植被变化入手，引入植被净初级生产力（netprimaryproductivity，NPP）研究矿区生态损失量。NPP与植被本身生物学特性及降水、温度等区域环境因素密切相关，并能够以统一的尺度标准来衡量区域生态系统结构和功能的变化过程对植被的影响程度，并直接反映植被群落在自然环境条件下的生产能力，表征矿区生态系统运行质量状况。因此分析采矿对NPP的影响可以作为矿区生态环境效应研究的重要组成部分。文献研究表明，矿区NPP对采矿活动的反映具有敏感性。因此，NPP能够以统一的尺度标准来衡量矿产资源开发过程对地表植被的影响程度。

　　对于采矿活动对矿区生态系统的影响，HouHuping等研究结果表明采矿因素、地质因素、地下水活动等因素对矿区生态系统的生境产生不同程度的影响。其中煤层的埋深、煤层倾角、上覆岩层的岩性、地质构造是生态环境要素变化的主要控制因素，表现为地表沉陷下沉，土壤质量下降，水分受到污染；植被覆盖度降低，生物量减小；生态景观的形状指数降低，平均分维数减小，生物多样性增大，景观异质性增大。

　　本文在上述研究的基础上，进一步探究矿区NPP变化的驱动力。将煤矿区推动生态系统变化的影响因素归为两大类，主要是气候因素和采矿活动因素，气候因素包括温度、水分等，采矿活动因素包括煤炭储量、采矿方式、地质因素等。为了研究方便，将土地复垦活动也第5期徐占军等：采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响是为采矿活动之一。以NPP作为矿区生态损失的本质指标，将两类影响因素对矿区生态系统的影响统一到对NPP的影响上，通过研究气候变化对NPP的影响和采矿活动对NPP的影响，建立气候变化和采矿活动引起的NPP变化与生态损失的对应关系，从而计算相应空间上气候变化与采矿活动在推动矿区生态系统演变过程中的相对作用。

　　1、材料与方法

　　1.1研究区域

　　研究区域位于徐州九里煤矿区，地处温暖带湿润半湿润大陆性季风气候区，年均气温14℃，无霜期200～230d，年日照时数为2284～2495h，日照率52%～57%，年平均降水量800～930mm，常年主导风向东北偏东，风速2.1m/s。土壤类型以棕土、褐土、潮土为主，土地利用类型主要以耕地为主。研究区域煤矿密集，有庞庄、夹河、垞城、卧牛山等4个大型煤矿，6个矿井，矿区面积230km2。其中夹河煤矿年生产能力150万t/a，垞城煤矿年生产能力105万t/a，庞庄煤矿的庞庄井年生产能力120万t/a，庞庄煤矿张小楼井年生产能力105万t/a，庞庄煤矿的东城井于2005年关闭，卧牛山煤矿的年生产能力15万t/a，属于资源枯竭、濒临关闭的衰老矿井。煤田含煤地层属石炭二迭系，煤系地层厚度平均485m，包括3个含煤组，自下而上为上石炭统太原组，下二迭统山西组及石盒子组。煤系地层共含煤29层，可采17层，可采煤层总厚度平均19.49m，含煤系数4.02%。

　　1.2数据来源

　　本研究以六月份NPP的变化量对矿区生态损失进行研究，选取Landsat5TM数据，轨道号为121-36，日期为1987年6月8日、1998年6月6日、2005年6月19日、2008年6月1日，分辨率为30m。所有数据都进行了日照差异纠正、图像几何校正，采用决策树分类法和支持向量机法进行土地植被覆盖分类。由于研究区域属于高潜水位矿区，采矿破坏表现为地表沉陷积水和矸石山的压占，同时6月份植被主要以小麦为主，其次分布零星的苗圃林地，因此将土地植被覆盖分为耕地、林地、水域、建设用地、废弃地等5类。

　　气象数据来源于徐州市气象局11个气象监测站点的1987、1998、2005、2008年的六月份的平均降水量、平均气温、太阳总辐射、平均相对湿度、平均实际蒸发量，以及11个气象站点的经纬度。然后采用空间插值分析法得到像元大小与土地覆盖分类数据投影相同、空间分辨率相同的气象要素栅格图。

　　1.3研究方法

　　1.3.1生态损失量的测算方法

　　NPP是表达生态系统能量大小和物质量的直接指标，本文以此作为生态损失量化指标。

　　NPP的测算可以用改进CASA（carnegie-amesstanfordapproach）模型，它是由遥感数据、温度、降水、太阳辐射，以及植被类型、土壤类型共同驱动的光能利用率模型。该模型中NPP是植被吸收光合有效辐射（APAR）、光能利用率（ε）的函数，见其基本式（1）。采用GIS软件和ENVI软件，利用IDL语言编程，来测算NPP。(x,t)(x,t)(x,t)NPP=APAR×ε（1）式中，APAR(x,t)表示像元x在t月份植被所吸收的光合有效辐射，MJ/m2；ε(x,t)表示像元x在t月份光能利用率，g/MJ；t表示时间，x表示像元。(x,t)1(x,t)2(x,t)(x,t)ε=Tε×Tε×Wε×ε.（2）式中，1(x,t)Tε和2(x,t)Tε表示温度胁迫系数，反映温度对光能利用率的影响；(x,t)Wε表示水分胁迫影响系数，反映水分条件的影响；ε*是理想条件下的最大光能利用率，g/MJ。

　　1.3.2气候因素和采矿因素对NPP影响的计算方法本研究中采用CASA模型计算的NPP为实际NPP，是气候因素和采矿活动因素综合作用的结果，需要将气候因素和采矿活动因素对NPP的影响区分开来。

　　1）气候因素对NPP影响的计算方法

　　气候变化对NPP的影响主要是通过气温、水分、太阳辐射等因子来影响植被的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等进而影响NPP，因此，假定其他因素没有变化，只考虑气候因素对NPP的影响来测算矿区NPP即为气候变化对NPP的影响值，即为潜在NPP′。潜在NPP′的测算主要是指受气候作用影响的NPP。根据Budyko的辐射平衡公式以及IBP研究计划对世界潜在植被净初级生产力（NPP）的研究而编制的Chikug模型进行计算，该模型对NPP的估算时，只考虑植被的气候因子，即太阳辐射、蒸发量、气温、水分等因素，因此该模型测算的结果可以作为潜在NPP，计算式为NPP′=0.29×.exp(.0.216×RDI).×Rn×0.45×0.0917..（3）式中，RDI为月平均辐射干燥度；Rn为月陆地表面所获得净辐射，mm；NPP′潜在植被净初级生产力，g/(m2·月)。

　　2）采矿活动对NPP影响的计算方法

　　本研究通过模型测算的NPP是实际的NPP,通过文献查询可知，NPP主要受气候变化影响和人为活动的影响，因此本研究是基于一定的假设条件：假定矿区NPP的变化只受采矿活动和气候变化的影响。因此，采矿活动对NPP的影响采用潜在NPP′与实际NPP差值来衡量，即NPP′′=NPP′.NPP（4）式中，NPP″指采矿活动对植被净初级生产力的影响值，g/(m2月)；NPP′指气候条件影响的植被净初级生产力，即潜在NPP′，g/(m2月)；NPP指根据改进的CASA模型测算的NPP，即实际NPP，g/(m2·月)。

　　1.3.3NPP变化趋势分析

　　采用一元线性回归分析法对比分析矿区不同时相NPP的变化特征，模拟每个栅格的变化趋势采用最小二乘法的线性回归斜率来计算，i为监测时间段的年数；jNPP为第j年NPP的平均值，g/(m2月)；slopettiNPP→+Θ是趋势线的斜率；t为监测时间的起点。当其斜率为正，表示NPP向增加方向发展，生态系统向正向发展，有利于矿区生态的可持续发展；反之NPP向减少的方向发展，矿区生态环境向逆向发展，应该加强生态环境的保护工作。根据slopettiNPP→+Θ在研究区域的变化范围，将其增减情况分为5个变化区间，轻微变化（060）。

　　1.3.4采矿活动和气候因素的相对作用评价方法矿区NPP在不同年际的变化是气候变化和采矿活动共同作用的结果，气候变化和采矿活动均有可能推动矿区生态系统NPP向正向和逆向2个方向发展。其中正向发展的可能情景有以下5种：