典型干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)累積效應

董霽紅，吉 莉，房阿曼

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 公共管理學院，江蘇 徐州 221116)

草原占我國國土總面積的40%，是面積最大的陸地生態(tài)系統，具有固碳、保護生物多樣性、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能[1]。內蒙古自治區(qū)是我國主要的草原分布區(qū)，同時擁有豐富的煤炭資源，截止2016年底累計查明煤炭儲量達10 246億t，居全國各省區(qū)煤炭儲量的首位[2-4]。黃河流域是能源流域，兼具生態(tài)環(huán)境治理和經濟社會發(fā)展的重任，一直以來受到國家的高度重視。內蒙古自治區(qū)位于黃河中上游地區(qū)，該地區(qū)煤炭產業(yè)是黃河流域中上游的主要經濟支柱行業(yè)之一。煤炭資源大規(guī)模開采引起草場退化、地下水位下降、生物多樣性減少等生態(tài)問題，經過長期累積和空間外擴，對礦區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)產生嚴重負面影響[5-9]。國家高度關注草原生態(tài)問題，2020年黨的十九屆五中全會提出“推行草原森林河流湖泊休養(yǎng)生息”，草原被放到了最前面，說明保護草原生態(tài)的重要性和緊迫性。煤炭大規(guī)模開采加劇了水土流失和污染，導致沙漠化進程加速以及耕地生產力的持續(xù)下降。

內蒙古東部屬于干旱半干旱地區(qū)，年降水量低于400 mm，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。區(qū)內有勝利、伊敏、元寶山、霍林河等多個大型露天礦以及錫林郭勒大型煤電基地等。煤炭開采及相關產業(yè)的快速發(fā)展對當地生態(tài)環(huán)境造成了劇烈破壞[10-12]。2000—2009年，伊敏露天礦煤炭開采造成地下水水位累積下降27.2 m，產生固體廢物約4.5萬t[13]。2012年初步調查，呼倫貝爾市因采煤造成的地面塌陷約36 km2，廢石場占地累計10.3 km2，地下水漏斗24 km2，土地污染10 km2[14]。目前，呼倫貝爾草原以每年2%速度退化，其中煤炭采掘過程中剝離的松散沙土在風力作用下掩蓋農田與草地是造成草原退化的重要原因之一[15]。因此，在推進黃河流域生態(tài)環(huán)境保護與高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略背景下，內蒙古東部草原礦區(qū)生態(tài)問題治理刻不容緩。

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用過程中產生的生態(tài)效應具有時間累積性和空間延展性。當累積效應超過區(qū)域生態(tài)環(huán)境容量，將會給地域自然及社會生態(tài)系統帶來不可逆轉的破壞。依據外部條件的影響程度和當地的社會系統的特征，可以表現出不同的生態(tài)累積效應過程和結果。就我國干旱半干旱地區(qū)的草原生態(tài)系統而言，在一定時間內，生態(tài)系統的結構和功能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在受到工業(yè)、放牧及采礦等外部活動長期干擾時，草原生態(tài)系統平衡被打破，部分生態(tài)系統組分能夠通過自我調節(jié)恢復到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，關鍵組分一旦超過安全閾值則難以恢復，甚至會影響其他相關組分的穩(wěn)定性，導致生態(tài)系統結構及功能發(fā)生改變，生態(tài)系統產生動態(tài)演變[13,16]。因此，研究煤礦發(fā)展過程與草原生態(tài)系統演變的相互關系十分必要。筆者針對內蒙古東部典型干旱半干旱草原礦區(qū)煤炭長期開采引起的生態(tài)累積問題，通過分析礦區(qū)發(fā)展與草原生態(tài)演變的關系、草原礦區(qū)生態(tài)累積特征及關鍵生態(tài)要素的累積響應特點，揭示草原礦區(qū)生態(tài)累積效應機理。

1 干旱半干旱草原礦區(qū)相關研究

1.1 干旱半干旱草原礦區(qū)的內涵

由于認識和應用目的的差異，關于礦區(qū)(Mining Area)內涵具有多種解釋。采礦規(guī)劃強調礦區(qū)由若干礦井及其附著設施組成，即采礦工業(yè)涉及的相關地域空間，一般為地下埋藏的礦產資源開采及其地表影響范圍，空間上具有有限性和連續(xù)性。行政管理部門則認為礦區(qū)是井田及其所屬行政機構的合稱。而多數學者明確指出礦區(qū)是基于礦物開采和加工等相關產業(yè)發(fā)展，促使人口聚集形成社區(qū)，即特定地理空間范圍內的社會群體所在的區(qū)域，并具有自身的特征[17]。從上述概念可以看出，礦區(qū)具有區(qū)域性、礦業(yè)主導性和社會性3個基本特征。

國內外學者對草原礦區(qū)(Grassland Mining Area)的內涵并沒有明確的解釋。根據我國草原煤礦的分布(圖1)，結合學者、環(huán)保機構等對草原煤炭開采引起的生態(tài)問題進行的學術研究、專利申請及技術規(guī)范[18-20]可以得出，草原礦區(qū)具有3個基本特征:① 處于干旱半干旱氣候區(qū)，地表植被形態(tài)以草本植物為主;② 重要的草原放牧區(qū)，畜牧業(yè)在區(qū)域經濟中占重要地位;③ 地下蘊藏有一定儲量、一定種類的礦產資源的區(qū)域，并且在開采區(qū)域內形成相對完善的生產及生活設施。

1.2 干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)要素

干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)系統是涵蓋社會、經濟、生態(tài)和資源為一體的復合大系統。當前，學者對草原礦區(qū)生態(tài)的關注重點是生態(tài)服務功能及生態(tài)健康的評價。干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)指標能夠以量化形式反映草原生態(tài)環(huán)境局部或者某一方面的特征和狀態(tài)，能夠刻畫草原表面生態(tài)和環(huán)境的生物、物理與化學參數。因此，通過選取草原生態(tài)適宜指標能夠更好的了解草原的變化趨勢。

部分學者依據草原生態(tài)系統的特征，分別從物質環(huán)境、結構及功能方面選取基礎生態(tài)要素(如水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境及其他生物環(huán)境等)、種群結構、景觀結構、生產生態(tài)功能等指標[21];部分學者則從草原的生產、生態(tài)兩大功能選取畜產品單位、植被蓋度、廢棄物處理情況、固碳吐氧量、生物多樣性等指標[22];另有部分學者將草原劃分為典型草原、草甸草原、荒漠草原及高寒草原，分別選取各類型草原的生態(tài)指標，如典型草原區(qū)的草地覆蓋率、理論載畜量、濕潤度等，草甸草原區(qū)的葉面積指數、物種綜合優(yōu)勢比、物種豐富度等，荒漠草原的年降水量、干燥度、土壤腐殖層厚度等以及高寒草原的優(yōu)勢物種覆蓋度、土壤有機質含量、草地覆蓋度等指標[23-26]。草原礦區(qū)景觀格局中，草地、沙地、水域等面積變化作為顯性的指標，能夠直觀反映采礦活動產生的生態(tài)影響，但一些隱性指標存在的生態(tài)風險在短期內不易察覺，其顯化需要過程。因此，分析生態(tài)要素指標及其特性是草原礦區(qū)生態(tài)累積效應研究的關鍵。

2 干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)效應評述

2.1 礦區(qū)生態(tài)累積效應與特征

煤炭資源開發(fā)的時間持續(xù)性、空間擴展性和人類活動強干擾性，使礦區(qū)生態(tài)累積效應顯著，主要表現為地形地貌的改變、景觀格局轉變、水土流失加劇、植被退化和土壤重金屬污染等，具有多源性、復雜性、時空累積性、閾值性。

考慮煤炭開采宏觀生態(tài)影響，王行風等[27]認為礦區(qū)的生態(tài)累積效應是各種生態(tài)效應在時空尺度上的累積，指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統在過去、現在和未來的可預見的外力作用，其中主要是與煤炭資源開采相關的人類活動的影響，產生的響應及變化結果，而各種變化間同時具有一定的相關性，呈現時空兩方面的表現特征，且形式復雜。從地球化學的微觀角度來講，趙元藝等[28]認為累積環(huán)境影響是指元素在金屬礦開采前、開采過程中、閉坑后幾個時間段內的元素遷移及沉淀在特定環(huán)境下綜合作用的總體效應。綜上，探究草原礦區(qū)生態(tài)累積效應，需要宏觀分析煤礦在投產、達產、豐產、穩(wěn)產及衰退各個階段的土地覆被、植被演變效應，同時微觀分析關鍵生態(tài)要素在整個生命周期的遷移及沉淀效應。

2.2 礦區(qū)生態(tài)累積效應評估與文獻評述

關于礦區(qū)生態(tài)問題研究具有要素單一性和研究時段性。生態(tài)要素方面，礦區(qū)水、土壤、植被、大氣等是研究的重點[29]。研究時段方面，重在分析礦區(qū)某一時間節(jié)點或者時期內礦區(qū)的生態(tài)問題[30]。生態(tài)累積的復雜性和時空積累性決定了礦區(qū)生態(tài)效應的研究不能局限于某一時間點或時間段的一種生態(tài)要素，而要從煤炭生命周期重要階段(如開采初期、豐產期、衰退期等)出發(fā)，研究礦區(qū)生態(tài)系統各要素相互作用共同產生的累積效應。

國內外關于生態(tài)累積效應的研究相對較多。理論方面，解釋了生態(tài)累積效應的概念及特征、煤礦區(qū)生態(tài)累積效應的影響源識別、累積途徑及效應類型;方法方面，主要包括地理信息系統、系統動力學、解釋結構模型等定量與定性方法;涉及區(qū)域方面，包括流域、濕地、煤礦區(qū)等。但是，關于干旱半干旱草原區(qū)煤炭資源開發(fā)的生態(tài)累積效應研究相對較少，已有研究只是針對草原區(qū)煤電開發(fā)的生態(tài)累積效應識別的理論研究，并沒有系統性進行草原礦區(qū)生態(tài)累積效應機理分析。而草原礦區(qū)生態(tài)累積效應程度如何？已有模型方法是否適合草原礦區(qū)生態(tài)效應的定量分析？這些問題并沒有深入研究。因此，總結草原礦區(qū)生態(tài)累積效應理論、定量評估草原礦區(qū)生態(tài)效應累積程度是亟需解決的理論與實踐問題。

3 草原礦區(qū)生態(tài)累積效應過程與特征

3.1 煤礦生命周期分析

煤礦服務年限常依據礦區(qū)劃定范圍內的煤炭資源儲量而定。根據礦山開采方案，經過前期勘察規(guī)劃、建成開采、投產達產等階段后，理論上應按照要求經歷長期的穩(wěn)產階段。已有研究多將煤礦生命周期大致劃分為規(guī)劃期、建設期、投產期、達產期、穩(wěn)產期、衰退期[31]。然而，在實際開采過程中，隨著開采技術的改進及設備的增加，生產規(guī)模不斷擴大，進入豐產期，之后逐漸降低至穩(wěn)定。豐產期由于開采量大，對生態(tài)擾動較為明顯，需特別強調重視。本文將煤礦生命周期劃分為規(guī)劃階段、建設階段、投產階段、達產階段、豐產階段、穩(wěn)產階段、衰退階段、閉礦階段，如圖2所示。

圖2 煤礦生命周期階段劃分Fig.2 Division of coal life cycle stages

3.2 草原礦區(qū)生態(tài)系統演替

3.2.1草原生態(tài)系統演替特征

草原生態(tài)系統是以飼用植物和草食動物為主體的生物群落與其生存環(huán)境共同構成的有一定界面的動態(tài)開放系統。草原生態(tài)系統演替不僅是生態(tài)系統表現在時間序列上的替代，同時是生態(tài)系統在空間上的動態(tài)演變。

草原生態(tài)系統的空間格局及過程一直呈現運動狀態(tài)，即物質流、能量流及信息流的流動與交換、生長與死亡、競爭、擴散與縮減等，在沒有干擾條件下，運動從不間斷。自然及人為干擾作為草原生態(tài)系統演替的內、外在驅動力，共同作用引起生態(tài)系統的對稱性破缺，從而推動系統的正向和逆向演替。如氣候條件變化，氣溫升高、降雨量減少及極端天氣的出現，對干旱半干旱的草原地區(qū)影響尤其顯著，由于蒸發(fā)量加大，牧草生長發(fā)育受阻，優(yōu)勢草種比例下降，草地呈現逆向演替，冬春季氣候變暖利于蝗卵孵化，導致蝗蟲數量增加，對草原生態(tài)系統產生負面影響。草原墾殖、過度放牧、煤炭開采等干擾活動改變了草原的組成、分布范圍及空間布局，其強度和規(guī)模遠大于自然干擾。

3.2.2煤炭開采干擾草原生態(tài)系統空間演變

根據煤礦生命周期各階段的特征，可將其歸納為4個發(fā)展時期，即發(fā)展初期(規(guī)劃階段、建設階段)、加速發(fā)展期(投產階段、達產階段、豐產階段)、穩(wěn)定發(fā)展期(穩(wěn)產階段)、發(fā)展衰退期(衰退階段、閉礦階段)，如圖3所示。

煤礦發(fā)展各時期生產組織重點不同，對草原生態(tài)系統的影響存在差異。發(fā)展初期，礦區(qū)主要建設生產、生活基礎設施，產生固體廢渣，以挖損、壓占土地為主，草地破壞、物種遷徙，生態(tài)系統未受到顯著的影響，如圖4所示。加速發(fā)展期，隨著煤炭開采量增加，煤炭運輸、破碎加工等項目增多，生態(tài)要素如水、土地、植被等均受到影響。大面積的原始地貌被挖損，地下巖層破碎，表土堆放、矸石山數量不斷增加，選煤水、生活污水排放，爆破、瓦斯泄露等造成的大氣污染，生態(tài)系統穩(wěn)定性遭到破壞，給生態(tài)系統造成的壓力越來越接近閾值。

圖3 草原生態(tài)系統演替與煤礦發(fā)展時期Fig.3 Grassland ecosystem succession and coal mine development period

圖4 草原礦區(qū)生態(tài)擾動示意Fig.4 Ecological disturbance of grassland mining area

穩(wěn)定發(fā)展期，雖然開采量無明顯提高，但對生態(tài)的負面影響長期處于增長狀態(tài)，生態(tài)系統的關鍵要素逐漸超過閾值，即環(huán)境容量，生態(tài)系統失去平衡，促使生態(tài)系統由受損轉化為退化或極端退化狀態(tài)，人類開始更加關注礦區(qū)生態(tài)問題，投入人力、財力、物力修復或重建生態(tài)系統。

發(fā)展衰退期，煤礦發(fā)展主要為3個方向:科技創(chuàng)新、平穩(wěn)轉型和閉礦。其中，煤炭開采量逐漸減少直至閉礦，生態(tài)系統趨于自我修復、穩(wěn)定狀態(tài)?？萍紕?chuàng)新、平穩(wěn)轉型則可能促使生態(tài)系統穩(wěn)定，也可能產生新的生態(tài)問題，影響生態(tài)平衡。

3.3 草原礦區(qū)生態(tài)累積特征

草原礦區(qū)生態(tài)效應具有以下累積特征，其中前5個屬生態(tài)累積效應共有特征，后2個屬草原地區(qū)獨有的特征:

(1)時間累積性。煤礦生命周期較長，生態(tài)影響可能早于煤礦開采行為產生，并遲于煤礦關閉結束。在煤礦開采建設之前，已開始對礦山進行勘察、地質調查等工作，物探、鉆探、采樣等勘查手段，對礦區(qū)生態(tài)產生微弱的影響。煤礦關閉后，廢棄礦區(qū)匯集地下水缺少人為疏導未能及時排出，導致水位上升而淹沒礦區(qū)及周邊地區(qū)，地下采空區(qū)因長期缺乏維護造成大面積的地面塌陷、開裂。

(2)空間擴展性。隨著煤礦發(fā)展，礦區(qū)人口規(guī)模不斷擴大，相應的生活居住服務設施不斷完善，礦區(qū)周邊逐漸形成城鎮(zhèn)、居民點等。煤炭開采、加工過程中產生的廢水隨地表徑流進入周邊河流，廢氣隨大氣交換擴散到周邊地區(qū)。煤礦規(guī)劃后，對周邊地區(qū)牧區(qū)范圍產生影響。

(3)累積源疊加或協同。呼倫貝爾市、錫林郭勒盟的煤礦不是單一分布，多以煤礦群分布，因此生態(tài)影響源不是惟一的。多個煤礦協同作用影響區(qū)域生態(tài)。對于單一煤礦來說，累積源也不是惟一的，比如水質的影響源，選礦廢水、電廠污水、生活污水等都是主要的污水來源，而矸石山自燃產生的廢氣隨降水落入地表河流，成為污水的來源。

(4)隱性與顯性。煤礦開采引起的地表塌陷、水土流失及工礦、交通運輸等用地面積增加、植被物種數量及種類的變化等屬顯性特征，而地下水位改變、生態(tài)系統演替、區(qū)域經濟的發(fā)展等屬隱性特征。經過時空累積，隱性會逐漸轉化為顯性，如地下水下降引起草地退化，土地荒漠化加劇。顯性也會轉化為隱性，如植被物種群落多樣性及地表景觀的改變終會導致區(qū)域生態(tài)系統發(fā)生演替。

(5)間接效應。煤炭開采會造成礦區(qū)周邊地區(qū)草地退化，對區(qū)域牧業(yè)產生影響。地表塌陷引起農業(yè)生產水平下降。礦區(qū)工業(yè)污水的排放影響礦區(qū)內及周邊地區(qū)生活用水及水生生物生長。

(6)閾值敏感性。生態(tài)累積效應強調閾值及觸發(fā)點，在生態(tài)脆弱區(qū)，閾值具有敏感性。如干旱半干旱氣候條件下較低的降水量及較高的蒸發(fā)量決定了水分是草原植物生長的關鍵制約因素。由于人類采礦的擾動導致區(qū)域下墊面性質變化，如草地變?yōu)樗輩^(qū)進而轉化為坑塘用地，地表水體改變影響區(qū)域水循環(huán)、水量。

(7)生態(tài)功能可恢復性差。內蒙古東部草原礦區(qū)位于呼倫貝爾沙地、陰山北麓—渾善達克沙地，屬于高度敏感區(qū)，生態(tài)環(huán)境較脆弱，一旦遭到破壞，超過生態(tài)環(huán)境閾值，修復難度較大，恢復時間較長。

3.4 草原礦區(qū)生態(tài)累積效應涵蓋研究

由于外部條件的影響程度和當地的生態(tài)系統的特征差異性，生態(tài)累積效應在不同礦區(qū)、不同的生命階段的表現形式不同，不同的累積形式組合在一起，具有較高的相關性。煤炭資源開采對草原地區(qū)生態(tài)影響種類較多，累積效應的途徑及表現形式復雜，實際研究中難以做到全面分析。針對水、土、植被、大氣等干旱半干旱區(qū)草原生態(tài)系統的主要生態(tài)要素進行分析。

(1)水環(huán)境累積響應。內蒙古東部草原地區(qū)水源主要來自于大氣降水、地表河水、湖泊水及地下水。煤炭開采產生的工業(yè)廢水、生活污水部分流入地表河流，部分下滲進入地下，部分蒸發(fā)進入大氣，再通過降水進入地表水和地下水。長期的累積變化不僅影響區(qū)域水循環(huán)，對水量及水質均產生影響。

(2)土地環(huán)境累積響應。長期開采引起地下水水位下降，同時受干旱半干旱少雨氣候的影響，草原植被發(fā)生退化，區(qū)域沙化、荒漠化嚴重。因煤礦發(fā)展建設的工業(yè)廣場、生活居住區(qū)等，以及煤炭開采引起的地表塌陷、水土流失等，導致礦區(qū)及周邊地區(qū)地表景觀發(fā)生變化。煤炭生產及加工過程中產生的廢水、廢渣中的化學物質隨著地表水進入土壤，造成土壤環(huán)境污染。

(3)植被環(huán)境累積響應。煤礦建設導致草地被硬化，煤炭開采造成草地的挖損、壓占及塌陷。原始地貌中的植被物種減少，甚至消失。地下水位下降及污染也會引起植被退化。煤礦粉塵的排放通過影響礦區(qū)及周邊地區(qū)的植被高度、蓋度及密度進而影響植物的生長。同時，由于氣溫、水分的改變，會增加新的適生植物。

(4)大氣環(huán)境累積響應。煤炭運輸產生的揚塵、電廠煤炭燃燒排放的廢氣、煤矸石自燃產生的含硫化合物等都是大氣中污染物的主要來源。大氣污染的累積形式主要表現為空間擴散效應，由于風力、地形等影響，可以影響礦區(qū)周邊更遠區(qū)域。

(5)生物生態(tài)累積響應。礦區(qū)地表塌陷區(qū)長期積水，由陸地生態(tài)系統轉化為水域生態(tài)系統。土地利用類型的變化，如草地轉化為工礦用地，引起動物遷徙，植物群落數量及組成的變化，影響區(qū)域生物量，進而影響草原的碳排放。

3.5 基于趨勢線分析法的植被生態(tài)累積效應示例

3.5.1IGNDV值獲取

植被是衡量地球生態(tài)系統的重要指標，在維系土壤、調節(jié)氣候、反映生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。歸一化植被指數(INDV)作為反映植被長勢的重要參數常用于反映植被覆蓋度的變化[32]。采用趨勢線分析法，通過各年份生長季(4—10月)INDV值獲取內蒙古東部地區(qū)35 a間(1981—2015年)每個像元年生長季最大值(IGNDV)，以反映INDV年際變化特征。

3.5.2趨勢線分析法

趨勢線分析法能夠清楚的表達柵格像元的變化規(guī)律，更好的體現研究區(qū)時間序列要素(IGNDV、氣溫、降水等)的時空變化特征。利用一元線性回歸逐個分析柵格像元的變化趨勢，并將線性回歸方程的斜率定義為要素的年際變化趨勢率sl[33]。sl具體計算如式(1)所示[34]。相關系數R可用于判定變化趨勢的顯著程度，R值的正負反映要素隨時間變化的增加或減少，其顯著性可用t分布檢驗，具體計算如式(2)，(3)所示。依據顯著性檢驗結果，將變化趨勢分為5個等級，見表1。

(1)

(2)

(3)

其中，sl為某一要素與時間年份擬合的一元線性回歸方程的斜率，表示該要素的年際變化趨勢;n為時間序列長度，n=35;i為年序號(i=1,2,…,35);xi為某一要素在第i年的數值。若sl>0，表明1981—2015年要素呈增加的趨勢;若sl=0，表明1981—2015年要素無明顯變化;若sl<0，表明1981—2015年要素呈減少的趨勢。sl的絕對值越大，表明變化速率越大。

表1 變化趨勢類型劃分Table 1 Classification of significant test results

3.5.31981—2015年內蒙古東部地區(qū)植被覆蓋累積變化

根據計算，內蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度變化斜率sl的取值在-0.008～0.002，如圖5(a)所示。依據斜率的顯著性，對內蒙古東部地區(qū)植被時空變化趨勢進行分級如圖5(b)和表2所示。

圖5 1981—2015年內蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度累積變化Fig.5 Cumulative change trend of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia from 1981 to 2015

表2 內蒙古東部地區(qū)植被覆蓋度累積變化趨勢類型比例Table 2 Cumulative change trend type ratio of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia

內蒙古東部地區(qū)約61.29%的像元植被覆蓋度變化不明顯;通遼市的西北部、赤峰市的北部及呼倫貝爾市的中部地區(qū)約16.86%的像元植被覆蓋度呈現減少的趨勢;呼倫貝爾市的西部、興安盟的南部、赤峰市及通遼市的西南部地區(qū)約21.85%的像元植被覆蓋度呈現增加的趨勢。

4 草原礦區(qū)生態(tài)要素累積效應與彈性調控

4.1 水環(huán)境累積源識別與表征

地表水環(huán)境和地下水環(huán)境構成了礦區(qū)水環(huán)境。煤炭資源開采工業(yè)活動及人類活動共同作用水資源系統，通過影響水量和水質進而影響水資源平衡，產生礦區(qū)水環(huán)境問題。

4.1.1累積源識別與累積特征

礦區(qū)水資源工程系統主要包括供給和排水。其中，大氣降水、地表河流及地下水是重要的補給來源，同時這3者構成了礦區(qū)水循環(huán)。礦區(qū)水環(huán)境累積特征見表3。

表3 水環(huán)境累積效應特征Table 3 Cumulative effects of water environment

4.1.2累積表征形式

(1)水系分布。礦區(qū)地形地貌的變化影響了地表水系的分布。排土場、矸石山的形成，在雨水的沖刷下造成水土流失;地表裂縫由于地表水的沖蝕，逐漸擴大，形成水蝕溝;塌陷區(qū)隨著程度的加深及影響范圍的擴大，積水區(qū)域面積不斷增大，形成了較大的匯水區(qū)，甚至會改變區(qū)域河流的流向。

(2)水量變化。采煤塌陷區(qū)減少了地表水的蒸發(fā)量。干旱半干旱區(qū)的氣候特點決定區(qū)域蒸發(fā)量較大;內蒙古東部地區(qū)多分布大型露天煤礦，巨大的礦坑積水后，導致區(qū)域蒸發(fā)量明顯增加;而采煤引起的地表硬化減少了淺層地下水蒸發(fā)量，增加了區(qū)域水資源;以及采煤引起的地下水位下降增強了對外流域水資源的競爭量，補充了地下水資源，從而增加了區(qū)域水資源。

(3)水質改變。選礦廢水、洗煤水含有大量的懸浮物及有害物質，被排入河流后淤塞河道，有毒的浮選劑導致水質下降，有毒的重金屬會造成河流污染，對河流周邊牧群產生危害;矸石山、排礦堆等經過雨水淋濾，含有硫酸鹽及有害重金屬元素的淋溶水若未經排放處理，會通過地表徑流污染河流，甚至地下水;井工開采過程中產生的礦井水排放或滲漏會對地下水造成污染。

4.1.3地表水環(huán)境累積響應機理

礦區(qū)地表水系的形成受地表植被截留、土壤入滲、地形變化的影響，地形的變化常影響地表水文的徑流和匯流，因此，草原礦區(qū)地表水文過程模型可綜合植被截留模型、土壤入滲模型和徑流匯流模型[32]，其結構示意如圖6所示。

圖6 地表水文過程模型示意Fig.6 Surface hydrological process model

4.2 土地環(huán)境生態(tài)累積響應機理

4.2.1土地覆被累積響應

(1)地形地貌。露天礦區(qū)通常經過表土剝離后再進行煤炭開采，從而形成挖損區(qū)和堆放區(qū)。由于挖損地表形成大面積的采坑，經過長期積水形成了坑塘。排土場的迎背風坡由于氣溫、降水量的不同，植被長勢的差異性顯著。隨著開采規(guī)模的擴大，礦區(qū)人口集聚規(guī)模不斷增加，礦區(qū)周邊原有城鎮(zhèn)建設景觀面積增加，或形成新的煤炭城市。新增了煤炭運輸或城鎮(zhèn)發(fā)展的配套基礎設施如交通運輸、電廠等建設用地景觀。礦區(qū)景觀的復雜性、空間異質性及破碎化程度受人類采礦活動的干擾不斷發(fā)生變化。

(2)場地類型。在礦區(qū)規(guī)劃范圍內，因煤炭開采、加工、運輸等形成了各類場地，整體上可歸納為原生場地、開采場地、污染場地、損毀場地4種類型，見表4。

(3)土壤質量。由于采礦業(yè)的影響，礦區(qū)部分地區(qū)形成了以固體廢棄巖土為母質，受人工整理、改良，使其風化、熟化而成的土壤。在礦產資源開采、加工、利用等過程中，進入礦區(qū)土壤中污染物的速度及含量明顯超過了土壤環(huán)境相應的承載能力，導致土壤功能和質量產生變化。土壤pH、微量元素、營養(yǎng)元素、有機質等是衡量土壤質量的重要指標，如圖7所示。

4.2.2土地覆被演變生態(tài)累積效應機理

(1)土地覆被變化響應。在土地利用類型數量方面，草原礦區(qū)未開采前，以草地和林地為主，隨著人類開采活動的影響，草地大幅度轉化為工礦用地，進而引起交通運輸、建設等用地面積擴大，礦區(qū)復墾及生態(tài)修復等措施將工礦用地復墾為草地和林地。在土地利用類型的空間布局方面，增加的建設用地多出現在工礦用地附近。在土地利用景觀結構方面，采礦引起礦區(qū)景觀斑塊數量增多，景觀生態(tài)功能隨之變化。在土地利用重心方面，分析礦區(qū)各土地利用類型的重心遷移方向及距離，能夠反映土地利用類型的空間變化特征。

表4 露天礦區(qū)主要場地類型Table 4 Site types of open-pit mines

圖7 土壤環(huán)境累積效應Fig.7 Accumulative effects of soil environment

(2)土地生態(tài)系統服務功能響應。土地利用景觀格局的時空變化必然引起區(qū)域相應生態(tài)系統服務功能的改變。隨著人類擾動增加，土地利用景觀類型不斷發(fā)生變化，區(qū)域生態(tài)系統逐漸從自然生態(tài)系統(草地、林地等)演變?yōu)榘胱匀话肴斯ど鷳B(tài)系統(農田等)，直至人工生態(tài)系統(工業(yè)、城鎮(zhèn)等)。在草原區(qū)，原始生態(tài)系統以草地、林地生態(tài)系統為主，保持水土、防風固沙、涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務功能較強，采礦活動、城鎮(zhèn)化等因素影響下逐漸演變?yōu)槌擎?zhèn)、工業(yè)生態(tài)系統，經濟功能增強，系統生態(tài)服務功能下降，隨著人類環(huán)保意識的加強，工礦用地被復墾為林地、草地，相應的生態(tài)系統服務功能得到恢復。

(3)土地生態(tài)風險響應。土地利用景觀格局的變化，在改變生態(tài)系統服務功能的同時，增加了區(qū)域生態(tài)風險可能性。土地生態(tài)風險評估是基于生態(tài)學、毒理學等理論研究一種或多種因素可能產生的生態(tài)效應。土地生態(tài)風險評估的前提是風險源的識別、風險受體及生態(tài)終點的確定，如圖8所示。在草原礦區(qū)，主要的風險源為氣象災害及人類活動。人類活動主要表現為放牧和采礦活動，其中采礦活動是主要的人為風險源。風險受體是可能遭受風險源不利作用的承受者，在選擇時，選取具有代表性、能夠反映研究區(qū)域土地生態(tài)系統的現狀，包括生物群落、生態(tài)系統、土壤質量等單個風險體，也可以是若干個子系統，同時也可是生態(tài)系統結構、功能與過程的分析。生態(tài)終點作為受體對風險的響應，呈現了生態(tài)后果，常表現為土壤質量下降、水體污染、生物多樣性減少、生態(tài)彈性降低、生態(tài)服務功能下降等。

圖8 草原礦區(qū)生態(tài)風險源、風險受體與生態(tài)終點Fig.8 Ecological risk sources,receptors and endpoints of mining areas in grassland

4.3 植被群落多樣性響應

植被作為連接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，對區(qū)域生態(tài)狀況具有指示作用。礦區(qū)水環(huán)境、地表景觀、土壤質量變化會影響植物生長，尤其是對氣候變化較為敏感的植物。植物的響應宏觀上表現為區(qū)域植物的生長狀況，微觀上體現在局部地區(qū)群落數量、群落組成、多樣性的變化。

4.3.1植物生長狀況

作為地表植被覆蓋的重要指示因子，植被覆蓋度是描述植被生長的重要定量參數，常被應用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估中衡量地表植被覆蓋狀況的量化指標之一。氣候因子，包括溫度和降水，是植被覆蓋度變化的重要驅動因素。同時，人類活動對植被覆蓋度的變化具有雙重效應，土地整治復墾、生態(tài)修復等正向效應會促使植被覆蓋度增加，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量狀況變好;開采建設占用耕地、草地等負效應會破壞原始地表植被生長環(huán)境，不僅導致植被覆蓋度降低，同時會加快降低的速率。

4.3.2植物群落數量及組成

植物群落在一定的地段上，一定的植物種類群居在一起，構成了有其特定的外貌、結構的植物組合。適宜的氣候、物種的競爭、特定的食物鏈構成了植物群落穩(wěn)定性的結構。土壤水是干旱半干旱區(qū)草原植被群落結構變化的關鍵因素，同時土壤有機質、總氮、總磷也是重要的影響因素。采礦活動對水環(huán)境及土壤環(huán)境的擾動，間接影響了植被群落結構。

4.3.3植物群落多樣性響應

植物群落物種多樣性與生境密切相關。有機質含量、土壤養(yǎng)分的積累利于植物群落多樣性增加，土壤含水率的降低影響灌木的生存，從而減少了植物群落多樣性。采礦活動對土壤環(huán)境的擾動間接影響了植物群落多樣性。

4.4 生態(tài)累積效應、生態(tài)承載力與生態(tài)系統彈性

礦區(qū)生態(tài)承載力指在礦區(qū)特定范圍內，以已有的經濟技術及確保生態(tài)系統能實現生態(tài)系統的自我調節(jié)、自我維持的條件下，礦區(qū)資源(自然、環(huán)境等資源)能夠支持的具有一定生活質量的人口及經濟規(guī)模。礦區(qū)生態(tài)承載力分析不僅考慮資源、環(huán)境承載能力，同時需考慮開發(fā)強度、開發(fā)頻度在時間和空間的累積性及引起的承載力動態(tài)變化性。生態(tài)系統彈性是生態(tài)系統在遭受壓力及擾動情況下能夠通過自我調節(jié)恢復到原始平衡狀態(tài)的能力，可分為彈性強度和彈性限度，如圖9所示。彈性限度表示生態(tài)系統能夠承受干擾的范圍，即生態(tài)承載力。彈性強度則強調抗壓性及恢復性，是動態(tài)反復的過程，與生態(tài)效應的累積過程具有相似性。生態(tài)閾值是3者共有的特性。

圖9 累積效應、系統彈性和承載力3者關系示意Fig.9 Relationship between cumulative effect,system resilience and carrying capacity

生態(tài)承載力包含壓力層和支持層2個層面。其中，壓力層為礦區(qū)社會及經濟活動的干擾作用，包含礦區(qū)特定范圍內資源利用狀況、人口及經濟規(guī)模、生態(tài)狀況等。支持層分為上下2個層面，上層為資源環(huán)境的供容能力，即資源承載力和環(huán)境承載力，下層為生態(tài)系統的自我調節(jié)及維持能力，即生態(tài)系統的彈性力。礦區(qū)生態(tài)承載力層次體系中，資源承載力發(fā)揮基礎作用，環(huán)境承載力起約束作用，生態(tài)彈性力是支持條件。在進行礦區(qū)生態(tài)承載力評價時，采用“壓力-狀態(tài)-響應”評價模型，從自然影響力、社會經濟驅動力及生態(tài)系統健康度3個方面選取構建評價指標。生態(tài)系統承載力共分3種情況:超載、滿載和未超載。超載、滿載均會破壞生態(tài)系統穩(wěn)定性。在實際運用時，單個要素的值越大，對生態(tài)系統承載力造成的壓力越大，因此對生態(tài)系統有利的因素為負面指標，不利因素為正面指標。

生態(tài)彈性體現生態(tài)系統更新、重組和不斷發(fā)展的能力及恢復速度，其評估必須建立在生態(tài)系統與人類系統相互作用的基礎上。社會彈性主要強調以社會各主體應對經濟、生態(tài)等多方面因素對社會的破壞和使其具有從根本上進行轉變的綜合能力。近年來，先進國家在礦區(qū)生態(tài)治理技術方面，已由單純的“負生態(tài)效應控制”技術發(fā)展為“礦區(qū)生態(tài)系統的修復與恢復”，實現由以“負生態(tài)效應控制”為目標向以“區(qū)域生態(tài)系統健康保護”為目標的轉變。在技術體系上，呈現出多元化、集成化和系統化的發(fā)展趨勢。顯然，礦區(qū)需要建立工程彈性、經濟彈性、生態(tài)彈性和社會彈性的生態(tài)調控機制。

5 結 論

(1)煤炭資源開采對干旱半干旱草原生態(tài)系統的影響具有周期長、范圍廣及程度深等特點，累積的負生態(tài)效應加劇了內蒙古東部干旱半干旱草原地區(qū)生態(tài)的脆弱性。因此，系統了解草原礦區(qū)生態(tài)效應的累積特征及關鍵生態(tài)要素的累積狀況，有利于及時采取應對措施以減緩礦區(qū)生態(tài)效應的累積趨勢，促進煤炭開采與草原生態(tài)的協調發(fā)展。

(2)研究總結分析了草原礦區(qū)、礦區(qū)生態(tài)及礦區(qū)生態(tài)要素，從礦區(qū)發(fā)展過程與草原生態(tài)系統演變的關系、草原礦區(qū)生態(tài)效應累積特征及內容、草原礦區(qū)生態(tài)承載力等方面探究闡述了典型干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)累積效應的機理與彈性應對機制。研究煤礦全生命周期的生態(tài)累積效應有助于明確草原礦區(qū)生態(tài)系統時空演變規(guī)律，為干旱半干旱草原礦區(qū)生態(tài)修復提供理論基礎。