【導讀】潞安礦區(qū)系統(tǒng)康復與生態(tài)文明建設(shè)研究。二○一○年十二月

　　

【正文】 流程上大致反映這個 “ 食物鏈 ” 過 程（圖 15）。 18 圖 15 礦區(qū)生產(chǎn)流程圖 從上面 的流程圖可以看出，在礦區(qū)生產(chǎn)運營中，初始投入的六大資源中，經(jīng)過 生產(chǎn)過程后，只有兩種資源 （ 資本資源和人力資源 ） 可以在礦 區(qū) “ 食物鏈 ” 過程中得到補償，而持續(xù)進行，其他投入的資源都不能在礦區(qū) “ 食物鏈 ” 終結(jié)時 得到補償，使礦區(qū)生產(chǎn)不能循環(huán)進行，也就不能實現(xiàn)礦區(qū)意義上的可持續(xù)發(fā)展。當然，在礦區(qū)的運 行中，如果不需要某種資源，礦區(qū)生產(chǎn)也能正常運行，那么也就無所謂資源補償問題，例如環(huán)境資源，如果在礦區(qū)的生產(chǎn)運營中，其不造成對環(huán)境的破壞，也就無所謂環(huán)境資源的補償，也就沒有必要討論礦區(qū)環(huán)境的可持續(xù)問題。 事實上，這是不可能的，目前我國的礦區(qū)是最大的污染源和自然生態(tài)環(huán)境的主要破壞者之一。所以，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境 屬性也是不完全生態(tài)屬性要想礦區(qū)環(huán)境像自然環(huán)境那樣實現(xiàn)可持續(xù)， 必須改變礦區(qū)生產(chǎn)的現(xiàn)有運行模式，從整個礦區(qū)“ 食物鏈 ” 著手，變 “ 開環(huán) ” 過程為 “ 閉環(huán) ” 過程，從而使礦區(qū)具有完全生態(tài)屬性，如環(huán)境資源，可以對礦區(qū)生產(chǎn)物質(zhì)流 程的各個環(huán)節(jié)進行控制，采用一定的手段進行環(huán)境治理，從而達到初始的環(huán)境資源投入能在經(jīng)過生產(chǎn)流程后得到及時補償，實現(xiàn)可持續(xù)。當然上面的礦區(qū) “ 食物鏈 ” 圖 只是將礦區(qū)作為一個能源和原材料的生產(chǎn)者來進行分析，現(xiàn)在一些大型礦區(qū)的生產(chǎn)活動己經(jīng)日趨多元化，這個“ 食物鏈 ” 過程也就相應(yīng)變得十分復雜。 礦區(qū) “ 食物鏈 ” 流程之所以是一 個 “ 開環(huán) ” 而非 “ 閉環(huán) ” 流 程，其根本原因就在于在礦區(qū)生產(chǎn)運營中，礦產(chǎn)資源得采掘過程、加工過程中產(chǎn)生了大量的 “ 廢物 ” ，從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度來說，它們大量未被充分利用的稱作 “ 廢物 ” 的能源和物質(zhì)，他們也是礦區(qū)生 態(tài)環(huán)境惡化的主要誘導者之一。當然，礦區(qū)環(huán)境惡化還與礦區(qū)的工作對象和工作環(huán)境相關(guān)。由于礦區(qū)所面臨的對象就是寓于自然的 19 自然資源，所以他們之間必定要發(fā)生作用并產(chǎn)生影響，這是不可避免的，只不過有程度強弱不同而已。 20 2 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng) 演變 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變的研究方法 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取常用方法主要有以下幾種： （ 1） 實驗研究 對沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活性、矸石、粉煤灰等廢棄物作為充填基質(zhì)理化性質(zhì)演變規(guī)律、礦井水理化性質(zhì)等進行實驗研究。 （ 2） 實地調(diào)查 對礦區(qū)自然資源狀況（土地利用現(xiàn)狀、土地破壞、土壤類型與分布、水 資源、氣候條件等）、社會經(jīng)濟現(xiàn)狀（人口、經(jīng)濟狀況、科技水平等）、環(huán)境污染現(xiàn)狀、適生鄉(xiāng)土植物、采礦條件等進行調(diào)查，一般采用實地勘察、問卷調(diào)查等方式獲取相應(yīng)的信息。 （ 3） 定位觀測 對土地沉陷、沉陷區(qū)土壤質(zhì)量等進行定位動態(tài)觀測，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為制定科學的沉陷區(qū)土地整治措施提供依據(jù)。 （ 4） 遙感技術(shù) 礦區(qū)陸面演變包括陸面要素空間位置的變化和自然屬性的改變，必然導致光譜特性發(fā)生變化，利用不同時相的遙感影像通過圖像處理、信息提取，能夠獲取陸面演變的有關(guān)信息，研究陸面演變的機理和模式，得出其發(fā)展規(guī)律，以實施對陸面演 變的調(diào)控。從高分辨率衛(wèi)星遙感影像中可以提取的主要信息、完成的主要目標包括： ① 礦區(qū)土地利用及覆被信息。礦區(qū)陸面演變導致陸面要素波譜特性的改變，從遙感影像上可以提取這些方面的信息，成為分析陸面演變的基礎(chǔ)； ② 礦區(qū)人居環(huán)境和城鄉(xiāng)變遷狀況及其發(fā)展信息，進而為區(qū)域規(guī)劃工作提供基礎(chǔ)信息和指導； ③ 礦區(qū)環(huán)境污染與地質(zhì)災(zāi)害信息。陸面演變與地表水污染、采礦和采水導致的地表塌陷等密切相關(guān)，從遙感影像上可以獲取關(guān)于區(qū)域地表環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害信息，進而開展防治； ④ 其它陸面信息，如陸面溫度等。 21 我國 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng) 演 替的一般模式 我國大多礦區(qū)的共同特點是：處于生態(tài)脆弱區(qū)，有較充足的光溫資源、較貧瘠的水土資源和較豐富的礦產(chǎn)資源。礦產(chǎn)資源開發(fā)的結(jié)果是：光溫不變、水土廢棄、礦石耗竭。我國目前礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的四種演替模式（圖 21）。 圖 21 我國礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替的 4 種模式 在進行礦產(chǎn)資源開發(fā)前，原生態(tài)系統(tǒng)將有兩種可能的演替模式。模式 ① 屬于一般整治下的低穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng) 。 因不可能得到礦山經(jīng)濟的支持， 可能缺乏足夠的資金來進行治理， 故此種生態(tài)系統(tǒng)僅可低水平持續(xù)發(fā)展。模式 ② 雖然水土光熱資源較為豐富，但若 維持現(xiàn)狀，因無任何外來 經(jīng)濟支持，屬于不整治下的不穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)，故不可持續(xù)發(fā)展。 在進行礦產(chǎn)資源開發(fā)的情況下，原生態(tài)系統(tǒng)也將有兩種可能的演替模式。模式 ③ 是在礦山經(jīng)濟支持和人工誘導下重建的高穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng) 。這種情況下， 礦區(qū)在發(fā)展經(jīng)濟時， 雖然 占用和破壞大量土地，開采礦產(chǎn)資源 和 消耗其他生態(tài)環(huán)境資源， 并 排放大量的生產(chǎn)性廢棄物 ，生態(tài)系統(tǒng)極度退化，但在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中獲得的經(jīng)濟效益反哺礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護工作，通過合理的開采計劃和科學的綜合整治，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾和破壞較低到最小，并能得到逐漸恢復， 此 22 種生態(tài)系統(tǒng)可高水平持續(xù)發(fā)展。模式 ④ 中由 于 對 其采礦生產(chǎn)中 造成的生態(tài)環(huán)境破壞的后果不進行治理 。結(jié)果導致， 一方面，礦區(qū)經(jīng)濟活動大大超過礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，資源過度開采和利用導致資源短缺和環(huán)境惡化，從而引起礦區(qū)經(jīng)濟停滯和衰退 ； 另一方面，經(jīng)濟停滯和衰退導致缺乏足夠的資金去改善和修復被破壞的生態(tài)系統(tǒng)，只能進一步向生態(tài)系統(tǒng)索取資源，繼續(xù)加重礦區(qū)生態(tài)環(huán)境危機。經(jīng)濟衰退與生態(tài)環(huán)境惡化相互制約， 進 而形成惡性循環(huán) 。 在這種模式下，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟系統(tǒng)表現(xiàn)為相互制約的對立關(guān)系 。對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境 不做 任何保護治理 、 僅 靠自然恢復，實踐證明，在原生態(tài)系統(tǒng)尚未 “ 超負荷 ” 的情況 下，系統(tǒng)有“ 自我維護 ” 的能力，隨時間的推移，系統(tǒng)可能自然恢復，但對目前造成如此大規(guī)模的礦區(qū)極度退化生態(tài)系統(tǒng)已 “ 超負荷 ” 運轉(zhuǎn)，不可能僅靠 “ 自我維護 ” 而恢復，而只會使極度退化生態(tài)系統(tǒng)再度惡化， 故不可持續(xù)發(fā)展。 在實際礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變可能介于上述四種模式之間。正確認識礦區(qū)礦產(chǎn)資源和水土光熱等資源特征，邊開采邊治理，合理運用各種先進采礦工藝和設(shè)備，減少礦產(chǎn)資源損耗，降低生態(tài)環(huán)境破壞，促進資源綜合利用，取得最優(yōu)社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)處于健康穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)。 潞安礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變 土地及景觀演變規(guī)律 潞安礦區(qū)中部大部分為平原，礦區(qū)周圍主要為丘陵與山地。潞安礦區(qū) 1998年以前造成塌陷土地 2833hm2，其中已利用土地 ，固體廢棄物壓占土地 。因此，潞安礦區(qū)的土地破壞以采煤塌陷地為主，平均萬噸塌陷面積為 。以潞安各生產(chǎn)礦的生產(chǎn)規(guī)劃和潞安礦區(qū)地表移動觀測與類比參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，以 1998 年為基礎(chǔ)進行預(yù)測，潞安礦區(qū) 19992020 年塌陷土地面積總數(shù)為 ，其中耕地占 %，果園占 %，林地占 %，公路、農(nóng)村居民 點等占 %。預(yù)測塌陷地的破壞程度以中度破壞為主，占 %，輕度破壞占 %，沒有重度塌陷地。塌陷的類型仍以穩(wěn)定塌陷為主。只有常村礦存在少量非穩(wěn)定塌陷地， 約 占總塌陷面積的 %。 沉陷區(qū)土壤質(zhì)量演變規(guī)律 土壤樣品采集及分析方法 以王莊礦為例， 在礦區(qū)周邊分別選取沉陷 3年、沉陷 6年的耕地，在沉陷土壤 23 的上部、中部、下部分別用土鉆按 0 20 4060分層取土，重復采樣 5次，帶回實驗室風干保存，用以測定土壤養(yǎng)分。 樣品風干后，剔除未分解的植物根系及殘體、昆蟲尸體、石 塊等雜物，磨碎、碾細，過 20目、 100目尼龍篩后，取足量裝入紙質(zhì)小袋測定其有機質(zhì)、 N、 P、 K等。具體方法有機質(zhì)：重鉻酸鉀法；全 N：重鉻酸鉀 硫酸硝化法；全 P：高氯酸 硫酸酸溶 鉬銻抗比色法；全 K：火焰光度法；堿解 N：堿解蒸餾法；速效 P：碳酸氫鈉浸提 鉬銻抗比色法；速效 K：火焰光度法；土壤電導率和 pH值則是用蒸餾水，按照 5： 1的比例浸提后，分別用電導儀和 pH計測定。 應(yīng)用 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析， 5%水平下 LSD 多重比較檢驗各處理間的差異顯著性。 土壤質(zhì)量演變規(guī)律 土壤養(yǎng)分是土 壤肥力的重要的組成部分 ， 養(yǎng)分的含量及貯量又是構(gòu)成土壤肥力和土壤生產(chǎn)力的基本條件 ， 它是一個動態(tài)的變量。采煤塌陷使地表形成了坡地和洼地，土壤中許多營養(yǎng)元素隨著地表徑流流入采空區(qū)或洼地，造成許多地方土壤養(yǎng)分的短缺，有研究表明礦區(qū)有機質(zhì)、氮、磷等含量只有正常植被覆蓋土壤平均值的 20%~30%，嚴重影響了農(nóng)作物的生長。土壤有機質(zhì)是土壤養(yǎng)分的源泉 ，又是土壤中異養(yǎng)型微生物的能源物質(zhì) ， 其含量及組成直接會影響土壤的供肥、保肥、保水、適耕性和生物活性，常作為劃分土壤肥力高低的指標。采煤塌陷對土壤有機質(zhì)有破壞作用，但研究表明沉陷 3年的耕地土壤中有機質(zhì)含量并未出現(xiàn)顯著差異，這可能與有機質(zhì)移動性差及沉陷地坡度相對較小有關(guān)。 土壤全氮、全磷和全鉀量是衡量土壤供肥能力的重要指標，其中全氮和全磷均呈現(xiàn)出沉陷地中部含量顯著高于頂部和底部的規(guī)律，但沉陷地頂部和底部尚無顯著差異；而全鉀量呈現(xiàn)出沉陷地底部＞中部＞頂部的規(guī)律，且差異顯著。 速效氮、磷、鉀常作為土壤養(yǎng)分及時供給的指標，對當季作物的生長發(fā)育有著重要的作用。由表 21可以看出潞安礦區(qū)采樣地沉陷 3年耕地不同坡位土壤速效氮、磷、鉀分布呈現(xiàn)出底部＞中部＞頂部的規(guī)律，且差異顯著。顯然這是由于采煤沉 陷形成坡地，這一小地形導致地表耕作層土壤中致遷移性很強的速效氮、磷、鉀隨地表水分運動向下部匯集，這構(gòu)成了采煤沉陷地耕地土壤養(yǎng)分分布的典型和重要特征。 24 表 21 沉陷 3年耕地不同坡位土壤養(yǎng)分分布特征 項目 位置 有機質(zhì) （ %） 全氮 （ %） 全磷 （ %） 全鉀 （ %） 堿解氮（ mg/kg ） 速效磷（ mg/Kg） 速效鉀（ mg/Kg ） 沉陷地頂部 沉陷地中部 沉陷地底部 圖 22 沉陷 3 年耕地不同坡位土壤 pH 值特征 圖 23 沉陷 3 年耕地不同坡位土壤電導率值 25 人類的擾動是土壤環(huán)境質(zhì)量演變的重要驅(qū)動力，常常會引起土壤 pH值發(fā)生變化，加重土壤鹽化。采煤沉陷地耕地土壤 pH值也常常會發(fā)生變化，但 本 研究表明，潞安礦區(qū)采煤沉陷地耕地土壤 pH值并無顯著變化。而土壤電導率值呈現(xiàn)出沉陷地底部＞中部＞頂部的規(guī)律，且差 異顯著，這表明沉陷 3年的耕地已經(jīng)出現(xiàn)鹽類向沉陷地地部快速匯集的趨勢，這將加重土壤的鹽化。 表 22 沉陷 3年耕地不同坡位土壤養(yǎng)分分布特征 項目 位置 有機質(zhì) （ %） 全氮 （ %） 全磷 （ %） 全鉀 （ %） 堿解氮（ mg/kg ） 速效磷（ mg/Kg） 速效鉀（ mg/Kg ） 沉陷地頂部 沉陷地中部 沉陷地底部 采煤塌陷對土壤有機質(zhì)有破壞作用，研究表明沉陷 6年的耕地土壤中有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出中部和底部有機質(zhì)含量均顯著高于頂部的規(guī)律。土壤全氮、全磷和全鉀量均呈現(xiàn)出沉陷地底部含量顯著高于頂部和的規(guī)律，但沉陷地中部和頂部無顯著差異。 速效氮、磷、鉀常作為土壤養(yǎng)分及時供給的指標，對當季作物的生長發(fā)育有著重要的作用。由表 22可以看出潞安礦區(qū)采樣地沉陷 6年耕地不同坡位土壤速效磷、鉀分布呈現(xiàn)出底部＞中部＞頂部的規(guī) 律，且差異顯著；而底部速效氮含量顯著高于頂部，但中部含量與頂部含量無顯著差異。顯然這是由于采煤沉陷形成坡地，這一小地形導致地表耕作層土壤中致遷移性很強的速效氮、磷、鉀隨地表水分運動向下部匯集，且這一規(guī)律漸漸趨于穩(wěn)定。 研究表明，潞安礦區(qū)采煤沉陷 6年的耕地土壤 pH值并無顯著變化。而土壤電導率值呈現(xiàn)出沉陷地底部＞中部＞頂部的規(guī)律，且差異顯著，這表明沉陷 6年的耕地仍然呈現(xiàn)出鹽類向沉陷地地部快速匯集的趨勢，這必將加重土壤的鹽化。 26 圖 24 沉陷 6 年耕地不同坡位土壤 pH 值特征 圖 25 沉陷 6 年耕地不同 坡位土壤電導率值 通過對潞安礦區(qū)王莊礦周邊沉陷 3年耕地土壤與沉陷 6年耕地土壤養(yǎng)分狀況的比較分析，初步認為均呈現(xiàn)沉陷地頂部土壤養(yǎng)分向中部和底部遷移的趨勢，但沉陷 3 年耕地土壤養(yǎng)分受小地形影響更為明顯，而沉陷 6 年耕地頂部、中部和底部土壤養(yǎng)分差異性相對變異較小，表明在最初沉陷的年份土壤養(yǎng)分向較低地勢遷移更為強烈，隨著沉陷年限增加而趨于相對穩(wěn)定，這一規(guī)律在制定潞安礦區(qū)土壤肥力定向培育措施時尤為重要。沉陷 3 年耕地土壤與沉陷 6 年耕地土壤不同坡位pH 值無顯著差異，但其電導率值之間差異顯著，存在沉陷地底部趨于鹽化的趨勢。 27 3 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的 物流 、能流 、 信息 流 礦區(qū)高強度的煤炭采掘及以煤炭為主要原料、燃料的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟，大大地改變了原來的自然生態(tài)系統(tǒng)的組成。自然環(huán)境與生物組成的自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成為人工環(huán)境諸如礦井、建筑物、交通、通訊等設(shè)施與人為主要組成的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)變過程中，自然生態(tài)系統(tǒng)的生境斑塊不斷縮小，代之而出現(xiàn)的是人工環(huán)境斑塊不斷擴張，系統(tǒng)的生態(tài)功能逐漸減弱。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不能再依靠原來自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循