陕北现代化煤炭开采区土地沙漠化影响及原因——以大柳塔—活鸡兔矿区为例<br/>

陕北现代化煤炭开采区土地沙漠化影响及原因——以大柳塔—活鸡兔矿区为例

2010-02-07李智佩徐友宁陈华清

地球科学与环境学报 2010年4期

李智佩,徐友宁,郭莉,陈华清,徐永,王岷

(1.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西西安710054;2.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069)

0 引言

近20年来,陕北煤炭资源开发逐渐成为推动地方社会经济发展的主要动力,也是改变地区社会经济结构的重要产业。据统计,榆林地区2006年国民生产总值436×108元,以煤炭、石油天然气等为主的工业占该地区总产值的60%以上,成为中国第一产能大市[1]。随着煤炭资源开发强度的不断增加,矿业开发所带来的环境问题更加受到人们的广泛关注,也产生了两种截然不同的认识:第一,认为煤炭资源开发对生态环境造成了严重破坏[2-3],水土流失加剧[3],地下水地表水环境改变、地面变形、地裂缝和地表塌陷、边坡滑坡塌陷等环境地质问题[4-5],防沙林枯萎死亡、沙漠化土地面积增加[5-7];第二,矿产资源开发使得矿区的生态环境不断改善[8],土地沙漠化在逆转[9-10]。产生两种认识的原因主要有:研究或报道的时间不同;研究者或报道者的出发点不同或者认识问题的角度不同;工作精度不同或者针对性不强。此外,在矿区生态环境研究中,定性研究与报道较多,定量与深入研究少,这些均是造成对煤炭开发引起生态环境变化认识不同的原因。笔者将在调查大柳塔—活鸡兔矿区沙漠化土地现状和变化趋势及其与人类活动关系的基础上,研究气候、水文和水文地质条件变化等对植被生长的影响,分析自然因素对沙漠化和生态环境的影响,探讨矿区生态环境改善的途径。

大柳塔—活鸡兔矿区位于陕西省北部神木县大柳塔镇窟野河中游两侧(图1),西起活鸡兔沟中游,东至孛牛川;北起活鸡兔沟—哈拉沟,南至敏盖兔沟一线。地理坐标为东经110°07′～110°03′,北纬39°22′～39°10′,总面积230.54 km2。研究区地处毛乌素沙地与黄土丘陵沟壑区和鄂尔多斯剥蚀高原的过渡地带,以风沙地貌为主,兼有覆沙黄土丘陵景观。植被以沙地植被占绝对优势,土壤以风沙土和黄土为主。

1 研究方法

图1 研究区交通位置Fig.1 Location of the Study Area

为了定量掌握近20年来大柳塔—活鸡兔矿区生态环境与土地沙漠化的时空演化,深入分析煤炭开采造成的地面塌陷、地下水水位下降等因素对土地沙漠化的影响,笔者采用大比例尺(1∶50 000)遥感解译和地面调查相结合的方法,研究矿区和塌陷区以及非塌陷区土地沙漠化和生态环境变化的关系:①选取季节基本相同(每年6～9月)的2005年SPOT、1986和1996年的-TM卫星遥感数据,制作遥感影像;依据沙漠化土地的分类与分级及其与植被的关系[11],建立解译标志,进行室内初步解译;②开展野外实地调查,收集矿区和塌陷区植被类型、覆盖度以及土地利用资料,调查地面塌陷区的面积、时间序列和塌陷特征以及地下水和地表水变化情况,同时,对沙漠化遥感解译进行验证、对解译标志进行修正;③根据野外调查结果,编制矿区3个时间段的沙漠化土地分布图,查明不同时期沙漠化土地分布;④利用MAPGIS软件对沙漠化土地分布进行空间分析,得出近20年来矿区及塌陷区沙漠化土地时空演化特征;⑤根据地面塌陷区与其相邻地区地下水与植被类型和覆盖度的变化情况,结合区域气候变化(主要是降雨量和风力变化)分析,研究地表水、地下水环境以及气候变化等自然因素对土地沙漠化和地质环境的影响。

2 近20年来矿区沙漠化土地时空演化

2.1 矿区沙漠化土地演化总体特征

大柳塔—活鸡兔矿区沙漠化土地分布广泛,总体上以轻度和潜在沙漠化土地为主(表1),中度沙漠化土地较少。2005年,研究区内没有严重沙漠化土地;中度沙漠化土地面积为1.29 km2,仅占研究区总土地面积的0.6%。轻度沙漠化土地面积34.30 km2,占研究区土地总面积的14.9%;主要呈5大片分布在大柳塔矿区;在活鸡兔矿区,轻度沙漠化土地仅有零星分布。潜在沙漠化土地面积39.86 km2,占研究区土地总面积的17.3%。

20世纪80年代中期以来,沙漠化土地面积不断减少,沙漠化程度不断减轻(表-1)。1986—2005年,轻度及以上的沙漠化土地由45.63 km2减少到35.59 km2(表-1)。其中,严重沙漠化土地1986年有1.98 km2,2005年为0;中度沙漠化土地大幅度减少,由13.52 km2减少到1.29 km2,减少率为94%。轻度沙漠化土地面积有所增加,1986年为30.13 km2,2005年增加到34.30 km2,净增4.17 km2。在不同时间段上,1986—1996年是沙漠化土地的主要减少时期,沙漠化土地面积由45.62 km2减少到32.78 km2,平均每年减少1.28 km2。1996—2005年沙漠化土地面积略有增加,由32.78 km2增加到35.59 km2,平均每年增加0.28 km2。

表1 大柳塔—活鸡兔矿区不同年份沙漠化土地面积与变化特征Tab.1 Areas of Land Desertification at Different Years in Daliuta-Huojitu Mining Districts and Their Changes

在空间上,近20年来,大柳塔矿区和活鸡兔矿区沙漠化演化略有不同。大柳塔矿区沙漠化等级的降低区(好转区)基本上与20世纪80年代中期的严重沙漠化土地分布区一致,主要分布在哈拉沟上游、母河沟上游、白渠西北地段、三不拉沟上游的赵家村—魏家村—前石畔一带、敏盖兔沟上游—三不拉一带以及双沟下游地区等。沙漠化发展区(恶化区)主要集中在母河沟下游、双沟中上游—白家湾一带,其他地区有零星分布。活鸡兔矿区沙漠化以稳定为特征,显著减少的地区集中分布在五道沟下游地区。

2.2 煤炭采空塌陷区沙漠化土地演化特征

20世纪80年代中期以来,矿区因煤炭采空所形成的塌陷区面积不断扩大(图-2)。据统计, 1993—2005年研究区共有43.85 km2的地面塌陷区。塌陷区轻度以上的沙漠化土地由9.20 km2增加到10.25 km2,增加了1.05 km2(表2)。其中,严重沙漠化土地在1986年有1.45 km2,2005年为0;中度沙漠化土地大幅度减少,由4.26 km2减少至0.40 km2,减少率为90.6%。轻度沙漠化土地面积不断增加,由1986年的3.49 km2增加到2005年9.85 km2,净增-5.36 km2。在不同的时间段上, 1986—1996年塌陷区的沙漠化土地面积变化不大,由9.20 km2减少到8.8 km2。1996—2005年沙漠化土地面积由8.8 km2增加到10.25 km2,平均每年增加0.245 km2。

图2 20世纪90年代以来大柳塔—活鸡兔矿区采空塌陷区面积变化Fig.2 Changes of Subsided Areas in Daliuta-Huojitu Mining Districts Since the 1990s

20世纪90年代中期以后,因煤炭开采导致采空塌陷区迅速增加(图2)。1993—1998年地面塌陷面积共计2.44 km2,年均增加仅0.46 km2;1999年以后,地面塌陷面积平均年增加3.57 km2。这表明煤炭开采引起的大规模地面塌陷始于1999年。从表2可知,1996—2005年,严重沙漠化和中度沙漠化土地面积都在减少。这说明采空塌陷至少对严重和中度沙漠化土地的影响微弱。

表2 大柳塔—活鸡兔矿区采空塌陷区沙漠化土地变化特征Tab.2 Areas of Land Desertification in the Subsided Area of Daliuta-Huojitu Mining Districts and Their Changes

研究表明,活鸡兔矿区采空塌陷区沙漠化等级保持稳定的土地面积占97.7%,说明采煤对该地段土地沙漠化影响很小,或者说在影响该矿区土地沙漠化的因素中,煤炭开采并不是决定性因素。大柳塔矿区采空塌陷区沙漠化土地变化特征为:沙漠化增加、稳定和减少的土地面积分别为2.54、22.63、2.78 km2,分别占采空塌陷区土地面积的9.10%、80.95%和9.95%。这说明近20年来,大柳塔矿区采空塌陷区土地沙漠化基本保持稳定,沙漠化土地增加面积与减少的面积基本相当。

3 土地沙漠化影响因素分析

研究表明,近20年来,尽管采空塌陷区不断扩大,但沙漠化土地面积并没有相应扩大。那么,采空塌陷及其所引起的地表水枯竭、地下水水位下降等又是如何对生态产生影响?笔者认为,取决于该地区的生态系统、地貌、地表水和地下水条件及其变化特征。

3.1 研究区生态特征

受气候、地貌、土壤和水环境的影响,研究区形成了以旱生植被为主、河流沟谷中分布着喜湿植被的生态系统,包括乔木、灌木、旱生和水生草本植物等。乔木以杨树、旱柳、樟子松、油松等为主;杨树多为20世纪50～70年代栽植,树龄长、长势较差,现多已转化为生态林,死亡率较高。旱柳一般分布在沟谷两侧或者田间地头,因绝大多数已经不再进行头木作业,导致抽条减少、生长减缓,粗枝大部分死亡,对旱柳生长造成影响。针叶树主要为20世纪90年代中期以后栽植,目前多为幼林,其生态效益尚未完全发挥。灌木是本区最主要的植被,分布范围广,以沙蒿(半灌木)、沙柳、柠条、沙打旺、踏郎、花棒等为主,是宜生植被,生态环境效益显著。一年至多年生草本也是区内重要植被类型,可分为旱生草本和水生草本。前者包括禾草、针茅、地稍瓜、兔唇草、蒺藜、兔丝子、牛筋子、牛心卜、苦菜、野苜蓿、野薄荷、蒲公英、龙葵、打碗花、醉马草、棘豆、沙米、沙蓬、沙竹、大戟、蓝刺头、扫芡等,大多生长在固定沙丘地、林地或者黄土区;半固定和流动沙丘上的植被种类和数量均很少,主要包括沙米、沙蓬、沙蒿、沙竹等。水生植物包括芦苇、水蓼、水芹菜、薄荷、反枝苋、旋覆花和苔藓等,分布在沟谷及泉水出露点周围。

图3 哈拉沟沟脑泉水溢出带地质剖面Fig.3 G eologic Profile of Spillpoint in the Head of H alagou Ditch

矿区生态系统中,地表水、地下水与植被的关系,以哈拉沟沟脑的生态地质剖面(图3)为代表。剖面上的植被,自下向上可以分为4个带:①泉水出露点以下地表径流区为喜水植物和水生植物带,植被覆盖度高,以草本植物为主,植物复杂多样,包括芦苇、苔藓、水蓼、水芹菜、薄荷、苜蓿、针茅、反枝苋、薄公英、禾草、山葡萄、地稍瓜等,在地势较低的积水地带,还有沼生植物如泽泻、马蹄草等,该带向下一直延伸到哈拉沟沟口,是目前区内生物多样性最好的地区;②泉水出露点以上、地下水埋深小于2 m的喜水草带,覆盖度高,大部分为70%～80%,植物种类也较多,有龙葵、山葡萄、野豌豆、艾蒿、线叶菊、薄荷、针茅、反枝苋、禾草等,但水生植物消失;③泉水出露点以上、地下水埋深小于15 m的乔木林带,以乔木为主,乔木、草本和灌木混生,覆盖度在20%～40%,乔木为小叶杨,草本有艾蒿、针茅,灌木有沙蒿、踏郎;④泉水出露点以上、地下水埋深大于20 m的灌木带,覆盖度中等,为20%～50%,在较陡的山坡上低,在平缓地带高,植被较为简单,以旱生灌木和草本植物为主,如沙蒿、沙柳、踏郎、花棒、沙蓬等。

由于研究区以覆沙黄土丘陵地貌为主,沟壑区所占面积很小,造成矿区大部分地区地下水埋深大于3～5 m,生态系统中以旱生植被为主,水生或喜水植被仅在河流沟谷或低洼地带中分布。因此,区域上地表水枯竭、地下水下降对生态环境和沙漠化土地的影响比较有限,即集中分布在河谷及地下水埋深较小的地带。

3.2 采空塌陷因素

对矿区25处泉和23处民用水井的调查表明,位于采空塌陷区9处泉水全部枯竭;与之相邻的9处泉水流量减少,两者之和占调查泉水总数的72%。同时,因采空塌陷导致民用井水干涸者6处、相邻区水位下降者10处,占调查总水井数量的70%。矿区地下水水位下降、泉水枯竭对局部地段生态环境的影响显著。鉴于毛乌素沙地的砂质沉积物粒度粗[12]、地下水的毛细上升高度和极限高度非常有限[13],使得地下水水位对植被生长的影响主要集中在泉水出露点上方2～5 m范围内(图3,乔木林带以下)及沟谷之中。在煤炭采空塌陷区,地下水埋深普遍大于5 m,地表水几近枯竭,沟谷中的喜水植被逐渐减少乃至消失。因此,地下水水位下降、泉水枯竭会造成地下水水位较高地区和河流沟谷中植被由水生和喜水植被向旱生植被演替,使得生物多样性资源遭受损失,生态环境遭到破坏。

此由可见,地下水水位下降、沟谷断流对生态环境的影响,首先是植被类型的演替,即地下水水位较高地区和河流沟谷中的喜水植被逐渐被旱生植被代替,植被退化而不是植被覆盖度的降低!这正是近20年来矿区和采空塌陷区土地沙漠化没有迅速发展的主要原因。不过,喜水植被和水生植被逐渐被旱生植被代替,会导致生态系统更加脆弱,一旦气候条件恶化(如冰期气候或旱化加剧)或者植被遭到人为破坏,沙漠化的发展则必不可免。

3.3 气候变化因素

毛乌素沙地气候变化对沙漠化影响是多年来的研究热点之一,如气候与厄尔尼诺/拉尼娜事件的相关分析[14]、气候变化的空间分布[15]及其对沙漠化变化趋势的影响[16-19]等。实际上,影响研究区生态环境和沙漠化最主要的气候因素为降水量和风速。

据陕西省神木县气象站资料,该地区多年平均降水量为435.7 mm(1957—1991),枯水年降水量仅有108.6 mm(1965),丰水年降雨量为819.1 mm (1967),相对变化程度为1.63。1986～2004年,神木县多年平均降水量为415.0 mm,丰水年最大降水量646.5 mm(1995)(图4a),枯水年为251.3 mm (2000),相对变化程度为0.95。尽管该区年均降水量有所减少,但年际变幅却在减小;即1986—2004年相对变化程度比1957—1991年平缓许多。与研究区相邻的伊金霍洛旗(图4),1986—2004年年均降水量356.8 mm,丰水年最大降水量505.1 mm (1998),枯水年为230.2 mm(1987),相对变化程度为0.77,比研究区的变化程度还低。这种年际降雨量变化程度趋于平缓对植物的生长有利,是生态环境改善的另一个原因。

研究区地处季风边缘地带,降水季节性分布明显。6～9月降水量占全年总降水量的76%,1～5月仅占16%,10～12月降水量占全年降水量8% (图4b)。尽管如此,即使是在冬春季节,1986—2004年每年12月至次年5月的平均降水量仍有69.6 mm。同时,由于冬春季节的积雪和冻土作用,使沙生植物有了较好的生长条件,这与中国古尔班通古特沙漠的气候条件相似[20]。包气带土壤水分含量研究表明,毛乌素沙地地表存在厚度为12～20 cm的干沙层,其平均含水量为-0.42%～0.54%[21];即使是在最干旱的季节,20 cm以下沙土含水率能够稳定在3%以上[22]。较薄的干沙层和干沙层以下较稳定的土壤含水率是由当地气候条件决定的,对春季沙生植物的生长非常有利,这也是研究区沙生植被在没有人为破坏条件下能够保持良好环境的自然因素。

20世纪90年代中期以前的资料表明,研究区年均风速2.5～3.0 m/s;90年代中期以后,区内年平均风速为2.3 m/s;表明风速有明显下降。榆林地区1951—2000年各年代沙尘暴资料的分析表明[23],沙尘暴发生日数呈明显减少趋势,虽然20世纪70年代该区沙尘暴发生日数相对偏多,但到了90年代沙尘暴发生日数最少,且有5年未曾出现。因此,风力的减小是研究区沙漠化发展减缓甚至逆转的重要因素之一。

图4 陕西省神木县和内蒙古自治区伊金霍洛旗1986—2004年降水量特征Fig.4 Precipitation Characteristics in Shenmu County of Shaanxi Province and Ejin Horo County of Inner Mongolia Autonomous Region from 1986 to 2004

3.4 其他人为因素

近20年来,研究区土地沙漠化总体呈逆转趋势,沙漠化程度不断减轻,这与各级政府、各个部门和当地群众防沙治沙等密切相关。20世纪80年代以来,国家逐步实施的三北防护林保护工程、天然林保护工程、退耕还林还草工程、飞播造林工程[24]和山川秀美工程等,是矿区沙漠化好转的主要人为因素。此外,相关矿山生产企业在植树绿化、防风固沙方面开展了卓有成效的工作。在煤炭资源开发过程中,坚持“开发建设与环境保护并重”的原则,成立了环境保护工作委员会,建立了生态治理和环境保护管理体系,因地制宜地营造了网障固沙、林草绿化相结合的多层次防护体系[9]。据相关资料,截至2005年底,累计投入资金超过5×108元用于生态环境治理工作。由此说明,合理的矿产资源开发与适当的环境保护措施是矿区生态环境改善的必要条件。