矿区土地退化的内涵、类型和驱动因素

时间：2015-12-21 00:29:20 所属分类：农业基础科学 浏览量:

我国矿产资源开发为经济发展做出了巨大贡献，但矿山生态破坏与环境污染使绿水青山就是金山银山的生态战略思想的实现受到巨大威胁，成为制 约 区 域 经 济 社 会 可 持 续 发 展 的 重 要 因素.采矿活动尤其是不合理、粗放式的开采方式，不仅严重破坏陆地自然

　　我国矿产资源开发为经济发展做出了巨大贡献，但矿山生态破坏与环境污染使“绿水青山就是金山银山”的生态战略思想的实现受到巨大威胁，成为制 约 区 域 经 济 社 会 可 持 续 发 展 的 重 要 因素.采矿活动尤其是不合理、粗放式的开采方式，不仅严重破坏陆地自然系统，诱发地质灾害，而且破坏深层储水结构，导致地表水渗漏，污染矿区环境等,最终影响山、水、田、林、湖等自然系统生态完整性的维护、人类居住环境和人体健康。矿区土地退化导致土壤系统功能退化，自然系统生产力和自维持能力下降，在一定程度上压缩了当地居民的生产空间、生态空间和生活空间，矿区是亟待强化自然系统保护和环境管理的生态安全重点关注区域。

　　目前，我国部分地区已经开展了矿山环境的例行监测，涉及水污染、土壤污染和噪声污染，以及土地毁损、植被破坏、生物多样性丧失和水土流失等，对矿区生态环境有了较为全面的了解。但是，在高强度的人为干扰和加速侵蚀背景下，矿山生态破坏与环境污染状况，及其与水蚀、风蚀等自然营力的相互影响与反馈，综合导致我国矿区土地退化形势日益严峻，亟待开展不同开采方式、不同类型矿山土地退化的驱动因素分类与调查。为此，该研究通过全面梳理与综述国内最新研究进展，进一步界定了矿区范围，阐明了矿区土地退化的内涵、类型和驱动因素，并推荐了可用于矿区土地退化因素调查的有效指标体系与方法，以期为我国矿产资源开发生态监管和绿色矿山建设提供科技支撑。

　　1 矿区土地退化的概念与内涵

　　1. 1 矿区的概念界定

　　目前，矿区没有统一的概念。从隶属关系来看，由于行政上或经济上的原因，将邻近的几个矿井划归一个行政机构管理，其所属的井田合起来称为矿区。从开采对象来看，矿区是一个包含地下空间的特殊区域，是开发矿产资源所形成的社会组合.不同学者根据研究目的的差异性，赋予矿区不同的涵义。王广成等和雷冬梅等认为，矿区是以开发利用矿产资源的大中型矿山企业的生产作业区和职工及其家属生活服务区为核心，辐射一定范围而形成的具有行政职能和经济功能的社区，它可能是依托矿业演替而成的城镇或城镇工业区。徐嘉兴则认为矿区是指以开发利用矿产资源的生产作业区及其家属生活区为主，在一定范围内对其土地生态环境造成破坏和影响的经济和行政社区，可以是能够反映矿区生态演变而建成的乡镇、县市，甚至是整个流域。李文银等则将工程建设区、工厂和矿区统称为工矿区，指出不能仅仅将其理解为矿产开采企业进行生产活动的场所，而是指国土范围内修筑公路、铁路、水工程，开办矿山、电力、化工、石油等工业企业，以及采矿、取石、挖砂等建设活动的场地。

　　通常来讲，狭义的矿区可理解为采矿工业所涉及的地域空间，即埋藏在地下的矿产资源开采范围和影响范围，具有空间的有限性和连续性。广义的矿区是指以矿产开采、加工为主导产业发展起来，从而使人口聚集在一起并辐射一定范围而形成的经济与行政社区，具有空间的有限性和不连续性.综合不同概念特征，为更好地突出矿山生态破坏与环境污染的特点，将矿区范围界定为矿山开采、选矿直接形成的生产作业区和生活区，以及由于生态破坏或环境污染产生的颗粒物随风力吹扬、流水运移等形成的间接影响区域，包括矿界范围（ 指采矿许可证登记划定的范围，包括生产用地、辅助生产用地） ,以及“三废”污染、植被破坏和水资源破坏等间接影响区。

　　1. 2 土地退化的概念与类型

　　许多机构和学者对土地退化的概念和成因进行了深入探讨.目前，使用最广泛的定义为1996 年生效的《联合国防治荒漠化公约》（ UNCCD）给出的，即： 土地退化是指由于使用土地或由于一种营力或数种营力结合，致使干旱、半干旱和亚湿润干旱地区雨浇地、水浇地，或草原、牧场、森林和林地的生物（ 或经济） 生产力和复杂性下降（ 或丧失） ; 包括风蚀和水蚀致使土壤物质流失； 土壤的物理、化学特性或生物特性或经济特性退化，及自然植被长期丧失.可以看出，土地退化是在不利的自然因素和人类影响下土地质量与生产力下降的过程。从生态学的观点来看，土地退化是植物生长条件的恶化和土地生产力的下降。从系统论的观点来看，土地退化是人为因素和自然因素共同作用、相互叠加的结果.从实质上讲，土地退化的基本内涵与变化过程是通过土壤退化反映的，近年来国际上常用“土壤退化”一词来代替土地退化等.造成土地退化的原因包括自然因素和人为因素。自然因素有气候变化（ 如极端干旱、气温升高等） 、地貌过程（ 如滑坡、泥石流） 、水文过程（ 如洪水） 和地质运动（ 地震、海啸） 等； 人为因素主要指各种不合理的人类活动，如过度放牧、滥垦、污染物排放、过度抽取地下水等.

　　根据区域与驱动力的差异性，土地退化有多种分类方法。全球土壤退化评价（ GLASOD） 将土壤退化定义为人类引起的现象，它降低了土壤支持人类生存的能力（ 目前和将来） ,并将其划分为水蚀退化、风蚀退化、物理退化和化学退化 4 类。赵其国等将我国土地退化分为土壤侵蚀、土壤性质恶化和非农业占地 3 类。朱震达等按起主导作用的营力，将土地退化划分为风力作用下的荒漠化土地、流水作用下的荒漠化土地以及物理化学作用下的荒漠化土地 3 类。沈渭寿等将中国土地退化划分为风蚀作用下的土地退化、水蚀作用下的土地退化、物理退化和化学退化 4 类。目前，多数研究者或机构主要根据土地退化的成因、特点、主要营力、可操作性和后果等进行类型划分，但尚无统一方案。

　　1. 3 矿区土地退化的内涵

　　按导致土地退化的营力和矿区范围，矿区土地退化因素亦可分为人为因素和自然因素，其中，人为活动是导致矿区土地退化的主导因素。根据开采方式，采矿系统可分为露天开采和地下开采 2 大类。总体来讲，露天开采的地面扰动比地下开采要大，地下开采导致的水资源破坏和地面塌陷等危害较露天开采大.

　　露天开采主要由生产设施（ 采矿场、选矿厂） 、采矿工业场地、行政管理与生活服务设施、公用工程设施、矿区道路（ 包括运矿道路、运废石道路、至尾矿库道路等） 、弃渣场（ 排土场、尾矿库） 和拆迁安置工程等组成.直接从敞露于地表的采矿场采出有用矿物，或将矿藏上的覆盖物（ 岩石、土壤等） 剥离、开采显露矿层,这样的开采方式会导致开采区域的地形地貌、土壤系统、景观系统和生态系统完整性等都受到不同程度的影响，往往形成大型的人工剖面和大型排土场。露天开采对生态环境最直接、最严重的影响是土地毁损（ 压占、挖损等） ,导致地表自然系统破坏，水土流失加剧，滑坡、泥石流等地质灾害频发，水体和土壤污染等。

　　地下开采主要由生产设施（ 采矿场、选矿厂） 、坑口工业场地、行政管理与生活服务设施、公用工程设施、矿区道路、弃渣场（ 排土场、尾矿库） 、拆迁安置工程和地表沉陷区等组成.该开采方式通常采用立井、斜井和平硐形式从地下矿床采出有用矿物.地下开采会形成大量采空区，引发地面沉降和塌陷，加之大量疏矸排水，造成矿区地表塌陷、裂隙、地下水位下降、土壤干化等，影响当地群众的生产和生活.此外，尾矿库存在巨大的环境风险。由于大量裸露土地的长期存在，矿区极易产生风蚀和水蚀作用。

　　为突出矿区受人类活动高强度干扰和加速侵蚀的特点，在参照土地退化概念和内涵的基础上，可以将矿区土地退化理解为： 以矿产资源开发产生的生态破坏与环境污染为主要营力，高强度的人类干扰叠加在矿区自然侵蚀的本底之上，综合一种或数种营力致使矿山开采区、辅助生活区，以及生态破坏与环境污染间接影响区的土地质量和生产力下降（ 自然生产力和自维持能力） 的一个动态过程。

　　2 矿区土地退化类型与驱动因素

　　基于建设绿色矿山和矿区环境管理的需求，将矿区土地退化分为生态破坏导致的土地退化、环境污染导致的土地退化和自然侵蚀导致的土地退化 3大类。其中，生态破坏和环境污染导致的土地退化是人类不合理的矿山采选活动叠加在自然侵蚀之上而产生的自然系统加速退化过程。

　　2. 1 生态破坏导致的土地退化

　　矿山采选活动不仅破坏原始地貌，导致土地毁损、土壤质量下降、自然生产力降低、生物多样性丧失和景观破坏等后果，而且导致矿区的生态系统完整性受损，生态服务与调节功能降低甚至完全丧失。该类型的土地退化主要位于矿山矿界范围内。

　　首先，矿山开采期间会引起不同程度的地表下沉、塌 陷、岩 体 开 裂、山 体 滑 坡 等 地 质 环 境 问题.以安徽省为例，截至 2011 年底全省矿山累计占用、损毁土地面积为 760. 43 km2（ 其中，井下开采损毁 504. 13 km2,露天开采损毁 221. 01 km2,尾矿及固体废弃物占用 21. 75 km2） ,其他地貌景观遭受破坏的土地面积为 13. 54 km2; 采矿损毁土地面积以50 ~60 km2·a- 1的速度递增，远大于矿山地质环境治理速度.

　　其次，由于地下采空、矿区排水、地面及边坡开挖可影响山体及斜坡的稳定，易诱发采空塌陷、岩溶塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。安徽省现有地面塌陷 180 余处，影响面积约 479. 06 km2.露天开采矿山带来了一系列的生态环境问题，比如破坏地形地貌，摧毁原生自然系统，改变地表水和地下水的分配均衡性； 导致边坡失稳，诱发滑坡、崩塌、重力侵蚀等环境问题； 占用大量耕地资源； 部分矿区河流受尾矿、矿坑废水和生活废水排放的影响，水体污染严重等.

　　再者，矿山开采过程中不可避免地占用大量土地。据 2010 年统计数据，我国露天矿山有 1 507个，煤矿及采煤废弃地占用面积高达 200 多万 hm2,但复垦再利用率仅为 12%,远低于发达国家。露天开采占用的土地一般包括裸露剥离区、疏松的土壤堆积区、覆土表层、煤矸石堆积区及其他采矿设备运行区等.大量未复垦土地裸荒弃置，给矿区脆弱的自然系统带来严重的环境压力，加速了土地退化过程。

　　最后，露天开采大规模地砍伐植物和剥离表土，往往致使地表植被荡然无存。地下开采导致的地表沉陷和裂缝影响土地耕作和植被正常生长等.车辆、机器和人员的频繁碾压亦会对矿区植被造成严重破坏。据统计，西藏尼玛县自开采砂金矿以来，被破坏的 3 135 hm211 700 hm2来自车辆碾压破坏.此外，采矿过程中产生的污染物亦会毒害大量的健康植被。

　　2. 2 环境污染导致的土地退化

　　矿产资源开发造成的环境污染呈“点-线-面”的格局，造成土壤污染、水污染和大气污染等,导致土壤质量退化，自然生产力下降。其中，采矿场、选矿厂及尾矿库、废石场、炸药库、污水处理厂、生活区等呈点状分布； 运料道路、对外简易公路、供水工程、尾矿输送管线等呈线状分布； 断面开挖、工业“三废”的排放及其影响区等的污染问题则呈面状分布.该类型的土地退化主要位于矿山采选的影响区。

　　重金属污染是矿区最为严重的环境问题，尤其是金属矿山。大量重金属元素在风吹、水蚀作用下，向四周扩散并在土壤或河流底泥中积累，当达到一定量后就会毒害周边的自然系统，不仅导致土壤质量降低，而且影响自然系统的生产力，以及农作物的产量和品质.重金属进入土壤系统后通过下渗、地表水径流、地下水迁移、大气飘尘和雨水冲刷等方式向四周扩散,在径流和淋洗作用影响下污染地表水和地下水，使水环境恶化.研究表明，金属矿区土壤重金属污染比煤矿区更严重.金属矿山开采产生的废石、选矿产生的尾矿及冶炼废渣中含有的大量 Eu、Pb、Zn、Ni、Eo、Ed、As 等有害元素，扩散后会导致周边自然系统功能退化，矿山影响范围可达其实际占地面积的 10 倍.矿区土壤污染来源主要有 3 个方面： 第一，采矿产生的废渣堆积导致的土壤污染。矿山废弃物含有大量酸性、碱性、毒性物质或重金属，通过流水、扬尘等方式逐渐渗入土壤，造成环境污染,加之长年累月导致的小范围内土壤污染物浓度增大，往往很难治理。第二，各类污染物质通过地表径流或渗漏进入地下水体，随流水输送到远方，影响范围大且难以控制，对河流下游的土壤系统造成威胁。矿区废水主要有采矿废水和选矿废水，常含有大量重金属，若泄漏到环境中，则会影响生态系统健康,表现为沿途污灌导致的自然生产力和自维持能力下降，土壤系统服务功能降低。第三，露天开采引起的扬尘以及尾矿库矿渣等随风力吹扬、飘散，对矿区尤其是下风向的土壤环境造成严重影响，或导致酸雨问题。污染区域与当年季风的风向、风速有直接关系，污染范围一般呈现椭圆形或扇形分布，对周边自然系统和人体健康造成很大危害.

　　2. 3 自然侵蚀导致的土地退化

　　按起主导作用的自然营力，自然侵蚀导致的矿区土地退化可分为水蚀和风蚀 2 大类。

　　水蚀作用下的土地退化包括雨滴击溅产生的溅蚀、片蚀和沟蚀，以及由于流水或重力作用引起的各种类型的块体运动（ 如滑坡、泥石流等） ,以出现劣地和石质坡地作为标志性形态.水土流失是矿区水蚀作用下土地退化的主要形式。露天开采排出大量松散堆积物，由于地表严重压实和非均匀沉降，矿区很容易出现径流大量汇集，引起崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，增加了入河泥沙量。井工开采则引起地表塌陷，使地表变形，坡度加大，侵蚀加重.矿区水蚀作用下的土地退化是一种典型的人为加速侵蚀，由于矿山开采或矿区基建等人类活动，造成原土壤环境改变，抗侵蚀能力下降，可蚀性增加，最终使矿区土地质量和自然生产力下降.风蚀作用下的土地退化包括地表的吹蚀与堆积，以出现风蚀地、粗化地表及流动沙丘为标志性形态.土地沙漠化是矿区风蚀作用下土地退化的主要形式。许多学者开展了土地沙漠化与矿产资源开发的关系研究.李智佩等采用遥感解译、地面调查和 GIS 技术，监测与分析了大柳塔 - 活鸡兔矿区近 20 a 来煤炭开采区沙漠化土地与地质环境演化特征，发现自 1996 年以来出现大面积地面塌陷和裂隙、地下水位下降、泉水流量减少甚至干涸、地表径流减少等现象，但土地沙漠化主要因素是气候变化和其他人为因素引起的，矿区生态特征和采空塌陷不是主要原因。秦鹏等分析了神北煤矿区开采初期、中期和近期土地沙漠化分布特征及变化趋势，认为煤炭开发初期环境破坏加剧，土地沙化面积增加，但是矿井正常生产时期，土地沙漠化趋势则开始逆转。

　　3 矿区土地退化因素调查研究

　　3. 1 调查指标

　　综合分析矿区土地退化的类型与主要驱动因素，选取土地毁损和生态完整性损失 2 大类 6 个指标作为因生态破坏导致的土地退化因素调查指标，选择土壤元素污染、土壤养分和水污染 3 大类 30 多个指标作为环境污染导致的土地退化因素调查指标，选择自然侵蚀（ 风力、水力） 类 2 个指标作为自然侵蚀导致的土地退化因素调查指标。共推荐 6 大类 40 多项指标构成我国矿区土地退化因素调查的指标体系（ 表 1） .

　　3. 2 指标调查方法

　　3. 2. 1 土地毁损类多采用实地调查和遥感监测的方法： （ 1） 确定矿区（ 生产区、生活区和影响区） 调查范围； （ 2） 划分矿山开采区、地下采空区、工业广场、塌陷地、排土场、尾矿场、生活区等，以及影响区域范围； （ 3） 结合调查资料，运用遥感技术提取露天开采区、地下采空区、塌陷地、排土场、矸石、尾矿场等的面积数据。在遥感数据源选择上，多采用空间分辨率较高的影像，如 Quickbird、Spot 等.　　　　3. 2. 2 生态完整性损失类植被破坏面积（ 草地、林地、农田） 、植被覆盖度和生物丰度 3 个调查指标均可利用遥感技术进行监测，其应用主要有 2 种方法： （ 1） 使用中、高空间分辨率的多光谱遥感数据（ 如 Landsat、CBERS、国产环境减灾卫星数据等） ,利用植被指数（ NDVI） 评价法，以监测采矿区植被的受损状况; （ 2） 利用高光谱遥感数据，通过其特有的诊断光谱评价植被状况，识别植被的污染情况和空间分布.自然生产力（ 生物生产量） 和生物多样性调查指标均可采用实地调查的方法。在基础设施较好的矿区，地下水位监测可依据 HJ T164-2004《地下水环境监测技术规范》，采用水井监测的方法； 在基础设施较差的偏远地区，可尝试利用遥感技术，优点是可以开展长时间序列的水位变化影响监测。但是，目前利用遥感技术监测地下水位的变化仍处于探索阶段，主要方法可归纳为水文地质遥感信息、环境遥感信息、热红外遥感地表热异常监测法和遥感信息定量反演模型 4 种.

　　3. 2. 3 土壤元素污染和土壤养分类基于矿区土壤元素污染和土壤养分的共性，推荐调查 8 种土壤元素污染物（ 镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍） 、5 种土壤养分指标（ pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾） 以及不同矿种特征元素 2 ~3 种。在采样方法上，针对矿山开采特别是金属矿山易造成土壤污染的特点，在矿山矿界范围和周边受影响区域，针对距离不同污染源（ 排土场、露天采场、尾矿库、矸石场、工业场地、道路扬尘等） 的远近（ 0 ~ 1 000m） ,重点开展不同土地利用类型（ 农田、草地、林地等） 的土壤元素污染物与养分状况调查.根据 GB 15618-1995《土壤环境质量标准》、HJ/T166-2004《土壤环境监测技术规范》和 HJ 25. 1-2014《场地环境调查技术导则》，进行土壤样品采集与测试分析。

　　3. 2. 4 水污染类针对矿山采选产生的废水可能带来的污染，推荐调查 8 种水质指标（ pH 值、水温、溶解氧、电导率、浊度、化学需氧量、生化需氧量、氨氮） 和可能的7 种重金属染污物（ 镉、汞、铜、铅、铬、锌、镍） .在采样方法上，选取流经矿区的典型河流或湖泊作为取样地，根据 HJ/T 91-2002《地表水和污水监测技术规范》和《水和废水监测分析方法》,分别在距离矿山工业场地 0. 5、1、2、5 和 10 km 的水体断面采取水样并进行测试分析。优先选择已有控制断面，如国控断面或省控断面等，方便取样和进行数据对比分析.

　　3. 2. 5 自然侵蚀（ 风力、水力） 类包括水土流失和土地沙漠化 2 类指标。矿产开发过程中易发生水土流失的场地包括： 露天开采剥离区、建设过程中其他废弃物的堆积场地、沉陷区坡地，以及各类表土松散、无植被或植被稀疏的弃土堆场等,收集最新的全国土壤侵蚀调查数据和全国土地沙漠化普查数据，利用 Landsat、Quick-bird、Spot 和数字高程模型（ DEM） 等数据资料，根据SL 190-2007《土壤侵蚀分类分级标准》，实地调查并核实水土流失以及土地沙漠化的类型、分布和面积等，确定矿区水力侵蚀和风力侵蚀程度，对自然侵蚀导致的土地退化进行分类和分区。

　　4 展望

　　长期以来，我国矿区土地退化的类型与程度不清，矿山采选对生态环境的影响规律不明，矿区土地退化的基础数据缺乏，在一定程度上制约了我国矿山生态环境保护与恢复治理技术政策的有效实施。笔者通过分析传统的土地退化概念与类型，结合矿产资源开发引起的生态破坏与环境污染的特点，进一步界定了矿区范围，阐述了矿区土地退化的内涵，系统辨识了矿区土地退化的类型（ 生态破坏导致的土地退化、环境污染导致的土地退化和自然侵蚀导致的土地退化） 与主要驱动因素，提出了矿区土地退化因素调查的推荐指标体系与方法，以期对我国矿区土地退化分类分级标准的制定和环境管理提供参考依据。但是，鉴于矿山生态环境的复杂性，有些问题仍需在我国矿区土地退化因素调查的实施过程中，结合实际情况进行深入探索与研究。

　　就矿区范围而言，矿山矿界范围是非常明确的，可以由采矿证副本直接获取； 但是，矿山采选产生的“三废”污染、植被破坏和水资源破坏等形成的间接影响区范围，在不同矿种类型、不同开采方式，甚至不同地形地貌条件下的差异性均较大，不经大量实地调查很难直接确定。然而，调查范围越大，采样点数量越多，需要的花费就越多，而且还存在调查背景值的确定问题。对此，可通过典型矿山案例，运用地统计学方法优化采样点数量[58],采用“以空间替代时间”的方法确定参照背景值，综合运用高光谱遥感监测方法[59],建立高精度的矿区土地退化的关键驱动因子遥感反演与综合评估模型，从而确定影响区边界的划分原则与技术方法。

　　就土地退化因素调查而言，可依据表 1 推荐的调查指标，结合不同矿种类型、开采方式的差异性，有所侧重地选择具体的调查指标。以稀土矿区土地退化因素的调查为例，在北方干旱半干旱区与南方湿润半湿润区之间，稀土开采、选矿等造成的生态破坏和环境污染存在很大差异，调查指标的确定也需随之调整。从调查方法来看，土壤元素污染物、土壤养分指标和水体污染物等采样与分析测试的技术方法均较成熟，只要扩大调查空间，增加样点数量，便可获得较理想的环境污染导致的土地退化因素调查精度。土地毁损类指标的调查主要采用“以遥感监测为主，以地面调查为辅”的方法，其精度的高低与所使用遥感数据空间分辨率的大小密切相关。就生态完整性损失而言，植被破坏面积（ 草地、林地、农田） 、植被覆盖度以及生物丰度等指标的调查，亦可采用“以遥感监测为主，以地面调查为辅”的方法； 自然生产力（ 生物生产量） 、生物多样性和地下水位下降等调查指标，可采用实地调查的方法获得最优精度，但是需要大量的人力物力。为此，建议在实地调查的基础上，辅以包括高光谱遥感在内的先进遥感技术，探索开展基于天地一体的自然系统遥感反演协同监测研究。

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