1 绪论
1.1 研究背景与意义
煤矿区多种自然资源共存，共同构成“煤矿区自然环境”这一有机的整体。受煤炭开采破坏影响，与煤炭资源同位异构的各类资源环境要素在质和量上受到不同程度的扰动。根据相关研究，煤炭开采活动对矿区生态环境的影响主要表现在：地表沉陷、土地沙漠化、土壤质量下降、地表及地下水污染、植被破坏、生态系统退化、生物多样性丧失、景观破坏、农作物减产等[1]。此外，高强度的煤炭开采活动在破坏由植被-土壤构成的地表生态系统、释放地下瓦斯气体的同时，导致存储在这些资源环境要素中的碳元素被释放到大气中，并且受到破坏的环境要素碳汇能力发生变化，进一步降低了其对大气中碳元素的吸收作用。加之矸石洗选、煤化工、发电厂的大量布局，使煤矿区成为自然地理界面中典型的生态脆弱区和碳排放的重灾区。近年来国家、地方及企业在煤矿区环境治理上投入了大量的人力物力，取得了一定的成效。但是随着中国经济的持续增长，对煤炭资源的需求量持续攀升，煤炭产量逐年增长，已由2005年的21.1亿t增长到2013年的36.92亿t。国家“十一五”、“十二五”规划以来，受煤炭生产基地重新布局等因素影响，中国煤炭开采的重心逐渐西移，向华北和西北地区集聚的趋势愈发明显，位于黄土高原的“蒙晋陕宁”矿区原本即是全国煤炭主产区，“十二五”规划的14个大型煤炭基地[2]中有7个集中在此（分别为神东、晋北、晋东、晋中、黄陇、宁东、陕北等），其中“蒙晋陕”三省区的煤炭产量占全国的比重已由2009年的49.7%提高到2013年的66.3%。持续高强度的开采对矿区资源环境的扰动量和累积效应更加突出，统计显示，仅山西省采空区面积就达到约万余km2，形成近5000 km2的地面沉陷区[3]。某些矿区的生存环境已经逼近“生态底线”。
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1.2 国内外研究进展
基于本文的研究内容，这里主要从扰动理论、扰动效应监测、计量方法、碳收支、成本测度等五个方面对阐述国内外研究进展。当前，对于煤炭开采环境影响的研究，更多的是在观测技术基础上的结果分析，理论研究方面探索较少。主要理论有矿井生命周期理论、资源环境累积效应理论、生态矿区建设理论等。其中，中国矿业大学汪云甲及其科研团队通过解析矿区发展与生态环境系统的交互作用关系，剖析了煤矿区生态环境累积效应机理。主要包括：依据系统科学的基本原理，讨论了煤炭开采的资源环境效应特征、累积影响源、途径及效应类型[5]；建立了煤炭开采导致的资源环境累积效应理论模型，从影响源、累积途径等角度分析了累积效应的特征、框架和方法[6]；综合运用多学科理论和研究方法，通过构建生态位元素体系、探讨矿区采动生态势差的测算方法、利用耗散结构理论分析矿区生态环境系统的演变过程、建立由状态向量和驱动向量构成的采动生态环境承载力指标体系，建立了矿区生态环境采动累积效应的定量分析和测度体系[7]；解析了矿区发展与生态环境系统的交互作用关系，基于景观尺度总结了煤矿区景观演变的累积效应时空特征，剖析了矿区生态环境承载力和累积效应的关系，设计了T-ANNCA模型和SD-CA-GIS模型，有效地处理时间和空间累积效应问题[8]；基于场论和GIS技术进行矿区生态环境的采动累积效应分析，构建了生态位元素体系，描述了采动生态势的确定方法，并以此为基础进行生态环境采动累积效应分析[9]；研究了矿区生态环境累积效应多尺度分析概念框架，指出建立矿区生态环境累积效应分析和评价体系[10]；基于累积效应原理和景观分析原则，提出了景观生态基准值概念，利用景观类型结构偏离累积度、景观格局干扰累积度和生态敏感性退化累积度构建了煤矿区景观生态累积效应表征模型[11]。此外，魏秀菊等将整个矿区作为一个大系统，研究与区域社会、经济和自然相协调的矿区水资源的影响规律及优化配置理论，为矿区复合系统研究提供了思路[12]。
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2 煤炭开采对植被-土壤扰动与计量的理论探索
2.1 理论基础
煤矿区发展演变及资源环境受煤炭开采影响研究中，形成了如“矿井生命周期理论”、“煤矿区资源环境累积效应理论”、“生态矿区建设理论”等，对这些经典理论及其科学方法的回顾，有助于明晰植被、土壤等本文研究对象受煤炭开采的扰动基础，理顺其相关关系和作用特征。根据矿区生命周期理论，在矿区煤炭开采的全阶段内开采强度和对环境的扰动强度如图2-1所示。投产阶段，开发强度及其环境效应都较低；达产阶段及扩建阶段，开发强度迅速上升，此时，对环境的扰动逐渐加强，但由于受到滞后性及环境的自我净化等作用，上升幅度较开发强度平缓；稳产阶段，开发强度基本保持不变，此时的对环境的扰动幅度增量却因累积性和滞后性表现得尤为突出；衰退和闭坑阶段，开发强度逐渐减小，但其带来的环境效应却要持续很长的时间。矿区生命周期理论阐明了矿区发展演变的规律，以该理论为基础，衍生出了许多煤矿区相关环境要素演化的科学命题，如煤矿区土地利用演化模拟、不同时期煤炭开采对矿区环境扰动量的测算、环境因子受扰动变化的时滞分析等。
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2.2 煤炭开采对植被-土壤扰动研究与计量研究的辩证关系
煤炭开采对矿区植被、土壤物质量与碳汇的扰动与计量间存在着相互促进、相互渗透的双向关系。扰动研究是计量研究的前提和基础，计量研究又可以促进扰动研究朝着更深入的方向发展。
（1）扰动研究是计量研究的来源，为计量研究提供理论依据和方法支撑。就植被而言，在时间、空间和演替规律等方面明晰其受煤炭开采扰动的变化有利于寻找更适宜的计量测度指标和方法；就土壤侵蚀而言，在空间上找出开采沉陷对主要土壤侵蚀因子的作用规律有助于更精确地计量其开采前后的侵蚀变化量。
（2）计量研究是扰动研究的目的之一，在扰动研究的基础上，深入实际，调查研究，获取大量可靠数据的同时，寻找合适的方法对其进行深加工，通过科学的综合过程定量化地计算某些指标的扰动量，一方面能够加深煤炭开采对植被、土壤物质量与碳汇扰动量的准确认识和把握，为价值量损失核算提供实物量依据，另一方面，对计量结果的再分析，有助于从本质上更深入地研究和发现植被、土壤物质量与碳汇受扰动的成因、机理和规律。
（3）因此，从辩证法的角度分析，扰动研究和计量研究相互联系、相互渗透，存在在实践的基础上相互统一的辩证关系，是认识——实践——再认识的过程。
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3 煤炭开采对植被-土壤物质量表征因子扰动.... 42
3.1 大同矿区土地利用格局分析.....42
3.2 植被覆盖度时空演化及其影响因素分析....46
3.3 植被扰动时空效应的图谱分析........51
3.4 山地开采沉陷对土壤侵蚀的空间作用规律.........58
3.5 本章小结.......64
4 煤炭开采对植被-土壤扰动的物质量变化计量.....65
4.1 植被扰动时空序列分析与 NDVI 损失计量.......65
4.2 开采沉陷对土壤侵蚀变化影响计量.....74
4.3 本章小结.......82
5 煤炭开采对植被-土壤扰动的碳汇变化计量........84
5.1 植被受煤炭开采扰动的碳汇变化测度.......84
5.2 土壤受煤炭开采扰动的碳汇变化测度.......91
5.3 植被-土壤系统有机碳汇变化测度.......93
5.4 本章小结.......96
6 煤炭开采对植被-土壤扰动的价值量计量及生态补偿
6.1 环境价值量计量
环境经济学是一门研究如何将环境的价值纳入到生产和生活的成本中去，利用经济杠杆来解决环境污染问题的科学[228]。本文三、四、五章已经详细分析了植被、土壤两类环境因子受煤炭开采的扰动量及碳汇变化量，其总的环境成本就是这两类环境因子各项价值的总和。其中，植被的环境价值包括涵养水源、保土、吐氧纳碳、维护生物多样性、景观价值和木材价值等；土壤的环境价值包括经济产出、保持肥力、减少土地废弃、减少泥沙淤积、社会保障等。根据环境经济学原理，植被和土壤的这些经济价值评估方法主要有实际价值评估（针对已经市场化的环境功能），包括市场价值法和费用支出法；替代价值评估（针对可以市场化的环境功能），包括机会成本法、影子工程法、影子价格法、费用分析法和人力资本法等；假想价值评估（针对无市场化的环境功能），包括条件价值法和集体评价法等。植被和土壤的环境价值中，某些功能是相互影响和制约的。如涵养水源的价值和木材价值不可同时兼得，计量时应避免重复。植物群落的空间形态体现的是植被景观功能价值，大同矿区人烟稀少，植被的作用主要是维持生态，景观价值不明显，本文不做讨论，主要计量植被涵养水源的价值和保土价值。对于土壤的各项价值而言，经济产出、社会保障、保持肥力、减少泥沙淤积的价值分别指进行适当的生产活动的价值；保障农产品特别是粮食供给的价值；吸纳农村大量的剩余劳动力，缓和就业压力，保障社会稳定的价值；对生态环境的支撑和改善作用的价值。由于大同矿区搬迁后务农人口较少，当地居民以矿工和经商为主，土壤的社会保障价值不做讨论；本文仅计量其经济产出、保持肥力和减少泥沙淤积价值。#p#分页标题#e#
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结论
碳汇要素是控制大气温室效应的重要载体，本文以分析与计量煤矿区“煤炭开采的碳汇要素扰动”作为研究视角，结合理论科学的严密性和前瞻性，技术科学的准确性，经济管理科学的实践性，以大同矿区为研究区，综合采矿学、资源环境科学、遥感、地理信息科学、生态学、经济学等学科方法构建相关模型，对植被、土壤两类碳汇要素受煤炭开采的扰动规律、时空特征、损害量测度、碳汇变化和价值量计量等多方面做了深入研究，主要研究成果及结论如下：结合煤矿区发展普遍规律及相关实例，归纳出时空累积性、时序滞后性、空间外延性、结果双向性等煤矿区环境扰动的主要特征及成因和机理。①利用Logistic方程，构建了煤炭累积开发强度、空间累积效应维度、时间累积效应维度和受煤炭开采影响的环境要素扰动量间的理论函数关系式，用于分析研究矿井周边环境所处的扰动阶段及扰动预计。②从岩层的物理力学性质、生物体的耐受性、生态系统的净化能力等几个相互关联的扰动阶段分析了煤炭开采对环境扰动时序滞后性产生的原因。③根据数字地形分析和水文学相关理论，从理论上阐述开采沉陷对DEM坡度、坡长、水流流向、水流长度的外延性和正负影响，提出了煤炭开采对坡长的双面影响特征。
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参考文献（略）
