典型煤粮复合区采煤沉陷积水区域时空演变特征与驱动力

采煤沉陷积水是高潜水位煤粮复合区的主要生态破坏特征,开展沉陷积水区域时空演变特征与驱动机制研究对于煤粮复合区水土资源优化配置与土地复垦具有重要意义。为揭示煤粮复合区采煤沉陷积水区域的时空演变特征与驱动机制,以典型煤粮复合区永城矿区为研究区,利用源自Landsat图像的1990—2020年中国30 m分辨率土地覆盖数据,使用ArcGIS软件中的按掩膜提取和按属性提取等功能提取不同年份水体分布信息,对比分析不同年份永城矿区水体面积变化及空间分布信息,从而揭示永城矿区长时序采煤沉陷积水区域面积时空演变特征。基于煤炭开采沉陷过程,探讨开采沉陷与地下水位及地表积水的耦合关系,结合煤炭开采、降水量、地下水位等因素分析采煤沉陷积水区域时空演变的驱动机制。研究结果表明,1990—2020年永城矿区水体面积增加8.2332km^(2),其中,1990—2000年变化幅度较小,2000年后煤炭井工开采沉陷累积效应显现,2000—2005年和2010—2015年年均增长率较高,分别为12.8213%和10.1412%;积水区域扩张部分主要分布在永城矿区中部、西南部、东南部和东部;煤炭井工开采是水体面积增加的主要驱动力,决定了采煤沉陷区水域的空间分布范围和扩展方向;地下水位和降雨量则在一定程度上影响了采煤沉陷区水域分布范围;地质结构及生态修复工程促进了采煤沉陷区积水区域增加。通过研究典型采煤沉陷积水区域长时序演变特征及驱动机制,为高潜水位煤粮复合区土地资源可持续利用与生态修复提供科学依据。

邹城市矿粮复合区土地利用变化及生态系统服务价值分析

以山东省邹城市为试点，依据1990~2005年土地统计资料对该市矿粮复合区生态系统服务价值进行分析。结果表明，矿粮复合区内土地利用结构变化较快，具体表现为耕地的快速减少，水域和未利用土地大幅度增加。由于水域面积的增加，15a间复合区生态系统总服务价值呈现增长趋势；在土地利用类型中耕地的贡献率最大，在70％左右，其次为水域，且这2种类型贡献率变化最大，林地的贡献率在复合区内最小，一般在5％左右；生态服务功能在复合区和非复合区之间差别最大的是水分调节功能；在所有乡镇中废物处理和土壤形成功能都处于主导地位，废物处理功能大幅度增加，而土壤形成功能逐渐减少；复合区中生物多样性和娱乐功能有所增加，食物生产功能略有下降。

矿产与粮食复合主产区环境质量和粮食安全的问题、成因与对策

对矿产与粮食复合主产区进行了概念界定。发现我国13个粮食主产省中的12个也是煤炭主要生产省;将煤炭资源分布图与耕地资源分布图叠加,发现仅含煤区与耕地分布复合区域面积就占我国耕地总量的40％以上,其中煤炭保有资源与耕地复合面积超过了耕地总面积的10％,矿-粮复合区面积广,责任大,影响深远。深入分析了这一特殊区域存在的主要问题,如环境污染加剧、耕地遭到破坏、粮食产量和质量下降、社会矛盾突出、经济发展减缓等,并从认识层面、意识层面、保障层面和技术层面提出了对策与建议,目的在于引起对这一承担重要功能——保障国家粮食安全与矿产资源供给的特殊区域给予关注,以期协调矿产资源开发与粮食生产、环境保护间的矛盾,最大限度地促进这一区域可持续发展和减少对国家粮食安全、生态安全和社会安全的影响。

小尺度煤粮复合区耕地演变预测

基于县域小尺度,以山东省的A县和B县为研究对象,利用基于概率积分法的MSPS软件对2县煤粮复合区内因采煤塌陷造成的耕地演变趋势进行了预测分析。结果表明:A县和B县的煤粮复合区面积分别为31 658 hm2和19 792 hm2,占2县含煤面积的71.03%和80.32%,占2县耕地面积的27.70%和20.21%。随着煤炭的不断开采,2县复合区的耕地面积将不断减少。据预测,到闭矿时,2县共损毁耕地38 934 hm2,占煤粮复合区面积的75.67%,将会造成约37万农民无地可种。

基于四象限模型煤粮复合区景观生态质量时空变化及影响因素

在煤粮复合区,煤炭开采通过影响区域的景观格局,不断地冲击着原有农业景观生态系统的功能和过程,对该区域的景观生态质量及其影响因素进行分析对于矿区生态治理具有重要的理论意义和实践价值。该研究以河南省辉县市赵固煤矿为例,以行政村为评价单元,采用四象限模型对研究区景观生态质量进行了综合评价。结果表明:1)受煤炭开采活动和土地生态整治的影响,2008—2016年,研究区耕地面积总体上呈现先减少后增加的变化趋势,耕地主要向建设用地和水域转移。建设用地呈现先增加后减少的变化趋势,建设用地主要向水域和耕地转移。2)研究区的景观稳定性指数呈现先减少后增加的变化趋势,而景观干扰性指数呈现先增加后减少的变化特征。3)研究区景观生态质量在时间尺度上呈现“良好—较差—较好”的变化特征。2008年,矿井建设及开采初期研究区景观生态质量整体上较好。随着开采活动增强,到2011年研究区景观干扰程度增加和稳定程度降低,造成区域景观生态质量下降。2014年后大规模土地复垦使研究区土地利用率增加,大面积沉陷水域改善了区域景观结构,景观系统稳定性增加。4)在空间尺度上,受开采活动和土地生态整治的影响,矿区采点附近村庄景观生态质量呈现先变差后好转的变化趋势,远离矿区开采点的村庄有略微变差的趋势。总体上,与2011年相比,2016年质量为优的村庄数量和面积增加,质量为差的村庄数量和面积减少,但与2008年相比,2016年质量为优的村庄数量和面积仍是减少,质量为差的区域的村庄数量和面积仍是增加,表明研究区景观生态质量虽有所改善,但仍未恢复到受扰动前的景观生态质量水平。

矿粮复合区土壤-作物系统重金属污染风险性评价

为分析矿区污染农田农作物生产的生态安全性,以焦作市中马村矿区的典型农田为例,对矿区农田土壤及植物中Zn、Cr、Cd、Cu和Pb等重金属的质量分数进行了测定,并对重金属污染风险进行了评价。结果表明,根据重金属的单项污染指数,在矿井水污灌农田(F1样地)土壤中Zn和Cd的质量分数达到中度污染水平,Cr的质量分数达到轻微污染水平,Cu和Pb元素质量分数未达到污染水平。在煤矸石污染农田(F2样地)土壤中Zn、Cr和Cd的质量分数达到轻度污染水平,Cu和Pb元素质量分数未达到污染水平。在矿区公路侧农田(F3样地)土壤中各元素质量分数均未达到污染水平。采用潜在生态风险指数法对土壤重金属污染的生态风险进行评价,F1和F2样地综合生态风险指数分别为239.60和178.42,达到中等水平,F3样地土壤达到轻微生态风险水平。采用单项污染指数和综合污染指数法对小麦(Triticum aestivum)籽粒中重金属风险进行评价,在F1和F2样地中,小麦籽粒中Cu质量分数均未达到污染水平,Pb、Cd和Cr质量分数均达到重度污染水平。Zn质量分数在F1样地中达到轻度污染水平,在F2样地中达到中度污染水平。在F3样地中,小麦籽粒中Cd和Cu质量分数未达到污染水平,Zn质量分数达到轻度污染水平,Pb、Cr质量分数达到重度污染水平。从综合污染指数评价来看,F1、F2和F3 3个样地小麦籽粒中重金属污染综合指数均达到重度污染水平。评价结果对科学治理矿区污染土壤,确保矿区农田生态安全、粮食生产安全具有重要意义。

矿粮复合区农田恢复与污染防治

矿粮复合区农田恢复与污染防治,是中国当前土地复垦的重要内容。根据中国几十年的土地复垦经验与研究进展,国家发展的需要,当前中国矿粮复合区存在的问题,提出矿区农田恢复工程与固体废弃物处理过程中的环境质量影响方式,复垦农田景观格局标准和复垦农田生态立体集约化模式;针对农田恢复工程中机械使用存在的环境问题,提出主要机械施工中应采取的环保措施;阐述了农田无污染充填与动态充填技术及环境保护要求,并提出复垦农田生态重建质量控制措施,以促进矿区农田持续利用。

煤粮复合区耕地演变预测信息系统的构建

为了满足管理部门对煤矿区耕地管理的需要,设计了该系统。论述了煤粮复合区的研究背景和意义,分析了现有的采煤沉陷预测系统的不足,对煤粮复合区耕地演变预测系统的总体结构、功能、数据库、接口、安全保障体系等进行了阐述。该系统功能强大,能够实现煤粮复合区耕地变化的预测和管理,为管理部门制订管理决策提供科学依据。

矿-粮复合区土地利用规划环境影响评价

战略环评是将可持续发展战略从宏观、抽象概念落实到实际、具体方案的桥梁,是环境与发展综合决策的制度化保障。土地利用规划的环境影响评价,对提高政府决策的科学化具有重要意义。本文简要介绍了矿-粮复合主产区存在的主要问题、土地利用规划环境影响评价及在该区域开展土地利用规划环境影响评价的实践意义。

矿粮复合区农田生态系统健康评价体系及可持续发展对策

矿粮复合区农田生态系统健康涉及矿业、农业、环境、经济等多学科,是生态系统健康研究的重要组成部分。文章在分析生态系统健康内涵和矿粮复合区农田生态系统健康的主要影响因子基础上,结合指标选取原则,构建了矿粮复合区农田生态系统健康评价指标体系,该体系包括矿粮复合区生态系统结构、经济、环境、生产力、可持续性、社会和恢复力7类30项指标,反映了系统的活力、组织结构和恢复力的状况。最后结合矿粮复合区的主要环境问题,提出了保持矿粮复合区农田生态系统可持续发展对策。

煤粮复合地区生态系统服务价值变化研究--以邹城市为例

根据Costanza等人对全球生态系统服务价值的测算结果,分析了1996—2003年邹城市土地利用和生态系统服务价值变化。结果表明,邹城市的耕地、园地和林地土地面积在减少,建设用地和水域用地面积在增加。由于水域单位面积生态系统服务价值较高,7年间邹城市区域生态系统服务价值处于增加状态。邹城市生态系统服务价值从1996年的95.9704×106美元增加到2003年的104.5830×106美元,7年间增加8.6126×106美元,变化率达到8.97%。

凤台县煤粮复合区耕地演变预测及影响

以安徽省凤台县为研究对象,利用Arc GIS将耕地资源分布图、煤炭资源分布图及矿井建设图进行叠加,分析凤台县煤粮复合区特征。基于概率积分法基本原理,利用MSPS沉陷软件对凤台县内因采煤沉陷引起的耕地演变趋势进行了预测分析,进而预测耕地损毁导致的粮食减产量,并估算其造成的农业经济损失。结果表明:凤台县煤粮复合区面积占耕地面积的78.39%,占含煤区面积的77.25%,县域内井田面积占煤粮复合区面积的50.66%。随着煤炭资源的不断开采,全县煤粮复合区内的耕地面积将不断减少,耕地受损程度将不断加重,严重影响了当地的粮食产量、农业经济发展和社会稳定。据预测,到闭矿时损毁耕地面积占全县总耕地面积的43.68%,采煤损毁耕地导致粮食减产量达13.48万吨,农业经济损失达3.04亿元,将造成大量农民无地可种,从而引发社会矛盾。对此提出了相应的对策与建议。