近年来，煤炭在我国一次能源结构中煤炭生产与消费一直在70%左右。随着我国东部矿区煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源开发的重心逐步向西部转移。“十二五”期间，我国重点建设的14个大型煤炭基地主要集中在生态环境脆弱，水土流失严重的晋、陕、蒙、宁、青、新地区。目前西部探明储量达10627.7 亿t，占全国已探明储量的81.2%。根据我国能源中长期发展战略规划预测，到“十二五”末煤炭需求可能突破40亿t/a，其中西部6省年产能预计达到30亿t，达到75%^{[1, 2]}。由此可见，西部煤炭开采将在我国未来能源发展中处于不可或缺的重要地位。

但是由于深居内陆，我国西部地区水资源占有量仅占全国的8.3%，大多属干旱半干旱地区^[3]。规模日益扩大的煤炭开采不可避免地引起水土环境变化、植被衰退、地表荒漠化，使原本脆弱的生态环境日趋恶化。当地居民与煤炭企业关于环境问题的争端频频发生^[4]，社会生态环境问题加剧。干旱区煤炭开采引发的环境问题已成为社会各界关注热点^{[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}。相对东部矿区来讲，西部煤炭资源赋存条件较好，以机械化综放开采为主，具有明显的高产、高效、高强度开采特点。因此，西部地区煤炭地下开采对岩层与地表的扰动程度较一般的采煤工作面更为剧烈，由此产生的生态环境问题也与传统的采煤方法不同^{[11, 12]}。

由于西部煤矿区开发历史较短，现有研究成果还无法满足指导该地区煤炭资源高强度开采与脆弱生态环境保护协调发展的需求。必需深入研究煤炭开采对矿区植被、水、土壤等关键环境要素与脆弱环境系统的影响机理，预测开采对生态环境损伤程度，为优化采矿工艺、保护与修复生态环境提供理论依据。鉴于此，本文通过分析干旱区煤炭地下开采的环境影响研究进展，探讨现有研究不足与有待突破的研究内容。

干旱矿区生态环境是由地质、地貌、气候、水、植物、土壤以及微生物等共同组成的环境综合体；其中植被是干旱区地表的主要生物与景观，植被生长的限制因素主要是土壤水，而地下水位的高低对土壤水含量大小起着决定性作用。因此，水(地下水、土壤水)与植被分别是干旱矿区尤为关键的“外在”与“内在”环境要素。不少学者对干旱区煤炭资源地下开采引起的系列环境问题进行过研究报道，主要涉及以下几个方面。

煤炭地下开采对地下水的影响：李连娟就榆神矿区矿山开发对水环境的影响主要归结为地下水位下降、地下水补排平衡状态的破坏和水质污染的问题^[13]。王力等分析了榆神煤田开采对地下水和植被的影响，认为采煤对地下水的破坏会严重影响矿区植被的恢复与重建^[14]。薛强等采用数学模型和DRASIC 评价指标体系法对矿区地下水脆弱性进行初步分析和研究，给出了相应评价因子，并提出了采煤区地下水水环境脆弱性评价指标体系^[15]。范立民以神木北部矿区为例，论述了采煤引起的地下水位下降及由此产生的泉水流量衰减、河流干涸及生态环境等问题^[16]。张发旺从地表水、包气带水、地下水等方面，研究了采煤塌陷对水环境的影响效应^[17]。归纳起来，煤炭开采对地下水的影响主要表现在：改变含水层结构。当煤层开采后，覆岩失去支撑，引起采空区顶板岩层的变形和塌陷，从而导致上部含水层结构的破坏。降低地下水位。煤层开采使上覆岩层不断发生冒落，形成冒落带及导水裂隙带，并在地表产生裂隙和塌陷区，造成含水层结构和地下水径流、排泄条件发生变化。减少水资源。对地下水的影响必将导致区域地表水、地下水资源的枯竭，水资源短缺问题加重。

开采沉陷引起的土体移动与变形将直接改变包气带土体结构特性与土壤水分布。李惠娣等^[18] 根据现场实验数据，利用包气带土壤水分布的特征讨论了采矿塌陷引起的土壤结构变化对当地环境造成的不利影响。魏江生等研究表明，塌陷区的土壤含水量一般小于非塌陷区，主要是因为塌陷形成的裂缝增大了土壤蒸发的表面积，进一步降低了土壤水分^[19]。宋亚新^[20]、赵红梅^[21]针对采煤塌陷区包气带土壤水分的变化规律进行了野外调查与实验模拟，认为开采沉陷将会降低土壤持水能力和土壤含水量。何金军等研究发现，相对沙土采煤塌陷对黄土丘陵区土壤含水量影响最大^[22]。干旱区煤炭地下开采对土壤水的影响可概括为^{[20, 21, 22]}：①改变土壤水贮存条件。当煤层开采后，采空区顶板岩层的变形和塌陷，从而破坏上部土壤水贮存条件；②减少对土壤水补给。随着塌陷区内上覆含水层水位下降范围扩大，降低地下水对土壤水的补给能力，导致区域地表水、土壤水的枯竭，水资源短缺问题加重。

煤矿区剧烈的开采活动，改变了矿区以及周边地区水体、土壤等生境的初始条件，并将对矿区地表植被造成不同程度地影响。全占军等发现煤炭开采造成的地表沉陷，使得矿区土壤养分流失，地表植被景观破碎及隔离程度严重。此外，浅层地下水位的下降，也将造成一些植被死亡^[23]。杨选民等研究发现塌陷区灌木沙蒿的死亡率比非塌陷区高出16%^[24]。赵国平等对补连塔风沙区植被调查表明，采煤塌陷直接导致植被的死亡率增大，降低了塌陷区植被防风固沙的作用^[25]。丁玉龙等定量分析了塌陷过程中土壤的拉伸和压缩变形对植物根系产生的破断损伤影响^[26]。周莹等对神东矿区6个矿3种不同地貌下2个不同沉陷年份及对照区地表植被进行了调查，结果表明沉陷后植物群落组成成分较沉陷前增多，且沉陷1年区比沉陷当年区物种数多，它们之间具有明显的相关性^[27]。这一方面说明煤炭开采地表沉陷对植物群落组成产生了干扰影响，另一方面需要利用Connell 提出的“中度干扰假说”来解释在特定的沉陷强度范围，适度的干扰有利于植物群落达到较高的多样性水平^[28]。

地表沉陷将会破坏土壤结构、改变土壤的理化性质。王健等通过测定发现在干旱和半干旱风沙采煤塌陷地与非塌陷区相比，塌陷沙丘物理性粘粒含量明显减少；沙丘底部和丘间低地土壤容重明显降低；塌陷沙丘40—100 cm 内土壤容重明显减少；0—100 cm 内的全氮、全磷和全钾含量无明显变化^[29]。何金军等对干旱塌陷黄土丘陵区土壤进行了研究，发现塌陷对土壤密度影响很小；与对照区相比较，塌陷使土壤总孔隙度明显变小；塌陷区土壤物理性砂粒含量增加，有砂化趋势；塌陷对黄土丘陵区土壤含水量影响最大，其次是物理性砂粒含量，再次是土壤密度和孔隙度^[30]。陈士超等认为由于土壤机械组成粗，物理性粘粒少，导致土壤比表面积较小，持水保肥能力弱，矿质养分低，抗蚀能力差，从而严重影响肥料的有效性发挥，加之采矿引起地表沉陷，使肥分从土壤表层向深层渗漏、流失，土壤肥力赋存特征发生了明显改变，因此不利于植物生长和植被恢复^[31]。栗丽等研究表明塌陷坡耕地土壤物理性黏粒含量随塌陷时间的延长而逐渐减少。土壤毛管孔隙度则随塌陷年限的增加而减小，非毛管孔隙度则增加。土壤容重随塌陷年限的增加而减小，随土层深度的增加而增加。土壤田间持水量随塌陷年限的延长而逐渐减少。土壤有机质、碱解氮、速效磷含量随塌陷时间的延长而逐渐降低。这反映出采煤塌陷破坏了土壤结构，促进了土壤淋溶侵蚀，使得土壤理化性质恶化^[32]。

此外，矸石堆、煤泥和浅部煤层自燃放出有害气体，污染大气。矿区基础建设，如运输道路，洗煤厂等都不可避免地影响矿区的环境，脆弱的干旱区由于人类对该区资源的开采可能将变得更加脆弱。

现有关于干旱矿区煤炭开采环境扰动影响规律的研究多是面向单一地表环境要素研究为主，缺乏植被、水土多环境要素间协同损伤演变关系研究；缺乏工作面、矿区、流域等多尺度空间异质分析。

地下水、土壤水、植被作为干旱区的关键环境要素，他们之间存在着复杂的动态平衡关系。相关研究表明，土壤含水量是限制植物生长发育的重要生态因子，植物群落的生长发育及其适宜生产力是由土壤水分供给状况决定。在相同的立地条件下，土壤水分补给量越大，愈有利于承载更多的植物。地下水位的不断下降和土壤含水减少是引起下游植被退化的主导因子^[33]。徐海量等对土质潜水蒸发实验研究表明，地下水位的高低直接影响植被长势的好坏和现有植物种类的多少，但是这种影响在很大程度上是通过影响土壤含水率来实现的^[34]。雷少刚采用遥感、探地雷达、现场观测等多种手段，以神东干旱矿区为例进行了土壤水、地下水、植被指数(NDVI)关键环境要素之间相互作用关系的推导分析^[35]，如图 1所示。

图 1 干旱矿区植被(NDVI)、土壤水、地下水关键环境要素相互作用关系 Fig. 1 Relationship between the NDVI,soil water and underground water at arid mining area

图选项

煤炭开采对地下水的破坏则直接打破了这种平衡关系，这势必将影响到其他环境要素，引起协同损伤。因此，煤炭开采对地下水、土壤水、植被等关键环境要素的扰动损伤具有并发性、协同性。其主要协同关系有：开采区地下水位下降与采空区上方土壤水、植被的协同损伤关系；局部采区地下水的损失与区域尺度土壤水、植被变化规律的协同关系；无潜水区域采空区上方土壤水与植被损伤协同关系。研究关键环境要素的协同损伤规律有助于深入认识煤炭开采与干旱脆弱环境的关系基础及其扰动机制，从而建立干旱矿区环境损伤评价预测模型。

事实表明煤炭开采引起的环境问题具有不可避免的空间扩散性，并将对矿区周边区域产生环境扰动影响。因此，研究煤矿开采的生态环境问题不应局限于煤矿开采区，还应向外扩散至其对区域生态环境产生影响的空间范围。由于受流域水文地质条件、土壤、地形等众多因素影响，这种环境扰动的分布范围、表现形态与强度又具有明显空间异质性^[7]。现有研究多大多仅限于某一工作面、沉陷区或矿区尺度范围；而对于煤炭开采可能造成更大范围的环境扰动缺乏区域、流域等大尺度研究。加强这方面的研究将有利于全面认识评价重大人类工程活动对区域环境的影响，为控制改善区域环境质量奠定理论基础。

多尺度主要是指研究范围涉及工作面、盘区、矿井、矿区、流域等多种空间尺度。损伤演变监测是指煤炭地下开采对矿区关键环境要素的扰动形式与破坏强度的空间演变监测。由于研究尺度的差异，往往可能导致对矿区环境要素扰动影响的评价认识不一致，因此需要多尺度综合分析。例如：在神东矿区，当地采矿企业认为他们投入了大量的资金用于植树绿化、环境治理，使得近些年矿区大范围植被覆盖度有了较大的提高，该企业因此还获得了2005 年的“中华环境大奖”；然而当地居民则认为采矿导致地水位下降、草木枯死、生活环境受到破坏^[4]。基于遥感监测的植被覆盖分析表明，神东矿区植被覆盖近些年有明显好转^{[36, 37]}。但是，基于现场调查与理论分析的小尺度研究则认为，煤矿开采造成了区域植被的衰减与荒漠化加剧^{[24, 25]}。导致这些认识差异的原因在于：煤矿开采对生态环境的扰动与水文地质条件具有空间异质性，加上监测尺度的差异，出现了不同的认识。

矿区地表生态环境扰动的根源在于地下煤炭开采引起的系列水文、岩土环境条件改变。因此研究地下煤炭开采对地表生态环境的影响机理，就必需要井上下联动分析。也就是说需要将各评价单元植被、土壤水、地下水的时序变化与地下开采规模、开采强度、覆岩运动、地表沉陷的时序变化等进行空间关联分析，才能找出关键环境要素的变化地特定开采地质条件的响应机理。例如，岩层及地表移动与地下水位下降的关系，土壤侵蚀强度与土壤质量的空间分布与采动岩体空间结构形态，地表移动变形与渗流场时空演化之间的关系，水位下降与物种多样性、陆地生物量之间的关系。这些基础问题涉及采矿、水文、地质、生态、植被等多个学科领域。但是，由于受专业背景的限制，一方面，井下开采更多注重生产的安全、高产、高效，并未过多地考虑优化开采技术与控制地表生态环境的损伤；另一方面，在研究地表生态环境要素的演变规律时，则多是进行采前与采后、采区与非采区的环境要素变化对比，很少考虑是在什么样的地质开采条件下将会产生什么样的生态环境扰动损伤。

本文分析了我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤质量等关键环境要素影响的研究进展。总体而言，西部煤炭开采的环境影响已有较多的研究，但是环境要素在开采扰动下的响应机理、多尺度空间异质特征等方面的研究很不系统、很不深入，现有研究成果也就无法用于指导煤炭开采技术改进与生态环境损伤控制。鉴于此，建议今后围绕以下关键点，寻求突破。

(1)加强对西部干旱矿区各关键环境要素的同步监测方法与协同损伤规律的研究。科学设计实验方案，通过集成现场跟踪调查、多源多时相多尺度遥感监测、现代地球物理探测技术，对开采扰动前、中、后各阶段的地下水、土壤水、植被各关键环境要素的空间演变特征，从工作面、矿井、矿区、流域等多尺度进行地空一体化监测；并利用GIS空间分析技术找出各环境要素的协同损伤规律。

(2)加强对井上下环境要素对开采地质条件响应机理研究。需要选择多种开采地质条件的采煤工作面，从采前、采中、采后连续对井下开采厚度、深度、速度、岩移、地表变形等与环境要素变化进行同步跟踪，才能深入揭示地下开采对环境要素的影响与控制机理。

(3)加强煤炭开采对环境系统影响的预测与控制模型研究。通过以上两点的深入研究，建立不同开采条件、不同空间尺度下各环境要素的开采影响评价与预测模型；并在此基础上，优化煤炭开采技术，减轻开采的环境影响损伤。