卞正富，于昊辰，雷少剛，尹登玉，朱國慶，牟守國，楊德軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略，新形勢(shì)對(duì)流域開發(fā)治理提出了更為明確的要求[1]。黃河流域橫跨我國東、中、西部，既是北方重要生態(tài)屏障，也是重要的能源戰(zhàn)略區(qū)與煤炭生產(chǎn)基地。寧東、陜北、神東、晉北、晉中、晉東、黃隴、河南與魯西共9個(gè)國家大型煤炭基地坐落于此[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年黃河流域煤炭查明資源儲(chǔ)量7.73×1011t，占全國的45.25%;其煤炭產(chǎn)量高達(dá)2.16×109t，接近全國總產(chǎn)量的60%[3]。

煤炭開采保障了黃河流域乃至全中國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但不可避免地會(huì)擾動(dòng)生態(tài)環(huán)境[4-5]，誘發(fā)植被損傷、景觀破碎、土地退化等系列問題[6-7]。采煤耗水量巨大，平均噸煤排水量2～3 t[4]，加劇了流域水資源短缺;相應(yīng)地，高強(qiáng)度采煤不僅會(huì)加重風(fēng)沙區(qū)沙漠化態(tài)勢(shì)，也會(huì)脅迫黃土區(qū)水土流失[8]。此外，煤炭開采對(duì)生態(tài)的擾動(dòng)看似局限于礦點(diǎn)，但若考慮廢棄物排放參與地球化學(xué)循環(huán)[4]，其生態(tài)受損范圍極易沿著點(diǎn)、線、面、網(wǎng)擴(kuò)展[9]，誘發(fā)區(qū)域性甚至全域性生態(tài)環(huán)境問題。針對(duì)高強(qiáng)度、大規(guī)模的煤炭開采導(dǎo)致土地退化現(xiàn)象突出[6]，加之我國煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)比率不足1/4的現(xiàn)實(shí)[10]，如何平衡好黃河流域煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，是支撐流域高質(zhì)量發(fā)展與全國能源產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵所在。

2020年，國家發(fā)改委、自然資源部印發(fā)《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》，強(qiáng)調(diào)黃河重點(diǎn)生態(tài)區(qū)要恢復(fù)礦山生態(tài)，實(shí)施地形重塑、土壤重構(gòu)、植被重建綜合治理。筆者此前提出，煤礦區(qū)土地退化程度不僅與煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度有關(guān)，還與其資源環(huán)境承載力有關(guān)[6]。當(dāng)前資源環(huán)境承載力多聚焦于相對(duì)承載力[11]、生態(tài)足跡[12]、區(qū)域綜合承載力[13-14]開展研究，是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展不容回避的科學(xué)問題之一。由于煤炭資源的稀缺性與不可再生性，兼顧黃河流域自然本底的脆弱性與差異性，要想實(shí)現(xiàn)煤炭開發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，就必須保證煤炭開發(fā)活動(dòng)維持在生態(tài)系統(tǒng)彈性范圍內(nèi)。此外，資源環(huán)境約束趨緊、區(qū)域發(fā)展失調(diào)失衡、國土空間沖突加劇等困境交織在一起，使“四礦”(即礦業(yè)、礦山、礦工、礦城)與“三農(nóng)”(農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民)問題更加突出。因此煤炭資源開發(fā)不僅要考慮生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，還要評(píng)估其對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)及其可采性。筆者借助RS/GIS技術(shù)，輔以相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，試圖揭示全域資源環(huán)境承載力時(shí)空分異規(guī)律，探析煤炭開發(fā)強(qiáng)度與資源環(huán)境承載力的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系;研判黃河流域煤炭資源保護(hù)性開發(fā)與利用戰(zhàn)略，并統(tǒng)籌考慮開采類型、地域分布等特征提出差異化生態(tài)修復(fù)策略，為構(gòu)建黃河流域煤炭高質(zhì)量發(fā)展新格局提供決策參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域是全球第六大流域，坐落于95.88°E～119.08°E,32.17°N～41.83°N，面積約7.5×105km2[15]，流經(jīng)中國9個(gè)省區(qū)(圖1)。流域人口占全國30.3%，GDP占全國26.5%。黃河流域的東南部、中部、西北部分別屬于半濕潤、半干旱、干旱氣候[16]，其氣溫與降雨量呈現(xiàn)由東南部向西北部遞減的特征[17]。黃河流域既是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的重要生態(tài)廊道，更是中國北方重要的生態(tài)屏障[18]。但近年隨著對(duì)資源環(huán)境的不斷索取，黃河流域水流量下降顯著[19]，其資源環(huán)境承載力逼近臨界極限。

圖1 黃河流域九大煤炭基地與主要煤礦區(qū)分布Fig.1 Nine national coal bases and the main coal mine areas in the Yellow River Basin (YRB)

作為中國的“能源流域”[20]，黃河流域內(nèi)煤礦數(shù)量約1 563處，占全國1/3以上;產(chǎn)能約2.97×109t/a，占全國2/3左右[3]。其中，晉陜蒙寧甘五省區(qū)隸屬黃河流域中上游，2017年煤炭產(chǎn)量2.46×109t，約占全國總產(chǎn)量的70%[2]，是中國最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值與開發(fā)潛力的煤炭生產(chǎn)區(qū)和調(diào)出區(qū)。特別地，五省區(qū)僅有約32%的煤炭產(chǎn)自除黃河流域以外的地區(qū)，如海河流域、黑龍江流域、甘蒙內(nèi)流區(qū)等。

《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020年)》公布了162個(gè)國家規(guī)劃煤礦區(qū)。此前時(shí)光等[3]曾按黃河流經(jīng)的74個(gè)地級(jí)市，劃分了黃河流域煤礦區(qū)，但嚴(yán)格意義上講這種劃分方式不妥。按流域水系劃分，山西大同、軒崗、平朔、朔南、潞安、武夏與河南鶴壁7個(gè)礦區(qū)應(yīng)隸屬于海河流域。而平頂山礦區(qū)的沙河、汝河，以及濟(jì)寧礦區(qū)的洸府河、楊家河均屬淮河水系，故平頂山、濟(jì)寧2個(gè)礦區(qū)應(yīng)隸屬淮河流域，而并非黃河流域。因此，按黃河流域覆蓋范圍初步統(tǒng)計(jì)，共57個(gè)國家規(guī)劃煤礦區(qū)坐落于黃河流域(表1)。考慮數(shù)據(jù)可獲取性，選擇其中34個(gè)煤礦區(qū)為研究對(duì)象，并實(shí)地調(diào)研了其中14個(gè)煤礦區(qū)。

表1 黃河流域57個(gè)國家規(guī)劃煤礦區(qū)分布Table 1 Fifty-seven national planned coal mine areas in the Yellow River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

資源環(huán)境承載力以地級(jí)行政區(qū)為評(píng)價(jià)單元，煤炭開發(fā)強(qiáng)度以煤礦區(qū)為研究單元。水資源總量、用水量等數(shù)據(jù)來源于黃河流域各地市《水資源公報(bào)》;人口、土地總面積、GDP、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、原煤產(chǎn)量、污水處理率、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率、建成區(qū)綠化覆蓋率、生活垃圾無害化處理率、萬人工業(yè)SO2排放量等相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于各省區(qū)、各地市的《統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等;年降水量來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/);土壤侵蝕(分辨率1 000 m)、土地利用類型(分辨率30 m)等數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/);MODIS-NDVI-16 day數(shù)據(jù)(MOD13Q1，分辨率250 m)來源于美國國家航空航天局NASA(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/);煤礦區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)通過實(shí)地調(diào)查與遙感解譯獲取，遙感數(shù)據(jù)包括Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI、高分辨率影像等。

由于青海、甘肅部分地級(jí)單元存在數(shù)據(jù)缺失，故酌情選用省級(jí)數(shù)據(jù)予以修正。鑒于黃河流域植被生長期普遍在7—8月，選取2010—2020年植被長勢(shì)較好的MODIS NDVI影像共330幅，拼接影像并投影至WGS 84坐標(biāo)系。運(yùn)用最大合成法獲取每年7～8幅影像NDVI最大值。剔除NDVI<0的區(qū)域后，使用最小二乘法[21]解析長時(shí)序MODIS數(shù)據(jù)，進(jìn)而揭示近10 a黃河流域NDVI時(shí)空規(guī)律。

1.3 研究方法

1.3.1資源環(huán)境承載力測(cè)度

按資源承載力、環(huán)境承載力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)支撐力3個(gè)子系統(tǒng)劃分，選取22項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建黃河流域資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系，并輔以專家打分法與層次分析法判定指標(biāo)權(quán)重(表2)。四川阿壩州、甘孜州雖落于流域內(nèi)，但煤炭資源分布極少，不納入統(tǒng)計(jì)。按指標(biāo)正負(fù)向分別作離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，并參照權(quán)重作柵格疊加，測(cè)算黃河流域2010與2018年的資源環(huán)境承載力及其各子系統(tǒng)的指數(shù)。

表2 黃河流域資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系Table 2 Indices of resources and environmental carrying capacity in the YRB

1.3.2煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度

筆者曾界定了煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度(Coal Resources Exploitation Intensity，ICRE)的概念，露天礦可用建設(shè)空間(露天采坑、排土場、工業(yè)廣場等)占礦區(qū)總面積的比例來闡述[6]。但井工開采誘發(fā)的土地?fù)p毀具有隱蔽性與滯后性，其開發(fā)強(qiáng)度測(cè)算相比露天礦更為復(fù)雜。事實(shí)上，煤炭開發(fā)強(qiáng)度不僅與擾動(dòng)范圍有關(guān)，也與其資源稟賦及開采規(guī)模有關(guān)。為此，以《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》中的土地開發(fā)強(qiáng)度(Land Development Intensity，ILD)為基礎(chǔ)[22]，輔以礦區(qū)儲(chǔ)采比(Reserve and Production Ratio，RP)[23]，測(cè)算42個(gè)煤礦區(qū)ICRE:

ILD=Sc/St,RP=Qr/Qe

(1)

(2)

1.3.3耦合協(xié)調(diào)度分析

避開資源環(huán)境承載力不談，去討論煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度是不符合實(shí)際的。煤炭開發(fā)不應(yīng)局限于礦山、礦區(qū)尺度[6]，更要探析能否滿足更大尺度高質(zhì)量發(fā)展需求。利用改進(jìn)的耦合度[24]揭示資源環(huán)境承載力與煤炭開發(fā)強(qiáng)度互饋?zhàn)饔?。?duì)于煤礦區(qū)中心坐標(biāo)落于黃河流域范圍的，以其中心坐標(biāo)為圓心作20 km緩沖區(qū)，分析緩沖區(qū)內(nèi)資源環(huán)境承載力指數(shù)的平均值與煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度;對(duì)于未落入黃河流域范圍但其所在地市落于黃河流域的，提取其地級(jí)市資源環(huán)境承載力指數(shù)的平均值與煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度作耦合協(xié)調(diào)性分析:

(3)

利用修正后的協(xié)調(diào)度[24]衡量煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度與資源環(huán)境承載力間的耦合協(xié)調(diào)性:

(4)

其中，D為U1與U2的協(xié)調(diào)度，D值越高表征耦合協(xié)調(diào)性越好。將D劃分為8類:重度失調(diào)(0

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河流域生態(tài)環(huán)境特征及其資源環(huán)境承載力

2.1.1黃河流域NDVI演變特征

黃河流域NDVI整體呈下游>中游>上游的特征(圖2與圖3(a))。NDVI低值區(qū)表征生態(tài)環(huán)境較差，集中在黃河“幾字彎”巴彥淖爾拐點(diǎn)周圍，包括蒙西、寧北、甘東以及青海海南州等。相應(yīng)地，NDVI高值區(qū)分布較零散，包括豫西、晉東、甘南、川北、陜西延安、青海東部等。

圖2 黃河流域2010—2020年NDVI年際變化特征Fig.2 Interannual variation of NDVI in the YRB from 2010 to 2020

圖3 黃河流域2010—2020年NDVI時(shí)空分異特征Fig.3 Spatio-temporal differentiation of NDVI in the YRB from 2010 to 2020

結(jié)合圖3(b),(c)，NDVI顯著降低區(qū)主要在下游與中游南部，寧東、蒙西也有零散分布;顯著提升區(qū)主要在“幾字彎”呼和浩特拐點(diǎn)周圍與上游的東南部。整體看，黃河流域中上游近10 a植被生長有所改善，下游與中上游局部的植被退化不容忽視。黃河流域植被變化兼受氣候與人類活動(dòng)的影響[25]，不同學(xué)者對(duì)其主導(dǎo)因素秉持不同判斷[26-27]。作為黃河流域重要的人類活動(dòng)之一，煤炭開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響具有直接性、強(qiáng)烈性、持久性。一旦煤炭開發(fā)與生態(tài)退化區(qū)交織，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的負(fù)面影響難以估量，亟待評(píng)估黃河流域不同區(qū)域資源環(huán)境承載力。

2.1.2黃河流域資源環(huán)境承載力時(shí)空格局

黃河流域資源環(huán)境承載力呈顯著的東西差異，即下游>中游>上游(圖4)。① 木里礦區(qū)坐落于青海海西州，該州2018年資源環(huán)境承載力明顯低于2010年，且受環(huán)境子系統(tǒng)約束較大，違規(guī)開采極易突破其資源環(huán)境承載力的上限約束。② 甘肅資源環(huán)境承載力整體有所改善，并且3個(gè)子系統(tǒng)均有不同程度的提升。③ 寧夏銀川與石嘴山的資源子系統(tǒng)指數(shù)低且變化不大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)支撐力與環(huán)境承載力指數(shù)均明顯降低，致使該地區(qū)資源環(huán)境承載力指數(shù)降低。④ 黃河流域內(nèi)蒙古段分布有14個(gè)國家級(jí)規(guī)劃煤礦區(qū)，其中鄂爾多斯占12個(gè)，該區(qū)域近年資源環(huán)境承載力微弱改善，且3個(gè)子系統(tǒng)兼有不同程度的提升。⑤ 陜西資源環(huán)境承載力主要受環(huán)境子系統(tǒng)影響，其中榆林市占據(jù)陜西近50%的國家規(guī)劃煤礦區(qū)，但該區(qū)域資源環(huán)境承載力近年呈降低態(tài)勢(shì)，未來煤炭開發(fā)不宜突破其資源環(huán)境承載力上限。⑥ 山西近年有序整合資源、化解過剩產(chǎn)能、關(guān)閉重污染煤礦，使得資源環(huán)境承載力整體改善，表明生態(tài)文明建設(shè)取得初步成效。⑦ 河南、山東2省雖然資源承載力較低，但環(huán)境承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)支撐力顯著高于流域中上游，使得下游資源環(huán)境承載力指數(shù)總體水平高于中上游。

圖4 黃河流域2010與2018年資源環(huán)境承載力指數(shù)及其子系統(tǒng)指數(shù)的時(shí)空分布Fig.4 Spatio-temporal distribution of resource and environmental carrying capacity index and its subsystem index of the YRB in 2010 and 2018

2.2 黃河流域煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度

黃河流域34個(gè)煤礦區(qū)的煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度(ICRE)測(cè)算結(jié)果見表3。下游煤炭資源儲(chǔ)采比(RP)低，2018年豫、魯2省RP平均值分別為21.2與38.9，加之ILD較高，導(dǎo)致下游的ICRE值高。雖然該區(qū)產(chǎn)量不高且近年迅速減少，但囿于可開發(fā)煤炭資源瀕臨枯竭，不適于進(jìn)一步擴(kuò)大開發(fā)規(guī)模。2018年中游山西ICRE平均值為0.340，略高于陜西(0.316);但隨著資源向深部轉(zhuǎn)移，中游晉、陜2省產(chǎn)量基本穩(wěn)定，故未來應(yīng)以穩(wěn)定生產(chǎn)規(guī)模為主。上游的蒙、寧、甘3省區(qū)2018年ICRE分別為0.396,0.673,0.439，但煤炭資源賦存條件相對(duì)較好，可逐步作為未來中國煤炭資源接替區(qū)，適度擴(kuò)大產(chǎn)能。青海木里煤礦區(qū)2018年ICRE為0.144，雖然不高，但為了保護(hù)三江源脆弱且珍貴的生態(tài)環(huán)境，該區(qū)并不適于大規(guī)模開發(fā)。

表3 黃河流域煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度測(cè)算結(jié)果Table 3 Results of the coal resources exploitation intensity in the YRB

2.3 煤炭開發(fā)強(qiáng)度與資源環(huán)境承載力的耦合協(xié)調(diào)性

耦合協(xié)調(diào)度時(shí)空格局測(cè)度結(jié)果見表4與圖5，下游2010與2018年耦合協(xié)調(diào)性屬于高級(jí)協(xié)調(diào)(平均值保持在0.90左右)，顯著高于中上游。但中上游2010—2018年的變化趨勢(shì)有差異:中游耦合協(xié)調(diào)度從初級(jí)協(xié)調(diào)(0.62)降至勉強(qiáng)協(xié)調(diào)(0.51);上游從0.60提升至0.62，仍屬于初級(jí)協(xié)調(diào)。

圖5 黃河流域煤礦區(qū)煤炭開發(fā)強(qiáng)度ICRE與資源環(huán)境承載力RECC的耦合協(xié)調(diào)度分布Fig.5 Distribution of coupling and coordination for ICRE and RECC in coal mine areas in the YRB

表4 黃河流域煤礦區(qū)煤炭開發(fā)強(qiáng)度與資源環(huán)境承載力的耦合協(xié)調(diào)度Table 4 Coupling and coordination between coal resources exploitation intensity and resource and environmental carrying capacity in coal mine areas in the YRB

從省區(qū)及礦區(qū)分布來看，下游魯豫2省均呈現(xiàn)高級(jí)協(xié)調(diào)，山東基本保持在0.90;河南略有提升，從0.890提升至0.899。中游陜西的降幅較大，從0.62降低至0.50，特別是榆橫、神東神府礦區(qū)降至中度失調(diào)，榆神、吳堡礦區(qū)降至輕度失調(diào);山西也有一定程度下滑，從0.61降低到0.53，特別是離柳礦區(qū)降至中度失調(diào)，河保偏礦區(qū)降低至輕度失調(diào)。上游青蒙寧出現(xiàn)不同程度降幅，其中青海木里礦區(qū)從勉強(qiáng)協(xié)調(diào)(0.53)降至中度失調(diào)(0.25)，降幅超過50%;寧夏從中級(jí)協(xié)調(diào)(0.75)降低至初級(jí)協(xié)調(diào)(0.62);內(nèi)蒙古保持初級(jí)協(xié)調(diào)，但存在小幅降低(從0.66降低至0.64)。甘肅從瀕臨失調(diào)(0.47)提升至初級(jí)協(xié)調(diào)(0.68)，改善幅度較大，且各礦區(qū)均有不同程度提升，特別是沙井子礦區(qū)從重度失調(diào)(0.14)提升至初級(jí)協(xié)調(diào)(0.59)。

不難看出，隨著煤炭重心西移，晉、陜、蒙、寧4省區(qū)的煤炭開發(fā)強(qiáng)度不斷增大，部分礦區(qū)已然與區(qū)域資源承載力不匹配。未來亟待提升煤炭資源開發(fā)與資源環(huán)境承載力的協(xié)調(diào)性，推動(dòng)構(gòu)建煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)并重的黃河流域煤炭高質(zhì)量發(fā)展新格局。

3 黃河流域煤炭資源保護(hù)性開發(fā)利用的戰(zhàn)略研判

隨著能源重心西移，黃河流域中上游煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度加大，與資源環(huán)境承載力不相匹配的煤炭開發(fā)方式亟需改進(jìn)或退出。鑒于資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的矛盾由來已久，“保護(hù)性開發(fā)與利用”戰(zhàn)略可作為解決這對(duì)矛盾的關(guān)鍵，研判如下:

(1)堅(jiān)持把水資源作為黃河流域煤炭開發(fā)最大的剛性約束。資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系中，人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量3項(xiàng)權(quán)重高，佐證了該區(qū)受水資源約束較重。而煤炭開采不僅耗水量巨大，也會(huì)改變礦區(qū)水資源循環(huán)。大規(guī)模煤炭資源開發(fā)與干旱脆弱生態(tài)環(huán)境的空間耦合交織，加劇了區(qū)域水資源短缺。為了協(xié)調(diào)煤水關(guān)系，保水開采可緩解采煤與水資源供需平衡間的矛盾[28]。但除煤炭開發(fā)外，其他人類活動(dòng)也要占用一部分水環(huán)境容量。揭示社會(huì)—生態(tài)耦合系統(tǒng)的互饋機(jī)制是保持和增強(qiáng)流域系統(tǒng)可持續(xù)性的基礎(chǔ)[29]。因此，必須從“水資源(Water)-煤炭資源(Coal)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)(Socioeconomic)-生態(tài)(Ecology)”(簡稱“WCSE”)的全局性視角，探析黃河流域煤炭資源開發(fā)與水資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)同的高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)現(xiàn)路徑。建議:① 加強(qiáng)黃河流域不同區(qū)段煤炭開發(fā)水資源利用效率研究，科學(xué)揭示不同區(qū)段煤炭開發(fā)耗水量的演變規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)理，量化流域尺度差異化的煤炭資源開發(fā)對(duì)水環(huán)境容量的占用率。② 研究氣候變化和人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下，“WCSE”復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)理與傳遞機(jī)制，揭示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生作用鏈及其變化規(guī)律，探析缺水條件下煤炭開發(fā)與其他人類活動(dòng)用水動(dòng)態(tài)博弈過程。③ 按“煤炭資源-水資源-自然生態(tài)環(huán)境”不同組合類型，探索“WCSE”視角下黃河流域煤炭產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展模式與多維均衡調(diào)控路徑。

(2)煤炭開發(fā)必須找到一種與區(qū)域資源環(huán)境承載力相匹配的開發(fā)方案和開采技術(shù)。建議:① 保護(hù)性開發(fā)需優(yōu)選開采方法最大程度減輕地表不可逆性損傷。例如，風(fēng)積沙區(qū)超大工作面采高增加會(huì)顯著地引起地表非連續(xù)變形，而加快工作面推進(jìn)速度有利于減輕土地變形損傷，增加工作面寬度則可減少地表非連續(xù)變形分布，因此，可綜合采用降低采高、加快采速、增加面寬的方式，以實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)量不減、生態(tài)少損傷或近零損傷。② 推廣礦產(chǎn)資源綠色開發(fā)與開采技術(shù)。就現(xiàn)有開采方法而言，露天煤礦可采取采剝排復(fù)一體化工藝，減少外排土場對(duì)土地的占用，促進(jìn)排土場盡快恢復(fù)植被、減少水土流失和揚(yáng)塵;井工煤礦可采取采充選一體化技術(shù)，提高充填率，最大程度減小固體廢棄物排放和地面沉降。③ 實(shí)施多資源協(xié)同開發(fā)。針對(duì)共、伴生資源，如水資源、煤層氣、高嶺土與煤炭資源并存的實(shí)際情況，通過多資源協(xié)同開發(fā)，提高資源開發(fā)與利用效率，避免多次擾動(dòng)生態(tài)環(huán)境。

(3)煤炭開發(fā)規(guī)劃需要與更大尺度的國土空間規(guī)劃相協(xié)同。編制空間規(guī)劃時(shí)，需要根據(jù)區(qū)位條件和資源稟賦，明確流域不同區(qū)段的綠色礦山建設(shè)目標(biāo)，細(xì)化其生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的需求。如在區(qū)位條件差、生態(tài)環(huán)境惡劣的地區(qū)，不宜再走分散型“因礦建城”的老路，避免礦竭城衰現(xiàn)象的發(fā)生。豫魯?shù)貐^(qū)需考慮地下開采與地上耕地、建設(shè)用地、道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是否沖突，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。晉陜蒙寧高強(qiáng)度、大規(guī)模的煤炭開采導(dǎo)致的土地退化表現(xiàn)兼有植被損傷、土壤侵蝕、地表沉陷等，其保護(hù)需求在于水土流失防治與水資源保護(hù)。青甘位于三江源頭，是黃河重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，保護(hù)水資源與生態(tài)環(huán)境必須放在首位，該區(qū)距國內(nèi)煤炭消費(fèi)市場遠(yuǎn)、運(yùn)輸成本高，故應(yīng)化解過剩煤炭產(chǎn)能，科學(xué)規(guī)劃煤炭資源開發(fā)，特別是在自然保護(hù)地周邊實(shí)施限采、禁采，并從政策層面加以約束或提供保障。

(4)加強(qiáng)閉礦后礦業(yè)廢棄地與廢棄礦井的資源化利用。煤炭資源枯竭后會(huì)遺留大量的工業(yè)廣場、儲(chǔ)煤場等地上地下空間，因缺失接替產(chǎn)業(yè)，這些空間會(huì)處于閑置狀態(tài)。如若不作合理處置再利用，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，并且存有重大安全隱患和生態(tài)環(huán)境破壞問題。就露天開采而言，排土場、露天采坑等區(qū)域如若沒有復(fù)墾到位，土地仍將處于閑置狀態(tài);即便開展復(fù)墾，若后期未得到合理養(yǎng)護(hù)，這些區(qū)域仍將處于退化狀態(tài)。就井工開采而言，目前初步統(tǒng)計(jì)全國有近1.56×1010m3的廢棄礦井地下空間，而黃河流域井工礦山較多，這也給地下空間再利用創(chuàng)造了良好的條件。但針對(duì)不同的地下空間利用方式，需要研究針對(duì)性的加固和密封改造技術(shù)，以利用豐富的地下空間資源。同時(shí)，要綜合考慮地下水資源、地?zé)豳Y源、地表土地資源、工業(yè)遺跡、太陽能、風(fēng)能等利用，有效實(shí)現(xiàn)關(guān)閉礦山生態(tài)修復(fù)。

4 黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)策略

4.1 煤礦區(qū)類型劃分及其主要土地退化問題

按自然本底與采煤誘發(fā)的土地退化類型差異，黃河流域煤礦區(qū)可劃分青甘保育區(qū)、蒙寧陜風(fēng)沙區(qū)、晉陜黃土區(qū)、豫魯平原區(qū)4類區(qū)域，見表5。

表5 黃河流域大型煤炭基地與國家規(guī)劃礦區(qū)的區(qū)域劃分Table 5 Regional division of large-scale coal bases and national planned mining areas in the YRB

(1)青甘保育區(qū)。平均海拔約4 000 m，是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)與生態(tài)保育區(qū)，高寒草甸、永凍土層等生態(tài)極為脆弱，一旦生態(tài)遭受擾動(dòng)可能造成不可逆的影響。該區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量有限、煤炭產(chǎn)能產(chǎn)量均較低，部分已被納入禁采區(qū)與限采區(qū)。例如木里礦區(qū)煤炭過度開發(fā)、違規(guī)開采等問題突出，致使局部高寒草甸生態(tài)壓力倍增，危及祁連山自然保護(hù)區(qū)乃至黃河上游脆弱生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[30]。

(2)蒙寧陜風(fēng)沙區(qū)。受厚風(fēng)積沙覆蓋，植被稀疏且易毀難造。煤炭資源多為淺埋藏、薄基巖煤層，開發(fā)強(qiáng)度大，單個(gè)工作面尺寸甚至長達(dá)200～450 m[31];局部開采強(qiáng)度高，僅神東礦區(qū)煤炭產(chǎn)量就超過108t/a，相當(dāng)于波蘭一個(gè)國家的產(chǎn)量。如此高強(qiáng)度、大規(guī)模的煤炭開采，致使該區(qū)面臨煤炭工業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重約束，該區(qū)域地裂縫、地下水位下降及水質(zhì)惡化等問題突出。

(3)晉陜黃土區(qū)。黃土風(fēng)成堆積形成，土壤孔隙度50%左右[32]，抗沖、抗蝕性能弱。在自然與人為雙重因素作用下，特別是煤炭開采活動(dòng)強(qiáng)烈[6]，加之干旱缺水的生態(tài)環(huán)境，致使土地退化嚴(yán)峻、水土流失嚴(yán)重[33]，且兼有水力侵蝕與風(fēng)力侵蝕。例如，露天礦剝離物堆放形成大型排土場[34]，改變了原有地貌，徑流沖刷造成大面積水土流失、裸地面積不斷擴(kuò)大，打破了煤炭開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)間的平衡。

(4)豫魯平原區(qū)。大多屬高潛水位平原，以井工開采為主。煤炭資源與耕地資源存在空間沖突，采煤塌陷地中有85%以上為可耕地[35]。地表沉陷還會(huì)破壞大量農(nóng)村房屋、橋梁等設(shè)施，不利于鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施。采煤導(dǎo)致的面源污染嚴(yán)重，加之部分煤礦區(qū)與自然保護(hù)區(qū)沖突，許多煤礦被要求限期有序退出。該區(qū)可供開采年限嚴(yán)重不足，淺部資源已近枯竭，深部開發(fā)存在沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)成本高昂，煤炭接續(xù)日趨緊張，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟待轉(zhuǎn)型。

4.2 黃河流域煤礦區(qū)差異化生態(tài)修復(fù)策略

假如不考慮成本投入，那么任何區(qū)域生態(tài)修復(fù)大多是可行的[36]。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)提出了土地退化平衡(Land Degradation Neutrality,簡稱LDN)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即“避免退化優(yōu)先于減少退化、減少退化優(yōu)先于生態(tài)恢復(fù)”;于昊辰等[4]在2020年首次將LDN框架引入礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，可為黃河流域生態(tài)修復(fù)策略提供借鑒。黃河流域自然環(huán)境條件迥異，不同區(qū)段煤炭資源稟賦、土地退化狀況等差異懸殊，其修復(fù)策略需要兼顧自然環(huán)境本底與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。黃河流域分區(qū)差異化的生態(tài)修復(fù)策略見表6。

表6 顧及區(qū)域差異與需求層次的黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)策略Table 6 Ecological restoration strategy of coal mining area in the YRB considering regional differences and demand levels

不同目標(biāo)需求下礦區(qū)生態(tài)修復(fù)內(nèi)容順序及策略選擇的優(yōu)先度差異顯著。黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)要立足于流域整體性、要素差異性、功能系統(tǒng)性視角，堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的方針?！白匀换謴?fù)為主”并不意味著否定人工修復(fù)的重要性，特別是中上游干旱半干旱區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)演替較慢，針對(duì)這些嚴(yán)重退化甚至徹底破壞的生態(tài)系統(tǒng)，前期必須輔以引導(dǎo)型人工修復(fù)。此外，無論生態(tài)保護(hù)、自然恢復(fù)還是人工修復(fù)，都不能簡單的作為生態(tài)修復(fù)的惟一策略，還要兼顧水、土、氣、生、巖的自然本底差異性，針對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化程度及其生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)進(jìn)而綜合判定。值得注意的是，生態(tài)修復(fù)目標(biāo)并非越高越好，也并非任何區(qū)域都要實(shí)現(xiàn)高于退化前水平的修復(fù)成效，而是要考慮其修復(fù)后的自穩(wěn)定性與自維持性。需立足黃河流域不同區(qū)域的氣候條件、水土條件與本土物種等因素，綜合判定黃河流域差異化生態(tài)修復(fù)與“山水林田湖草沙”配置模式。

5 結(jié) 語

煤炭在我國的能源主體地位沒有變，黃河流域資源環(huán)境緊約束態(tài)勢(shì)沒有變。但黃河流域地域跨度大、礦區(qū)分布多，煤炭開發(fā)與生態(tài)保護(hù)間的矛盾凸顯。為此，本研究測(cè)度了地(市)級(jí)尺度的資源環(huán)境承載力指數(shù)與礦區(qū)尺度的煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度，并揭示了2者的耦合協(xié)調(diào)度。研究發(fā)現(xiàn)，黃河流域資源環(huán)境承載力整體呈下游>中游>上游的空間格局。下游煤炭資源瀕臨枯竭、中游生產(chǎn)規(guī)模趨于穩(wěn)定，上游蒙、寧、甘3省區(qū)可逐步作為未來中國煤炭資源接替區(qū)，但木里礦區(qū)不適于大規(guī)模開發(fā)。隨著煤炭重心西移，晉、陜、蒙、寧4省區(qū)的部分煤礦區(qū)煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度已然與資源環(huán)境承載力不相匹配，亟需改進(jìn)或退出。可見，黃河流域煤炭資源開發(fā)歷史遺留問題較多、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，點(diǎn)上問題亟待解決、線上問題不容忽視、面上問題更需重視。建議未來黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)立足“山水林田湖草沙”系統(tǒng)思維，按青甘保育區(qū)、蒙寧陜風(fēng)沙區(qū)、晉陜黃土區(qū)、豫魯平原區(qū)四大區(qū)域劃分，實(shí)施分區(qū)管控、分類治理、分級(jí)修復(fù)、分步推進(jìn)，堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)與修復(fù)并舉、自然恢復(fù)與人工修復(fù)并重，以期為黃河流域生態(tài)保護(hù)與煤炭高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施提供科技支撐。

致謝部分資料數(shù)據(jù)得到國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“西部重點(diǎn)礦區(qū)土地退化因素調(diào)查(2014FY110800)”、自然資源部國土空間生態(tài)修復(fù)司研究課題“山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)技術(shù)集成前期研究”、自然資源部國土整治中心“‘兩礦區(qū)’礦山生態(tài)修復(fù)和環(huán)境治理研究”等項(xiàng)目的支持，在此致謝！