煤炭矿区生态风险识别探究

矿产采掘业是对自然生态环境进行直接破坏的产业。不同的矿种、不同的开采方式和不同的自然环境背景下，采矿对生态环境的影响方式和程度不尽相同。在众多矿产资源中，煤炭是我国最主要的能源物质，在一次能源中所占比例约70％，其开采对当地自然生态环境造成的破坏是显著的，所引起的生态环境问题已经成为各煤炭大省所面临的重要生态环境问题之一，生态风险的增强和生态脆弱性的增加已经影响到当地居民的生活质量甚至生命财产的安全，各地政府及相关领域学者已开始广泛重视。生态风险是一定区域内具有不确定性的事故或灾害对生态系统及其组分所可能产生的不利影响［1］。生态风险评价即确定发生上述不利生态效应的可能性的过程［2］。生态风险识别是在进行评价前，认识并确定区域内存在的危险源，查找、列举和描述风险事件、风险源、风险后果等风险要素的过程，包括风险源识别、风险受体识别、暴露—响应过程识别和生态终点识别［1］。风险识别是风险研究的基础，能否科学、有效地对多风险源及相应的风险受体之间复杂的暴露—响应过程进行分析，对该系统的风险评价研究至关重要。通过进行风险识别，才能够构建风险评价体系，进行风险评价，而其最终目的是进行风险管理和风险防范［3］，其框架关系如图1。在本研究中，煤炭矿区生态风险识别在空间范围上覆盖了采矿活动所能影响和扰动到的区域，在这一区域内采矿活动对生态系统具有直接作用。在目前的生态风险研究中，学者多关注于风险的评价方法和指标体系的构建，对生态风险识别缺少系统性论述。而在煤矿区，对于单一生态风险源（如土壤重金属污染、地表塌陷等）的研究已经趋于成熟和完善，但综合性的煤矿区生态风险识别研究仍较少。本文明确了矿区生态风险识别的内涵和目的，根据典型煤炭矿区生态系统特点和煤炭开采对矿区生态环境的影响，提出了煤炭矿区多风险源的生态风险识别流程，构建了典型煤炭矿区生态风险因果链，并对其识别方法进行了梳理。

1煤矿开采对生态环境的影响

煤炭开采工艺可分为露天开采和井工开采两种，以不同的方式对矿区当地生态环境造成破坏。我国的煤炭资源以井工开采为主。为了明晰煤炭开采对生态环境的影响方式，为后续的风险识别工作进行铺垫，需对其影响方式和基本作用机理进行分析。本研究将采矿活动对生态环境的扰动归纳为土地破坏和环境污染两类，二者综合造成了矿区生态退化（图2）。

2煤矿开采对生态环境的影响

煤炭开采造成的土地破坏可分为土地挖损、土地压占和土地塌陷3个亚类［4］，露天煤矿以挖损和压占为主，井工煤矿以压占和塌陷为主。2000—2009年我国煤炭资源开采损毁土地5534万hm2，对土地资源造成了极大的消耗和损伤［5］。土地破坏还可能进一步导致局部地质灾害的发生，如滑坡、泥石流、土石流、矿震等［6］。环境污染可分为固体废弃物污染、废水污染和废气污染3类，露天开采和井工开采的污染方式基本类似。除污染物的直接排放之外，土地破坏也可能引发次生的环境污染。例如煤矸石堆放不仅压占土地，其中所含的重金属元素还会在雨水淋溶作用下迁移并污染土壤和水体，煤矸石自燃又会产生SO2、CO和CO2等有毒有害气体，是大气污染的重要污染源。土地破坏和环境污染综合作用导致矿区的生态退化，发生生态系统的结构损坏和功能缺失。同时，在脆弱的生态环境下，生态退化会进一步加剧土地破坏程度，例如在干旱—半干旱地区，煤炭开采会加剧土地沙漠化、土壤侵蚀和水土流失［7－8］；在潜水位较高的区域，地表塌陷会引发地面积水、土壤盐渍化等后果［9］。这一正反馈机制会导致矿区生态环境的恶性循环，进一步加大生态治理和风险防范的难度。即使在闭矿后，矿区生态环境也可能继续恶化，需要较长时间的治理和复垦才可能恢复。2煤炭矿区生态风险识别在目前国内外常用的生态风险评价体系和方法中，风险识别通常作为风险评价中的一个或几个环节，较少单独提出进行研究。例如，Hunsaker79等［10］提出的区域生态风险评价概念模型中，将风险评价总结为5个环节，其中“终点选取”和“风险源的定性和定量描述”两个环节即属于风险识别内容；PETAR方法［11］（procedureforecologicaltieredassessmentofrisks）中提出“三级风险评价”，其中“初级评价”即是对风险源、风险受体和评价区域的识别；在Landis［12］构建的相对风险评价模型所包含的9项内容中，也并未提出“识别”的概念，而是将对区域的选择和划分，风险源、受体及评价终点概念模型的建立等属于风险识别的内容融合到风险评价的方法中去。风险识别在风险评价研究中通常被作为风险评价的前期准备工作，或直接融入风险评价过程中，对于风险识别的内涵尚缺乏共识的界定。例如，姚兰［13］在洞庭湖进行的生态环境风险识别与评价研究中，将环境风险因子的识别与相应的评价指标选取相结合，由此将识别与评价结合起来。在许学工等［14］针对自然灾害进行的风险评价中，通过对风险源、风险受体和脆弱性评价因子的分析，完成了风险识别的内容，但并未明确使用风险识别这一概念。高铁军等［15］在采矿塌陷区进行风险识别时，将塌陷区修复中可能遇到的风险进行分类和分析作为风险识别的研究内容。焦锋［16］提出了较为具体的风险识别概念模型构建方法，采用加权打分法来对驱动力、风险源、风险因子和评价终点进行分析，确定其危害强度。常青等［17］针对矿区土地破坏生态风险构建了风险因果链作为风险评价的基础，并探讨了风险源、风险受体和生态终点的选取和定量表征方法，在矿区生态风险综合识别与评价方面做出了有益的拓展。本研究认为，广义的风险评价研究包括风险识别、风险分类和狭义的风险评价，狭义的风险评价即是对生态风险发生概率的定量化研究，而风险识别则是对生态风险的定性和半定量化认识。煤炭矿区生态风险识别的内容是筛选矿区范围内的风险源和风险受体，通过定性和半定量的方法对其进行甄别，判断区域内是否受到各个风险源的影响，并对风险源作用于风险受体的暴露—响应过程进行分析，确定生态终点。其识别结果是构建一个详细的生态风险因果链，明晰风险源、风险受体、生态终点及其之间的相互作用关系，搭建起矿区生态风险多源多受体的网状因果体系。本文将矿区生态风险识别分为风险识别流程和识别方法两部分进行论述。矿区生态风险识别流程包括矿区生态风险综合调查、风险源识别、风险受体识别、暴露—响应过程识别、生态终点识别、因果链构建6个步骤。矿区生态风险识别方法是在风险识别中判定风险源及风险受体是否存在、确定其空间位置和风险影响程度的方法，在具体研究中常作为风险评价的一部分进行。

3煤炭矿区生态风险识别流程

31综合调查在进行矿区生态风险识别之前，需要先对该矿区进行综合调查，认识矿区生态环境特征及采矿活动的特点和扰动方式。内容包括地形地貌、地质条件、水文条件、气象气候、植被、土壤以及矿业生产活动等。通过资料收集、遥感影像分析、现场调研、实地测量与监测、问卷调查、入户访谈等方式获取数据，并了解矿区自身特点，为后续的风险源识别工作奠定理论依据和数据基础。32风险源识别由于人类采矿活动对矿区生态系统起主导作用，因此在矿区生态风险识别中，侧重关注人类生产活动对自然生态系统的影响和破坏，风险源识别工作也围绕着采矿活动对生态系统的扰动展开。在现有研究中，程建龙等［18］将煤炭开采中的挖损、压占等土地破坏和有毒有害物质的污染作为露天煤矿的风险源。田大平等［19］也相类似地选择了土地破坏和有毒有害物质污染两个方面作为风险源。马萧等［20］将采矿活动引起的土地利用及景观格局变化作为主要风险源。贾媛等［21］则从人为风险源角度选取了煤炭开采、矸石堆放、道路修建、污染物排放等作为风险源。这些研究由于研究背景、研究目的和应用方向的不同，对风险源的识别也侧重于不同的角度。本研究考虑到煤炭开采对生态系统的影响方式，将生态风险源分为土地破坏和环境污染两类。其中，土地破坏包括土地挖损、土地压占、土地塌陷；环境污染包括固体废弃物污染、废水污染和废气污染。由于煤炭开采扰动的多面性和多源性，上述风险源之间存在一定联系。例如，固体废弃物既会导致重金属污染，同时也会造成土地压占。但上述风险源具有不同的表征、研究方法和治理措施，因此仍将其列为不同的风险源进行识别。33风险受体识别生态风险受体是暴露于胁迫因子下的单个或一组物种、生态系统的功能特征、特殊生境等［22］。矿区生态系统组分极易受到采矿活动的扰动和影响，成为生态风险的受体。矿区生态风险具有多风险源交叉影响的特点，因此一个风险源，可能对多个风险受体产生不利影响，一个风险受体也会受到来自多个风险源的作用。土地破坏类风险源以土地系统为风险受体，具体包括土壤、岩层、地貌、水体及植被；环境污染类风险源的受体则包括大气、土壤、水体、植被和动物。在实际研究中，考虑到资料的可获取性、数据的可监测性等因素，一般选择地质地貌、土壤、植被、水体和大气作为风险受体。部分矿区具备动物监测条件，可选择生活在矿区的动物（如鱼类）作为风险受体进行研究［23］。34暴露—响应过程分析暴露—响应过程分析是对风险受体对风险源暴露途径过程的分析［22］。风险源通过一系列复杂、综合的生物地球化学过程作用于风险受体，并导致相应的生态终点。对煤炭矿区生态风险而言，主要过程包括直接物理作用、水循环、食物链、风化作用、侵蚀作用、重力作用、扩散作用等。这些过程的识别和分析建立在对相应自然规律充分认识的基础上，通过资料收集、实地采样监测等方式判定。35终点识别生态终点指在生态风险源的作用下，生态风险受体可能受到的损害，以及由此发生的区域生态系统结构和功能的损伤。矿区生态风险终点有别于一般区域生态风险终点之处在于着重强调采矿活动对生态系统带来的损害，由于自然生态过程所产生的后果不在本研究的考量范畴内。不同的风险受体会伴随不同类型的生态终点。对地质地貌要素，会导致矿震、地裂、滑坡、泥石流、崩塌等生态终点；对土壤要素，会导致土壤重金属污染、土壤结构破坏、土壤微生物环境破坏、土壤理化性质改变、水土流失、土壤退化等；对植被要素，会导致植被破坏、植被退化、生境破碎化、植被多样性降低、病虫害等；对水体要素，会导致地表水系改变、地下水贮存条件改变、地下水位下降、水环境污染等；对大气要素，会导致大气粉尘污染、温室气体含量上升、有毒有害气体污染、酸雨等；这些最终会导致生态系统的结构损伤和功能缺失；对动物，除导致生境破碎化、物种多样性降低之外，污染造成的影响更为严重，会导致动物生长性状受损。36风险因果链构建因果链分析是风险识别方法的一种，运用故障树和事件树等逻辑分析方法，以事件组潜在的因果关系为基础，在事件的成因和后果之间建立链条，构成多成因多后果的风险因果体系［2］。因果链分析在流域生态风险识别、区域生态风险识别和不同生态系统的风险识别中都有应用。由于矿区生态风险具有显著的多风险源、多风险后果的特征，本研究选择风险因果链方法作为典型的矿区生态风险识别方法，基于煤炭开采的基本工序，通过上述风险源、风险受体、暴露—响应过程和终点的识别，构建风险因果链（图3）。从风险源的类型来看，土地破坏类生态风险源，主要通过直接物理破坏、风化、侵蚀和重力等作用及水循环过程，对地质地貌、土壤、植被、水体和大气产生影响，其后果通常是对生态系统组分的破坏和对原有地质地貌条件的改变，同时也会产生次生生态影响，如地形破碎和地表植被破坏加剧水土流失和土地荒漠化，生境破碎导致生物多样性降低等。而污染类生态风险源主要通过扩散作用、水循环和食物链对土壤、水环境、大气、植被和动物产生影响，其后果通常是对生态组分的污染，其中主要是土壤重金属污染、水体重金属污染、大气粉尘污染、大气温室气体含量增加、酸雨等，在一些矿区由于生物体的富集作用，污染物特别是重金属元素随食物链在生物体内积累，高浓度的污染物会随生物遗体回到土壤和水体中造成进一步的污染，更有可能被高等动物所食用，产生缓慢但具有区域性的毒害作用。这些生态后果将导致生态系统的结构损坏和功能丧失，生态系统健康下降，并可能引起生态系统结构由复杂向简单的逆向演替。

4煤炭矿区生态风险识别方法

煤炭矿区生态风险识别常用的技术方法包括“3S”技术、实地采样与实验室分析相结合的方法和问卷调查与访谈方法。其中，“3S”技术以遥感和GPS为获取数据信息的主要手段［24－26］，以GIS技术为主要分析手段［27］；实地采样和实验室分析常用于对土壤、水体和大气污染物的识别，判定污染物是否存在、浓度是否达到可被作为风险源的阈值［28－29］；问卷调查和访谈通常作为一种获取数据的辅助手段。煤炭矿区生态风险是区域生态风险中的一类特例，部分区域生态风险研究中的基本方法也能够应用于煤炭矿区的风险研究中。在区域生态风险研究中，上述基于风险源—风险受体—生态终点因果关系的方法是一种基本的研究思路，在此基础上不同的学者构建了若干不同的生态风险评价方法，包括前述中的PETAR方法等。尽管风险识别是为后续的风险评价、风险管理和防范铺垫基础，但在实际风险评价研究中，特别是在目前常用的基于景观生态指数的评价方法中，风险识别步骤经常被忽略，而直接对指标进行筛选和运算。然而，这并非意味着风险评价不再需要进行风险识别，而是通过指标筛选的过程对风险受体和风险源在研究区的影响作用进行了识别。例如，风险评价中常用的PSR模型（压力—状态—响应模型）及其改进模型，压力指标即指人类活动对自然生态系统的扰动和胁迫［30］，属于风险源范畴；评价指标是区域内风险源、风险受体和生态风险的定量化表征。因此，风险识别在实际案例研究中，除可以通过上述技术方法对风险源和风险受体进行有针对性的识别外，也可以直接通过风险评价过程实现。在这种情况下，对风险评价各指标的筛选和对量化指标阈值的确定就成为风险识别中重要的一环。本文根据煤矿区的生态风险特征，提出了针对煤矿区的风险源和风险受体识别与诊断指标。其中，风险源特征及各风险亚类的识别指标如表1，在此基础上界定阈值即可进行风险源破坏程度的判定和识别。而风险受体的诊断和识别则包括生态系统功能完备性和生态组分安全性两个方面，生态系统功能完备性的常用诊断指标，包括生物多样性、生态系统服务和生态系统健康3个方面（表2）；生态组分安全性诊断方法包括实地检测、遥感监测、采样分析和问卷调查，分别适用于不同生态组分的诊断指标，在实际工作中可以根据矿区的特点和数据的可获得性进行选择（表3）。

5结语

煤炭矿区生态风险不同于一般区域生态风险，人类采矿活动对矿区生态环境的影响与扰动是其生态风险研究的重点。由于这一特殊性，一般区域生态风险识别方法不完全适用于矿区，需要构建符合矿区特点的生态风险识别方法。本研究对现有生态风险识别研究进行了梳理和总结，提出了矿区生态风险识别的内容、流程，并总结了常用的理论方法和技术手段；基于典型煤炭矿区特点，构建了生态风险因果链模型，为矿区生态风险评价提供理论基础。总体来看，风险识别作为风险评价的一部分，仍缺少系统性的研究。在煤炭矿区生态风险研究中，风险识别的实际内容往往体现在单一风险源的识别中（如塌陷区识别、重金属污染的识别等）已趋于成熟，而多风险源的综合风险识别尚未得到广泛关注。其中，诊断指标的选取和指标阈值的确定是风险识别研究的重点。如何筛选诊断指标，将矿区内影响显著的风险源表征出来，影响到后续风险评价工作的准确性和科学性。而指标阈值则是风险识别研究由定性向半定量、定量转变的重要环节，是耦合风险识别与风险评价的关键。如何确定指标阈值，指标超出多大范围才需要进行生态风险预警，这关系到风险源、风险受体和生态后果的判定。目前，在煤矿区的生态风险研究中，环境污染类风险源引起的生态风险通常可以通过采样和实验室分析确定其浓度，并依据相应环境评价指标中界定的阈值进行筛选和判断；而土地破坏类风险源所引起的生态风险，多通过景观生态学方法进行识别和评价，如景观格局指数等，这些指标往往缺少阈值界定，这是后续研究需要着重进行考量的方面。

本文作者：韩忆楠刘小茜彭建工作单位：北京大学