煤炭开采对陆地生态系统的影响及弹性模量研究：以中国露天煤矿为例

《Scientific Reports》：Impact and elastic modulus of coal mining on terrestrial ecosystems

本研究聚焦煤炭开采对陆地生态系统的影响，通过分析中国露天煤矿的生命周期与生态系统演替，量化其生态影响，并构建生态系统弹性模量模型，为绿色煤炭开采及生态恢复提供理论支持与实践依据，助力实现碳达峰与碳中和目标。

　　煤炭作为我国主要能源，在推动社会经济发展的同时，其开采活动不可避免地对陆地生态系统造成影响。本研究以中国露天煤矿为案例，深入剖析煤炭开采的生态影响及恢复措施，为绿色煤炭开采提供科学依据。

研究背景与意义

煤炭是我国重要的基础能源，在保障能源供应和推动社会经济发展中发挥着关键作用。然而，煤炭开采尤其是露天开采，对陆地生态系统造成了显著的破坏，包括地形地貌改变、植被破坏、水资源污染、土地退化等问题。随着全球对低碳经济和可持续发展的关注，如何在煤炭开采过程中实现生态保护与资源利用的平衡，成为亟待解决的问题。本研究以中国露天煤矿为研究对象，通过分析其生命周期与生态系统演替过程，量化煤炭开采对陆地生态系统的影响，并构建生态系统弹性模量模型，旨在为绿色煤炭开采及生态恢复提供理论支持与实践依据，助力实现碳达峰与碳中和目标。

研究方法

研究团队采用多种技术方法开展研究：一是利用遥感数据结合煤炭生产信息，定量评估露天煤矿开采对陆地生态系统的影响；二是结合生态弹性理论，构建生态系统弹性模量模型，考虑景观多样性、植被覆盖、土地类型和气候因素等，建立生态阈值识别的概念模型。

研究结果

煤炭开采生命周期与生态系统演替

研究将煤炭开采区域的生命周期划分为四个阶段：初始阶段、加速阶段、稳定阶段和衰退阶段。在加速和稳定阶段，煤炭开采对生态系统的负面影响呈长期增长趋势，导致生态系统关键要素逐渐超过阈值，生态系统失衡并严重受损，甚至发生退化或极度退化。研究还发现，煤炭开采区域的生态系统演替类型包括：陆地演替形成新的陆地生态系统、陆地向水生生态系统的转变，以及两栖共生生态系统的形成。

煤炭开采对陆地生态系统的影响量化评估

2022年，中国五大露天煤矿因煤炭开采活动受影响的区域约为0.02%的国土面积，全国所有露天煤矿受影响区域合计约为0.13%的国土面积。研究表明，露天煤炭开采活动对地表影响显著。

生态系统弹性模量模型构建

研究基于生态弹性理论，构建了煤炭开采区域生态系统的弹性模量模型，考虑了景观多样性、植被覆盖、土地类型和气候因素等。通过引入生态系统综合完整性指数（Ecosystem Comprehensive Integrity Index, ECI），开发了识别煤炭开采区域生态阈值的概念模型。研究表明，在煤炭开采区域生态系统弹性模量的三个生态阈值——弹性点、屈服点和突变点——处，生态系统综合完整性发生显著变化。这些阈值与煤炭开采规模、开采技术和煤炭开采区域的服务寿命密切相关。

研究结论与讨论

本研究明确了煤炭开采活动对陆地生态系统的影响，揭示了煤炭开采区域的生态演化过程，并提出了基于生态弹性理论的生态系统管理方法。通过构建生态系统弹性模量模型和生态阈值识别模型，为煤炭开采过程中的生态系统变化管理提供了理论参考和实践基础，使煤炭开采区域的生态恢复更具针对性和具体性。研究结果对于推动绿色煤炭开采、实现碳达峰与碳中和目标具有重要意义。未来研究可进一步通过多个煤矿案例验证模型的有效性，并探索不同煤炭开采技术对生态系统弹性的影响。