煤炭开采沉陷对农田生态系统碳循环的扰动机理分析与影响评价研究——以潞安矿区为例

Coal mining causes serious ham on farmland ecosystems, but how to quantitatively evaluate the affect on the of NPP, CO2 and CH4 emissions, soil organic carbon storage of the farmland ecosystems taken by working face mining in mining area is a scientific issues.. All this questions can be solved through quantitatively analyzing the effect on the farmland ecosystems by mining. In this research project, taking Lu'an mining area as a study case, mining subsidence, ecology, biogeochemistry, agrology and agronomy, integrated methods such as literature comprehensive analysis, model building are applied to analyze the disturbance mechanism of farmland ecosystems by mining, to build DNDC-Mine which is fit for simulating the carbon cycling of farmland ecosystems in the mining area, to propose evaluation method for pre-evaluation of the affect on the farmland ecosystems (NPP, CO2 and CH4 emissions, soil organic carbon storage) taken by working face mining in mining area. The research results can be used as policy reference for the government to make low carbon land use policy, as new concept of the green mining technology restricted with carbon emission, as theoretical principle for low-carbon mine ecological restoration and low-carbon environmental governance.

煤炭开采对农田生态系统造成严重危害，但如何定量评价矿区工作面开采对农田生态系统的植被NPP、土壤CO2和CH4排放、土壤有机碳储量的影响？这些问题可以通过定量分析煤炭开采对农田生态系统碳循环的影响来得以明确。本项目山西代表性的矿区- - 潞安矿区为研究区，以生物地球化学理论为基础，结合开采沉陷学、农学和生态学等相关学科理论，利用文献综合分析、模型构建等研究方法，分析煤炭开采沉陷对农田生态系统碳循环的扰动机理，构建适用于沉陷区农田生态系统碳循环模拟的生物地球化学模型（DNDC-Mine），并以模型为基础提出对矿区待采工作面开采沉陷对农田生态系统碳循环影响（包括植被NPP、土壤CO2和CH4排放以及土壤有机碳储量的变化）进行预评价的评价方法。该项研究成果可以为政府制定煤矿区土地低碳利用政策提供参考，为探索在碳排放约束条件下新的绿色开采技术提供新的思路，为低碳型矿区生态修复和环境治理提供理论基础。

煤炭开采中耗能、耗电等的常规碳排放容易测定，但是煤炭开采对植被、土壤等碳库扰动的碳排放却研究极少，目前没有可靠的评估方法。本项目以生物地球化学理论为基础，结合开采沉陷学、农学和生态学等相关学科理论，利用文献综合分析、模型构建等研究方法，研究了煤炭开采沉陷对农田生态系统碳循环的扰动机理，并对其扰动影响进行了评价：. 首先，基于生物地球化学理论，分析了煤炭开采沉陷对农田生态系统碳循环的扰动机理，认为开采沉陷导致沉陷区生物地球化学场中生态驱动因素的改变，进而导致农田碳循环的改变。. 其次，对DNDC模型进行改进（DNDC-Mine），使模型具备对矿山扰动区农田生态系统碳氮循环进行模拟的能力，并以模型为基础提出对矿区待采工作面开采沉陷对农田生态系统碳循环影响进行预评价的评价方法。进一步，选取典型矿区对上述预评价方法进行实例验证，得到了煤田工作面开采沉陷对农田生态系统碳循环扰动影响预评价的评价结果，而且获得了该评价方法的评价精度（75%以上）。. 再次，选取矿山开采沉陷区，研究了土壤有机质（碳）以及其他养分与地形因子在采煤流域（汾河流域内）的位置-尺度相关性，发现土壤有机碳含量和地形因子在所有位置的大尺度层面上都存在相关性，但相关性在32-72km尺度上不显著。煤炭开采沉陷后土壤碳库碳储量和植被碳库碳储量比开采前分别减少了9.1万吨和2.4万吨。煤炭开采对土壤碳库和植被碳库的扰动属于失碳（碳源）效应。. 最后，基于DNDC-Mine模型，获得了研究区的采煤沉陷稳定区农田低碳耕作模式优化策略。耕作优化措施如下：①将采煤沉陷坡度控制在12°以内，以减小采煤沉陷坡面对产量和温室气体排放的影响；②即将常规施肥量提高到306 kg N/ha，耕深提高为30㎝，秸秆全部还田。. 项目的研究成果有助于将煤炭开采对生态、环境负面影响的外部成本纳入决策框架，同时可以为政府制定矿区土地低碳利用政策提供参考，为探索在低碳约束条件下新的绿色开采以及农业耕作技术提供新的思路，为低碳型矿区生态修复提供理论基础。