草原占我国国土总面积的40%，是面积最大的陆地生态系统，具有固碳、保护生物多样性、涵养水源等生态功能[1]。内蒙古自治区是我国主要的草原分布区，同时拥有丰富的煤炭资源，截止2016年底累计查明煤炭储量达10 246亿t，居全国各省区煤炭储量的首位[2-4]。黄河流域是能源流域，兼具生态环境治理和经济社会发展的重任，一直以来受到国家的高度重视。内蒙古自治区位于黄河中上游地区，该地区煤炭产业是黄河流域中上游的主要经济支柱行业之一。煤炭资源大规模开采引起草场退化、地下水位下降、生物多样性减少等生态问题，经过长期累积和空间外扩，对矿区及周边地区生态产生严重负面影响[5-9]。国家高度关注草原生态问题，2020年党的十九届五中全会提出“推行草原森林河流湖泊休养生息”，草原被放到了最前面，说明保护草原生态的重要性和紧迫性。煤炭大规模开采加剧了水土流失和污染，导致沙漠化进程加速以及耕地生产力的持续下降。
内蒙古东部属于干旱半干旱地区，年降水量低于400 mm，生态环境极其脆弱。区内有胜利、伊敏、元宝山、霍林河等多个大型露天矿以及锡林郭勒大型煤电基地等。煤炭开采及相关产业的快速发展对当地生态环境造成了剧烈破坏[10-12]。2000—2009年，伊敏露天矿煤炭开采造成地下水水位累积下降27.2 m，产生固体废物约4.5万t[13]。2012年初步调查，呼伦贝尔市因采煤造成的地面塌陷约36 km2，废石场占地累计10.3 km2，地下水漏斗24 km2，土地污染10 km2[14]。目前，呼伦贝尔草原以每年2%速度退化，其中煤炭采掘过程中剥离的松散沙土在风力作用下掩盖农田与草地是造成草原退化的重要原因之一[15]。因此，在推进黄河流域生态环境保护与高质量发展国家战略背景下，内蒙古东部草原矿区生态问题治理刻不容缓。
煤炭资源大规模开发利用过程中产生的生态效应具有时间累积性和空间延展性。当累积效应超过区域生态环境容量，将会给地域自然及社会生态系统带来不可逆转的破坏。依据外部条件的影响程度和当地的社会系统的特征，可以表现出不同的生态累积效应过程和结果。就我国干旱半干旱地区的草原生态系统而言，在一定时间内，生态系统的结构和功能处于相对稳定状态，在受到工业、放牧及采矿等外部活动长期干扰时，草原生态系统平衡被打破，部分生态系统组分能够通过自我调节恢复到初始的稳定状态，关键组分一旦超过安全阈值则难以恢复，甚至会影响其他相关组分的稳定性，导致生态系统结构及功能发生改变，生态系统产生动态演变[13,16]。因此，研究煤矿发展过程与草原生态系统演变的相互关系十分必要。笔者针对内蒙古东部典型干旱半干旱草原矿区煤炭长期开采引起的生态累积问题，通过分析矿区发展与草原生态演变的关系、草原矿区生态累积特征及关键生态要素的累积响应特点，揭示草原矿区生态累积效应机理。
1 干旱半干旱草原矿区相关研究
1.1 干旱半干旱草原矿区的内涵
由于认识和应用目的的差异，关于矿区(Mining Area)内涵具有多种解释。采矿规划强调矿区由若干矿井及其附着设施组成，即采矿工业涉及的相关地域空间，一般为地下埋藏的矿产资源开采及其地表影响范围，空间上具有有限性和连续性。行政管理部门则认为矿区是井田及其所属行政机构的合称。而多数学者明确指出矿区是基于矿物开采和加工等相关产业发展，促使人口聚集形成社区，即特定地理空间范围内的社会群体所在的区域，并具有自身的特征[17]。从上述概念可以看出，矿区具有区域性、矿业主导性和社会性3个基本特征。
国内外学者对草原矿区(Grassland Mining Area)的内涵并没有明确的解释。根据我国草原煤矿的分布(图1)，结合学者、环保机构等对草原煤炭开采引起的生态问题进行的学术研究、专利申请及技术规范[18-20]可以得出，草原矿区具有3个基本特征:① 处于干旱半干旱气候区，地表植被形态以草本植物为主;② 重要的草原放牧区，畜牧业在区域经济中占重要地位;③ 地下蕴藏有一定储量、一定种类的矿产资源的区域，并且在开采区域内形成相对完善的生产及生活设施。
图1 中国草原-牧区-煤矿大致分布
Fig.1 Distribution of grassland,pasture and mines in China
1.2 干旱半干旱草原矿区生态要素
干旱半干旱草原矿区生态系统是涵盖社会、经济、生态和资源为一体的复合大系统。当前，学者对草原矿区生态的关注重点是生态服务功能及生态健康的评价。干旱半干旱草原矿区生态指标能够以量化形式反映草原生态环境局部或者某一方面的特征和状态，能够刻画草原表面生态和环境的生物、物理与化学参数。因此，通过选取草原生态适宜指标能够更好的了解草原的变化趋势。
部分学者依据草原生态系统的特征，分别从物质环境、结构及功能方面选取基础生态要素(如水环境、土壤环境、大气环境及其他生物环境等)、种群结构、景观结构、生产生态功能等指标[21];部分学者则从草原的生产、生态两大功能选取畜产品单位、植被盖度、废弃物处理情况、固碳吐氧量、生物多样性等指标[22];另有部分学者将草原划分为典型草原、草甸草原、荒漠草原及高寒草原，分别选取各类型草原的生态指标，如典型草原区的草地覆盖率、理论载畜量、湿润度等，草甸草原区的叶面积指数、物种综合优势比、物种丰富度等，荒漠草原的年降水量、干燥度、土壤腐殖层厚度等以及高寒草原的优势物种覆盖度、土壤有机质含量、草地覆盖度等指标[23-26]。草原矿区景观格局中，草地、沙地、水域等面积变化作为显性的指标，能够直观反映采矿活动产生的生态影响，但一些隐性指标存在的生态风险在短期内不易察觉，其显化需要过程。因此，分析生态要素指标及其特性是草原矿区生态累积效应研究的关键。
2 干旱半干旱草原矿区生态效应评述
2.1 矿区生态累积效应与特征
煤炭资源开发的时间持续性、空间扩展性和人类活动强干扰性，使矿区生态累积效应显著，主要表现为地形地貌的改变、景观格局转变、水土流失加剧、植被退化和土壤重金属污染等，具有多源性、复杂性、时空累积性、阈值性。
考虑煤炭开采宏观生态影响，王行风等[27]认为矿区的生态累积效应是各种生态效应在时空尺度上的累积，指矿区生态环境系统在过去、现在和未来的可预见的外力作用，其中主要是与煤炭资源开采相关的人类活动的影响，产生的响应及变化结果，而各种变化间同时具有一定的相关性，呈现时空两方面的表现特征，且形式复杂。从地球化学的微观角度来讲，赵元艺等[28]认为累积环境影响是指元素在金属矿开采前、开采过程中、闭坑后几个时间段内的元素迁移及沉淀在特定环境下综合作用的总体效应。综上，探究草原矿区生态累积效应，需要宏观分析煤矿在投产、达产、丰产、稳产及衰退各个阶段的土地覆被、植被演变效应，同时微观分析关键生态要素在整个生命周期的迁移及沉淀效应。
2.2 矿区生态累积效应评估与文献评述
关于矿区生态问题研究具有要素单一性和研究时段性。生态要素方面，矿区水、土壤、植被、大气等是研究的重点[29]。研究时段方面，重在分析矿区某一时间节点或者时期内矿区的生态问题[30]。生态累积的复杂性和时空积累性决定了矿区生态效应的研究不能局限于某一时间点或时间段的一种生态要素，而要从煤炭生命周期重要阶段(如开采初期、丰产期、衰退期等)出发，研究矿区生态系统各要素相互作用共同产生的累积效应。
国内外关于生态累积效应的研究相对较多。理论方面，解释了生态累积效应的概念及特征、煤矿区生态累积效应的影响源识别、累积途径及效应类型;方法方面，主要包括地理信息系统、系统动力学、解释结构模型等定量与定性方法;涉及区域方面，包括流域、湿地、煤矿区等。但是，关于干旱半干旱草原区煤炭资源开发的生态累积效应研究相对较少，已有研究只是针对草原区煤电开发的生态累积效应识别的理论研究，并没有系统性进行草原矿区生态累积效应机理分析。而草原矿区生态累积效应程度如何？已有模型方法是否适合草原矿区生态效应的定量分析？这些问题并没有深入研究。因此，总结草原矿区生态累积效应理论、定量评估草原矿区生态效应累积程度是亟需解决的理论与实践问题。
3 草原矿区生态累积效应过程与特征
3.1 煤矿生命周期分析
煤矿服务年限常依据矿区划定范围内的煤炭资源储量而定。根据矿山开采方案，经过前期勘察规划、建成开采、投产达产等阶段后，理论上应按照要求经历长期的稳产阶段。已有研究多将煤矿生命周期大致划分为规划期、建设期、投产期、达产期、稳产期、衰退期[31]。然而，在实际开采过程中，随着开采技术的改进及设备的增加，生产规模不断扩大，进入丰产期，之后逐渐降低至稳定。丰产期由于开采量大，对生态扰动较为明显，需特别强调重视。本文将煤矿生命周期划分为规划阶段、建设阶段、投产阶段、达产阶段、丰产阶段、稳产阶段、衰退阶段、闭矿阶段，如图2所示。
图2 煤矿生命周期阶段划分
Fig.2 Division of coal life cycle stages
3.2 草原矿区生态系统演替
3.2.1 草原生态系统演替特征
草原生态系统是以饲用植物和草食动物为主体的生物群落与其生存环境共同构成的有一定界面的动态开放系统。草原生态系统演替不仅是生态系统表现在时间序列上的替代，同时是生态系统在空间上的动态演变。
草原生态系统的空间格局及过程一直呈现运动状态，即物质流、能量流及信息流的流动与交换、生长与死亡、竞争、扩散与缩减等，在没有干扰条件下，运动从不间断。自然及人为干扰作为草原生态系统演替的内、外在驱动力，共同作用引起生态系统的对称性破缺，从而推动系统的正向和逆向演替。如气候条件变化，气温升高、降雨量减少及极端天气的出现，对干旱半干旱的草原地区影响尤其显著，由于蒸发量加大，牧草生长发育受阻，优势草种比例下降，草地呈现逆向演替，冬春季气候变暖利于蝗卵孵化，导致蝗虫数量增加，对草原生态系统产生负面影响。草原垦殖、过度放牧、煤炭开采等干扰活动改变了草原的组成、分布范围及空间布局，其强度和规模远大于自然干扰。
3.2.2 煤炭开采干扰草原生态系统空间演变
根据煤矿生命周期各阶段的特征，可将其归纳为4个发展时期，即发展初期(规划阶段、建设阶段)、加速发展期(投产阶段、达产阶段、丰产阶段)、稳定发展期(稳产阶段)、发展衰退期(衰退阶段、闭矿阶段)，如图3所示。
煤矿发展各时期生产组织重点不同，对草原生态系统的影响存在差异。发展初期，矿区主要建设生产、生活基础设施，产生固体废渣，以挖损、压占土地为主，草地破坏、物种迁徙，生态系统未受到显著的影响，如图4所示。加速发展期，随着煤炭开采量增加，煤炭运输、破碎加工等项目增多，生态要素如水、土地、植被等均受到影响。大面积的原始地貌被挖损，地下岩层破碎，表土堆放、矸石山数量不断增加，选煤水、生活污水排放，爆破、瓦斯泄露等造成的大气污染，生态系统稳定性遭到破坏，给生态系统造成的压力越来越接近阈值。
图3 草原生态系统演替与煤矿发展时期
Fig.3 Grassland ecosystem succession and coal mine development period
图4 草原矿区生态扰动示意
Fig.4 Ecological disturbance of grassland mining area
稳定发展期，虽然开采量无明显提高，但对生态的负面影响长期处于增长状态，生态系统的关键要素逐渐超过阈值，即环境容量，生态系统失去平衡，促使生态系统由受损转化为退化或极端退化状态，人类开始更加关注矿区生态问题，投入人力、财力、物力修复或重建生态系统。
发展衰退期，煤矿发展主要为3个方向:科技创新、平稳转型和闭矿。其中，煤炭开采量逐渐减少直至闭矿，生态系统趋于自我修复、稳定状态。科技创新、平稳转型则可能促使生态系统稳定，也可能产生新的生态问题，影响生态平衡。
3.3 草原矿区生态累积特征
草原矿区生态效应具有以下累积特征，其中前5个属生态累积效应共有特征，后2个属草原地区独有的特征:
(1)时间累积性。煤矿生命周期较长，生态影响可能早于煤矿开采行为产生，并迟于煤矿关闭结束。在煤矿开采建设之前，已开始对矿山进行勘察、地质调查等工作，物探、钻探、采样等勘查手段，对矿区生态产生微弱的影响。煤矿关闭后，废弃矿区汇集地下水缺少人为疏导未能及时排出，导致水位上升而淹没矿区及周边地区，地下采空区因长期缺乏维护造成大面积的地面塌陷、开裂。
(2)空间扩展性。随着煤矿发展，矿区人口规模不断扩大，相应的生活居住服务设施不断完善，矿区周边逐渐形成城镇、居民点等。煤炭开采、加工过程中产生的废水随地表径流进入周边河流，废气随大气交换扩散到周边地区。煤矿规划后，对周边地区牧区范围产生影响。
(3)累积源叠加或协同。呼伦贝尔市、锡林郭勒盟的煤矿不是单一分布，多以煤矿群分布，因此生态影响源不是惟一的。多个煤矿协同作用影响区域生态。对于单一煤矿来说，累积源也不是惟一的，比如水质的影响源，选矿废水、电厂污水、生活污水等都是主要的污水来源，而矸石山自燃产生的废气随降水落入地表河流，成为污水的来源。
(4)隐性与显性。煤矿开采引起的地表塌陷、水土流失及工矿、交通运输等用地面积增加、植被物种数量及种类的变化等属显性特征，而地下水位改变、生态系统演替、区域经济的发展等属隐性特征。经过时空累积，隐性会逐渐转化为显性，如地下水下降引起草地退化，土地荒漠化加剧。显性也会转化为隐性，如植被物种群落多样性及地表景观的改变终会导致区域生态系统发生演替。
(5)间接效应。煤炭开采会造成矿区周边地区草地退化，对区域牧业产生影响。地表塌陷引起农业生产水平下降。矿区工业污水的排放影响矿区内及周边地区生活用水及水生生物生长。
(6)阈值敏感性。生态累积效应强调阈值及触发点，在生态脆弱区，阈值具有敏感性。如干旱半干旱气候条件下较低的降水量及较高的蒸发量决定了水分是草原植物生长的关键制约因素。由于人类采矿的扰动导致区域下垫面性质变化，如草地变为塌陷区进而转化为坑塘用地，地表水体改变影响区域水循环、水量。
(7)生态功能可恢复性差。内蒙古东部草原矿区位于呼伦贝尔沙地、阴山北麓—浑善达克沙地，属于高度敏感区，生态环境较脆弱，一旦遭到破坏，超过生态环境阈值，修复难度较大，恢复时间较长。
3.4 草原矿区生态累积效应涵盖研究
由于外部条件的影响程度和当地的生态系统的特征差异性，生态累积效应在不同矿区、不同的生命阶段的表现形式不同，不同的累积形式组合在一起，具有较高的相关性。煤炭资源开采对草原地区生态影响种类较多，累积效应的途径及表现形式复杂，实际研究中难以做到全面分析。针对水、土、植被、大气等干旱半干旱区草原生态系统的主要生态要素进行分析。
(1)水环境累积响应。内蒙古东部草原地区水源主要来自于大气降水、地表河水、湖泊水及地下水。煤炭开采产生的工业废水、生活污水部分流入地表河流，部分下渗进入地下，部分蒸发进入大气，再通过降水进入地表水和地下水。长期的累积变化不仅影响区域水循环，对水量及水质均产生影响。
(2)土地环境累积响应。长期开采引起地下水水位下降，同时受干旱半干旱少雨气候的影响，草原植被发生退化，区域沙化、荒漠化严重。因煤矿发展建设的工业广场、生活居住区等，以及煤炭开采引起的地表塌陷、水土流失等，导致矿区及周边地区地表景观发生变化。煤炭生产及加工过程中产生的废水、废渣中的化学物质随着地表水进入土壤，造成土壤环境污染。
(3)植被环境累积响应。煤矿建设导致草地被硬化，煤炭开采造成草地的挖损、压占及塌陷。原始地貌中的植被物种减少，甚至消失。地下水位下降及污染也会引起植被退化。煤矿粉尘的排放通过影响矿区及周边地区的植被高度、盖度及密度进而影响植物的生长。同时，由于气温、水分的改变，会增加新的适生植物。
(4)大气环境累积响应。煤炭运输产生的扬尘、电厂煤炭燃烧排放的废气、煤矸石自燃产生的含硫化合物等都是大气中污染物的主要来源。大气污染的累积形式主要表现为空间扩散效应，由于风力、地形等影响，可以影响矿区周边更远区域。
(5)生物生态累积响应。矿区地表塌陷区长期积水，由陆地生态系统转化为水域生态系统。土地利用类型的变化，如草地转化为工矿用地，引起动物迁徙，植物群落数量及组成的变化，影响区域生物量，进而影响草原的碳排放。
3.5 基于趋势线分析法的植被生态累积效应示例
3.5.1 IGNDV值获取
植被是衡量地球生态系统的重要指标，在维系土壤、调节气候、反映生态环境等方面发挥重要作用。归一化植被指数(INDV)作为反映植被长势的重要参数常用于反映植被覆盖度的变化[32]。采用趋势线分析法，通过各年份生长季(4—10月)INDV值获取内蒙古东部地区35 a间(1981—2015年)每个像元年生长季最大值(IGNDV)，以反映INDV年际变化特征。
3.5.2 趋势线分析法
趋势线分析法能够清楚的表达栅格像元的变化规律，更好的体现研究区时间序列要素(IGNDV、气温、降水等)的时空变化特征。利用一元线性回归逐个分析栅格像元的变化趋势，并将线性回归方程的斜率定义为要素的年际变化趋势率sl[33]。sl具体计算如式(1)所示[34]。相关系数R可用于判定变化趋势的显著程度，R值的正负反映要素随时间变化的增加或减少，其显著性可用t分布检验，具体计算如式(2)，(3)所示。依据显著性检验结果，将变化趋势分为5个等级，见表1。
(1)
(2)
(3)
其中，sl为某一要素与时间年份拟合的一元线性回归方程的斜率，表示该要素的年际变化趋势;n为时间序列长度，n=35;i为年序号(i=1,2,…,35);xi为某一要素在第i年的数值。若sl>0，表明1981—2015年要素呈增加的趋势;若sl=0，表明1981—2015年要素无明显变化;若sl<0，表明1981—2015年要素呈减少的趋势。sl的绝对值越大，表明变化速率越大。
表1 变化趋势类型划分
Table 1 Classification of significant test results
变化趋势类型变化斜率显著性水平p极显著减少sl<0p<0.01显著减少0.01
3.5.3 1981—2015年内蒙古东部地区植被覆盖累积变化
根据计算，内蒙古东部地区植被覆盖度变化斜率sl的取值在-0.008～0.002，如图5(a)所示。依据斜率的显著性，对内蒙古东部地区植被时空变化趋势进行分级如图5(b)和表2所示。
图5 1981—2015年内蒙古东部地区植被覆盖度累积变化
Fig.5 Cumulative change trend of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia from 1981 to 2015
表2 内蒙古东部地区植被覆盖度累积变化趋势类型比例
Table 2 Cumulative change trend type ratio of vegetation coverage in eastern Inner Mongolia
变化类型栅格数量占总栅格数量的比例/%极显著减少1 16510.61显著减少6876.25基本不变6 73361.29显著增加7977.26极显著增加1 60314.59
内蒙古东部地区约61.29%的像元植被覆盖度变化不明显;通辽市的西北部、赤峰市的北部及呼伦贝尔市的中部地区约16.86%的像元植被覆盖度呈现减少的趋势;呼伦贝尔市的西部、兴安盟的南部、赤峰市及通辽市的西南部地区约21.85%的像元植被覆盖度呈现增加的趋势。
4 草原矿区生态要素累积效应与弹性调控
4.1 水环境累积源识别与表征
地表水环境和地下水环境构成了矿区水环境。煤炭资源开采工业活动及人类活动共同作用水资源系统，通过影响水量和水质进而影响水资源平衡，产生矿区水环境问题。
4.1.1 累积源识别与累积特征
矿区水资源工程系统主要包括供给和排水。其中，大气降水、地表河流及地下水是重要的补给来源，同时这3者构成了矿区水循环。矿区水环境累积特征见表3。
表3 水环境累积效应特征
Table 3 Cumulative effects of water environment
累积效应形式特征描述多源效应补给来源较多、多个矿井污水、矿井多个功能区的污水排放空间扩散效应地表水系、污染扩散时间累积效应水资源总量变化,污染程度加深阈值效应水质污染,超过国家相关标准关联效应对土壤、地貌等其他生态要素产生影响
4.1.2 累积表征形式
(1)水系分布。矿区地形地貌的变化影响了地表水系的分布。排土场、矸石山的形成，在雨水的冲刷下造成水土流失;地表裂缝由于地表水的冲蚀，逐渐扩大，形成水蚀沟;塌陷区随着程度的加深及影响范围的扩大，积水区域面积不断增大，形成了较大的汇水区，甚至会改变区域河流的流向。
(2)水量变化。采煤塌陷区减少了地表水的蒸发量。干旱半干旱区的气候特点决定区域蒸发量较大;内蒙古东部地区多分布大型露天煤矿，巨大的矿坑积水后，导致区域蒸发量明显增加;而采煤引起的地表硬化减少了浅层地下水蒸发量，增加了区域水资源;以及采煤引起的地下水位下降增强了对外流域水资源的竞争量，补充了地下水资源，从而增加了区域水资源。
(3)水质改变。选矿废水、洗煤水含有大量的悬浮物及有害物质，被排入河流后淤塞河道，有毒的浮选剂导致水质下降，有毒的重金属会造成河流污染，对河流周边牧群产生危害;矸石山、排矿堆等经过雨水淋滤，含有硫酸盐及有害重金属元素的淋溶水若未经排放处理，会通过地表径流污染河流，甚至地下水;井工开采过程中产生的矿井水排放或渗漏会对地下水造成污染。
4.1.3 地表水环境累积响应机理
矿区地表水系的形成受地表植被截留、土壤入渗、地形变化的影响，地形的变化常影响地表水文的径流和汇流，因此，草原矿区地表水文过程模型可综合植被截留模型、土壤入渗模型和径流汇流模型[32]，其结构示意如图6所示。
图6 地表水文过程模型示意
Fig.6 Surface hydrological process model
4.2 土地环境生态累积响应机理
4.2.1 土地覆被累积响应
(1)地形地貌。露天矿区通常经过表土剥离后再进行煤炭开采，从而形成挖损区和堆放区。由于挖损地表形成大面积的采坑，经过长期积水形成了坑塘。排土场的迎背风坡由于气温、降水量的不同，植被长势的差异性显著。随着开采规模的扩大，矿区人口集聚规模不断增加，矿区周边原有城镇建设景观面积增加，或形成新的煤炭城市。新增了煤炭运输或城镇发展的配套基础设施如交通运输、电厂等建设用地景观。矿区景观的复杂性、空间异质性及破碎化程度受人类采矿活动的干扰不断发生变化。
(2)场地类型。在矿区规划范围内，因煤炭开采、加工、运输等形成了各类场地，整体上可归纳为原生场地、开采场地、污染场地、损毁场地4种类型，见表4。
(3)土壤质量。由于采矿业的影响，矿区部分地区形成了以固体废弃岩土为母质，受人工整理、改良，使其风化、熟化而成的土壤。在矿产资源开采、加工、利用等过程中，进入矿区土壤中污染物的速度及含量明显超过了土壤环境相应的承载能力，导致土壤功能和质量产生变化。土壤pH、微量元素、营养元素、有机质等是衡量土壤质量的重要指标，如图7所示。
4.2.2 土地覆被演变生态累积效应机理
(1)土地覆被变化响应。在土地利用类型数量方面，草原矿区未开采前，以草地和林地为主，随着人类开采活动的影响，草地大幅度转化为工矿用地，进而引起交通运输、建设等用地面积扩大，矿区复垦及生态修复等措施将工矿用地复垦为草地和林地。在土地利用类型的空间布局方面，增加的建设用地多出现在工矿用地附近。在土地利用景观结构方面，采矿引起矿区景观斑块数量增多，景观生态功能随之变化。在土地利用重心方面，分析矿区各土地利用类型的重心迁移方向及距离，能够反映土地利用类型的空间变化特征。
表4 露天矿区主要场地类型
Table 4 Site types of open-pit mines
场地类型场地描述具体分类现场状况原生场地规划边界内未开采地区草地开采场地煤矿开采工作面露天采区、剥离区损毁场地物理破坏为主,采挖、压占、矿区路面硬化运输用地、停车场、排土场污染场地自然因素及人类活动共同作用产生的化学污染破碎站、矸石山、传送带、储煤场等
图7 土壤环境累积效应
Fig.7 Accumulative effects of soil environment
(2)土地生态系统服务功能响应。土地利用景观格局的时空变化必然引起区域相应生态系统服务功能的改变。随着人类扰动增加，土地利用景观类型不断发生变化，区域生态系统逐渐从自然生态系统(草地、林地等)演变为半自然半人工生态系统(农田等)，直至人工生态系统(工业、城镇等)。在草原区，原始生态系统以草地、林地生态系统为主，保持水土、防风固沙、涵养水源等生态服务功能较强，采矿活动、城镇化等因素影响下逐渐演变为城镇、工业生态系统，经济功能增强，系统生态服务功能下降，随着人类环保意识的加强，工矿用地被复垦为林地、草地，相应的生态系统服务功能得到恢复。
(3)土地生态风险响应。土地利用景观格局的变化，在改变生态系统服务功能的同时，增加了区域生态风险可能性。土地生态风险评估是基于生态学、毒理学等理论研究一种或多种因素可能产生的生态效应。土地生态风险评估的前提是风险源的识别、风险受体及生态终点的确定，如图8所示。在草原矿区，主要的风险源为气象灾害及人类活动。人类活动主要表现为放牧和采矿活动，其中采矿活动是主要的人为风险源。风险受体是可能遭受风险源不利作用的承受者，在选择时，选取具有代表性、能够反映研究区域土地生态系统的现状，包括生物群落、生态系统、土壤质量等单个风险体，也可以是若干个子系统，同时也可是生态系统结构、功能与过程的分析。生态终点作为受体对风险的响应，呈现了生态后果，常表现为土壤质量下降、水体污染、生物多样性减少、生态弹性降低、生态服务功能下降等。
图8 草原矿区生态风险源、风险受体与生态终点
Fig.8 Ecological risk sources,receptors and endpoints of mining areas in grassland
4.3 植被群落多样性响应
植被作为连接土壤、大气和水分的自然“纽带”，对区域生态状况具有指示作用。矿区水环境、地表景观、土壤质量变化会影响植物生长，尤其是对气候变化较为敏感的植物。植物的响应宏观上表现为区域植物的生长状况，微观上体现在局部地区群落数量、群落组成、多样性的变化。
4.3.1 植物生长状况
作为地表植被覆盖的重要指示因子，植被覆盖度是描述植被生长的重要定量参数，常被应用于生态环境监测评估中衡量地表植被覆盖状况的量化指标之一。气候因子，包括温度和降水，是植被覆盖度变化的重要驱动因素。同时，人类活动对植被覆盖度的变化具有双重效应，土地整治复垦、生态修复等正向效应会促使植被覆盖度增加，区域生态环境质量状况变好;开采建设占用耕地、草地等负效应会破坏原始地表植被生长环境，不仅导致植被覆盖度降低，同时会加快降低的速率。
4.3.2 植物群落数量及组成
植物群落在一定的地段上，一定的植物种类群居在一起，构成了有其特定的外貌、结构的植物组合。适宜的气候、物种的竞争、特定的食物链构成了植物群落稳定性的结构。土壤水是干旱半干旱区草原植被群落结构变化的关键因素，同时土壤有机质、总氮、总磷也是重要的影响因素。采矿活动对水环境及土壤环境的扰动，间接影响了植被群落结构。
4.3.3 植物群落多样性响应
植物群落物种多样性与生境密切相关。有机质含量、土壤养分的积累利于植物群落多样性增加，土壤含水率的降低影响灌木的生存，从而减少了植物群落多样性。采矿活动对土壤环境的扰动间接影响了植物群落多样性。
4.4 生态累积效应、生态承载力与生态系统弹性
矿区生态承载力指在矿区特定范围内，以已有的经济技术及确保生态系统能实现生态系统的自我调节、自我维持的条件下，矿区资源(自然、环境等资源)能够支持的具有一定生活质量的人口及经济规模。矿区生态承载力分析不仅考虑资源、环境承载能力，同时需考虑开发强度、开发频度在时间和空间的累积性及引起的承载力动态变化性。生态系统弹性是生态系统在遭受压力及扰动情况下能够通过自我调节恢复到原始平衡状态的能力，可分为弹性强度和弹性限度，如图9所示。弹性限度表示生态系统能够承受干扰的范围，即生态承载力。弹性强度则强调抗压性及恢复性，是动态反复的过程，与生态效应的累积过程具有相似性。生态阈值是3者共有的特性。
图9 累积效应、系统弹性和承载力3者关系示意
Fig.9 Relationship between cumulative effect,system resilience and carrying capacity
生态承载力包含压力层和支持层2个层面。其中，压力层为矿区社会及经济活动的干扰作用，包含矿区特定范围内资源利用状况、人口及经济规模、生态状况等。支持层分为上下2个层面，上层为资源环境的供容能力，即资源承载力和环境承载力，下层为生态系统的自我调节及维持能力，即生态系统的弹性力。矿区生态承载力层次体系中，资源承载力发挥基础作用，环境承载力起约束作用，生态弹性力是支持条件。在进行矿区生态承载力评价时，采用“压力-状态-响应”评价模型，从自然影响力、社会经济驱动力及生态系统健康度3个方面选取构建评价指标。生态系统承载力共分3种情况:超载、满载和未超载。超载、满载均会破坏生态系统稳定性。在实际运用时，单个要素的值越大，对生态系统承载力造成的压力越大，因此对生态系统有利的因素为负面指标，不利因素为正面指标。
生态弹性体现生态系统更新、重组和不断发展的能力及恢复速度，其评估必须建立在生态系统与人类系统相互作用的基础上。社会弹性主要强调以社会各主体应对经济、生态等多方面因素对社会的破坏和使其具有从根本上进行转变的综合能力。近年来，先进国家在矿区生态治理技术方面，已由单纯的“负生态效应控制”技术发展为“矿区生态系统的修复与恢复”，实现由以“负生态效应控制”为目标向以“区域生态系统健康保护”为目标的转变。在技术体系上，呈现出多元化、集成化和系统化的发展趋势。显然，矿区需要建立工程弹性、经济弹性、生态弹性和社会弹性的生态调控机制。
5 结 论
(1)煤炭资源开采对干旱半干旱草原生态系统的影响具有周期长、范围广及程度深等特点，累积的负生态效应加剧了内蒙古东部干旱半干旱草原地区生态的脆弱性。因此，系统了解草原矿区生态效应的累积特征及关键生态要素的累积状况，有利于及时采取应对措施以减缓矿区生态效应的累积趋势，促进煤炭开采与草原生态的协调发展。
(2)研究总结分析了草原矿区、矿区生态及矿区生态要素，从矿区发展过程与草原生态系统演变的关系、草原矿区生态效应累积特征及内容、草原矿区生态承载力等方面探究阐述了典型干旱半干旱草原矿区生态累积效应的机理与弹性应对机制。研究煤矿全生命周期的生态累积效应有助于明确草原矿区生态系统时空演变规律，为干旱半干旱草原矿区生态修复提供理论基础。
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