干旱矿区植被引导型修复中干旱阈值的生态机制

生态阈值识别是干旱矿区植被引导型修复中重要技术环节,其中干旱阈值是诸多关键生态阈值中极为重要一项。不同干旱阈值区间矿区植被结构和功能属性会发生变化,明晰不同干旱阈值下潜在生态机制对于干预合理程度及引导修复方向的判定至关重要,现有研究对于对引发这些变化的生态机制缺乏系统梳理。在文献调研的基础上构建干旱矿区植被系统对干旱程度的响应概念模型,将干旱矿区植被系统对干旱度的响应概括为植被衰退阶段、“土壤失调”阶段和“系统崩溃”阶段。植被衰退阶段,主要表现为植被应对极端缺水环境的光合生理适应方式和特性的改变;“土壤失调”阶段,主要涉及土壤和植物之间复杂互馈作用,通过土壤侵蚀途径、灌木入侵途径及生物地球化学途径进行传递;“系统崩溃”阶段,主要由于植物生理极限触发植物-植物和植物-大气的互馈作用,导致系统多样性急剧降低。未来可在典型植物选育、研究尺度扩展、干旱诱导的灌木性状发育机制、干旱诱导的生物地球化学循环突变机制、干旱胁迫解除后植物能够自行恢复其生理活动的时间节点、生物结皮产生机制等方面进行深入研究。综述结果为干旱矿区植被引导型修复干旱阈值潜在生态机制理解提供了一个基本框架,以期为科学判定干预合理程度及引导修复方向提供生态学基础。

基于时间分割算法的半干旱矿区植被动态特征分析

分析半干旱矿区植被扰动与恢复动态特征,对矿区生态环境保护具有指导意义。以大柳塔煤矿为例,利用时间轨迹分割算法提取1994—2014年植被扰动与恢复时间及幅度特征,分析大柳塔煤矿各用地类型区植被空间分异及植被对煤炭开采响应特征。结果表明:1各类型区植被扰动/恢复发生的时间集中,各区域均于1995年发生大面积扰动与恢复;露天开采区第2次大面积植被扰动与恢复时间分别为2006和2009年,而工作面、重建区和小窑为2010年。幅度方面,建成区及工业广场植被扰动与恢复平均幅度最大,小窑扰动幅度与恢复幅度间差值最高。各类型区植被最大扰动持续时长均低于最大恢复持续时长。2工作面尺度,植被对煤炭开采扰动响应具有滞后性。工作面采后2 a植被扰动发生面积最大,而植被恢复面积随采后时长逐渐扩大。植被平均扰动幅度高于平均恢复幅度。时长方面,平均扰动持续时长为1.54~2.40 a,平均恢复持续时长为4.06~7.18 a。

干旱风沙区采煤扰动耕地土壤改良方法研究

采煤扰动致使矿区耕地受损,土壤改良措施缺乏使耕地进一步退化。为揭示有机肥、保水剂、绿肥及间作等土壤改良措施对采煤扰动区耕地土壤理化性质及土壤综合肥力的改良效果,以大柳塔煤矿区内受损耕地为研究对象,设计有机肥梯度试验、保水剂改良试验、种植豆科绿肥试验及间作试验对土壤改良效果进行分析。结果表明,有机肥处理中,133.33 kg/hm^2有机肥处理能显著改善NH_4^+-N、碱解氮和速效磷(P<0.05);保水剂试验中,保水剂+有机肥可显著改善速效钾(P<0.05);豆科绿肥试验中,紫花苜蓿可显著提高碱解氮含量(P<0.05);间作处理中,玉米+大豆间作可显著提高物理性黏粒含量(P<0.05);施用有机肥及有机肥+保水剂对土壤综合肥力有所改良。研究结果可为干旱风沙区采煤扰动耕地土壤改良提供依据。

基于BFAST算法的神东矿区地表温度突变检测及影响分析

为获取神东矿区地表温度长期变化趋势,提取其地表温度突变特征,以2000—2018年16 d地表温度最大值合成的MOD11A2为数据源,对神东矿区地表温度进行回归分析,拟合其时序变化趋势,并利用BFAST算法(breaks for additive seasonal and trend)提取地表温度突变的时空分布特征、最大突变发生时间和突变幅度。在此基础上,通过空间叠加统计方法分析地表温度突变与土地覆被变化之间的关系。结果表明:2000—2018年,由于神东矿区整体植被覆盖度增加,矿区内98.63%的区域地表温度呈下降趋势;露天采区地表温度突变比例高于井工采区,露天采区和井工采区内地表温度突变面积占比分别为34.66%和19.02%,归因于露天开采比井工开采对地表扰动更加剧烈;土地覆被变化引起地表温度突变,地表温度突变方向和幅度取决于土地覆被变化的类型、规模等。研究结果可为矿区生态环境治理及评价提供科学依据。

半干旱矿区不同植被修复区温湿度的水平与垂直分布特征

为了探究半干旱矿区不同植被修复区冠层高度以上温湿度的水平与垂直分布特征,选取大柳塔矿区内杨树-油蒿、沙柳、油蒿、杨树4种植被修复区,利用无人机搭载的温湿度传感器装置测定不同植被修复区距地表10,20,30,40,50 m高处的温度和相对湿度,运用单因素方差分析不同植被修复区温度和相对湿度的差异,利用回归分析得到温度和相对湿度的垂直变化趋势,最后,基于灰色关联度模型计算不同植被修复区距地表10 m高处温湿度与冠层特征参数间的关联度。结果表明:(1)4种植被修复区距地表10 m高处水平方向的温湿度差异显著(p<0.05),杨树-油蒿乔灌组合温度低于单一灌木或乔木,湿度高于单一灌木或乔木。油蒿表现出高温低湿特点,表明油蒿对距地表10 m高处的温湿度调节能力较其它植被修复区弱。(2)杨树-油蒿乔灌组合温度的垂直减少速率较小,相对湿度的垂直增加速率最大。(3)冠层高度、冠层盖度、叶高度多样性和种植面积指数对距地表10 m高处温湿度影响显著,其中冠层高度影响最大。该结果可为半干旱矿区植被修复区温湿度分布特征研究提供参考。

基于NDVI时间序列轨迹的草原露天矿区植被时空动态特征

采矿作用下草原露天矿区植被时空动态特征尚不明确.以胜利露天矿区为例,选取MODIS和Landsat影像,利用ESTARFM构建2001—2015年植被生长期一致的年际Landsat时间序列,以时间分割算法拟合像元NDVI时间序列轨迹,结合轨迹形态特征提取早期扰动型、持续扰动型、扰动稳定型、扰动稳定恢复型和扰动恢复型5种植被动态类型及各类型的时间特征.结果表明:胜利矿区植被动态类型以扰动恢复型为主,占各类型像元总数的55.2%,扰动稳定型和持续下降型次之,分别为25.6%和11.0%,早期扰动型和扰动稳定恢复型较小,分别为3.5%和4.7%.扰动多发于2004—2009年,稳定期多始于2008年,空间上多分布于露天采场和排土场,恢复期多始于2008年和2010年,其空间范围较小且集中于矿井外围和排土场.扰动持续时长以1年为主,稳定期持续时长以7年为主,恢复期持续时长中稳定恢复型为2~5年,扰动恢复型为8年.