论露天矿区近自然生态修复

露天矿区生态修复面临着重建生态系统自维持力低、维持成本高,尤其是修复后“采矿痕迹”明显等问题,亟待协调好人工修复与自然恢复的关系,升级发展传统生态修复模式,促进露天矿区人与自然和谐共生。在长期的理论方法研究和应用实践经验总结基础上,①提出了露天矿区近自然生态修复的必要性及其理论内涵与技术框架。近自然矿山生态修复是参照本地自然地貌、水文、土壤、植被、景观及其演变规律,使修复后的矿业斑块达到与周边自然生态系统近似的结构与功能状态,并与周边自然地貌、水系、景观相融合的修复模式,是对传统生态修复模式的升级,逼近“采矿无痕”是其追求的理想状态。②近自然生态修复是露天矿生态化设计的重要构成,其技术环节主要包括,参照生态系统学习、近自然地貌重塑、水文衔接与调控、矿山活土层重构、植被重建与多样性重组等。参照生态系统学习为后续各个修复环节提供修复目标与参数。近自然地貌重塑是近自然生态修复的核心与基础,包括内排土场全生命周期近自然地貌重塑、外排土场近自然地貌重塑、邻近自然问题地貌协同重塑等。水文衔接与调控要解决河道沟道的优化布局、矿区上下游水系的衔接、以蓄代排径流调控等。矿山活土层重构包括矿山土物理结构重组、微生物和养分循环过程重构等内容;植被重建与多样性重组包括近自然的植物群落与多样性配置,以及近自然的植株空间布局等。③实践分析表明,露天矿近自然生态修复有助于减少土壤侵蚀,提高地貌稳定性,增强重建生态系统的自维持能力,有利于实现露天矿区“采矿无痕”,促进人与自然和谐共生。

北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术

北方防沙带是我国防治沙化和荒漠化的关键地带,是“三北”工程的核心区,区内土壤贫瘠、风速大、干旱缺水、植被稀少、生态恢复力低,而大型露天煤矿开采与生态保护矛盾突出,直接影响区域生态安全和国家能源保供,迫切需要开展大型露天矿区生态保护修复研究。针对北方防沙带大型露天煤矿区开采引起的土地破坏、扬尘起沙、水位下降、土壤沙化、植被退化等问题。以北方防沙带面积和露天煤炭产量占比均最大的内蒙古的大型露天煤矿区为研究区,秉承“减损开采-立体保水-造土活土-系统修复-集成监管”的研究思路,揭示大型露天矿岩土损伤-生态退化传导机理、生态减损开采机制、重建生态自维持机制,研发生态保护型减损开采、生态化设计、水资源保护与综合利用、抗侵蚀地貌重塑、排土场活土层精细重构、土壤改良与提质增容、菌-藻-草联合修复、生态系统退化监管等关键技术,形成适合北方防沙带露天煤矿区生态保护与修复技术体系,建成大型露天矿区生态保护修复集成示范区。创建低成本、高效率、可持续、可复制的大型露天矿区生态保护修复模式,为保障我国北方防沙带大型露天矿区科学开采与生态安全提供支撑,实现煤炭开发能源保供与生态保护相协调、“开发金山银山,再造绿水青山”的目标。

煤炭零碳开采技术

在分析能源革命和全球绿色发展大趋势的基础上,提出了煤炭零碳或近零碳开采技术的概念与总体发展思路。煤炭零碳开采技术按照物质能量守恒定律,通过清洁能源消纳与源网荷储协同优化、二氧化碳地质封存、生态系统碳汇提升等实现煤炭开采过程二氧化碳的近零排放。井工煤矿和露天煤矿均以分布式能源为基础,借用虚拟电厂技术将矿区内部资源聚合,对源网荷储协同优化,构建矿区综合能源系统,平抑可再生能源电力的随机波动性,使得不同能源形态之间的耦合更加紧密,为能量的多级应用以及能源的合理配给提供保障,使用清洁能源是实现零碳开采的根本途径。二氧化碳地质封存包括密闭封存、矿化封存和吸附封存等形式,煤矿可充分利用开采煤炭形成的地下空间、岩体裂隙以及深部不可采煤层封存坑口燃煤电厂的二氧化碳,实现封存二氧化碳、处置固体废弃物和减轻下沉的多重效果,是实现零碳开采的重要手段。提升生态系统碳汇包括强化国土空间规划、提高土地种植利用率、优选植物、改良复垦土壤等方式,土壤与植物碳汇是实现零碳开采的必要补充。

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。

北方大型露天矿区土壤有机碳库扰动与恢复研究

大规模露天煤矿开采严重扰动了矿区地形地貌和土壤碳循环过程。露天矿区土壤有机碳恢复提升符合“双碳”目标,对土壤肥力改善和生态系统自维持具有重要意义。为揭示露天采矿引起的土壤有机碳库的损失扰动特征,掌握矿区土壤有机碳恢复的影响因素及其提升策略,以我国最大的露天煤矿群准格尔矿区为研究区域,通过哨兵二号遥感影像提取了采损区域,采用了149个土壤采样和统计插值、影响因素回归分析等方法。研究结果表明,半干旱地区露天矿排土场矿山土与自然土壤的理化性质、生物活性等都具有明显差异,缺少自然表土覆盖的新复垦排土场矿山土有机碳含量极低,平均为0.19%;由于自然表土剥离不规范,无序混排等,据测算该区域表层土壤有机碳损失累计超过62万t;回归分析表明影响矿山土有机碳的恢复的因素依次是全氮(0.559)、复垦年限(0.225)和植被NDVI(0.172);调查表明复合植被恢复模式的土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式,其中沙棘、苜蓿、草木樨构成的草灌群落土壤有机碳含量接近自然土壤。在单一植被恢复模式下,土壤有机碳含量恢复表现为:以沙柳等为主的灌木>以油松等为主的乔木>以火炬树等为主的小乔木>以紫花苜蓿等为主的草本植物。排土场复垦区平台和边坡土壤有机碳含量随时间变化不断增加,复垦年限5年后矿山土有机碳快速提升。排土场矿山土有机碳的持续提升是排土场生态修复成功的关键;控蚀保肥、添料增碳、植被汇碳、保护性耕作等措施是露天矿区排土场矿山土有机碳提升的主要技术途径。

腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应

随着国家煤炭开采东退西进战略推进,煤炭资源高强度开采加剧了矿区草原生态环境损伤问题,严重影响了区域煤炭资源大规模开发和环境保护的协同发展,必须通过生态修复消除资源开发带来的环境负效应。因此,针对矿区草原粉尘沉降区诱发的土壤退化问题,研究腐殖质层再造技术修复退化场地的可行性,设计了植物破碎+淹水(YS)、植物破碎+淹水+覆膜(YF)、植物破碎+淹水+覆膜+激发剂(YFJ) 3种修复模式,同时结合试验数据分析。研究结果表明,退化生境修复样地土壤容重分别比对照样地降低了8.26%、7.98%和15.24%,孔隙率增幅为39.42%、99.68%和124.24%,含水率增幅为28.16%、31.21%和71.19%,饱和持水率增幅为19.66%、20.66%和42.29%;土壤养分中水解氮质量分数比对照场地高出20.77、9.73和54.45 mg/kg;修复场地土壤速效磷质量分数依次为5.30、5.06、14.04 mg/kg;修复后土壤速效钾质量分数增加49.61%、27.31%和236.53%;土壤水稳性团聚体质量分数修复后高于对照场地,分别增幅13.00%、17.14%和83.60%;YS、YF和YFJ三种修复模式均可以增加退化场地土壤水酶活性,土壤蔗糖酶活性修复后分别高于对照区23.65%、79.88%和93.91%;3种修复技术之间过氧化氢酶和脲酶活性无显著差异,分别高于对照23.69%~31.81%和19.35%~20.46%;土壤磷酸酶活性修复后提升了14.73%、33.28%和39.25%,修复场地植物群落Shannon-Weiner指数比对照场地分别高68.32%、38.61%和45.54%;植被盖度比对照场地分别增加12.50%、81.25%和120.00%;修复区生物量分别比对照场地高出39.90%、373.49%和887.77%;YF和TFJ场地植株含水率分别比对照区增加了12.74%和36.43%。对比分析表明3种修复模式均可有效改善重度粉尘沉降区退化现状;除土壤有机质与多样性指数外,其他指标测定结果均为YFJ修复效果最优。表明腐殖层再造技术可以有效改善土壤结构,提升土壤养分,激活土壤微生物区系及功能,修复灌丛化破坏的生境,为重度粉尘沉降区退化土壤修复提供借鉴,其中,YFJ修复模式最佳。

联合LiDAR和高光谱数据反演矿山生态修复区植被地上碳储量

准确评估矿区植被地上碳储量,可为矿区生态修复及其碳汇贡献估算提供科学依据。利用无人机采集激光雷达和高光谱数据,分别建立乔、灌、草3种植物群落的地上碳储量估算模型,并在神东矿区大柳塔采煤沉陷生态修复区实现了应用与验证。研究发现:仅利用高光谱数据反演乔、灌、草植物群落地上碳储量的精度R^(2)分别为0.42、0.43、0.41,仅利用激光雷达数据反演乔、灌、草植物群落地上碳储量的精度R^(2)分别为0.64、0.44、0.36,融合LiDAR和高光谱两种数据反演乔、灌、草植物群落地上碳储量的精度R^(2)分别达到0.87、0.73、0.72;LiDAR和高光谱特征中的高度百分位变量和绿色指数分别与地上碳储量的相关性最高,对于提升地上碳储量的反演精度贡献最大,说明融合LiDAR和高光谱数据在反映群落形态结构和光合固碳特征方面的能力,可有效提高矿区植被地上碳储量的反演精度。研究结果表明:融合LiDAR和高光谱数据,可以实现矿区复杂地形和植被配置下的植被地上碳储量估算,为矿区生态修复碳汇贡献评估提供支撑。

基于UAV-RGB的矿区植物分类及其叶绿素含量时空变化分析

相比于高光谱遥感和多光谱遥感,在无人机上搭载RGB相机,不仅操作简单,而且成本低廉。但是,目前基于无人机RGB相机进行矿区典型植物分类的研究较少。另外,开采沉陷对地表植物叶绿素含量的时空扰动规律尚不清楚。为解决上述问题,本研究融合RGB影像的光谱信息、纹理信息和点云的3D特征,使用神经网络、支持向量机、随机森林3种机器学习分类算法,实现了对采煤沉陷区典型植被的分类。基于多期影像的分类结果和植被指数,分析开采沉陷对典型植物叶绿素含量的时空扰动规律。研究表明,最佳的分类算法为支持向量机。多特征融合可以显著提高分类精度,相比于只用光谱特征,多特征融合后的总体分类精度提高了9.45%。总体分类精度可达90%,Kappa系数为0.906,可满足矿区植被调查的需要。通过分析针茅和柠条叶绿素含量的时空变化,发现采煤对拉伸区植被的影响最大,其次是压缩区和中性区。拉伸区应作为生态修复的重点区域。地裂缝是生态修复的重点对象。与针茅相比,柠条能更好地适应采煤引起的干扰,可作为生态恢复的先锋物种。

黄河流域煤炭资源开发战略研判与生态修复策略思考

黄河流域煤炭资源富集与生态环境脆弱并存,亟待破解煤炭资源开发与生态环境保护的矛盾,构建黄河流域高质量发展新格局。按流域水系划分并结合《全国矿产资源规划(2016—2020年)》,有57个国家规划煤矿区应隶属黄河流域。为此,构建了黄河流域资源环境承载力指标体系,揭示了黄河流域资源环境承载力指数的时空规律;重新审视了煤炭资源开发强度测算方法,量化了黄河流域34个煤矿区的煤炭资源开发强度;利用耦合协调度模型测度了矿区尺度煤炭资源开发强度与区域尺度资源环境承载力的匹配程度。结果发现,下游以高级协调为主,显著高于中上游且较稳定。但2010—2018年中上游变化趋势有差异:中游从初级协调(0.62)降至勉强协调(0.51);上游以初级协调为主,耦合协调度从0.60提升至0.62。随着能源战略重心西移,晋陕蒙宁四省区的煤炭开发强度不断增大,特别是榆横、榆神、吴堡、离柳等矿区煤炭资源开发强度已然与资源环境承载力不匹配;青海木里矿区从勉强协调(0.53)降至中度失调(0.25),降幅超50%;甘肃整体改善幅度较大,各矿区均有不同程度提升。基于此,研判黄河流域煤炭资源保护性开发利用战略:①要从“水资源-煤炭资源-社会经济-生态”的全局性视角探析黄河流域“煤水双保”;②与资源环境承载力不相匹配的煤炭开发方式亟需改进或退出;③煤炭资源开发应与更大尺度的国土空间规划相协同;④加强闭矿后矿业废弃地与废弃矿井的资源化利用。鉴于黄河流域地域跨度大、矿区分布广,历史遗留问题较多、潜在生态风险较高,点上问题亟待解决、线上问题不容忽视、面上问题更需重视。建议将黄河流域煤矿区划分为青甘保育区、蒙宁陕风沙区、晋陕黄土区、豫鲁平原区4类区域,未来煤炭资源开发与生态修复应实施分区管控、分类治理、分级修复、分步推进,坚持生态保护与修复并举、自我恢复与人工修复并重,以期为黄河流域生态保护与煤炭高质量发展提供科技支撑。

矿区土地修复的几个基本问题

通过对与土地复垦有关的概念梳理后,提出以土地修复作为高一级学科建设的名称涵盖土地复垦的名称。基于生态系统自恢复力的假说,讨论了矿区土地修复过程中,自然恢复与人工干预的作用,提出了引导型矿山土地自修复模式及其应用条件,指出了对关键限制性因素及其阈值的识别与修复是矿山生态系统引导自修复的关键;并进一步讨论了引导型矿区土地修复目标的合理程度。还讨论了采前预防及采后修复在矿区土地修复中的作用,对于露天矿山,采前预防或减损工艺应成为主流,在剥采排复一体化工艺实现后,土壤重构成为露天矿区土地修复成功的关键,而对于井工开采矿山,采前预防措施通常被用于局部需要特殊保护的地表建构筑物或具有重要保护价值的生态类型区,采后修复仍是主要的技术手段。

神东矿区植被覆盖度时序变化与驱动因素分析及引导恢复策略

国家煤炭开采战略重心西移及集群化、高强度的开采方式,使得西部矿区的地表生态环境呈现出强烈扰动的态势,使本就脆弱的生态环境日趋退化,其中最直观的体现就是对植被影响。传统矿区植被恢复重建其生态恢复效益以及对生态环境影响还有待商榷,可能会形成了植被恢复资金高、投入与恢复低效率的矛盾局面。矿区植被恢复应严格遵循当地自然生态系统发展规律,避免对采后生态系统的再次扰动,科学配置,优化布局、引导恢复生态系统的自修复能力。而弄清煤炭开采扰动区植被覆盖度时序变化,是探索半干旱矿区植被引导型恢复有效方法的重要基础与前提。基于Landsat-NDVI时序数据,以神东中心矿区为研究尺度,分析了不同开采年份采区和非采区植被覆盖度的时序变化,依据不同时序植被覆盖度格点回归斜率、相关系数及标准差,对研究区植被覆盖度变化趋势以及年际波动程度进行评估,并对影响植被覆盖度变化的驱动因素进行了分析。结果得到:从2000—2016年神东中心矿区植被NDVI时序上整体呈物候性周期变化,由于大面积矿区植被重建,2005年后中心矿区植被INDV明显提升,INDV差异值时序变化与该工作面煤炭开采年份密切相关;煤炭开采塌陷对植被覆盖度的影响并不全是负面的,植被覆被度呈降低趋势的区域面积占中心矿区总面积的27.65%;土壤含水量是影响植被生长最重要土壤理化性质因子,其次为有机质含量、全氮含量和容重等;地下水埋深3.2 m和8.0 m为影响神东矿区植被INDV的2个重要阈值,地下水埋深通过影响土壤含水量来实现对地表植被类型的影响;降雨量也是对中心矿区植被覆盖度变化有重要影响的气候因子。半干旱矿区植被引导型恢复首先需要对地表永久裂缝进行识别和治理,创造沉陷区土壤水分恢复的前提条件;然后需要加强对沉陷区植物生长与土壤水分及地下水位埋深之间的耦合关系研究,分析植物生长受到干旱胁迫及植物死亡的相关土壤含水量及地下水位埋深阈值,为土壤含水量与地下水位埋深恢复到何种程度提供依据;植物配置、覆盖度控制可采用高空间分辨率的遥感影像对研究区地表植被进行精细分类,结合植被INDV时序变化趋势及波动程度,兼顾对植被生长立地条件的考虑,以植被INDV呈正向波动区植被组成情况作为的参考依据,且植物配置时尽量选择具有耐土壤贫瘠、抗旱性强、根系发达的本地植物物种;应加强对矿区地下水资源分布的探测,加强对采空区积水的循环利用,有计划地优先开采无、少地下水的区域,从源头减少或延缓对地下水的破坏。

草原煤电基地景观生态恢复技术策略

近些年,位于中国生态安全“两屏三带”的东部草原煤电基地出现了景观破碎化、草场退化、水土流失等生态环境问题。本文旨在探讨如何利用景观生态学、恢复生态学原理,通过修复、创建或重组等手段调整景观组分与空间格局,实现草原煤电基地生态恢复从土壤重构、植被重建等传统单一生态环境要素修复,向生态系统结构及其生态功能恢复方向拓展,以维持区域生态系统的稳定性。以生态系统之间的结构、功能与过程恢复为核心的景观生态恢复则是煤电基地生态安全格局构建的关键途径。对当前矿区景观生态学的研究不足进行了分析;以我国东部草原煤电基地内的胜利矿区和宝日希勒矿区为例,通过现场调查、多源遥感监测与数值模拟等手段,分析了草原煤电基地由于大规模地形地貌以及土地利用变化导致的主要景观生态问题;提出了草原煤电基地景观生态恢复的关键技术策略,以及在矿区景观生态恢复技术实施过程中的设计与应用案例,为其他类似露天矿区的景观生态恢复提供新的技术方法参考。提出的主要技术策略包括:在宏观尺度上识别与构建草原煤电基地生态源地、生态网络等关键景观组分,结合地貌重塑与生态廊道构建露天矿区景观生态格局的立体优化策略;针对内外排土场景观斑块等重要部位,分别通过大型异构排土场的水土物质流途径识别,构建外排土场水土资源调控系统的策略,以缓解外排土场水土流失与地质稳定性问题;并构建内排土场全生命周期近自然地貌重塑策略,以提升大规模内排土场与周边自然草原景观基质及地表水文系统的融合度。

论引导型矿山生态修复

“以自然恢复为主,与人工修复相结合”作为生态修复的基本原则,其引出的关键科学问题是,如何认知并利用自然恢复能力、如何协同人工干预与自然恢复。重点讨论分析了引导型矿山生态修复的基本原理和技术框架,以破解人工干预和自然恢复之间的争议和困惑,更好地处理2者之间的关系。引导型矿山生态修复的关键问题就是明确何时干预、何处干预、如何干预、干预到何种程度。引导型矿山生态修复强调了人工干预的针对性、及时性、持久性和有效性,以减少人工过度修复的人力、物力成本和能量消耗,是符合“双碳”目标的。分析表明,引导型矿山生态修复的主要理论基础是生态系统的抵抗力和恢复力。引导型矿山生态修复的技术框架包括矿山生态问题诊断、引导修复方向的判定、引导修复的关键对象或区位的确定、引导修复的合理程度或生态阈值的识别,以及修复技术措施筛选与实施等主要内容。生态修复的本质是对生态关系的修复,因此,矿山生态关系、过程、规律感知是引导修复的前提;障碍性和限制性影响因子和景观格局过程是引导修复的主要对象;生态阈值和生态参数的调控是科学引导的关键。引导型矿山生态修复模式的修复目标和对象明确、干预程度合理,能有效降低修复成本、提升矿山生态系统自维持能力,符合自然恢复和人工修复相结合的理念和现实需求,是传统人工干预修复模式的发展升级,可以在矿山生态修复工作中进一步研究和应用推广。

基于自然边坡模型的草原煤矿排土场坡形重塑

在采矿活动中,由于传统的排土场边坡模型并不能很好的融入当地周围环境,导致排土场的水土流失现象十分严重,因此需要对边坡进行地形重塑,以减少土壤损失量,提高边坡保土能力,使排土场能与周围环境相协调。近自然地形重塑以未受扰动的地形作为参照,构建出符合当地侵蚀过程所形成的地形模型,在国内外地形重塑中有诸多应用。根据近自然地形重塑理论及统计学原理,以胜利矿区为研究区,提取并分析该地区自然边坡的特征参数,并以此构建了反S型边坡模型,利用WEPP模型对比分析反S型边坡模型和原排土场边坡模型,验证了反S型边坡模型的优势。研究发现:①提取胜利矿区的自然边坡剖面线进行分析,分析结果表明胜利矿区主要的边坡坡型为反S型边坡,在此基础上提出了凸面水平占比和凸面竖直占比两个新的边坡特征参数,并对反S型边坡的特征参数进行提取。②分别对胜利矿区陡坡部分和缓坡部分的边坡特征参数进行相关性分析和曲线拟合,在此基础上分别构建了陡坡部分和缓坡部分的反S型边坡模型,发现陡坡部分的反S型边坡模型中凸面和凹面在竖直方向上的分割点位于黄金分割点附近。③以陡坡部分的反S型边坡模型对胜利矿区排土场边坡的特征参数进行设计,向WEPP模型中输入胜利矿区气候、土壤、植被覆盖等数据后,在不同坡高和不同模拟年份的条件下对构建的边坡模型与原排土场边坡模型进行水蚀分析,结果表明随着坡高和模拟年份的增加,反S型边坡模型的保土能力和长期稳定性明显优于原排土场边坡模型,可以依据反S型边坡模型对排土场边坡进行设计。

采煤沉陷裂缝区土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光的响应

采煤塌陷引起的土壤环境因子的变化对矿区植物生长的影响越来越受到人们的关注,快速叶绿素荧光诱导动力学分析技术被称为植物受胁迫状态的有效探针,能够快速获取胁迫下光系统II光化学活性和电子传递的信息。研究采煤塌陷裂缝区植物叶片叶绿素荧光的变化是揭示煤炭开采塌陷胁迫对植物个体生长影响的关键环节,能为大尺度下采煤沉陷区植物损伤机理研究提供基础。对于黄土高原半干旱矿区,土壤水分无疑是植物生长最重要的限制因素,而植物叶片叶绿素荧光变化采煤塌陷影响下土壤含水量变化的响应如何尚不清楚。为了弄清采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应的影响,选取神东煤田大柳塔矿区52302工作面为实验场地,在分析了采煤塌陷裂缝对土壤含水量的影响的基础上,以生态修复物种柠条为研究对象,对采煤塌陷裂缝区不同土壤含水量下柠条叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线进行监测。结果显示:(1)由于煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,增加了土壤水分的蒸发面,加速了土壤水的散失。土壤水分含量随着与裂缝之间距离的增加而增加,从距离裂缝0 cm到300 cm,土壤平均含水量从5.63%增加到15.07%;(2)裂缝区土壤水分降低,柠条受到干旱胁迫程度加重,叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线由O—J—I—P变形为O—K—J—I—P曲线。干旱胁迫通过干扰柠条叶片PSII电子供体侧、受体侧以及电子传递链的功能,严重的损害了柠条叶片光合机构的正常功能。

西部煤炭资源地下开采对不同坡位柠条光合系统损伤特征分析

以神东采煤沉陷区不同坡位(坡上、坡中、坡下)的柠条植株为目标植物,应用叶绿素荧光诱导动力学及分析技术(JIP-test),比较分析沉陷后1~2年不同坡位柠条叶绿素荧光参数的变化特征,探索不同坡位柠条PSⅡ(光系统Ⅱ)损伤及适应机制的空间差异性,为矿区植被恢复与重建提供理论指导。结果显示:(1)坡上和坡下柠条叶片J点相对可变荧光(V_j)和Q_A的初始还原速度(M_o)明显增加,同时单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、捕获的光能(TR_o/RC)和单位面积热耗散的能量(DI_o/CS_o)增大,最大光化学效率(F_v/F_m)和以吸收光能为基础的性能指数(PI_(ABS))大幅减少,K相可变荧光占J的比例(W_k)在沉陷1年最大,增幅达74.54%,沉陷2年后逐渐接近对照值。(2)坡中柠条叶片V_j和M_o先增加后减少,ABS/RC、TR_o/RC明显减小,F_v/F_m、PIAB S和W_k变化不大。(3)冗余分析(redundancy analysis,RDA)前2个排序轴共同解释了荧光参数-环境因子间关系的82.98%,其中土壤水和速效磷与第一轴的相关系数分别为0.57和0.50。研究表明:采煤塌陷后坡上和坡下柠条叶片PSⅡ受损严重,反应中心通过耗散过剩的激发能减轻伤害;坡中柠条受PSⅡ采煤塌陷影响较小,反应中心通过可逆性失活进行自我保护;土壤水和速效磷含量是采煤沉陷区制约柠条PSⅡ光合生理的关键环境因子。

矿区生态环境定量遥感监测研究进展与展望

矿区生态环境的科学有效监测是矿区生态环境保护与治理的前提,对于促进生态文明建设具有重要意义。遥感技术已经成为矿区生态环境监测的重要手段,特别是近年来遥感技术在数据、算法、算力方面的迅速发展极大地促进了国内外矿区生态环境定量遥感监测研究的进步,涌现出了一系列优秀的研究成果。从矿区地表要素类型识别以及矿区植被、土壤、水体、大气、生态系统的参数反演与监测方面归纳和剖析了矿区生态环境定量遥感监测的研究进展。结果表明:新兴遥感数据的应用提升了监测的时空分辨率,矿区地表要素识别以及参数反演方法得到了优化改进,提升了识别和反演的精度;深度学习和遥感云计算平台在矿区应用中崭露头角。但是也存在一些不足:①深度学习在矿区地表要素识别的应用尚未完全展开,缺乏矿区遥感地表分类体系标准与大规模高分样本库,矿区地表要素识别的自动化与智能化水平有待提高;②矿区定量遥感参数反演的广度有待拓展,反演与监测方法研究有待深入;③矿区多要素参数的中高分辨率、长时序、高频次同步观测与协同分析的研究还相对缺乏。在此基础上,对未来的研究方向进行了展望:①构建矿区遥感地表分类体系与大规模高分样本库,跟踪最前沿的深度学习算法,实现矿区地表典型要素的高精度识别;②研究矿区场景下的定量遥感物理机理建模方法,拓展遥感反演的矿区要素参数,提升反演方法的精度和稳定性;③融合矿区多源大数据,实现参数的中高分辨率、长时序、高频次的体系化同步定量遥感反演与监测。

采矿与气候变化对戈壁矿区土地生态系统的影响——以准东煤炭基地为例

新疆煤炭富集、植被稀疏、生态脆弱与气候干旱并存,亟待破解煤炭开发与生态保护的矛盾。为此,选取准东煤炭基地为研究对象,利用2000—2020年18期Landsat多光谱遥感影像提取干旱遥感生态指数(I_(ARSE)),并运用逐像元趋势分析法揭示准东I_(ARSE)时空演变,借助多元回归模型与残差分析解析采矿与气候变化对戈壁矿区土地生态系统质量的影响机制。结果表明:①近20 a研究区平均I_(ARSE)为0.4038,以中等(44.22%)与较差等(41.27%)为主,优等仅占1.57%。退化占比(41.19%)远高于改善(7.05%),且矿山尺度退化占比超85%。②气候条件模拟的I′ARSE呈西南向东北递减的格局。2006年之后气候变化改善了I′_(ARSE),主要集中在大井东部、将军庙东北部、西黑山北部,退化则主要分布于五彩湾矿区。③采矿对土地生态系统质量具有负效应,平均残差为-0.128,采矿诱发的退化集中于新增矿区与新建道路两侧,呈“点—线—网—面”退化格局。④戈壁矿区土地生态系统质量主要受气候变化影响,采矿影响较小,但2者对I_(ARSE)改善区与退化区作用不同,气候变化与采矿对改善区贡献率分别为88.53%与11.47%,对退化区则分别为58.68%与41.32%。综上认为,戈壁矿区煤炭开发应规避自然保护区,尽量减少不必要的路网建设,重视道路两侧生态防护与修复,避免生态沿路向外进一步退化。此外,可依托近年气候利好趋势,辅以必要的人工诱导,推动戈壁矿区整体保护、系统修复与综合治理。

基于无人机与植被指数的排土场DEM模型构建关键技术

露天煤矿排土场具有地形复杂、堆存松散、异质性强等特点,长期存在整体非均匀沉降、边坡失稳变形、蠕动等地质环境问题。因此,掌握排土场精确地形数据是保证其地质稳定性的基础,然而传统地形测量技术难以满足高精度需求;无人机低空摄影测量所获地形数据虽分辨率高,但受地表植被影响导致垂直精度不足。针对这一问题,提出基于可见光植被指数-植被高度回归模型的地形数据获取方法,即利用回归模型对无人机摄影测量获取的地表高程值进行修正以提高垂直精度。以宝日希勒露天煤矿外排土场北坡为研究对象,利用无人机摄影测量技术获取研究区初始地形和正射影像数据,再基于可见光建立植被指数-植被高度回归模型对初始高程值进行优化。实验表明:可见光植被指数与植被高度具有较好的相关关系,基于不同波段建立的植被指数对植被高度的估算精度存在较大差异,其中利用红绿蓝3个波段建立的植被指数EXG模型(R 2=0.952)和RGBVI模型(R 2=0.95)具有较高的拟合精度。结合可见光植被指数-植被高度修正模型可提高无人机摄影测量获取的地形数据精度,研究区检查点均方根误差由0.111 m减小到0.045 m。与传统GPS RTK地形测量技术相比,此方法在地形复杂处精度更高,在中小尺度上获取高精度地形数据具有较大优势。

基于SBAS和混沌理论的内排土场沉降监测及预测

为研究露天矿内排土场工后沉降规律,定义内排土场下沉系数为地表最终沉降量与初始覆土高度的比值,并以内蒙古锡林浩特市胜利一号露天矿内排土场为研究区,利用41期高时间分辨率sentinel-1 A数据采用小基线集(SBAS)技术进行内排土场沉降监测,在此基础上引入混沌理论中的相空间重构理论结合二阶Volterra自适应滤波对沉降时间序列进行单步预测。结果表明:①内排土场沉降剖面呈现明显的半漏斗状,总体上累积沉降量与到矿坑的距离成反比,通过沉降时间序列分析可得Ⅰ,Ⅱ区域处于沉降活跃期,存在滑坡、泥石流风险,是后期沉降监测的重点区域,Ⅲ~Ⅶ区域步入稳定过渡期,Ⅷ区域已基本稳定,初步判断该区已基本满足了土地复垦及建设简单构筑物的基本要求。②经曲线拟合,得观测周期内,内排土场下沉系数约为0.639 cm/m。③经最大Lyapunov指数验证,通过SBAS技术得到的4组沉降量时间序列均具有混沌特征。④运用混沌理论中的相空间重构理论结合二阶Volterra自适应滤波对沉降量进行单步预测,预测结果显示其可在短期内较好地反应真实值变化趋势,前10步预测结果的平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MAPE)和均方根误差(RMSE)均在6%以下,但随预测步数的增加,预测精度逐渐下降,这表明二阶Volterra自适应滤波仅可用于SBAS获取的一维沉降观测数据的短期预测,将其应用于长期预测的结果不可靠。