基于蜣螂算法优化的投影寻踪生态环境评价方法构建

矿山开采会破坏和占用大量土地资源,对生态环境造成持久的负面影响,因此评价矿区生态环境质量变化迫在眉睫。为了准确监测矿区生态环境质量,以陕煤集团张家峁矿区2000—2023年24期逐年的Landsat影像为基础数据,通过计算绿度(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、湿度(Humidity Index,WET)、热度(Land Surface Temperature,LST)、干度(Normalized Differential Build-up and bare Soil Index,NDBSI)4项生态指标,并采用基于果蝇优化算法的投影寻踪(Fruit Fly Optimization Algorithm-Projection Pursuit Clustering,FOA–PPC)、基于粒子群优化算法的投影寻踪(Particle Swarm Optimization-Projection Pursuit Clustering,PSO–PPC)、基于灰狼优化算法的投影寻踪(Grey Wolf Optimizer-Projection Pursuit Clustering,GWO–PPC)和基于蜣螂优化算法的投影寻踪(Dung Beetle Optimizer-Projection Pursuit Clustering,DBO–PPC)4种群智能优化算法构建矿区生态环境质量评价方法,并利用平均相关度进行精度验证。结果表明:①DBO–PPC模型的平均相关度和类内聚集度均高于PSO–PPC模型、FOA–PPC模型和GWO–PPC模型,且与EI指数更接近,表明DBO–PPC能更好的评估研究区生态环境;②基于DBO–PPC模型的张家峁矿区2000—2023年生态环境质量均值为0.4,生态环境质量以差和较差等级为主,面积占比约55.94%,空间上呈西部差东部好,常家沟水库的生态环境在研究期内表现为优等级,矿区东北部和中部区域的生态环境较好,植被覆盖较多;③矿区发生沉陷面积占比为81.28%,沉陷最大值达−0.15 m;采区发生沉陷现象面积占比明显高于矿区,占采区面积的89.56%,生态环境质量以−0.0004的速率下降,表明采矿活动使得研究区的地表发生了沉陷,进而影响到生态环境。综上所述DBO–PPC模型在监测评价矿区生态环境质量方面具有较强的合理性,从而为矿区生态环境可持续发展提供技术手段。

自然和人为干扰因素对黄土高原生态环境质量变化的影响

为了识别自然和人为干扰因素对黄土高原生态环境质量变化的影响,以黄土高原为研究区,基于GEE平台和MODIS数据获取区域内2003-2022年的遥感生态指数(RSEI),利用随机森林识别自然因素和人为干扰因素对RSEI变化的驱动作用。结果表明:近20年内,(1)黄土高原的生态环境质量轻微改善,以0.002/a的速率增加,且生态环境质量空间分布总体呈由东南向西北递减的趋势,空间分布异质性较大,整体表现为良;蒙陕矿区和山西矿区大部分区域,以及黄陇矿区和宁东矿区的生态环境质量改善较为明显,占比分别为40.5%、25.7%、14.6%和19.9%,山西矿区和豫西矿区部分区域退化较为明显,占比分别为5.4%和34.3%。(2)黄土高原气温降低和升高区域分别占比46.3%和13.3%,而92.7%区域的降水不变;63.1%的土壤水、58.4%的地表径流和96.6%区域的地下水储量增加;98.5%区域的GDP增加,62.7%和20.9%区域的人口增加和降低,近70%的土地利用类型基本不变,其余区域的地物类型相互转换。(3)黄土高原RSEI改善区域主要受地表径流(占比39.8%)、地下水储量(15.7%)、GDP(13.4%)和气温(12.4%)的影响,退化区域主要受GDP(22.2%)、地表径流(21.3%)、地下水储量(16.4%)、气温(12.5%)和夜间灯光(10.5%)的影响;其次,RSEI改善的煤炭基地主要受地表径流和GDP的影响,退化的煤炭基地受GDP、夜间灯光、地下水储量和气温因素主导。综上所述,近20年内黄土高原生态环境得到改善,生态环境质量变化主要受地下水储量、地表径流、气温、夜间灯光、人口和GDP的影响。

基于遥感生态指数的神东矿区1990—2022年煤炭开采对生态环境的影响分析

定量分析煤矿开采、土地复垦等人类活动对环境产生的影响可为矿区环境保护提供复垦依据。基于1990—2022年Landsat影像,采用遥感生态指数RSEI评估神东矿区的生态环境时空动态演变特征,并利用随机森林模型建立温度、降雨、潜在蒸散发与RSEI的关系模型,得到气候条件下RSEI的预测值R′SEI,结合残差分析与基于Landsat的干扰和恢复趋势检测(Landtrendr)算法定量评估人类活动的影响。结果表明:①矿区与矿井尺度的整体RSEI均值皆有所上升,但矿井尺度RSEI均值低于矿区尺度;2018—2022年光伏区RSEI下降速率为-0.027,略低于控制区,表明神东矿区整体生态环境得到略微改善,但人为采矿活动导致矿井尺度生态环境质量低于矿区尺度,而光伏区的建设对生态环境起到了改善作用。②神东矿区采矿前(1990—1996年)和采矿后(1996—2022年)R′SEI与实际RSEI的相关系数R^(2)为0.61。矿区生态环境在只受气候因素影响下呈变好趋势。③采矿后(1996—2022年),矿区尺度残差δ均值为0.07,δ<0的部分主要集中在矿区北部矿井集中区及其周边地区,占总面积的39.74%,每当矿区有新矿活动加入,δ<0的面积占比就会大幅增加;矿井尺度整体δ均值在1996—2000年呈下降趋势,2000—2012年呈上升趋势,2012—2022年呈下降趋势。④1990—2022年矿区尺度扰动和恢复强度均值分别为0.45、0.37,矿井尺度扰动和恢复强度均值分别为0.43、0.37,矿井尺度扰动强度低于矿区尺度但恢复强度与其相近;采矿后(1996—2022年),扰动与恢复面积占比都保持先上升后下降趋势,表明矿区扰动和恢复行为总是伴随发生且煤炭开采所产生的扰动可由生态遭到破坏后的自我修复及人类复垦行为进行抵消。矿区扰动持续时间占比最大为1 a,恢复持续时间最大为16 a,表明研究区的采矿扰动为急剧的采矿干扰事件,短暂采矿干扰影响发生之后,便有恢复事件发生,且人为对矿区采取的修复行为具有长期性和持续性。综上所述,煤矿开采行为对矿区生态环境造成较强的负面影响,但人类对矿区生态采取的各种治理措施及环境自身的修复能力可对其进行修复。该研究有助于理解煤炭开采对矿区生态环境的影响,并为神东矿区生态环境质量的恢复与提升提供科学依据。

新疆戈壁煤矿露天开采对生态环境扰动定量分析

新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用1990—2020年Landsat影像,在遥感生态指数IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤矿生态指数(IACME),并运用M-K检验与Sen趋势分析法揭示研究区IACME时空演变特征与规律,评价干旱矿区的生态环境质量状况,同时利用多元回归、神经网络、随机森林和支持向量机方法分别建立五彩湾矿区气候因素与IACME的关系模型,预测得到基于气候条件下的I′_(ACME),结合残差分析与双重差模型定量评估采矿活动的影响。结果表明:(1)近30 a来研究区IACME均值为0.28,总体上IACME呈下降趋势,由1990年的0.30下降到2020年的0.22。变化幅度方面,退化区面积占比为62.63%,远高于改善区28.3%,由于采矿活动的影响,显著退化面积占比增加12.96%,主要集中在以矿井为中心向外辐射区域,显著改善面积占比下降17.28%。(2)利用多元回归、神经网络、随机森林、支持向量机4类方法分别建立气候因素与IACME的关系模型,得到基于麻雀搜索算法的随机森林(SSA-RF)精度最高,验证集R^(2)=0.82、均方根误差E_(RMS)=0.109,该模型在所使用的建模方法中可靠性更高,适用性较强;(3)通过SSA-RF预测基于气候条件的I′_(ACME),气候影响下,研究区生态环境以较差(0.2~0.4)和中等(0.4~0.6)为主。假设不存在采矿活动,研究区2006—2020年I′_(ACME)在0.26~0.59,I′_(ACME)平均值为0.40,与同年份实际的IACME空间分布相比,环境显著改善的区域明显增多,主要集中在研究区中部矿井所在区域。(4)利用残差定量分析得知研究区采矿活动对生态环境具有负向效应,平均残差δ为-0.116,通过双重差分模型得出采矿对生态环境的定量影响为-0.112,进一步表明煤炭开采对生态环境存在负面扰动,导致生态环境质量下降;2种方法计算结果相近,表明SSA-RF与双重差分模型均可用于定量分析煤炭开采的影响。(5)采矿活动导致研究区生态环境退化占比为57.52%,改善占比为34.67%;气候条件下导致生态环境退化占比为42.28%,改善占比为65.33%,采矿导致生态环境退化占比超过50%,说明采矿活动是影响生态退化的重要原因之一。综上所述,五彩湾矿区生态系统亟待恢复,必要时应辅以人工干预,来推动五彩湾戈壁矿区整体的环境保护、生态系统修复与综合治理。

1995—2021年榆神府矿区景观生态风险时空异质性研究

煤炭开采作为一种强烈的人类活动影响了矿区生态系统服务功能和经济价值,而相同气候环境不同地貌长时序空间尺度上矿区开发后景观生态风险演化特征对比研究较欠缺。以半干旱榆神府矿区为研究对象,基于1995—2021年Landsat数据,通过构建景观生态风险指数以及空间统计学分析,探究了近30年来矿区黄土丘陵和覆沙地两种不同地貌类型景观生态风险时空演化特征。结果表明:①1995—2000年间榆神府矿区两种地貌生态风险格局整体无明显变化;2000—2010年间黄土丘陵区景观低生态风险区向更高等级生态风险转变,2010年黄土丘陵区中高、中和中低生态风险区占比为70%,而覆沙区高生态风险区域虽增加但不显著,仍以中低生态风险区为主,占比为31%;2010—2021年矿区景观生态格局向着均匀化的方向发展,黄土丘陵区逐渐稳定为以中低、中和中高生态风险等级为主,2021年3个风险等级占比为74%,覆沙区也形成了以低、中低和中生态风险等级为主的分布情况,3个风险等级占比为77%,生态风险等级逐渐趋于稳定,生态风险格局不断优化;②1995—2021年榆神府矿区景观生态风险在空间上有明显的集聚分布特征,局部生态风险具有明显的热点、冷点区域,生态风险热点主要分布于煤炭开发时间长、地质环境损害较严重的东北部和东南部黄土丘陵区,生态风险冷点主要位于目前仍处于资源勘探普查的中部覆沙区;③人为干扰度是对榆神府矿区景观生态风险影响最大的驱动因子,黄土区与覆沙区决定力q值大小分别在0.49~0.72和0.38~0.55,在黄土丘陵区植被覆盖度是第二大影响因子,决定力q值在0.27~0.46之间,气温因子影响程度次之,而覆沙区植被覆盖度与气温的影响程度在1995—2021年间互有高低,两种地貌类型景观生态风险均受高程影响最小,q值均小于0.10;④景观生态风险时空演化相关分析表明,榆神府矿区生态修复过程中,应根据不同地貌类型特征优化景观生态格局,在黄土丘陵区应优化开采方案减小地表生态损害、积极开展损害地主动修复策略,在覆沙区由于开采对该区景观格局影响较小,矿区损害地可实施引导型生态自修复等以保障矿区生态安全。

无人机飞播参数优选与DSE浸种荞麦生态修复效应研究

陕北矿区地势复杂多变、地形沉陷及地裂缝导致机械生态修复困难,基于北方天途八旋翼无人机,以荞麦为试验对象,研究了飞播参数对无人机飞播作业的影响,并探究了深色有隔内生真菌(DSE)浸种后无人机飞播荞麦生态修复效应。结果表明:飞播参数对荞麦种子有效幅宽与飞播均匀性有显著影响,获得无人机最优飞播参数为高转速、飞行高度2.5 m、飞行速度4 m/s、作业间距6 m;该飞播参数下荞麦DSE接菌区,其生长期株高、地径和地上生物量分别比对照区提高了11%、25%、49%;接种DSE可有效提高荞麦叶片叶色值和光合速率,促进荞麦根系生长,提高荞麦产量和品质,无人机飞播联合DSE浸种促生技术可为西部煤矿区复杂地形生态修复奠定技术基础。

基于时间序列模型的戈壁荒漠露天矿生态环境评价

矿区生态环境评价中常采用单景、多景遥感数据来进行评价,但这2种数据存在时间不一致性和评估不准确性的缺点。为实现矿区生态环境的准确监测,以戈壁荒漠露天矿及其周边环境为研究对象,采用CFmask算法+Tmask算法获取纯净像元反射率。经时间序列模型合成研究区年度遥感数据,采用压力-状态-响应模型对其进行长时间序列生态环境评价。结果表明:(1)基于时间序列模型预测的地表反射率值与对应局部区域的卫星观测地表反射率值差异较小且其真彩色影像视觉差异较小,非纯净像元位置处预测反射率与周边纯净像元地表反射率真彩色影像视觉差异较小。以2022年各波段纯净像元反射率观测值与预测值验证精度,结果显示观测值与预测值显著相关(相关系数均大于0.6)。实地考察数据与经时间序列预测数据得到的生态环境指数的相关性(R^(2)=0.450)优于单景生态指数(R^(2)=0.347)、多景生态指数(R^(2)=0.386)。(2)2013—2021年研究区整体生态环境较差,呈南高北低、西高东低的空间格局,且随着时间增加,南部生态环境退化较为严重。矿区内生态环境变化较矿区外生态环境变化稳定,矿区外生态环境退化较快。(3)生态差、生态中、生态优面积的年变化速率分别为0.005/a、0.002/a、-0.007/a。各生态等级状况随时间呈现景观破碎度减小、景观异质性减小、聚合度增加态势,生态优斑块流向生态中、生态差斑块,生态差等级逐渐成为研究区生态环境主要生态等级。矿区内各等级占比稳定,矿区外生态差占比逐年增加。在对研究区进行生态修复时应尽量避免在半阳坡方向种植作物,且在阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡方向种植作物时均应避免坡度大于17.5°。

西部煤矿区微生物修复促进植物水分高效利用策略

西部煤矿区生态环境脆弱,叠加高强度开采致使水土流失、土壤退化、根系受损,植物水分利用效率低,生态恢复困难,提高水分利用效率成为西部矿区生态修复或重建的关键。土壤水是限制干旱半干旱煤矿区生态修复的关键因素,它连接大气水、地表水、地下水与植被生长,是水分循环与养分运输的重要载体。土壤水分的高效与合理利用关系到生态修复的成败,因此探究植物根系水分利用策略对于西部煤矿区生态修复具有重要作用。分析了国内外植物水分利用的主要研究方法,比较了不同方法之间的优缺点及相应研究进展。在干旱半干旱煤矿区受损生态环境中,采用植物-微生物联合的微生物修复技术,能提高植物水分利用效率,改善植物水分利用策略。同时,接种微生物降低了植物从浅层土壤吸收水分的比例,有效地增加植物从深层土壤中吸收和利用水分,提升了植物水分利用效率,使接菌植物在干旱半干旱煤矿区表现出更高的生态适应性。分析了目前西部煤矿区植物水分利用的研究进展和存在的问题,探讨了煤矿区微生物修复对水分利用策略的改善,提出了西部干旱煤矿区生态修复中不同植物组合对水分利用策略的影响及其研究重点,为实现矿区绿色可持续、高质量发展奠定了扎实的基础,具有重要的生态应用价值。

西部煤矿区生物土壤结皮的生态修复作用及其碳中和贡献

我国西部是典型的生态脆弱敏感区和水土流失严重区,煤炭的资源开发与干旱脆弱的自然环境叠加作用使西部煤矿区地表损伤及生态碳汇能力下降的问题日趋严重,探索一种与生境契合度高、贴合地形变化快速复绿的生态修复+碳汇技术成为当务之急。生物土壤结皮是由土壤微生物、隐花植物如蓝藻、真核藻类、地衣、苔藓等与土壤表层颗粒胶结而成的复杂有机体,广泛分布于我国西部地区。生物土壤结皮作为干旱半干旱地表生物覆被层的最初主要构建者,是陆地生态系统中重要的碳汇,能够改变土壤表面的微地形,增加降水入渗,延缓或减少径流的发生,影响菌类和土壤动物的生存和繁衍,并在土壤生态水文过程、土壤生物过程和地球化学循环过程中发挥重要作用。为此,结合西部煤矿区生态环境所面临的主要问题,从生物土壤结皮影响土壤养分累积、氮固定、风蚀水蚀过程、植物萌发与生长等方面对其生态功能进行概述。阐述生物藻结皮对沙地沙尘控制、采煤沉陷地裂缝修复、乔灌草立体生物修复等新技术模式。通过试验研究发现,与藻结皮层相比,苔藓结皮层有机碳含量显著高于90.3%,丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土3∶1~5∶1(质量比)配比时有机碳含量增加107%。提出了丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土3∶1~5∶1联合最佳配比固碳、生物土壤结皮与草灌乔立体组合生物固碳、生物土壤结皮长期修复土壤累积固碳等碳中和的贡献潜力,旨在为碳中和背景下西部煤矿区土地复垦与生态修复提供新的参考和技术支撑。

典型露天矿区生态环境遥感评价

研究露天矿区生态环境演变及其时空变化规律,对露天矿区生态环境保护和建设绿色矿山具有重要意义。以平朔矿区为例,基于Landsat 5/8影像和气象数据,采用RSEI指数及改进的CASA模型监测1989—2019年平朔矿区生态环境演变并分析生态恢复力与RSEI、NPP的关系,结果表明:平朔矿区1989—2019年生态环境呈变好趋势,差等级面积从1989年的33.00 km^(2)减少到2019年的16.75 km^(2),优和良等级面积分别增5.51 km^(2)和5.66 km^(2);研究区采矿面积从1989年的10.63 km^(2)增加到2019年的65.84 km^(2);2019年土地复垦面积比2002年增加了14.97 km^(2);基于线性加权构建表征生态恢复力大小的综合指数Z分析表明30 a间矿区生态恢复力逐渐增大,且该指数与NPP和RSEI呈显著正相关(P<0.01)。利用自然间断法将综合指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4级,分别表示生态恢复力由低到高,30 a间生态恢复力低的I区面积呈下降趋势,生态恢复力高的IV区面积呈增加趋势,说明30 a间平朔矿区复垦效果显著。

干旱砾漠区不同地貌单元植物群落特征及其与环境因子的关系

探究干旱砾漠区不同地貌单元植物群落特征及其驱动力,对干旱区不同地貌单元针对性的自然植物群落保护措施制定与合理的人工恢复植物群落构建具有重要意义。该研究分析了干旱砾漠区砾漠戈壁、风蚀残丘、风沙地和河谷地4种微地貌单元植物群落结构、组成与多样性特征,并基于土壤和微气象因子监测探究了不同地貌单元影响植物群落变化的主要生态因子。结果表明:(1)干旱砾漠区植物群落呈斑块状分布,垂直结构1~2层,生活型主要以1年生植物和小灌木为主;不同地貌单元中砾漠戈壁灌木约占45%,风蚀残丘和风沙地1年生植物约占50%,河谷地植物群落包含所有统计的5种生活型,其中包括少量乔木和藤本植物。(2)干旱砾漠区河谷地的植物群落覆盖度、植株密度、群落多样性和稳定性最高,风蚀残丘次之,在植物分布稀疏的砾漠戈壁和群落结构最简单的风沙地植物群落多样性和稳定性最低。(3)土壤含水率、有机质、可溶性盐和地表温度是影响干旱砾漠区植物多样性、生产力和群落稳定性的主要因子,除此之外,风蚀残丘的土壤容重、砾漠戈壁和风沙地的地表风速也是影响各自微地貌单元植物群落特征的主要因子。综上所述,干旱砾漠区生态受损后应依据不同微地貌单元中影响植物群落的主要生态因子制定相对应的植被恢复措施,如砾漠戈壁地貌减小地表温度、通过土壤质量改善在风蚀残丘和风沙地恢复建群种、河谷地生态用水的维系等。

接菌对根土复合体抗剪拉作用机理及其矿山生态修复潜力

煤炭开采形成了露天排土场和井工沉陷地,改变了原始地貌和生态。露天排土场边坡不稳易水土流失造成滑坡剪切植被根系,井工沉陷致使地裂缝发育拉伤植物根系,因而矿山生态修复的关键之一是增强植物根系的抗剪切和抗拉伤性能。微生物复垦具有改善土壤理化性状、促进植物根系发育和抗逆境等功能,接菌对根土复合体抗剪切和拉伤的作用对于揭示其矿山生态修复机理奠定了基础。人工修复后,植物根系与土壤形成根土复合体,可大幅增加土体的抗剪强度,增强浅层土体的稳定性,有效降低了露天排土场边坡水土流失和缓解了根系拉伤。丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)两种微生物在根际普遍存在,与根系形成的菌根共生体和根际土壤黏结在一起成为根菌土复合体,其抗剪切作用机理及影响因素目前研究较少。因此,本文针对根土复合体的力学特性及影响因素、接菌后对根土复合体抗剪切影响及在煤矿区生态修复潜力进行综述,同时结合试验数据分析得出,联合接种AMF和DSE可显著提高了植物地下生物量、土壤黏聚力、根土复合土体的抗剪强度。微生物复垦技术不仅提高人工修复植被成活率及抗逆性,还可增强抗剪切或抗拉伤等力学特性,对于矿区生态修复具有重要的应用潜力。

叶面涂抹DSE菌液对蛋白桑生长发育影响及其生态修复前景

微生物复垦技术在西部干旱–半干旱煤矿区生态修复中已被广泛应用,便捷的微生物菌剂施用方式对于提高采煤沉陷地生态治理效率具有重要意义。试验以蛋白桑为研究对象,供试菌剂为深色有隔内生真菌(dark septate endophyte,DSE),采用温室盆栽试验,设置DSE菌液根际接种(GXZR)、DSE菌液叶片涂抹(YMTM)和对照蛋白桑(CK)3个处理,探究不同菌液接种方式对蛋白桑生长发育影响及其生态修复前景。结果表明,与CK相比,YMTM与GXZR处理均能显著提高蛋白桑地上生物量,增加幅度为1.9~3.3倍;同时YMTM与GXZR处理促进了蛋白桑对土壤C、N、P的吸收,全碳分别提升164.8%和121.8%、全氮分别提升177.7%和132.4%、全磷分别提升113.6%和28.7%。此外,YMTM与GXZR处理蛋白桑的相对饲用价值显著提升1.04和1.07倍。这些结果表明,DSE叶面涂抹促进蛋白桑对土壤C、N的吸收,使蛋白桑株高、冠幅、根茎叶生物量也得到显著提升,具有较强的碳汇作用。此外,DSE菌液叶面涂抹能够使DSE快速定殖于蛋白桑叶片,具有养分吸收快、利用率高、见效快的特点。因此,DSE叶面涂抹可作为一种新的微生物菌肥施用方式在矿区生态修复中应用,为煤矿区土地复垦与生态修复提供技术支撑。

DSE及其代谢物对紫花苜蓿促生作用及其矿区生态修复潜力

煤炭开采造成矿区土地生产力降低,生态脆弱问题加剧,微生物联合植物复垦技术是矿区生态修复常用手段,合适的菌剂接种方式对加快矿区生态修复具有重要意义。深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes,DSE)是一类普遍存在于植物根系的内生真菌,其代谢物具有植物生长刺激素的功能。以紫花苜蓿为研究对象,在浸根方式和模拟土培方式2种接种方式下,设置DSE菌丝(HD)、代谢物(MD)、菌丝及其代谢物(HD+MD)及空白对照(CK)4个处理,探究DSE及其代谢物对紫花苜蓿的促生作用机制。结果表明:浸根方式下菌丝及其代谢物联合处理的紫花苜蓿长势最佳,总生物量、总叶绿素、根体积、全氮含量分别比对照组增加了83.78%、35.54%、132.12%、82.16%,DSE在紫花苜蓿根系定殖率可达68.89%,且以菌丝结构定殖为主。模拟土培方式下DSE代谢物对紫花苜蓿的促生作用显著,定殖以微菌核结构为主。相关性分析表明,与接种方式相比较,DSE接种处理与菌丝定殖率、微菌核定殖率、总定殖率、根长、根表面积、根投影面积呈显著正相关(P<0.05),与地上部鲜重、根鲜重、总鲜重、根体积、全氮、全钾呈极显著正相关(P<0.01)。DSE及代谢物通过定殖率和光合作用调控紫花苜蓿的生长,为矿区生态修复绿色菌肥的的开发利用提供了理论依据。

西部煤矿区深色有隔内生真菌修复机理与生态应用模式

煤炭开采过程损伤生态,扰动土壤与植被生长环境,加之西部矿区气候干旱,环境胁迫影响矿区生态自修复进程。微生物修复技术在矿区生态环境的应用是从修复生态系统的功能与结构角度出发的一种可持续方法。深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes,DSE)不同于丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi,AMF),是一类更广泛定殖于植物根系的内生真菌,在微生物-土壤-宿主植物生态系统中发挥着重要生态学功能。与丛枝菌根真菌相比,DSE可以纯培养,利用DSE等有益微生物对矿区进行生态恢复更具有推广意义。针对DSE分类特征、不同宿主植物和不同生境中DSE的定殖规律进行总结。揭示DSE在促进宿主植物矿质营养吸收,增强非生物胁迫和生物胁迫抗性机理,特别是在非生物胁迫中,DSE可以帮助宿主植物抵御水分胁迫、盐胁迫、重金属胁迫和寒冷胁迫。提出DSE代谢物在宿主植物生态作用。基于此,为使DSE保持生物活性、延长存活时间、更大程度发挥其生态价值,提出菌液浸种搭载无人机飞播、DSE固体菌剂研发、DSE叶面肥涂抹技术等新的生态修复模式,促进植物快速吸收养分、提高抗逆性,最大程度地发挥DSE的生态功能,激发土壤潜在肥力,改善土壤结构,加速矿区植被恢复,为西部煤矿区生态修复奠定技术基础。

神东矿区接种AMF对植物−土壤生态化学计量及养分回收的影响

矿区采煤沉陷地植被恢复和微生物复垦是打造绿色矿山的关键点。丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF)和恢复植被类型对植物−枯落叶−土壤连续体的生态化学计量学特征及养分回收的影响尚不明朗,但对阐明西北干旱采煤沉陷区生态修复后养分循环和可持续发展具有重要意义。选择复垦10 a后接种AMF与对照的紫穗槐、沙棘、文冠果、欧李、野樱桃5种恢复植被及对应植被的0~10 cm土壤进行研究,旨在探明接菌和恢复植被类型对植物−枯落叶−土壤连续体碳(C)、氮(N)、磷(P)含量和生态化学计量比,养分回收率、养分限制的影响。结果表明:5种恢复植被各器官平均养分含量与全国水平相比呈现出高C、P低N的特点,土壤N的缺乏限制了枯落物分解和植物生长。冗余分析表明影响植物生态化学计量的主要土壤因子是土壤有机碳、P、土壤易提取球囊霉素并且土壤养分与叶养分回收在菌根介导下呈正相关。AMF接种提高了植物、土壤养分含量、N、P回收率和土壤碳氮比,降低了植被的氮磷比,进而缓解植物N限制,增加植物生长速率支持恢复植被重建,促进连续体养分循环。在不同人工重建植被中接菌的固氮植被紫穗槐和沙棘养分含量、稳定性及生长速率高。植物−枯落叶−土壤连续体生态化学计量及养分回收特征预测土壤氮限制沉陷区可持续生态恢复,接种AMF则促进沉陷区持续生态恢复的潜力。

接种AMF对西部煤矿区紫穗槐根系分布和水分利用效率的影响

西部干旱半干旱煤矿区井工开采导致了大面积采煤沉陷区的出现,矿区生态复垦难度较大,利用菌根微生物技术进行生态修复已经成为当前的研究热点。为探究接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对紫穗槐根系分布特征和水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)的影响,研究通过室内土柱试验,设置了对照不种植紫穗槐幼苗(CK1)、种植紫穗槐幼苗(CK)、种植紫穗槐幼苗并接种AMF(+AM)3组试验处理,并对植物生长指标和土壤水分等进行了测定。结果表明:①接种AMF有效促进了紫穗槐的生长,其株高、SPAD(Soil and plant analyzer development)值、地上生物量和地下生物量相较CK处理分别提升38.5%、27.5%、11.1%、69.4%;②接菌改变了紫穗槐的根系分布,使总根系长度和根尖数分别增加329.0%和586.1%,平均根直径显著减小22.9%,2 mm以下细根根长比例提升370.1%。同时,接菌影响了土壤水分分布和紫穗槐的水分利用模式,使0~20 cm的土壤含水率较CK处理分别提高8.9%、7.8%,20~50 cm的含水率又分别降低16.8%、4.0%、11.6%;接菌增加了紫穗槐对表层5 cm以下土壤的水分利用比例,在5~30、30~50 cm分别提升15.4%、9.9%;③接菌使紫穗槐植株的WUE增加了27.5%,主成分分析结果表明,紫穗槐根系中的细根长(0.50~1.00 mm)和根尖数是干旱胁迫下接种AMF对土壤水分高效利用的关键根系特征。综上,接菌可对紫穗槐幼苗有明显的促生作用,通过对紫穗槐细根根系特征参数的显著改善,促进了对土壤水分的吸收及再分配能力,进而使紫穗槐植株表现出较高的WUE,该研究结果可为西部采煤沉陷区生物联合修复技术提供科学指导和技术支持。

露天煤矿区不同生态措施对紫穗槐水分利用特征的影响

[目的]为探究排土场不同生态措施下典型植物的水分利用特征,提高植物水分利用效率,加速矿区生态恢复进程。[方法]以黑岱沟煤矿排土场6种生态措施(对照、接菌、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤)下紫穗槐为对象,结合水的氢氧稳定同位素等方法分析。[结果](1)排土场土壤含水率为3%~9%,在0-30,70-100 cm土层较低,在30-70 cm土层较高。(2)紫穗槐的水分供给来源于降水和土壤水,土壤水分在0-30 cm土层发生显著的分馏现象,且在不同生态措施表现出显著差异,绿肥处理最大,接菌+绿肥处理最小。(3)不同生态措施下紫穗槐的水分利用特征存在显著差异,接菌处理对50-100 cm土层的水分利用比例较高,为53.4%;绿肥处理紫穗槐主要利用表层(0-20 cm土层)土壤水分,为42.6%;接菌+绿肥处理紫穗槐对各层土壤水分利用比例较为均匀。[结论]接菌+绿肥处理优化了紫穗槐水分利用特征,增加对表层和深层水分的利用比例,可作为排土场的生态复垦措施,促进西部干旱矿区生态恢复速率和效应。

易侵蚀层厚度对滑坡运动过程与堆积特征影响的模型试验研究

为研究滑坡与易侵蚀层相互作用下产生的地质构造现象,利用砂盒试验装置对滑坡的运动过程进行研究,揭示滑体运动过程中速度场与位移场规律,剖析滑坡堆积体几何形态及内部构造特征。结果表明:滑体运动过程分为3个阶段,初始阶段,滑体沿斜板下滑,速度和加速度快速增加;加速、稳定阶段,易侵蚀层会极大地抑制滑体的运动,滑体与易侵蚀层碰撞后速度与加速度瞬间降低,使得滑体位移量显著减小;随着易侵蚀层厚度的增加,滑体在撞击易侵蚀层后速度减小的幅度增大,堆积体面积、长度随厚度的增加而逐渐减小;在易侵蚀层厚度增加的过程中,滑体对易侵蚀层的作用形式逐渐由挤向覆转变,作用过程变得复杂;随着厚度的增加,相互作用变得复杂,堆积体内部发育直立褶皱、平卧褶皱、逆冲剪切、水平剪切、包卷等结构,表面形成褶皱、隆起等构造,反映滑体从压缩到剪切运动的应力状态。研究结果为滑坡运动路径中存在易侵蚀时的灾害范围计算提供了一定的理论参考。

西部露天排土场有机生物改土对紫穗槐水分利用效率影响

露天煤矿排土场植被恢复对生态系统功能提升具有重要意义,为研究不同有机生物改土措施下土壤理化性质及植物生长对恢复植物水分利用效率的影响,以黑岱沟露天煤矿排土场6种(对照、接菌、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤)生物改土措施下紫穗槐为对象。研究结果表明,有接菌的处理促进了紫穗槐对土层中水分的利用效率,从而表现出较低的土壤含水率。接菌处理显著提高了土壤有机质和全氮质量分数,分别比对照分别高37.1%和11.0%。同时,接菌和接菌+绿肥处理平均土壤全氮质量分数相同,表明绿肥对土壤全氮质量分数几乎没有影响。接菌处理紫穗槐植株最高,分别比对照、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤提高了5.7%、20.2%、19.4%、14.5%、13.7%。紫穗槐平均冠幅及全碳质量分数在不同处理间表现出相似的规律:接菌>对照>接菌+绿肥+风化煤>绿肥+风化煤>接菌+绿肥>绿肥。通过主成分分析发现各因素对紫穗槐水分利用效率解释度达到85.4%,主要受光合速率和气孔导度的影响,其次是土壤有机质和全氮质量分数。接菌处理紫穗槐平均水分利用效率为140.34μmol/mol,且显著高于其他处理。综上表明,接菌处理可以改善露天排土场水分环境,优化紫穗槐的水分利用特征。