矿区土地复垦格局优化与赤泥微生物修复研究

发布时间：2018-02-14 10:25

本文关键词： 土地复垦矿区工矿废弃地格局优化微生物修复　出处：《中国农业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：大规模的矿产资源开发会引发土地损毁、原始地貌景观改变、生物多样性受损以及引发矿区土壤污染等问题,损毁土地的复垦规划和实施也应该考虑景观生态的保护及污染土壤修复等现实问题。虽然前人在矿区土地复垦和生态重建领域已经进行了大量的工程修复技术和植被恢复实验研究,但是对于典型矿区的景观规划设计、体现工矿废弃地斑块连通特点的复垦时序安排、不同复垦目标情景下土地利用景观动态变化模拟和矿区污染土壤的生物修复机理等研究相对较少。围绕上述科学问题,本文以景观生态学和土壤学理论为指导,首先,针对矿区开采-损毁-复垦特点,进行了露天煤矿土地损毁和复垦阶段的景观格局分析;然后,结合工矿废弃地斑块大小不一、空间分布零散的特点,提出了工矿废弃地复垦过程中斑块、景观空间集中连片度的测度方法和不同复垦目标情景下矿业城镇土地利用景观的动态变化分析方法;最后,以铝土矿尾渣(赤泥)为例,通过微生物修复手段,研究了添加有机质和硫酸钙对于改善尾矿理化性质和减轻土壤盐碱化程度的影响。上述研究结果可为矿区恢复和保护生态环境、合理进行工矿废弃地复垦利用规划和修复矿区污染土壤提供理论依据和技术参考。主要研究结果和结论如下:(1)矿区资源开发会导致土地损毁和景观格局破坏,土地复垦应考虑对于景观生态的保护。由于景观指数能够定量化描述景观格局变化情况,该文以北方农牧交错生态脆弱区某露天煤矿区为例,应用景观生态学和传统统计学方法,选取香农多样性指数等10个景观指数对开采前、开采结束后和完全复垦后的三个阶段的景观格局进行综合评价,并采用层次分析法确定各指标权重,景观格局综合评价结果从大到小依次为开采前(0.93)开采结束后(0.24)完全复垦后(0.42)。开采结束后矿区的景观格局评价综合得分为0.24,比开采前的综合得分(0.93)降低了 74.19%。复垦后矿区的景观格局评价综合得分为0.42,比开采结束后的综合得分(0.24)提高了 75.00%。研究结果可为进一步分析露天煤矿区开采损毁与复垦多阶段、多复垦模式的景观格局变化提供参考,为切实保护矿区土地资源和景观生态提供指导。(2)工矿废弃地斑块具有大小不一、空间分布零散的特点,优先复垦集中连片度较高的区域是工矿废弃地复垦的原则之一。为建立工矿废弃地复垦后与周围地类的空间集中连片度定量化评价体系,本文采用景观生态学方法,借助Fragstats软件,在景观尺度上,选取斑块数量、最大斑块面积指数、形状指数、邻近度指数和香农多样性指数等5个景观指数,通过专家打分法确定各指标权重,从而构建了县域工矿废弃地复垦空间集中连片度测算评价指标体系。最后以南方某县工矿废弃地复垦利用试点进行实例分析,分别设置工矿废弃地复垦为耕地情景、复垦为林地情景和复垦为草地情景3个情景,计算不同复垦情景下的空间集中连片度大小。研究结果表明,复垦为耕地情景的复垦地类与周围地类的空间集中连片度最高(综合得分F为4702.00),高于复垦为耕地情景(综合得分F为4440.36)和复垦为草地情景(综合得分F为4693.57),为最优情景。相关结果可为县域工矿废弃地复垦空间集中连片度分析和评价提供参考。(3)为进一步测算工矿废弃地斑块内部空间集中连片度从而确定优先复垦斑块,以及测算复垦后整体景观的空间集中连片度进行格局优化控制,本研究在考虑工矿废弃地斑块面积的基础上,采用景观生态学斑块水平邻近度指数衡量复垦前工矿废弃地斑块空间结构的集中连片度,从而确定目标数量的工矿废弃地复垦空间区域;然后,设置不同土地利用导向的复垦情景,即主要复垦为耕地情景、主要复垦为林地情景和主要复垦为建设用地情景这3种复垦情景,之后选择景观层次的平均斑块面积、斑块数量、蔓延度、聚合指数和形状指数以及整体连通性指数(Integral index of connectivity,ⅡC)评估不同复垦情景下后整个景观的集中连片度。最后,对门头沟区进行了实例验证。结果表明,以复垦为林地为主的情景在景观水平具有较高的空间集中连片度,平均斑块面积最大,景观形状复杂性程度最低,蔓延度、聚合指数和整体连通性指数在3个情景中占优。研究结果可为确定工矿废弃地复垦时序和测算工矿废弃地复垦前后空间集中连片度提供参考和依据。(4)工矿废弃地复垦再利用具有多目标性。为揭示不同复垦目标下矿业城镇土地利用格局变化,以北京市门头沟区工矿废弃地较为集中的7个乡镇为研究区,应用CLUE-S(Conversion of Land Use and its Effects at small region extent)模型和线性规划(Liner Programming model)模型,基于研究区2007年土地利用现状,设计规划情景、综合效益最大化情景和生态服务价值最大化情景3个工矿废弃地复垦目标情景,研究2020年不同复垦目标下矿业城镇土地利用变化情况,并从土地利用景观格局优化角度比较不同复垦目标下工矿废弃地复垦效果。结果表明:规划情景中,林地面积减少,工矿废弃地主要被复垦为耕地和建设用地;综合效益最大化情景中,林地面积增加,工矿废弃地主要被复垦为耕地、园地、林地和建设用地;生态服务价值最大化情景中,林地面积增加,工矿废弃地主要被复垦为耕地、园地和林地。在选取的香农多样性等8个景观水平指数中,生态服务价值最大化情景在蔓延度、几何最邻近距离、聚合度、聚集度、平均斑块面积、连接度和景观分离度等7个景观指数中占优,该情景下斑块结合紧密,破碎度低,景观复杂程度较低,有助于维护景观生态系统稳定。这与未来土地集约利用、土地破碎化程度降低、凝聚度增加和景观形状复杂性降低相一致。因而,生态服务价值最大化情景具有较好的土地利用景观格局。研究结果可为优化工矿废弃地复垦方案设计、工矿废弃地复垦利用结构优化和实现矿山土地的可持续利用提供参考。(5)矿渣污染是土壤污染的主要类型之一。铝土矿尾渣又通常被称作赤泥,赤泥碱性强、盐分含量高,理化性质与普通土壤差异较大,物理结构不良,严重影响植物根系生长。本研究选取澳大利亚昆士兰州位于格莱斯顿(Gladstone)的昆士兰氧化铝有限公司堆存6个月的赤泥,以加入土壤微生物为主要手段,研究添加有机质(甘蔗渣和苜蓿)和硫酸钙对于改善土壤理化性质和减轻尾矿土壤盐碱程度的作用。实验设计两个培养阶段,第一阶段是饱和培养阶段,第二阶段是干湿交替阶段,用以模拟昆士兰州北部干旱半干旱的气候环境。结果表明,添加有机质可以促进微生物产生有机酸降低赤泥pH,同时酸性硫酸钙可以起到中和作用,钙离子可以沉淀氢氧化物或者碳酸根,并且絮凝黏粒,从而达到进一步降低pH的作用。在整个培养过程中,土壤物理结构得到改善,钠离子进一步释放,从而减轻高浓度的钠离子引发的土壤分散作用。经16SDNA测序分析可知,主要存在于极端环境中的γ-变形菌(Gammaproteobacteria)在微生物群落结构中占比较大。添加有机质可以增加部分微生物菌属的丰度,包括能够分解有机质的污泥溶杆菌(Lysobacter defluvii)和拟诺卡氏菌(Nocardiopsis sp.),能够忍受恶劣环境的嗜盐嗜菌(Alkalibacteriurm sp.)和寡养单胞菌(Stenotrophomonas sp.)以及真菌(Fungi)等。研究结果可为修复矿区污染土壤提供理论参考和技术指导。
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【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53;TD88

【参考文献】