半干旱煤矿区受损植被引导型恢复研究

发布时间：2020-10-30 07:20

　　 我国西部半干旱矿区生态环境脆弱,气候条件恶劣,煤炭资源开发重心西移,使本就脆弱的生态环境恶化,社会生态环境问题进一步加剧。实现矿山土地的可持续管理、恢复矿山土地的生产能力变得尤为迫切,弄清煤炭资源开采扰动下地表环境因子的改变对植物影响规律,探索半干旱矿区植物引导型恢复的有效方法是矿区生态环境可持续发展的必然要求,也是国家科技的重大需求。但是,半干旱矿区受损植被引导型恢复还面临植被在哪种破坏程度下可以实现自恢复、当需要人工引导干预时,在什么地方干预、怎么干预、干预到何种程度等几个基本问题。因此,本文综合利用叶绿素荧光诱导技术、机载高光谱监测技术、卫星遥感监测技术,多角度、多尺度实现半干旱矿区植被受扰动状况的快速准确提取,在对煤炭开采塌陷对植物损伤机理以及时空扰动规律研究的基础上,对上述四个基本问题展开研究,探索半干旱矿区植被引导型恢复模式,为绿色矿山建设、矿区植被重建利用提供方法论基础。论文取得如下研究结果:(1)采煤塌陷引起植物生长土壤立地条件破坏,植物叶片快速叶绿素荧光诱导曲线发生变形,植物叶片减少用于电子传递的能量份额,电子传递逐渐受到抑制,降低了植物叶片的光合作用效率;气孔限制值升高,气孔导度、光合速率和蒸腾速率均显著降低。拉伸区和压缩区植物损伤程度大于中性区植物损伤程度,应当优先考虑对压缩区、拉伸区受损植物进行引导恢复。塌陷区植物个体损伤原因在于,采煤塌陷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,地下部分被抽空,潜水位埋深降低,影响地下水对地表水的补给。土壤含水量为影响半干旱煤炭开采塌陷区植物光合生理活动的最关键要素,植物生长开始受到胁迫和开始死亡的土壤含水量阈值分别为8.91%和4.87%。对土壤含水量小于8.91%的开采区域应提前采取相应的土壤技术提高土壤含水量,避免土壤含水量的减少导致植被迅速恶化。(2)利用机载高光谱数据,基于CARS特征选择数据,建立了植被叶片最大光合效率Fv/F_M、相对含水量LRWC、叶绿素含量SPAD值高光谱反演模型,获取了植物光合生理相关要素在矿区尺度上的空间分布特征。植物叶片Fv/F_M、LRWC、SPAD值的范围分别在0.764-0.822、35.81-52.32%和30.35-48.41 mg/g之间。采区地表植物生长受到煤炭开采扰动,原始植物空间格局被打破,部分地区出现植物退化,导致叶片光合生理要素空间变异程度增加,空间自相关性降低。由于土壤含水量在压缩区、拉伸区,中性区的空间异质性,采煤塌陷后地表“三区”植物叶片Fv/F_M、LRWC、SPAD变化同样具有空间差异性,中性区植物叶片Fv/F_M、LRWC、SPAD高于压缩区、拉伸区。最后根据F_V/F_M反演结果对采煤扰动区植物受胁迫区域进行了空间识别。(3)利用机载高光谱数据,基于完全约束最小二乘法对大柳塔矿区地表典型植物进行识别,并分析半干旱矿区煤炭开采对典型植物物种时空分布以及多样性的影响。通过与地面典型植物物种现场调查结果相比,利用完全约束最小二乘法分类精度总体为77.41%,矿区地表植物分布以灌木和草本植物为主,乔木所占的百分比最低、平均丰度值较小,乔木、灌木、草本植物的百分比分别为:15.94%、57.97%和26.09%。通过对采区与非采区主要植物多样性指数进行差异显著性分析,得到采区与非采区地表主要植物多样性受地表塌陷的扰动影响很小。采煤塌陷2-7年后,煤炭开采对乔木的影响较大,而抗塌陷干扰能力相对较强的灌草类植物重要值升高;塌陷8-12年后,随着生长立地条件恢复,植被群落结构趋于稳定,乔木植物重要值升高;塌陷12年后,塌陷区植物重要值慢慢趋于稳定。在半干旱矿区进行植被引导型恢复时,植被配置物种应优先选种抗逆性较强的草灌类植物,为了保证半干旱矿区植被恢复的可持续性,管护周期至少为12年。(4)从2001-2016年神东中心矿区植被NDVI整体呈物候性周期变化。通过对采区和非采区NDVI差异分析可知,采后5年内,相对于非采区,采区植被NDVI的变化表现为持续降低的过程;采后7年,采区植被开始恢复,NDVI差异值开始降低;至采后12年,采区植被NDVI基本能够恢复至非采区水平。神东中心矿区植被覆盖度呈升高与降低的区域面积分别占中心矿区总面积的72.35%和27.65%,年际间植被覆盖度以中、低幅度波动变化为主。地下水埋深4 m和8m是影响神东矿区植被NDVI的两个重要阈值,当地下水埋深大于4 m后,根系较浅的湿生植被演替为根系较长的旱生植被;当地下水埋深大于8 m后,旱生植被演替为沙生植被。地下水埋深对地表植被类型的影响主要通过影响土壤含水量来实现的。通过对比不同立地条件和不同植被覆盖度变化趋势下典型植物物种组成及丰度差异,以植被覆盖度升高区各植物物种平均丰度值作为植被重建丰度基准,得到不同立地条件下植被恢复重建丰度阈值在36.60%-45.30%之间,此外,还得到了不同立地条件植被重建乔木、灌木、草本植物配置差异性比例。(5)半干旱矿区受损植被引导型恢复应采用“自然恢复和人工修复并重、自然恢复为主、人工恢复为辅”的模式,首先对不同塌陷区位地面裂缝治理,然后以地下水位埋深、土壤含水量等关键限制性因素及相关阈值条件为根本出发点,并以限制因素是否达到阈值条件作为矿区植被引导恢复目标的合理程度判别的基本标准,进行重点、有针对性的引导恢复植被生长立地条件,最后依据本文得到的不同立地条件下植被恢复重建丰度阈值以及乔木、灌木、草本植物配置差异性比例,采用“恢复初期灌草先行、恢复后期乔灌草搭配”模式对植被群落结构进行恢复。研究构建了半干旱矿区受损植被引导型恢复模式,解答了植被在哪种破坏程度下可以实现自恢复、当需要人工引导干预时,在什么地方干预、怎么干预、干预到何种程度等几个基本问题,从而为半干旱矿山植被恢复提供方法论基础和实践依据。该论文有图66幅,表14个,参考文献368篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X171.4
【部分图文】：

博士学位论文8于长期煤炭开采形成了34座矸石山，占地面积1.604km2[62]，平朔矿区岩土排弃形成了4座相对高度在45-190m的外排土场[63]，这些排土尝矸石山存在失稳变形、山体滑坡[64-65]、矸石自燃[66-67]、重金属污染[68-69]等问题。图2-1采矿废物的产生及环境效应（引自参考文献[65]）Figure2-1Generationandenvironmentaleffectsofminingwaste井下开采在地下进行煤炭开采，是与露天开采相对应的一种开采方式[70]。井工开采引起地表移动和变形，从而造成土地生态系统不同程度的损伤，其主要损伤形式有：地表沉陷[71-73]、植被退化[34,74-76]、水土流失[77-79]、地下水位降低[80-81]、沙漠化加剧[82]等。吴侃等[83]对开采沉陷引起地表土体裂缝极限深度进行了探讨；邓喀中等[84]基于野外现场实测数据建立了深部开采极不充分条件下概率积分法预测参数计算模型和沉降系数计算模型；刘辉[15]对我国西部黄土沟壑区地表移动及地裂缝发育规律进行了研究；王双明等[76]指出采煤塌陷是导致神木北部采煤塌陷区土壤质量与植被群落结构退化的主要原因；盘东江等[85]研究了西部矿区植被根系采动损伤特征。煤炭井工开采时将采区以及附近一定区域内地下水疏干，直接破坏地下储水结构，导致地下水埋深降低，加速地表水向地下水的转化，破坏含水层水系循环[86]，地表塌陷造成地面植被损伤，丧失水土保持功能，从而加剧区域水土流失，危及水土资源安全[87]。此外，郄晨龙[88]通过对井工煤炭开采前后土壤物理性质空间变化差异进行分析，得到井工煤炭开采扰动下土壤含水量、土体内部各颗粒之间内摩擦力以及内聚力的空间依赖性增强，土壤有机质含量和土体中的天然孔隙体积与其固体颗粒体积比值空间依赖性减弱。诸多研究表?

2文献综述9（1）台阶状裂缝（2）滑动型裂缝（3）地堑式裂缝图2-2工作面上地裂缝形态（引自参考文献[15]）Figure2-2Groundfissuremorphologyonworkingface2.1.3矿区土地生态系统损伤监测方法开展矿区土地要素的监测是探究煤炭开采对土地要素损伤规律的基矗监测方法的科学与否，直接影响监测结果和要素损伤规律认识的科学合理性。已有众多学者利用多种手段对矿区煤炭井工开采对生态环境影响开展了探索性的调查研究[11,33,92-93]，其中首先考虑到的是遥感技术，利用时序的遥感进行影像解译，得到土地生态要素的变化，进而获取煤炭井工开采的影响。例如：雷少刚等[34]利用206MODIS-NDVI影像，提出了经验正交函数分解的方法（EOFD），对半干旱矿区植被时空变化特征进行研究，说明了EOFD方法用于分解植被形态时空变化的可行性。邓飞等[94]基于归一化指数NDVI，计算了乌兰木伦河流域1986到2008年间植被覆盖度并分级，提出降雨量是影响该流域植被覆盖度的主要原因。黄翌等[95]采用像元二分法对大同矿区1999-2010年植被NDVI值进行估算并分析NDVI的变化趋势，揭示了该矿区受煤炭开采扰动条件下植被时空演变规律以及内在作用机制。遥感技术为矿区生态环境提供了一种新的监测手段，然而，大多数该类遥感研究未能很好的与煤炭井工开采过程相结合，因此检测结果不能准确的描述煤炭井工开采的影响[96]。诸多研究在采煤塌陷区根据随机布点原理进行采样分析，探究煤炭开采对土壤、地表植被的影响规律。由于在该区域具有沉陷变形分区特征以及自修复作用的影响，很多研究未考虑沉陷分区特征与沉陷时间差异而进行随机布点采样，导致研究结果与实际情况差异较大[96]。此外，很多学者通过“空间换时间”的研究方法，探究煤炭井工开采在时间尺?

区土地生态环境的扰动状况[96]。李恒凯首先分别利用24年的多时相LandsatTM及HJ卫星CCD影像数据，对岭北稀土矿区的土地利用变化进行监测和分析，然后基于LandsatTM数据和Pleiades高分影像数据，对该矿区植被覆盖度进行估算，综合分析了该矿区植被覆盖时空分布特征及植被覆盖动态演变规律[99]。王杰采用LandsatTM、ALOS、Geoeye等作为多源、多尺度遥感数据源，结合相关DEM高程数据、地形地貌图集、文字统计资料，从立体层面上实现对矿区土地生态系统空间演变的监测与分析[100]。“四位一体”的监测方法示意图如下：图2-3“四位一体”的监测方法示意图（引自文献[96]）Figure2-3Schematicdiagramofmonitoringmethodof"four-in-one"（2）煤炭井工开采区地表塌陷动态监测方法地表裂缝是煤炭井工开采塌陷区常见的土地损伤形式之一[101-103]，矿区地表移动变形监测的重要手段就是在工作面上方设置移动变形观测系统[104]，通过对地面变形情况进行实际观测是最直观的一种方法。顾大钊等提出了一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法[105]，通过地表与地下相关联的地理空间坐标系，在地表设置地裂缝监测基准线，建立工作面最前端裂缝位置与工作面位置之间的数学模型，利用构建的数学模型计算得到最佳观测裂缝。该方法对煤炭开采过程中地表裂缝全周期的进行原位动态监测，突破了裂缝的辨别、选取以及几何信息获取的技术难题[96]。近年来，随着矿山测量技术的不断发展，先后出现的有D-InSAR和三维激
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 魏观希;;采石矿山绿化治理的探讨[J];采矿技术;2015年06期

2 张会敏;袁艺;焦慧;刘雪艳;苏闪闪;田胜尼;;相思谷尾矿8种定居植物对重金属吸收及富集特性[J];生态环境学报;2015年05期

3 张延旭;毕银丽;陈书琳;王瑾;韩博;冯颜博;;半干旱风沙区采煤后裂缝发育对土壤水分的影响[J];环境科学与技术;2015年03期

4 杨勤学;赵冰清;郭东罡;;中国北方露天煤矿区植被恢复研究进展[J];生态学杂志;2015年04期

5 魏婷婷;胡振琪;曹远博;李星宇;袁玉敏;林杉;;风沙区超大工作面开采对土壤及植物特性的影响[J];四川农业大学学报;2014年04期

6 毕银丽;邹慧;彭超;史腊梅;;采煤沉陷对沙地土壤水分运移的影响[J];煤炭学报;2014年S2期

7 王军;张亚男;郭义强;;矿区土地复垦与生态重建[J];地域研究与开发;2014年06期

8 唐凤莉;刘良云;;冠层特征尺度的定量计算模型与方法[J];遥感学报;2014年06期

9 李恒凯;吴立新;刘小生;;稀土矿区地表环境变化多时相遥感监测研究——以岭北稀土矿区为例[J];中国矿业大学学报;2014年06期

10 钱者东;秦卫华;沈明霞;杨昉婧;;毛乌素沙地煤矿开采对植被景观的影响[J];水土保持通报;2014年05期

相关博士学位论文 前10条

1 裘浪;AM真菌和覆膜对西部煤矿区玉米生长与土壤性状的影响[D];中国矿业大学(北京);2018年

2 杨永均;矿山土地生态系统恢复力及其测度与调控研究[D];中国矿业大学;2017年

3 师修昌;煤炭开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究[D];中国矿业大学(北京);2016年

4 张勇;井下采煤的地表水土流失及植被效应研究[D];西安科技大学;2015年

5 王瑾;西部煤矿区开采扰动对根际微生态影响及微生物复垦效应[D];中国矿业大学(北京);2015年

6 刘辉;西部黄土沟壑区采动地裂缝发育规律及治理技术研究[D];中国矿业大学;2014年

7 邹慧;神东风积沙区煤炭开采对土壤水分运移规律的影响[D];中国矿业大学（北京）;2014年

8 李少朋;煤炭开采对地表植物生长影响及菌根修复生态效应[D];中国矿业大学（北京）;2013年

9 徐占军;高潜水位矿区煤炭开采对土壤和植被碳库扰动的碳效应[D];中国矿业大学;2012年

10 张建彪;煤矸石山生态重建中的植被演替及其与土壤因子的相互作用[D];山西大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 马伟波;基于HyMAP-C航空高光谱影像土壤重金属浓度估算[D];中国矿业大学;2018年

2 陶文旷;胁迫下植物光谱特征识别及生理指标估算研究[D];中国矿业大学;2017年

3 李炳意;黄土高原煤矿区土地生态环境评价与动态分析[D];中国地质大学(北京);2016年

4 郄晨龙;井工煤炭开采对土壤关键物理性质的影响规律研究[D];中国矿业大学;2016年

5 李丹;海流兔河流域地下水、NDVI和蒸散的组合关系研究[D];中国地质大学(北京);2016年

6 聂明钰;高光谱图像线性解混算法研究[D];山东大学;2016年

7 冯黎;北京地区部分景天属植物抗旱性及园林应用研究[D];北京林业大学;2015年

8 王杰;基于多源数据的矿区空间变化监测与分析[D];华北理工大学;2015年

9 吉林;保水剂对干旱矿区土壤改良的试验研究[D];中国矿业大学;2014年

10 王洪友;基于D-InSAR技术和MAI技术加权获取巴姆三维地震同震形变场[D];中国地质大学（北京）;2014年

本文编号：2862175