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半干旱煤礦區(qū)受損植被引導(dǎo)型恢復(fù)研究

發(fā)布時(shí)間:2020-10-30 07:20
   我國(guó)西部半干旱礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,氣候條件惡劣,煤炭資源開(kāi)發(fā)重心西移,使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境惡化,社會(huì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)一步加劇。實(shí)現(xiàn)礦山土地的可持續(xù)管理、恢復(fù)礦山土地的生產(chǎn)能力變得尤為迫切,弄清煤炭資源開(kāi)采擾動(dòng)下地表環(huán)境因子的改變對(duì)植物影響規(guī)律,探索半干旱礦區(qū)植物引導(dǎo)型恢復(fù)的有效方法是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然要求,也是國(guó)家科技的重大需求。但是,半干旱礦區(qū)受損植被引導(dǎo)型恢復(fù)還面臨植被在哪種破壞程度下可以實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)、當(dāng)需要人工引導(dǎo)干預(yù)時(shí),在什么地方干預(yù)、怎么干預(yù)、干預(yù)到何種程度等幾個(gè)基本問(wèn)題。因此,本文綜合利用葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)技術(shù)、機(jī)載高光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù),多角度、多尺度實(shí)現(xiàn)半干旱礦區(qū)植被受擾動(dòng)狀況的快速準(zhǔn)確提取,在對(duì)煤炭開(kāi)采塌陷對(duì)植物損傷機(jī)理以及時(shí)空擾動(dòng)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,對(duì)上述四個(gè)基本問(wèn)題展開(kāi)研究,探索半干旱礦區(qū)植被引導(dǎo)型恢復(fù)模式,為綠色礦山建設(shè)、礦區(qū)植被重建利用提供方法論基礎(chǔ)。論文取得如下研究結(jié)果:(1)采煤塌陷引起植物生長(zhǎng)土壤立地條件破壞,植物葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線發(fā)生變形,植物葉片減少用于電子傳遞的能量份額,電子傳遞逐漸受到抑制,降低了植物葉片的光合作用效率;氣孔限制值升高,氣孔導(dǎo)度、光合速率和蒸騰速率均顯著降低。拉伸區(qū)和壓縮區(qū)植物損傷程度大于中性區(qū)植物損傷程度,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮對(duì)壓縮區(qū)、拉伸區(qū)受損植物進(jìn)行引導(dǎo)恢復(fù)。塌陷區(qū)植物個(gè)體損傷原因在于,采煤塌陷在地表形成大量裂縫,破壞了土體結(jié)構(gòu),增加了土壤水分的蒸發(fā)面,加速了土壤水的散失,地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對(duì)地表水的補(bǔ)給。土壤含水量為影響半干旱煤炭開(kāi)采塌陷區(qū)植物光合生理活動(dòng)的最關(guān)鍵要素,植物生長(zhǎng)開(kāi)始受到脅迫和開(kāi)始死亡的土壤含水量閾值分別為8.91%和4.87%。對(duì)土壤含水量小于8.91%的開(kāi)采區(qū)域應(yīng)提前采取相應(yīng)的土壤技術(shù)提高土壤含水量,避免土壤含水量的減少導(dǎo)致植被迅速惡化。(2)利用機(jī)載高光譜數(shù)據(jù),基于CARS特征選擇數(shù)據(jù),建立了植被葉片最大光合效率Fv/F_M、相對(duì)含水量LRWC、葉綠素含量SPAD值高光譜反演模型,獲取了植物光合生理相關(guān)要素在礦區(qū)尺度上的空間分布特征。植物葉片F(xiàn)v/F_M、LRWC、SPAD值的范圍分別在0.764-0.822、35.81-52.32%和30.35-48.41 mg/g之間。采區(qū)地表植物生長(zhǎng)受到煤炭開(kāi)采擾動(dòng),原始植物空間格局被打破,部分地區(qū)出現(xiàn)植物退化,導(dǎo)致葉片光合生理要素空間變異程度增加,空間自相關(guān)性降低。由于土壤含水量在壓縮區(qū)、拉伸區(qū),中性區(qū)的空間異質(zhì)性,采煤塌陷后地表“三區(qū)”植物葉片F(xiàn)v/F_M、LRWC、SPAD變化同樣具有空間差異性,中性區(qū)植物葉片F(xiàn)v/F_M、LRWC、SPAD高于壓縮區(qū)、拉伸區(qū)。最后根據(jù)F_V/F_M反演結(jié)果對(duì)采煤擾動(dòng)區(qū)植物受脅迫區(qū)域進(jìn)行了空間識(shí)別。(3)利用機(jī)載高光譜數(shù)據(jù),基于完全約束最小二乘法對(duì)大柳塔礦區(qū)地表典型植物進(jìn)行識(shí)別,并分析半干旱礦區(qū)煤炭開(kāi)采對(duì)典型植物物種時(shí)空分布以及多樣性的影響。通過(guò)與地面典型植物物種現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相比,利用完全約束最小二乘法分類(lèi)精度總體為77.41%,礦區(qū)地表植物分布以灌木和草本植物為主,喬木所占的百分比最低、平均豐度值較小,喬木、灌木、草本植物的百分比分別為:15.94%、57.97%和26.09%。通過(guò)對(duì)采區(qū)與非采區(qū)主要植物多樣性指數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析,得到采區(qū)與非采區(qū)地表主要植物多樣性受地表塌陷的擾動(dòng)影響很小。采煤塌陷2-7年后,煤炭開(kāi)采對(duì)喬木的影響較大,而抗塌陷干擾能力相對(duì)較強(qiáng)的灌草類(lèi)植物重要值升高;塌陷8-12年后,隨著生長(zhǎng)立地條件恢復(fù),植被群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,喬木植物重要值升高;塌陷12年后,塌陷區(qū)植物重要值慢慢趨于穩(wěn)定。在半干旱礦區(qū)進(jìn)行植被引導(dǎo)型恢復(fù)時(shí),植被配置物種應(yīng)優(yōu)先選種抗逆性較強(qiáng)的草灌類(lèi)植物,為了保證半干旱礦區(qū)植被恢復(fù)的可持續(xù)性,管護(hù)周期至少為12年。(4)從2001-2016年神東中心礦區(qū)植被NDVI整體呈物候性周期變化。通過(guò)對(duì)采區(qū)和非采區(qū)NDVI差異分析可知,采后5年內(nèi),相對(duì)于非采區(qū),采區(qū)植被NDVI的變化表現(xiàn)為持續(xù)降低的過(guò)程;采后7年,采區(qū)植被開(kāi)始恢復(fù),NDVI差異值開(kāi)始降低;至采后12年,采區(qū)植被NDVI基本能夠恢復(fù)至非采區(qū)水平。神東中心礦區(qū)植被覆蓋度呈升高與降低的區(qū)域面積分別占中心礦區(qū)總面積的72.35%和27.65%,年際間植被覆蓋度以中、低幅度波動(dòng)變化為主。地下水埋深4 m和8m是影響神東礦區(qū)植被NDVI的兩個(gè)重要閾值,當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m后,根系較淺的濕生植被演替為根系較長(zhǎng)的旱生植被;當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m后,旱生植被演替為沙生植被。地下水埋深對(duì)地表植被類(lèi)型的影響主要通過(guò)影響土壤含水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)比不同立地條件和不同植被覆蓋度變化趨勢(shì)下典型植物物種組成及豐度差異,以植被覆蓋度升高區(qū)各植物物種平均豐度值作為植被重建豐度基準(zhǔn),得到不同立地條件下植被恢復(fù)重建豐度閾值在36.60%-45.30%之間,此外,還得到了不同立地條件植被重建喬木、灌木、草本植物配置差異性比例。(5)半干旱礦區(qū)受損植被引導(dǎo)型恢復(fù)應(yīng)采用“自然恢復(fù)和人工修復(fù)并重、自然恢復(fù)為主、人工恢復(fù)為輔”的模式,首先對(duì)不同塌陷區(qū)位地面裂縫治理,然后以地下水位埋深、土壤含水量等關(guān)鍵限制性因素及相關(guān)閾值條件為根本出發(fā)點(diǎn),并以限制因素是否達(dá)到閾值條件作為礦區(qū)植被引導(dǎo)恢復(fù)目標(biāo)的合理程度判別的基本標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行重點(diǎn)、有針對(duì)性的引導(dǎo)恢復(fù)植被生長(zhǎng)立地條件,最后依據(jù)本文得到的不同立地條件下植被恢復(fù)重建豐度閾值以及喬木、灌木、草本植物配置差異性比例,采用“恢復(fù)初期灌草先行、恢復(fù)后期喬灌草搭配”模式對(duì)植被群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)。研究構(gòu)建了半干旱礦區(qū)受損植被引導(dǎo)型恢復(fù)模式,解答了植被在哪種破壞程度下可以實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)、當(dāng)需要人工引導(dǎo)干預(yù)時(shí),在什么地方干預(yù)、怎么干預(yù)、干預(yù)到何種程度等幾個(gè)基本問(wèn)題,從而為半干旱礦山植被恢復(fù)提供方法論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。該論文有圖66幅,表14個(gè),參考文獻(xiàn)368篇。
【學(xué)位單位】:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位年份】:2020
【中圖分類(lèi)】:X171.4
【部分圖文】:

環(huán)境效應(yīng),廢物,文獻(xiàn)


博士學(xué)位論文8于長(zhǎng)期煤炭開(kāi)采形成了34座矸石山,占地面積1.604km2[62],平朔礦區(qū)巖土排棄形成了4座相對(duì)高度在45-190m的外排土場(chǎng)[63],這些排土嘗矸石山存在失穩(wěn)變形、山體滑坡[64-65]、矸石自燃[66-67]、重金屬污染[68-69]等問(wèn)題。圖2-1采礦廢物的產(chǎn)生及環(huán)境效應(yīng)(引自參考文獻(xiàn)[65])Figure2-1Generationandenvironmentaleffectsofminingwaste井下開(kāi)采在地下進(jìn)行煤炭開(kāi)采,是與露天開(kāi)采相對(duì)應(yīng)的一種開(kāi)采方式[70]。井工開(kāi)采引起地表移動(dòng)和變形,從而造成土地生態(tài)系統(tǒng)不同程度的損傷,其主要損傷形式有: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]、沙漠化加劇[82]等。吳侃等[83]對(duì)開(kāi)采沉陷引起地表土體裂縫極限深度進(jìn)行了探討;鄧喀中等[84]基于野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了深部開(kāi)采極不充分條件下概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)計(jì)算模型和沉降系數(shù)計(jì)算模型;劉輝[15]對(duì)我國(guó)西部黃土溝壑區(qū)地表移動(dòng)及地裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究;王雙明等[76]指出采煤塌陷是導(dǎo)致神木北部采煤塌陷區(qū)土壤質(zhì)量與植被群落結(jié)構(gòu)退化的主要原因;盤(pán)東江等[85]研究了西部礦區(qū)植被根系采動(dòng)損傷特征。煤炭井工開(kāi)采時(shí)將采區(qū)以及附近一定區(qū)域內(nèi)地下水疏干,直接破壞地下儲(chǔ)水結(jié)構(gòu),導(dǎo)致地下水埋深降低,加速地表水向地下水的轉(zhuǎn)化,破壞含水層水系循環(huán)[86],地表塌陷造成地面植被損傷,喪失水土保持功能,從而加劇區(qū)域水土流失,危及水土資源安全[87]。此外,郄晨龍[88]通過(guò)對(duì)井工煤炭開(kāi)采前后土壤物理性質(zhì)空間變化差異進(jìn)行分析,得到井工煤炭開(kāi)采擾動(dòng)下土壤含水量、土體內(nèi)部各顆粒之間內(nèi)摩擦力以及內(nèi)聚力的空間依賴(lài)性增強(qiáng),土壤有機(jī)質(zhì)含量和土體中的天然孔隙體積與其固體顆粒體積比值空間依賴(lài)性減弱。諸多研究表?

裂縫形態(tài),裂縫形態(tài),工作面,文獻(xiàn)


2文獻(xiàn)綜述9(1)臺(tái)階狀裂縫(2)滑動(dòng)型裂縫(3)地塹式裂縫圖2-2工作面上地裂縫形態(tài)(引自參考文獻(xiàn)[15])Figure2-2Groundfissuremorphologyonworkingface2.1.3礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)損傷監(jiān)測(cè)方法開(kāi)展礦區(qū)土地要素的監(jiān)測(cè)是探究煤炭開(kāi)采對(duì)土地要素?fù)p傷規(guī)律的基矗監(jiān)測(cè)方法的科學(xué)與否,直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果和要素?fù)p傷規(guī)律認(rèn)識(shí)的科學(xué)合理性。已有眾多學(xué)者利用多種手段對(duì)礦區(qū)煤炭井工開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境影響開(kāi)展了探索性的調(diào)查研究[11,33,92-93],其中首先考慮到的是遙感技術(shù),利用時(shí)序的遙感進(jìn)行影像解譯,得到土地生態(tài)要素的變化,進(jìn)而獲取煤炭井工開(kāi)采的影響。例如:雷少剛等[34]利用206MODIS-NDVI影像,提出了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解的方法(EOFD),對(duì)半干旱礦區(qū)植被時(shí)空變化特征進(jìn)行研究,說(shuō)明了EOFD方法用于分解植被形態(tài)時(shí)空變化的可行性。鄧飛等[94]基于歸一化指數(shù)NDVI,計(jì)算了烏蘭木倫河流域1986到2008年間植被覆蓋度并分級(jí),提出降雨量是影響該流域植被覆蓋度的主要原因。黃翌等[95]采用像元二分法對(duì)大同礦區(qū)1999-2010年植被NDVI值進(jìn)行估算并分析NDVI的變化趨勢(shì),揭示了該礦區(qū)受煤炭開(kāi)采擾動(dòng)條件下植被時(shí)空演變規(guī)律以及內(nèi)在作用機(jī)制。遙感技術(shù)為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境提供了一種新的監(jiān)測(cè)手段,然而,大多數(shù)該類(lèi)遙感研究未能很好的與煤炭井工開(kāi)采過(guò)程相結(jié)合,因此檢測(cè)結(jié)果不能準(zhǔn)確的描述煤炭井工開(kāi)采的影響[96]。諸多研究在采煤塌陷區(qū)根據(jù)隨機(jī)布點(diǎn)原理進(jìn)行采樣分析,探究煤炭開(kāi)采對(duì)土壤、地表植被的影響規(guī)律。由于在該區(qū)域具有沉陷變形分區(qū)特征以及自修復(fù)作用的影響,很多研究未考慮沉陷分區(qū)特征與沉陷時(shí)間差異而進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)采樣,導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際情況差異較大[96]。此外,很多學(xué)者通過(guò)“空間換時(shí)間”的研究方法,探究煤炭井工開(kāi)采在時(shí)間尺?

示意圖,文獻(xiàn),方法,示意圖


區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)狀況[96]。李恒凱首先分別利用24年的多時(shí)相LandsatTM及HJ衛(wèi)星CCD影像數(shù)據(jù),對(duì)嶺北稀土礦區(qū)的土地利用變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,然后基于LandsatTM數(shù)據(jù)和Pleiades高分影像數(shù)據(jù),對(duì)該礦區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行估算,綜合分析了該礦區(qū)植被覆蓋時(shí)空分布特征及植被覆蓋動(dòng)態(tài)演變規(guī)律[99]。王杰采用LandsatTM、ALOS、Geoeye等作為多源、多尺度遙感數(shù)據(jù)源,結(jié)合相關(guān)DEM高程數(shù)據(jù)、地形地貌圖集、文字統(tǒng)計(jì)資料,從立體層面上實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)空間演變的監(jiān)測(cè)與分析[100]。“四位一體”的監(jiān)測(cè)方法示意圖如下:圖2-3“四位一體”的監(jiān)測(cè)方法示意圖(引自文獻(xiàn)[96])Figure2-3Schematicdiagramofmonitoringmethodof"four-in-one"(2)煤炭井工開(kāi)采區(qū)地表塌陷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法地表裂縫是煤炭井工開(kāi)采塌陷區(qū)常見(jiàn)的土地?fù)p傷形式之一[101-103],礦區(qū)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的重要手段就是在工作面上方設(shè)置移動(dòng)變形觀測(cè)系統(tǒng)[104],通過(guò)對(duì)地面變形情況進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)是最直觀的一種方法。顧大釗等提出了一種井工開(kāi)采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法[105],通過(guò)地表與地下相關(guān)聯(lián)的地理空間坐標(biāo)系,在地表設(shè)置地裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線,建立工作面最前端裂縫位置與工作面位置之間的數(shù)學(xué)模型,利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到最佳觀測(cè)裂縫。該方法對(duì)煤炭開(kāi)采過(guò)程中地表裂縫全周期的進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),突破了裂縫的辨別、選取以及幾何信息獲取的技術(shù)難題[96]。近年來(lái),隨著礦山測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,先后出現(xiàn)的有D-InSAR和三維激
【參考文獻(xiàn)】

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5 李丹;海流兔河流域地下水、NDVI和蒸散的組合關(guān)系研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2016年

6 聶明鈺;高光譜圖像線性解混算法研究[D];山東大學(xué);2016年

7 馮黎;北京地區(qū)部分景天屬植物抗旱性及園林應(yīng)用研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2015年

8 王杰;基于多源數(shù)據(jù)的礦區(qū)空間變化監(jiān)測(cè)與分析[D];華北理工大學(xué);2015年

9 吉林;保水劑對(duì)干旱礦區(qū)土壤改良的試驗(yàn)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

10 王洪友;基于D-InSAR技術(shù)和MAI技術(shù)加權(quán)獲取巴姆三維地震同震形變場(chǎng)[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2014年



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