生态脆弱区露天煤矿生态修复效应研究
2023-04-21
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煤第48卷第2期 doi:10.1 l799/ce201602038 炭工程 Vo1.48.No.2 C0AL ENGINEERING 生态脆弱区露天煤矿生态修复效应研究 任慧君 一,李素萃 ,刘永兵 (1.中国矿业大学(北京),北京100083; 100120; 100089) 2.中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司,北京3.中煤科技集团有限公司,北京 100013;4.轻工业环境保护研究所,北京摘要:以地处黄土高原的黑岱沟露天煤矿生态修复为例,从宏观、微观两个角受对生态脆 弱区露天煤矿生态修复效应进行探讨.结果表明:受露天采煤的影响.区域景观格局芡生了较大 变化,斑块数量增加,抗干扰能力降低。斑块间影响程度复杂;人工植被土壤质量关联度为 “油松林+柳+沙棘”(三级)>果树(三级)>锦鸡儿(三级)>羊草(三级)>纯杨树(人工)(三级)>油 松林(四级)>“杨+沙棘”(四级);景观格局中植被覆盖面积的增加,在一定程度上 肖除了区域 景观格局变化对区域生态系统产生的影响:生态脆弱区生态修复经历了生态破坏阶段、生态雏形 阶段,正在向生态重建阶段进行。研究结果可以为矿区土壤生境构建、植被群落构建及调控提供 理论支持。 关键词:生态脆弱区;露天煤矿;景观格局;植被群落;生态环境 中图分类号:TD88;TD167文献标识码:A文章编号:1671—0959(2016)02.0127.04 Ecological rehabilitation effects of open— pit coal mine in ecological fragile region REN Hui-jun , 1..LI Su—cui’.LIU Yong-bing (1.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.Beijing Huayu Engineering Company Limited,China Coal Technology and Engineering Group,Beijing 100120.China; 3.China Coal Technology Group,Beijing 100013,China; 4.Envionmentrla Protection Research Institute of LJIght Indust ̄,Beijing 100089,China) Abstract:Abstract:According to the example of ecological restoration area of Heidaigou open—pit coal mine in Loess Plateau.the paper discussed the ecological rehabilitation effects of open—pit mine in ecologically fragile al。ea from macro and micro views,the results show that:Due to open—pit mining,regional landscape pattern changed grea!ly,number of patches increased,anti—interference ability weakened,and the inter~patch influence was complex;Artiifc ial soil quality vegetation correlation:Pinus tabulaeformis,Salix matsudana and Hippophae rhamnoides(three)>Orchard(three)> Caragana intermdia(three)>Chinensis(three)>Pure poplar(artiifcia1)(three)>Pine oil(four)>Pure poplar and sea buckthorn(four);Vegetation cover in landscape pattern increases,to a certain extent,eliminated the effet ts of landscape structure change on regional ecosystems;Ecologically fragile areas experienced ecological damage,ecological restoration, ecological prototype stage,and was Cin the way to ecological reconstruction. Keywords:ecological fragile region;open pit coal mine;landscape pattern;vegetation communities;ecological environment 我国煤炭资源90%分布于干旱、半干旱区域。其中露 天煤矿主要分布干旱、半干旱生态脆弱区,随着露天煤矿 开采比例的逐年加大,直接造成矿区土壤一植被生态系统严 收稿日期:2015—03—16 重退化,引起的生态环境问题尤为突出,露天矿区的土地 复垦和生态修复更为关键和紧迫…。 早在20世纪9O年代.我国就开始了露天煤矿引发的 基金项目:国家自然科学基金项目“煤炭联合基金项目”(51174271) 作者简介:任慧君(1985一),男,山西太原人,博士,主要从事工矿区水土保持与土地复垦等方面的研究,E-mail: 1scrhjlsc@126.corn。 引用格式:任慧君,李素萃,刘永兵.生态脆弱区露天煤矿生态修复效应研究[J].煤炭工程,2016,48(2):127— 130. 127 煤炭 工程 2016年第2期 生态环境问题及其修复方面的研究.并取得了一定的研究 成果.但这些成果基本是应用性研究.缺乏机理和理论研 进行均匀混合 在去除植物残体和石块后,风干,研磨。 采用环刀法取得土壤容重:采用烘土法取得土壤含水率; 采用电位测定法测定pH:全氮采用凯氏定氮法取得土壤养 分中土壤;采用硫酸一高氯酸消煮法取得土壤全磷;采用 究,因而开展生态脆弱矿区生态恢复机理研究很有必要。 本文以黄土高原生态脆弱区黑岱沟露天煤矿为例.从宏观 至微观的技术手段,探讨露天煤矿生态修复、生态安全, 并对土壤一植被生态系统土壤质量和生态恢复情况进行探 讨.揭示生态脆弱矿区生态环境类型对生态恢复的影响规 律,为矿区土壤生态环境构建、植被群落构建及调控提供 NaOH熔融一火焰光度计法取得全钾:采用重铬酸钾容量法 取得有机质。同时,利用EXCEL、SPSS和SAS等对数据进 行处理和统计分析,得出结果。 表1土壤采样地布设情况 理论支持 J。 1黑岱沟露天矿区生态概况 黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部,处晋、陕、蒙 接壤的黄土丘陵区,是我国现行最大的露天煤矿。矿区年 均降水量401.6mm,年蒸发量约2000mm。区域地貌呈西北 高、东南低“V”字形冲沟,以非地带性黄绵土为主,地 质松软,但土壤养分欠缺,土壤侵蚀严重(主要是水蚀), 自然生境恶劣。境内植被覆盖度在30%以下,天然森林植 被遭破坏严重,多以人工不同阶梯演替植物群落林为主。 1990年至今,黑岱沟煤矿的建设与开发致使区域内土 地遭受严重破坏,耕地、草地面积大幅减少,原有地形遭 到较大破坏。为了建设绿色矿山,实现露天开采与环境保 护共赢的矿区生态可持续发展.矿区从1992年起积极实施 绿色经营与复垦治理一体化工程,进行生态修复和环境保 护,在节能减排的基础上,初步建立了自然一经济一社会型 的农林复合人工生态系统。 2数据获取和处理 2.1 LUCC数据 基于1987年、1990年、2000年和2010年的LANDSAT— TM遥感影像数据,空问分辨率为30m.作为该区域LUCC解 译的数据来源,并对数据进行校正、融合等预处理。参照 《土地利用现状分类》国家标准(GB/T 21010---2007)一级土 地利用类型,结合黄土丘陵地带土地利用类型特点.对区域 土地利用类型进行解译、提取,基于ArcGIS软件,对解译 结果进行分析,整理。 2.2 土壤理化性质数据 基于矿区地形地貌特征和人工修复生态系统结构布置, 以具有代表性的人工植被类型分布作为土壤采样的样本地。 并以未修复样地和区域原状土样地作为对照.基于同一土 壤类型(黄绵土),分别选取7块1992年时人工植被复垦样 地(油松林、锦鸡儿、纯杨树(人工)、油松+柳+沙棘、羊 草、杨+沙棘、各种果树等)及纯杨树(原生)原地貌样地与 未复垦样地对照,土壤采样地布设情况见表1。在选择植被 样地之后,按照相同植被特征随机选取3×3个样点,分别 采集0~20cm耕作层土样.同时利用手持GPS对样本点进 行监测定位 土壤理化性质数据的获取是对相同取样带所采集样品 】28 3研究区土地利用/覆盖面积及景观格局动态分析 3.1 土地利用/覆盖面积动态分析 基于遥感数据,对研究区1987年、1990年、2000年 和2010年土地利用/覆盖面积进行统计,结果见表2。由表 2可以发现,研究区内耕地面积逐年减少。2010年耕地面 积较1987年减少了近3357.84hm .占原有耕地面积的 20.9%。作为研究区内最主要土地利用类型的草地面积也 在逐年减少,1990年、2000年和2010年较1987年分别减 少了1135.64hm。、2269.92hm。和6648.97hm ,减少量占到 草地总面积的14.6%:林地面积在1987--1990年间,基本 保持不变,而1990--2010年间,区域林地面积大幅增加 771.01hm ,增幅83%,这主要是由于在1992年后,研究 区加大了矿区生态修复,大面积人工林和生态防护林种植。 随着黑岱沟煤矿的建设和生产,工矿用地、住宅用地和其 他用地面积在大幅增加,截止2010年,三类土地类型面积 分别增加了6381.92hm 、2134.17hm 和711.92hm ,土地 主要来源为原有耕地和草地。 表2研究区土地利用/覆盖面积hm 综上所述.在1987--2010年间.研究区内各土地利用 /覆盖动态变化明显,耕地、草地面积大幅减少,取而代之 2016年第2期 煤炭工程 糕磊| I. 糕 餐 嗽 的为工矿用地、住宅用地和其他用地,为了维护生态平衡. 维持区域生态的可持续发展,人工林地面积也在大幅增加。 由图1可知:1987--2010年问,研究区景观格局PD、 SHDI、SHEI和LSI指数呈逐年递增趋势,而ENN—MN、 LPI和PARA—MN指数逐渐减小。1987~2010年,区域景 观格局的多样性增大,景观类型的丰富度和复杂度增加, 景观格局的优势度降低,抗人为干扰能力下降,适应生态 变更能力变弱。景观格局的破碎程度增大。景观斑块数量 随着黑岱沟露天煤矿的持续生产和生态修复力度的不断加 大,耕地和草地面积还会不断减少.为了缓解生态压力. 林地面积仍会持续扩大。 3.2景观格局动态分析 景观格局动态分析作为景观生态学的重要组成部 分l5' ,是研究土地利用/覆盖类型动态变化与区域生态变 增加,单位面积减小.斑块间距离也在降低.斑块间的影 响和干扰程度加大。研究区矿产资源的持续开发,为了维 化之间相互作用的重要方法。基于区域特性分别选取斑块 密度(PD)、多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)、景 持生态可持续发展而进行的生态修复,造成原有农牧生态 景观格局破碎度不断增大,斑块的复杂程度和相互影响程 度加大,生态系统的稳定性降低_7 。 观形状指数(LSI)、平均最近邻体距离(ENN MN)、最大 斑块指数(LPI)和平均斑块周长(PARA MN)7个景观格局 动态表现指数。为了方便统计和分析,对指数计算结果进 行归一化处理,如图1所示。 4研究区土壤效应分析 4.1 不同植被配置土壤理化特征分忻 不同植被配置土壤理化特征描述见表3。由表3可以看 出来.以植被覆盖为主的生态修复土壤理化性质与对照土 壤差异性显著.除未复垦纯杨树和原有土壤全磷含量差异 性不显著(P>0.05)、纯杨树(人工)和原有土壤含水量差异 性不显著(P>0.05)外,不同植被配置土壤特征差异性均显 著(P<0.05),全钾含量、有机质含量差异性显著(0.01<P< 0.05);不同植被修复土壤理化性质之间也存在不同程度的 差异。除油松林和纯杨树(人工)全氮含量差异性不显著 年份 —(P>0.05),油松+柳+沙棘和羊草全磷含量差异性不显著 (P>0.05),锦鸡儿、油松+柳+沙棘、各种果树含水量差异 ——-__PD—..-SHDI— SHEI— LSI ●一ENN—MN—●一LPI—’一PARAMN 性不显著(P>0.05)外,其余理化含量差异性显著(P< 0.05)。 图1不同年份景观格局动态表现指数变化曲线 表3不同样地土壤理化性质特征描述 注:同iN字母不同者差异显著(P<0.05)。 4.2不同植被配置土壤质量评价 植被布置的单个土壤理化特征的变化不能代表土壤质 形状的相似性。即理想与现实的关联度,关联度与土壤质 量呈正比。 量的综合体现[13-17]。由于实验的局限性,仅把已有的土壤 理化特性作为评价指标,包括土壤全氮、全磷、全钾、有 评价结果依照草地等级“关联度 ”大小“五级”分 类标准划分:一级( ≥0.90);二级(0.75≤y<0.90);三 级(0.55≤ <0.75);四级(0.4≤ <0.55);五级( ≤0.4)。 研究区土壤质量等级评定结果,见表4。}自表4可知,该区 机质、速效氮、速效钾、速效磷等养分因素,土壤质量限 制因素土壤含水率、土壤容重和pH值,未考虑微生物等对 土壤质量的影响。采用灰色关联系统理论评价方法,对该 区域不同植被配置土壤质量进行综合评价.统计数列几何 域原有土壤质量等级为四级,人工植被土壤质量等级大都 在三级和四级.人工植被土壤质量关联度为“油松林+柳+ 129 煤炭工程 2016年第2期 沙棘”(三级)>果树(三级)>锦鸡儿(三级)>羊草(三级)> 纯杨树(人工)(三级)>油松林(四级)>“杨+沙棘”(四 矿实际情况,来规划植被修复,以便达到水土保持、土壤 质量恢复、生物多样性增加等效果。 参考文献: 王韶辉,才庆祥,刘福明.中国露天采煤发展现状与建议 [J].中国矿业,2014,23(7):83-87. [2] 李莲华,杨淑娟,班文霞.露天煤矿开采的环境问题及土 地复垦研究[J].内蒙古煤炭经济,2014,37(1):54-58. [3] 郑丽霞.张树礼,王平.我国露天煤矿开采区生态恢复 级)。不同植被修复土壤质量较对照土壤来说,都有一定的 修复和提高:油松林+柳+沙棘关联度最高,相对于对照土 壤,各个指标都有明显改善,土壤含水率增加和土壤容重 降低明显,有利于矿区废弃地土壤修复;果树配置的土壤 养分含量也都有明显提高,但土壤容重较对照土壤有一定 的增加,土壤结构不稳定,不利于土壤有机质的保持和土 壤微生物的活动和繁殖;油松林、杨+沙棘配置的土壤修复 改良效果不明显。这是由于高覆盖率的纯林和乔灌混合植 研究存在的问题探讨[J].生态环境,2013,25(11):9— 被不利于生物量之间的交换传递.限制了喜阳植被的生长。 表4不同植被配置土壤质量等级评定 5结论与建议 1)露天煤矿的开发利用,加速了区域景观格局动态发 展,区域原有主要土地类型草地和耕地面积急剧减少,取 而代之的为工矿用地和挖损、压占土地,对区域原有脆弱 生态系统产生了急剧退化副作用。 2)植被覆盖面积的不断扩大.在一定程度上对露天煤 矿脆弱生态系统起到了稳定和修复作用,土壤侵蚀度降低, 防止水土流失,稳定景观格局变化对区域生态产生的动态 影响,保证区域生态进入生态重建阶段。 3)植被类型和植被覆盖度的不同,对土壤修复起到的 作用有所不同,“油松林+柳+沙棘”混合林植被修复能力 较高,植被覆盖度与土壤质地之间为“n”关系.植被覆 盖度达到一定密度后。会对土壤质地的保持和恢复起到副 作用。 4)在露天煤矿开始生产之前,按照生产规划,根据区 域土地利用情况、社会经济情况等提前做好生态修复规划, 并对煤矿开采产生的生态影响程度进行相应评价。 5)生态脆弱区生态破坏主要表现为土地压占和挖损, 水土流失,土壤侵蚀,生物多样性的降低,基于这一特点, 露天煤矿生态修复必须牢牢把握“因地制宜,因害设防” 的原则。在生态修复之前,先进行土地适宜性评价.找出 最有利植被类型和植被覆盖密度。按照生态修复规划和采 130 11. E4] 高雅,陆兆华,魏振宽,等.露天煤矿区生态风险受体 分析一以内蒙古平庄西露天煤矿为例[J].生态学报, 2014,34(11):2844—2854. 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