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作 者
杨永均1,2,张绍良1,2,侯湖平1,2,陈 浮1,2
1. 中国矿业大学环境与测绘学院；2. 矿山生态修复教育部工程研究中心
研究背景
生态环境的系统保护和修复一直是伴随矿产资源开发的迫切任务。近来,煤炭行业提出了到2035年实现近零生态损害开采的目标。新形势下,矿山土地复垦和生态修复面临更高的要求和新的挑战。目前,一些研究指出采矿对脆弱区生态环境有很大的影响,如内蒙古草地退化64.6%归因于采煤业、榆神府矿区758.9km2的地下水位下降幅度超过8m。这些生态效应引起广泛的隐忧,当采矿扰动超过环境容量,可能引起大规模生态退化。但是,也有研究发现,植被群落在采矿沉陷后没有发生显著变化,生态系统表现出一定的抵抗能力。另一方面,一些研究 道了采矿扰动后生态系统的自然恢复能力,如沉陷盆底区土壤含水量在采后1a就恢复到采前的水平,复垦林地的林木蓄积量、土壤各环境指标都呈现S型曲线增长。
采矿后大规模生态建设并不一定是必须的,如,可以依据采煤沉陷的完全均匀、相对均匀和非均匀区,划分自修复和非自修复区。因此,依靠自然的力量来完成修复过程成为矿区土地复垦与生态修复领域新的思潮。此外,在多变的环境下,已修复系统的长期可持续性也成为一个关注的焦点。发达国家普遍要求重建或者修复的生态系统是自维持的,必须能够抵抗野火和干旱等干扰。国内学者也逐渐意识到构建一个自维持系统的重要性,因为这有利于减低修复成本、规避修复失败的风险、提高修复的长期效益。
这些客观事实和科学发现都触及到一个核心问 题,这个问题就是矿山土地生态系统在面临采矿和其 他扰动时拥有何种程度的维持自身状态的能力,也就 是恢复力(Resilience)问题。 显然,恢复力问题十分 关键,它关系到采矿是否会导致大规模生态退化、能 否实现近零生态损害的开采、自然恢复与人工修复如 何决策、修复后土地生态系统能否长期自我维持。 因 此,十分有必要认识恢复力,为矿山土地复垦与生态 修复提供理论依据。
在生态学领域,恢复力概念在40多年前就被提 出来,指系统吸收扰动并重组织来从根本上保持相同 的特性(包括功能、结构和反馈)的能力。 但恢复 力近10a才引起广泛关注,被认为是可持续的核心, 逐渐在防灾减灾、城市规划、森林保护等领域得到应 用。 尽管过去在矿山生态影响评价和土地复垦 技术等方面开展了大量的实证研究,但对恢复力的理 论研究还很少。 在矿山领域,恢复力管理和恢复力思 维才刚刚被引入到与矿山相关的生态保护中,主要讨 论了恢复力思维在引导采矿迹地可持续发展中的作 用、脆弱矿区恢复力管理、恢复力多尺度测 度的研究框架。
现代保水采煤相关研究也逐渐体 现出对恢复力的重视,如研究提出生态脆弱矿区 采后有效隔水层为42.6m的离石黄土或21.0m的 保德红土可以使得潜水保存;2.15m为地下水对 生态脆弱区沙柳蒸腾有效贡献的阈值。 尽管这些 研究都直接或者间接地指出了恢复力的重要性,但由 于恢复力概念的抽象性和复杂性,现有研究还没有直 观地揭示矿山土地生态系统恢复力机制,特别是对恢 复力的表现形式和形成过程等缺乏研究和系统性的 了解。
摘 要
实现近零生态损害的资源开采、国土空间生态的系统修复,恢复力是关键。尽管一些研究直接或者间接地指出了恢复力的重要性,但目前对矿山土地生态系统恢复力机制的理论认识还很缺乏。
构建了一个矿山土地生态系统的非线性动力学模型,利用数值模拟方法来揭示恢复力在矿山土地生态系统中的动力学表现和基本性质,以期为矿山区域国土空间的系统修复和保护提供理论依据。
研究结果表明:
①恢复力是矿山土地生态系统的基本属性,是指在有限强度的扰动后,系统具有回复到平衡点、保持原状态和定性结构的能力。
②恢复力产生的原因是系统具有复杂结构,且是自组织的,在面临扰动时表现出自维持能力。
③参数变量是决定恢复力大小的重要因素,其阈值空间是测度恢复力的直接指标。
④恢复力具有可塑性,调控恢复力的基本途径是恢复力强化和克服,关键技术是对参数变量及其阈值、状态-参数变量间关系进行调控。
矿山土地生态系统恢复力是一个客观存在的动力学属性,该属性为采矿前土地生态影响评估、采矿中土地生态系统状态维持、采矿后土地生态系统修复和可持续发展提供了基本依据。恢复力可以作为系统保护和修复的核心准则,恢复力思维则是指导土地复垦与生态修复的核心理论之一。未来需要加强对恢复力测度、调控和建设方法的研究,并在与采矿活动和环境保护的具体工程中大力推进恢复力机制的技术应用和集成。
研究方向
生态恢复力理论，土地复垦与生态修复，遥感与GIS应用
主要成果
近年来一直从事土地复垦与生态修复方面的研究工作。对土地生态系统恢复力理论进行了深入研究，取得了多项创新性成果。开发了采矿生态扰动定量遥感、矸石充填复垦质量控制、重建植被恢复力建设等关键技术，基于空间信息技术开发了土地复垦规划与评价计算机系统，为解决土地复垦与生态修复中的规划、监测和评价问题提供了方法和依据。
文中图片
简化的土地生态系统的动力学架构
生物量模拟值与实际值的相关关系
不同情景下动力系统轨线簇的拓扑结构
不同参数变量在不同情景下对状态变量V的分岔
参数变化对系统参数变量分岔值的影响
文中表格
参数变量的含义和取值
采矿和修复对状态和参数变量的扰动系数
动力系统的平衡解及其稳定性
不同参数变量在不同情景下对状态变量V的分岔值
不同情景和指标下恢复力的大小
杨永均,张绍良,侯湖平,等. 基于非线性动力学模型的矿山土地生态系统恢复力机制[J]. 煤炭学 ,2019,44(10):3174-3184.
YANG Yongjun,ZHANG Shaoliang,HOU Huping,et al. Resilience mechanism of land ecosystem in mining area based on nonlinear dynamic model[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(10):3174-3184.
审 核：常琛
End
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