西部露天煤矿区气候干旱,提高矿区植物利用深层土壤水是矿区生态环境恢复的重要步骤,明晰微生物生态修复技术下植物根系及土壤水分分布特征对于矿区生态重建具有重要意义.为了探讨接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对玉米根系形态及土壤水分分布的影响,本研究以饱和粉质黏土作为隔水层,砂土作为土壤层来进行室内土柱试验,共设置了不种玉米不接种AMF(CK)、种植玉米不接种AMF(YM)、种植玉米接种AMF(YF)3个试验处理,并在试验过程中对土壤水分分布和植物生长相关指标进行监测.结果表明:试验前期接菌处理下土壤平均含水率比不接菌处理低 14.5%,而试验后期接菌处理比不接菌处理高 20.1%,同时还发现 97.4%的玉米根系主要分布在0-40 cm的土层中.与不接种AMF处理相比,接种AMF的玉米细根的根长度、根体积和根表面积占比分别增加 4.4%、1.2%和 2.6%.通过直接对比法和贝叶斯混合模型分析表明,接菌处理下玉米对中层土壤(10-50 cm)水分吸收为 47.1%,而不接菌处理对该层土壤水分吸收则为 35%.这些结果表明接种 AMF 能提高植物对土壤中层水的利用比例.研究结果可作为西部露天煤矿区土地复垦与生态恢复提供科学依据和技术支撑.

针对目前莱州湾南岸废弃盐田复垦过程中存在的土壤盐碱、瘠薄等障碍问题,以该区两个典型复垦地块为研究对象,综合运用经典统计学和地质统计学的克立格法,研究不同复垦年限下各层土壤盐分和表层土壤有机质的空间变异性,对二者进行相关性分析,并绘制了各土层盐分和表层土壤有机质含量的空间分布图.结果表明:两个区域各层土壤含盐量较高,均超过1g/kg;受复垦年限、土地平整水平和施肥等人为复垦措施影响,二区土壤含盐量明显低于一区;两个区域土壤有机质含量普遍较低,其中一区为4.37g/kg,二区为3.66g/kg;两个区域各层土壤含盐量和表层土壤有机质变异系数在32.79％-83.83％之间,在水平方向上呈中等变异强度;相关性分析结果表明各层土壤含盐量与有机质含量均呈极显著负相关;各土层土壤含盐量和有机质含量的块基比均小于25％,表明二者具有强烈的空间相关性;空间自相关距离最小为440m,超过采样间距(最小为160m),表明采样间距设置合理;Kriging插值结果表明两个区域土壤含盐量和有机质含量呈条带状分布;一区土壤含盐量以中部为高值区逐渐向南北部降低,二区土壤含盐量则以东南部最低,逐渐向西北部高值区过渡;一区土壤有机质含量表现为中部低南北部较高,二区则为东南部最高,中北部含量较低.研究结果为后期高含盐量的水盐运移模拟研究提供初步论证,也为盐田复垦区盐渍土的合理分区,改良利用和科学管理提供了技术支撑.

植被盖度反映植被质量,是评价矿区复垦土地植被重建效果的重要指标.该文选择安太堡矿区为案例区,基于高空间分辨率WorldView 2(WV 2)影像新波段,使用混合像元模型和实地数据验证相结合的方法计算得到研究区的植被盖度,并对植被重建效果进行了评估,主要得到以下结论:(1)基于WV2影像的近红外2波段和红波段,采用混合像元法得到的植被盖度反演值Fc2与实测值最为接近,相关性最强(R2=0.934),均方根误差最小(RMSE=0.048);(2)研究区植被重建效果整体较好,中等、较高和高植被盖度区域占研究区的60％以上,低植被盖度仅占22.09％.受植被重建年限和管理措施的影响,不同复垦区域植被重建状况之间存在着差异,内排土场、西排土场、南排土场的植被重建效果较好,而西排土场扩大区植被状况相对较差,其中等及以上植被盖度所占比例依次为75.24％、68.35％、68.20％、22.29％.(3)就植被组合模式看,乔灌草模式重建效果(按冠层盖度)最好,其次是乔草模式,其他模式如灌草、草地、自然恢复地依次降低.土壤表层水分含量随着复垦地植被盖度的增大而增大,说明植被重建状况对土壤表层的水分保持具有重要作用.

土壤重金属污染是矿区土壤复垦的关键限制因子,而复垦地利用类型会对土壤重金属累积状况产生影响.因此,研究不同利用类型复垦煤矸山土壤重金属累积状况并进行生态风险评价,可以查明土地利用类型对复垦地重金属污染的影响,也有助于指导煤矸山“因地制宜”的进行植被复垦.以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山复垦耕地、人工林地、草地为研究对象,分析了3种利用类型复垦煤矸山土壤中Hg、As、Pb、Cd和Ni含量和污染程度.结果表明:(1)3种利用类型复垦地土壤重金属积累程度存在差异,并且不同土层情况也不同,具体为,在0-20 cm土层,耕地中Hg和Pb含量高于人工林地和草地,但Ni含量低于人工林地和草地;在20-40 cm土层中,耕地中Pb含量低于人工林地和草地,人工林地中Ni含量高于耕地和草地;并且与普通农田相比,3种复垦地20-40 cm土层中重金属含量明显偏高.(2)单因子潜在生态危害系数Fr表明,整体来看3种复垦地中Hg和Cd的生态危害较重,其余较轻;并且不同利用类型复垦地土壤重金属污染风险存在差异,Hg、Cd和As在草地中的生态风险高于耕地和人工林地,Pb和Ni在耕地和人工林地高于草地.综合污染指数表明,3种复垦样地土壤重金属均达到了严重危害程度,且各样地危害程度存在着差异,具体表现为草地＞人工林地＞耕地.

最近连续三届世界生态恢复大会都将矿山生态系统列为大会交流的主题之一.为了解矿山生态修复的最新进展,本文采用文献分析方法和统计分析法,全面对比了这三届大会的论文和报告,包括参会国家、主要机构、热点矿区、修复要素、矿山类型、修复技术等.在此基础上,归纳了新开发的生态修复技术,包括植被恢复、土壤修复和景观恢复等新技术;总结了当前的研究热点,主要有复垦的土壤和修复的植物之间相互作用的机理、矿山生态修复的监测新技术、本土物种保持、污染土壤修复新技术、应对全球气候变化的矿山生态修复新思维和矿山生态系统服务价值等;介绍了会议提出的新观点,如自然恢复和人工恢复选择的新标准、矿山生态恢复力新理论、新型矿山生态系统及其设计等.最后对未来研究趋势进行了预测.

煤矿开采导致地表塌陷,并改变原有土壤肥力性质.为了更好地开展矿区土地复垦,进行土壤重构和植被重建工作,必须要对塌陷区土壤养分状况进行分析.本研究以山西省朔州市平鲁区安家岭3号井工矿塌陷稳沉区为对象,分层采集原地貌、塌陷区1、塌陷区2和塌陷复垦区的土壤样品,测定不同区域土壤全氮和有机质含量,采用经典统计学和地统计学方法研究了土壤全氮和有机质含量的空间变异性.结果表明:垂直方向上,塌陷区表层0～ 20 cm土壤全氮和有机质含量小于原地貌,但20 cm以下土壤,塌陷区全氮含量大于原地貌,塌陷区有机质含量小于原地貌.塌陷复垦区的有机质含量大于塌陷区,但塌陷复垦区各层次土壤全氮含量与塌陷区相比,没有呈现一定规律.塌陷增加了土壤有机质和全氮含量在水平方向的分异程度,而土地复垦则降低了土壤有机质和全氮含量在水平方向的变异性.本研究可以为黄土区采煤塌陷地复垦提供一定的理论依据和技术支持.

井工采煤导致地表沉陷进而引发水土流失,微地形改造对沉陷地水土流失控制效果明显,但理论研究尚有欠缺,特别是对水土流失的控制机理不明确.为了进一步探索微地形改造的基础理论,研究微地形改造对采煤沉陷地水土流失与植被恢复的影响机理,本文在系统总结国内外相关研究的基础上,综述了采煤沉陷区微地形变化特征及水土流失规律、微地形改造方法、沉陷土地微地形改造应用及其生态环境效应的研究进展.总结发现:(1)采煤沉陷在沉陷区地表带来新的微地形变化;(2)微地形改造方法对土壤水肥特性、土壤侵蚀和植被恢复均有影响,但许多作用机理依然不明确;(3)微地形整地措施在采煤沉陷地有较好的水土保持与植被恢复效果,但许多研究方向不够深入,需进一步加强.针对当前研究的不足,提出了今后采煤沉陷地复垦微地形改造的研究方向,包括研发采煤塌陷地微地形及其改造的信息获取方法、探讨采煤沉陷地微地形的水文过程、加强采煤沉陷地微地形改造的效应机理分析、研究采煤沉陷地微地形设计与改造方法和技术体系等.

植被恢复是矿区进行生态修复的有效途径,但对于人工恢复植被生态过程的理解却非常有限.本研究基于2010和2015年对安太堡露天煤矿复垦土地1 hm2刺槐(Robinia pseudoacacia)+榆树(Ulmus pumila)+臭椿(Ailanthus altissima)混交林动态监测样地的两次调查数据,从物种组成、数量特征、径级结构等方面分析了人工植被5年间群落的动态特征.结果表明:群落的物种组成变化不大,1个树种因死亡而消失,新增1个树种;刺槐的重要值大幅下降,而榆树的重要值增长较快,群落优势种由刺槐变为榆树;样地中树木胸径(DBH)≥1 cm的独立个体数由2125株增至3531株,其中死亡768株,新增2174株;每年死亡率和增补率分别为8.97％和19.13％;死亡量最大的树种是刺槐,增补量最大的是榆树;群落总的胸高断面积由6.92 m2·hm-2增至8.63 m2·hm-2,其中刺槐的损失量和新增量均最大;树木的胸径年平均生长速率随着径级的增加呈增加的趋势;群落整体的径级结构没有发生较大变化,小径级个体死亡量较大,大径级个体死亡量较小;不同树种死亡个体的径级分布基本类似于2010年该树种的径级分布;3个主要树种的种群大小变化率都超过5％,均属于快速变动的种群,其中以刺槐的降幅最大(-10.36％),榆树的增幅最大(39.39％).

页岩气开发和生产过程影响水资源与水质、土地利用与植被覆盖、土壤侵蚀与土壤质量.综述了页岩气开发和生产过程可能存在的生态环境影响,并重点评价了国际上不同区域页岩气开发和生产对土地利用和植被覆被变化、景观破碎化的影响,以及对土壤侵蚀和土壤质量的影响.研究发现页岩气开发平台、运输道路和管线占用农田、牧场、森林,造成不同程度的景观破碎化,在坡地开发页岩气会导致土壤侵蚀与沉积风险增大.截止2015年末,在我国重庆涪陵焦石坝页岩气产建区55.8％的面积(146.56 km2)存在土壤侵蚀和石漠化生态风险.我国页岩气开发区水基钻屑固化填埋未对周边土壤造成污染.建议页岩气开发设计应考虑占地、景观破碎化的影响,并及时开展页岩气开发暂时占地的复垦工作.

准确快速估测矿区复垦农田土壤全氮含量是科学评价土地复垦质量的保障.以永城矿区复垦农田为例,对采集的土样进行化学处理和室内高光谱数据测量,对土壤高光谱数据进行3种数学变换,然后与全氮含量进行相关性分析并确定敏感波段.在此基础上,将偏最小二乘法回归(PLSR)模型分别与BP神经网络(BPNN)和随机森林(RF)相结合,建立了PLSR-BPNN和PLSR-RF两种土壤全氮含量高光谱反演模型,并将新建立的模型与传统的PLSR、BPNN和RF进行对比分析.结果表明:与利用单一模型相比,建立的PLSR-BPNN和PLSR-RF两种土壤全氮含量高光谱反演模型精度显著提高,特别是光谱数据经过一阶微分处理并利用PLSR-BPNN模型反演精度最高,验证组决定系数R2达到0.92,相对分析误差RPD为4.01.基于一阶微分光谱建立的PLS-BPNN模型是土壤全氮含量估测模型中的最优方法.研究成果为矿区复垦农田土壤全氮含量反演提供一定的参考价值.