露天矿区重建植被动态变化对气候因子的响应研究

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:liyang12886
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气候变化对矿区重建生态系统长期稳定性的潜在影响引发了学者的广泛担忧。考虑到土壤水文、微气候等生物与非生物组分的剧烈改变,矿区重建植被对气候因子的响应可能与周边未扰动植被不同。本研究旨在通过对比矿区重建植被与周边未扰动植被对气候因子响应的差异并分析原因,为预测气候变化对矿区重建植被的影响以及优化复垦工艺、保障重建生态系统的长期稳定性提供科学依据。基于广义相加模型对平朔矿区1997-2017年生长季增强植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)时间序列遥感数据(共135期)和相应气象数据的分析结果显示,复垦样地与未扰动样地植被对气候变率的响应存在三方面差异:(1)气候驱动力不同。复垦植被的气候驱动因子为温度、降雨、空气湿度和风速变率,而未扰动植被的气候驱动因子只有温度和空气湿度变率。(2)气候变率解释了复垦样地19.95%~46.46%的EVI变化和未扰动样地0.70%~1.74%的EVI变化,说明复垦植被对气候变率远比未扰动植被敏感。(3)气候变量对复垦植被和未扰动植被的影响具有明显不同的时间效应,尤其是各气候变量在复垦区的作用时长远大于未扰动区。复垦植被与未扰动植被对各气候因子响应不同的原因主要有:(1)降雨变率对复垦样地EVI变化的解释率为0.21%~6.20%,却对未扰动样地无明显影响。复垦20年后重构土壤田间持水量接近或大于自然土壤,但复垦区重构土层厚度(≤1m)远小于自然土壤剖面的黄土层厚度(可达35 m),说明造成复垦植被对降雨更加依赖的主要原因可能是有效土层厚度减少而非土壤水文学特性差。(2)风速变率仅对复垦植被造成了影响,主要由于复垦区的山状地势(较周围高出120~150 m)对风的加速作用。(3)温度变率对复垦样地植被生长的限制(12.89%~40.26%)远大于未扰动样地(0.70%~1.17%)。地表温度遥感反演结果显示复垦样地的地表温度整体低于未扰动样地,表明南排土场山状地形对风的加速作用和对阴坡的遮荫造成的低温胁迫是复垦植被受到更强温度制约的主要原因。(4)空气湿度对复垦植被的限制(0~12.75%)大于未扰动植被(0%~0.57%),主要是由于复垦区植被破碎度更高、边缘效应更明显所致。(5)各气候变量对复垦植被的累积作用时长远大于未扰动区植被,尤以平均气温最为明显(复垦样地45~65天,未扰动样地10~15天),表明与未扰动植被相比,复垦植被从不利气象事件中恢复的速度更慢。复垦重建生态系统恢复力受损进一步放大了各气候因子对复垦植被生长的限制。文献分析和对多个生物气候带典型矿区的实地调查结果表明,在平朔矿区发现的改变植被对气候因子响应的因素广泛存在于各露天矿区。演替阶段和演替方向差异使得矿区重建植被与周边未扰动区在物种组成、群落结构和覆盖度等方面表现出很大不同。如伊敏露天矿原地貌植被为高盖度草本植物群落,共发现草本植物62种;而复垦区草本植物盖度稀疏,只发现了草本植物47种,形成了地衣结皮、苔藓结皮和维管植物的复合群落。在土壤方面,复垦区较周边未扰动区土层更薄,荒漠区和草原区复垦覆土厚度≤0.35m,黄土高原区≤1m,远小于自然条件下植物可利用土壤水分的深度(草本植物可深至1m,木本植物2 m甚至更深),其下为持水能力极差的岩土废弃物。有限的表土层蓄水能力和深层水分补给的缺失会使复垦植被更易受到干旱和高温胁迫。上述植被群落组成、土壤、地质层组等生态系统组分的改变,都会导致复垦植被对气候的响应异于周边未扰动植被。对平朔矿区遥感数据和实地调查数据分析发现,露天开采对水文、微气候的影响和对重建植被对气候响应的改变,给矿区重建生态系统带来了三方面负面影响:相较原地貌几十米厚的黄土层,≤1 m的重构土层和其下持水能力极差的岩土废弃物使得复垦植被对降雨更加依赖,并会在干旱期受到更严重的干旱胁迫;地形改变导致的温度降低,使得复垦植被生长季缩短约17%;不良的微气候条件和不适宜的物种选择导致了局部重建植被(S5样地)的二次退化。从露天开采的一般过程可推断,露天开采遗留的环境后效应导致的重建生态系统对气候响应改变,会使其生态系统生产力受到制约,对物种组成、群落结构及演替方向造成影响,并威胁矿区重建生态系统的长期气候稳定性。以上结论为复垦研究与实践提供了重要启示。本研究表明当前复垦工艺和应对气候变化影响的复垦对策可能难以确保矿区重建生态系统的长期气候稳定性;可在复垦设计中通过优化场地水文、微气候条件,并根据微立地条件因地制宜地选择植物物种,以减小采矿环境后效应的负面影响、提升重建生态系统的气候稳定性。未来研究还应进一步关注复垦植被对不同气候维度的响应,为准确预测气候变化对矿区重建生态系统的影响奠定基础;并探究露天开采环境后效应改变植被对气候响应的深层机理和对矿区重建生态系统影响,以助于我们更好地应对采矿带来的环境问题和气候变化的双重挑战。
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