黄土高原大型露天煤矿区复垦土壤空间异质性特征及指示意义

Land reclamation is traditionally regarded as an effective way to balance mineral exploitation and land resource protection. It has great influence especially in promoting the process of ecological civilization. This project takes three opencast coal mines of Pingshuo as the research object, which located in the ecologically fragile zone of the Loess Plateau. As a large-scale and modernized coal mine, Pingshuo mine has a long service life nearly a century, covering disturbed area of 60km2, reclaimed land area of 30 km2, with an integrated stripping, dumping, land development and reclamation technology. The study is based on 30 years research results supported by scientific observation and research base and reclamation teamwork. Through taking different types of soil samples, including the suitable grid scale of 500m and 200m，we get soil, vegetation and terrain information to analyze soil nutrient characteristics from the perspective of spatial and temporal variability, scale effect and pedodiversity in reclaimed land region, with the help of laboratory experiment, spatial, clustering and analogy analysis. We aimed at understanding the influence of terrain, soil parent material, dumping and land development technology, reclamation years and vegetation on variation features of soil nutrients. It will provide a scientific basis for soil reconstruction, land resource quality improvement，reclaimed land monitoring, reclamation mode optimization，land resource protection and reuse in the land reclamation and ecological reconstruction process in Loess Plateau.

项目以服务年限近百年、已扰动面积约60km2、复垦面积30km2、“剥离—排弃—造地—复垦”工艺一体化的黄土高原区平朔三大露天矿复垦土地为研究对象，依托国土资源部土地复垦野外观测基地和复垦团队近30年的研究积累，通过实地采集500m和200m两个嵌套格网采样尺度、排土场边坡9个样带10m采样尺度土壤样品和复垦土地植被、地形等专题信息，采用实验室测试、空间统计、空间分析、聚类分析和类比分析等方法，分析大型露天煤矿区复垦土地在“斑块—景观—区域”尺度上土壤养分属性的时空变异特征、尺度效应以及多样性特征；揭示地形、土壤母质、排弃造地工艺、复垦年限、复垦植被对土壤养分属时空性变异和土壤多样性的影响水平。为黄土高原区土地复垦与生态重建过程中多样性土壤的重构、复垦土地质量提升调控、复垦土地监测布点、土地复垦模式优化、复垦土地再利用和保护提供科学依据.

在经历 “剥离—搬运—排弃”等高强度采矿扰动，以及“地貌重塑—土壤重构—植被重建”等土地复垦与生态重建活动后，对我国露天煤矿区复垦土壤空间异质性进行研究显得尤为迫切。在2016-2019年期间，课题组成员以“剥离—排弃—造地—复垦”工艺一体化的黄土高原大型露天矿区复垦土地为研究对象，依据多时点（2013年6月、2013年8月、2017年7月）土壤采样数据、多尺度（斑块—景观—区域）植被调查数据以及多时相（近30年）高光谱遥感数据，采用实地调研、野外采样、实验室测试与内业分析相结合的研究方法，利用MATLAB、SPSS、ENVI、GS+以及GIS等软件，通过数理统计、空间制图以及模型分析等分析了大型露天煤矿区复垦土地在不同尺度下土壤属性的时空变异特征与人为调控机制。.通过研究表明：1）在采矿扰动和土地复垦影响下，大型露天煤矿排土场复垦土壤属性空间变异性较大。2）矿区土地复垦后土壤各理化性质都能有所提升，但各土壤属性之间提升程度各异。3）复垦土壤属性在时空分布格局和演变规律上随研究尺度、土地利用方式、复垦年限、复垦工艺措施、植被类型以及微地形构造等的不同皆表现出明显的差异性。4）不同复垦阶段植被覆盖度等级间的转移情况在存在较大差异，降水、高程和坡度皆对植被覆盖变化产生显著影响。5）在平朔矿区复垦土壤中，土壤容重、酸碱性和有机质含量等是制约土地复垦质量的最主要因素。6）煤矿周边存在某些土壤重金属（例如Cd，Pb和Ni）含量严重超标，煤炭开采对周边环境和人口存在一定程度的重金属污染风险。.该系列研究揭示了黄土高原大型煤矿区地形地貌、土壤母质、排弃造地工艺、复垦年限、复垦模式对矿区重构土壤时空变异性的影响特征和响应机理，探讨了复垦土壤研究尺度效应和土壤重构调控模式。不仅对完善土壤学科体系研究和生态修复理论与实践研究具有重要意义，同时，也为大型露天煤矿区复垦土地监测评价和质量管理提供科学依据，对黄土高原大型露天煤矿复垦区重建安全、稳定的生态系统具有重要借鉴价值。