基于多重分形理论的黄土区大型露天煤矿排土场土壤重构机理与调控模式

The water resource is lacking, soil erosion is severe, and zoology environment is weak in Loess Plateau opencast coal mine area. Soil reconstruction is the foundation and core of land reclamation and ecological restoration.Like such a fragile ecological mining area of Loess Plateau the damage soil structure reconstruction is more important, but the problem has not been solved very well.The project aim at solving affecting factors, quantitative characterization and action mechanism of soil quality in the process of soil reconstructing in Loess Plateau opencast coal mine area.After comprehensive analyzing effects of various factors on soil structural heterogeneity during the process of the dump soil reconstruction, the multiracial theory will be creatively introduced to realize quantitative characterization of soil structure succession process.The response model of soil quality soil parameters on structural will be constructed, the soil structural reconstruction mechanism will be in-depth analyzed in Loess Plateau opencast coal mine dump. Through the above research the effective measures of dump soil reconstruction will be put forward, the typical optimization model of land reclamation will be formed in Loess Plateau opencast coal mine dump.The research can provide a solid theoretical foundation and technical support for the land reclamation and ecological restoration in Loess Plateau opencast coal mine dump.

黄土高原露天煤矿区水资源短缺，水土流失严重，生态环境极度脆弱。土壤重构是土地复垦与生态恢复的基础与核心，在黄土高原这样的生态脆弱矿区如何对采矿损毁的土壤结构进行重构就显得更为重要，但这个难题到目前还没有被很好解决。本项目以解决黄土高原露天煤矿区排土场土壤重构过程中土壤结构定量表征方法及其作用机理为目标。在深入分析各因素在排土场土壤重构过程中对土壤结构异质性影响的基础上，创新性地引入多重分形理论对排土场土壤结构及其演替过程进行定量表征，并构建土壤质量参数对土壤结构响应的关系模型，以深入剖析黄土高原生态脆弱露天煤矿区排土场土壤结构重构机理，探讨重构排土场土壤重构的有效调控措施，提出黄土高原生态脆弱大型露天煤矿区排土场复垦的土壤重构优化模式，为黄土高原露天煤矿区排土场复垦与生态恢复提供坚实的理论基础和技术支撑。

土壤重构是矿区受损土地复垦与生态恢复的基础与核心。露天开采会对初始的土壤产生严重破坏，如何对严重扰动的土壤结构进行定量表征显得尤为重要。为此，本文以山西省平朔矿区安太堡露天煤矿为研究对象，在深入分析各因素在排土场土壤重构过程中对土壤结构异质性影响的基础上，创新性地引入多重分形理论和无损CT扫描技术对排土场土壤粒径分布和土壤孔隙结构及其演替过程进行了定量表征，进行了重构土壤三维孔隙结构重建，构建了土壤质量参数对土壤结构响应的关系模型，揭示了黄土高原生态脆弱露天煤矿区排土场土壤结构重构机理，探讨了重构排土场土壤重构的有效调控措施，提出了黄土高原生态脆弱大型露天煤矿区排土场复垦的土壤重构优化模式。研究发现：（1）矿区重构土壤粒径分布、土壤孔隙二维和三维分布都具有多重分形特征，容量维D(0)、信息维D(1)、容量维数与信息熵维数的差值D(0)-D(1)、多重分形谱谱宽度Δα和对称度Δf 都能较好地从不同角度反映重构土壤特征；（2）利用多重分形参数能够反映采矿与复垦对土壤特性的影响，多重分形参数与土壤特性之间具有显著相关性；（3）CT扫描技术能够无损获取土壤孔隙信息，通过三维重建可以得到土壤孔隙三维分布，并能搜索到土壤孔隙团的个数及体积，使土壤孔隙的研究更加简单、直接；（4）土地复垦能够改善土壤特性，随着复垦年限的增加，重构土壤孔隙度、连通性得到显著性提高；（5）表土在土地复垦中作用明显，采矿过程中要进行剥离、复垦中要进行表土覆盖，同时可以通过深松、施加有机肥、种植绿肥、轮作等措施改善土壤孔隙状况，改良土壤特性。通过研究发表SCI论文11篇，EI期刊论文9篇，出版专著1部，申请发明专利2项，培养研究生8名。本研究可为黄土高原露天煤矿区排土场复垦与生态恢复提供坚实的理论基础和技术支撑。