西部干旱区煤炭开采环境影响研究

大规模煤炭资源开采与干旱脆弱生态环境的空间耦合将会诱发日益严峻的社会、环境问题。分析了我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤等关键环境要素影响的研究进展与不足;指出现有研究主要以单一环境要素、局部尺度为主,缺乏多尺度综合的环境要素协同损伤规律与井上下联动响应机理等基础研究。因此,现有成果还无法满足指导煤炭开采技术改进与控制环境损伤的需要。建议从井下到井上,从工作面、矿井、矿区、流域多尺度综合实现地空一体化同步监测,加强对西部干旱矿区各关键环境要素的协同损伤规律研究;加强对井上下环境要素对开采地质条件响应机理研究;建立不同开采条件、不同评价尺度下,矿区开采环境损伤的评价与预测模型。     

基于能值的生态足迹模型及其在资源型城市的应用

为衡量和评价区域发展的可持续状况,针对传统生态足迹模型以土地生产力为基础的不足,结合能值理论和方法,运用能值转换率和能值密度对模型进行改进,建立基于能值的生态足迹模型。改进的模型重点在采用区域能值密度,更加全面真实地反映区域生态承载力的大小以及区域发展模式下生态足迹的需求。能值-生态承载力的计算主要考虑区域可更新自然资源和生物生产性土地的可更新部分;能值-生态足迹计算人民生活需求资源消费量和区域经济发展的资源出口量。模型应用的结果为:资源型城市徐州市2006年人均能值-生态承载力1.03hm2,人均能值-生态足迹37.76hm2,分别是其他改进模型计算结果的4.4倍和4.3倍。如果不进行能值转换率的全球能值基准转换,能值-生态承载力将是2.6倍。生物生产性土地的可更新部分在徐州生态承载力中占有很大比重;当地承载了其他地区发展所需要的大量能值-生态足迹(出口资源)。可持续性评价指数为0.97,表明在为其他地区发展做出巨大生态贡献的同时,徐州的可持续发展状况十分堪忧。适度控制资源开采规模,延长产业链,增加出口产品附加值;开发利用可再生能源是资源型城市兼顾社会经济发展和生态环境持续的发展策略。     

采煤沉陷裂缝区土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光的响应

采煤塌陷引起的土壤环境因子的变化对矿区植物生长的影响越来越受到人们的关注,快速叶绿素荧光诱导动力学分析技术被称为植物受胁迫状态的有效探针,能够快速获取胁迫下光系统II光化学活性和电子传递的信息。研究采煤塌陷裂缝区植物叶片叶绿素荧光的变化是揭示煤炭开采塌陷胁迫对植物个体生长影响的关键环节,能为大尺度下采煤沉陷区植物损伤机理研究提供基础。对于黄土高原半干旱矿区,土壤水分无疑是植物生长最重要的限制因素,而植物叶片叶绿素荧光变化采煤塌陷影响下土壤含水量变化的响应如何尚不清楚。为了弄清采煤沉陷裂缝影响下土壤含水量变化对柠条叶片叶绿素荧光响应的影响,选取神东煤田大柳塔矿区52302工作面为实验场地,在分析了采煤塌陷裂缝对土壤含水量的影响的基础上,以生态修复物种柠条为研究对象,对采煤塌陷裂缝区不同土壤含水量下柠条叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线进行监测。结果显示:(1)由于煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,增加了土壤水分的蒸发面,加速了土壤水的散失。土壤水分含量随着与裂缝之间距离的增加而增加,从距离裂缝0 cm到300 cm,土壤平均含水量从5.63%增加到15.07%;(2)裂缝区土壤水分降低,柠条受到干旱胁迫程度加重,叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线由O—J—I—P变形为O—K—J—I—P曲线。干旱胁迫通过干扰柠条叶片PSII电子供体侧、受体侧以及电子传递链的功能,严重的损害了柠条叶片光合机构的正常功能。     

土壤碳库构成研究进展

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库的构成影响其累积和分解,并直接影响全球陆地生态系统碳平衡,同时也影响土壤质量变化。弄清土壤碳库的组分及构成,是进一步研究土壤碳库变化机制的关键。综述了土壤碳库的组分和构成,对有机碳库进行不稳定性有机碳库和稳定有机碳库归类,描述各类碳库的性质,并对各类碳库的分析测定方法进行了评述。提出在土壤碳构成中增加黑碳和煤炭(碳)以完善土壤有机碳构成框架。在未来研究中,应加强土壤无机碳及湿地土壤和新开发新复垦的重构土壤碳库构成及变化,各类碳库化学构成,交叉重叠的定量关系,碳库之间的转化及在土壤中的迁移,黑碳对土壤碳库稳定性及土壤质量的影响,煤开采扰动区煤炭(碳)对土壤质量的影响及环境效应等科学问题的研究。     

采煤塌陷影响下土壤含水量变化对柠条气孔导度、蒸腾与光合作用速率的影响

采煤塌陷引起的土壤环境因子的变化对矿区植物生长的影响越来越受到人们的关注,气孔导度、蒸腾与光合作用作为环境变化响应的敏感因子,研究植物气孔导度、蒸腾与光合作用的变化是揭示荒漠矿区自然环境变化及其规律的重要手段之一。研究采煤塌陷条件下植物光合生理的变化是探究煤炭开采对植物叶片水分蒸腾散失和CO_2同化速率影响的关键环节,是探讨采煤塌陷影响下植物能量与水分交换动态的基础,而采煤矿区植物叶片气孔导度、蒸腾与光合作用速率对采煤塌陷影响下土壤含水量变化的响应如何尚不清楚。选取神东煤田大柳塔矿区52302工作面为实验场地,以生态修复物种柠条为研究对象,对采煤塌陷区和对照区柠条叶片气孔导度、蒸腾和光合作用速率以及土壤体积含水量进行监测,分析了采煤塌陷条件下土壤含水量的变化以及其对柠条叶片气孔导度、蒸腾与光合作用速率的影响。结果显示:(1)煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,潜水位埋深降低,土壤含水量均低于沉陷初期,相对于对照区,硬梁和风沙塌陷区土壤含水量分别降低了18.61%、21.12%;(2)柠条叶片气孔导度、蒸腾和光合作用速率均与土壤含水量呈正相关关系;煤炭开采沉陷增加了地表水分散失,加剧了土壤水分胁迫程度,为了减少蒸腾导致的水分散失,柠条叶片气孔阻力增加,从而气孔导度降低,阻碍了光合作用CO_2的供应,从而导致柠条叶片光合作用速率的降低,蒸腾速率也显著降低。     

西部煤炭资源地下开采对不同坡位柠条光合系统损伤特征分析

以神东采煤沉陷区不同坡位(坡上、坡中、坡下)的柠条植株为目标植物,应用叶绿素荧光诱导动力学及分析技术(JIP-test),比较分析沉陷后1~2年不同坡位柠条叶绿素荧光参数的变化特征,探索不同坡位柠条PSⅡ(光系统Ⅱ)损伤及适应机制的空间差异性,为矿区植被恢复与重建提供理论指导。结果显示:(1)坡上和坡下柠条叶片J点相对可变荧光(V_j)和Q_A的初始还原速度(M_o)明显增加,同时单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、捕获的光能(TR_o/RC)和单位面积热耗散的能量(DI_o/CS_o)增大,最大光化学效率(F_v/F_m)和以吸收光能为基础的性能指数(PI_(ABS))大幅减少,K相可变荧光占J的比例(W_k)在沉陷1年最大,增幅达74.54%,沉陷2年后逐渐接近对照值。(2)坡中柠条叶片V_j和M_o先增加后减少,ABS/RC、TR_o/RC明显减小,F_v/F_m、PIAB S和W_k变化不大。(3)冗余分析(redundancy analysis,RDA)前2个排序轴共同解释了荧光参数-环境因子间关系的82.98%,其中土壤水和速效磷与第一轴的相关系数分别为0.57和0.50。研究表明:采煤塌陷后坡上和坡下柠条叶片PSⅡ受损严重,反应中心通过耗散过剩的激发能减轻伤害;坡中柠条受PSⅡ采煤塌陷影响较小,反应中心通过可逆性失活进行自我保护;土壤水和速效磷含量是采煤沉陷区制约柠条PSⅡ光合生理的关键环境因子。