干旱半干旱区露天煤矿关键生态要素异质性及其环境效应

摘要

露天煤矿经过剥离—开采—排土—复垦等系列采矿活动后，原有自然地层、地貌、景观等关键生态要素都发生了“翻天覆地”的结构性改变，成为了一种特殊的大型人工生态系统.本文从区域、矿山、排土场局地3种尺度分析露天煤矿水热条件、地形地貌、岩土地层等生态要素的空间异质性及其产生的环境效应.在区域尺度上，构建了水热协调性指数分析方法，发现我国干旱半干旱地区露天煤矿生态系统水热条件具有显著的空间差异，水热协调性直接影响矿区重建植被恢复成效，应作为露天矿产能布局的重要参考因素之一.在矿山尺度上，分析了典型露天煤矿开采前后的高程与坡度变化特征，基于哨兵Sentinel-2卫星大气水汽数据与Envi-met数值模拟，发现露天矿在夜间将形成“逆温效应”,加剧了矿坑粉尘向逆温层的上移聚集；昼间产生“剥离区高-采区低-排土区高”的M型分布“湿岛效应”,夜间则形成“干岛效应”,这将加剧矿区地表土壤水分的亏损.在排土场局地尺度上，发现排土场重构地层台阶坡面存在典型的粒径偏析现象，粒径沿坡面方向的分布符合Rosin-Rammler分布函数；排土场重构地层整体呈现“下部结构规整、上部结构紊乱”的典型垂向分异特征；重构排土场地层在粒径偏析作用下形成垂向渗透梯度，内部渗流场以“优势通道迁移-异质界面滞留”为主的非线性运移特征，这种地层不具备地下水阻渗条件，难以恢复地下潜水.因此，系统性实施露天矿生态修复还应科学重构排土场地层，以控制恢复地层渗流条件和防控溶质运移污染风险等.本研究对于掌握矿山生态系统演变机理、优化开采设计、制定矿山生态保护修复措施等都具有重要的理论意义.

关键词

露天矿 / 生态扰动 / 空间异质性 / 环境效应