论文题目：煤矿开采影响下草原生态系统稳定性及其生态地质学机制研究 ——以陈旗盆地为例
摘要：呼伦贝尔草原地处我国半干旱气候区,生态系统承受干扰的能力十分有限,近年来随着草原矿业的迅猛发展,草原生态系统稳定性遭到严重威胁。如何制订更为科学合理的草原矿业发展与生态保护战略决策均取决于对草原生态系统稳定性及其驱动机制的深刻认识。在理论方面,由于生态系统的复杂性,学术界目前对于生态系统稳定性的研究仍以描述性的评价为主,而缺乏动态的和机制性的研究;对于草原退化驱动机制的研究,则多以植物与某些因子的相关分析为主,缺乏从系统科学的角度,对植物生境的系统性、层次性、因子间的组态性、以及地表植物与地下生存环境之间多因子协同作用等的研究。因此,本课题以呼伦贝尔草原陈旗盆地煤矿集中开采区为研究对象,以系统科学、生态系统生态学以及生态地质学的基本理论问题探讨为前提,以遥感数据与生态地质调查结果为依据,主要开展以下几方面的研究:（1）基于植被指数的生态系统稳定性理论与时空序列分析方法研究;（2）草原矿区生态系统稳定性分析及失稳区识别;（3）矿业活动影响下草原植物群落演替规律及退化识别;（4）草地退化的生态地质学机制研究。主要研究成果如下:（1）基于植被指数的生态系统稳定性理论与时空序列分析方法研究基于系统稳定性与涨落理论的分析,以表征植被自然属性的归一化植被指数（NDVI）为基础,通过对系统如何由稳定走向失稳的判别,提出能够表征系统稳定性的三个指数,即NDVI均值（μ）、均方差（σ）以及相对涨落（δ）（σ/μ）,分别表征植被空间分布的集中趋势与时间序列的平均状态;空间分布的离散程度与时间序列的波动大小;以及生态系统的时空稳定状态。通过与背景阈值的对比,相对涨落值越高,表明系统内部振荡越剧烈,稳定性越差,若相对涨落值在时空尺度持续升高,则表明系统失稳,反之,表明系统稳定性增强。在此基础上通过NDVI数据的网格化处理、网格内稳定性指数计算与时空维度分析,从宏观尺度以及局域尺度分别揭示生态系统的稳定性特征。（2）草原矿区生态系统稳定性分析与失稳区识别在宏观尺度,草原生态系统处于正常涨落的状态,表明研究区中、小尺度上的各种干扰活动还没有影响到或在缓慢影响着生态系统的宏观格局,这也与植被系统对环境变化的延迟与滞后效应有关。在局域尺度,植被系统受矿业活动剧烈干扰表现出异常涨落的特征。其中对照区天然草原主要受降雨等自然因素控制,处于正常涨落的稳定状态。露天开采区植被系统完全破坏,形成新的裸地稳定结构;矿区周边1 km范围内植被系统稳定性变差,但没有完全失稳;井工开采对草原生态系统的破坏明显小于露天开采,形成的以地面变形、地裂缝为特征的地面沉陷对植被系统稳定性影响较小,而以塌陷坑为特征的地面塌陷容易造成局部草原生态系统失稳;人工复绿草地稳定性较差,在遇到干旱等自然条件恶劣的情况容易失稳,部分区域相对涨落值持续升高,已向着退化的方向发展。（3）矿业活动影响下植物群落演替规律及退化识别通过对矿业活动干扰的局部区域植物群落特征的分析（矿区周边、地面沉陷区、地面塌陷区、地下水位降落区、人工治理区）,并与天然草原对比发现:（1）矿区周边草地物种数显著降低,盖度降低54.9%,原有优势物种羊草、贝加尔针茅优势度降低,而低矮、耐践踏的寸草苔优势地位升高,草原退化指示物种冷蒿和星毛委陵菜大量出现,草地处于中度退化的阶段;（2）地面沉陷区植物群落物种数量降低,盖度降低9.6%,群落的优势植物组成与天然草原相似,群落结构与天然草原相似度较高,相似系数为0.64,处于轻度退化的阶段;（3）地面塌陷导致草地植物群落被完全破坏,群落物种数量减少了52.5%,盖度降低74.2%,原生建群种羊草衰退,贝加尔针茅消失,与天然草原相似度较低,处于重度退化的阶段;（4）地下水位降落区物种数减小了61.0%,盖度降低32.9%,原有优势物种衰退,退化指示物种成为群落优势物种,中生生态型功能群优势度显著降低,向着旱化的方向发展,处于中度-重度退化的阶段;（5）人工治理区物种数量减少了50.8%,盖度降低53.6%,修复选取的优势种群明显衰退,群落结构与天然草原相似度较低,处于由人工草地向天然草地过渡的阶段,且表现出中度退化的特征。（4）草地退化的生态地质学机制基于植物群落与其地下生存环境（简称地境）演替过程的协同性、地境结构的层次性以及地境因子以组合状态影响植物生存与生长的特性,本研究提出通过植物根群层片结构、地境稳定层特征以及地境因子组态的分析来揭示草原植物群落的退化机制。通过植物群落根群调查与δ（D）、δ(18O)稳定同位素示踪,发现天然草原植物地境呈垂向的双层结构,一、二年生草本植物根群集中在0-20 cm范围,多年生草本植物根群在20-40 cm范围,地境底界深度不超过地下60 cm。根据野外不同类型多个样地关键地境因子的实际统计情况,提出地境因子组态的分析方法,组态图中不同类型样地调查点占据的三维空间反映的是相应植物群落的地下生存环境,其中蕴含着植物群落与地境多因子协同作用的结果。对不同退化程度草地的分析显示:（1）矿区周边及地面沉陷区地境生态因子总体较天然草原降低,土壤含水率-含盐量-有机质-阳离子交换量组态分布与天然草原重叠区域较多,地下生存环境相似。根群表现出一定的浅层化趋势,但垂向上仍呈双层结构,表明植物地下生存环境并未失稳,仍保持其相应的生态功能。（2）地面塌陷区原生的土壤环境被完全破坏,地境生态因子较天然草原区明显降低,地下生存环境与天然草原相似度较小,并表现出较大的波动性。能适应地境变化的植物在此定居,一、二年生与多年生植物根群在垂向上逐渐分异,形成垂向的双层结构,表明塌陷区植物地境处于由不稳定向新的稳定态演替的过程中。（3）地下水位降落区地境生态因子较对照区显著降低;地下生存环境与天然草原相似度较小;根群呈单层结构,向表层土壤聚集。表明受地下水位降落影响,植物地境因子趋于贫化,原有的地境稳定态被破坏,但浅层土壤各因子波动较小,表明已形成适合退化物种生存的地下稳定新环境。（4）人工治理区一些植被覆盖度较低的区域,植物根群主要分布于0-20 cm浅层土壤,细根占比达75.1%,表明该区未形成适宜草原植物生存的稳定地下环境,植物群落难以稳定存在。而在一些植被覆盖度较高的区域形成了相对稳定的群落环境,根群层片结构与天然草原相似,呈稳定的双层结构。最后提出植物群落退化与其地下生存环境失稳存在的三种关系模式:（1）在地境原有宏观稳定态被破坏而新的稳态还没有形成的阶段,一些不适应生境变化的物种就会衰退。（2）如果地境失稳一直持续,则会导致原有物种衰退而新的植物群落难以形成,群落发生逆向演替。（3）如果新的地境稳定结构可以形成,能适应地境结构变化的植物群落逐渐形成。本研究提出的生态系统稳定性时空序列分析方法很好的揭示了草原生态系统的稳定性特征,对草地退化生态地质学机制的研究则系统的揭示了草原退化过程中植物群落与其地下生存环境的相互作用规律及驱动机制,其成果可有效的指导草原合理开发与生态建设。本论文提出的生态系统稳定性研究思路与方法可以进一步运用于荒漠化、石漠化、森林以及人造景观等复杂生态系统的研究中。
关键词：煤矿开采;生态系统稳定性;生态地质学;植物地下生存环境;草地退化
学科专业：水文地质学
作者简历
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与选题意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 矿业开采对生态系统的影响研究现状
1.2.2 生态系统稳定性研究现状
1.2.3 草地退化的生态地质学机制研究现状
1.2.4 存在的不足与发展趋势
1.3 研究目标、内容与技术路线
1.3.1 研究目标
1.3.2 研究内容
1.3.3 技术路线
1.4 创新点
第二章 研究区生态地质环境背景
2.1 概述
2.2 自然地理条件
2.2.1 地理位置
2.2.2 气象
2.2.3 水系
2.3 地质环境背景
2.3.1 地质构造
2.3.2 地层岩性
2.3.3 地形地貌
2.3.4 水文地质
2.3.5 土壤
2.4 草原植被
2.4.1 植被区系及物种组成
2.4.2 植被与降水特征
2.5 煤田概况
2.5.1 煤矿生产开发情况
2.5.2 矿山环境治理现状
2.6 生态地质环境问题
2.6.1 景观破坏
2.6.2 地面沉陷(塌陷)与土地破坏
2.6.3 地下水位下降与土壤旱化
2.7 数据来源与调查采样
2.7.1 数据来源
2.7.2 野外调查与采样分析
第三章 基于植被指数的生态系统稳定性识别方法
3.1 概述
3.2 系统稳定性理论研究
3.2.1 系统的自组织
3.2.2 系统涨落
3.2.3 系统从稳定走向失稳
3.2.4 稳定性指数
3.3 生态系统稳定性分析的基本步骤
3.3.1 方法步骤
3.3.2 网格划分
3.3.3 稳定性指数计算与生态学含义
3.3.4 稳定性指数时空动态分析
3.3.5 方法的优势与适用范围
3.4 小结
第四章 草原生态系统稳定性时空域分析及失稳区识别
4.1 概述
4.2 传统景观格局指数分析
4.2.1 斑块水平
4.2.2 斑块类型水平
4.2.3 景观水平
4.3 宏观尺度植被系统特征
4.3.1 植被宏观分带
4.3.2 驱动机制
4.3.3 稳定性
4.4 局域尺度植被系统稳定性
4.4.1 局部受干扰区识别
4.4.2 天然草原
4.4.3 露天煤矿区
4.4.4 井工煤矿区
4.4.5 采煤塌陷区
4.4.6 城镇与打草场
4.5 小结
第五章 矿业活动影响下草原植物群落演替规律及退化识别
5.1 概述
5.2 指标计算与数据分析
5.2.1 调查采样点分布
5.2.2 指标计算
5.2.3 数据分析
5.3 植物群落结构特征
5.3.1 物种组成与优势度
5.3.2 功能群组成与优势度
5.3.3 关键物种的变异特征
5.3.4 群落高度、密度、盖度特征
5.4 植物群落物种多样性特征
5.5 群落结构的相似性分析
5.6 矿业活动影响下草原退化的识别
5.6.1 矿区周边
5.6.2 地面沉陷区
5.6.3 地面塌陷区
5.6.4 人工治理区
5.6.5 地下水位降落区
5.7 小结
第六章 草地退化的生态地质学机制
6.1 概述
6.2 植物群落演替的生态地质学分析
6.2.1 植物地境
6.2.2 植物根群“层片”结构
6.2.3 植物地境稳定层及生态因子
6.2.4 地下水的生态地质环境效应
6.3 矿业活动影响下草地退化的生态地质学机制
6.3.1 根群层片结构特征及驱动机制
6.3.2 地境生态因子特征及驱动机制
6.3.3 草地退化的驱动机制
6.3.4 草地退化与地境失稳的关系模式
6.4 小结
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 关于草原矿业开采的思考
7.2.1 草原矿业如何开采
7.2.2 区域调控与局域治理
7.3 展望与不足
致谢
参考文献
附录1 研究区主要植物物种
附录2 样方与地境调查统计表
附录3 野外照片