基于生物多样性的露天矿山生态修复方法技术

本发明专利技术属于生态学及生物学领域，公开了一种基于生物多样性的露天矿山生态修复方法，该方法以生态退化机理分析、生态修复目标和范围设定、基于生物多样性的生态修复方案设计、生态修复工程实施、生态监测、生态修复成效评估为基础，开展矿区生态修复系统设计，以期为露天矿山的生态修复提供方法支撑。本发明专利技术充分考虑了矿区及其周边地区的生物多样性和生态特征，集成了基于生物多样性的矿山生态修复方法体系，利用区域植被演替规律开展植被重塑，利用生态退化机理分析找出生态修复制约因子，制定“一区一策”措施，因地制宜开展矿区生态修复，最终实现矿区生态系统的自我演替，且方法简单易行，具有推广价值。

【技术实现步骤摘要】
基于生物多样性的露天矿山生态修复方法
本专利技术涉及一种基于生物多样性的露天矿山生态修复方法，属于生态修复领域。
技术介绍
矿山露天开发造成地表植被破坏、水土流失加剧、生物多样性锐减，且生态修复工作严重滞后。预计到2020年，中国煤矿露天开采将损毁土地0.22hm2·万t-1，随之而来还会出现土地退化、水土流失、地下水位下降等问题，对原本脆弱的草原生态系统造成严重破坏，极大地威胁着区域环境质量和生态安全。生态修复的目标不仅是复绿，更是通过生态修复来重构一个能够自维持免维护的生态系统。我国矿山生态修复始开始于20世纪80年代，近年来积累了大量生态修复实践项目经验，较成功的案例为黄石国家矿山公园和上海辰山植物园等。但是，大多数项目在生态恢复实践过程中，修复工作单纯针对自然环境，且这种工作投入大、耗时长，修复后的场地缺乏可持续利用能力，长期维护费用高，未能从根本上解决问题。面对矿山生态修复的现状与弊端，如何转变生态修复理念，因地制宜设计一套适宜各矿区的生态修复方案，是改造矿山废弃地的关键所在。已有研究通过生物工程的实施开展矿山生态修复，具有积极意义，但也存在一定局限性，它们的修复目标多以复绿为主，并未考虑区域生物多样性特征，最后构建的矿区系统在不维护的情况下并不能实现自我演替；在植被建植方面，一般选择易存活的植物，较少考虑当地植物，不能形成自稳定的植被演替群落，究其原因，未考虑当地生态退化机理，因此生态修复目标定位不准，缺乏对当地立地条件的分析。此外，多数生态修复项目后期维护成本较高，不能实现矿区的自我维持和可持续利用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于生物多样性的矿山生态修复方法,从区域生物多样性本底出发，以生态退化机理分析为基础，构建一套涵盖设计、实施、监测和评估的科学的方法体系,用于解决露天矿山生态修复过程中生态修复目标不确定、生态修复方案不合理、生态修复成效无法评估等问题。本专利技术提供的技术方案是：一种基于生物多样性的露天矿山生态修复方法,包括如下步骤：一、生态退化机理分析识别区域生态退化的主导驱动因子；从土壤、植物群落和生态系统层面分析土壤-植被-生态系统之间的动态响应规律。（1）生态系统时空演变规律收集区域长时间序列的遥感数据，以及矿区长时间序列历史资料数据，分析矿区面积及其变化率、NDVI变化特征，并分析区域生态变化的自然驱动因子和人为驱动因子的贡献率，找出导致区域生态退化的主要因子；（2）环境因子变化特征收集研究区气象水文观测资料，采用样方法和样线法开展植被和土壤调查，分析矿山开发前后土壤和植被变化特征；（3）区域生态退化机理分析对比分析区域生态系统特征与生态本底，判定生态系统退化程度和趋势，划定生态退化等级，分析土壤特征、植物物种组成和多样性指数，研究矿山开发前后植物群落优势种、建群种和先锋种，分析植被演替规律，并研究植被群落与土壤之间的关系；二、生态修复范围和目标设定以植被NDVI为数据源，利用ArcGIS的缓冲区功能，设置不同距离的缓冲区，分析不同缓冲区内的矿区NDVI均值与缓冲区面积内NDVI均值的比值；然后利用显著性分析，直到二者首次显著性不明显为止，此时的缓冲区大小即可确定为生态修复的范围；根据生态退化机理分析结果，综合区域生物多样性和生态特征，因地制宜设置生态修复目标；三、生态修复分区设计以生态学原理为主导，遵循因地制宜、逐级分区的原则，综合区域生态特征，基于生态系统的地域性规律，空间组合特点、人类活动对生态环境的干扰程度等开展生态修复三级分区；四、生态修复定位在不同类型地区和不同海拔高度地区采取以多类型、多梯度、多层次的生态修复模式，打造布局合理、功能优化、矿地和谐生态修复区，实现矿区可持续利用的目标；五、基于生物多样性的生态修复方案设计充分考虑区域生物多样性和生态本底特征，从生态系统适应性管理的角度，对生态系统过程、功能和服务进行权衡分析，找出最适宜的空间布局方式，设计基于生物多样性的生态修复方案；六、生态修复工程实施基于因地制宜、生物多样、景观协调、经济合理和综合统筹的原则，从微地形改造、土壤重构、植被建植、水土保护和养护管理方面，实施生态修复工程，恢复当地及区域生物多样性，提高生态功能。所述的方法，步骤一中，所述矿区长时间序列历史资料数据包括矿山开发时间、开采规模、开采面积、开采强度；植被和土壤调查在样地尺度上进行，一般选取6块样地，包括5块不同退化程度的典型区，同时选择1个无影响区域作为对照样地；植被调查时，依据植被类型不同设置不同的样方；若植被以草地为主，在每个样地设置3个10m×10m的大样方，每个样方内设置3个1m×1m的小样方；若植被以森林为主，则在每个样地设置3个100m×100m的大样方，每个样方内设置3个10m×10m的小样方，调查植物种类、数量、高度、盖度、生物量，测定蒸腾速率、光合作用强度、叶面积指数、有机碳、有机氮含量；土壤调查与植被调查同步进行，在每个植被调查样方中同步采集土壤样品，每个样方分4层：0-20cm，20-40cm，40-60cm，60-80cm取样，测定土壤含水量、容重、孔隙度、pH值、土壤养分、土壤酶活性；其中所述土壤养分包括：总氮、总磷、速效氮、速效磷、有机碳），所述土壤酶活性包括脲酶、蔗糖酶活性。所述的方法，步骤二中，所述生态修复目标，包括远期目标和近期目标，其中，远期目标是达到生态修复区生态系统结构和功能稳定，植被能够自我演替，实现生态系统的自维持免维护；近期目标是通过生物工程实现矿区近自然恢复，初步实现生态平衡。所述的方法，步骤五中，从栖息地营造、先锋植物定植、微生态改善、“基质-斑块-廊道”、生态要素重建、景观重建6个方面设计基于生物多样性的生态修复方案。所述的方法，进一步还包括如下步骤：七、生态监测在生态修复工程实施后的1~5年内，开展恢复区生态监测。所述的方法，进一步还包括如下步骤：八、生态修复成效评估从生物多样性指数、生态系统服务、生态过程、生态系统结构4个方面选取指标，构建生态修复成效评估指标体系，评估生态修复效果，分析生物多样性对生态修复效果的影响。所述的方法，步骤七中，在生态修复工程实施后的1~5年内，开展恢复区生态监测，主要监测指标包括：大气监测、生物多样性监测和生态功能监测。所述的方法，其中，所述大气监测包括监测气温和降水两个指标；所述生物多样性监测包括如下监测：（1）植被监测，选取固定样地，通过样线法和样方法，调查矿区植物群落物种组成、密度、高度、盖度、基径、冠幅，调查时记录样点的经纬度、海拔高度、调查时间，并描述样点周边生境，同时在矿区外开展对照样方监测；（2）动物调查，在植物样方监测时兼顾设置哺乳动物的调查样线或样带，观测时的行进速度根据调查工具确定，步行宜为每小时1-2km，记录路线上动物实体、足迹链、粪便、食迹、卧迹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于生物多样性的露天矿山生态修复方法,其特征在于包括如下步骤：/n一、生态退化机理分析/n识别区域生态退化的主导驱动因子；从土壤、植物群落和生态系统层面分析土壤-植被-生态系统之间的动态响应规律；/n（1）生态系统时空演变规律/n收集区域长时间序列的遥感数据，以及矿区长时间序列历史资料数据，分析矿区面积及其变化率、植被NDVI变化特征，并分析区域生态变化的自然驱动因子和人为驱动因子的贡献率，找出导致区域生态退化的主要因子；/n（2）环境因子变化特征/n收集研究区气象水文观测资料，采用样方法和样线法开展植被和土壤调查，分析矿山开发前后土壤和植被变化特征；/n（3）区域生态退化机理分析/n对比区域生态本底，判定生态系统退化程度和趋势，划定生态退化等级；分析土壤特征、植物物种组成和多样性指数，研究矿山开发前后植物群落优势种、建群种和先锋种，分析植被演替规律，并研究植被群落与土壤之间的关系；/n二、生态修复范围和目标设定/n以NDVI为数据源，利用ArcGIS的缓冲区功能，设置不同距离的缓冲区，分析不同缓冲区内的矿区NDVI均值与缓冲区面积内NDVI均值的比值；然后利用显著性分析，直到二者首次显著性不明显为止，此时的缓冲区大小即可确定为生态修复的范围；/n根据生态退化机理分析结果，综合区域生物多样性和生态特征，因地制宜设置生态修复目标；/n三、生态修复分区设计/n以生态学原理为主导，遵循因地制宜、逐级分区的原则，综合区域生态特征，基于生态系统的地域性规律，空间组合特点、人类活动对生态环境的干扰程度等开展生态修复三级分区；/n四、生态修复定位/n在不同类型地区和不同海拔高度地区采取以多类型、多梯度、多层次的生态修复模式，打造布局合理、功能优化、矿地和谐生态修复区，实现矿区可持续利用的目标；/n五、基于生物多样性的生态修复方案设计/n充分考虑区域生物多样性和生态本底特征，从生态系统适应性管理的角度，对生态系统过程、功能和服务进行权衡分析，找出最适宜的空间布局方式，设计基于生物多样性的生态修复方案；/n六、生态修复工程实施/n基于因地制宜、生物多样、景观协调、经济合理和综合统筹的原则，从微地形改造、土壤重构、植被建植、水土保护和养护管理方面，实施生态修复工程，恢复当地及区域生物多样性，提高生态功能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于生物多样性的露天矿山生态修复方法,其特征在于包括如下步骤：
一、生态退化机理分析
识别区域生态退化的主导驱动因子；从土壤、植物群落和生态系统层面分析土壤-植被-生态系统之间的动态响应规律；
（1）生态系统时空演变规律
收集区域长时间序列的遥感数据，以及矿区长时间序列历史资料数据，分析矿区面积及其变化率、植被NDVI变化特征，并分析区域生态变化的自然驱动因子和人为驱动因子的贡献率，找出导致区域生态退化的主要因子；
（2）环境因子变化特征
收集研究区气象水文观测资料，采用样方法和样线法开展植被和土壤调查，分析矿山开发前后土壤和植被变化特征；
（3）区域生态退化机理分析
对比区域生态本底，判定生态系统退化程度和趋势，划定生态退化等级；分析土壤特征、植物物种组成和多样性指数，研究矿山开发前后植物群落优势种、建群种和先锋种，分析植被演替规律，并研究植被群落与土壤之间的关系；
二、生态修复范围和目标设定
以NDVI为数据源，利用ArcGIS的缓冲区功能，设置不同距离的缓冲区，分析不同缓冲区内的矿区NDVI均值与缓冲区面积内NDVI均值的比值；然后利用显著性分析，直到二者首次显著性不明显为止，此时的缓冲区大小即可确定为生态修复的范围；
根据生态退化机理分析结果，综合区域生物多样性和生态特征，因地制宜设置生态修复目标；
三、生态修复分区设计
以生态学原理为主导，遵循因地制宜、逐级分区的原则，综合区域生态特征，基于生态系统的地域性规律，空间组合特点、人类活动对生态环境的干扰程度等开展生态修复三级分区；
四、生态修复定位
在不同类型地区和不同海拔高度地区采取以多类型、多梯度、多层次的生态修复模式，打造布局合理、功能优化、矿地和谐生态修复区，实现矿区可持续利用的目标；
五、基于生物多样性的生态修复方案设计
充分考虑区域生物多样性和生态本底特征，从生态系统适应性管理的角度，对生态系统过程、功能和服务进行权衡分析，找出最适宜的空间布局方式，设计基于生物多样性的生态修复方案；
六、生态修复工程实施
基于因地制宜、生物多样、景观协调、经济合理和综合统筹的原则，从微地形改造、土壤重构、植被建植、水土保护和养护管理方面，实施生态修复工程，恢复当地及区域生物多样性，提高生态功能。


2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，所述矿区长时间序列历史资料数据包括矿山开发时间、开采规模、开采面积、开采强度；植被和土壤调查在样地尺度上进行，一般选取6块样地，包括5块不同退化程度的典型区，同时选择1个无影响区域作为对照样地；植被调查时，依据植被类型不同设置不同的样方；若植被以草地为主，在每个样地设置3个10m×10m的大样方，每个样方内设置3个1m×1m的小样方；若植被以森林为主，则在每个样地设置3个100m×100m的大样方，每个样方内设置3个10m×10m的小样方，调查植物...

【专利技术属性】
技术研发人员：史娜娜，肖能文，韩煜，王琦，罗遵兰，孙光，全占军，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11