礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力及其測度與調(diào)控研究.docx

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1、礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力及其測度與調(diào)控研究不論是礦產(chǎn)資源正在開采區(qū),還是已經(jīng)復墾或修復的土地,均面臨著諸多擾動或沖擊。因此,礦山土地可持續(xù)利用是礦山土地復墾和生態(tài)修復面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。國際恢復生態(tài)學界普遍認為恢復力是系統(tǒng)可持續(xù)性的關(guān)鍵。然而,礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的內(nèi)涵和特征還鮮有研究,其定量表達和調(diào)控方法也還缺乏關(guān)注。本文總體研究目的是將恢復力理論引入到礦山土地復墾與生態(tài)修復領(lǐng)域,具體研究目標是:明確礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的內(nèi)涵和性質(zhì),開發(fā)恢復力的測度指標和方法,揭示恢復力的調(diào)控機理。為此,首先采用文獻

2、研究和案例分析方法來揭示礦山土地生態(tài)系統(tǒng)及其擾動的基本特征;然后采用邏輯演繹和微分動力系統(tǒng)建模方法解析礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的內(nèi)涵和性質(zhì);接下來利用數(shù)學建模方法開發(fā)礦山土地生態(tài)系統(tǒng)特定恢復力和一般恢復力的量化指標和測度模型;然后對礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的調(diào)控機理展開分析;最后開展實證研究,對三個不同類型礦山的恢復力進行測度和調(diào)控措施分析。論文的結(jié)論如下:1)對礦山土地生態(tài)系統(tǒng)及其擾動特征的分析表明:礦山土地生態(tài)系統(tǒng)具有多樣的組分和復雜的結(jié)構(gòu)。礦山土地不僅可以承載采礦活動,一定條件下,還可以提供供給、調(diào)

3、節(jié)、支持和文化等生態(tài)系統(tǒng)服務。人為的采礦活動和修復工程是礦山土地生態(tài)系統(tǒng)遭受的主要擾動,除此之外,還有其他自然和人為的擾動,如氣候變化和土地再利用等。在諸多擾動的驅(qū)動下,礦山土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的變化模式至少有保持原狀態(tài)、退化到新狀態(tài)、恢復到新狀態(tài)和復原到原狀態(tài)這四種。面對擾動,礦山土地生態(tài)系統(tǒng)體現(xiàn)出一定的自我維持能力。2)在概念建模和邏輯推理的基礎(chǔ)上,界定了礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的內(nèi)涵,即土地生態(tài)系統(tǒng)在其面臨采礦擾動或其他變化時,保持其狀態(tài)的能力。礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的主體是土地生態(tài)系統(tǒng),客體是采礦擾

4、動或其他變化。礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力具有物質(zhì)性、量性、可塑性三個基本特征。礦山土地系統(tǒng)生態(tài)恢復力概念具有獨立性,在詞性和描述對象上與自修復、恢復能力、恢復、自維持能力等概念有明顯區(qū)別。3)基于建立的土地生態(tài)系統(tǒng)動力學模型(VWS_model),解析和模擬了無擾動、采礦擾動、恢復工程擾動、隨機擾動等不同情景下土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的形成基礎(chǔ)和過程。結(jié)果表明,由于系統(tǒng)具有內(nèi)部反饋和自組織特性,系統(tǒng)平衡解和定性結(jié)構(gòu)具有一定程度的吸引性和穩(wěn)定性,對狀態(tài)變量和參數(shù)變量的較小擾動不改變系統(tǒng)最終平衡解的性質(zhì)和狀態(tài),系統(tǒng)

5、體現(xiàn)出吸收擾動并保存其狀態(tài)的恢復力。因此恢復力可以看作是礦山土地生態(tài)系統(tǒng)的一種動力學屬性。從數(shù)學角度來看,系統(tǒng)的吸引域和參數(shù)空間的形態(tài)和大小是影響恢復力的量的關(guān)鍵因素。在不同情境下,系統(tǒng)平衡解、吸引域和參數(shù)空間存在差異,這表明礦山不同擾動對土地生態(tài)系統(tǒng)及其恢復力都具有不同影響。4)根據(jù)抵抗擾動的不同類型,將礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力分為特定恢復力和一般恢復力。特定對象、特定擾動、特定參數(shù)及其臨界值是礦山土地生態(tài)系統(tǒng)特定恢復力測度的關(guān)鍵點,而礦山土地生態(tài)系統(tǒng)一般恢復力的測度可以從多樣性、生態(tài)變化性、模塊性、

6、緊湊反饋、生態(tài)系統(tǒng)服務、交疊管理六個方面來綜合評價?；诖?建立了測度恢復力的指標,提出了測算方法。特定恢復力絕對指標(AISR)可以指示在某個擾動強度下系統(tǒng)狀態(tài)是否能夠保存,而特定恢復力相對指標(RISR)和一般恢復力相對指標(RIGR)可以分別指示評價對象的特定恢復力和一般恢復力是否達到參考水平。5)恢復力調(diào)控是實現(xiàn)礦山土地可持續(xù)利用目標的重要途徑。理論分析表明,礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力調(diào)控路徑為恢復力強化或恢復力克服。特定恢復力的強化和克服主要通過調(diào)控特定參數(shù)、調(diào)控特定參數(shù)與擾動間函數(shù)關(guān)系,以及調(diào)

7、控閾值這三種措施來實現(xiàn),而一般恢復力的調(diào)控可以從優(yōu)化礦山土地生態(tài)系統(tǒng)一般恢復力的基本特征來著手?；謴土φ{(diào)控的實施應采取適應性行動策略,適應性行動具體包括恢復力監(jiān)測、評估和調(diào)控三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了更好地實現(xiàn)這三個關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要擴大參與、鼓勵學習、深入研究、積極創(chuàng)新四個方面的優(yōu)化措施。6)本文將礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復力理論應用于補連溝井工礦山、Curragh露天礦山和孟家溝采煤跡地三個案例礦山。提出恢復力應用的程序包括問題識別、恢復力內(nèi)涵具體化、恢復力測度與調(diào)控等。應用結(jié)果表明,不同礦山可能具有不同的土地生態(tài)

8、問題,應用恢復力理論可以幫助管理者厘清系統(tǒng)狀態(tài)持續(xù)保存的關(guān)鍵所在。通過恢復力評估及調(diào)控策略,可以了解礦山土地生態(tài)系統(tǒng)或其特定部分在面臨擾動時保持狀態(tài)的條件和影響因素,有利于礦山土地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理。為實現(xiàn)礦山土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性目標,有必要在礦山土地生態(tài)系統(tǒng)恢復與保護領(lǐng)域中樹立恢復力思維。認識恢復力,有利于了解礦山土地生態(tài)系統(tǒng)應對擾動時持續(xù)保存其狀態(tài)的機制,從而為礦山土地復墾與生態(tài)修復提供理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。