矿山土地生态系统恢复力及其测度与调控研究

摘要

不论是矿产资源正在开采区，还是已经复垦或修复的土地，均面临着诸多扰动或冲击。因此，矿山土地可持续利用是矿山土地复垦和生态修复面临的现实挑战。国际恢复生态学界普遍认为恢复力是系统可持续性的关键。然而，矿山土地生态系统恢复力的内涵和特征还鲜有研究，其定量表达和调控方法也还缺乏关注。
　　本文总体研究目的是将恢复力理论引入到矿山土地复垦与生态修复领域，具体研究目标是：明确矿山土地生态系统恢复力的内涵和性质，开发恢复力的测度指标和方法，揭示恢复力的调控机理。为此，首先采用文献研究和案例分析方法来揭示矿山土地生态系统及其扰动的基本特征；然后采用逻辑演绎和微分动力系统建模方法解析矿山土地生态系统恢复力的内涵和性质；接下来利用数学建模方法开发矿山土地生态系统特定恢复力和一般恢复力的量化指标和测度模型；然后对矿山土地生态系统恢复力的调控机理展开分析；最后开展实证研究，对三个不同类型矿山的恢复力进行测度和调控措施分析。
　　论文的结论如下：
　　1）对矿山土地生态系统及其扰动特征的分析表明：矿山土地生态系统具有多样的组分和复杂的结构。矿山土地不仅可以承载采矿活动，一定条件下，还可以提供供给、调节、支持和文化等生态系统服务。人为的采矿活动和修复工程是矿山土地生态系统遭受的主要扰动，除此之外，还有其他自然和人为的扰动，如气候变化和土地再利用等。在诸多扰动的驱动下，矿山土地生态系统状态的变化模式至少有保持原状态、退化到新状态、恢复到新状态和复原到原状态这四种。面对扰动，矿山土地生态系统体现出一定的自我维持能力。
　　2）在概念建模和逻辑推理的基础上，界定了矿山土地生态系统恢复力的内涵，即土地生态系统在其面临采矿扰动或其他变化时，保持其状态的能力。矿山土地生态系统恢复力的主体是土地生态系统，客体是采矿扰动或其他变化。矿山土地生态系统恢复力具有物质性、量性、可塑性三个基本特征。矿山土地系统生态恢复力概念具有独立性，在词性和描述对象上与自修复、恢复能力、恢复、自维持能力等概念有明显区别。
　　3）基于建立的土地生态系统动力学模型（VWS_model），解析和模拟了无扰动、采矿扰动、恢复工程扰动、随机扰动等不同情景下土地生态系统恢复力的形成基础和过程。结果表明，由于系统具有内部反馈和自组织特性，系统平衡解和定性结构具有一定程度的吸引性和稳定性，对状态变量和参数变量的较小扰动不改变系统最终平衡解的性质和状态，系统体现出吸收扰动并保存其状态的恢复力。因此恢复力可以看作是矿山土地生态系统的一种动力学属性。从数学角度来看，系统的吸引域和参数空间的形态和大小是影响恢复力的量的关键因素。在不同情境下，系统平衡解、吸引域和参数空间存在差异，这表明矿山不同扰动对土地生态系统及其恢复力都具有不同影响。
　　4）根据抵抗扰动的不同类型，将矿山土地生态系统恢复力分为特定恢复力和一般恢复力。特定对象、特定扰动、特定参数及其临界值是矿山土地生态系统特定恢复力测度的关键点，而矿山土地生态系统一般恢复力的测度可以从多样性、生态变化性、模块性、紧凑反馈、生态系统服务、交叠管理六个方面来综合评价。基于此，建立了测度恢复力的指标，提出了测算方法。特定恢复力绝对指标（AISR）可以指示在某个扰动强度下系统状态是否能够保存，而特定恢复力相对指标（RISR）和一般恢复力相对指标（RIGR）可以分别指示评价对象的特定恢复力和一般恢复力是否达到参考水平。
　　5）恢复力调控是实现矿山土地可持续利用目标的重要途径。理论分析表明，矿山土地生态系统恢复力调控路径为恢复力强化或恢复力克服。特定恢复力的强化和克服主要通过调控特定参数、调控特定参数与扰动间函数关系，以及调控阈值这三种措施来实现，而一般恢复力的调控可以从优化矿山土地生态系统一般恢复力的基本特征来着手。恢复力调控的实施应采取适应性行动策略，适应性行动具体包括恢复力监测、评估和调控三个关键环节。为了更好地实现这三个关键环节，需要扩大参与、鼓励学习、深入研究、积极创新四个方面的优化措施。
　　6）本文将矿山土地生态系统恢复力理论应用于补连沟井工矿山、Curragh露天矿山和孟家沟采煤迹地三个案例矿山。提出恢复力应用的程序包括问题识别、恢复力内涵具体化、恢复力测度与调控等。应用结果表明，不同矿山可能具有不同的土地生态问题，应用恢复力理论可以帮助管理者厘清系统状态持续保存的关键所在。通过恢复力评估及调控策略，可以了解矿山土地生态系统或其特定部分在面临扰动时保持状态的条件和影响因素，有利于矿山土地生态系统的可持续管理。
　　为实现矿山土地生态系统可持续性目标，有必要在矿山土地生态系统恢复与保护领域中树立恢复力思维。认识恢复力，有利于了解矿山土地生态系统应对扰动时持续保存其状态的机制，从而为矿山土地复垦与生态修复提供理论基础和实践依据。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 引言

1.1 研究背景和意义（Backgrounds and Significances）

1.2 研究目标与内容（Objectives and Contents）

1.3 技术路线与方法（Technical Route and Methods）

2 文献综述

2.1 矿山土地生态研究进展（Research Progress of Land Ecology in Mining area）

2.2 恢复力理论研究进展（Research Progress of Resilience Theory）

2.3 受扰系统恢复力研究进展（Research Progress of Resilience in Disturbed System）

2.4 本章小结（Chapter Summary）

3 矿山土地生态系统及其扰动特征分析

3.1 矿山土地生态系统的构成分析（Analysis on the Configuration of Land Ecosystem in Mining Area）

3.2 矿山土地生态系统的扰动分析（Analysis on the Disturbance on Land Ecosystem in Mining Area）

3.3 矿山土地生态系统的动态分析（Analysis on the Dynamic of Land Ecosystem in Mining Area）

3.4 本章小结（Chapter Summary）

4 矿山土地生态系统恢复力内涵界定及性质解析

4.1 矿山土地生态系统恢复力的内涵界定（ Definition of the Connotation of Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

4.2 矿山土地生态系统恢复力的形成机理（ Formation of Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

4.3 矿山土地生态系统恢复力的基本特征（Basic Characteristics of Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

4.4 本章小结（Chapter Summary）

5 矿山土地生态系统恢复力的测度模型的建立

5.1 矿山土地生态系统恢复力的测度框架（ Framework for Measuring Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

5.2 矿山土地生态系统特定恢复力的测度（ Measurement of Specified Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

5.3 矿山土地生态系统一般恢复力的测度（ Measurement of General Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

5.4 本章小结（Chapter Summary）

6 矿山土地生态系统恢复力调控的机理分析

6.1 矿山土地生态系统恢复力调控的内涵（ Connotation of Regulating the Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

6.2 矿山土地生态系统恢复力调控的原理（ Principle for Regulating the Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

6.3 矿山土地生态系统恢复力调控的实施（ Implementation of Regulating the Resilience of Land Ecosystem in Mining Area）

6.4 本章小结（Chapter Summary）

7 矿山土地生态系统恢复力理论的应用研究

7.1 应用一：补连沟井工矿山恢复力研究（Application Case 1:Resilience Study in Buliangou Underground Mine）

7.2 应用二：Curragh露天矿山恢复力研究（Application Case 2:Resilience Study in Curragh Surface Mine）

7.3 应用三：孟家沟采煤迹地恢复力研究（Application Case 3:Resilience Study in Mengjiagou Post-coal Mining Land）

7.4 本章小结（Chapter Summary）

8 结论与展望

8.1 结论（Conclusions）

8.2 创新点（Innovations）

8.3 不足与展望（Limitations and Prospects）

参考文献

作者简历

学位论文数据集