矿业废弃地再利用空间结构优化的技术体系与方法

为了合理确定矿业废弃地再利用的用途、数量比例和空间布局,释放其再利用潜力,保障矿产资源型城市未来发展所需各项用地,构建了矿业废弃地再利用空间结构优化的技术体系,即先进行复垦适宜性评价,而后进行数量结构优化,最后进行空间结构优化。提出了数量结构优化和空间结构优化的思路和方法,数量结构优化应将再利用为各种地类的矿业废弃地的面积与区域内原有的相同地类的面积进行整合,综合考虑土地利用的生态、经济、社会效益,同时将土地复垦适宜性评价的结果作为主要约束条件;将数量结构优化的结果作为空间结构优化的约束条件,将矿业废弃地视为一种独立的地类参与整个区域的土地利用空间结构优化,通过区域土地利用空间结构优化的结果来确定矿业废弃地再利用的最优空间布局,同时结合土地复垦适宜性评价的结果对其进行检验和修正。采用比较分析法,选择基于GIS的模糊综合评价法作为土地复垦适宜性评价的方法;数量结构优化采用基于生态位的线性规划模型,空间结构优化采用CLUES模型。最后,以北京市门头沟区为例进行了实证研究。结果表明,该技术体系、方法和模型有效地实现了矿业废弃地再利用数量结构和空间结构的协同优化。该研究可为矿产资源型城市矿业废弃地再利用的实践提供理论借鉴。     

基于用地竞争的矿业废弃地再利用用地类型判定

合理确定矿业废弃地再利用用地类型,对满足矿业资源经济转型用地需求、优化矿区土地利用结构具有重要意义。该文以泽州县长河流域为研究区域,从适宜性和驱动力2个层面构建了矿业废弃地再利用用地竞争力评价指标体系,进而构建了基于该指标体系的矿业废弃地再利用用地竞争评价模型,并基于研究区行政界线图及矿业废弃地分布图,以矿业废弃地图斑为评价单元,量化评价指标,评价矿业废弃地再利用用地竞争力。采用三角模型,根据用地竞争力组合,对矿业废弃地再利用用地类型进行理论判定。研究结果表明:研究区中占总量50%的矿业废弃地可再利用为建设用地,主要分布在经济基础较好的乡镇周边及省道两侧;40%的矿业废弃地可再利用为农用地,主要分布于村庄周围;10%的矿业废弃地可再利用为生态用地,主要位于山区及水域附近。该研究结果可为优化矿区土地利用结构及矿业废弃地整治规划提供决策依据。     

基于DSR模型的煤矿废弃工业广场再开发时序评价体系

为提高煤矿废弃工业广场再开发效率,从"城市双修"视角出发,基于驱动力-状态-响应(driving force-state-response,DSR)模型框架,建立由3个一级指标、7个二级指标、16个三级指标组成的煤矿废弃工业广场再开发时序评价体系。以北京京西煤矿为例,采用赋值法进行指标量化分级,利用四象限法对驱动力D、状态S和响应R结果进行耦合处理。结果表明:长沟峪(D=3.818,S=3.848)、大台(D=3.732,S=4.603)和木城涧(D=2.646,S=4.522)划属近期开发;王平(D=4.240,S=3.187)、千军台(D=2.248,S=3.887)和大安山(D=1.792,S=4.39)划属中期开发;安家滩(D=2.118,S=1.464)和花坡根(D=2.798,S=1.907)划属远期开发。该时序评价体系将煤矿废弃工业广场再开发与城市发展紧密结合,以更全面的视角进行时序评价,准确性更高、适宜性更强,为同类型废弃工业广场再开发时序评价提供借鉴参考。     

废弃生物质材料的高附加值再利用途径综述

现代工业的发展在促进人类社会物质文明繁荣的同时,导致了大量生物质资源的浪费。随着环境、能源等问题日益突出,废弃生物质资源的再利用研究越来越受到关注。该文在介绍废弃生物质材料丰富来源与传统处理方法的基础上,根据近几年的研究现状及发展趋势,就其循环利用途径进行了详细综述。废弃生物质材料主要来源于农业生产废弃物、农副产品与食品加工废弃物、林业与城市绿化废弃物及生活垃圾。废弃生物质材料的处理已经从传统方法(包括燃烧法、饲料化、肥料化与基质化处理),逐步走向能源化、生态化、材料改性,以及制备基于生物炼制技术的新型生物基功能与智能材料产品。总之,以废弃生物质材料为主要原料,开发新型基质与功能材料是发展趋势。     

基于RS和GIS技术的露天矿区土地利用变化分析

以安太堡大型露天煤矿为研究对象,以研究区4期Landsat TM卫星影像为数据源,将露天矿区土地利用类型按照剥离区、采挖区、复垦区和原地貌进行分类,采用监督分类与人机交互解译相结合的方法,获得研究区4个时期土地利用类型图,将不同时期土地利用类型图叠加,分析了露天矿区土地利用变化过程。结果表明,研究区原地貌15a间平均每年减少1km2左右,并由于近年来煤炭产量的逐步增加原地貌面积有加速减少的趋势,采挖区的面积基本保持在7km2左右,剥离区与复垦区面积有不断增长的趋势,但复垦区增长速度较剥离区增长速度快,预计在2015年复垦面积与剥离面积基本保持平衡;按照目前的采煤速度,研究区一期工程的原地貌到2008年将全部消失。运用RS和GIS技术对大型露天矿区土地利用变化分析,可快速准确地掌握露天矿区土地利用的时空结构、不同时期不同土地类型的转移情况及其发展趋势,为大型露天矿区土地复垦与生态重建规划提供决策支持。     

硼促进缺铁条件下拟南芥根系细胞壁铁的再利用

【目的】为了探讨在缺铁条件下外源施加硼对植株表型以及体内铁含量的影响,揭示拟南芥在缺铁状态下体内铁的再分配机理,为缓解植株缺铁症状提供一个新的策略。【方法】以模式作物拟南芥(野生型)为供试材料进行了水培试验。供试营养液以正常铁浓度为加铁(+Fe)处理,不含铁营养液为缺铁(-Fe)处理,在两种铁营养液中分别加入H_3BO_3 100、1000μmol/L,共形成6个处理。拟南芥幼苗在全营养液中培养3周后,在处理溶液中培养7 d,收集根系和地上部,分别测定植株全铁、有效铁以及细胞壁吸附的铁含量;剪下根尖部位检测内源NO含量,提取根系RNA检测铁运输相关基因的表达量。【结果】在缺铁条件下,外源添加硼(1000μmol/L H_3BO_3)后植株根系和地上部有效铁含量分别是不加硼时的1.56倍和2.65倍,拟南芥新叶缺铁黄化的症状受到显著缓解。细胞壁组分含量分析结果表明,与不加硼相比,添加1000μmol/L H_3BO_3后植株根系细胞壁铁含量、半纤维铁含量以及半纤维素含量分别降低了60%、52%和53%,同时与100μmol/L H_3BO_3相比也分别降低了41%、41%和43%,说明随着外源添加硼浓度的增加,细胞壁以及细胞壁铁的解析作用也愈加明显。通过对植株不同部位总铁含量以及铁运输相关基因表达量分析后发现,只有在添加1000μmol/L H_3BO_3时缺铁胁迫下铁运输相关的3个基因才能受到显著诱导,具体表现为:与不加硼相比,1000μmol/L H_3BO_3处理后AtFRD3、AtYSL2和AtNAS1 3个基因的表达量分别上调了1.44、1.15和0.75倍,并且伴随着植株体内总铁含量的升高;而100μmol/L H_3BO_3浓度处理对铁相关基因的表达以及总铁含量的积累影响不大。最后,通过对根系内源NO含量的检测分析显示,硼可以影响内源NO的代谢,且外源施加硼后根系NO含量是不施加硼时的1.5倍,暗示信号分子NO可能参与这一过程。【结论】硼主要是通过改变细胞壁中的半纤维素含量和半纤维素上结合的铁含量来增加拟南芥根系细胞壁铁的释放,进而提高植株体内有效铁的含量,促进植株在缺铁的条件下正常生长。在缺铁的条件下,外源添加硼(1000μmol/L H_3BO_3)可以通过促进拟南芥植株体内铁的再利用机制来缓解植物缺铁症状,而添加100μmol/L H_3BO_3则对植株体内铁的再分配过程影响不大。     

农田旧膜再利用方式对胡麻生理指标及产量的影响

为探讨全膜覆盖农田旧膜再利用的有效方式,寻求有利于胡麻高产、稳产的栽培途径,采用田间试验方法,以当年全膜覆盖作物收获后收除旧膜、翌年整地播种(无覆膜)(T6)为对照,比较了旧膜留至翌年免耕播种(T1)、在旧膜上覆土免耕播种(T2)、播种前收除旧膜并覆盖新膜免耕播种(T4)以及当年作物收获后在旧膜上覆盖玉米秸秆、翌年除去秸秆免耕播种(T3)和当年收除旧膜并整地覆盖新膜、翌年播种(T5)等5种农田旧膜再利用方式对胡麻叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)、可溶性蛋白、脯氨酸(Pro)含量以及胡麻产量及其构成因子的影响。结果表明:全膜覆盖作物收获后旧膜继续留至翌年,仍具有一定的地膜覆盖所具有的提高温度、保护土壤墒情、增强土壤养分供应能力等作用,有利于胡麻叶片SOD活性、可溶性蛋白含量的增加,协调控制叶片MDA和Pro含量,提高单株朔果数和千粒重,获得较高的单位面积产量。其中:农田旧膜留至翌年免耕直播(T1)、在旧膜上覆土免耕播种(T2)和播种前收除旧膜并覆盖新膜免耕播种(T4)3种农田旧膜再利用方式分别比对照增产10.05%、17.52%和40.67%,当年在旧膜上覆盖作物秸秆、翌年除去秸秆免耕播种(T3)和当年收除旧膜并整地覆盖新膜、翌年播种(T5)2种农田旧膜再利用方式分别比对照增产29.79%和22.16%。农田旧膜覆盖至翌年清除,而后覆盖新膜免耕直播是我国地膜覆盖种植区域农田旧膜再利用的最优方式和实现胡麻高产的最佳选择。     

旧膜再利用方式对旱地胡麻干物质生产及水分利用效率的影响

为寻求地膜覆盖后旧膜再次利用的有效方式,探讨旧膜再利用后旱地胡麻的增产机理,在大田环境下,比较了旧膜直播(T1)、旧膜覆土直播(T2)、旧膜秸秆双重覆盖播种(T3)、春天揭旧膜覆新膜播种(T4)、秋后整地覆新膜春天播种(T5)及露地播种(T6,CK)6种处理方式对旱地胡麻生育进程中土壤水分、叶面积、干物质积累与分配、籽粒产量及水分利用效率的影响。结果表明:全地膜覆盖作物收获后旧膜继续留至翌年,仍具有一定的保墒和增温效应,光合面积和光合同化产物的积累量增加。不同旧膜再利用方式的保墒效果主要表现在胡麻现蕾期前,保证了胡麻全苗、壮苗,叶面积对旧膜再利用方式的响应基本与之一致,各处理均高于CK,且以T4处理均在枞形期及现蕾期效果最优,而开花期以T5处理居高。干物质积累量在生育前期T4处理较高,而生育后期T5处理居高。T4和T5处理成熟期干物质积累量、籽粒干物质分配量和分配比例及花后干物质同化量对籽粒的贡献率均高于CK,降低了干物质在主茎+分枝+果壳中的分配比例,T1、T2、T3介于T4和T5之间。籽粒产量各处理均显著高于CK,T4最高,达1 509.52 kg.hm 2,其余依次为T5、T1、T2、T3和T6,分别为1 370.77 kg.hm 2、1 171.84 kg.hm 2、1 158.47 kg.hm 2、1 011.36 kg.hm 2和620.52 kg.hm 2;水分利用效率与产量变化趋势基本一致,相应各处理分别比CK增加153.63%(T4)、129.82%(T5)、97.49%(T1)、85.71%(T2)和64.41%(T3)。说明春天揭旧膜覆新膜播种方式是兼顾保水高产的最优胡麻耕作方式,适宜在旱作农业区推广应用。     

基于Relief F和PSO混合特征选择的面向对象土地利用分类

针对面向对象土地利用分类存在特征维数过高的问题,提出了一种结合Relief F和粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)的混合特征选择方法,即首先利用Relief F作为特征预选器滤除相关性小的特征,然后以PSO作为搜索算法,以支持向量机(support vector machine,SVM)的分类精度作为评估函数在剩余特征中选择出最优特征子集。该文以吉林省长春市部分区域为研究区,采用Landsat8遥感影像为数据源,首先对其进行多尺度分割,然后提取影像对象的光谱、纹理、形状和空间关系特征,利用提出的混合特征选择方法选取最优特征子集,最后使用SVM分类器对研究区进行土地利用分类,总体分类精度和Kappa系数分别为85.88%和0.8036,与基于4种其他特征选择方法的土地利用分类结果进行比较,基于Relief F和PSO的混合特征选择方法利用最少的特征获得最高的分类精度,能够有效地用于面向对象土地利用分类。     

基于Web的煤矿废弃地土地复垦决策支持系统设计与实现

为了克服现有煤矿废弃地土地复垦与植被恢复试验法费时费力的缺陷,根据土壤基质和气候相似性原理,采用模糊综合评价一灰色关联优势分析、基于距离的相似算法、基于规则的推理等多种数学方法,分别从植被恢复潜力评价、适生植物品种选择、土地复垦方案选择3个方面建立了相关数学模型,解决了煤矿废弃地恢复潜力的分级、先锋植物选种和土地复垦方案的确定等问题,从而为煤矿废弃地的植被恢复提供了一系列的决策支持.并使用ASENET 等编程语言结合MS Access数据库设计并开发了基于web的煤矿废弃地植被恢复的决策支持系统,该系统能为煤矿废弃地植被恢复工作提供新的研究模式和手段,并已经在辽宁省阜新矿区得到应用,结果表明系统所采用的方法科学、合理、可行.     

基于减量化目标的农村宅基地整理分区及模式优选

农村宅基地整理是推进低效建设用地减量复垦的有效举措。该文以上海市奉贤区8个建制镇约374个自然村为例,综合运用GIS空间分析技术与层次分析法,融合自上而下宅基地整理潜能的镇域分区和自下而上宅基地整理效能的自然村分类,统筹农村建设用地减量化范围与目标,将奉贤区宅基地整理划分为5类区域3种模式。结果显示:异地迁移和减量储备区可通过复垦还耕推进基本农田集中区建设;调整归并和组团保留区可培育中心村以新增建设用地指标并优化用地布局;腾退并点区可强化新市镇建设以提升镇域用地效益。该研究拟在时序上形成"整理"、"储备"、"保留"渐进式的整理过程,在空间上推进节约集约的减量化实践。     

基于面向对象的GF-1遥感影像采煤沉陷区湿地分类

为掌握采煤沉陷区湿地的类别和分布,促进矿区土地的复垦、规划和管理,该文以兖州煤田为例,探讨了基于GF-1遥感影像的面向对象的采煤沉陷区湿地分类方法。对河流湿地和景观湿地的影像进行基于矢量的棋盘分割,采用标准最邻近法进行分类。水产养殖湿地、植被型湿地、未复垦的常年积水湿地和未复垦的季节积水湿地的影像采用基于矢量的多尺度分割,通过反复试验获取最优分割参数,进而进行综合分析得到局部最优分割参数,由此确定分类层次,选取易于区分各类型湿地的影像特征建立分类规则,采用模糊分类法进行分类。选取141个样本点进行实地验证,结果表明分类精度达到96.95%,Kappa系数为0.958 4。该研究为采煤沉陷区湿地的分类提供了借鉴。     

平朔矿区露天煤矿排土场复垦类型及微地形对土壤养分的影响

研究土地复垦类型及微地形对土壤养分的影响对于指导土地复垦实践,控制复垦土地水土流失等具有重要的理论意义和实际应用价值。以平朔露天煤矿排土场为例,借助数理统计方法分析评价复垦类型与微地形因子(高程、坡度、坡向)对土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷及速效钾含量的影响。结果表明:(1)复垦类型对各项土壤养分含量影响较为显著,不同的复垦类型中,各项土壤养分含量排序均为耕地林地草地;其中,土壤有机碳、全氮、全磷及速效钾含量,耕地分别为草地的2.15~2.68倍,林地的1.48~1.78倍,对于土壤有效磷,耕地中的含量为71.24mg/kg,为草地的11倍,林地的4倍;(2)坡度与土壤养分含量之间存在显著的相关性(p0.05),而高程、坡向与土壤养分含量的相关性较弱,表明排土场复垦区土壤养分受坡度影响较大,而受高程与坡向的影响较小;(3)复垦类型与坡度的交互作用对土壤养分含量产生一定的影响:同一复垦类型的不同坡度的土地养分含量存在差异,耕地的土壤养分含量随着坡度的增大在降低;同一坡度,不同的复垦类型条件下,土壤养分差异显著,总体趋势为耕地林地草地。     

基于网格搜索随机森林算法的工矿复垦区土地利用分类

为提高工矿复垦区遥感影像土地利用分类精度,为土地复垦监测工作提供数据支持,该文探讨了基于网格搜索(Grid-Search)的随机森林(random forest)复垦区土地利用分类方法。研究利用GF-1影像、DEM(digital elevation model)和野外调查等数据,以随机森林分类算法为框架,采用基于OOB(Out-of-Bag)误差的网格搜索法对算法进行参数寻优,结合影像光谱、地形、纹理、空间信息,计算选取了33个特征变量,构建了4种变量组合模型开展随机森林分类试验,4个组合模型的分类精度分别达到82.79%、84.91%、86.75%、88.16%。为去除33个特征变量中的冗余信息、降低影像波段变量维度、缩短分类执行时间并保证影像分类精度,试验分别利用变量重要性估计和Relief F方法进行特征选择后再次执行随机森林分类,将分类结果与不同组合模型、不同分类方法进行比较,结果表明:基于网格搜索参数寻优的随机森林算法在多特征变量的影像分类中可以达到88.16%的分类精度,在利用不同方法降维后依然可以将分类精度保持在85%以上,精度优于相同特征变量下的SVM(support vector machine)和MLC(maximum likelihood classification)分类方法;在效率方面,随机森林分类方法执行时间优于SVM,并且在处理多维特征变量时能力更强。由此可见,采用基于网格搜索的随机森林方法对工矿复垦区土地利用信息进行分类提取可以得到较高的精度,基于该方法开展遥感影像解译可为土地复垦监测工作提供技术支持和理论参考。     

黄土丘陵沟壑区煤矿沉陷耕地复垦

探索开发适宜黄土地貌和气候特点以及黄土丘陵采煤沉陷损伤规律的土地复垦模式,对于实现该区数量质量并重管理的耕地保护目标具有重要的现实意义。该文基于开采设计、沉降观测参数和MSAS软件,预测山西兴县斜沟煤矿一采区沉陷损毁土地面积为16.54 km2,损毁土地类型以耕地和草地为主,其中轻度破坏耕地面积3.70 km2,中度破坏耕地面积2.41 km2,重度破坏耕地面积0.17 km2。结合黄土丘陵沟壑低潜水位区土地损毁特征和区域生态保育和国土整治目标,拟对轻度破坏的1.65 km2耕地采用裂缝充填和土地平整复垦措施,按照集中连片的原则对轻度、中度和重度破坏的4.63 km2耕地采用坡改梯的土地复垦工程措施进行复垦,实现增加耕地面积0.40 km2,每年减少水土流失4.94万t,提高了耕地质量等级。研究认为,结合企业复垦资金和社会资金投入,按照集中连片的原则对采煤沉陷破坏的耕地采取坡改梯复垦是该区域损毁耕地复垦的有效模式。     

工矿废弃地复垦土地跟踪监测方案制定方法与实证研究

由于废弃时间长、成因复杂、不确定性因素多,历史遗留工矿废弃地复垦后的地力提升与质量改善需较长的过程,跟踪监测评价工作至关重要。本文基于3S技术和地统计学,整合复垦前、中、后不同阶段不同部门的多源数据,提出了包含监测点布设、监测指标最小数据集确立、监测手段选择为一体的面向复垦区内的土壤、地表水、地下水和农作物的工矿废弃地复垦跟踪监测方案制定方法,并以西南地区某历史遗留硫磺矿采选废弃地复垦后土地为对象进行实证研究。采用该文提出的方法,该项目复垦土地跟踪监测分别布设了由面状复垦单元生成的复垦土壤、农作物、地下水、地表水监测点53、5、5和1个,以及1类点状地物(集水池)和4类线状地物(生产路、田间路、沟渠和河流)2种监测类;建立了涵盖建设、环境和肥力等3方面内容15个指标的监测最小数据集。采用变异系数和相对偏差、变异函数变程和全局莫兰指数,从监测点数量、空间布局2个方面验证评价监测点布设方案的合理性。布设监测点数(53个)与验证计算得到的样本数(51个)较为接近,符合数量要求;实际取样间距(平均456 m)未超过各监测指标变异函数变程,无需细化监测单元或监测点;监测点空间分布特征介于随机或集聚与随机之间,显著性不明显(0.05水平),监测点空间布局比较理想。基于验证评价结果可知,该文制定的实证区复垦土地跟踪监测方案是合理的,提出的监测方案制定方法是可行的,能够指导工矿废弃地复垦后管护与质量提升工作,为制定工矿废弃地复垦跟踪监测技术标准提供技术支撑与实证依据。     

基于CT分析露天煤矿复垦年限对土壤有效孔隙数量和孔隙度的影响

露天煤矿排土场由于排土过程中大型机械压实等作用会对土壤的孔隙结构产生影响,重构适合于植被生长的土壤孔隙结构是排土场土地复垦的重要工作。为对排土场重构土壤孔隙结构进行定量分析,该文采用高精度无损计算机断层扫描技术（CT）对山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场平台全黄土母质覆盖的不同复垦年限（0、20、23 a）以及原地貌的土壤进行分层扫描成像,并利用Photoshop和Arcgis软件对扫描图像进行处理和统计分析,探讨了排土和复垦对土壤孔隙数量和孔隙度的影响,分析了排土场重构土壤大、中和小孔隙的变化。结果表明：原地貌土壤孔隙数量和孔隙度最大,其次是复垦23和20 a的土壤,排土后未复垦土壤孔隙数量和孔隙度最小。采矿和排土等活动由于大型机械压实作用降低了土壤孔隙数量和孔隙度,尤其是大孔隙数量和大孔隙度;土地复垦对增加土壤孔隙数量和孔隙度有一定的作用,但是过程比较缓慢。采矿和排土等活动对表层土壤孔隙数量和孔隙度的影响要高于底层土壤。该研究可为黄土区大型露天煤矿排土场重构土壤结构的优化与土地复垦措施选择提供依据。