2024-06-05
分析了目前西部煤矿区植物水分利用策略存在的问题，探讨了煤矿区微生物修复对水分利用策略的改善，提出了西部干旱煤矿区生态修复中植物对水分利用策略的研究重点。作者：毕银丽1,2,3，武超1,2，彭苏萍3，田乐煊1，张延旭3单位：1.西安科技大学 地质与环境学院；2.西安科技大学 西部矿山生态环境修复研究院；3.中国矿业大学(北京) 矿山生态修复研究院中国是当前世界上最大的煤炭生产国和消费国，在未来一段时间内中国仍将保持以煤炭为主的能源结构。黄河流域煤炭产量占全国70%以上，然而黄河流域中上游处于干旱半干旱地区，年降雨量少且蒸发量大，年蒸发量是降雨量的6倍以上。由于采矿活动剧烈，矿区及周边土壤逐渐退化，土壤水分流失，导致植被干枯甚至死亡。井工开采导致采空区地面塌陷、地裂缝地质灾害以及地下水位下降等问题。露天排土场堆排过程，由于重型机械的反复碾压，导致土壤压实度增加，改变了土壤水分运移和补给，影响植被生长。由此可见，矿区活动在一定程度上破坏当地原始地形地貌，打破了区域生态系统平衡，加剧了土壤与植被退化，矿区生态环境问题亟待解决。
大规模的现代煤炭开采对地区的生态环境造成严重的影响，开展有效的矿山修复与生态重建工作非常重要。土壤水是限制干旱半干旱煤矿区生态修复的关键因素，它连接大气水、地表水、地下水与植被生长，是水分循环与养分运输的重要载体。土壤水分的高效与合理利用关系到生态修复的成败，植物对土壤水分的利用策略对矿区生态修复具有重要现实意义。
植物水分利用策略在一定程度上代表了植物对土壤水分吸收利用的时空特征，反映了植物在不同气候条件下调节自身水分利用的能力。不同环境下其水资源利用模式不同，取决于植被类型、根系性状与分布、水文变化等因素。因此，研究植物的水分利用策略对于理解植物对干旱的响应机制及植被演变趋势至关重要。确定植物水分利用策略的方法有许多种，如根系分布法、液流测量法以及氢氧稳定同位素方法等，这些方法均可确定植物吸收水分的来源。氢氧稳定同位素技术(δ2H和δ18O)可为生态脆弱的干旱半干旱矿区植物水分利用策略提供一种无损的测定方法。研究表明，大多数陆地植物在根系吸收水分过程中通常不发生同位素分馏。可通过对比潜在水源和植物木质部中氢氧同位素之间的差异，揭示植物水分吸收来源及其水分利用策略。利用氢氧同位素技术能够探究植物吸水来源，并结合多源混合模型可以量化不同潜在水源对植物的贡献比例，现成为研究植物水分利用策略的主流方法。因此，笔者对植物水分利用策略研究方法与进展、微生物修复对水分利用策略响应等进行论述，有助于提高干旱半干旱煤矿区生态修复系统的生态水文管理效率。西部煤矿区生态环境脆弱，叠加高强度开采致使水土流失、土壤退化、根系受损，植物水分利用效率低，生态恢复困难，提高水分利用效率成为西部矿区生态修复或重建的关键。土壤水是限制干旱半干旱煤矿区生态修复的关键因素，它连接大气水、地表水、地下水与植被生长，是水分循环与养分运输的重要载体。土壤水分的高效与合理利用关系到生态修复的成败，因此探究植物根系水分利用策略对于西部煤矿区生态修复具有重要作用。分析了国内外植物水分利用的主要研究方法，比较了不同方法之间的优缺点及相应研究进展。在干旱半干旱煤矿区受损生态环境中，采用植物−微生物联合的微生物修复技术，能提高植物水分利用效率，改善植物水分利用策略。同时，接种微生物降低了植物从浅层土壤吸收水分的比例，有效地增加植物从深层土壤中吸收和利用水分，提升了植物水分利用效率，使接菌植物在干旱半干旱煤矿区表现出更高的生态适应性。分析了目前西部煤矿区植物水分利用的研究进展和存在的问题，探讨了煤矿区微生物修复对水分利用策略的改善，提出了西部干旱煤矿区生态修复中不同植物组合对水分利用策略的影响及其研究重点，为实现矿区绿色可持续、高质量发展奠定了扎实的基础，具有重要的生态应用价值。
图1 露天煤矿排土场植物根系发育对土壤优先流发育及水分利用策略的影响
图2 采煤沉陷裂缝造成植物根系拉伤及含水降低
图3 采动过程对土壤容重的影响
图4 不同植被类型与组合模式对水分利用策略的影响
图5 丛枝菌根真菌扩大根系吸收范围，促进植物水分吸收
图6 在不同月份中接种AM真菌提高沙棘对深层土壤水分的利用
图7 在不同复垦年限下(10、9、8a)接种AM真菌提高紫穗槐对中深层土壤水分的利用
图8 露天煤矿排土场不同植物组合类型及接菌对植物水分利用策略的影响
毕银丽，女，1971年7月生，陕西米脂人，中共党员，教育部长江学者特聘教授，博士生导师，现任西安科技大学地质与环境学院副院长、西部矿山生态环境修复研究院院长。主持国家和省部级项目20余项，获国家奖2项、行业科技奖励11余项。发表学术论文200余篇，其中SCI、EI检索100余篇。授权发明专利32项，获软件著作权7项，出版专著4部。获中国青年科技奖、中国生态文明先进个人、中国青年女科学家奖提名奖、国务院特殊津贴、陕西省先进工作者、教育部新世纪优秀人才、首都科技领军人才、孙越崎能源大奖等荣誉称号。研究方向
地质环境治理与矿区生态修复
主要成果
一直致力于矿区环境治理与生态修复等方面的研究工作，系统揭示了西部干旱半干旱煤矿区微生物修复的作用机理，研制出西部干旱半干旱煤矿区抗旱微生物菌剂与代谢物土壤改良剂，构建了西部干旱半干旱煤矿区废弃地微生物修复关键技术，在我国西部煤矿区土地复垦与生态修复中进行示范应用，建立起11个不同修复模式示范基地，取得了较好的经济、生态和社会效益。
来源：
毕银丽，武超，彭苏萍，等. 西部煤矿区微生物修复促进植物水分高效利用策略[J]. 煤炭学报，2024，49(2)：1003−1010.
责任编辑：宫在芹
