露天煤矿排土场植被恢复的时空动态及关键气候驱动机制研究

为解决露天煤矿排土场植被生态系统脆弱性及恢复效果评估难题，研究人员基于临界减速（CSD）理论，结合Landsat遥感数据（2008-2024），提出自适应窗口分解方法MultiRes，量化植被恢复力（AC(1)）。研究发现植被恢复力呈现“增强-衰退-再增强”三阶段动态，88%区域恢复力显著提升，且关键气候驱动因子（降水、温度、净太阳辐射）贡献具有空间一致性。该研究为矿区生态恢复的阶段性管理及气候适应性策略提供了科学依据。

　　

露天煤矿开采后的生态修复是全球环境治理的重要课题，但排土场植被生态系统常因基质不稳定、养分匮乏而难以持续恢复。传统研究多依赖归一化植被指数（NDVI）评估植被覆盖变化，却难以捕捉植被自我修复与适应环境扰动的内在能力。如何量化植被恢复力（Resilience）并解析其气候驱动机制，成为优化矿区生态管理的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国矿业大学（北京）的研究团队以内蒙古平庄西露天煤矿排土场为研究对象，创新性地将临界减速理论（Critical Slowing Down, CSD）与遥感技术结合，开发了像素级自适应窗口分解方法MultiRes，首次揭示了植被恢复力的三阶段演化规律及气候驱动机制。相关成果发表于《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》。

研究团队运用四项核心技术：1）基于Google Earth Engine平台的Auto-NDVI_cb
算法自动生成季节最大NDVI数据集；2）多窗口查找器（MWF）确定最优STL分解窗口；3）利用一阶自相关系数AC(1)量化植被恢复力；4）采用LMG模型解析降水（TotalPrecip）、温度（meanTemp）和净太阳辐射（meanSolar）的贡献度。数据涵盖2008-2024年Landsat影像及ERA5-Land气象数据，并通过野外气象站实测校准。

时空动态与阶段性特征
通过AC(1)时序分析发现，植被恢复力呈现显著的三阶段特征：初期人工干预下快速增强（Taipingdi恢复面积达98.65%）、中期因资源竞争进入“瓶颈期”（Taipingdi 97.17%区域衰退）、后期通过生态系统自我调节实现再增强（第三阶段Taipingdi 99.26%区域改善）。与传统NDVI相比，AC(1)更敏感地捕捉到恢复力的非线性变化，证实植被绿度与恢复力并非同步增长。

恢复效果量化评估
全周期评估显示，88%以上区域恢复力显著提升，其中Taipingdi改善面积比例高达99.85%。土壤物理性质（如疏松度）是关键影响因素，而道路碾压区及煤矸石残留区恢复力持续偏低。阶段性分析表明，第一阶段各排土场改善面积均超95%，但第二阶段Taipingdi和Shanhou衰退面积分别达97.17%和99.38%，凸显中期管理的必要性。

气候驱动机制
研究发现气候驱动贡献具有空间特异性但时间稳定性：Taipingdi以降水主导（贡献中位数78.01%），Shanhou受降水和净太阳辐射共同影响（分别占29.42%和26.34%），Sanjia则主要由净太阳辐射驱动（60.88%）。三元图分析显示，单一气候主导区面积普遍大于双因子协同区，且第一、三阶段驱动模式相似，而衰退期（第二阶段）呈现显著异质性。

讨论与意义
该研究首次在矿区生态系统中验证了CSD理论对恢复力阶段划分的有效性，揭示了“外部干预-系统失衡-自我调节”的恢复路径。相较于NDVI，AC(1)指标能更早识别恢复瓶颈期，为实施针对性措施（如Taipingdi补充灌溉、Shanhou混交林种植）提供时间窗口。气候驱动机制的稳定性表明，植被类型和土壤特性是决定气候敏感性的底层因素，这为差异化恢复策略设计提供了理论支撑。

研究也存在一定局限：AC(1)作为早期预警信号需结合实地验证，且跨气候带比较不足。未来可通过构建恢复力-临界状态关联模型，并扩大比较研究范围（如不同气候区煤矿），进一步提升成果的普适性。该研究不仅推动了矿区生态恢复的精准评估，也为全球土地退化修复的适应性管理提供了方法论借鉴。