干旱地区露天煤矿周围土壤多功能性的距离和风向依赖性模式

《Journal of Environmental Management》：Distance and wind direction dependent patterns of soil multifunctionality around an open-pit coal mine in an arid region

　　

张青|刘子怡|杨傲|韩志莉|张静|杨志勇|张军|臧永新|胡桂林|李琪琪|周晓兵|乔云娜|张媛明|尹本峰

中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室，中国新疆乌鲁木齐830011

摘要

露天煤矿开采会显著改变脆弱的干旱生态系统的植被和土壤过程，但其对土壤多功能性（SMF）和空间变异的影响仍不甚清楚。本研究调查了位于中国新疆准噶尔盆地东缘的一个露天煤矿。我们沿着矿坑周围的方向和距离梯度测量了土壤碳储存、养分供应和养分循环指标，以评估SMF的空间异质性，并确定与其变化相关的主要生物和非生物因素。结果表明，采矿干扰导致采矿区周围SMF及其组成功能出现显著的方向性差异，且沿距离梯度的变化呈非线性模式。随着距离矿坑的增加，养分供应在几个方向上呈现单峰模式，而养分循环则表现出相反的趋势；这些功能变化的潜在阈值大多出现在距离矿坑约0.6–1.5公里范围内。从不同风向的角度来看，SMF在顺风方向上沿距离梯度呈现单峰模式，但在逆风方向上逐渐增加。进一步分析表明，顺风方向的SMF与土壤重金属污染更为密切相关，而逆风方向的SMF主要与背景生态系统条件（如土壤性质和植物群落特征）有关。这些发现强调了在评估露天煤矿开采的生态影响时需要同时考虑距离梯度和主导风向，并为干旱矿区的土壤功能评估和生态恢复提供了参考。

引言

干旱和半干旱地区覆盖了地球陆地面积的约45%。这些地区支撑着全球38%的人口，并包含世界29.5%的生态系统碳储量（Reynolds等人，2007年）。这些生态系统的稳定性直接关系到全球生态和粮食安全以及气候治理的有效性（Li等人，2021年）。在中国北方，这些地区正日益受到气候变化和人类活动共同作用导致的生态退化（Cheng等人，2018年）。其中，大规模露天煤矿开采已成为主要的干扰源，大约90%的此类作业集中在北部地区。

在极端干旱的环境中，由于水文过程受限，采矿影响主要通过大气沉降和人为活动传递到周围地区。采矿过程中产生的粉尘可以被风携带并沉积在附近区域（Csavina等人，2012年）。同时，密集的交通网络、频繁的重型车辆移动以及采矿场周围的工业活动不断通过机械破坏和污染物排放干扰相邻生态系统（Mukhopadhyay等人，2016年；Pandey等人，2022年）。这些过程促进了污染物的输入和空间再分布，特别是重金属，导致区域尺度的空间分布梯度及潜在的累积效应（?ibret等人，2018年；Du等人，2022年；Wu等人，2024年）。鉴于极端干旱地区生态系统的低恢复力，这种外部干扰往往是持续且累积的。因此，评估露天煤矿开采对周围生态环境的影响时必须考虑距离梯度和主导风向。

土壤质量对于评估生态系统功能和支持诸如养分循环、水文动态和植被初级生产力等关键过程至关重要（Creamer等人，2022年）。土壤中的碳（C）、氮（N）和磷（P）含量以及相关的酶活性代表了养分储存和转化过程。这些因素是土壤质量和功能性的关键指标（Dou等人，2024年）。在采矿场周围地区，土壤养分循环主要受到间接干扰的影响。通过采矿相关粉尘沉积引入的重金属可以改变土壤化学性质，包括pH值和离子平衡，并干扰酶的稳定性和酶-底物相互作用，从而破坏生物地球化学过程（Feng等人，2019年；Liu等人，2022年）。此外，来自交通和工业活动的污染物输入可能进一步改变土壤微生物群落结构，降低它们分解有机物和将养分转化为生物可利用形式的能力（Ma等人，2019年；Zhou等人，2025年）。车辆交通造成的土壤压实等物理干扰也会降低孔隙度和通气性，限制微生物活动和养分矿化（de Quadros等人，2016年；Hamza和Anderson，2005年）。此外，采矿区周围的植被退化减少了有机物的输入，导致土壤碳储量下降，削弱了土壤对重金属压力的缓冲能力。这可能进一步破坏C、N和P的耦合循环（Ding等人，2024年；Hernandez等人，2024年；Santana-Martinez等人，2024年）。因此，多种干扰共同驱动了极端干旱地区SMF的空间变异性和累积变化。

仅考虑单个养分功能无法捕捉不同养分水平之间的相互作用和相互依赖性。这阻碍了对同时驱动多种土壤功能的采矿活动的全面评估。SMF反映了土壤同时提供多种生态系统功能的能力，整合了养分元素之间的协同和互补关系（Creamer等人，2022年）。与单一土壤功能相比，SMF对环境变化更敏感，能更好地捕捉土壤对环境干扰的功能响应（Hu等人，2021年；Zhang等人，2024a）。在各种生态系统中，生物和非生物因素共同调节SMF动态。研究表明，气候变化因素（如温度和降水）以及土地利用变化会影响土壤C、N和P的循环，最终影响SMF（Zhang等人，2024b）。此外，土壤元素循环中的不同养分转化过程对环境干扰的反应各不相同，导致SMF变化的关键驱动因素发生变化（Durán等人，2018年；Li等人，2025年）。因此，SMF为理解土壤功能变化及其驱动机制提供了有效框架。然而，关于露天煤矿周围生态系统中SMF的评估仍然很少。

新疆准噶尔盆地东缘的煤田位于西北干旱和半干旱地区的核心地带。该地区地势平坦，煤炭储量丰富，且含有多个厚而埋藏浅的煤层，非常适合进行露天采矿作业（Kang等人，2020年）。由于社会发展推动的煤炭需求不断增加以及近年来国家资源战略向西转移，新疆逐渐成为替代供应和矿产资源战略储备的关键区域（Zhai等人，2021年）。然而，这些地区的生态系统脆弱且敏感，恢复力低，在长期干扰下容易受到不可逆的生态破坏（Li等人，2021年；Pravalie，2016年）。尽管如此，露天煤矿开采对干旱地区SMF的影响以及驱动这些变化的关键因素仍不清楚。为了解决这些科学问题，我们提出以下假设：（1）由于对周围植被和土壤环境条件的负面影响，露天煤矿开采降低了土壤单一功能和SMF。 （2）采矿对SMF的抑制作用随着距离矿坑的增加而减弱，并受到主导风向的调节。逆风和顺风区域的SMF变化关键驱动因素不同。为了验证这些假设，本研究重点关注位于新疆准噶尔盆地东缘的一个露天煤矿。我们在矿坑周围多个方向进行了梯度采样，以研究露天采矿对周围土壤多功能性的影响。目的是阐明采矿引起的环境变化与土壤功能环境之间的关系和反馈机制，为保护采矿区的生物多样性和生态系统提供科学支持。

章节片段

研究区域

研究区域位于新疆准噶尔盆地东部的准东煤田。该露天煤矿建于2018年。除了煤炭开采外，还涉及腐殖酸产品的开发、物流和仓储服务以及进出口贸易，年生产能力超过4000万吨。该地区位于欧亚大陆内陆，年平均降水量约为100毫米

露天煤矿周围土壤有机碳、养分含量及相关酶活性的空间变化

在矿坑周围的不同方向上观察到土壤养分和酶活性的显著差异。相对于参考站点，几个方向的SOC含量、BG活性和AKP活性较低，而NH₄⁺-N含量相对较高。TN含量和NAG及LAP活性在西方方向上较高（图2）。沿距离梯度，SOC在东方方向上呈增加趋势，但在

露天煤矿周围土壤功能的空间异质性

在露天煤矿周围区域，土壤碳储存、养分循环和SMF表现出明显的方向性异质性，西北和东南方向的值相对较低。与参考站点相比，采矿区周围大多数方向的土壤碳储存、养分循环和SMF普遍较低。这种空间模式可能与道路建设和工厂开发引起的植被退化和土壤干扰有关

结论

本研究显示，露天煤矿周围的SMF并不遵循简单的距离衰减模式，而是受到距离和方向的共同影响。与煤炭开采及其配套设施（如工业活动和道路建设）相关的干扰导致了显著的方向性差异，SMF在西方、北方和东北方向的值高于西北、东南和西南方向。不同的功能组分

CRediT作者贡献声明

张青：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。刘子怡：撰写——审阅与编辑、验证。杨傲：可视化、调查。韩志莉：调查、正式分析。张静：资源、项目管理。杨志勇：监督、资源。张军：调查。臧永新：撰写——审阅与编辑、资源、调查、数据管理。胡桂林：监督、资源。李琪琪：监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了新疆维吾尔自治区科学技术重大计划（2023A01002）的支持。