山西省潞安礦區生態恢復模式研究

王世東，郝成元，郭增長，劉昌華，樊良新

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作454000)

潞安礦區位于山西省沁水煤田東部邊緣的中段，是我國重要的煤炭工業生產基地。多年來，隨著煤炭被大量開采，在采空區上方形成了大面積塌陷地，地表塌陷坑周邊出現明顯或較大的裂縫，破壞了地形地貌、地面景觀和地表植被;煤矸石、粉煤灰壓占土地、污染環境，造成水土流失;礦區廢水排放污染地表水和采煤致使地下水的疏干，從而導致礦區出現一系列的生態環境問題，包括生態結構退化和功能退化、生態系統碎裂化、礦區和周邊地區環境嚴重污染、礦區污染源擴散、礦區和周邊地區水過程和生物棲息生境的破壞以及各種自然地質災害的誘發等[1]。對于煤炭生產中出現的環境問題，潞安集團一直比較重視，但其重點主要放在礦區破壞和污染防治上，而對礦區原來已經出現的生態環境問題，沒有引起足夠重視，使原先已經很脆弱的礦區生態環境進一步惡化。所以急需采取有效措施和建立適合潞安礦區的生態恢復模式來改善礦區生態環境，促進礦區可持續發展。

本研究以自然、社會、經濟復合生態系統理論為指導，結合潞安礦區煤炭資源開發與利用現狀，深刻辨識所面臨的生態問題及其產生機制，探討了礦區生態系統演變規律及其發展變化趨勢，本著“整體、協同、循環、再生”的生態學基本原則，集成國內外礦區生態恢復技術與經驗，提出了適合潞安礦區的生態恢復模式。該研究將為潞安礦區生態恢復工作的開展提供科學依據，并為全國其它礦區生態恢復工作提供借鑒。

1 生態恢復模式研究的理論基礎

要全面、科學、系統地分析和研究礦區生態恢復模式，就需在恢復生態學理論的基礎上，深入了解礦區生態系統的破壞機理、演替規律和各種生態恢復模式的特點?；謴蜕鷳B學是20世紀80年代發展起來的現代生態科學的分支，最早出現在麥迪遜植物園(1984)學術會議的論文集中。

20世紀80年代，隨著各類生態系統的退化及相繼引發的環境問題加劇，國外開始注重對不同退化生態系統的恢復重建研究。在廢礦地恢復方面，澳大利亞對采礦地的生態恢復的研究較深入。1996年在美國召開了國際恢復生態學會議，專門探討了礦山廢棄地的生態恢復問題;在草地恢復方面，北美在20世紀30年代開始，同期歐洲開始研究非洲干旱引起的草原退化問題。目前國外在恢復生態學理論和實踐研究方面走在前列的是歐洲、澳洲和北美。歐洲側重于礦山恢復，北美側重于水體和林地恢復，澳洲側重于草原管理與恢復。

我國的恢復生態學研究，前期主要以土地退化，尤其是土壤退化為主。主要針對水土流失、草場退化及鹽漬化、土地污染及肥力貧瘠化、森林生態系統退化與恢復、草地生態系統恢復改良、濕地恢復重建等。20世紀90年代以來，對礦山廢棄地復墾和植被對于重金屬污染的修復研究也開始增多。其生態恢復途徑是改換土壤、進行物理和化學改良、去除有害物質、種植先鋒物種等。

礦區生態系統往往是對原有農林生態系統進行一定程度破壞之后建立起來的，在礦區生產和建設過程中由于農林植被絕大部分被破壞，導致生態平衡失調，人類生存環境惡化。本研究針對采礦活動造成區域生態環境惡化問題，對礦區自然經濟條件、環境破壞程度和土地利用現狀進行調查與分析，以恢復改善生態環境為目標，對礦區生態恢復模式進行研究。

2 研究區概況

潞安礦區位于山西省東南部，太行山中段西側、長治盆地西部，地理坐標為東經 112°3′53″—113°16＇35"，北緯 35°50′9″—36°33′49″，總面積約 4 015 km2，屬于我國13個大型煤炭基地之一——晉東煤炭基地的范圍內。礦區地勢呈北高南低，西高東低之勢，整體上為向東南傾斜的低山丘陵—河谷平原，海拔在900～1 100 m之間;潞安礦區屬溫暖帶大陸性氣候，年平均降雨量為 583.9mm，年平均蒸發量為1 731.84 mm。礦區地表多為第四系黃土和沖積層覆蓋，在北部和東部邊緣有零星巖層出露;礦區土壤主要有黃土、棕壤、褐土、草甸土和水稻土5個種類，其中，褐土是礦區主要的地帶性土壤，分布較廣;礦區植被屬華北暖溫帶落葉闊葉林地帶的一部分，森林覆蓋率較低，僅為8%。潞安礦區現有國有重點生產礦井6對，在建礦井 5對，地方煤礦及鄉鎮煤礦147處。此外，礦區現有6座礦井型選煤廠，5座在建選煤廠，4座地方煤礦選煤廠，2座資源綜合利用電廠，2座在建資源綜合利用電廠以及一系列的礦區輔助、附屬企業和基礎設施等。這些礦山企業在生產過程中產生了一系列的生態環境問題。

3 潞安礦區主要生態環境問題分析

雖然潞安礦區生產礦井及附屬的主要企業對生產過程中所造成的生態環境破壞也采取了積極的治理措施，如煤矸石、粉煤灰填溝、矸石山綠化、采后土地復墾等，取得了一定的效果。但是由于長期的煤炭開采以及相關產業的發展，對整個礦區的生態環境質量產生了較大影響。

潞安礦區隨著開采規模的擴大，空氣污染情況有加重的趨勢，突出問題之一就是礦區燃煤、采煤、運煤等過程所造成的 TSP普遍超標。根據近年監測數據，潞安礦區空氣中污染物主要為二氧化硫、煙塵和粉塵。

煤炭資源的開采會對礦區地表水和地下水造成一定的影響，對水環境造成污染的因素主要有礦區井下排水、選煤廠煤泥水、工業場地生產生活污廢水，以及附近電廠排放的廢水。潞安礦區內30多個地下水水質監測點數據表明，整個礦區有65%左右的監測井中有超標現象。這些礦區廢水的排放，對礦區水體、土壤和植被產生了較大影響。

在煤炭資源開采過程中會產生大量煤矸石，潞安礦區煤矸石壓占土地面積已達54.33 hm2。矸石在露天堆放時，易于風化成較細顆粒，易于被帶到周圍空氣中，使空氣質量下降。而且，日積月累，矸石山內部的殘煤會自燃，放出大量 CO，CO2，SO2，H2S和NOx等有害氣體。另外，矸石堆積還造成地面景觀破壞。而且，矸石山露天堆放，經受風吹、日曬和雨淋等風化剝蝕作用，矸石中的有毒元素可能通過雨水淋溶進入水域和滲入土壤，從而影響土壤環境和水環境。

潞安礦區另一個主要環境問題是采煤所造成的土地塌陷。目前潞安礦區塌陷地面積已達4 047 hm2，塌陷地中95%屬于耕地。地表塌陷形成下沉盆地，造成土地季節性積水或永久性積水;同時，地表變形不均衡，使耕地變得起伏不平，造成水、土、肥流失，土壤肥力下降，致使農作物大幅減產;塌陷造成土層松動，使低山丘陵區的土地產生不同程度的滑坡和水土流失。地表裂隙對水渠、公路等基礎設施造成不同程度的破壞。開采塌陷會疏干含水層，改變礦區水文地質條件，進而也影響到礦區的地表水體，使地表水資源減少。采煤塌陷會導致動物棲息地的破壞與生境惡化，使種類和數量減少，加速動物多樣性喪失速率。

4 潞安礦區生態恢復模式研究

4.1 穩定塌陷區生態恢復模式

4.1.1 矸石充填和灌、林、草覆蓋模式 該模式主要是在塌陷地充填煤矸石，并在此基礎上覆土造田，既減少矸石對環境影響，又可使塌陷區得以治理?？稍谥卫硗恋厣戏N植農作物，也可營造用材林、經濟林，還可在煤矸石回填塌陷區的基礎上，進一步采用灌漿覆土的辦法，種植牧草發展畜牧業[2]。

4.1.2 粉煤灰充填生態恢復模式 該模式主要是利用礦區電廠排放的粉煤灰充填塌陷地覆土造地，科學規劃設計可形成采煤—發電—充填復墾塌陷地的良性系統，具有保護環境和復墾土地的雙重效益。采取有效的管理措施，充填覆土后的塌陷地可以恢復成原來的高產穩產田。

4.1.3 集約化農業生態恢復模式 該模式主要適用于土地破壞程度較輕的區域，土層深厚、土壤肥沃、土壤養分狀況變化不大，地下水資源豐富，只要采取工程措施修復整平并改進水利條件即可恢復土地原有的使用價值[9]。治理后的土地主要執行種植業生產功能，以高產、高質、高效農業發展為目標，建成以當地優勢農作物為主，兼顧土特產種植和加工一體化的商品糧生產基地。

4.1.4 水土保持型生態恢復模式 對于潞安礦區周邊丘陵和山區地帶，塌陷地坡度較大，不適宜進行農業復墾?？稍谄露容^大地區栽種適宜樹種，增加林木覆蓋率。對不適宜種樹的地段，可種植當地適宜牧草。對于山洪、泥石流自然災害威脅的地段，應修建相應的防護工程，并在工程內側營造防風林帶。

4.1.5 農林魚禽生態利用模式 該模式是充分利用塌陷形成積水的優勢，根據魚類等各種水生生物的生活規律和食性以及它們所處的生態位，按照生態學的食物鏈原理，實現農—漁—禽—畜綜合經營的生態農業模式。生物之間以營養為紐帶的物質循環和能量流動，構成了生產者、消費者和還原者為中心的3大功能群類，并在此過程中形成物質的多級循環利用[3]。

4.1.6 設施農業建設模式 設施農業是利用現代先進科學技術，實現高產、高效的現代農業生產方式。潞安礦區所在的長治市設施農業發展基礎較好，市場流通體系比較健全，潞安礦區有些礦井離市區較近，存在就近的技術優勢和市場條件，因此設施農業模式可以作為潞安礦區塌陷地地治理為農地的利用方式之一。

4.1.7 畜牧養殖模式 為了使塌陷區中的各種廢棄物在生產過程中得到循環利用，可利用農田中的糧食、作物秸桿和廢棄菜葉作為家禽和家畜的飼料，家禽和家畜的糞便作為有機肥施加在農田中提高農田的肥力。這種模式將種植業和養殖業緊密聯系起來，進一步提高了經濟效益。

4.1.8 修建人工湖公園生態恢復模式 這種模式主要適用于塌陷面積大、塌陷深的區域，結合礦區周圍環境，利用大面積的塌陷水域修建人工湖公園，一方面為發展旅游業奠定基礎，同時給當地居民創造怡人的生存環境，改善礦區的生態環境質量。

4.2 潛在或動態塌陷區生態恢復模式

4.2.1 牧草—農田生態復合模式 煤炭開采過程中，大面積土地處于動態塌陷之中，對于動態塌陷耕地，可采取簡單的工程復墾措施，在受到地下采煤影響時能使破壞的耕地盡量提高生產能力，并在破壞嚴重區域和丘陵區域種植牧草，改善生態環境，減少水土流失，也可在牧草地進行畜牧養殖，使牧草—農田形成一個復合的生態系統。

4.2.2 立體開發模式 該模式主要適用于積水的動態塌陷區，由于塌陷仍在進行，深淺不一，宜采取魚、鴨混養短期粗放式的立體開發模式。這種模式是指在塌陷區開挖的魚塘或深積水區栽培植物和養殖動物，按一定方式配置的生產結構，并且在生物之間形成一種簡單食物鏈的養殖模式。

4.3 煤矸石山環境治理模式

4.3.1 煤矸石綜合利用模式 煤矸石對生態環境造成的破壞作用不容忽視，必須采取切實可行的治理措施，最好能綜合利用煤矸石，最大限度地發掘出煤矸石的經濟價值。煤矸石綜合利用模式主要有:(1)矸石制磚;(2)煤矸石生產輕骨料;(3)煤矸石生產空心砌塊;(4)煤矸石作原燃料;(5)煤矸石作水泥混合材料;(6)煤矸石作筑路材料;(7)煤矸石作鹼摻合料;(8)煤矸石作燃料進行發電、供熱;(9)從煤矸石中回收部分煤炭;(10)利用煤矸石作充填、灌漿材料[4]。

4.3.2 煤矸石山綜合治理模式 該模式主要針對綜合利用不完的矸石山，為了減少其對礦區生態環境的影響，對矸石山進行綜合治理。主要包括:(1)矸石山土壤治理;(2)微生物恢復法;(3)矸石山的人工植被演替;(4)人工植物改良恢復法。

4.4 廢棄地生態恢復模式

4.4.1 礦區廢棄地林灌草生態恢復模式 該模式主要針對礦區廢棄地和矸石山污染區。該類型地養分貧乏，植被稀少，水土流失嚴重，造成礦區水體、土壤和大氣的嚴重污染。在該區域主要利用生物恢復技術，以植被恢復為主，采用林灌草結合種植的方式改善破壞區域的植被狀況。

4.4.2 村莊廢棄地“林果—畜禽”復合生態模式 受礦區采煤的影響，有些村莊不得不整體遷移，對于搬遷后的村莊廢棄遺址的生態恢復，可采取簡單的充填式或非充填式復墾技術和必要的整平措施，將其恢復為具有可耕種能力的土地。由于該類型區治理后的土壤肥力較差，土地生產能力較弱，可以選擇栽植對土壤條件要求不高，生命力強的林木，進行林果園區規劃，在林地或果園內放養各種經濟動物，以野生取食為主，輔以必要的人工飼養。

4.5 環境污染區生態恢復模式

4.5.1 植物凈化模式 一些植物能凈化污水，它們的根可以吸收、富集和分解污水中的重金屬元素和磷、氮、酚等有害物質[5]。礦區井下排水、選煤廠煤泥水、工業場地生產生活污廢水，以及附近電廠排放的廢水都可能對礦區水環境造成污染。所以，可以在礦區積水塌陷地和礦區污水排放區里種植水生植物，從而起到凈化污水的作用。

一些植物對大氣污染有很強的抵抗能力，在一定限度內可以吸收大量的污染物而起到凈化作用。煤礦開采過程中會產生大量粉塵和有害氣體污染環境。所以，可以在車間及設備四周種植綠籬、喬、灌木和草坪構成的綠帶阻擋氣流，減少粉塵在空氣中的漂浮時間，還可吸收部分飄塵;特別是種植草坪，既可降塵，又可防止地面起塵。

4.5.2 生態保護模式 為了減少礦區開采過程中對生態環境的影響，應該根據煤炭開采的不同階段和不同礦區的地表、地質和煤炭賦存等狀況采取相應的沉陷控制和生態恢復工作，并輔助采取生態監測、生態監理、生態綠化和生態影響補償等措施來保護礦區生態環境[6，8]。

4.6 家園服務生態恢復模式

4.6.1 旅游景觀重建模式 該模式適用于離居民點較近的大型矸石山，可以通過對矸石山內部進行滅火處理，并在外部進行階地化，在坡面修建階地，覆土，栽種樹木進行綠化。在此基礎上建設集休閑、娛樂為一體的生態園林區，形成不同地段，各具特色景觀的旅游景點。

4.6.2 生態農莊建設模式 該模式是利用礦區特有的自然優勢和當地特色農業優勢，建設具有生產、觀光、休閑度假、娛樂乃至承辦會議等綜合功能的經營性生態農莊，農莊可以具備賞花、垂釣、采摘、餐飲、健身、寵物樂園等設施與活動。

4.6.3 濕地景觀再造與生態旅游模式 這種模式適于面積較大、水體深、水質好的塌陷區水域，把積水區開發為濕地景觀，還可興建游樂設施，發展旅游業。該模式不僅可以改變煤礦區臟、亂、黑的形象，改善礦區的生態環境質量，而且可以為職工和當地居民提供良好的休閑場所。

4.6.4 科普園區模式 礦山關閉之后，有許多以前的井架和礦山建筑都頗具歷史價值，可以通過建立礦業博物館將這些礦山建筑物提供給游人參觀，并在周圍進行綠化，使其與建立的礦業博物館相融合，建成集教學、生態和旅游等多功能的特色旅游區。

5 潞安礦區生態恢復模式空間分布格局

5.1 理論基礎和研究方法

空間分布格局劃分的方法論一般可分為定性和定量兩大類。定性以專家集成為主，包括疊置法、主導因素法、景觀制圖法;定量包括多變量聚類法、多元線性判別法、模糊判別法和數字成像法。本研究主要是以植被、土壤、降水、地形地貌、生態環境和社會經濟等量化數據為主、并結合專家判讀的半定性半定量方法來進行生態恢復模式空間分布格局劃分。

首先將潞安礦區地形圖、SPOT影像、土地利用現狀圖等資料在ArcGIS 9.3平臺下進行矢量化、配準、糾正以及疊加后建立潞安礦區空間數據庫系統;然后根據潞安礦區實地調查數據、長治市統計年鑒等相關資料進行分析并錄入數據庫;最后基于潞安礦區空間數據庫和屬性數據庫，結合礦區生態環境破壞的特點與潞安礦區實際，根據每種生態恢復模式的功能特點和生態效益，在ArcGIS 9.3軟件下進行礦區生態恢復模式空間分布格局劃分。

5.2 生態恢復模式空間分布格局劃分

根據潞安礦區目前存在的主要生態環境問題及其空間分布情況，以及每種生態恢復模式的特點和所能解決的生態環境問題[7]，并結合潞安礦區生態環境分區和自然概況，制作了潞安礦區生態恢復模式空間格局圖(圖1)。經過對潞安礦區近幾年不同區域采用的生態恢復模式的實際生態效益調查，表明生態恢復模式系統的建立和空間分布格局是科學合理的，符合潞安礦區實際情況，并取得了良好的經濟效益和生態效益。

圖1 潞安礦區生態恢復模式空間格局

6 生態恢復模式實施后生態效益評價

為了評價潞安礦區生態恢復模式的選擇和實施給礦區帶來的生態效益，分別對潞安礦區生態系統的主要組成部分:水、大氣、土壤及母質、生物群落的變化進行了測定。

近幾年的治理實踐表明，潞安礦區生態恢復工作中的生態工程攔截泥沙、減少侵蝕、減少地表徑流的作用明顯。如塌陷地在修造梯田后，滯洪、攔沙的作用明顯，通過簡單的徑流和水文觀測可以推算出滯洪、攔沙的總量。通過對潞安礦區生態恢復模式實施后數據量測，表明生態恢復工程對土壤基質貢獻較大。另外，利用土壤溫、濕度傳感器對潞安礦區生態工程實施后土壤含水量、溫度、容重等指標測量，對于土壤肥力，測量其有機質含量、氮磷鉀等營養元素的含量變化。這些測量結果都表明，生態恢復工程實施后土壤肥力和土壤各項性能指標都大幅提高。

礦區生態恢復模式的實施對生物多樣性的變化影響顯著，首先表現在種類多樣性的變化，本研究按照Shannon的方法測算了潞安礦區生態恢復模式實施后植物種類多樣性、豐富度和均勻度等指數，并利用回歸方程對生物量進行了推算[10]。測量結果表明，礦區生態恢復模式實施后潞安礦區生態恢復模式實施后，生物多樣性增加，生物量明顯提高。

生態效益的評價結果表明，潞安礦區生態恢復模式的選擇和實施解決了礦區土地退化、生態破壞等一系列生態環境問題，給礦區生態環境帶來了良好的生態效益。

7 結論

對潞安礦區自然經濟條件、環境破壞程度和土地利用現狀進行調查與分析以及在兼顧社會、經濟和生態效益的基礎上，以盡快恢復被破壞土地的原有生產能力為出發點，以恢復改善生態環境為目標，對潞安礦區生態恢復模式進行研究，提出了穩定塌陷區生態恢復模式、潛在或動態塌陷區生態恢復模式、煤矸石山環境治理模式、廢棄地生態恢復模式、環境污染區生態恢復模式、家園服務生態恢復模式等6類適合潞安礦區的生態恢復模式，每類里面又包含幾種子模式。研究成果不僅可以解決礦區可持續發展中的重要技術理論問題，也為礦區環境保護指明了方向，為改善礦區生態環境提供了科學依據和保障。

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