高潛水位采煤沉陷區復墾與濕地生態保護
——以徐州九里高潛水位采煤沉陷區治理為例

渠俊峰,李 鋼,張紹良

(1.中國礦業大學 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008；2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州221008)

高潛水位煤礦區主要分布在我國東部的平原區，由于地下潛水位較高，所以煤礦開采后地表會沉陷、積水，從而形成了獨特的水、陸復合的礦區生態環境。煤礦開采不僅破壞了礦區的土地、水熱循環、生態環境等，還改變和破壞了礦區的生態平衡條件、生態過程，特別是在地表沉陷過程中，除地表植被、土壤等生態因子發生變化外，沉陷區的碳源、碳匯生態功能的轉化關系也發生了變化。長期以來，我國采煤塌陷區復墾多以農業復墾為主，復墾的目標是盡可能多地增加耕地面積，為耕地的占補平衡發揮了重要作用。但煤礦開采破壞了礦區原有的生態平衡，而開采沉陷后礦區的生態環境需要改善和維護，所以有必要在實施土地開發時兼顧生態環境保護，以促進采煤沉陷區經濟效益和生態效益協調發展與穩步增長。據統計，截至2005年年底全國采煤沉陷土地面積累計已超過70萬hm2，其中耕地沉陷約為21萬hm2，且隨著煤炭開采的持續沉陷地還在以每年大約2萬hm2的速度增加，采煤沉陷區開發和生態治理需求十分迫切。徐州市九里高潛水位采煤沉陷區在復墾和生態重建方面實現了有效統一，治理規劃綜合考慮了農業開發復墾和人工景觀生態濕地規劃建設，下面筆者重點闡述采煤沉陷區開發復墾和生態保護共同發展的治理思路。

1 采煤沉陷區濕地的治理思路

1.1 國內外采煤沉陷區的治理發展

我國的煤礦區土地復墾和生態重建研究始于20世紀60年代，多年來積累了豐碩的成果，采煤沉陷區復墾方式包括充填復墾(矸石粉煤灰回填、土壤重構等)、非充填復墾(挖深墊淺、疏排法等)等，從改善生態的角度還有生物措施復墾(肥化土壤、種植結構調整等)等。國外的礦區復墾研究從20世紀50年代開始，如美國、加拿大、德國等制定了土地復墾方面的法律法規等，其中德國在魯爾礦區提出了區域未來創新發展、景觀規劃、采礦區和工業廢棄地重新利用規劃等；波蘭、捷克、意大利、保加利亞和斯洛文尼亞等國家提出了礦產資源開發、土地利用、景觀重建一體化的發展規劃，以實現煤礦區工業轉型、環境重建等；英國巴特威爾露天礦采用邊采邊回填的方式，最后覆土造田復墾；澳大利亞在礦山復墾中將土地生產力恢復與水資源防污結合起來等[1]。

1.2 高潛水位采煤沉陷濕地

2002年國際濕地公約對濕地進行了明確定義：濕地系指天然、人工或暫時之沼澤地、濕地、泥炭地或水域地帶，具有或靜止、或流動、或淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時不超過6 m的水域。煤礦開采導致采空區上方覆巖層的原始應力平衡狀態遭破壞，會發生冒落、斷裂、彎曲等移動變形并最終涉及地表，導致礦區土地挖損、占壓、沉陷、常年和季節性積水等，雖然經過挖深墊淺、疏排等措施復墾可以增加耕地面積，但是由于高潛水位采煤塌陷區地勢低洼，所以區域內仍然會存在大量積水和季節性積水區域。高潛水位采煤沉陷區地表水資源賦存豐富，植物、動物、微生物、陽光、水分、土壤等要素組成了一個獨特的“土壤-植物-微生物”生態系統，沉陷區積水量、地貌、環境等具備人工景觀生態濕地規劃的良好自然條件[2]。高潛水位采煤沉陷土地由于長期大面積積水而具備濕地的基本特征，所以可以積水區域的生態改良為治理目標，充分發揮沉陷積水區生態碳匯、涵養水源、凈化空氣、景觀重塑等生態功能。

1.3 高潛水位采煤沉陷濕地規劃和保護依據

人工生態濕地的生態功能主要表現在：① “碳匯”功能?！疤紖R”(Carbon Sink)是從空氣中清除CO2的過程、活動、機制。采煤沉陷濕地有大面積的積水覆蓋，土壤水分長期處于飽和狀態，所以土壤有機物分解速率較低且積累速率較大。采煤沉陷濕地受養分的有效性、基質的缺氧程度、基質鹽度、沉淀性質和pH值等的影響，有機碳會不斷增加[3-4]；②優化生態景觀結構。高潛水位采煤沉陷濕地水土資源條件優越，根據地貌、水環境特征、資源分布特征和植物群落的適應性等，可按照沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶進行水面空間梯度布局，在采煤沉陷濕地與陸地過渡帶規劃上層樹種、中層樹種和地被植物，統籌考慮觀賞價值和對污染物凈化等，形成水、陸植被的生態序列，既可以發揮景觀功能又可以改良生態破壞后的礦區小氣候。③采煤沉陷濕地的其他功能。采煤沉陷濕地除了具備生態景觀功能外，還能攔洪截蓄、削減河道洪峰壓力等。另外，在水質允許的情況下，還可以發展水面養殖，有利于循環經濟的建立。

2 采煤沉陷區復墾和生態保護實例

2.1 徐州九里采煤沉陷區基本情況

徐州九里礦區位于徐州市西北郊，距徐州市中心8 km，有張小樓、龐莊、東城、寶應和王莊5個煤礦，是典型的平原高潛水位煤礦，當前已經形成沉陷區面積1 155.8 hm2，沉陷區原有地類見表1。該礦區投產于1960年，2000年之后煤礦資源逐漸枯竭，一些礦井陸續關閉，礦區地表也逐漸趨于沉陷穩定狀態，具備了礦區治理的基本條件。2005年針對沉陷區進行了復墾治理，理順了水系，并回填土方造田；2008年又進行了沉陷濕地公園的規劃及建設。

表1 徐州九里采煤沉陷區地類

2.2 采煤沉陷濕地景觀生態規劃過程

徐州九里采煤沉陷區景觀生態濕地規劃是在復墾的基礎上進行的，先后完成了土方挖填、水系修復等，針對大面積沉陷水域以景觀生態為規劃目標，在滿足生態修復和休閑旅游的同時，兼治塌陷區生活污水、礦區重金屬污染等，協調水資源、生物資源多樣性、景觀旅游之間的關系，把采煤沉陷區大水面規劃成景觀生態濕地，具體規劃的內容主要有：①濕地耗水分析和供水規劃。采煤沉陷濕地的耗水主要有灌溉、滲漏、蒸發、養殖和生態耗水等，濕地供水規劃應該確保有相應的水量，確保濕地不發生陸化。采煤沉陷濕地供水來源主要有降水、地表徑流、土壤滲水、灌溉尾水和較高區域客水等，確保水資源供給量與消耗量之差大于枯水季節蓄水量，保證濕地在低水位狀態下能正常運行。②濕地排水規劃。濕地作為河流的滯洪區和景觀區，蓄水量不能超過其洪水位警戒線，當采煤沉陷濕地遇汛期降水和洪澇集中時，需要將多余的水資源排出，以降低洪澇災害對采煤沉陷區的影響。③濕地植被規劃。濕地植被群落作為生態景觀的重要因子，除了考慮其景觀要素外，還要綜合考慮其在采煤沉陷區生態修復過程中的作用，根據擬規劃采煤沉陷濕地的水深、水系差異和植物群落的適應性，因地制宜地營造不同的植物景觀，按照水面的空間梯度分別布局沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶，濕地水面植被群落梯度規劃見表2，徐州市九里采煤沉陷區治理前后對照見圖1。

表2 徐州九里采煤沉陷區土地水陸植物群落

2.3 采煤沉陷濕地實現的生態效益

采煤沉陷濕地的規劃實現了顯著的生態效益，具體表現在：①增加了土壤碳庫的儲量。采煤沉陷區人工濕地規劃后，濕地區域發揮了顯著的碳匯功能。對采煤沉陷區季節性積水區、沉陷不積水區、對照農田和濕地區域土壤取樣進行化驗分析，對比發現采煤沉陷濕地單位面積土壤碳庫儲量遠高于其他地類，沉陷濕地區為1.09 萬t/km2，對照農田為0.768萬t/km2，季節性積水區為0.627萬t/km2，沉陷不積水區為0.559萬t/km2。②水質得到了凈化。采煤沉陷區積水水質重金屬、硫化物等均超標，濕地的首要功能就是發揮生態效益，濕地植物在凈化濕地水質過程中發揮了3方面作用，即：直接吸收利用污水中的營養物質、吸附重金屬和有毒物質；為根區好氧微生物輸送氧氣；增強和維持介質的水力傳輸。③沉陷區生態景觀格局不斷優化。除了將水域作為采煤沉陷濕地的治理重點外，水體沿岸的生態涵養林也得到重新布局和調整，以當地的鄉土樹種為主，營造穩定的植物群落，達到涵養水源、凈化空氣、凈化水質的目的。④后工業景觀生態文化的展示。將枯竭礦區生態環境的修復與重建、景觀重構與組織結合起來，展現后工業生態景觀公園模式(見圖1)。

圖1 徐州市九里采煤沉陷區治理前后對照

3 結論與討論

高潛水位煤礦開采后沉陷區出現大量的積水，沉陷區水土資源豐富但利用率較低，合理開發和利用沉陷區水土資源是采煤沉陷區治理的根本目的。土地開發和生態環境保護同等重要，兩者的協調發展將是礦區治理的最終目標。高潛水位采煤沉陷區的治理需要考慮各種效益的協調發展和穩步增長，為此要做到如下幾點：

(1)因地制宜編制治理規劃。高潛水位采煤沉陷區雖然擁有豐富的水土資源亟待開發，但是由于采煤過程對生態環境的破壞，沉陷土地開發應充分兼顧區域的生態補償規劃，促進土地利用率的提高和積水資源化利用，推廣應用宜耕則耕、宜景則景、宜林則林、宜漁則漁的治理開發模式。

(2)保護和增強采煤沉陷濕地的綜合生態功能。抽排積水并回填沉陷洼地可以新增一些耕地，但復墾成本較高，且新增耕地質量不高，而積水面積的縮小會削弱濕地的綜合生態功能，比如有機碳庫、碳匯能力等。檢測數據表明，采煤沉陷濕地常年積水區有機碳庫密度顯著大于參照田和不積水坡耕地。積水區是采煤沉陷濕地的重要碳匯區，保護好積水區有助于當地生態環境的改良，在進行采煤沉陷區土地復墾規劃時，可以適當保留沉陷區水體，通過保留一些水體來實現區域碳增匯、空氣凈化、濕度調節等。

(3)重視坡耕地的水土保持。采煤沉陷造成大面積的斜坡耕地，屬于陸地和沉陷水面的緩沖結合部，在降水和重力的雙重作用下斜坡耕地保水保肥性能較差。根據土壤樣本的有機碳庫密度分析，坡耕地的土壤有機碳密度偏低，客觀上降低了坡耕地的生產能力，為此需要強化坡耕地水土保持規劃，增強地表植被的覆蓋率，抑制坡耕地水土流失，有效保護坡耕地的產出能力。

[參考文獻]

[1] 孫廣友.中國濕地科學的進展與展望[J].地球科學進展，2000，15(6):666-672.

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[3] 楊渺，李賢偉，張健，等.植被覆蓋變化過程中土壤有機碳庫動態及其影響因素研究進展[J]，草業學報，2007,16(4):126-138.

[4] Muhr J, H hle J, Otieno D O, et al. Manipulative lowering of the water table during summer does not affect CO2emissions and up-take in a fen in Germany[J]. Ecological Applications, 2011,21(2): 391-401.