礦區廢棄地近自然生態修復規劃設計

楊翠霞+張成梁+劉禹伯+鄭艷

摘要：以自然流域地貌形態特征和植被群落特征作為規劃設計的參照標準，探討礦區廢棄地近自然生態修復的特征與營造原則，構建近自然地形恢復、土壤重構、近自然植被重建等廢棄地近自然生態修復規劃設計的框架，并以周口店廢棄采石場為例，對其近自然生態修復進行規劃設計，探索礦區廢棄地近自然生態修復的規劃原理與技術，為礦區廢棄地生態修復規劃設計提供借鑒與參考。

關鍵詞：近自然；礦區廢棄地；生態修復；小流域；規劃設計；周口店

中圖分類號： TD88；X171.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0269-04

收稿日期：2016-11-17

基金項目：遼寧省自然科學基金指導計劃（編號：201601274）；大連工業大學青年基金（編號：QNJJ-201423）。

作者簡介：楊翠霞（1976—），女，河南禹州人，博士，副教授，從事景觀生態修復規劃設計及其GIS技術應用研究。E-mail：ycuixia@126.com。

通信作者：張成梁，博士，研究員，從事環境生態修復技術研究。E-mail：zhang64@126.com。礦區資源開發與利用一直以來都與國民經濟建設和工程建設緊密結合，但也帶來大量地表采礦跡地遺留、山清水秀景觀遭到破壞、地表塌陷引發地質災害、水源涵養降低及水土流失嚴重等一系列生態環境問題[1-3]。運用景觀相關學科對礦區廢棄地進行生態修復，不僅可以防止地質災害發生，提升礦區美學價值，還可以對修復后的礦區特性進行再利用，再次活化并賦予其新的生機，國外的德國科特布斯露天礦區改造、北戈爾帕露天煤礦廢棄地景觀改造、加拿大布查特花園等[4]，國內的河北唐山南湖濕地公園、湖北黃石國家礦山公園、辰山植物園西礦坑區景觀設計、浙江紹興東湖風景區等，這些都是礦區廢棄地生態修復再利用的典型案例。

大自然本身具有自我更新和再生能力，其自身原始的生態系統特征給礦區廢棄地的生態修復提供了最重要的參考依據[5]。礦區廢棄地的生態修復目標之一是營造近自然的生態環境。目前，近自然原理已在河流治理、城市規劃、農林業等方面取得顯著的生態效果[6-8]，這為礦區廢棄地的近自然生態修復奠定了理論和實踐基礎。礦區廢棄地生態修復在《全國土地利用總體規劃綱要（2006—2020年）》和《土地復墾條例實施辦法》（2013年）的支持下，通過景觀設計的方法與途徑來協調人與自然的關系，進而恢復廢棄地的生態價值、經濟價值、社會價值并服務于人類，這對礦區廢棄地的可持續發展利用具有重要的現實意義，而分析礦區廢棄地近自然生態修復特征，探討其規劃設計原理與方法，是礦區廢棄地生態修復近自然化的關鍵問題之一。

1礦區廢棄地近自然生態修復特征與構建原則

1.1礦區廢棄地近自然生態修復的概念及特征

礦區廢棄地近自然生態修復是利用自然系統的自我有機更新再生能力，借鑒鄰近未擾動礦區生態系統的組成、結構、功能，在尊重自然過程與自然格局基礎上，通過地形恢復、土壤重構、植被重建等有機結合的人工誘導方式，逐步接近或達到鄰近未擾動礦區生態系統結構、功能的人工營造自然生態。接近自然生態修復是礦區廢棄地的修復目標，不僅使地形恢復，滿足其坡面、溝道產流、匯流間的動態平衡，還促使土壤重構，滿足植被重建的生態環境多樣性，有效提高復墾后土地的生產能力，維護生態系統的動態平衡和相對穩定。近自然生態修復其實就是礦區環境管理的一種手法，一種關于生態系統的控制方式，并試圖還原生態系統的自我修復能力，促使其重新自我繁衍、治愈受到傷害的生態系統。

礦區廢棄地屬極度退化生態系統或不可逆轉生態系統。根據礦區廢棄地在開發、修復、重建過程的生態系統特征，結合白中科等對礦區環境退化與重建關系的研究[9]，可將其劃分為4個階段（圖1）：一是原脆弱礦區資源生態系統，結構相對完整、功能相對完善，自我維持；二是人類開發利用礦區資源，造成其原有自然生態系統結構、物質循環與能量流動失調，形成自然環境惡化、坍塌滑坡等地質災害發生、植被稀疏等極度退化的礦區資源生態系統；三是為改變或加速礦區環境達到平衡穩定的狀態，通過生物技術、生態工程、化學應用等人工誘導方式來彌補礦區環境遭受的破壞，規劃與構建礦區廢棄地的近自然生態修復；四是在礦區地形恢復、土壤重構、植被重建基礎上，廢棄地生態系統重新被營建為有機自我運作的系統，其自身結構功能逐漸完善，達到自我動態調整狀態，形成可持續、結構與功能多樣化的近自然生態系統。

1.2礦區廢棄地近自然生態構建的基本原則

礦區廢棄地近自然生態構建是以生態學、地理學、水土保持學、風景園林學、流域地貌學等理論為基礎，遵循礦區鄰近未擾動自然生態的結構特征，通過模仿自然的地形水文特征和土壤結構特性，接近本土的植物配置，營建結構功能完整、協調的礦區生態系統，有利于礦區的土地復墾與生態重建。礦區廢棄地近自然生態構建的5條原則為在生態思維和可持續發展理念下，運用適宜的科學方法對礦區廢棄地進行整治、修復和再利用，促進地形水文協調，地形地貌、土壤重構、植被演替過程相似，達到依靠自然與人工促進的生態修復目的；以小流域為單元，在考慮上下游小流域特征前提下，對礦區廢棄地的坡面和溝道重新規劃，滿足當地自然環境條件下的產流、匯流，促進坡面、溝道的自我演化潛力，促進土壤結構演變，為植被重建提供良好的工程基礎；對礦區廢棄地的土壤物理性質、化學性質、生物性質等進行研究，通過各種農藝措施改善其透水性、保肥供肥性、蓄水保水性等狀況[2]，為植被恢復和生態重建提供良好的立地條件；在保護自然、順應自然的基礎上，參照鄰近未擾動植被系統的結構穩定化、功能多元化、生物多樣化特征，調整其群落結構，構建礦區廢棄地植被近自然化，并促進其自維持機制，逐步實現人工群落結構的近自然化[10]，為礦區動植物提供更適應的生存棲息生境；近自然化動態調控是構建礦區廢棄地近自然生態環境的必要途徑，通過近期、中長期修復相結合，促使地形恢復演化、水土資源調控、先鋒植物引入、喬灌草搭配等，逐步趨向動態、平衡的自然生態演替。endprint

2礦區廢棄地近自然生態修復規劃的研究框架

礦區廢棄地近自然生態修復涉及學科、技術比較多，范圍比較廣，一方面是通過規劃礦區廢棄地的小流域坡面與溝道，恢復符合當地環境下地貌演變過程中侵蝕作用的地形，另一方面是通過人工營造與植被自然發育結合，促進廢棄地植被群落體系的近自然化。礦區廢棄地近自然生態修復是根據區域社會經濟發展、生態建設和礦區土地的利用規劃，對現有礦區廢棄地的氣候條件、地形地貌、土地利用狀況、植被等進行調查，在對礦區廢棄地生態修復進行優勢、劣勢、機遇、威脅分析（SWOT）的基礎上，采用生態思維和可持續發展理念，運用小流域治理方法，從礦區土地利用規劃、生態建設與保護、社會經濟出發，利用ArcGIS平臺空間分析和因子評價、借鑒礦區鄰近未擾動的場地特征來確定廢棄地近自然生態修復規劃方案（圖2）。由于礦區廢棄地生態修復較易受地形恢復的影響[11]，因此，對礦區鄰近未擾動場地流域特征的結構模式、流域面積、流域高程差、溝道密度、坡度、坡向、坡面形態等進行調查，為后期的土壤重構、植被重建等生態修復近自然化提供最基礎的骨架。

3周口店采石場廢棄地近自然生態修復規劃設計

3.1采石場廢棄地概況和研究數據來源

周口店采石場廢棄地位于北京房山區周口店北京人遺址博物館的西南附近，39°43′50″N、115°57′42″E，是房山區采石場主要集聚區之一，屬暖溫帶半濕潤地區，年平均氣溫11 ℃左右，多年平均降水量為655 mm，且集中在6—8月份；地貌類型為典型的、以石灰巖為主的華北低山丘陵區，土壤主要為棄采石場渣土堆積而成的多礫、石砂壤土；天然植被稀疏，次生植被和栽培植被占優勢，由于開采前土地利用類型主要以林業用地為主，鄰近未擾動礦山的植物種類比較豐富，林地主要有樺木、遼東棟、山楊、北鵝耳櫪、山柳等植被， 草灌主要有

高羊茅、狗尾草、繡線菊、荊條、黃草、酸棗等，人工栽培植被主要有火炬樹、油松、側柏等。

根據實際施工需要精度，研究區數據采用Topcon影像全站儀測量得到的點數據。在ArcGIS 10平臺上，將測量的點數據在Beijing 1954投影坐標系下生成不規則三角網（TIN）格式；通過與現場的比對和校正，將TIN內插生成規則柵格數字高程模型（DEM），考慮到采石場后期的施工精確性，生成DEM精度為0.5 m的規則柵格（圖3）。

3.2采石場廢棄地生態修復SWOT分析

周口店采石場廢棄地研究區面積為25.6 hm2，地形相對高差為66 m（圖3），坡度小于25°的面積約占總流域面積的69.58%，坡度大于35°的面積約占總流域面積的1342%（圖4）。研究區土地主要為棄石渣土堆積而成，根據研究區所在礦區土地復墾規劃和周口店鎮總體規劃，復墾后的土地利用類型主要為林業生產用地。研究區距離北京人遺址博物館相對較近，土地貧瘠，周圍未擾動的次生植被和人工種植植被群落豐富是該區域生態修復的優勢。研究區旁邊有個已停產的大型水泥廠，其中好多加工設施、設備銹跡斑斑，附近的采石作業區仍在進行，生態環境比較差、治理費用相對高昂是研究區的劣勢。近些年，北京政府比較重視礦區生態環境改造，鄉村旅游業蓬勃發展，這為廢棄地生態修復提供了一定機遇。對廢棄采石場來說，影響其生態修復最重要的因素之一是地形恢復，而相應的修復技術能為后期土壤重構、植被重建提供基礎保障，因此，相應修復技術的研發是采石場廢棄地修復的迫切需求。

3.3采石場廢棄地近自然地形恢復和植被重建的規劃設計

廢棄地近自然地形恢復規劃設計主要以小流域為單元，參照鄰近未干擾的地形地貌水文特征，利用生態思維與可持續發展理念及3S空間分析技術對坡面、溝道進行重新規劃設計，滿足構建后的小流域產流、匯流間的動態平衡[12]，其目標是利用自然系統的自我有機更新再生能力，使重建的坡面和溝道不僅更加接近于所在環境的原自然坡面和溝道形態，還與鄰近未干擾的景觀相協調，符合地形地貌演變過程中的侵蝕作用。由于采石場廢棄地大都為松散碎屑組成的物質體，而這些物質體組成的流域為典型的樹枝狀結構[13]，因此，近自然地形恢復設計的小流域為單根樹枝狀的流域結構。根據國內外對相關小流域地貌形態綜合指標、礦區廢棄地地形恢復設計的相關研究發現，影響小流域坡面和溝道規劃設計的關鍵因子為小流域面積、溝道密度、平均坡度、高程差[5，14-15]，這基本代表了小流域地貌形態的特征。因此，利用鄰近未干擾區域的數字地形和現場測量，計算出未干擾小流域地貌形態特征的主要特征值（表1），并作為采石場廢棄地近自然地形恢復設計的目標值。由表1可知，規劃設計的近自然地形平均坡度比設計目標值減少12.5%，平均溝道密度比設計目標值161.53 m/hm2增加5.36%，地勢相對平緩，這為后期地形演變過程的侵蝕、搬運和堆積提供了條件；對規劃設計的近自然地形進行坡度分級比較發現，規劃設計坡度<25°的面積所占總面積的百分比增加16.03%，坡度>35°的面積所占的百分比減少49.2%。在規劃設計采石場廢棄地的坡面和溝道時，一方面要兼顧地形恢復的演變過程及植被恢復的過渡期特征，規劃設計的小流域溝道密度應大于或接近礦區鄰近未干擾小流域的溝道密度；另一方面是構建適宜的溝道排水系統，主溝道位置要考慮周圍的區域溝道位置和上游的徑流量。因此，根據圖3的空間、水文分析及周圍場地環境，重新規劃設計出子流域（圖4），通過局部調整小流域的溝道位置和坡面形態特征，使設計的小流域形態特征指標達到目標，使溝道蜿蜒化處理，減緩了水流速度，蓄水保土的同時也構建了一個相對穩定的蜿蜒自然模式水系，最大程度上達到自然狀態。

近自然地形恢復規劃設計與土壤重構是同步進行的，一方面通過生物、化學技術對表層土壤進行基質改良，改善土壤的理化性狀，另一方面可采取就近取土原則，把附近采石場、水泥廠及大量城鎮建設開發中的廢棄渣土放在土層深部。在近自然植被重建過程中，為避免太人工化的植物配置和營造，通過借鑒鄰近未干擾植物群落組成、結構特征和演替規律，采用鄉土樹種按照灌木避讓喬木、速生樹避讓慢生樹原則，重建富有自然氣息的常綠落葉、闊葉混交群落，使近自然植被的地域性更加顯著。根據張艷等對周口店采石場植被的調查，采石場廢棄地應在植被重建初期播種豬尾草、高羊茅、豬毛草等為主的草本植物；在植被重建中期播種或栽植以荊條、紫穗槐等為主的灌木，使植物群落從草類向草本類植被過渡；在恢復后期應栽植易成活的臭椿、荊條、側柏、火炬樹等苗木[16]。endprint

4結論

礦區廢棄地近自然生態修復是礦區土地復墾與可持續發展的重要基礎內容和重點研究問題之一，在其規劃設計中應結合鄰近未擾動區域的小流域地貌形態特征和植被群落特征，構建相對穩定的近自然地形、植被，并與周圍景觀相和諧。本研究規劃設計的近自然地形溝道密度與鄰近未干擾的目標值比較接近，平均坡度也相對較小，地勢起伏變化小，符合后期地形地貌形成過程中的侵蝕作用和近自然植被群落演變過程。礦區廢棄地近自然生態修復規劃設計的框架本質是一種利用自然系統自我有機更新能力的再生設計，也是一種借助自然生態系統的最優化設計，但對礦區廢棄地生態重建的共性特征、數字化流域特征等還須進一步研究，礦區廢棄地的近自然地形恢復、土壤重構和植被重建間的相互關系也是今后礦區廢棄地研究的一個重要方向。

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