礦山生態恢復研究進展
——基于連續三屆的世界生態恢復大會報告

張紹良, 米家鑫,侯湖平,*, 楊永均

1 中國礦業大學環境與測繪學院, 徐州 221116 2 中國礦業大學,礦山生態修復教育部工程研究中心, 徐州 221116

每兩年一次的世界生態恢復大會(World Conference on Ecological Restoration)是生態恢復領域的盛會,參會代表多達上千人。第五、六、七屆大會分別在美國麥迪遜市(2013年)、英國曼切斯特市(2015年)和巴西福斯伊瓜蘇市(2017年)舉行,其中2013年大會設立了主題為“采礦嚴重擾動下林地生態系統功能恢復面臨的挑戰”(Challenges in Restoring Forest Ecosystem Function following Severe Mining Disturbance)的2個口頭報告專場和2個座談會專場,2015年設立了主題為“采礦”(Mining)等3個口頭報告專場,2017年則設立了主題為“礦山恢復：資源開采導致的不同破壞的備選方案和指導方針”(Restoration of mining areas：Alternatives and guidelines to deal with the different cases that occur during the exploitation of mining resources)的培訓課程和“減少采礦影響”(Mitigation: Mining)等2個口頭報告專場,可見,礦區生態系統是國際生態恢復領域持續關注的對象之一。

相比出版的科技文獻,國際大型學術會議的報告、摘要等在傳遞最新研究動態方面具有一定優勢,例如,新觀點多、實際恢復案例多、信息量大且集中、面對面討論容易碰撞出新的思想火花、信息傳播快速等,所以通過國際大型學術會議的系統總結,更容易準確把握國際礦山生態恢復的研究動態。

為此,本文首先統計分析連續三屆礦山生態恢復專題報告,然后歸納總結熱點、新觀點和新技術,最后預測未來發展趨勢,以期對我國礦山生態修復有所啟示。

1 基本情況統計

2017年世界生態恢復大會上涉及礦山生態恢復的口頭報告(Oral Presentation)和專題座談會(Symposium Presentation)共27個、張貼論文報告(Poster Presentation)22個,而2013年分別是34個、10個,2015年則分別是31個、18個,可見近三屆發表的論文(報告)數量變化不大,這表明礦山生態恢復是一個穩定的研究領域。2013年,在會上做口頭報告的有美國、法國、捷克、剛果、智利、巴西、南非、中國、加拿大、澳大利亞、菲律賓、阿根廷等12個國家,2015年有蒙古、南非、捷克、澳大利亞、加拿大、英國、印度、新西蘭、法國、美國、德國、芬蘭、尼日爾、冰島、巴西、愛沙尼亞、比利時、秘魯、中國等19個國家,而2017年有巴西、澳大利亞、韓國、美國、波蘭、西班牙、秘魯、西班牙、中國、哥倫比亞、阿根廷、拉脫維亞、南非、厄瓜多爾、冰島、西班牙、捷克、德國、加拿大、愛沙尼亞等20個國家。可見,澳大利亞、加拿大、美國、中國、南非、捷克、巴西等是持續參加該學術會議并長期關注礦山生態恢復的國家,因為這些國家是礦產資源開發大國。

參加會議并提交論文的機構主要是高校和科研單位,而企業和政府部門則相對較少。如圖1所示,2013年參加會議的有高校30所、科研單位5所、公司4家和政府管理部門2個;2015年有高校36所、科研單位14所、公司7家和政府管理部門4個;2017年則有高校43所、科研單位30所、公司6家和政府管理部門5個。可見,高等院校是礦區生態恢復的主要研究機構。但值得一提的是,一些大型礦山企業如澳大利亞美鋁有限公司(Alcoa of Australia Ltd.)等一直積極參與礦區生態修復的研究工作。

圖1 近三屆會議參與機構的組成 Fig.1 Composition of the participating organizations in the last three conferences

從參加會議的高等院校來看,加拿大的阿爾伯塔大學(University of Alberta)、澳大利亞的昆士蘭大學(University of Queensland)和西澳大學(University of Western Australia)、捷克的查理斯大學(Charles University in Prague)和南波希米亞大學(University of South Bohemia)、愛沙尼亞的塔林大學(Tallinn University)、中國的中國礦業大學(China University of Mining and Technology)、美國的科羅拉多州立大學(Colorado State University)、密歇根理工大學(Michigan Technological University)、蒙大拿州立大學(Montana State University)以及洛杉磯大學(Universidad de los Los Andes)、巴西的南大里約熱內盧聯邦大學(Universidade Federal do Rio Grande do Sul)和圣保羅大學(Universidade de S?o Paulo)、波蘭的克拉科夫農業大學(University of Agriculture in Krakow)、西班牙的阿爾卡拉大學(University of Alcalá-Fundación FIRE)、德國的慕尼黑工業大學(Technical University Munich)是最近幾年最為活躍的高校。

世界礦山分布極其廣闊,但是研究興趣區似乎非常集中。主要有加拿大油砂開采礦區、美國阿巴拉契亞礦區、中國西部干旱半干旱礦山、南美熱帶雨林地區的礦山、澳大利亞熱帶干旱礦區、非洲金屬礦區和歐洲已經修復的礦區等7大地區,表明這些地區資源開采強度大、破壞嚴重且是生態恢復的重點地區。從地帶來看,對干旱半干旱礦區生態恢復的關注度最高,如非洲、南美洲、澳大利亞、印度等季節性干旱的稀樹草原(Savannah)礦區以及中國西部干旱礦區等;其次是苔原區(Tundra)如北美、北歐和高寒山地的礦區;再次是南美洲的秘魯和巴西、非洲的剛果等國家熱帶雨林著名礦區。

從生態修復的對象來看,受關注程度最高的一直是植被(如圖2所示),包括林地、苔蘚、灌木、草本、豆科植被等。根據植被所在地區的不同又可細分為礦區植被、流域植被、泥炭地植被與濕地植被等;根據所處地可分為干旱帶、干濕熱帶、熱帶以及寒帶植被等。土壤的恢復次之,包括土壤有機質提高、重金屬遷移和土壤結構重構等。除此之外,修復要素還包生態景觀、物種多樣性、本土物種結構、土壤微生物、生態系統服務、水資源污染、地下水水位、土壤種子庫等的修復。近三屆會議關注的生態修復對象間的比例有輕微變化,但大體上保持一致,這表明近年來國際礦山復墾和生態修復的關注點較為穩定。

圖2 2013、2015、2017年主要恢復要素類型Fig.2 Major Restoration elements in 2013, 2015, 2017

從研究的礦區類型看(如圖3),露天礦山的生態修復是關注的重點,井工礦山相對較少。從不同礦山類型來看,煤礦是關注的重點,金屬礦、砂石礦修復的研究也較多。金屬礦山中,以金礦、銅礦、鈷礦、鐵礦、鋁礦、鈾礦為主,砂石礦則以干旱地區的采砂場為主。除此之外,油砂礦、草原沙礦、林地砂礦等也受到一定程度的關注。其他礦山,例如粘土礦、頁巖礦等的研究也有涉及。值得一提的是,關閉礦山的生態恢復受到較大程度的關注,尤其是關閉時間很長的礦山的復墾場地的生態演替得到了研究人員的重視,例如,研究人員以關閉礦山為研究場地來比較自然修復和人工修復的效果,從而反思現有的修復模式。

圖3 2013、2015、2017主要礦區類型Fig.3 Major mine categories in 2013, 2015, 2017

從生態修復方法看,人工修復是研究的主體。相比之下,自然恢復的研究較少,但有增長趨勢。對這兩種修復方法的反思和比較是一個熱點。對自然恢復的研究強調恢復效果的監測和評價,而人工修復研究則側重于開發不同的修復方法,如植被修復、動物修復、微生物修復、表層土壤重構、營養物覆蓋方法等。在植被修復方面,研究人員關注固氮植物、吸附重金屬植物、保水植物、耐受性植物等的優選方法。

2 新技術進展

大會期間,大部分國家的專家學者介紹了本國土地復墾和生態修復的經驗、存在的問題和解決途徑等,也有不少專家展示了新的土地復墾和生態修復技術。

2.1 植物修復新技術

植物修復技術的開發一直是礦山生態修復研究的重點。例如,法國新喀里多尼亞鎳礦山修復中,在水播法中撒播的是一種叢枝菌根真菌孢子包裹的種子,該種子用15 g/L的藻酸鹽作包衣劑,用微孔膜(Millipore membranes)覆蓋。該技術的關鍵是控制水的pH值,這是因為水的pH值對包衣質量和發芽影響最大[1]。再例如,美國密歇根湖區銅礦跡地的濕地恢復中,采用土工合成材料(Geotextile materials)、泥炭(Peat)和當地灌草相結合的綜合生態修復技術[2]。來自澳大利亞的研究人員主張建立種子生產基地、專業種子園等來培育種子,因為野生種子數量難以滿足需求,他們認為建立專門基地、園地有很多優點,如保持多樣性、血統、防止種子污染外物入侵、提高種子質量等,還可以作為氣候變化監測場所等[3]。

然而,近幾年很多的案例強調了植被修復的全過程控制技術,而不僅僅依靠單一的生態修復技術。例如,加拿大阿爾伯特油砂礦場植被重建的瓶頸是水,研究人員提出了加強重栽植被的保水管理、重塑地形減少水土流失、加大滲透以在地下保水、選擇適當的保水植被、關注水的時空配置及其與植被重建相耦合等關鍵技術[4]。在澳大利亞露天礦場植被重建中,研究人員考慮到植被生命周期的播種、幼苗和成熟等三個階段土壤和植被的相互作用,提出了全局植被重建技術,包括植物物種優選、土壤基底重構、表土覆蓋、播種和維護管理等環節[5]。阿根廷的研究人員提出了干旱礦區植被重建關鍵技術,包括物種選擇、胚質生產、幼苗種植、苗木生產、土壤和基底重構、群落構建以及植被維護等[6]。印度切里亞煤田開采歷史100多年,是世界著名煤田,在這里進行煤炭開發的巴拉特焦煤公司提出了三步式復墾策略：第一步鏟除侵入物種如馬纓丹(Lantana),第二步種植灌木和草本植物,第三步種植本土喬木。

2.2 土壤修復新技術

土壤修復往往是針對退化土壤的某種性狀缺陷而開展的。例如,在加拿大闊葉林生態修復過程中,研究人員發現人工擾動后土壤酸性太強,因而采用添加石灰來中和土壤酸性。然而石灰的添加會影響到土壤微生物功能,尤其是影響到異養的和無機化能營養的硝化細菌的活性和潛在硝化活動,因此研究人員認為石灰添加量和修復時機十分重要[7]。再例如,加拿大的礦山生態修復研究人員為了減少鋅的污染,提出了專門的土壤修復方法,包括施加魚粉生物炭、鈣基膨潤土和覆蓋木纖維等[8]。另外,加拿大研究人員還開發了一種加速泥炭轉化為土壤有機質的方法[9];澳大利亞采礦場地土壤修復中特別強調土壤種子庫的保護和建設,研究人員認為土壤種子庫是重建生態系統抵抗干旱擾動的關鍵[10]。土壤的微生物修復技術也是研究的重點。例如,在英國重金屬污染土壤的修復過程中,采用了生物炭和蚯蚓培育技術[11];在南澳大利亞州干旱砂礦的土壤修復中,提出了構建微生物生態銀行技術,這種技術能以最大限度恢復表土質量促進采礦場地重建,通過培育藍菌(Cyanobacteria)以促進生態結皮生長、表土穩定化[12]。

2.3 景觀恢復新技術

近年來,礦山景觀恢復受到越來越多的關注。例如,在加拿大關閉油砂礦的修復過程中,就特別強調景觀恢復,恢復技術包括加強斑塊的聯通性、地貌重塑、采場排水系統和地面水系的有機聯系、加強修復場地和周邊湖濱生態系統功能的協調等。澳大利亞露天礦山修復中注重模仿自然地貌來重塑景觀,這實質是對自然景觀的恢復,其中關鍵技術是增加地形的異質性[13]。冰島嚴重退化的礦山景觀恢復強調非生物因素的改善、利益相關者的參與、生態修復人員的培訓和引導等[14]。

近年來,礦山景觀恢復力的評估、礦山生態系統景觀服務價值、景觀尺度上的生態恢復、生態恢復過程中景觀結構和功能的響應和反饋、采后景觀的維持和優化、不同物種對景觀配置的影響、公共政策和社會過程對礦山景觀恢復的作用、景觀恢復效果評價這些問題也受到關注[15- 28]。

3 研究熱點

近三屆世界生態恢復大會,礦山生態修復的研究熱點變化主要表現在以下方面：

(1)復墾土壤和修復植物間的作用機理

據統計,約20%的報告和論文都涉及復墾土壤和種植的植被之間的相互影響問題。主要研究工作體現在,一方面,在植被種植不同年份后,調查植被根部土壤理化性質的改善狀況,以揭示土壤-植被相互影響的機理和效果。另一方面,針對不同土壤復墾模式如不同覆土厚度、不同土壤基底重構方式等,對植被的恢復效果進行調查和評價。除此之外,還有的論文和報告關注了土壤重金屬污染物遷移到植被的界面效應及其影響、在土壤水的約束下植被生長狀況和景觀變化、金屬礦山(金礦、鈾礦、銅礦等)開采區域復墾土壤重構及其對植被產生的影響等等。由于不同地區的氣候、土壤資源、植物物種都不一樣,植被和土壤相互作用機理十分復雜,所以要得到具有普遍意義的規律還需要加大研究力度。

(2)礦山生態修復監測技術

礦山土地復墾與生態修復工程浩大,而工程結束恰恰是植被生長、土壤質量提高、系統演替和穩定的開始,這就意味著礦山土地復墾與生態修復必須進行長期監測。只有通過長期監測,才能判斷生態修復工程的成功性。然而,很多國家學者都指出本國修復工程缺乏有效監管和長期監測。中國的礦山土地復墾與生態修復也存在類似的問題。

在過去三屆大會上,關于生態恢復監測技術方面的研究較多,主要涵蓋了社會監督、國際協議,還包括信息網絡、物聯網、大數據、移動客戶端(APP)等監測技術的聯合使用,還包括從結構和功能的監測到過程和性能的監測的重心轉變、建立國際生態恢復監測統一標準和程序等等。生態恢復監測的指標、植被等特定要素的監測、生態恢復的驅動力監測等是探討的重點。3S技術(GIS、GPS和RS)、物聯網技術、無人機技術、大數據技術以及社交網絡媒體技術是研究的熱點。

(3)本土物種保持與特定污染的土壤修復技術

在礦山植被恢復中,普遍主張栽植本土物種,從而防止外來物種的侵入。然而,近年來由于氣候變化,有一種觀點認為引入非本土植被更能適應氣候變化。澳大利亞學者通過試驗表明,本土植物的適應性更強,外來物種對氣候變化響應并沒有優勢,這印證了“local is best”的觀點[29]。除此之外,還有不少國家的研究人員探索了應當如何有效修復本土植物。例如,智利巴塔哥尼亞地區露天煤礦探索種植本土假山毛櫸的可能性[30];美國阿巴拉契亞山區露天煤礦修復時種植大量草和豆科植物以防止侵蝕和保證場地穩定,然而動物啃食等擾動導致本土雙子葉樹侵入,這不利于水土保持,研究發現增加土壤密實度可減少灌木和喬木的侵入[31];印度切利亞煤田研究種植本土樹木等。也有一些國家學者介紹本國礦山生態修復在控制外來物種侵入失敗的案例,建議要加強對生態恢復的監測[32- 34]。

金屬礦山修復中重金屬污染的控制和修復一直是學者關注的重點。研究案例的場地有美國遺棄的鈾礦場、南非金山金礦尾礦場、剛果加丹加省銅鈷采礦采場、秘魯亞馬孫東南鋁礦場、澳大利亞鐵礦場等。修復的方法包括隔離、覆土、地貌重塑、本土植被吸附等。有學者提出應當建立生物可利用砷的主導度量方法、選擇抗砷金屬強的植被、監測土壤砷遷移的技術體系。還有學者認為,用無人機定期監測場地重金屬污染物遷移是一個好的污染控制辦法。澳大利亞的研究人員認為鐵礦場地的修復必須引入生態生理學(Eco-physiological)和生態水文學方法(Eco-physiology)[35],美國的研究人員認為污染土地的修復中,恢復生態學和環境毒理學(Environmental toxicology)起到了關鍵作用[36]。

(4)應對全球氣候變化的礦山生態修復新思維

全球氣候變化對所有尺度的生態系統及其要素都可能產生影響。礦山土地復墾與生態修復規劃、設計、實施以及管理中如何考慮影響這種影響,受到各國學者的熱議。議題之一是全球氣候變化產生的極端氣候如洪災、旱災等自然災害對已修復生態系統的沖擊效應以及如何提高該生態系統應對這些變化的恢復力。議題之二是溫度異常升高或降低對植被生長的影響,以及物種篩選和種源策略。例如,澳大利亞干旱礦區植被恢復的主要挑戰是氣候多變、關鍵物種生長緩慢,木本植物卻很難再生。研究發現種子發芽的閾值與降雨、溫度有關,土壤含水量的時空變化可能制約了植物修復的效果[37]。議題之三是通過長期監測數據來證明現有修復工程是否具備恢復力[38]。例如,澳大利亞西南正經歷著顯著的氣候變化,1975—2004年降雨量相比1900—1974年減少了14%,而礬土礦區紅柳桉林地恢復的長期記錄為檢驗氣候影響提供了很好的信息。研究表明,氣候變化對恢復有負面作用,但是影響規模并不是很大,受影響的場地占恢復場地的比例小于二分之一,因此,礦山修復對氣候變化具有抵抗力[39]。

(5)礦山生態系統服務價值

2005年,千年生態系統評估項目報告發表后,生態系統服務價值的研究不斷升溫,近年來這個熱點也傳導到礦山生態系統修復中。例如,美國學者認為,礦山生態恢復是可持續采礦和復墾的結合,要體現經濟可行、生態溫和與社會期待,綜合的恢復方法包括景觀地形設計、河流重建、土壤重構、原始動植物通過替換種子庫,創建微觀和宏觀生境,以及本土物種的種植和播種等措施來恢復[40]。生態恢復的效益很多,包括被提高的土地價值、碳信用潛力、促進礦山資源開采利益相關方的合作、更好的水域保護和水質量,以及更好的生態系統服務等。來自中國的學者評估了關閉礦山社會生態系統恢復力及服務價值。蒙古草原深沙礦生態群落的恢復效果評價中采用了服務價值指標。德國礦山生態景觀自然恢復可行性評價中也考慮了生態系統服務如侵蝕控制或飼料生產等指標[41]。美國學者提出文化服務價值的恢復應該受到礦山生態修復的重視,應將本土文化和現代文化有機結合,保護本土文化有特殊意義,所以生態恢復中要關注“本土現代性”(Indigenous modernity)?？梢?礦山生態系統修復的服務價值開始逐漸受到重視。

4 新觀點

4.1 自然恢復和人工恢復的選擇標準需要探索

自然修復(Spontaneous restoration)或被動恢復(Passive restoration)是指不依靠人工干預或者最小化的人工干預達到生態恢復的目標,但是這種恢復方式一直受到質疑。相比之下,人工修復(Artificial restoration)或者主動修復(Active restoration)的原理和技術是研究的重點,也被認為是礦區生態修復的最基本方法。然而,最近三屆世界生態恢復大會上,自然修復和人工修復的選擇成為爭論的焦點。

捷克、澳大利亞、加拿大、德國、秘魯、阿根廷、菲律賓等國的礦山生態恢復學者調研了本國早期和近期修復的礦山生態系統,并與沒有受到采礦擾動的系統進行比較,發現近期人工修復系統的生物量比自然恢復系統恢復的快,而且土壤質量恢復的好,碳儲量也大,但是隨著時間的推移,自然恢復區生物多樣性更好,自然演替的效果也強于人工恢復區。捷克、德國學者認為,在中歐地區的破壞嚴重的礦區,采用主動修復是必要的,其他條件下,應依賴近自然恢復,因為近自然恢復場地生物多樣性更高,自我維持能力更強。德國學者研究認為,是否采取自然恢復手段取決于周邊景觀狀況、歷史、地區物種池中本土物種或者外來物種的共享、損失生境的快速補償的必要性、以及有關的生態系統服務如侵蝕控制或飼料生產。但是,阿根廷、南非、秘魯等國家學者卻得到不同的結論,例如南非金山金礦場尾礦庫種植的植被難以長期穩定,必須人工定期干預才能維持穩定性。對秘魯金礦山廢棄自然恢復場地植被結構的調查發現,不同恢復年限下,植被結構差異很大,且植被恢復較慢,需要主動恢復。由此可見,礦山生態修復中,自然恢復和人工修復兩種策略的優劣還需要繼續探索。

4.2 礦山生態恢復需要引入恢復力理論

礦山土地復墾和生態修復的核心不僅是治理破壞的植被或者退化的土壤,而且還應該建設生態系統恢復力,這一觀點得到越來越廣泛的認識。但是,礦山生態系統恢復力針對的擾動類型卻存在不同觀點。很多學者認為,礦山土地復墾和生態修復針對的就是采礦擾動,如沉陷、裂縫、滑坡、地下水破壞以及污染等。然而,有的學者認為這種看法必須改變。例如,加拿大油砂礦區的闊葉林生態系統的結構和功能十分復雜,且受到地形、土壤、植被和外在擾動等多種因素的影響,這個闊葉林生態系統是一個自適應系統。重建有恢復力的系統需要了解這個系統的自然演替、相互作用以及動態性。因此恢復力應包含兩種能力,一是從采礦擾動的恢復能力,二是從未來擾動中恢復的能力。據此,來自加拿大的研究人員提出恢復力建設的途徑,包括：1)重新建立與地形、土壤相匹配的樹種多樣性;2)使用定植苗技術來提高抗壓能力;3)利用表土和林地表層物質來促進多樣的、自然的林下植物群落的演替;4)利用粗木制材料來迅速啟動關鍵生態過程。另外,有學者認為目前提高土壤恢復力、植被群落恢復力、景觀恢復力等的路徑仍不清楚,澳大利亞學者還呼吁應重新定義Revegetation、Rehabilitation和Restoration,以利于明確恢復力建設的目標。

4.3 礦山生態修復需要重視新型礦山生態系統的設計及研究

隨著生活水平的提高,人們對精神文化、環境質量的要求也逐漸提高。早期礦山土地復墾與生態修復強調耕地復墾和高經濟效益,近來逐漸增加了對風景和休閑娛樂等生態服務價值的重視。新的恢復目標和方式完全改變了原有系統的結構和功能,被修復后的系統往往成為新型礦山生態系統。如何規劃、設計新型生態系統并保證它的恢復力,是參會代表討論的重點之一。例如,有的學者認為,新的生態系統,無論是偶然的還是特意設計的,都是由人類衍生出來的景觀和文化。在那些高度改變的景觀中,規劃和設計可以提升文化和美學品質,同時也增加生物與自然的相關性。也有相似的觀點認為,僅僅保證生態和景觀系統的持續性還不夠,應在尋求增加生態效用的足跡時,將之建設稱為生態功能再生的場所。

5 未來趨勢

從連續三次世界生態恢復大會關于礦山生態系統恢復的論文與報告來看,礦山生態系統是世界生態恢復研究的主要對象之一。植被、土壤和水的修復是礦山生態修復的核心主題,系統性、大尺度的生態恢復將是研究的重要方向。自然恢復的方法和技術將成為研究熱點,礦區社會生態恢復力建設將逐步受到重視,確保礦區生態系統的可持續性是這些研究的共同目標。