論引導型礦山生態(tài)修復

雷少剛，卞正富，楊永均

(1.中國礦業(yè)大學 礦山生態(tài)修復教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116; 2.山東省煤田地質局 采煤塌陷地與采空區(qū)治理工程研究中心，山東 濟寧 272100)

礦產資源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質基礎，長期高強度大規(guī)模的礦產資源開發(fā)帶來的生態(tài)環(huán)境問題不容忽視。礦產資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護是一對矛盾，礦山生態(tài)修復是解決這一對矛盾的有效途徑。我國礦產資源開發(fā)數(shù)量大、分布廣。截至2018年，我國非油氣礦山數(shù)量14萬余座，且多位于生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)，礦山生態(tài)修復形勢嚴峻。礦山生態(tài)修復已成為落實生態(tài)文明建設發(fā)展戰(zhàn)略，實施國土空間生態(tài)修復的重要“抓手”之一。在國家實施的山水林田湖草生態(tài)保護修復工程中，礦山生態(tài)修復與流域水環(huán)境治理、土地整治、污染與退化土地修復、生物多樣性保護并稱五大工程。我國礦山土地復墾起步較晚，礦山生態(tài)修復較土地復墾則更晚。近年來隨著生態(tài)文明思想深入人心，礦山生態(tài)修復正成為研究的熱點，我國土地復墾與生態(tài)修復相關理論與技術也有了明顯發(fā)展。但是，仍然存在礦山生態(tài)修復理論滯后于實踐需求，所采取的工程技術存在多個單體工程之間關聯(lián)性不夠、單一要素修復為主、缺乏系統(tǒng)性思維、生態(tài)修復針對性不強和目標單一、修復系統(tǒng)自維持能力弱、工程實施的技術標準缺乏、評價驗收的指標體系不科學等問題，亟需創(chuàng)新礦山生態(tài)修復理論與技術。

黨的十八大報告中明確提出：大力推進生態(tài)文明建設，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，堅持節(jié)約優(yōu)先、保護優(yōu)先、自然恢復為主的方針。中共中央國務院《關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》提出：在生態(tài)建設與修復中，以自然恢復為主，與人工修復相結合為基本原則。自然恢復和人工修復相結合的理念被廣泛接受，但相關的理論和技術研究明顯不足。“以自然恢復為主”、“與人工修復相結合”共同引出的基本科學問題是，人工如何“輔助”自然恢復、人工如何與自然恢復有機“結合”？其引出的關鍵技術問題是，當需要人工干預時，何時干預、何處干預、如何干預、干預到何種程度？在山水林田湖草沙生態(tài)保護修復(系統(tǒng)性修復思維)、基于自然的解決策略(Nature-based Solutions，NbS)等新思維和新形勢下，搞清這些基礎問題才能做到尊重自然規(guī)律，以利用生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復力，調控引導生態(tài)恢復進程，實現(xiàn)科學適度的人工干預，從而避免人工干預不夠或過度干預。

礦區(qū)土地修復或生態(tài)恢復過程中，自然恢復及人工干預均發(fā)揮著重要的作用，不同的學者對2者作用的重要性的認識存在差異。自然恢復是指外界干擾消失后，完全依靠生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復力，使受損的環(huán)境要素與生態(tài)系統(tǒng)(包括構成系統(tǒng)的各子系統(tǒng))，恢復到相對健康的狀態(tài)。但是，由于礦山開采對地層地貌、水文、生物、土壤等主要自然地理環(huán)境要素都產生了不同程度的損傷擾動，因此礦山生態(tài)系統(tǒng)是一種人類強干擾影響的生態(tài)系統(tǒng)，因此，礦山生態(tài)修復不能僅靠自然恢復，必須輔以適當?shù)耐饨缛斯ふ{控引導。卞正富等基于自然恢復與人工干預的結合，提出了“引導型礦山生態(tài)修復模式”，其根本目標是降低生態(tài)修復成本，促進受損生態(tài)系統(tǒng)恢復到自維持狀態(tài)；白中科等分析了人工支持引導生態(tài)系統(tǒng)自然修復的內涵與外延，探討了人工支持引導生態(tài)系統(tǒng)自然修復的路徑。劉英等提出基于植被覆蓋度時序變化與驅動因素分析是探索半干旱礦區(qū)植被引導型恢復有效方法的重要基礎與前提。現(xiàn)有研究還沒有闡述引導型礦山生態(tài)修復的理論原理、引導修復的生態(tài)關系、生態(tài)過程等問題診斷、引導修復方向設定、引導修復關鍵對象、引導修復合理程度等關鍵問題，為此，筆者將圍繞引導型礦山生態(tài)修復的基本原理和技術框架展開進一步分析論述。

1 引導型礦山生態(tài)修復的基本原理

礦山生態(tài)系統(tǒng)即特定礦山區(qū)域內生物與環(huán)境構成的綜合體，是一種受人類活動高強度干擾的受損生態(tài)系統(tǒng)。礦山生態(tài)系統(tǒng)與一般生態(tài)系統(tǒng)一樣，能提供生態(tài)服務功能；在外部擾動下，礦山生態(tài)系統(tǒng)內部通過復雜互饋作用，使系統(tǒng)維持在某種特定的穩(wěn)定狀態(tài)。這種使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)的特性表現(xiàn)為對采礦擾動的抵抗力和恢復力。礦山生態(tài)系統(tǒng)抵抗力即系統(tǒng)抵抗開采干擾的能力，或礦山生態(tài)系統(tǒng)受開采擾動后保持在平衡點的能力。恢復力是指生態(tài)系統(tǒng)遭受外界干擾破壞后，系統(tǒng)恢復到原有狀態(tài)的能力，是生態(tài)系統(tǒng)的一種內在能力。恢復力可以通過引入Fokker-Planck方程，計算出系統(tǒng)退出任何一個吸引域的平均預期時間，作為其定量評價方法。

依據恢復力“杯球模型”，當系統(tǒng)受到適度調控、合理建設及有效修復等正向驅動，系統(tǒng)則可從初始吸引域(穩(wěn)態(tài))轉移到較高級吸引域(穩(wěn)態(tài))；而當系統(tǒng)受到過度擾動、嚴重污染等負向驅動，系統(tǒng)則會經過逆行演替由初始吸引域轉移到退化吸引域，其概念示意如圖1所示。具體地，當開采擾動強度在系統(tǒng)的抵抗力和恢復力承受范圍，系統(tǒng)將維持在較原有的穩(wěn)定狀態(tài)，充填、源頭減損保護性開采的井工礦區(qū)可能會出現(xiàn)這種情況。當系統(tǒng)的抵抗力和恢復力較低，不能承受開采的擾動強度，系統(tǒng)將突破突變點進入退化吸引域。這種變化的后果是嚴重的，特別是對生態(tài)脆弱礦區(qū)，生態(tài)退化往往難以逆轉。當修復干預時，系統(tǒng)抵御恢復干預的能力過強或者干預程度不夠，無法突破生態(tài)閾值進入較高系統(tǒng)表現(xiàn)的吸引域。這種情況表現(xiàn)出土地復墾和生態(tài)修復難度大、不易成功的特點。

圖1 基于“杯球模型”隱喻的礦山生態(tài)系統(tǒng)演變過程

因此，引導型礦山生態(tài)修復的理論原理就是立足于礦山生態(tài)系統(tǒng)固有的恢復能力，通過科學的引導促進礦山生態(tài)系統(tǒng)從退化吸引域向初始吸引域或更高級的吸引域轉變；其核心任務是掌握采礦擾動與生態(tài)恢復機制，明確關鍵生態(tài)閾值和修復標準，科學實施干預措施，帶動受損生態(tài)系統(tǒng)通過自身的主動反饋不斷自發(fā)地走向恢復和良性循環(huán)。引導型礦山生態(tài)修復主要是對關鍵限制性因子或關鍵因素進行調控，其總體思路是使采礦擾動/恢復干預后參數(shù)值離閾值的函數(shù)距離更大，即擾動后參數(shù)遠離閾值，包括調控干擾、調控特定參數(shù)、調控函數(shù)關系、調控閾值4種途徑。需要說明的是，引導型礦山生態(tài)修復并不是一種全新的礦山生態(tài)修復模式，它是在系統(tǒng)性修復、NbS等新的思維和原則下，強調自然恢復與人工修復的有機結合，是對傳統(tǒng)人工修復模式的發(fā)展升級；其進步主要體現(xiàn)在利用生態(tài)系統(tǒng)固有的恢復能力，其修復對象更加明確、人工干預程度更加合理、修復成本有效降低、修復系統(tǒng)自維持能力提升等方面。

引導型礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復演替的方向、速率、結構和功能主要取決于其受損程度、自身所擁有的自然地理環(huán)境條件，以及引導干預的方式和程度。井工開采和露天開采是礦產開發(fā)的主要方式，其對生態(tài)環(huán)境的擾動影響差異明顯。因此，2者所采用的引導修復的方式和干預程度也不一樣。井工礦山開采擾動影響是由巖層破斷向地下水、土壤、植物生境影響的傳遞過程，具有明顯的井上下聯(lián)動性、空間異質性、局部有限性，而且各生態(tài)環(huán)境要素呈現(xiàn)較強的自恢復特征。因此，井工礦山生態(tài)系統(tǒng)的引導修復可主要依靠其固有的恢復力，輔以適當?shù)娜斯じ深A，快速促進其恢復到相對健康的狀態(tài)。露天礦山由于大規(guī)模的巖土剝離堆排，對地層、地貌、土壤、植被等關鍵環(huán)境要素都產生了“翻天覆地”的變化。因此，露天礦山引導型生態(tài)修復的難度及其所需的人工干預投入將明顯大于井工礦區(qū)，需要實施地層重構、地貌重塑、土壤重構、植被重建、水文重建、景觀重現(xiàn)與生物多樣性恢復等一系列修復環(huán)節(jié)。

2 引導型礦山生態(tài)修復的技術框架

引導型礦山生態(tài)修復的理論主要涉及恢復力理論、限制因子理論、生態(tài)適宜性理論、群落演替理論、工業(yè)生態(tài)學、景觀生態(tài)學、系統(tǒng)動力學等；在不同的自然區(qū)域、開采方式、修復方向、生態(tài)問題、修復目標下，引導型礦山生態(tài)修復的內容、引導修復的程度、技術措施等都是不一樣的；其共性的技術環(huán)節(jié)包括，礦山生態(tài)問題調查診斷、引導修復方向設定、引導修復的關鍵對象或部位的確定、引導修復的合理程度或生態(tài)閾值(修復標準)的識別、以及引導修復技術措施等環(huán)節(jié)。各技術環(huán)節(jié)涉及的主要內容如圖2所示。

圖2 引導型礦山生態(tài)修復技術框架

(1)生態(tài)問題診斷。生態(tài)問題調查診斷是礦山生態(tài)修復的必要環(huán)節(jié)，決定了引導型生態(tài)修復后續(xù)各個環(huán)節(jié)的科學性。傳統(tǒng)礦山生態(tài)問題調查易出現(xiàn)為調查而調查的情況，突出表現(xiàn)在調查評估結果對修復工程設計、修復技術篩選和修復標準確立等環(huán)節(jié)的指導價值低。引導型修復需要依托調查、遙感、測試、統(tǒng)計等多種調查分析手段，診斷影響或阻礙受損生態(tài)系統(tǒng)自然恢復進程的關鍵限制性因子，發(fā)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境自然規(guī)律、擾動響應規(guī)律、生態(tài)變化過程、生態(tài)要素間相互關系及生態(tài)系統(tǒng)或環(huán)境要素的生態(tài)閾值等深層知識信息，以支撐礦山生態(tài)系統(tǒng)引導修復。簡而言之，就是要是在常規(guī)調查監(jiān)測評價基礎之上，進一步識別礦山生態(tài)關系、過程、規(guī)律等知識信息，為引導修復方向、標準和方案的制定提供科學參考。

(2)引導修復方向。我國礦山數(shù)量多、分布廣，自然、社會、經濟條件等存在地域分異特征和一定程度的區(qū)域聚集性。因此，不同區(qū)域不同類型礦區(qū)生態(tài)修復方向應該是差異化的。應依據礦山生態(tài)系統(tǒng)所處區(qū)域的主導生態(tài)功能、自然恢復力和社會經濟條件等生態(tài)修復條件，劃分多個生態(tài)修復與環(huán)境治理方向，主要包括：環(huán)境封存型、自然恢復型、地質安全保障型、生態(tài)復綠型、林草利用型、農業(yè)復墾型、旅游景觀型、城郊開發(fā)型等。例如：對于社會經濟條件較差，自然恢復力較弱的礦區(qū)，可以將生態(tài)復綠作為修復方向，即在消除地質災害隱患之后，實施土地復墾和生態(tài)修復，恢復水土保持、防風固沙等重要生態(tài)系統(tǒng)功能，維持生態(tài)安全。為加強礦產資源與土地資源協(xié)同開發(fā)，實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用與經濟效益提升，可以加大人工干預，以林草利用或農業(yè)復墾為修復方向。不同生態(tài)修復方向其所需的人工干預的程度是不一樣的。當然，這些修復類型方向，只是主導修復類型方向，并不具有明顯的排他性。例如徐州礦區(qū)的采煤塌陷地就是農業(yè)復墾、旅游景觀、城郊開發(fā)等修復類型的組合。不論哪種修復類型，都需要遵循保護優(yōu)先、源頭過程減損；生態(tài)保護與修復并舉、自然恢復和人工修復并重，著力提高生態(tài)系統(tǒng)自維持能力等基本原則。

(3)引導修復對象。引導型礦山生態(tài)修復的對象重點包括，障礙性或限制性因子、關鍵環(huán)境要素、重要景觀斑塊與廊道、生態(tài)流等方面。礦產開采形成的障礙性因子(如污染物、地裂縫等)或限制性因子(如潛水位、土壤水、坡度等)是采后生態(tài)系統(tǒng)受到的主要生態(tài)脅迫。BRADSHAW指出生態(tài)恢復過程中有效識別影響生態(tài)恢復中關鍵限制性因子，并對其進行適度合理的人工干預后，自然恢復便可更加順暢的進行。因此，消除障礙性因子和調控限制性因子也是人工引導修復關鍵任務；主要可通過生態(tài)環(huán)境整治、理化性質改良、生物學修復、系統(tǒng)綜合管理等措施為生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復提供更優(yōu)的基礎條件。圖3為生態(tài)系統(tǒng)在多個不同狀態(tài)，突破障礙限制因子實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉移的示意，在生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞區(qū)域(圖3(a))，必須人工強干預，消除非生物等障礙性因子；然后，通過改善動植物群落等生物性限制性因子(圖3(b))，促進系統(tǒng)突破生物限制性因子閾值，從而實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)自然恢復和自維持，達到完好狀態(tài)(圖3(c))。

圖3 引導系統(tǒng)突破限制性因子實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉移示意(改編自文獻[3,10])

引導型生態(tài)修復對象還應包括關鍵環(huán)境要素、重要景觀斑塊與廊道、生態(tài)流等方面。生態(tài)系統(tǒng)的臨界轉變往往伴隨著生態(tài)系統(tǒng)空間自組織格局的變化。景觀是由相互作用的多個生態(tài)系統(tǒng)組成的異質性地理單元。通過修復、創(chuàng)建或重組等手段調整斑塊、廊道、生態(tài)網絡等關鍵景觀組分，有助于景觀內各生態(tài)系統(tǒng)單元之間的關系調控，改善受損生態(tài)系統(tǒng)功能，也有利于規(guī)避生態(tài)系統(tǒng)臨界點的到來，以維持其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)引導修復合理程度。確定人工干預的合理程度是引導型生態(tài)修復的關鍵問題之一。在礦區(qū)周邊未擾動的自然生態(tài)系統(tǒng)中，可選定相似合理的參照生態(tài)系統(tǒng)作為礦山生態(tài)系統(tǒng)人工干預合理程度的判定方式之一。然而，由于礦山生態(tài)系統(tǒng)并不一定要修復到采礦前或與周邊自然生態(tài)系統(tǒng)相同；而且，自然生態(tài)系統(tǒng)是長期演替形成的，而自然恢復與人工干預相結合的礦山生態(tài)修復往往需要一個較長自恢復、自適應過程；也就是說前期人工引導修復到合理程度后停止人工干預，轉為生態(tài)系統(tǒng)依靠其自然恢復能力，并經過較長的時期才能達到周邊參照生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，而不是一蹴而就。因此，選擇參照生態(tài)系統(tǒng)需要注意其代表性與可行性。

特定區(qū)域的生態(tài)單元以及生態(tài)要素之間的生態(tài)關系往往存在固有的關系、過程。因此，也可以利用周邊自然生態(tài)系統(tǒng)主要的生態(tài)關系來判斷引導修復的合理程度。20世紀70年代ROBERT指出生態(tài)系統(tǒng)的特性、功能等具有多個穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)之間存在生態(tài)閾值。生態(tài)閾值包括閾值點和閾值帶2種類型。生態(tài)閾值為生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)之間的一個臨界值，穿過這個臨界值后，系統(tǒng)狀態(tài)變量發(fā)生突然的較大改變。因此，生態(tài)閾值可以作為人工干預合理程度的判別標準。生態(tài)閾值識別，首先需要通過梯度觀測、控制實驗、模型模擬等方法獲取足夠基礎數(shù)據，來反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量和控制參數(shù)的變動情況，然而通過統(tǒng)計方法考察生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量和控制參數(shù)的統(tǒng)計學特征和相互關系，從而識別生態(tài)閾值。一方面，可以統(tǒng)計生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量或控制變量隨時間的變化特性，考察統(tǒng)計學指標，如均值、方差、標準偏差、條件異方差、自相關、偏度的異常變化，實現(xiàn)對狀態(tài)變量或控制變量閾值的識別。另一方面，可以構建生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量對控制參數(shù)的響應函數(shù)，響應函數(shù)一般有連續(xù)漸變函數(shù)、階躍變化函數(shù)、帶時滯的狀態(tài)變化函數(shù)、不可逆變化函數(shù)4種類型。通過分析響應函數(shù)的極限、收斂、拐點特征，進而識別生態(tài)系統(tǒng)控制參數(shù)的閾值。

礦山生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變量通常是人們較為關心的生態(tài)系統(tǒng)結構、功能、服務等表現(xiàn)指標，如植被覆蓋度、水土保持量、生物量、生產力等，控制參數(shù)為各類采礦干擾的程度和生態(tài)系統(tǒng)基礎條件，如采高、采厚、導水裂隙帶高度、土壤含水量、潛水埋深、表土層厚度、土壤有機質含量等。礦山生態(tài)系統(tǒng)閾值的識別可基于生態(tài)調查感知，按照觀測、響應函數(shù)建立、閾值判別、效應分析4個步驟。例如，通過野外梯度觀測，可構建半干旱礦區(qū)土壤含水量(SWC)和反映植物生理狀況的葉片最大光化學效率(/)2者間的關系響應函數(shù)(圖4)。通過分析響應函數(shù)，發(fā)現(xiàn)存在明顯的拐點，即當土壤含水量低于8.91%時，/隨著土壤含水量的降低急劇降低，受到脅迫影響。因此，可以得到植物生長開始受到脅迫的土壤含水量閾值為8.91%。因此，礦區(qū)土壤含水量8.91%這一閾值可以作為引導型生態(tài)修復合理程度的標準。

圖4 葉片最大光合作用效率對土壤含水量的響應[17]

(5)引導修復措施。引導型礦山生態(tài)修復強調人工修復與自然恢復的有機結合，是對以人工修復為主的傳統(tǒng)礦山生態(tài)修復模式的升級發(fā)展。礦山生態(tài)修復技術是否適宜，不在于技術水平高低或難度大小，而取決于所篩選修復技術與關鍵生態(tài)問題的針對性與經濟性。因此，引導型生態(tài)修復和傳統(tǒng)生態(tài)修復模式所采用的生態(tài)修復措施本質上沒有差別，不同的是引導型生態(tài)修復模式強調的是適度人工干預，也就是要求人工干預必須有針對性、及時性、持久性和有效性。引導型生態(tài)修復模式所需的修復技術特點在于，強調各個引導修復技術措施的系統(tǒng)性、接續(xù)性、針對性和經濟性；一定是針對關鍵的修復對象、生態(tài)問題、生態(tài)關系、生態(tài)閾值，能降低生態(tài)修復成本，帶動提升生態(tài)系統(tǒng)自維持能力。例如，在西部半干旱地區(qū)大型煤炭基地引導型生態(tài)修復實踐中，采用的一些較適宜的引導修復技術包括，采后覆巖導水裂隙人工化學引導修復，臨時性與永久性地裂縫的差異化治理，中性區(qū)、壓縮區(qū)、拉伸區(qū)分區(qū)治理模式，基于植被演替規(guī)律的植物互惠配置，基于空間格局優(yōu)化和關鍵物質流調控的景觀生態(tài)恢復，排土場分布式保水控蝕技術，基于自然地貌特征的近自然地貌重塑技術等。

3 結 語

在國家生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略形勢下，在山水林田湖草沙系統(tǒng)性生態(tài)保護修復指導思想下，堅持“以自然恢復為主，與人工修復相結合”的基本原則，破解人工干預和自然恢復之間的爭議和困惑，促進人工修復與自然恢復相協(xié)同是當前礦山生態(tài)修復的亟待解決的理論和技術問題之一。引導型礦山生態(tài)修復是“基于自然的解決方案(NbS)、自然為主人工為輔”這些基本生態(tài)保護修復理念在礦山領域的具體實踐探索。引導型礦山生態(tài)修復模式強調的是適度人工干預，即人工干預必須有針對性、及時性、持久性和有效性；是對傳統(tǒng)人工修復模式的發(fā)展升級，其立足于生態(tài)系統(tǒng)恢復力，通過對生態(tài)問題和擾動響應機理系統(tǒng)化診斷，揭示采礦擾動與生態(tài)恢復機制，探明關鍵生態(tài)閾值，科學實施干預措施，帶動促進受損生態(tài)系統(tǒng)恢復到自維持狀態(tài)。礦山生態(tài)關系、過程、規(guī)律的感知是引導修復的前提；障礙性和限制性影響因子和生態(tài)過程是引導修復的主要對象；生態(tài)閾值和生態(tài)參數(shù)的調控是合理引導的關鍵。礦山生態(tài)修復是一個多尺度、多要素、多時相、多過程、多學科、多領域的科技難題，如何科學認識并利用自然力量，引導受損礦山生態(tài)系統(tǒng)自維持，尤其需要加強對礦山生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律、演變機理、生態(tài)過程、生態(tài)關系、生態(tài)閾值、以及環(huán)境要素間相互關系等機理問題診斷與深層次知識發(fā)現(xiàn)。