煤矸石山生態恢復的主要路徑

楊鑫光,李希來,王克宙,李志煒,馬盼盼

1 青海民族大學生態環境與資源學院,青海省特色經濟植物高值化利用重點實驗室,西寧 810007 2 青海大學農牧學院,西寧 810016 3 中國地質工程集團有限公司,北京 100093

煤礦開采業是世界重要的工業產業之一,煤礦開采活動特別是露天煤礦開采造成了嚴重的環境問題,歸納起來主要有三類。一是地質結構破壞問題,包括采煤引起的地面沉陷、坍塌、泥石流、地裂縫,以及較大范圍及程度的景觀改變等[1—3],對于堆積的煤矸石山來說,主要是邊坡不穩定造成的泥石流、滑坡等次生災害問題；二是環境污染問題,主要為采煤過程中及結束后(包括煤矸石山堆積)產生的廢氣、廢水和固體廢棄物對周邊環境的危害,包括大氣污染、地下水污染、重金屬對土壤的污染等[4—6]；三是生態破壞問題,主要為植被和土壤的破壞,煤礦開采對植被造成巨大破壞,表層土壤剝離或被廢棄物覆蓋,形成的煤矸石山植被缺失,土壤物理性質差,氮磷鉀等土壤營養含量低,土壤pH增加,不利于植物良好生長[7—10]。

恢復生態學形成于20世紀80年代。90年代國際生態恢復學會提出,生態恢復是幫助研究生態整合性的恢復和管理過程的科學,生態整合性包括生物多樣性、生態過程和結構、區域及歷史情況、可持續的社會實踐等廣泛的范圍[11]。生態恢復的目標是通過修復生態系統功能并補充生物組分,使受損的生態系統回到一個更自然條件下,最終實現生態系統的可持續性和自我發展[12—13]。生態恢復的理論基礎之一為自我設計與人為設計理論[14],自我設計理論認為,在充足的時間條件下,隨著時間的推移,退化生態系統將根據環境條件合理地組織并最終改變其有效組分；人為設計理論認為,通過工程方法和植物重建可直接恢復退化生態系統,但恢復類型可能是多樣的。由于受損煤礦區特別是煤矸石山生態系統嚴重退化,自然演替過程將非常漫長甚至根本不會發生,其恢復的理論依據應主要采取人為設計理論,即需要通過施加人工干預手段來恢復煤矸石山土壤和植被,盡管恢復后的生態系統與原始群落相比其群落組成可能會出現較大差異[7]。從以往研究來看,受損煤礦區生態恢復研究往往側重于土壤復墾、植被恢復的技術手段以及管理方式的轉變等[15—16],對于利用生態恢復學原理系統梳理煤矸石山生態恢復的關鍵路徑方面缺乏思考,從煤矸石山地質安全問題處理直到生態系統的構建和穩定發展,每個階段的問題和應對措施未有深入研究。本研究著重關注煤矸石山生態恢復的主要路徑,包括采取穩定性評估和人工干預、土壤選擇和改良、物種選擇和人工建植、土壤種子庫的形成和物種繁衍、生態系統健康評估和補充措施等,主要解決地質安全、土壤環境、植被恢復、種群繁衍、生態系統穩定性等幾個方面問題,最終目標為維持煤矸石山生態系統穩定,具體如圖1所示。通過系統歸納煤矸石山生態恢復主要階段存在的問題及解決路徑,提出下一步研究的重點方向,旨在為煤矸石山生態系統恢復實踐提供理論支撐。

圖1 煤矸石山生態恢復技術路線框架圖Fig.1 Technical route framework for ecological restoration of coal mine spoils

1 煤矸石山地質安全問題及處理方式

煤矸石山由采煤過程中大量煤矸石和廢棄物堆積而成。煤矸石山在堆積過程中如果事先沒有合理規劃,隨意堆積存放,將會引起地質安全問題,甚至引發塌方、滑坡、泥石流等地質災害。對于煤矸石山在生態恢復中可能會遇到的地質安全問題,首先要開展礦山地質安全監測工作,調查其地質安全風險,對堆積的煤矸石山邊坡進行穩定性分析和評估,查找存在的隱患,提前采取有針對性的措施降低風險,提高穩定性。目前,對礦山地質安全問題的評價主要集中于對地質環境質量的評價,采用的方法有：指標加權評價法、模糊判別法、層次分析法等[17—18],由于影響因子較多,評價因子的選取也不盡相同,與煤矸石山地質安全有關的評價因子有崩塌、滑坡、水土流失等。以上指標的選取與評價主要體現了地質災害發生后的結果,對于通過煤矸石山穩定性評價提前預防地質災害、開展邊坡穩定性處理等方面意義不大。

近年來,在土壤和巖體的邊坡穩定性評估和滑坡預警模型建立方面開展了大量研究[19—20],而對煤矸石山穩定性評估方面的研究相對較少。有學者依據力學原理,在煤矸石山坡面土壤抗沖性、抗剪強度特性等方面進行了研究,為煤矸石山的穩定性分析提供了思路[21—22]。通過在煤矸石山種植草本植物提高蓋度,在坡面形成根-土復合體,能夠有效提高邊坡抗剪強度,同時發現,土壤含水量、密度、顆粒大小等土壤物理性質影響土壤粘聚力大小,其中土壤含水量、土壤密度與土壤粘聚力分別達到顯著正相關、極顯著負相關[23]。對重慶萬盛南桐礦區胡家溝矸石山滑坡災害成因分析,造成煤矸石山滑坡的原因主要有地形、降水、自燃和噴爆等[24],這些因子也可以作為煤矸石山穩定性評估因子。對黃土邊坡穩定性分析的研究表明,邊坡安全系數與凍融次數、凍融深度及含水率等密切相關[25],隨著凍融循環的進行,極有可能導致邊坡失穩破壞。此外,環境溫度變化能夠造成煤矸石山山體內部發生膨脹或收縮,巖層或土壤的這種變化也會對煤矸石山穩定性產生影響。以上研究總體上來說各有側重,未能形成煤矸石山穩定性綜合評估體系。針對煤矸石山邊坡穩定性評估,可以采取礦山地質環境質量評價的相似方法,在因子選擇上,應選擇與煤矸石山穩定性評估密切相關的指標,如力學、氣象、物理、地貌及自燃等指標。圖2中,初步構建了煤矸石山穩定性評估的指標體系,根據實際情況,可以相應增加或縮減指標。

圖2 煤矸石山穩定性評估指標體系Fig.2 The index system of stability evaluation of coal mine spoils

對于經評估后穩定性風險比較大的煤矸石山,為降低風險,防止水土流失和滑坡,同時有利于植被生長和土壤恢復,需采取人工干預措施開展整形,具體方式有坡改梯、排土壓腳、削坡降高,下滑區減重、坡面種植、修建排水溝、修建截洪溝等。實際操作中,應根據當地地質狀況及特點,采取操作簡易、節約成本、效益顯著的方式[11]。以青海省天峻縣江倉煤礦區為例,首先將煤矸石山坡面整形為坡度小于25°的坡臺式,底部修筑圍堰防止滑移,在此基礎上,采取覆蓋深層底土、人工建植、施肥、覆蓋無紡布等組合方法,邊坡治理工作成效顯著[7,26]。對于煤矸石山自燃可能引發的次生災害問題,應堅持預防為主和科學有效的方針,采用紅外熱成像、多參數氣體檢測、鉆孔測溫等方法強化自燃環境監測與評估[27—28],將煤矸石山劃分為不同的防控區域[29],因地制宜地采取覆土、隔絕氧氣、直接挖出、注漿、灌水等措施消除矸石山自燃隱患,同時對參與監測評估和施工作業人員進行專業技術和安全培訓,并配備防護用具,防止安全事故發生。

2 煤矸石山土壤環境問題及恢復途徑

2.1 土壤環境問題

礦山開采特別是露天采礦活動造成地表植被剝離,大量煤矸石與廢棄物堆積形成煤矸石山,不僅使土地毀損和被侵占,而且造成土壤侵蝕、地下水污染等,嚴重危害區域生態安全[7,30]。同時由于表層土壤喪失,造成煤矸石山基質養分含量低、土壤pH值失衡、持水能力差,土壤質量嚴重下降,植物幾乎無法正常生長[31—32]。歸納起來,煤矸石山土壤環境問題突出表現為：堆放采礦剝離物、廢石、礦渣、粉煤灰等固體廢棄物壓占土地；有害成分和化學物質進入土壤造成污染；表土破壞嚴重,土壤理化性質差等。此外,煤矸石在堆放過程中一定程度上造成了資源浪費。

2.2 修復的主要措施——土地復墾

由于土壤可作為植物生長的基質和物質基礎,能夠提供必要的支撐及水分、養分[33—34],為建立起煤矸石山人工植被生態系統,首先需要創造能夠使植物正常生長發育的土壤環境條件,土地復墾顯得尤為重要。依據2011年國務院頒布實施的《土地復墾條例》,土地復墾是指對生產建設活動和自然災害損毀的土地,采取整治措施,使其達到可供利用狀態的活動。經過歸納整理,煤矸石山土地復墾一般有三種方法,一種是將煤矸石山回填采礦坑或者塌陷區,減少煤矸石占地,并進一步復墾塌陷區[35]。此外是對煤矸石進行綜合利用,主要利用方式有煤矸石發電、生產水泥和磚等建材、筑基修路、提取有價元素等。第三,土地平整及坡面整形后,通過客土覆蓋、表土回填等方式整治受破壞的土地,恢復煤矸石山土壤基質,改善土壤性質,為后續人工建植及生態系統的恢復打下基礎[7,36]。煤矸石山土地復墾方式的選擇,應當依據當地恢復目標和可能實現的途徑,綜合經濟、生態、社會等價值進行考慮。在煤矸石無法進行回填或者綜合利用的情況下,需要采取覆土的方式恢復煤矸石山土壤基質,再通過人工建植進一步恢復生態系統,避免煤矸石山長期暴露造成環境污染和地質災害。本文以下所提土地復墾,重點強調通過覆土、土壤改良等措施恢復煤矸石山土壤理化性質,因為土壤理化性質的改善對于植被恢復能否成功非常重要[37]。許多研究表明,隨著土地復墾時間的延長,土壤中有機質、速效養分等含量增加,土壤理化性質得到改善,物種多樣性增加,土壤種子庫逐步形成,植被得到恢復[38—40]。由此可見,在煤矸石山開展土地復墾,為進一步推動植被及生態系統恢復提供了重要的物質保障,是煤矸石山生態恢復的重要環節之一。

2.3 覆土及覆土厚度

煤礦開采特別是露天開采后,若剝離表土未受較大破壞,可以選擇表土回填覆蓋的方式來進行煤矸石山土地復墾,一方面表土中原始植被和土壤種子庫種子全部或部分保留,能夠為下一步開展植被恢復創造更好條件,另外表土理化性質好,營養含量高,有利于植物生長發育,因此采用表土回填覆蓋的方式是煤矸石山土地復墾的優先方式。需要指出的是,表土回填覆蓋不能破壞周邊原始植物群落的表層土壤,只有在周邊有采礦剝離表土的情況下,才能進行回填和覆蓋。在很多情況下,采礦過程中表土嚴重破壞,表土土壤無法獲取,可選擇距離較近、容易獲取的土壤(如礦坑中的土壤及深層底土)作為煤矸石山基質[7,26]。對于周邊無法獲取土壤的煤矸石山,則需要選擇客土覆蓋的方式,客土的選擇應當按照土地復墾的目標(經濟目標或生態目標)和獲取的難易程度有針對性地開展,如選擇黃土、城市污泥、工業廢棄物等。徐良驥等利用粉煤灰作為土壤基質進行礦區覆蓋填充,表土質量較好,農作物生長正常[41]。

在土地復墾中,適宜的覆土厚度是其中的一項關鍵技術,目前主要研究集中于覆土厚度對于植物生長及土壤特性的影響等方面[11]。在植物群落結構特征方面,有研究表明,覆土能夠顯著提高植被物種組成,而未覆土的煤矸石山則幾乎沒有植物生長[32]。隨著覆土厚度的增加,植物群落豐富度和多樣性指數逐步增加,但是覆土過厚反而降低其生物多樣性[42]。群落多樣性變化主要與植物對環境的適應能力、不同植物種間競爭、外來物種的入侵、不同的群落演替階段、土壤種子庫等多方面因素有關,覆土對群落多樣性的影響需要深入研究；植物生長特征方面,隨著煤矸石山覆土厚度的增加,植物蓋度和地上生物量均顯著增加,植物生長相對更加高大[7]。相同的植物在不同的氣候和土壤條件中根系分布是不相同的[43],在同一氣候條件下,根系的生長和垂直分布與土壤質地、水分含量、營養狀況等土壤有效供給狀況密切相關[44],覆土深厚的土壤有效供給相對更高,植物根系得到延伸拓展,從而能夠吸收更多水分及土壤營養元素,促進植物更好生長[11]。但是覆土過厚對植物生長并沒有太大幫助,反而增加生態恢復的經濟成本；土壤性質方面,隨著覆土深度的增加,土壤理化性質得到改善,土壤有機碳增加[35,45—46],土壤有機質(有機碳)儲存積累被認為是礦山生態恢復成功的一個重要標志[39]。從減少經濟投入的角度出發,可以用大量施肥代替人工覆土,利用植物——土壤相互促進作用,逐步實現生態系統的穩定發展[32]。總結以上研究成果,煤矸石山土地復墾工作當中,應該綜合植物類型、生長特性、立地條件、填充物的獲取便利程度及經濟承受能力等,采取最適宜植物生長發育的覆土厚度或相應復墾措施。

2.4 土壤的改良

煤矸石山覆土后一定程度上具備了植物生長所需土壤環境條件,但是煤矸石山充填復墾土壤類型不同,基質營養元素含量往往差異較大,特別是營養元素含量低會嚴重影響植物正常生長。此外,煤矸石山在堆積和土壤復墾過程中,往往伴有重金屬元素的累積,造成環境污染。針對以上煤矸石山充填復墾土壤特點,需要結合實際對煤矸石山土壤基質進一步進行改良,以利于植物生長,同時減少土壤和水環境污染[11]。

對于土壤營養元素缺乏問題,采取的修復方法之一為種植豆科牧草,如通過種植紫花苜蓿、小冠花等豆科牧草,固定大氣中的游離氮素,增加土壤碳氮含量,提高土壤肥力[47]。另外,施肥有利于土壤肥力增加,是恢復退化生態系統的有效手段。一般情況下,通過施用速效氮磷鉀肥料,土壤中的速效營養元素含量可以得到有效提升[48],而對土壤全氮、全磷等含量的影響不大[49]。同時,施用速效肥能夠加快植物生長,生物量積累和分解增加了土壤中的有機質(有機碳)含量[50],而土壤有機質含量增加是煤矸石山土壤肥力增加的重要依據[51]。由以上分析可見,在煤矸石山極端貧瘠的土壤條件下,可通過施用速效肥料快速增加土壤營養元素含量,對于后續人工建植及生態系統的成功恢復具有重大促進作用。但是這種促進作用應該是在一定范圍的施肥量之內,施肥過多會對植物造成傷害,反而不利于植物生長[52]。鑒于有機肥含有大量有機質,具有改良土壤通氣性能和蓄水狀況、增加肥力等作用,煤矸石山復墾過程中,應該優先選用有機肥,或者速效肥和有機肥配合施用[53],有效改善煤矸石山土壤理化性質,在實際操作過程中,具體施肥類型和施肥量可結合煤矸石山生態恢復實際需求,采取經濟有效的方式。近年來也有研究報告,通過對人工建植植物接種叢枝菌根真菌,能夠促進土壤營養有效性和酶活性,提高土壤肥力,促進植物在貧瘠的土壤環境中生長,有利于煤矸石山植被恢復[54—55]。

對于煤矸石富含重金屬問題,通常采用的土壤修復方法有三個方面。一是物理修復,包括熱解吸、土壤淋洗、電動修復等；二是化學修復,包括添加土壤改良劑、活性劑等；三是生物修復,包括植物、動物和微生物修復等[11]。近年來,由于土壤改良劑和植物修復技術操作簡便、成本較低,在重金屬污染土壤治理中得到普遍應用[56]。在煤矸石山土壤改良中,通過使用客土、城市污泥等作為土壤改良劑改善土壤理化性質,在此基礎上選擇并種植重金屬富集和轉移能力強的植物,能夠顯著降低土壤重金屬含量[57—58],改良期間,需要對超富集植物成熟后進行適當處理,避免二次污染。此外,針對煤矸石山復墾土壤酸堿失衡問題,在強化土壤酸堿性質監測分析基礎上,也可采取施用土壤改良劑配合植物修復措施,逐步調節土壤酸堿平衡,推動煤矸石山復墾土壤向中性過度。

煤矸石山土壤質量高低主要涉及土壤的獲取及覆土厚度、土壤理化性質改善、土壤重金屬污染防治等方面,今后在提高煤矸石山土壤質量基礎上,需要更加關注土壤恢復成本、恢復技術可行性、恢復效益等方面,采取既經濟又有效的方式改善煤矸石山土壤環境條件,以利于后續開展人工建植。

3 煤矸石山植被恢復問題及采取措施

植被恢復是退化生態系統修復中的重要環節之一,其根本是恢復遭受破壞的生態系統,最終實現系統的自我更新和穩定發展[11]。一般來說,植被恢復有自然恢復和人工恢復兩種方式。自然恢復應當滿足自然和生物兩個條件,一方面需要恢復地周邊物種繁殖入侵能力較強,此外需要具備外來物種正常生長發育的環境條件,如平均海拔1000米左右的陜蒙交界地區,自然條件適宜當地物種入侵,自然恢復能夠有效提高植被覆蓋度[59]；又如泥炭沼澤地等具有適合種子著床并萌發的立地條件,自然恢復也是一種有效的恢復方式[60]。但是對于絕大多數煤矸石山來說,由于表層土壤的損失改變了生物和非生物環境,植物立地條件受到嚴重限制,極大影響了植物的正常生長發育[61—63],使得自然恢復很難實現或者根本實現不了。為此需要通過人工建植,加快煤矸石山生態系統恢復進程[64]。

3.1 物種的選擇

由于植被破壞嚴重,對于煤矸石山恢復初期來說,通過人工建植盡快達到較高水平的植被覆蓋度和生物量顯得尤為重要[11]。首先應根據氣候帶植物分布規律、不同立地條件及最終恢復目標,合理選擇人工建植的植物品種。不同植物種的適應能力不同,在相同環境條件下的生長繁衍能力也不同,在煤礦廢棄地植被恢復試驗中發現,8種供試植物在植苗造林中的成活率介于86.67%到47.28%之間,不同品種間差別很大[65]；對青藏高原受損煤礦區垂穗披堿草、冷地早熟禾、星星草3種人工栽培禾本科植物的適應性研究發現,更適合低溫環境條件下生長的植物為垂穗披堿草、冷地早熟禾[66]。選擇適宜的植物種對于煤矸石山植被恢復具有重要意義,如果物種選擇不當,生長成活狀況差,就有可能造成生態恢復失敗[11]。

為保證選擇物種的生態環境適應性,有研究者傾向于選擇栽種本地物種[67],這種選擇要以本地物種能夠適應新的生長環境、具有成熟的種子并且能夠正常繁衍為基礎。由于采礦破壞了原有生態環境,當地植物種不一定能夠適應煤矸石山形成的特殊生境,通過種植原始群落優勢物種并不一定可行。比較有代表性的如青海木里高寒礦區煤矸石山,由于原始植被土壤腐殖質形成過程漫長,加之種群一般以營養繁殖為主[7,68],受到立地條件及繁殖策略的極大限制,在恢復初期本地物種無法作為恢復煤矸石山的物種,為此應選擇能夠快速生長繁衍的外來物種作為先鋒植物。近年來研究發現,不同生長特性物種相結合、本地物種和外來物種相結合等人工建植方式(多種植物的組合方式)應該是生態恢復的更好方式,可以在恢復初期快速生長,形成有效蓋度和生物量,后期保障人工草地群落的多樣性和穩定性[69—70]。總之,煤矸石山生態恢復物種的選擇應該具備幾個基本條件：適應當地自然環境；適應貧瘠土壤；能夠正常生長發育,抗逆性強；能夠形成較高蓋度,地下根系伸展良好；兼顧經濟效益和生態效益[71—72]。物種的適應性是環境和遺傳長期相互作用的結果,目前對于物種的適應性研究基本為短期研究結果,并不能有效鑒別外來物種受環境的影響程度[73],煤矸石山人工建植物種的適應性和恢復潛力研究需要長期的觀測過程。

3.2 人工建植方法

在物種選擇基礎上,許多研究者對不同的人工建植方法進行了探索和對比,以期達到最佳的建植效果[11]。物種組合方面,對煤矸石山6種植被類型的恢復效果研究發現,與栽培單一植物種相比,側柏+刺槐和榆樹+紫穗槐混交模式對土壤養分的增加效果較好[74]。肥料組合方面,通過研究不同的施肥方式對受損礦區土壤肥力和人工植被的影響,結果表明速效肥料、堆肥、石灰等均不同程度促進了植物生長,改善了土壤理化性狀,但是長期來看,堆肥的使用效果更好[75],在實際應用中,應當根據土壤營養狀況適時補充速效養分和有機質[76]。種植技術方面,不同的種植技術下露天煤礦排土場植被和土壤恢復效果是不同的,與旱梯田坡面建植法、旱坡植生袋建植法、沙柳圍護建植法相比較,穴鋪植生袋建植法的植被和土壤恢復效果最好[77]；對于高海拔高寒礦區煤矸石山植被恢復的研究結果表明,種植方式的選擇應當盡量規避和減少低溫環境及土壤營養元素缺乏的影響,可采用補播+施肥+覆蓋無紡布的方式,加快植被恢復進程,進一步研究發現,單純的人工建植方式不利于生態修復,采取人工建植+覆土或人工建植+施肥的組合方式,是恢復煤矸石山生態系統的有效途徑[32,51]。可見,在種植方法的選擇上,應同時滿足能夠快速恢復地力、增加植被覆蓋度的人工建植組合方式。

煤矸石山植被恢復主要采取人工建植的方式,建植物種適應能力大小需要經過長期觀察,較長時間跨度下植被恢復研究結果較少,未來需要加強此方面研究。此外人工建植投入成本較大,在一些特殊的煤矸石山生態恢復中(如高寒礦區煤矸石山)可考慮引入毒雜草,通過其入侵繁殖能力強等特點增加植被覆蓋度,依靠自然恢復推動煤矸石山生態系統向良性方向發展。

4 煤矸石山種群繁衍問題及采取措施

煤矸石山人工植被建立以后,種群能否正常繁衍并自我更新,是煤矸石山生態系統最終能否恢復成功的關鍵。因此,需要關注的幾個重點問題有：種群能否形成成熟的種子、種群無性繁殖能力判斷、土壤種子庫的形成和發展、種子萌發與生長發育環境條件分析、種群之間的競爭和促進關系、外來物種的入侵過程等。對于以上問題國內外研究較少,相關研究主要集中在土壤種子庫、植物繁殖策略等方面。

4.1 土壤種子庫的形成

土壤種子庫指存在于土壤表層凋落物和土壤中全部活性種子的總和,對于維護人工建植草地群落結構和蓋度具有重要作用[78]。土壤種子庫是生態系統復原能力的重要組成要素,一定程度代表著植被恢復潛力的大小[79]。在煤礦開采過程中,原始植被土壤種子庫被破壞,造成煤矸石山土壤中種子缺失,加之種子發芽及植物生長條件喪失,煤矸石山幾乎沒有植物生長。有研究指出,隨著采煤排土場復墾時間的延長,土壤種子庫能夠得到恢復[40],一方面與外來物種的入侵有關,另一方面人工建植物種對土壤種子庫的形成也將發揮重要作用[11]。在土壤種子庫形成以后,溫度、降水等多種環境因素會制約土壤種子庫種子的萌發,進而影響種群的繁衍與更新。在荒漠地區,影響種子萌發的限制因子主要為降水,而增水能夠提高土壤種子庫種子的萌發數量和物種數,有利于退化草地的演替和恢復[80]。對于高寒礦區煤矸石山,由于高寒低溫,種子大部分不能夠完全成熟,加之周邊原始群落物種主要以營養繁殖為主,不利于人工建植過程中土壤種子庫的形成,導致人工復綠植被自然更新過程困難[7,51],為此要采取補播、覆膜、覆蓋無紡布等措施,一方面增加土壤種子庫種子數量,另外通過增加積溫,延長生育期,促進植物種子成熟[11]。

4.2 人工建植物種繁衍

植物的繁殖策略分為有性繁殖和無性繁殖。有性繁殖是利用種子來繁殖后代,如絕大部分被子植物的繁殖過程；無性繁殖不需要經過受精過程,是利用孢子、營養體等進行的繁殖,如青藏高原地區大部分植物種子不能萌發,植物主要以營養繁殖為主[81—82]。植物在不同的生境當中具有不同的繁殖策略,這是植物長期適應環境變化過程中遺傳演化的結果。在對高寒草甸人工草地的繁殖對策研究中發現,隨著恢復年限的增加,人工草地物種有性繁殖逐步降低,無性繁殖構建數量及生物量逐步增加[83],表明特殊的自然環境條件,促進了人工草地種群繁殖策略的逐步轉變,這種轉變有利于物種適應新的環境,對于人工建植群落的穩定發展將起到重要的作用。施加人為干預措施有助于種群有性繁殖能力的提高,對松嫩平原退化羊草草地實施封育、翻耙處理后,種群抽穗率顯著增加,從而產生更多的種子擴大種群規模[84]。目前,對于煤矸石山人工植被構建后種群繁殖策略的研究鮮有報道,總結相關研究成果,通過深入研究分析群落中不同種群的繁殖策略,在此基礎上有針對性地采取人為干預手段,促進人工植被營養繁殖體數量增加、提高種子成熟度及遷移擴散、創造適合種子萌發和幼苗生長發育的自然條件等,均會有利于種群的繁衍和自我更新,從而為煤矸石山生態系統穩定發展提供保障。

煤矸石山人工建植后,種群能否正常繁衍是生態系統成功恢復的關鍵要素,不僅涉及土壤種子庫、物種繁殖策略,還包括種群之間的競爭和促進關系、種群自我更新能力判斷等,以上均可作為未來研究的重點。

5 煤矸石山生態系統穩定性問題及補充措施

煤矸石山生態系統的恢復需要通過一定的時間,將退化或受損的生態系統恢復到健康、穩定的狀態,涉及植被群落演替、土壤性狀的改善等一系列植被土壤恢復過程。一般情況下,物種豐富度、多樣性等指標被用于估計植被演替階段及生態系統的恢復程度[69,85—86],也就是說,群落中的物種數越多,群落豐富度和多樣性越大,生態系統穩定性越強。但是多樣性與穩定性之間的關系具有適用范圍[87],對于一些特殊生境如高寒高海拔煤礦開采區,經過長期的自然演替,雖然周邊原始群落只有少數幾種植物,群落豐富度和多樣性低,但是原始群落生態系統依然能夠保持長期穩定發展[7],在未遭受人為過度干擾情況下,高寒高海拔地區生態系統穩定性依然較高。也有研究發現,通過改善土壤性質、人工建植等措施,能夠促進蓋度、生物量的增加,但減少了植物群落豐富度和多樣性[45,88],在這種情況下,群落中的優勢種種群穩定將對整個生態系統穩定起到決定性作用[89]。為此,生態系統穩定性研究中需將種群、群落、多樣性和穩定性的關系在特定環境中加以區分。

從演替時間角度來看,恢復時間對于煤矸石山土壤、植被的演替發展影響顯著[90]。土壤質量、物種選擇、種植方式等初始條件(人為因子),以及氣候條件、植物繁殖體潛在源等環境因素是植被演替的主要驅動力[91]。不同的恢復措施下(初始條件不同),植物群落的演替及發展規律是不同的[92],主要表現在植被生長特征、群落組成和結構、土壤理化性質等多個方面存在差異和變化[93—95],使得不同的恢復措施下,群落處于不同的恢復和演替階段,生態系統穩定性差別較大。如在未實施覆土、施肥等改善土壤營養狀況的情況下,單純的人工建植不利于群落正向演替,表現為物種數量少,結構相對單一,而通過改善土壤質量后再開展人工建植的恢復效果好[32]；環境因子影響方面,有研究表明,在低海拔露天煤礦開采區,人工建植的禾本科植物隨著恢復時間的延長,植被種類、蓋度、生物量及土壤營養元素含量等均顯著增加[96]。而在高寒高海拔煤礦區,人工恢復煤矸石山生態系統,植被總蓋度并沒有增加,同時土壤速效養分含量逐步下降,煤矸石山生態系統有退化風險[51]。可見,不同的初始條件和生長環境使得煤矸石山人工植被群落演替朝不同方向發展,最終會導致兩個結果：一是形成穩定的生態系統(包括植被蓋度和生物量保持在較高水平、群落物種組成和結構穩定、土壤質量得到改善等),煤矸石山恢復成功；二是生態系統逐步退化(包括植被蓋度和生物量持續下降、群落組成簡單、群落結構和功能逐步退化、土壤質量下降等),煤矸石山恢復失敗。

從以上分析可見,隨著恢復時間的延長,判斷評價煤矸石山生態系統是否達到了穩定狀態,是需要進一步思考的問題。礦區生態系統是復雜的復合系統,影響礦區生態系統健康及其演化的因素(因子)非常復雜,涉及生態環境、自然資源、經濟社會等各個方面,具體應用中可根據評價目標和重點的不同選擇不同的指標[97—98]。對于煤矸石山生態系統的健康和穩定性評價,為簡化分析,可剔除煤炭資源利用、經濟社會發展等相關指標,主要考慮煤矸石山人工建植后植被生長繁衍、土壤質量改善、群落穩定等方面。評價方法可參照侯扶江等對生態系統健康的評價方法[99],通過確定參照系統,計算煤矸石山生態系統基況、活力、組織力、恢復力等,判斷生態系統健康和穩定程度[11]。經過評價,對仍然處于不穩定和亞健康以下狀況的煤矸石山生態系統,則需要強化生態系統退化原因分析,采取有針對性地補充措施推動其朝穩定方向發展。如對于人工建植物種不適應當地環境條件而導致的退化問題,可采取更換本地物種或更換適宜當地環境的外來物種并進行適時補播；對于土壤營養元素缺乏而導致的退化問題,可采取補種豆科牧草、補充施肥等措施；對于種子不成熟而導致的退化問題,可采取覆蓋秸稈、覆蓋無紡布等保溫增溫方法,延長生育期,促進種子成熟。近年來有學者研究發現,一些毒雜草具備了作為生態系統恢復物種的基本條件,其強大的生存適應和繁殖入侵能力,對退化生態系統的恢復和可持續管理發揮了重要作用,典型的如甘肅馬先蒿、狼毒等,可以考慮利用這些物種的生態恢復功能,通過自然入侵增加草地蓋度及生物多樣性,加速煤矸石山生態恢復進程[100—101]。

目前,國內外對煤矸石山植被恢復后生態系統穩定性評估方法的研究相對較少,未來需要加強煤矸石山生態系統穩定性評估體系的研究和應用,為是否繼續采取措施鞏固生態恢復效果提供依據。

6 總結和展望

煤矸石山生態系統恢復的基本途徑主要包括以下幾個方面:一是對煤矸石山存在的地質安全風險進行評估；二是為降低地質安全風險,同時有利于植被生長和土壤恢復,對煤矸石山開展土地復墾；三是針對煤矸石山土壤理化性質差、重金屬污染等問題,采取覆土、施肥、施用土壤改良劑等措施,滿足植物生長基本需求；四是選擇適宜的物種,采取有利于植物生長發育的栽培和耕作方式進行人工建植,形成較高蓋度和生物量；五是通過人為施加干預手段,促進土壤種子庫的形成,實現種群的繁衍和自我更新；六是對煤矸石山生態系統是否達到穩定狀態進行評價,評價結果作為后續采取補播、施肥、覆膜、引種等措施的依據,推動煤矸石山生態系統朝穩定方向發展。未來相關工作中,應突出解決煤矸石山生態系統恢復當中的關鍵問題,重點研究方向包括：煤矸石山穩定性評估技術與方法；人工建植物種的生態適應性評價；人工建植物種的繁殖特性及對群落演替的影響；原始群落物種繁殖策略及生態恢復利用途徑；不同栽培和耕作方式對煤矸石山生態系統的影響；較長恢復年限下的植物和土壤變化特征及未來演替趨勢；煤矸石山生態系統健康和穩定性評價等。