礦區遺留廢棄地生態修復研究

張 寧， 里欣諾， 馬榕悅， 毛偉偉

(1.遼寧生態工程職業學院林學院， 沈陽 110101； 2.遼寧大學環境學院， 沈陽 110036)

礦山廢棄地是我國生態修復領域問題多、修復困難的一種主要類型。生態修復在礦山修復中主要包括工程技術與植被修復兩個重要組成，其中植被修復是礦山生態修復比較重要的部分，涉及植物學、生物學、環境科學等自然學科，需要多學科的綜合研究，植被演替理論及植物學相關理論是礦山廢棄地植被修復的重要理論基礎。促進礦山退化生態系統的生態功能恢復，進行植被恢復理論和技術研究，維持自然生態環境的穩定和持續發展，恢復礦山廢棄地原生植被生態系統，是礦山生態系統研究的重要課題，也是生態修復的終極目標[1]。

撫順西露天礦位于撫順市郊，開采已近百年，形成了占地13.2 km2、深度為-480 m的亞洲第一礦坑。調查地點位于西露天礦北幫，東經123°52′34″，北緯41°51′2″，原為西露天礦附屬的一個工廠，由于經常發生塌方與滑坡等地質災害而進行了拆遷，其邊坡為采礦形成的臺地與邊坡，除拆遷產生大量的建筑垃圾與生活垃圾的遺留外，其地質環境復雜，修復有一定的難度。一方面由于開采過程對礦山的破壞，造成地表土地退化；另一方面，建筑垃圾與生活垃圾的堆疊，土壤缺失，植被修復比較困難。如何對該地表現狀進行整地與改良，并選擇合適的抗性強的優勢植物，建植擬自然的植物群落，促進破壞區域的生態系統功能恢復，是本項目研究欲解決的關鍵問題。

1 遼寧地區礦山修復背景

1.1 礦山修復現狀

我國礦山廢棄地(人工裸地)的治理起步較晚，1988年我國頒布了《土地復墾法》可以作為我國治理礦山裸地的正式起點。據2004年統計，遼寧省僅采煤沉陷區面積約340 km2，全省182家大礦山累計產生廢礦渣42億m3，占地面積2 200余km2，破壞土地580 km2，然而已修復的面積不到40 km2，復墾率不到6%，礦山修復工作任重而道遠。截至目前，礦山修復依然存在修復效率低下、生態修復樹種選擇不當、修復效果遠遠達不到預期目標等問題。

1.2 礦山生態修復的主要問題

我國在開展礦山裸地修復工程方面的工作起步較晚，工程技術比較落后，思想觀念固化，原先很多修復工程是采用園林景觀綠化工程技術完成的。通常采取在裸地上直接覆1.0～1.5 m厚的農田土，修復材料多采用水泥和鋼材，植物造景也主要是園林技術方法。出現造成資金大量浪費，人工維護周期長，修復后植被生態功能弱等亂象。目前，礦山修復在我國雖然已有相關方針政策的監督管理，生態修復任務已取得了很大的進展，但在礦山生態修復方面依然存在大興土木、樹種選擇不當、植被修復退化嚴重等問題。因此，修復礦山人工裸地需要研究出真正適合中國特色的生態修復工程技術和方法[2]。

礦山的開采導致原生地表土壤和植被受到徹底破壞，在無人工干擾的自然條件下，通過自然恢復來實現破壞區域的生態恢復是非常漫長的過程。通過篩選及合理配置本地耐貧瘠的先鋒植物和適生植物，進行植被重建，加強撫育管理，可以縮短群落的演替進程[3]。

2 研究地概況

2.1 修復前現狀

以撫順西露天礦北幫局部生態修復工程項目的平盤垃圾堆場為研究對象，占地面積6 235 m2，原為工廠拆遷遺留的建筑垃圾、工業廢渣和生活垃圾堆積地，厚度2～4 m不等，建筑垃圾有殘磚，直徑0.1～1.8 m的水泥混凝土塊、水泥磚塊、砌石塊、水泥、砂礫凝結板塊、瀝青塊、石棉瓦等。工業廢渣為鐵屑凝結塊和鐵屑等，與各類塑料板塊混合厚度為1～2 m。4 m以下是日偽時期的建筑和工地殘土，未見原巖層。以上各類垃圾總量1.2萬～1.5萬m3。該修復平臺基礎條件差，地表無適合植物著生的土壤基質，如果采取非全面換土，生態修復的難度較高。

2.2 生態修復工程概況

2007年7月對該平盤進行造型整地，整地過程破壞地表的混凝土夾層，并將地表以下1 m深的土壤覆蓋于地表建筑殘土之上，整理后該平盤上形成四個高3 m左右的起伏丘陵。由于原土壤基質條件惡劣，采取種植坑換土栽植，并在四個人工山丘上面分別種植火炬樹林、刺槐林和模擬東北、華北地區建植的針闊混交林(見圖1)。

圖1 礦山廢棄地生態修復工程(2007年)

2.2.1刺槐林

刺槐林，丘陵相對道路高3 m，坡度25°，栽植行間距1 m×1 m，樹高1.5 m，胸徑3～4 cm的截干的刺槐，栽植坑寬0.6 m，深0.8 m。

2.2.2火炬樹林

火炬樹林，丘陵相對道路高4 m，坡度25°，栽植行間距1 m×1 m，樹高2.0 m，胸徑3～4 cm，栽植坑寬0.6 m，深0.8 m。

2.2.3針闊葉混交林

選擇杉松冷松、色木槭、紅皮云杉、華北樹種油松和黃檗等植物種，利用鄉土樹種仿天然在陽坡建植了油松闊葉混交林，陰坡建植了云杉、冷杉針闊葉混交林。喬木高2.5～3.0 m，胸徑3～4 cm，栽植行間距1 m×1 m；灌木高0.8～1.0 m，冠幅1.0～1.5 m，栽植行間距1 m×1 m。

2.2.4生態步行道的建設

在挖坑種植過程中產生的殘磚以及地表原有的建筑殘磚統一進行收集，并在丘陵下沿鋪設步行道使用。在透性步行道的磚石縫間直播遼東結縷草，形成生態步行道。

2.2.5綠色覆蓋

在土地整理的過程中從地下挖出多塊1 m×1 m×1 m的水泥石塊，將其堆積在區域的中心位置作為景觀雕塑，經過人工美化處理后，在其周圍栽植藤本植物五葉地錦，覆蓋石塊表面，形成中心景觀。

3 生態修復效果

3.1 調查方法

基于生態學的調查方法，在刺槐林、火炬樹林及模擬東北、華北地區建植的針闊混交林進行植物群落調查，設置多個面積為5 m×5 m的樣地，分別記錄樣方喬木層的郁閉度、優勢種，植物的種名、株(叢)數、高度、蓋度，并設置1 m×1 m的樣方調查草本層的植物種類、覆蓋度等數據。

3.2 調查結果

2021年10月對該地區進行實地調查，具體調查情況如下：

3.2.1刺槐林

刺槐林郁閉度0.95，平均胸徑13.1 cm，比2007年增加了274%；平均樹高6.3 m，增加了215%。林下出現多株火炬樹與榆樹幼樹，火炬樹平均高4.16 m，榆樹高1.68 m。林下有遷入喬木黃檗，高7.5 m，長勢好。刺槐林已演替成刺槐仍然是優勢種的多種喬木的混合林。

3.2.2火炬樹林

火炬樹林郁閉度0.95，平均胸徑8.2 cm，比2007年增加了134%；樹高5.3 m，增加了165%。火炬樹具有入侵性，萌蘗力強，易發生遷移[4]。火炬樹林的火炬樹最遠遷移距離超過23 m，林下出現大片葎草覆蓋，火炬樹有風倒木發生，其幼樹大量枯死，表現出衰退跡象，林中有侵入樹種刺槐、榆樹等喬木，長勢良好。火炬樹純林已演替成火炬樹非絕對優勢的多種喬木的混合林。火炬樹屬于引進種，其在植物群落中具有一定的侵占性，會造成生物多樣性降低，其在國內的應用具有一定爭議。但火炬樹具有耐貧瘠、抗性強等特點，對于生態環境惡劣、土壤貧瘠的地方，火炬樹可以作為先鋒樹種成為生態修復的首選樹種。

3.2.3模擬東北、華北地區建植的針闊混交林

森林的郁閉度達到1.0，灌木層與草本層植物稀少。代表植物有冷杉、紅皮云杉、五角楓、油松、水曲柳、京桃、榆樹、黃檗等喬木，其中冷杉與紅皮云杉最初修復時栽植的規格與闊葉樹種一致，由于其生長速度較慢，在群落競爭演替中處于劣勢，所以長勢較弱，而闊葉樹生長較好。林下受森林郁閉度影響，草本層植物蓋度只有不到10%，已經形成了厚度2 cm的枯枝落葉層。未來經過一段時間的演替，該植物群落的結構還會發生變化，還需要進行長期監測與研究。

3.2.4生態步行道

由于修復后進行了封育管理，原來用殘磚鋪設的寬1.5 m的人行步道，其表面已經覆蓋了厚1.5 cm的枯枝落葉，有的磚縫還著生了高1.5 m的火炬樹幼樹。針闊混交林旁的人行步道甚至被高2 m，冠幅3 m的連翹灌叢遮蔽，無法通過。可見，封育是植被修復一種非常有效的技術方法。

3.2.5綠色覆蓋

中心水泥堆砌景觀用五葉地錦進行綠色覆蓋后，目前蓋度達到50%。隨著該景觀周邊的森林群落郁閉度的增加，五葉地錦的生長出現衰弱跡象。在調查過程中發現火炬樹林出現五葉地錦纏繞榆樹向上生長，高度可達到8 m，長勢較好。可見，五葉地錦的生長有向上趨光性的特點。

4 礦山修復植物群落建植方法

本項目的生態修復工程整個修復過程，其采取的工程技術及植被修復方法具有一定的創新與試驗性，具體總結如下：

4.1 因地制宜整地，切忌大興土木

開采造成山體結構破壞，地裂、塌方、滑坡等地質環境問題，對于礦山裸地應根據其裸地類型特點，采取削坡、修擋土墻等工程技術，首先解決礦山邊坡穩定性。切忌對礦山本身地質環境問題未調查分析的前提下，盲目進行大拆大建，可能造成地質環境問題的增加，并大大提高后期的生態修復成本。以本研究為例，在邊坡坡度較大但有原生植被固定的邊坡，可根據實際情況采取保留植被并進行工程措施進行邊坡加固，再進行植被修復，形成目前的幾乎完全郁閉的刺槐、火炬樹的密林邊坡。

4.2 減少生態破壞，穴土栽植

礦山廢棄地環境地質問題復雜，往往存在廢石塊兒大而多，土壤基質較差，土層薄，植被種植困難的問題。為解決此問題，修復過程常常采取外運廢石，內輸大量農田土，造成污染環境以及破壞農田的雙重問題。礦山廢棄地應根據實際情況，對無污染的廢石在礦山內就地處理，可以模擬自然土壤剖面的結構特點，將大、中、小礫石從下到上進行堆疊，處理形成丘陵山地的地形后再進行適量覆土，既節約了大量成本，還避免了環境污染與破壞的雙重問題。以本項目為例，在整地過程中挖出的巨石水泥塊，將其集中堆疊并修整美化放置在中心位置作為人造景觀，還深化了生態修復主題。

4.3 鄉土植物群落建植

礦山裸地地質基礎問題突出，植物的選擇與配置由于環境限制往往比較單一，結果是修復過程緩慢，修復效果難以達到預期目標。因此，礦山應根據其地質基礎情況，調查區域穩定的雜木林植物群落以及頂級植物群落的群落結構及生境特點，因地制宜建植鄉土植物群落，可以大大加速其植物群落的演替進程，縮短森林生態系統恢復的時間。以本項目為例，在平盤上建植的模擬東北、華北的針闊混交林郁閉度高，生物多樣性豐富，森林生態系統比較穩定，達到了生態修復的預期效果。

4.4 因地選擇優勢先鋒植物

根據修復的植物群落目標選擇鄉土植物群落進行建植，但需要根據礦山廢棄地地質基礎實際情況進行合理的方案選擇。對于地形復雜，水土流失嚴重，或者風口等環境影響因素復雜的地方，可選擇抗性強的優勢先鋒植物進行組合種植或建植。以本項目為例，由于采礦造成土層薄，植被生長困難，采取挖小種植坑種植優勢抗性植物火炬樹幼樹的方法，現已長成火炬樹密林，恢復了一定的森林生態系統功能。

4.5 藤本植物的栽植與選用

礦山修復總能碰到懸崖、裸巖等生境類型，過去往往采取噴漿種植或拉網種植的方法，短時間能收到“見綠”的效果，但時間不長植物就由于缺水和土壤養分而變黃枯死，修復達不到預期還造成資源浪費。以本項目為例，選擇五葉地錦進行軟覆蓋，對于垃圾覆蓋的邊坡通過有機覆蓋及五葉地錦的軟覆蓋綜合影響，現已形成枯枝落葉層1～2 cm厚的土壤表層，為后續植物群落的演替提供了地質基礎。

5 結論與展望

從調查區域植物群落經過十多年的演替與2007年生態修復工程結束時相比較，群落的蓋度、結構、物種豐富度及優勢種隨恢復時間都發生了明顯的變化。火炬樹林向榆樹、刺槐、黃檗等喬木占優勢的雜木林方向發展，并且形成喬、灌、草、藤本的復層植物群落結構。刺槐林向刺槐為優勢種的相對穩定的雜木林方向發展。模擬東北、華北植物區系而營造的針闊混交林目前演替到油松、冷杉和五角楓等植物種共存且相對穩定的雜木林階段。

通過對礦區三塊調查樣地的調查研究及植物群落演替規律的研究發現，一個礦山建筑垃圾堆積的廢棄地經過生態修復建設是可以改造成郁閉的森林生態環境，使森林生態系統的結構不斷完善，森林生態系統的功能逐漸增強，實現礦山廢棄地生態環境的徹底改變。因此，研究礦山廢棄地植被群落的演替對于礦區生態修復建設具有重要意義。后期還可在此地進行長期的定位觀測與評價，為礦山廢棄地生態修復提供一定的理論與實踐依據。