礦區生態系統演變與修復模式研究

李云鵬，孔 胃，楚 儲，蔡永寧

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

礦產資源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，其大規模、持續性開發利用，帶來了礦山安全、環境污染及生態破壞等一系列問題[1-3]，對整個礦區生態系統的組成、結構和功能均造成破壞。礦區生態系統的穩定性喪失，發生逆向演替，整個系統處于極度破損狀態，嚴重影響了礦區的可持續發展[4-5]。因此，研究礦區生態系統的演變趨勢和生態修復模式，對維護礦區的生態安全，促進礦業的可持續發展具有重要意義。

當前，學者們對礦區生態系統的研究主要集中在礦區生態系統服務價值、礦區生態系統彈性力及生態風險評估。如劉英等[6]基于InVEST模型集成水源供給、土壤保持、碳儲存3項生態系統服務構建綜合生態系統服務評價模型，對神東礦區的生態系統服務價值進行評價；GUERNIC等[7]對鈾礦開采所導致的礦區重金屬污染水環境，造成礦區生物體內重金屬元素累積，進而影響生物健康的研究；頓耀龍等[8]基于灰色模型對平朔礦區在經濟轉型背景下生態系統服務價值變化進行預測分析；吳秦豫等[9]選取礦區恢復力的關鍵影響因素，利用GIS和突變級數方法，對陜西省神木市煤炭基地的生態恢復力和礦區生態系統退化風險進行評價。而在礦區生態系統演替方面，則側重于對礦區生態系統中土地、植被或景觀格局等礦區局部演替的研究[10-12]，同時，研究中更加注重對局部演替過程中所采取的針對礦區土壤修復技術或方法的修復后效應研究[13-14]，而對礦區生態系統在礦產資源開發利用前后整個系統的結構、功能、演變過程及演替方向等方面的研究比較缺乏。

礦產資源的開發利用不可避免地對礦區生態系統造成了破壞，如何利用先進的理論及技術手段對礦區進行生態修復，改善礦區環境，解決礦區環境污染、生態破壞等問題一直是學者們研究的重點領域。隨著科學技術的不斷發展、相關研究的不斷深入，礦區生態系統修復方式逐漸多樣化。如近年來新興的利用生物炭鈍化修復技術、微生物作用聯合修復技術、城市污泥工程修復技術等對礦區進行生態修復[15-17]，改善了礦區生態環境，對維護礦區生態系統的穩定，促進生態系統健康發展具有重要作用。

本文在對比礦產資源開采前后礦區生態系統變化的基礎上，總結礦區生態系統的演變類型、演變階段及演變過程，提出針對礦區生態系統的修復模式，為促進礦區生態系統的良性、可持續發展提供理論依據和技術參考。

1 礦區生態系統

礦區生態系統是一個典型的多層次、多功能復合的生態系統，由社會、經濟、自然3個子系統耦合而成[18]，在改造和適應自然環境的基礎上建立起來，由礦區空間范圍內的居民與自然環境系統以及人工建造的社會環境系統相互作用而形成，以礦產資源開發利用為主導的社會-經濟-自然復合型生態系統。

1.1 礦區生態系統結構

礦區生態系統是由社會、經濟、自然3個子系統耦合而成的復合生態系統，從復合系統的角度出發，礦區生態系統分為社會子系統、經濟子系統和自然子系統。社會子系統以礦區居民為核心，以滿足礦區居民的居住、就業、教育、醫療、消費等需求為目標，分為礦區人文系統和礦區消費系統。經濟子系統是指利用礦區內外系統提供的物質和能量等資源，生產出滿足國民經濟需要的礦產品的過程，按照產業類型可分為礦業經濟系統、農業經濟系統、第三產業經濟系統。自然子系統分為非生物系統和生物系統，非生物系統包含環境系統(大氣、水體、土壤、巖石等)和資源系統(礦產資源、太陽能、風能、水能等)，生物系統包含人類、動植物、微生物等。礦區生態系統的結構劃分如圖1所示。

圖1 礦區生態系統結構

1.2 礦區生態系統功能

生態系統功能是生態系統體現的功效或作用，礦區生態系統作為一種人類主導的復合型生態系統，其功能是指系統及其內部各子系統體現的功效或作用，主要表現在生產、能量流動、物質循環和信息傳遞等方面。

根據礦區生態系統中能量、物質及信息的交換方向及流動范圍，礦區生態系統功能可劃分為外部功能和內部功能。外部功能是指礦區生態系統對外部其他系統產生的作用，通過與外部其他系統進行能量、物質與信息交換，確保礦區生態系統內部能量、物質和信息循壞的平衡。內部功能是指礦區生態系統內部社會子系統、經濟子系統、自然子系統之間相互作用，保持系統內部能量、物質和信息循環暢通，同時，形成各種反饋機制來調節外部功能。礦區生態系統內外部功能示意如圖2所示。

圖2 礦區生態系統內外部功能示意圖

1.3 礦區生態系統特征

礦區生態系統作為一種人類主導的社會-經濟-自然為一體的復合型生態系統，既具備自然生態系統中生物與自然環境間的相互協調，能量、物質、信息的流動、循環，以及自我協調的功能；又受到人類活動的控制和干擾，自我調節能力較差[19]。根據礦區生態系統組成結構和功能，該系統具有以下4個特征。

1) 復合性。礦區生態系統既受自然環境影響，又受到科技發展和人類活動的支配。該系統是以礦產資源開發利用活動為中心的，兼具社會、經濟和自然性質的復合型生態系統。

2) 人工性。在礦區生態系統中，人類出于生產、生活需求，在礦區內興建公路、住宅、醫院、學校、商場等基礎設施，對礦區進行了人工改造。在人工改造的過程中，改變了原始自然生態系統的結構、功能和演變方向。該系統是以礦區生產作業區為核心的人工、半人工生態系統，系統的產生、發展和消亡均按照人的意愿進行。

3) 開放性。作為一種復合型生態系統，礦區生態系統在內部社會子系統、經濟子系統、自然子系統相互促進、相互協調的基礎上，要不斷從外部系統進行能量、物質、信息的交換，同時，向外部系統排放廢棄物以維持自身的健康運轉。該系統的發展與外部系統息息相關，受自然生態規律和社會經濟規律的共同支配。

4) 能量、物質流動的特殊性。自然生態系統中能量、物質流動主要通過系統內部各種錯綜復雜的食物網進行傳遞，具體表現為生物的新陳代謝。礦區生態系統能量、物質流動主要受到人為支配，經過各種機械設備運轉后多方向流轉。該系統能量、物質的流動是開放式的，并且需要大量的輔助能源與輔助物質。

2 礦區生態系統演變

礦區生態系統演變是指隨著時間推移與礦產資源開采，原生態系統受到干擾被另外一種生態系統代替的過程。礦區生態系統的演變方式與其地理位置、自然氣候條件、礦產資源開采方式、礦種類型以及人類生產生活等息息相關，不同的演變條件下礦區生態系統的演變類型、演變過程均不相同。本文該部分以煤礦區生態系統為研究對象，結合煤礦區原生態系統、自然氣候條件等，對煤礦區生態系統的演變類型和過程進行分析、總結。

2.1 演變類型

煤礦區生態系統的演變類型很大程度上取決于其原生態系統類型，以及該系統所在地的自然氣候條件。煤炭資源未開發利用前，原生態系統類型一般分為自然生態系統和人工生態系統。自然生態系統主要為林地、草地、濕地、荒漠、半荒漠等；人工生態系統主要為農田、居住用地、城鎮等。

煤炭資源進行開發利用活動后，位于干旱或半干旱地區的礦區生態系統在人類活動的干擾下，礦區土壤、植被等景觀遭到破壞，同時在干旱氣候的長期影響下，最終演變為荒漠或半荒漠生態系統；位于濕潤或半濕潤地區的煤礦區生態系統，煤炭資源開發利用破壞原有巖層后造成地面塌陷，由于地下水位較高，地下水流入塌陷坑，最終演變成水域或水陸共生生態系統。

因此，煤礦區生態系統演變類型可分為2種情況，如圖3所示。一種是位于干旱或半干旱地區的礦區生態系統演變成荒漠或半荒漠生態系統；另一種是位于濕潤或半濕潤地區的礦區生態系統演變成水域或水陸共生生態系統。

圖3 煤礦礦區生態系統演變類型

2.2 演變階段與過程

按照煤炭資源開發利用過程，礦區生態系統演變可分為4個階段，即原生態系統階段、系統受損階段、系統重建階段以及系統動態平衡階段[20]。礦區生態系統各演變階段及演變過程如圖4所示。礦區生態系統演變過程可根據各個演變階段進行具體劃分。

圖4 煤礦區生態系統演變階段與過程

1) 原生態系統階段。煤炭資源開發利用前，原生態系統一般為農田、林地、草地、居住用地等生態系統，系統未受到外部活動干擾，其功能相對穩定，處于動態平衡狀態。

2) 系統受損階段。原生態系統受到煤炭資源開發利用活動的干擾，生態系統功能逐漸受損，且受損程度不斷增加；損毀地出現并不斷增加，增速先加快后減緩；整個生態環境遭受破壞，生態系統發生逆向演替，形成受損生態系統，系統功能逐漸喪失。

3) 系統重建階段。煤炭資源開發利用活動結束后，按照是否進行生態重建可分為兩種情況。一種是不采取任何修復方式，礦區生態系統在損毀嚴重，系統功能基本喪失的情況下，繼續發生逆向演替，最終形成系統功能完全喪失的退化或極度退化生態系統；另一種是對受損的礦區生態系統進行生態重建，損毀地逐漸減少，生物多樣性增加，系統逐漸發生正向演替，系統功能逐漸恢復，最終形成功能相對穩定、完善的生態系統。

4) 動態平衡階段。在生態重構下，礦區生態系統經歷了地貌重構、土壤重構、植被重構、景觀重構、生物多樣性重組與保護[21]。系統功能完全恢復，系統趨于動態平衡狀態。

3 礦區生態系統修復模式

礦區生態系統修復主要是針對礦產資源開發利用活動帶來的生態環境問題，采取科學、系統的生態修復工程和長期的生態撫育措施，修復礦區受損生態系統，逐漸恢復礦區生態系統功能，從而實現礦區生態環境的可持續發展。按照礦區生態系統演變階段與過程，結合受損礦區生態系統的退化程度和現有的礦區生態修復技術，可劃分為自然恢復、輔助再生和生態重建等3種礦區生態系統修復模式。

3.1 自然恢復模式

自然恢復是一種無為而治的修復理念，是指依靠自然力量修復生態系統的過程和方法。自然力量是指自然界存在的風、雨、重力、凍融等自然界存在的各種生物、化學和物理等作用[22]，自然恢復周期較長而成本較低。

礦區生態系統的自然恢復是指在不實施任何人為活動的情況下，主要依靠自然作用逐漸修復受損后的礦區生態系統，使得系統逐漸恢復到結構穩定、功能完善的較高水平的生態系統狀態。常見的礦區生態系統自我恢復有礦區水域自我恢復、礦區植被自我恢復等。以煤礦區生態修復為例，針對采煤沉陷影響較小，具備自然修復能力的礦區，適宜選擇自然恢復模式。特別是針對結構簡單、功能單一的生態系統，應選擇自然恢復，從而避免因人工修復給環境帶來的干預和擾動，以最小的修復成本獲取最大的修復效益，實現礦區生態系統的動態平衡。

3.2 輔助再生模式

輔助再生模式是以受損礦區生態系統的自我恢復能力為基礎，輔以物質與能量的人工輸入，促進退化或受損的礦區生態系統結構和功能逐步恢復并進入良性循環的活動[23]。輔助再生模式適用于受損礦區生態系統中度退化、具備一定自然恢復能力的區域，需要積極引入生物干預措施和非生物干預措施進行修復。

3.2.1 生物干預措施

生物干預措施主要分為2種，一種是控制入侵植物和動物，減少外來生物對原礦區生態系統的干擾；另一種是重新引入礦區生態系統中所需的動植物、微生物等，加快生態多樣性重組，促進礦區生態系統結構和功能的修復。①通過引入超富集植物對礦區土壤中進行吸收、轉移，改善礦區土壤理化性質，降低土壤重金屬污染[24]。土壤肥力較差的地區可選擇種植豆科植物提高土壤肥力。林木修復可選擇耐貧瘠樹種，并且進行多樹種混交種植提高其穩定性。②在植物修復取得一定作用后，在礦區土壤中放養如蚯蚓等低等生物，改善土壤物理結構，增加土壤孔隙度，降低土壤重金屬含量。同時，蚯蚓能夠增加磷等速效成分，促進土壤農作物的生長等。 ③通過引入微生物，利用微生物生命代謝活動減少土壤環境中有毒有害物質的濃度，降低其毒性，從而改善土壤環境，改進土壤結構，如采用復合菌和生物炭對土壤中重金屬Ni、Cd進行修復，結果顯示修復后的土壤中根際土壤細菌增加、真菌群落結構多樣化，土壤環境明顯改善[25]。

3.2.2 非生物干預措施

非生物干預措施主要是采取物理修復技術、化學修復技術對礦區生態系統進行污染修復。

1) 物理修復技術。根據具體的礦區土壤條件、損毀地特性等，一是采取排土、換土、去表土、客土與深耕翻土等方法改善礦區土壤環境，具體操作是在礦產資源開采前將地表土壤分層挖取保存，以保證土壤物理結構、營養元素及土壤中生物擾動量最小，開采活動結束后，利用挖取保存的土壤進行覆土工程；二是針對采煤塌陷地，采用煤矸石、粉煤灰、黃河泥沙等材料進行填充后覆土，特別是黃河泥沙夾層式充填復墾技術對采煤塌陷地復墾具有積極意義，黃河泥沙充填層中夾土壤層后能夠有效改善重構土壤的水分運動特性并提高保水性[26]。

2) 化學修復技術。一是通過在礦區土壤中添加化學試劑改善土壤pH值，平衡土壤酸堿性；二是在礦區土壤中施用適量的煤基復混肥，提高土壤中堿性磷酸酶的活性，改善土壤環境[27]；三是通過添加化學物質與礦區土壤中的重金屬陽離子發生反應，降低礦區土壤中重金屬污染程度及遷移能力[28]。

3.3 生態重建模式

針對礦區生態系統受損程度嚴重、物種生存環境條件不穩定、生態退化嚴重等情況，可采取地貌重塑、土壤重構、植被重建等方法結合工程技術手段，對受損的礦區生態系統進行生態重建。本文針對高潛水位煤礦區生態系統和部分礦區廢棄地提出了水陸生態構建和轉型利用兩種生態重建模式。

3.3.1 水陸生態構建

水陸生態構建是高潛水位煤礦區生態修復的重要手段，高潛水位煤礦區進行開采后，容易造成地表巖層破壞，地面沉陷，地下水位較高便會流入地表，積聚于地勢低洼區，形成零星或集中連片的水域。根據水域范圍和面積，采用不同的方法進行水陸生態構建。

1) 地表沉陷區較淺，水域積聚面積較小，一般可采用疏排法建立排水系統，降低潛水位；或者通過煤矸石、粉煤灰、生活垃圾及河流泥沙等充填沉陷坑，覆土后再利用。

2) 地表沉陷區較深，水域積聚面積較小，可利用挖深墊淺法，挖深沉陷較深的地區，將挖出的土方充填至沉陷較淺的地區，挖深區域可治理應用為魚塘、墊淺區域可治理應用為耕地。

3) 大面積常年連片積水區，可進行立體生態開發，將沉陷積水區建成水產養殖、飼料種植、林果蔬種植等綜合性基地。除此之外，還可進行生態建設，構建自然生態水域、觀光旅游用地、工業景觀和工業遺產用地等。

3.3.2 轉型利用

部分礦區廢棄地或經過地質勘探后已經“沉穩”的采礦沉陷區可做建設用地使用，一般包括發展下游產業、房地產開發、文化產業開發等。

1) 發展下游產業?？拷鞘谢蛎禾抗I城市可借助煤礦區優勢，發展下游產業。如開采-洗選-發電、開采-洗選-發電-煤化工、開采-洗選-發電-高耗能產業等。

2) 房地產開發?？煞譃榕f區改造和新區開發，舊區改造是指對礦區廢棄地中遺留的工業建筑和配套設施進行改造利用或拆除重建，優化原有地塊的用地性質和功能，房地產開發企業取得土地使用權后，依據城市規劃要求在原工業廢棄地上開發房地產商品，實現城市存量土地資源價值的提升。新區開發是針對受礦采資源開采活動破壞后，已恢復為城市建設用地后所進行的開發利用，這類開發的優勢在于區位上接近自然生態環境，地價較低且具備一定的基礎設施條件，開發商能夠以較低的成本實現具有特色概念、能產生附加值的產品。

3) 文化產業開發。利用礦區廢棄地及廢棄工業設施發展以文化產業為主導的產業園區，屬于一種新興產業。如石家莊正豐礦區利用現有優勢資源，打造礦區全域旅游產業。

4 結 語

通過對礦區生態系統內涵與特征、結構與功能的認識可知，礦區生態系統是一個社會-經濟-自然的復合型生態系統，具備外部功能與內部功能。外部功能負責與外部其他系統進行能量、物質與信息交換，確保礦區生態系統內部能量、物質和信息循壞的平衡。內部功能負責保持系統內部能量、物質和信息循環暢通，同時，形成各種反饋機制來調節外部功能。各子系統的復合組成與內外部功能使得礦區生態系統具有復合性，人工性，開放性和能量、物質流動的特殊性等特征。

結合煤炭資源開采前原生態系統類型、所在地自然氣候條件等分析得知，煤礦區生態系統位于干旱或半干旱地區時演變成荒漠或半荒漠生態系統，位于濕潤或半濕潤地區時演變成水域或水陸共生生態系統；其演變階段包括原生態系統階段、系統受損階段、系統重建階段以及系統動態平衡階段等4個階段。針對受損礦區生態系統的修復，提出3種修復模式：自然恢復模式、輔助再生模式和生態重建模式。

本文研究總結了礦區生態系統的演變類型、演變階段及演變過程，提出針對礦區生態系統的修復模式，旨在為生態環境脆弱的礦區資源開發集中區提供科學、合理的修復和重建模式，人工正確誘導受損礦區生態系統的最終演替方向，確保礦區土地復墾與生態恢復重建的潛在風險最小化，從而促進礦區生態系統的合理再利用和良性、可持續發展。