礦區受損生態系統修復與碳匯潛力的文獻計量研究

張宇昂，李亞桐，杜忠毓，祁新華，侯 紅，陳光才*

(1. 國家林業和草原局產業發展規劃院，北京 100010；2. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400；3. 福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；4. 中國環境科學研究院，北京 100012)

中國是世界上礦產資源豐富、礦種齊全的少數國家之一[1-2]。截至2020 年底，我國已發現礦產173 種，其中，能源礦產13 種、金屬礦產59種、非金屬礦產95 種、水氣礦產6 種[3]。隨著各種全球性生態環境問題的加劇[4]，中國資源約束趨緊，環境污染愈發嚴重，生態系統受損的形勢也異常嚴峻[5]。礦山環境問題是一種以礦山環境為載體的負效應作用，指在礦產資源勘查、礦床開采、洗選加工以及廢棄閉坑等礦產開發過程中對礦山環境造成的不良影響[6]，包括地貌景觀破壞、土壤挖損或壓占、地表塌陷、大氣與水土污染、動植物生境碎片化、固碳能力喪失等問題，其影響范圍遠大于采礦邊界且時效超過礦山生產年限的數倍。1987—2020 年間，中國因煤礦開采產生的損毀土地達到180.01 萬公頃[7]。歷史遺留的礦山環境問題是現階段我國環境治理的重要對象，是綠色礦山發展的重要制約因素[8]，也是我國構建國家生態安全保障體系的一大障礙[9]，因此礦區受損生態系統的修復治理是目前亟待解決的環境問題之一[10]。

礦產資源開發在帶動經濟發展和滿足能源需求的同時，使土地遭受極度損毀及退化，其區域碳排放基數過大，碳平衡遭到嚴重破壞[4,11]，碳固存能力下降甚至喪失[12]。這種破壞式開發一直是世界各國面對的重要環境問題和科學研究的熱點問題。在推進碳達峰、碳中和目標實現的過程中，碳排放居高不下和碳匯能力不足是其主要障礙[13]，礦山受損生態系統恢復無疑是極具迫切性和戰略性的，對其生態修復（Ecological Restoration）過程進行長時間序列的監測和評估是具有先瞻性和必要性的，是礦區發展的巨大機遇與挑戰[14-15]。2020 年，中國新增礦山治理恢復面積約4.16 萬公頃[3]。然而，因長期受制于礦山生態系統各要素之間的流動性、經濟與環境之間的協調性、污染因素之間的相互影響的復雜多變，相關規劃治理缺乏統一性、系統性和整體性，目前礦山環境修復治理工作仍呈現分布面積廣、擾動因素多、機理復雜等特征，中國礦山生態修復總體效果并不理想[16]，礦區受損生態系統治理形勢嚴峻[17]。

事實上，實現“雙碳”目標不可能一蹴而就，必然要經歷能源、產業轉型的“陣痛”[18]，協調經濟、社會、環境、能源、就業、安全等多角度系統性的規劃支持十分必要。學術界圍繞實施區域和目標合理分解[19]、制定重點部門差異化達峰行動方案[5,20]、推動能源轉型以及完善碳稅和碳交易等碳定價機制[21-22]等方面展開研究，為實現礦業開采和環境治理的雙碳目標進行了多方探索。武強等提出解決礦山環境問題的“九節鞭”修復模式，針對礦山環境問題梳理、調查、評價與預測、修復治理技術與模式、礦山土地適宜性評價、監測與預警、信息系統研發、法規標準和礦山環境管理等9 個方面探討礦區退化生態系統的修復路徑[2]。但在目前碳中和背景下，從“前期受損程度-中期修復效益-后期模擬預測”的全周期視角下，探討礦區受損生態系統的監測和評估技術及應用的研究仍缺少系統的梳理總結。因此，本研究基于文獻計量分析結果，以山水林田湖草生命共同體理念和綠色礦山建設政策導向為指導，沿著生態修復的路徑，就當前研究進展中存在的問題進行提煉，從受損生態系統評價、生態修復技術、礦區碳源/匯潛力、礦區生態系統監測技術四個方面厘清研究脈絡（圖1），并對未來的研究方向提出展望，以期拓寬礦區受損生態系統修復監測與評估的研究路徑。

1 礦區受損生態系統修復的文獻共現分析

研究基于Web of Science（WoS）核心合集和中國知網（CNKI）核心期刊數據庫進行交集檢索，英文以“mining area” “ecological restoration”為檢索主題詞，中文以“礦區” “生態修復”為檢索主題詞，檢索范圍為論文主題（標題、摘要、作者關鍵詞和擴展關鍵詞），檢索時間范圍為2010—2022 年，檢索日期為2022 年6 月。共計獲得文獻914 篇，其中英文701 篇，中文213 篇（圖2）。礦區生態修復研究在國內外均愈發受到重視，國際上研究熱度明顯更為突出。國內研究熱度與國家政策導向緊密關聯，自十九大將建設生態文明提升為“千年大計”后，山水林田湖草一體化的修復理念逐漸被貫徹落實，礦區生態修復研究呈現出蓬勃發展的態勢。利用CiteSpace 軟件，對文獻主題進行關鍵詞共現分析，生成時間段共現圖譜（圖3、圖4）。

圖2 礦區生態修復研究領域的年發文量變化趨勢Fig. 2 The trend of the annual number of papers in the field of ecological restoration research in mining areas

圖3 Web of Science 核心合集關鍵詞時間線共現圖：礦區、生態修復Fig. 3 Timeline co-occurrence of keywords in WoS core collection: mining area; ecological restoration

圖4 中國知網核心期刊關鍵詞時間線共現圖：礦區、生態修復Fig. 4 Timeline co-occurrence of keywords in CNKI core journals: mining area; ecological restoration

目前，國際上的研究主要聚焦于ecological risk assessment（生態風險評估）、open-pit mining/surface mining（露天采礦）、post-mining reclamation（采后復墾）、biochar（生物炭）、natural regeneration（ 自然更新）、mine rehabilitation（礦區恢復）、ecosystem services assessment（生態系統服務評估）等熱點領域（圖3）。國內研究以生態修復、地理信息系統、廢棄地、脅迫梯度、生態環境、碳中和、生理特性、生態保護等主題為主（圖4）。圖3 和圖4 中圓圈半徑大小表示對應的關鍵詞在礦區生態修復研究分析中的重要程度，其所處位置相應的年份為其出現的最早時間。隨時間推進，生態修復研究呈現精細化的深入發展態勢，早期礦區生態修復手段和技術的研究設想逐步被實現和擴展，修復效益日益提升。

國際上關注的焦點主要是礦區生態風險和生態系統服務價值的評估，化學和生物學方向的具體修復路徑和方案，礦區發展對全球氣候變化的影響，以及微觀層面社區和人民面對的生計沖擊和應對策略[23-24]。國內的研究近期更趨向于減排減污增匯和碳中和等政策驅動下的區域發展路徑探索與修復效果評價，并嘗試引入遙感等新技術手段和交叉學科的新理念理論，推動恢復生態學和生態工程學從靜態的資源和環境本底調查、工程改善，向區域性礦區生態系統功能評價與環境治理動態監測的研究方向轉變[25-26]。

當前礦區受損生態系統修復主要存在以下問題亟待解決：生態修復理論對生態修復實踐的支撐相對薄弱[27]，生態修復整體觀和系統觀的思想落實尚待加強[28]。生態修復碎片化現象突出，忽視生態技術的地域和經濟適宜性[29]，修復效果的可持續性不強。缺乏科學合理的評價指標體系和方法模型[30]，缺乏全周期綜合信息管理與決策支持平臺，缺乏多生態要素協同的立體化監測技術。在管理體制機制方面，現行的條塊化管理體制不能從根本上解決礦區生態環境問題，不同主體的需求和利益以及公眾參與程度的差異，共同導致礦區受損生態系統綜合管理體系存在缺位現象[31]。

2 礦區受損生態系統修復的研究主題

2.1 礦區受損生態系統評價

自2020 年《綠色礦山建設評價指標》《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃（2021—2035 年）》《山水林田湖草生態保護修復工程指南》等政策出臺，礦區更多被解讀為以開發利用礦產資源為主導產業的社會經濟生態集合體，這表明其不僅有社會屬性和經濟屬性，更重要的是含有生態屬性[3,9]。對于礦區受損生態系統的評價，可以分為受損程度評價和修復效益評價兩大部分。

在受損程度評價方面，長期低效、粗放、過度的開采模式致使礦區產生了一系列生態環境受損問題[32]，多表現出區域性、規律性特點[2]。目前現有研究多結合礦山周邊區域生態系統功能重要性、人居環境與經濟社會發展狀況[33]，綜合考量地理條件、氣候條件、礦山生態等環境因素，開采方式、開采規模等工程因素，土壤理化性質、植被配置模式等生物化學因素[6]，進行礦區生態環境損毀方式的類型劃分[34]和受損程度的綜合評價[7,35]，由此探索礦區生態環境問題發生機理，進而形成動態響應機制[2,36]。如張俊杰等在西北荒漠區7 座典型露天煤礦展開調查研究，從土地利用擾動情況和礫幕層年際變化角度評價其礦區生態受損狀況[37]。

在修復效益評價方面，生態系統恢復的目標是建立一個能夠自我維護、運行良好的完整生態系統[31,36,38]，礦區生態修復效益評價是考察其生態系統恢復程度的重要手段[39-40]。2004 年，生態恢復協會（Society Ecological Restoration International，SER）從生態恢復的結構與功能自我維持、生態系統抗干擾能力、與相鄰生態系統的物質能量交流三個方面總結出評判生態系統恢復狀況的9 個關鍵屬性[41]，在學界被廣泛應用與改進，形成了針對各類生態系統的一系列評價指標體系[42]。同時，基于生態系統服務價值評價的研究熱潮在礦山生態系統修復研究中也逐步體現。王壯壯等以我國5 個重點脆弱生態區為研究區，根據“生態恢復-生態系統結構-質量-服務-效益”級聯式概念框架構建了生態恢復綜合效益評估的指標體系[43]。

針對大面積生態損毀礦區，基于多時相和多波段的遙感影像融合提取歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和歸一化水體指數（Normalized Difference Water Index，NDWI）等生態指數，是檢測評估其生態系統的受損和修復狀況、探析其生態系統服務價值及功能最快捷實用的方法[44]。殷亞秋等應用遙感解譯分類技術獲取礦山占損土地和恢復治理信息，建立礦山地質環境評價指標體系，以此對海南島2018 年礦山地質環境影響進行分析評價[45]。

2.2 礦區受損生態系統修復技術

生態修復是指在不同人為干預程度下，依靠生態系統自我調節能力與自組織能力，使已遭受退化、損傷或破壞的生態系統恢復的過程[18]。礦業開采對生態系統造成嚴重的負面影響[41]，土壤結構受損、植被破壞、重金屬污染共同導致土壤質量下降、農作物被污染，嚴重威脅到人類健康[46]。這些危害和潛在影響僅僅依靠自然演替減緩，大約需要100—1000 年[47]。胡振琪等研究顯示采取人工措施輔助生態修復可以更大程度地進行自主設計，在生態系統層面上同時推進多個措施，極大程度地縮短受損生態系統的恢復時間[25]。

礦山生態修復是一個系統工程，通常包括污染整治、土壤重構和生物恢復等措施（表1）。現有的礦區修復主要通過物理、化學、生物等措施進行，其產生的效果和效益參差不一[25]。研究多針對確定的技術和方法下礦區生態環境進行論述，而從全時間序列角度開展礦區受損生態系統評估與監測的研究較為罕見。自2018 年組建成立自然資源部以來，礦山生態修復工作逐步從早期的工程修復、土地植被整治過渡為“自然恢復為主，人工引導為輔”的生態功能全面修復，努力探索礦區復雜環境條件下的污染源阻控、環境治理與生態恢復耦合的技術創新，力求建設具有完整功能的生態系統[40, 48]。

表1 礦區受損生態系統修復措施Table 1 Restoration measures of damaged ecosystem in mining area

基于自然的解決方案（Natural-based Solution，NbS）近年來被學界越來越多地認可，以生物化學方法為主的生態技術在生態退化治理中顯示出重要作用。許多學者嘗試模擬預測礦區金屬元素釋放、遷移、轉化過程的共性與差異、相互作用、輸入輸出，明晰礦區受損生態系統內部的物質循環，精確展開后續修復工作。Yu 等在華南地區被砷和鎘污染的礦區開展稻田采樣實驗，發現硅在緩解水稻砷和鎘等重金屬和非金屬物質中發揮了獨特的作用[49]。Hou 等學者通過室外大型土柱，對比分析受銻污染的表土和未受銻污染的底土，研究外源銻在土壤中的遷移和地下水淋溶風險[50]。Sun 等學者利用模型進行了砷元素遷移轉化過程的識別量化與金屬礦區土壤污染的修復設計[51]。

2.3 礦區受損生態系統的碳源/匯潛力

以往我國礦山生態修復研究側重于礦山生態系統結構和功能的恢復，忽視了其在減排增匯方面的作用。目前礦區生態破壞區的碳吸收能力微乎其微[52]，實現礦區由碳源向碳匯的根本性轉變尤為必要[3, 53]。

礦區生態系統修復模式的異同會導致碳匯能力存在高低差異，修復過程中短暫的碳減排并不意味著修復后碳增匯能力的長期提升。礦區碳匯形成的關鍵過程包含植物光合碳分配、土壤碳固持、微生物固碳和土壤呼吸等。生態恢復的速率及產生的生態效應與土壤退化程度、植被類型、系統工程技術、礦產規模及其開采手段等一系列因素息息相關[17]。近年來，已經有部分學者開始關注礦區開采導致的失碳效應[54]，并對碳庫損失進行評價[55]。其中，土地利用方式或植被覆蓋情況是決定生態系統碳儲量、影響碳循環的重要因素[56]。由于礦區受損生態系統普遍存在生態脆弱和土壤有機質含量本底值較低的現象，其區域內部的植被和土壤等主要碳匯要素及其固碳能力往往會被極大程度削弱[57]，區域“植被-土壤碳庫”產生強烈擾動[58]。而植被覆蓋率和土壤有機碳含量是反映生態系統結構和功能狀況最直接的參數，與礦區生態系統生產力測算緊密相關，也是其碳匯潛力評估的基礎數據[48]。隨著礦區廢棄地生態修復年限的增加，植被碳匯量和土壤有機碳含量也會隨著植物生長累積而逐步增加[55]。Li 等[35]學者嘗試借助黃土高原林地、灌叢、草地和荒地的土壤細菌群落和土壤理化特性，探討植被恢復對礦區重建土壤的響應機制，從而恢復并穩定礦山生態系統的結構和功能[59]。

礦產資源開發與區域環境的碳循環機制交織耦合，使礦區生態系統碳循環具有獨特性[7]。部分學者嘗試利用遙感等手段分析核算礦區碳匯量[60-61]，或從定性角度對微觀的個案礦區進行碳庫潛力研究[13]。如張紀偉和陳華勇基于多元數據，構建以“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”模型為理論框架的綜合評價指標體系，定量評估福建羅卜嶺礦區的經濟價值及其未來勘查開發對生態環境產生的影響[62]。但目前面向生態碳匯的概念探討及測算研究仍然罕見，且鮮有從宏觀尺度評估礦山生態系統修復后的固碳效應及生態碳匯潛力[63]，針對碳匯能力提升的礦區退化生態修復技術仍有較大的提升空間。

2.4 礦區受損生態系統監測技術

當前礦區生態環境監測數據主要由地面傳感器站點觀測、樣地和基站點采樣、實驗室對比實驗獲取。受制于觀測尺度和人工作業強度，多為幾年甚至近幾個月的空間點位離散數據，且僅個別傳感器存在數年的高頻次觀測[64]。礦區生態環境演變監測與評價的時空尺度不匹配現象明顯，礦區生態系統的全流程監測需求無法得到有效保障。

進入21 世紀以來，遙感（Remote Sensing，RS）、衛星定位（Global Position System，GPS）以及地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺和技術的發展和成熟成為生態系統的演化研究強大的技術支撐，極大推進了大尺度上生態系統格局及其對全球變化響應的相關研究。借助于新時代的大數據網絡[65]，礦區生態系統研究正在實現從點到面、從定性到定量、從平面到“天-空-地-井”立體監測、從單項到綜合的突破[64]（圖5），進而對開采沉陷、露天礦坑、“三廢”問題、礦山次生地質災害等礦區生態環境問題實施多點多面、高精度、實時連續的有效監測與預警[66]。

圖5 多尺度、多平臺的礦區受損生態系統遙感監測技術與應用框架Fig. 5 Multi-scale and multi-platform remote sensing monitoring technology and application framework of damaged ecosystem in mining area

在研究對象上，現有研究主要集中于礦區地表要素類型遙感識別與分類[65]、礦區植被、土壤、水體、大氣等要素的定量遙感監測[67]、礦區生態系統參數綜合監測等方面。在研究內容方面，學界大多利用遙感生態指數（Remote Sensing Ecology Index，RSEI）、景觀指數等[68]指標測算礦區的生態系統固碳功能和生態系統服務價值。對于結構比較單一的礦區生態系統，通過利用光學遙感獲取的植被指數、光譜反射率和紋理信息與實際測量的生物量建立反演模型，可以較為準確地估算大范圍的地上生物量分布[69-70]。Erener[48]通過對礦區植被受損狀況進行植被分類分析，從微觀角度估測其區域的礦區受損程度，確定了加拿大埃德蒙頓北部某礦區的植被變化規律。

隨著技術的發展，單源數據的簡單回歸方法、地上生物量遙感反演方法、微波散射機理模型的反演方法，逐漸發展到基于多源數據融合的非參數化反演方法。應用高分辨率遙感數據、背包雷達等小型監測儀器與野外數據相結合的方法，可以共同構建礦區碳循環模型，分析區域固碳效應，估算區域生態碳匯潛力，是目前一大研究趨勢[15]。人工神經網絡、支持向量機、隨機森林等新興方法也正在被學者們嘗試引入結合，虛擬現實、地理空間分析、物聯網等技術裝備也具有應用拓展的可能[2,26]，進而形成全周期立體化的科學地面監測。隨著國家重大生態工程的開展和礦山生態修復技術的不斷進步，我國的礦山生態環境修復的遙感監測研究呈現蓬勃發展態勢[30]。

3 研究挑戰與展望

3.1 礦區受損生態系統的修復理念與系統管控

隨著基于自然的解決方案（NbS）理念、“山水林田湖草沙生命共同體”系統保護與修復理念、“綠水青山就是金山銀山”的經濟社會發展理念的發展和普及，如何同步實現“能源開發 + 耕地保護 +污染治理 + 固碳增匯”的多元目標，匹配區域碳中和的修復需求是礦區修復的關鍵問題[37]。以生態學的系統觀和整體觀為基礎，秉承碳達峰、碳中和的系統性思維，明確礦區生態系統與區域碳循環、生態碳匯相互關系，預測其碳源/匯對全球氣候變化的響應是后續研究的主要方向[71]。

礦區受損生態系統修復工作具有長期性、復雜性、不確定性和多層嵌套的特點，其修復過程更是各級政府及其環保職能部門、污染責任方、環保企業、社會公眾等各主體博弈的一個復雜過程[28]。面向生態碳匯有益的方向開展礦區適應性管理工作[72]，建立修復政策、技術、資金、產業、人才一體化的區域多維關系網絡，完善目標導向、規劃執行、動態監測、評估反饋的交替式動態循環管理體系是極其重要的[37]。

融合地球系統科學、能源科學、地理科學、工程學、管理學的理論與實踐進行跨學科的交叉融合，統籌考慮經濟結構、產業結構、能源結構、資源利用結構、國土空間結構的跨尺度整合，可以實現礦區生態修復從單要素管理向多要素綜合管控、從行政區域向自然礦區的轉變。

3.2 礦區受損生態系統的修復方案與技術

礦山生態修復的核心目標是區域生態系統的重塑，而實踐中仍存在著對自然演化規律認知不足、缺乏自然恢復手段、以固有的工程化手段為主的弊病。這種修復模式漠視了對生態系統本底恢復能力的考量，修復構建的生態群落穩定性差，生態碳匯能力提升有限，修復效益可持續性不足[73]。綜合考慮自然經濟、人為擾動、修復措施的區域性和污染等級、工程規模的差異性，耦合“地貌重塑、土壤重構、植被重建、景觀重現、生物多樣性重組與保護”的目標導向修復方案是探索“礦區生態保護修復 + 全域土地綜合整治 + 人與自然和諧共生”融合模式的有效措施。

未來在恢復生態學相關理論基礎上[72]，礦區修復應兼顧生物多樣性、景觀多樣性和生態系統多樣性的協同發展，明確區域地下水、土壤和植被間的相互關系及作用機制[74]，針對性開展植物篩選與配置、水文調控、土壤底質改良等工作，逐步形成優勢植被/功能菌篩選、環境材料復合微生物固碳和固碳微生物定向增殖等關鍵技術體系[26]。結合生態補償政策、綠色金融、國家生態紅線政策，參考生態倫理觀、生態發展觀等理論可以實現方法理論的突破創新，強化礦區生態系統修復研究成果的應用推廣，推進從理論邁向實踐的進程。

3.3 礦區受損生態系統的監測技術

隨著全球碳達峰、碳中和目標共識的形成，國土空間整體管控的頂層設計日益明確，對礦區遙感監測技術的需求日益提升。目前礦區受損生態系統的區域化、實驗性的探索雖然取得了一定成效，但其技術應用深度和創新程度明顯不足，遙感影像的地物信息提取技術手段較為粗淺[64]，至今仍未建立完善的多尺度礦區遙感監測技術體系。從小型實驗室、基地站尺度擴大到全尺寸規模是目前礦區受損生態系統監測模擬工作的最大挑戰。

近地面遙感，相較于傳統的衛星遙感和航空遙感，觀測尺度更貼近傳統地面觀測，可以更加便捷地獲取礦區生態系統-景觀尺度的高時空分辨率遙感信息，突破三維生態監測的屏障，填補礦區“天-空-地-井”全面觀測的空缺[67]。未來可以嘗試運用近地面遙感結合樣地調查的方式[75]，融合空間遙感、地理信息系統、生命科學、能源科學及人工智能等前沿技術，突破“國家-區域-樣地”的尺度轉換的壁壘[44,61]，在礦區受損生態系統的空間布局、物種識別、生境調查、影響因素、災害風險預警、生物多樣性監測和生態系統管理等多方面深入創新研究。

3.4 礦區受損生態系統的修復效益與評價

礦區受損生態系統的生態修復是一項復雜、長期的系統工程，實現近期利益與遠期利益的權衡已然成為礦山廢棄地生態修復系統設計與評價的重點工作。嚴峻的礦地矛盾制約了區域經濟的可持續發展，衍生出眾多地區生態-社會問題，同時修復效果的滯后性進一步擴大了工作推進的阻礙[72]。其修復效益和碳匯潛力亟待從更長的時間尺度、更廣的空間尺度展開評價。礦山生態環境數字孿生（Digital Twin of Mine Ecological Environment，DTME）系統的構想將支撐礦山生態全過程治理的感知、表達、監測、模擬、仿真、預測與控制的功能，有望推進礦山生態環境治理信息化建設[76]。

以全國碳交易體系建立為契機，利用遙感和統計數據，結合IPCC 清單指南等國際通用指標框架，從不同時空尺度對礦區碳儲量和碳排放量進行核算，強調評價與核算方法的創新，構建資源綠色勘查與評價、礦山規劃建設、資源開采與綜合利用、礦山環境生態保護與修復等全生命周期的工作流是后續工作的重點。基于礦區生態系統獨特的碳循環[60]，著重探索其系統要素間的互饋與耦合機制，綜合考慮區域生態安全格局和生態定位，拓展礦區開發和保護多發展模式，是踐行碳中和目標、實現礦區生態文明建設的關鍵所在。