渠俊峰,李 鋼,張紹良

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221008)

高潛水位煤礦區(qū)主要分布在我國東部的平原區(qū)，由于地下潛水位較高，所以煤礦開采后地表會沉陷、積水，從而形成了獨特的水、陸復(fù)合的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。煤礦開采不僅破壞了礦區(qū)的土地、水熱循環(huán)、生態(tài)環(huán)境等，還改變和破壞了礦區(qū)的生態(tài)平衡條件、生態(tài)過程，特別是在地表沉陷過程中，除地表植被、土壤等生態(tài)因子發(fā)生變化外，沉陷區(qū)的碳源、碳匯生態(tài)功能的轉(zhuǎn)化關(guān)系也發(fā)生了變化。長期以來，我國采煤塌陷區(qū)復(fù)墾多以農(nóng)業(yè)復(fù)墾為主，復(fù)墾的目標(biāo)是盡可能多地增加耕地面積，為耕地的占補平衡發(fā)揮了重要作用。但煤礦開采破壞了礦區(qū)原有的生態(tài)平衡，而開采沉陷后礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境需要改善和維護，所以有必要在實施土地開發(fā)時兼顧生態(tài)環(huán)境保護，以促進采煤沉陷區(qū)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展與穩(wěn)步增長。據(jù)統(tǒng)計，截至2005年年底全國采煤沉陷土地面積累計已超過70萬hm2，其中耕地沉陷約為21萬hm2，且隨著煤炭開采的持續(xù)沉陷地還在以每年大約2萬hm2的速度增加，采煤沉陷區(qū)開發(fā)和生態(tài)治理需求十分迫切。徐州市九里高潛水位采煤沉陷區(qū)在復(fù)墾和生態(tài)重建方面實現(xiàn)了有效統(tǒng)一，治理規(guī)劃綜合考慮了農(nóng)業(yè)開發(fā)復(fù)墾和人工景觀生態(tài)濕地規(guī)劃建設(shè)，下面筆者重點闡述采煤沉陷區(qū)開發(fā)復(fù)墾和生態(tài)保護共同發(fā)展的治理思路。

1 采煤沉陷區(qū)濕地的治理思路

1.1 國內(nèi)外采煤沉陷區(qū)的治理發(fā)展

我國的煤礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)重建研究始于20世紀60年代，多年來積累了豐碩的成果，采煤沉陷區(qū)復(fù)墾方式包括充填復(fù)墾(矸石粉煤灰回填、土壤重構(gòu)等)、非充填復(fù)墾(挖深墊淺、疏排法等)等，從改善生態(tài)的角度還有生物措施復(fù)墾(肥化土壤、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等)等。國外的礦區(qū)復(fù)墾研究從20世紀50年代開始，如美國、加拿大、德國等制定了土地復(fù)墾方面的法律法規(guī)等，其中德國在魯爾礦區(qū)提出了區(qū)域未來創(chuàng)新發(fā)展、景觀規(guī)劃、采礦區(qū)和工業(yè)廢棄地重新利用規(guī)劃等；波蘭、捷克、意大利、保加利亞和斯洛文尼亞等國家提出了礦產(chǎn)資源開發(fā)、土地利用、景觀重建一體化的發(fā)展規(guī)劃，以實現(xiàn)煤礦區(qū)工業(yè)轉(zhuǎn)型、環(huán)境重建等；英國巴特威爾露天礦采用邊采邊回填的方式，最后覆土造田復(fù)墾；澳大利亞在礦山復(fù)墾中將土地生產(chǎn)力恢復(fù)與水資源防污結(jié)合起來等[1]。

1.2 高潛水位采煤沉陷濕地

2002年國際濕地公約對濕地進行了明確定義：濕地系指天然、人工或暫時之沼澤地、濕地、泥炭地或水域地帶，具有或靜止、或流動、或淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時不超過6 m的水域。煤礦開采導(dǎo)致采空區(qū)上方覆巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭破壞，會發(fā)生冒落、斷裂、彎曲等移動變形并最終涉及地表，導(dǎo)致礦區(qū)土地挖損、占壓、沉陷、常年和季節(jié)性積水等，雖然經(jīng)過挖深墊淺、疏排等措施復(fù)墾可以增加耕地面積，但是由于高潛水位采煤塌陷區(qū)地勢低洼，所以區(qū)域內(nèi)仍然會存在大量積水和季節(jié)性積水區(qū)域。高潛水位采煤沉陷區(qū)地表水資源賦存豐富，植物、動物、微生物、陽光、水分、土壤等要素組成了一個獨特的“土壤-植物-微生物”生態(tài)系統(tǒng)，沉陷區(qū)積水量、地貌、環(huán)境等具備人工景觀生態(tài)濕地規(guī)劃的良好自然條件[2]。高潛水位采煤沉陷土地由于長期大面積積水而具備濕地的基本特征，所以可以積水區(qū)域的生態(tài)改良為治理目標(biāo)，充分發(fā)揮沉陷積水區(qū)生態(tài)碳匯、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、景觀重塑等生態(tài)功能。

1.3 高潛水位采煤沉陷濕地規(guī)劃和保護依據(jù)

人工生態(tài)濕地的生態(tài)功能主要表現(xiàn)在：① “碳匯”功能?！疤紖R”(Carbon Sink)是從空氣中清除CO2的過程、活動、機制。采煤沉陷濕地有大面積的積水覆蓋，土壤水分長期處于飽和狀態(tài)，所以土壤有機物分解速率較低且積累速率較大。采煤沉陷濕地受養(yǎng)分的有效性、基質(zhì)的缺氧程度、基質(zhì)鹽度、沉淀性質(zhì)和pH值等的影響，有機碳會不斷增加[3-4]；②優(yōu)化生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)。高潛水位采煤沉陷濕地水土資源條件優(yōu)越，根據(jù)地貌、水環(huán)境特征、資源分布特征和植物群落的適應(yīng)性等，可按照沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶進行水面空間梯度布局，在采煤沉陷濕地與陸地過渡帶規(guī)劃上層樹種、中層樹種和地被植物，統(tǒng)籌考慮觀賞價值和對污染物凈化等，形成水、陸植被的生態(tài)序列，既可以發(fā)揮景觀功能又可以改良生態(tài)破壞后的礦區(qū)小氣候。③采煤沉陷濕地的其他功能。采煤沉陷濕地除了具備生態(tài)景觀功能外，還能攔洪截蓄、削減河道洪峰壓力等。另外，在水質(zhì)允許的情況下，還可以發(fā)展水面養(yǎng)殖，有利于循環(huán)經(jīng)濟的建立。

2 采煤沉陷區(qū)復(fù)墾和生態(tài)保護實例

2.1 徐州九里采煤沉陷區(qū)基本情況

徐州九里礦區(qū)位于徐州市西北郊，距徐州市中心8 km，有張小樓、龐莊、東城、寶應(yīng)和王莊5個煤礦，是典型的平原高潛水位煤礦，當(dāng)前已經(jīng)形成沉陷區(qū)面積1 155.8 hm2，沉陷區(qū)原有地類見表1。該礦區(qū)投產(chǎn)于1960年，2000年之后煤礦資源逐漸枯竭，一些礦井陸續(xù)關(guān)閉，礦區(qū)地表也逐漸趨于沉陷穩(wěn)定狀態(tài)，具備了礦區(qū)治理的基本條件。2005年針對沉陷區(qū)進行了復(fù)墾治理，理順了水系，并回填土方造田；2008年又進行了沉陷濕地公園的規(guī)劃及建設(shè)。

表1 徐州九里采煤沉陷區(qū)地類

2.2 采煤沉陷濕地景觀生態(tài)規(guī)劃過程

徐州九里采煤沉陷區(qū)景觀生態(tài)濕地規(guī)劃是在復(fù)墾的基礎(chǔ)上進行的，先后完成了土方挖填、水系修復(fù)等，針對大面積沉陷水域以景觀生態(tài)為規(guī)劃目標(biāo)，在滿足生態(tài)修復(fù)和休閑旅游的同時，兼治塌陷區(qū)生活污水、礦區(qū)重金屬污染等，協(xié)調(diào)水資源、生物資源多樣性、景觀旅游之間的關(guān)系，把采煤沉陷區(qū)大水面規(guī)劃成景觀生態(tài)濕地，具體規(guī)劃的內(nèi)容主要有：①濕地耗水分析和供水規(guī)劃。采煤沉陷濕地的耗水主要有灌溉、滲漏、蒸發(fā)、養(yǎng)殖和生態(tài)耗水等，濕地供水規(guī)劃應(yīng)該確保有相應(yīng)的水量，確保濕地不發(fā)生陸化。采煤沉陷濕地供水來源主要有降水、地表徑流、土壤滲水、灌溉尾水和較高區(qū)域客水等，確保水資源供給量與消耗量之差大于枯水季節(jié)蓄水量，保證濕地在低水位狀態(tài)下能正常運行。②濕地排水規(guī)劃。濕地作為河流的滯洪區(qū)和景觀區(qū)，蓄水量不能超過其洪水位警戒線，當(dāng)采煤沉陷濕地遇汛期降水和洪澇集中時，需要將多余的水資源排出，以降低洪澇災(zāi)害對采煤沉陷區(qū)的影響。③濕地植被規(guī)劃。濕地植被群落作為生態(tài)景觀的重要因子，除了考慮其景觀要素外，還要綜合考慮其在采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中的作用，根據(jù)擬規(guī)劃采煤沉陷濕地的水深、水系差異和植物群落的適應(yīng)性，因地制宜地營造不同的植物景觀，按照水面的空間梯度分別布局沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶，濕地水面植被群落梯度規(guī)劃見表2，徐州市九里采煤沉陷區(qū)治理前后對照見圖1。

表2 徐州九里采煤沉陷區(qū)土地水陸植物群落

2.3 采煤沉陷濕地實現(xiàn)的生態(tài)效益

采煤沉陷濕地的規(guī)劃實現(xiàn)了顯著的生態(tài)效益，具體表現(xiàn)在：①增加了土壤碳庫的儲量。采煤沉陷區(qū)人工濕地規(guī)劃后，濕地區(qū)域發(fā)揮了顯著的碳匯功能。對采煤沉陷區(qū)季節(jié)性積水區(qū)、沉陷不積水區(qū)、對照農(nóng)田和濕地區(qū)域土壤取樣進行化驗分析，對比發(fā)現(xiàn)采煤沉陷濕地單位面積土壤碳庫儲量遠高于其他地類，沉陷濕地區(qū)為1.09 萬t/km2，對照農(nóng)田為0.768萬t/km2，季節(jié)性積水區(qū)為0.627萬t/km2，沉陷不積水區(qū)為0.559萬t/km2。②水質(zhì)得到了凈化。采煤沉陷區(qū)積水水質(zhì)重金屬、硫化物等均超標(biāo)，濕地的首要功能就是發(fā)揮生態(tài)效益，濕地植物在凈化濕地水質(zhì)過程中發(fā)揮了3方面作用，即：直接吸收利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)、吸附重金屬和有毒物質(zhì)；為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣；增強和維持介質(zhì)的水力傳輸。③沉陷區(qū)生態(tài)景觀格局不斷優(yōu)化。除了將水域作為采煤沉陷濕地的治理重點外，水體沿岸的生態(tài)涵養(yǎng)林也得到重新布局和調(diào)整，以當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土樹種為主，營造穩(wěn)定的植物群落，達到涵養(yǎng)水源、凈化空氣、凈化水質(zhì)的目的。④后工業(yè)景觀生態(tài)文化的展示。將枯竭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與重建、景觀重構(gòu)與組織結(jié)合起來，展現(xiàn)后工業(yè)生態(tài)景觀公園模式(見圖1)。

圖1 徐州市九里采煤沉陷區(qū)治理前后對照

3 結(jié)論與討論

高潛水位煤礦開采后沉陷區(qū)出現(xiàn)大量的積水，沉陷區(qū)水土資源豐富但利用率較低，合理開發(fā)和利用沉陷區(qū)水土資源是采煤沉陷區(qū)治理的根本目的。土地開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護同等重要，兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展將是礦區(qū)治理的最終目標(biāo)。高潛水位采煤沉陷區(qū)的治理需要考慮各種效益的協(xié)調(diào)發(fā)展和穩(wěn)步增長，為此要做到如下幾點：

(1)因地制宜編制治理規(guī)劃。高潛水位采煤沉陷區(qū)雖然擁有豐富的水土資源亟待開發(fā)，但是由于采煤過程對生態(tài)環(huán)境的破壞，沉陷土地開發(fā)應(yīng)充分兼顧區(qū)域的生態(tài)補償規(guī)劃，促進土地利用率的提高和積水資源化利用，推廣應(yīng)用宜耕則耕、宜景則景、宜林則林、宜漁則漁的治理開發(fā)模式。

(2)保護和增強采煤沉陷濕地的綜合生態(tài)功能。抽排積水并回填沉陷洼地可以新增一些耕地，但復(fù)墾成本較高，且新增耕地質(zhì)量不高，而積水面積的縮小會削弱濕地的綜合生態(tài)功能，比如有機碳庫、碳匯能力等。檢測數(shù)據(jù)表明，采煤沉陷濕地常年積水區(qū)有機碳庫密度顯著大于參照田和不積水坡耕地。積水區(qū)是采煤沉陷濕地的重要碳匯區(qū)，保護好積水區(qū)有助于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改良，在進行采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃時，可以適當(dāng)保留沉陷區(qū)水體，通過保留一些水體來實現(xiàn)區(qū)域碳增匯、空氣凈化、濕度調(diào)節(jié)等。

(3)重視坡耕地的水土保持。采煤沉陷造成大面積的斜坡耕地，屬于陸地和沉陷水面的緩沖結(jié)合部，在降水和重力的雙重作用下斜坡耕地保水保肥性能較差。根據(jù)土壤樣本的有機碳庫密度分析，坡耕地的土壤有機碳密度偏低，客觀上降低了坡耕地的生產(chǎn)能力，為此需要強化坡耕地水土保持規(guī)劃，增強地表植被的覆蓋率，抑制坡耕地水土流失，有效保護坡耕地的產(chǎn)出能力。

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