關軍洪, 郝培堯, 董麗, 李雄

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礦山廢棄地生態(tài)修復研究進展

關軍洪, 郝培堯, 董麗*, 李雄

城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室, 北京林業(yè)大學園林學院, 北京 100083

隨著社會經濟的發(fā)展, 礦山廢棄地生態(tài)修復理論與實踐已成為各國共同研究的熱點。從礦山廢棄地生態(tài)修復理論、修復技術、修復生態(tài)效益及修復質量評價這四個方面介紹了國內外礦山廢棄地生態(tài)修復的研究進展, 并對我國礦山廢棄地生態(tài)修復研究工作進行展望: (1)在礦山廢棄地生態(tài)修復過程中, 更應關注近期利益與遠期利益的最佳結合; (2)礦山廢棄地生態(tài)修復基礎理論尚有待進行深入研究, 生態(tài)修復技術需要開展多學科、多領域協(xié)作實現進一步創(chuàng)新; (3)需要建立較為一致且完善的礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價體系; (4)在礦山廢棄地生態(tài)修復過程中, 利用風景園林學科的相關理論方法進行景觀營造, 實現礦山廢棄地重建和景觀化。

礦山廢棄地; 生態(tài)修復; 理論與技術; 生態(tài)效益; 質量評價

1 前言

礦產資源的開發(fā)利用不僅為經濟社會的快速發(fā)展提供了十分重要的物質基礎, 同時也極大地促進了工業(yè)等相關產業(yè)的迅速發(fā)展。但礦產資源帶來巨大經濟效益的同時, 在礦山開采過程中也產生了一系列極其嚴重的環(huán)境問題, 如大面積天然植被遭到毀壞、礦山原有地貌景觀退化、地質災害加劇、污染物大量擴散及生物多樣性急劇下降等等, 進而對人類的生產活動造成了嚴重影響。因此, 如何對礦山廢棄地進行生態(tài)修復, 對于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和促進經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

發(fā)達國家對礦山廢棄地進行修復已具有悠久的歷史，自20世紀80年代以來, 我國在礦山廢棄地的治理方面也取得較大進展。目前隨著礦山廢棄地生態(tài)修復相關理論和技術研究工作的迅速發(fā)展, 全社會對礦山廢棄地生態(tài)修復的熱情越來越高, 此外國家對礦山廢棄地生態(tài)工程建設的投資力度大幅上升, 因此礦山廢棄地生態(tài)修復的研究工作也備受關注。

礦山廢棄地生態(tài)修復作為當今生態(tài)恢復學研究的一個重要內容, 其主要目的在生態(tài)系統(tǒng)退化與機理等相關理論研究基礎上, 建立相應的技術體系, 指導恢復因采礦活動所破壞的生態(tài)系統(tǒng), 進而服務于礦山廢棄地土地資源利用和生物多樣性的保育理論與實踐活動, 從而將受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復到接近于礦山開采前的自然狀態(tài), 或重建成符合人類某種有益用途的狀態(tài), 或是恢復成與其周圍環(huán)境相協(xié)調的其它狀態(tài)[1], 因此目前國內外對于礦山廢棄地生態(tài)修復的研究主要集中在生態(tài)修復理論、修復技術、修復生態(tài)效益及修復質量評價等方面。

2 礦山廢棄地生態(tài)修復理論研究

礦山廢棄地生態(tài)修復理論都來源于恢復生態(tài)學原理及理論, 其相關理論的研究主要涉及到群落演替理論、限制性因子理論、自我設計和人工設計理論、生態(tài)適應性理論、生態(tài)位理論、植物入侵理論、生物多樣性理論、景觀生態(tài)學理論等幾個方面, 其中植被群落演替理論和限制性因子理論的研究相對集中。礦山廢棄地生態(tài)修復理論研究還有待在大量的恢復實踐中進一步完善, 尤其是景觀生態(tài)學理論的研究與運用, 與此同時要實現多學科多領域的共同合作。

2.1 植被演替理論在礦山廢棄地生態(tài)修復中的應用

所有生態(tài)系統(tǒng)的恢復和重建都是以植被恢復為前提, 因此植被演替理論作為礦山廢棄地植被恢復重建的重要基本理論, 一直以來都是礦山廢棄地生態(tài)修復過程中眾多學者研究的焦點問題之一。陳芳清等研究發(fā)現磷礦廢棄地植物群落是通過先鋒植物入侵、定居和競爭形成的, 植物群落的形成和演替過程按照演替序列分為3個階段, 植物群落中各物種種群數量和綜合優(yōu)勢度呈現動態(tài)變化[2]。當礦山廢棄地自然恢復植物群落處于演替前期階段, 抗逆性強的禾本科、豆科和菊科草本植物成為先鋒植物, 隨著時間推移灌木和喬木逐漸出現, 植物覆蓋度和物種多樣性逐漸增大, 但草本植物群落的生物多樣性水平明顯高于灌木和喬木植物群落[3–5]。此外, 李子海研究發(fā)現在群落演替過程中適宜的鄉(xiāng)土植物是不斷變化的, 因此在礦山廢棄地生態(tài)修復過程中以更高群落演替階段植物物種構成為參照來選配群落演替初期的物種[6]。同時礦山廢棄植被群落演替動態(tài)受到環(huán)境因子如土壤速效磷、土壤酶活性、土壤水分等和演替時間等方面的影響, 其中土壤水分和演替時間是制約礦山廢棄地植被恢復過程中物種多樣性變化的重要因素, 同時種植具有侵略性的外來物種會減緩植被恢復演替的進程, 而建群種補植法能夠促進植被恢復演替的進程[2,7–10]。另外, 大量研究都表明礦山廢棄地自然恢復植被物種多樣性高于人工恢復植被, 從長遠來看自然恢復效果要優(yōu)于人工恢復, 但礦山廢棄地自然恢復過程十分漫長[3,11–13],因此礦山廢棄地生態(tài)修復要考慮長期的潛在價值和深遠的修復目標, 深入研究礦山廢棄地植被結構特征及其演替方式, 結合成熟的人工修復技術, 更好的進行礦山廢棄地生態(tài)修復。

2.2 限制性因子理論在礦山廢棄地生態(tài)修復中的應用

限制性因子理論是生態(tài)學的核心理論, 所有生物生長恢復狀況是其所處生境諸多環(huán)境因子綜合作用的結果[14], 對于礦山廢棄地而言, 各種環(huán)境因子如場地坡度坡向、廢棄物破碎化程度、土壤條件、光照及水分等都會成為其生態(tài)修復過程中的限制性因子。孫明迪通過對北京門頭溝龍鳳嶺礦山廢棄地影響植被恢復的限制因子研究發(fā)現, 影響最大的因子首先是土壤有效深度, 其次是土壤有機質, 再依次是年降雨量、地表破壞程度和改造難易程度、土壤質地、土壤含水量、地面坡度、土壤酸堿度和有害元素含量、灌溉條件[15]。大量研究都表明土壤理化性質和營養(yǎng)狀況, 主要包括土層厚度、土壤質地、土壤肥力、土壤酸堿度、土壤鹽溶液離子濃度、毒性重金屬離子濃度及土壤酶等會成為礦山廢棄地生態(tài)修復過程中植物定居和恢復過程中的重要限制因素[2,9,16]。Martinez-Ruiz通過對西班牙中部地區(qū)鈾礦廢棄地生態(tài)修復研究發(fā)現, 土壤質地、場地坡度坡向以及廢棄地破碎化程度是植被恢復重要限制因素, 北坡和破碎化程度較高的植被演替速度更快[17]。此外郭逍宇等通過對煤礦廢棄物的植被利用生態(tài)位寬度和重疊指數分析, 結合TWINSPAN分類和DCA排序研究表明:光照和水分是群落優(yōu)勢種生態(tài)梯度變化的重要限制因子[18]。

3 礦山廢棄地生態(tài)修復技術

礦山廢棄地生態(tài)修復技術應當以生態(tài)學理論為基礎, 根據相關恢復理論, 運用生態(tài)修復的相關技術手段, 實現礦山廢棄地的重建和土地資源的可持續(xù)利用。目前通過對礦山廢棄地立地條件類型進行劃分及適宜性評價, 制定合理的生態(tài)重建目標和方案, 結合礦山邊坡穩(wěn)固和工程綠化技術、土壤改良技術、植物物種選配及種植技術、土壤種子庫技術等成為礦山廢棄地生態(tài)修復的重要技術手段。

3.1 立地條件類型劃分與評價

礦山廢棄地表現出景觀破碎化特征即擁有不同的景觀要素和景觀類型, 生態(tài)修復過程中對其進行立地條件類型劃分和適宜性評價, 針對不同類型礦山廢棄地采用不同的生態(tài)重建手段已成為礦山廢棄地生態(tài)修復的重要環(huán)節(jié)。何書金等將影響礦山廢棄地生態(tài)修復的自然、社會和經濟條件總結為4類14個亞類, 并劃分為6個等級, 為礦山廢棄地有效合理利用及修復的適宜性評價提供參考[19]。白中科和孫泰森等通過對平朔安太堡煤礦山生態(tài)系統(tǒng)演替階段與類型劃分、土地利用結構調整、待恢復土地適宜性評價單元類型劃分, 提出土地復墾和生態(tài)重建方法[20]。另外, 劉國華等對南京幕府山礦山廢棄地的類型進行劃分, 并針對礦山廢棄地不同類型基質采取相應措施同時提出不同樹種配置模式[21]。魏述艷以坡度、坡向、土層厚度、風化程度、恢復方式等主導因子將北京鐵礦山廢棄地劃分為6個類型組25個立地類型, 并針對不同裸地立地類型, 按照近自然的原則進行綜合規(guī)劃, 提出合理的生態(tài)修復措施的建議[22]。因此對礦山廢棄地進行科學合理的立地條件類型劃分和適宜性評價是礦山廢棄地生態(tài)重建第一步也是最為關鍵的一步。與此同時, 隨著生態(tài)修復理論研究與實踐的不斷深入, 各學科各領域研究的不斷進步, 礦山廢棄地立地類型劃分標準和適宜性評價體系也應不斷發(fā)展和完善。

3.2 邊坡固定及工程綠化技術

國外發(fā)達國家較早的將工程手段用于礦山廢棄地生態(tài)修復, 開發(fā)了多種邊坡穩(wěn)固和工程綠化技術措施, 包括種子噴播法、纖維綠化法、鋼筋水泥框格法、植生卷鋪蓋法、客土噴播法、植生吹附工法、生態(tài)多孔混凝土綠化法、客土袋液壓噴薄植草法、掛雙向格柵技術、生態(tài)植被帶生物防護、掛網植生基材噴附技術、生態(tài)灌漿、六棱連鎖磚網格植草護坡等等[23–25]。近些年來國內也開發(fā)了一系列恢復技術, 其中廣泛應用的有: 厚層基材噴射綠化法、生態(tài)植被毯鋪植、植被混凝土技術、PMS基材噴附技術、VRT礦山植被恢復技術組合創(chuàng)新等[26]。由于各礦山廢棄地立地條件的差異, 因此生態(tài)修復過程所采取的工程技術措施也不盡相同, 沈烈風[27]根據礦山廢棄地場地不同坡度將生態(tài)修復工程技術分為3類: 小于40°坡面采取噴混植生技術、土壤生物工程技術、柔性邊坡技術、掛綠化籠磚; 40°-75°坡面采用植生槽、階梯爆破技術、厚層噴射法、爆破燕窩復綠法、噴薄、筑臺拉網法; 大于75°坡面則采用造景等方法。

3.3 土壤改良技術

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)最基本的組成成分, 對礦山廢棄地生態(tài)修復起著決定性作用, 改良土壤理化性質和營養(yǎng)狀況是礦山廢棄地生態(tài)修復重要目標[28], 目前土壤改良的主要技術方法有物理改良法、化學改良法和生物改良法。

物理改良主要采用排土、換土、客土混合機深耕翻土等方法, 根據礦山廢棄地不同的實際需要選擇不同方法。礦山廢棄地生態(tài)修復實踐中往往采取排土后混合客土來改良土壤, 采礦前將土壤分層取走保存, 工程結束后對廢棄地進行修復時將原土運回加以利用, 這種方法已成為許多國家當前保護礦山環(huán)境的標準程序[29–30]。此外, 礦山廢棄地土壤通常較為緊實, 因此在采取土壤化學改良和生物改良之前通過深耕翻土改良土壤緊實度和土壤結構; 對于土層過薄或污染嚴重的礦山廢棄地, 客土法成為必要的改良方法, 同時采用化學泥漿、噴射泥漿、振動束泥漿強、薄膜墻、平板墻等方法隔離和去除礦山廢棄地土壤中易于分解擴散的污染物[30]。近年來, 有些國家采用電滲析法來修復礦山廢棄地土壤中的重金屬, 通過電滲析法對土壤中的重金屬進行集中收集處理, 這種方法簡單, 但受到土壤復雜性影響, 難以廣泛應用[29]。

化學改良過程中通常向土壤中加入材料或試劑來改良土壤的理化性質, 大量實踐表明在礦山廢棄地土壤中加入堆肥、糞肥、木屑、綠色垃圾或無毒有機污泥等, 能夠有效提高土壤養(yǎng)分, 研究發(fā)現木屑可以顯著提高非禾本科草本、灌木和喬木的存活率; 城市污泥也被廣泛應用于礦山廢棄地基質改良, 其中含有豐富的營養(yǎng)元素和有機質, 同時具有較強的粘性和持水性, 對于提高土壤微生物活性和增加土壤肥力有較好效果[31–36]。對于礦山廢棄地的酸堿化傾向, 石灰或碳酸鈣能有效改良過酸廢棄地, 硫酸鐵、硫磺等酸性物質能有效改良過堿性廢棄地[42–43]; 對于礦山廢棄地土壤中的重金屬污染, 實踐表明部分化學試劑如磷酸鹽、鈣離子、EDTA等可以有效降低重金屬毒性, 減輕對土壤的污染[37–39]。

生物改良是通過利用植物、土壤動物和微生物的生命活動及其代謝產物來改良土壤的理化性質和土壤營養(yǎng)狀況。相關研究表明, 豆科植物能夠生長于土壤污染嚴重的礦山廢棄地中, 使礦山廢棄地中氮含量顯著提高, 同時楊梅、沙棘等都具有較強固氮能力[30]。近年來利用植物來提取和降低礦山廢棄地土壤中的重金屬為土壤改良提供了新途徑, 大量實踐表明Pb、Cd、Cr、Mn、As、Zn、Cu、Hg等重金屬的超富集植物30多種, 其中鴨跖草可以大量富集Cu, 蜈蚣草可以大量富集As, 東南景天、鬼針草和酸?？梢源罅扛患U, 商陸可以大量富集Mn, 此外通過現代生物技術, 克隆耐重金屬污染的基因, 從而用于改良和培育礦山廢棄地重金屬富集的植物種類[40–42]。土壤動物對于改良土壤結構, 增加土壤孔隙度及增強土壤肥力都發(fā)揮著重要作用, Boyer S等人研究發(fā)現, 通過灌水、電擊等方法將蚯蚓引入礦山廢棄地, 蚯蚓的活動可以增加土壤孔隙度, 有效改良土壤的物理結構, 同時蚯蚓還可以起到富集重金屬的作用[43]。微生物能夠有效促進植物營養(yǎng)吸收、改良土壤結構、減弱重金屬毒性等, 目前大量礦山廢棄地生態(tài)修復已將微生物肥料用于土壤的改良, 研究表明根瘤菌與豆科植物共生可將大氣氮氣轉化為氮素固定到土壤, 利于土壤中氮元素積累, 土壤接種菌根利于植物對P、Mo元素吸收, 降低土壤中Mo污染[41–45]。

3.4 植物物種選擇、配置及種植技術

礦山廢棄地植被恢復是礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的修復和重建的基礎, 因此植物物種選配和種植技術的探索一直是礦山廢棄地植被恢復的研究熱點。目前, 針對不同類型礦山廢棄地適宜物種的選擇已有大量研究, 其中豆科、菊科、禾本科植物是礦山廢棄地生態(tài)修復的先鋒物種, 具有很強的適應性, 對改善土壤理化性質和營養(yǎng)狀況效果明顯, 尤其是具有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物, 是理想的先鋒物種[46–49]; 水蠟燭、假儉草等草本植物對銅礦廢棄地具有優(yōu)良適應性[50]; 禾本科和茄科對鉛鋅礦山廢棄地具有較好的適應性[45]。Burton等、張光燦等、安俊珍都對礦山廢棄地植被恢復過程中適宜植物群落組成以及合理種植密度進行了研究[13,51–52]; 趙方瑩對北京首云鐵礦礦山廢棄地植被恢復物種配置方式進行研究表明擬自然的配置方式, 實行喬灌草復層混交, 可以有效提高植被覆蓋率、土壤肥力以及恢復植被生物多樣性[53]。另外, 對于土壤水分相對缺乏的礦山廢棄地, 可采用容器苗造林技術、保水劑技術、ABT生根粉技術、保水劑技術等各類抗旱栽植技術[30]; 生物技術大量被應用于促進礦山廢棄地植被恢復植被成活技術中, 實踐證明AM菌根能夠促進植物對養(yǎng)分的吸收提高植物抗逆性, 在礦山廢棄地酸性土壤中植入根瘤菌和種植鄉(xiāng)土豆科植物可以使得恢復植被的成活率顯著提[54–55]。

3.5 土壤種子庫技術

土壤種子庫與植被群落的發(fā)生、更新、物種多樣性和組成有著極為密切的聯(lián)系, 在國外土壤種子庫已經被應用于礦山廢棄地的生態(tài)修復實踐中, 很多國家在進行礦山開采前, 將原有的表土保留下來, 在開采結束后對廢棄地進行修復時利用原有的地形進行整地并將表土歸位并適當客土, 實踐表明利用土壤種子庫進行修復, 利于恢復植被向原有植被方向演替, 有較好的恢復效果; 國內對于土壤種子庫在礦山廢棄地生態(tài)修復方面已有一定理論基礎, 土壤種子庫的自我更新能力和地上部群落的相似性以及土壤種子庫的種類、數量、密度及分布空間, 各種植物的組成型, 都成為礦山廢棄地生態(tài)修復的研究熱點[56], 因此將土壤種子庫技術應用于礦山廢棄地生態(tài)修復實踐中將會成為一個嶄新的課題和研究方向。

4 礦山廢棄地生態(tài)修復生態(tài)效益研究

礦山廢棄地生態(tài)修復解決礦山廢棄地產生的一系列生態(tài)環(huán)境問題就是其生態(tài)效益的展現, 目前對于礦山廢棄地生態(tài)修復生態(tài)效益的研究已越來越多, 主要集中在土壤理化性質改良、生物多樣性提高和生物量積累、水土保持和水源涵養(yǎng)能力提高、景觀格局改善等方面, 研究過程中通常采用時間序列對比和系統(tǒng)間對比的方法, 將礦山廢棄地不同恢復階段狀態(tài)進行對比以及修復的生態(tài)系統(tǒng)與未破壞的生態(tài)系統(tǒng)進行對比, 從而進行生態(tài)修復的效益評價[57]。

4.1 植物物種多樣性及生物量變化

礦山廢棄地生態(tài)修復過程中, 先鋒物種的生長發(fā)育改變了群落的生態(tài)環(huán)境, 為其它物種的自然入侵、定居及種群擴大創(chuàng)造良好的條件, 從而提高生物多樣性, 同時系統(tǒng)生產力也隨著植被生物量的不斷積累和惡劣生境逐漸被改善而不斷提高。目前礦山廢棄地生態(tài)修復過程中植物物種多樣性變化方面已有大量的研究, 主要運用空間代替時間的方法針對不同恢復年限以及采用不同生態(tài)修復措施的恢復植物群落整體層次性和物種組成指數等多樣性特征進行對比分析, 對于植被演替理論的發(fā)展起到重要促進作用, 同時也為礦山廢棄地生態(tài)修復過程中修復措施的選擇提供參考和借鑒; 系統(tǒng)生物量和生產力變化方面也有少量研究, 閆德明研究表明合理有效的恢復措施能夠快速實現植被恢復, 生物多樣性、生物量和植被生產力可以迅速恢復至未擾動的植物水平[58]。

4.2 土壤改良效益

礦山廢棄地生態(tài)修復土壤改良效益研究主要集中在宏觀和微觀兩個層面, 宏觀上主要研究時間、空間的變化對礦山廢棄地土壤質量的影響, 微觀上主要研究土壤微生物生物量和酶活性與土壤養(yǎng)分的關系進而探討修復的效益[59]。相關研究表明隨著礦山廢棄地恢復年限的增加, 土壤化學性質均呈逐年增加趨勢, 土壤理化形狀逐年改善, 土壤生產力逐年提高[60–61]; 王江等、趙芳瑩、石麗麗等對礦山廢棄地植被恢復與土壤理化性狀進行相關性研究分析, 研究發(fā)現有植被恢復的廢棄地土壤性狀明顯好于恢復裸地, 并且隨植被恢復年齡增加呈現一直提高趨勢[9,62–63]。目前礦山廢棄地生態(tài)修復土壤改良效益研究主要集中于宏觀層面, 而微觀層面的研究相對較少。

4.3 水土保持效益

礦山廢棄地植被恢復對減緩地表徑流、減少風蝕粉塵污染及保持水土涵養(yǎng)水源發(fā)揮著重要效益, 同時植物的有機殘體和根系功能顯著改善下墊面物質和能量循環(huán)[64–65]; 陳思思通過土壤侵蝕實驗觀測, 用土壤侵蝕模數來反映水土保持效益的方法, 對昆明磷礦廢棄地生態(tài)修復后保水保土能力進行了研究[59]; 大量研究都表明礦山廢棄地土壤持水和保水功能隨著恢復時間增加顯著增強, 同時灌木的蓄水效益和減蝕效益遠大于草本植物[51,66–68]。

4.4 景觀生態(tài)效益

景觀生態(tài)學已越來越多的被應用于礦山廢棄地生態(tài)修復中, 其中包括利用景觀生態(tài)學原理對礦山生態(tài)修復后景觀改良的生態(tài)效益進行評價研究, 主要從景觀結構和景觀功能兩個方面進行量化評估[69]。大多學者對礦山廢棄地生態(tài)修復景觀生態(tài)效益的研究以景觀生態(tài)學位基礎, 利用遙感圖像或是基于3S技術選用不同時段的數據, 對礦山廢棄地土地類型進行分類, 再選取適當景觀格局指數對不同時段數據進行對比分析, 從而得出礦山廢棄地生態(tài)修復的景觀生態(tài)效益, 相關研究表明礦山廢棄地生態(tài)修復后景觀優(yōu)勢度和分離度顯著降低[70–72]。

5 礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價

隨著礦山廢棄地生態(tài)修復相關理論和技術不斷完善, 各國對礦山廢棄地生態(tài)修復的投資力度不斷提升, 礦山廢棄地生態(tài)修復質量如何, 是否達到生態(tài)重建的目標, 備受國內外各界關注。

國外學者針對礦山廢棄地生態(tài)修復質量已陸續(xù)提出一些評價的指標體系和方法, 多角度來衡量生態(tài)修復質量。國際生態(tài)協(xié)會從生態(tài)恢復的結構與功能自我維持、生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力及與相鄰生態(tài)系統(tǒng)的有物質能量的交流三個方面提出了評價生態(tài)恢復質量的9個特征指標[73]。Bradshaw從可持續(xù)性、與自然群落一樣能抵御入侵、生產力與自然群落一樣高、具有營養(yǎng)保持力及生物間產生相互作用五個方面提出了生態(tài)修復的評價標準。Krabbenhoft等提出了地形土壤單元評價方法, 對比分析修復的礦山廢棄地和附近區(qū)域參照地土壤因子和植被因子的差異, 從而對生態(tài)修復質量進行評價[74]。國內學者認為礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價在理論上應多借鑒生態(tài)安全評價、生態(tài)系統(tǒng)健康診斷與生態(tài)服務功能評價等其他學科的研究方法, 在實踐中主要運用生態(tài)服務價值理論、效益評價方法進行評價。束文圣等提出植被動態(tài)、生境復雜性及植被動態(tài)3個方面的生態(tài)功能分析方法可以對礦山廢棄地生態(tài)修復質量進行評價[75]。李江峰對北京鐵礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價過程中, 通過對恢復植被進行多樣性分析、對生態(tài)修復措施及效果進行監(jiān)測和評價以及生態(tài)修復實施后的景觀效果評價等方面綜合判斷生態(tài)修復質量[76]。

生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)性和復雜性使得礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價變得復雜, 各國學者也相繼提出了一系列不同的評價標準、評價方法和評價體系, 但缺乏可操作性和系統(tǒng)性, 尚未建立統(tǒng)一的評價體系, 因此礦山廢棄地生態(tài)修復質量評價也將會是未來一個重要的研究方向。

6 結論與展望

目前, 我國礦山廢棄地生態(tài)修復的突出問題在于修復后的生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能不夠穩(wěn)定, 同時對礦山廢棄地缺乏長期和系統(tǒng)的定位觀測及適宜性評價, 制定的生態(tài)修復目標缺乏科學性和合理性, 沒有因地制宜而是直接引入其他礦山廢棄地生態(tài)修復措施, 實際礦山廢棄地生態(tài)修復操作中, 常以園藝方法來取代生態(tài)系統(tǒng)或景觀的方法, 忽視重建生態(tài)系統(tǒng)功能和結構的整體修復。

礦山修復的基礎理論研究有待深入, 我國對于礦山廢棄地生態(tài)修復中, 很少對礦山開采前各種立地條件、植被類型等基礎進行全面收集, 對于采礦干擾所造成的土壤變化等也無相應的記錄。目前礦山廢棄地修復過程中植被種植與恢復、土壤性質與養(yǎng)分分析及恢復前后生態(tài)系統(tǒng)某些結構與功能的比較分析已有了大量的研究, 動物和微生物作為礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 應加強動物、微生物恢復特征及其植物相關性研究, 同時對于綜合系統(tǒng)的研究如礦山廢棄地生態(tài)修復與多種環(huán)境資源因子的綜合效應研究、生態(tài)修復與環(huán)境生態(tài)改善的研究等還有待深入。開展多學科、多領域的共同協(xié)作實現生態(tài)恢復技術創(chuàng)新, 隨著3S技術、重金屬超積累植物修復技術、清潔采礦工藝等技術的日益成熟, 生態(tài)修復實踐中應加快引進并予以創(chuàng)新應用, 提高修復的效率。

礦山廢棄地生態(tài)恢復質量評價體系有待完善, 應根據礦山廢棄地恢復過程中的實際情況并結合相關學科新的研究進展, 建立全面、科學、合理、實用、有效的礦山生態(tài)恢復質量評價體系, 對生態(tài)修復工作進行效果評價, 及時調整生態(tài)修復措施, 從而促進生態(tài)修復的進一步進行。

礦山廢棄地通過采取生態(tài)修復技術實現其重建和復墾的生態(tài)修復目標在人口快速增長、土地資源稀缺的今天是遠遠不夠的, 因此對于礦山廢棄地的再生模式也應從城市化進程、社會需求、景觀生態(tài)等角度出發(fā), 提出土地資源優(yōu)化配置的新思路。目前已有部分礦山廢棄地通過景觀生態(tài)設計的手段改造建成礦山公園, 從而實現礦山廢棄地的生態(tài)修復和景觀化, 但這個過程依然存在著諸多問題, 對于礦山廢棄地生態(tài)修復與景觀營造相結合研究相對缺乏, 因此這也將成為風景園林學科未來研究和發(fā)展的重要課題。

礦山廢棄地生態(tài)修復是一個長期的過程, 實現近期利益與遠期利益的最佳結合已然成為礦山廢棄地生態(tài)修復過程重要的內容, 同時隨著時代的進步礦山廢棄地生態(tài)修復的內涵在不斷發(fā)展和完善, 不同國家由于經濟社會發(fā)展程度不同, 礦山生態(tài)修復的目的有所不同, 也被賦予了不同的含義, 但是都趨向于更為綜合的生態(tài)問題。

[1] 蔣高明. 礦業(yè)廢棄地植被恢復的理論與實踐[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1996.

[2] 陳芳清, 盧斌, 王祥榮. 樟村坪磷礦廢棄地植物群落形成于演替[J]. 生態(tài)學報, 2001, 8: 1347–1353.

[3] 劉世忠, 夏漢平, 孔國輝, 等. 茂名北排油頁巖廢渣場的土壤與植被特性研究[J]. 生態(tài)科學, 2002, 21(1): 25–29.

[4] 袁劍剛, 周先葉, 陳彥, 等. 采石場懸崖生態(tài)系統(tǒng)自然演替初期土壤和植被特征[J]. 生態(tài)學報, 2005, 6: 1517–1522.

[5] 蔡勝, 辜彬, 楊曉亮, 等. 浙江省廢棄采石礦區(qū)植被重建后物種多樣性研究[J]. 水土保持通報, 2009, 10(5): 201–205.

[6] 李子海. 植被恢復中存在的一些生態(tài)學理論應用誤區(qū)[J]. 環(huán)境科學導刊, 2008, 27: 72–73.

[7] HOLL K D. Long term vegetation reeovery on reclaimed coal surface mines in the eastern USA[J]. Journal of Applied Ecology, 2002, 39(6): 960–970.

[8] 郭逍宇, 張金屯, 宮輝力, 等. 安太堡礦區(qū)復墾地植被恢復過程多樣性變化[J]. 生態(tài)學報, 2005, 4(4): 763–770.

[9] 趙方瑩. 北京鐵礦山廢棄地植被恢復技術與效應研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2008.

[10] 溫慶忠. 廢棄石灰?guī)r礦山植被恢復方法探討[J]. 林業(yè)資源管理, 2008, 8(4): 108–111.

[11] DARINA H, KAREL P. Spoil heaps from brown coal mining: technical reclamation versus spontaneous revegetatiion[J]. Restoration Ecology, 2003, 11(3): 385–391.

[12] PENSA M, SELLIN A, LUUDA, et al. An analysis of vegetation restoration on openeast oil shale mines in estonia[J]. Restoration Ecology, 2004, 12(2): 200–206.

[13] BURTON C M, BURTON P J, HEBDA R, et al. Determining the optimal sowing density for mixture of native plants used to revegetate degraded ecosystems[J]. Restoration Ecology, 2006, 14(3): 379–390.

[14] KORMONDY E J. Concept of Ecology[M]. Upper Saddle River: Prentice Hall, Inc, 1996: 1–6.

[15] 孫明迪. 門頭溝廢棄礦山生態(tài)治理理論與技術研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2006.

[16] 晉松, 吳學峰, 鄭恩霞, 等. 銅陵獅子山銅尾礦庫植被調查與土壤酶活性研究[J]. 生物學雜志, 2007, 12(6): 21–25.

[17] MARTINEZ-RUIZ C, FEMANDEZ-SANTOS B. Natural revegetation on topsoiled mining-spoils according to the exposure[J]. Acta Oecologica, 2005, 28(2): 231–238.

[18] 郭逍宇, 張金屯, 宮輝力, 等. 安太堡礦山恢復過程主要種生態(tài)位梯度變化研究[J]. 西北植物學報, 2004, 24(12): 2329–2334.

[19] 何書金, 蘇光全. 礦區(qū)廢棄土地復墾潛力評價方法與應用實例[J]. 地理研究, 2000, 19(2): 165–172.

[20] 孫泰森, 白中科. 大型露天煤礦廢棄地生態(tài)重建的理論與方法[J]. 水土保持學報, 2001, 15(5): 56–60.

[21] 劉國華, 舒洪嵐. 南京幕府山礦區(qū)廢棄地植被恢復模式研究[J]. 水土保持研究, 2005, 2(1): 141–144.

[22] 魏述艷. 礦山廢棄地立地條件類型劃分與評價[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2010, 5.

[23] 孫一琳, 田濤等. 礦山廢棄地植被恢復技術模式初步研究[J]. 中國會議, 2008, 4: 153–158.

[24] 李鳳, 陳法揚. 生態(tài)修復與可持續(xù)發(fā)展[J]. 水土保持學報, 2004, 12(6): 187–190.

[25] 趙方瑩, 趙廷寧, 丁國棟, 等. 中國專利生態(tài)植被毯, 2006, 01.

[26] 趙方瑩, 孫保平, 張洪江, 等. 礦山生態(tài)植被恢復技術[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2009.

[27] 沈烈風. 破損山體生態(tài)修復工程[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2012.

[28] 白中科. 大型露天煤礦廢棄地生態(tài)環(huán)境重建的研究[J]. 生態(tài)經濟, 1996, 4(2): 33–36.

[29] 李海英, 顧尚義, 吳志強. 礦山廢棄土地復墾技術研究進展[J]. 礦業(yè)工程, 2007, 4(2): 43–45.

[30] 魏遠, 顧紅波, 薛亮,等. 礦山廢棄地土地復墾與生態(tài)恢復研究進展[J]. 中國水土保持科學, 2012, 10(2): 107–114.

[31] SHEORAN V, SHEORAN A S, POONIA P. Phytomining; A review [J]. Minerals Engineering, 2009, 22(12): 1007–1019.

[32] 莫測輝, 蔡全英, 王江海, 等. 城市污泥在礦山廢棄地復墾的應用探討[J]. 生態(tài)學雜志, 2001, 20(2): 44–48.

[33] 束文圣, 張志權, 藍崇錢. 中國礦業(yè)廢棄地的復墾對策研究[J]. 生態(tài)科學, 2002, 19: 24–30.

[34] 倪含斌, 張麗萍, 吳希媛, 等. 礦區(qū)廢棄地土壤重構與性能恢復研究進展[J]. 土壤通報, 2007, 2: 399–403.

[35] 郭在揚. 龍巖地區(qū)礦區(qū)水土流失危害及防治對策[J]. 福建水土保持, 1996, 1: 52–54.

[36] 王志宏, 李愛國. 礦山廢棄地生態(tài)恢復基質改良研究[J]. 中國礦業(yè), 2005, 14(3): 22–24

[37] SHEORAN A S, SHEORAN V. Heavy metal removal mechanism of acid mine drainage in Wetlands: A critical review[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(2): 105–116.

[38] 高德武, 蔡體久, 王曉輝. 露天金礦剝離物植被演替規(guī)律及植被恢復對策)以公別拉河流域為例[J]. 水土保持研究, 2005, 12(6): 33–35.

[39] 李明順, 唐紹清, 張杏輝, 等. 金屬礦山廢棄地的生態(tài)恢復實踐與對策[J]. 礦業(yè)安全, 2010, 8(4): 16–18.

[40] 張波, 趙曜. 礦山廢棄地治理中植物修復作用的研究[J].山西建筑, 2011, 37(2): 189–190.

[41] 李若愚, 侯明明, 卿華, 等. 礦山廢棄地生態(tài)恢復研究進展[J]. 礦產保護與利用, 2007, 157(1): 50–54.

[42] 王英輝, 陳學軍. 金屬礦山廢棄地生態(tài)恢復技術［J］. 金屬礦山, 2007(6): 4–12.

[43] BOYER S, WRATTEN S D. The potential of earthworms to restore ecosystem services after opencast mining: A review[J]. Basic and Applied Ecology, 2010, 11 (3): 196–203.

[44] 趙默涵. 礦山廢棄地土壤基質改良研究[J]. 中國農學通報, 2008, 24( 12): 128–131.

[45] 楊曉艷, 姬長生, 王秀麗. 我國礦山廢棄地的生態(tài)恢復與重建[J]. 礦業(yè)快報, 2008(10): 22–24.

[46] 于海兵, 胡海波, 裘濤, 等. 廢棄宕口6種水土保持植物抗旱性研究[J]. 安徽農業(yè)科學, 2011, 39(16): 9761–9764.

[47] 陳振金, 鄭大增, 陳軼. 煤矸石山無土植被恢復技術[J]. 福建環(huán)境, 2001, 2(1): 11–13.

[48] 李晉川, 王文英, 盧崇恩. 安太堡露天煤礦新雖土地植被恢復的探討[J]. 河南科學, 1999, 6(17): 92–95.

[49] 田勝尼, 孫慶業(yè), 王掙峰, 等. 銅陵銅尾礦廢棄地定居植物及基質理化性質的變化[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2005, 14(1): 88–93.

[50] 楊修, 高林. 德興銅礦山廢棄地恢復與重建研究[J]. 生態(tài)學報, 2001, 21(11): 1933–1940.

[51] 張光燦, 劉霞, 王燕. 煤礦山生態(tài)重建過程中風化研石山植被生長及土壤水文效應[J]. 水土保持學報, 2002, 16(5): 20–23

[52] 安俊珍. 風化型土質金礦尾礦植被恢復研究[D]. 武漢: 華中農業(yè)大學, 2010.

[53] 趙方瑩. 礦山廢棄地擬自然植被恢復技術研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2011.

[54] RAO A V, TAK R. Growth of different tree species and their nutrient uptake in limestone mine soil as influenced by arbuseular mycorrhizal (AM)-fungi in Indian arid zone[J]. Journal of Arid Environments, 2002, 51(l): 113–119.

[55] 李一為. 京西礦業(yè)廢棄地生境特征及植被演替規(guī)律[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2007, 6.

[56] 劉永光. 北京山區(qū)關停廢棄礦山人工恢復效果及評價研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2012.

[57] 李洪遠, 鞠美庭. 生態(tài)恢復的原理與實踐[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005.

[58] 閆德民. 北京首云鐵礦尾礦庫生態(tài)恢復的植被特征分析[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2013.

[59] 陳思思. 礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復與重建的生態(tài)效應研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2009.

[60] 陳龍乾, 鄧喀中, 唐宏等. 礦區(qū)泥槳栗復墾土壤物理特性的時空演化規(guī)律[J]. 土壤學報, 2001, 38(2): 277–283.

[61] 魏婷婷, 陳萍, 姚多喜, 等. 煤礦復墾區(qū)土壤肥力狀況分析及評價[J]. 安徽農業(yè)科學, 2010, 38(18): 9694–9695.

[62] 王江, 張崇邦. 重金屬污染土壤植被恢復過程中的土壤微生物特征[J]. 生態(tài)學報2009, 29(3): 1636–1646.

[63] 石麗麗. 京西石灰石采石場廢棄地植被恢復效果及其評價研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2014

[64] 彭少麟. 恢復生態(tài)學與退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復[J]. 中國科學院院刊, 2000, 3: 188–192.

[65] 任海, 彭少麟. 恢復生態(tài)學導論[M]. 北京: 科學出版社, 2001.

[66] 胡振琪. 煤矸石山的植物種群生長及其對土壤理化特性的影響[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2003, 9(5): 491–499.

[67] 丁青坡, 王秋兵, 魏忠義, 等. 撫順礦山不同復墾年限土壤的養(yǎng)分及有機碳特性研究[J]. 土壤通報, 2007, 38(2): 262–267.

[68] 趙方瑩, 蔣延玲. 礦山廢棄地灌草植被不同層次的水土保持效應[J]. 水土保持通報, 2010, 8(4): 56–60.

[69] 關文彬, 謝春華, 馬克明, 等. 景觀生態(tài)恢復與重建是區(qū)域生態(tài)安全格局構建的關鍵途徑[J]. 生態(tài)學報, 2003, 23(l): 64–74.

[70] 謝宏全, 胡振琪, 陳秋計. 煤礦區(qū)土地利用景觀格局變化分析川[J]. 中國礦業(yè), 2007, 16(10): 42–46.

[71] 馬從安, 才慶祥, 王啟瑞. 勝利礦區(qū)景觀生態(tài)的空間格局分析[J]. 采礦與安全工程學報, 2007: 490–493.

[72] 畢如田, 白中科, 李華. 基于3S技術的大型露天礦區(qū)復墾地景觀變化分析[J]. 煤炭學報, 2007, 32(11): 1157–1161.

[73] International Science and Policy Working Group. The SER international Primer on ecological restoration [M]. Tucson, Arizona: Society for Ecological Restoration International, 2004.

[74] KRABBENHOFT K, KIRBY D. Topoedaphic unit analysis: A site classification system for reclaimed mined lands [J]. Catena, 1993, 20(3): 289–301.

[75] 束文圣, 藍崇鈺, 張志權. 凡口鉛鋅尾礦影響植物定居的主要因素分析應用生態(tài)報, 1997, 8(3): 314–318.

[76] 李江峰. 北京礦山廢棄地生態(tài)恢復質量評價[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2010.

Review on ecological restorationof mine wasteland

GUAN Junhong,HAO Peiyao, DONG Li*, LI Xiong

Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment in Beijing, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

With the development of social economy, theory and practice for ecological restoration of mine wasteland have drawn attention among the researches all over the world. This paper mainly introduces the research progress about ecological restoration of mine wasteland in four aspects as follows: theory of restoration; technology of restoration; ecological benefits of restoration and evaluation of restoration quality.The prospects of research in this field in china aretherefore proposed as: (1) The optimal combination of short-term and long-term benefits for ecological restoration of mine wasteland should be more concerned; (2) The basic theory for ecological restoration of abandoned mine is still to be studied in depth, and multidisciplinary cooperation should be promoted to achieve further innovation in ecological restoration technology; (3) Consistent and comprehensive quality evaluation system for the ecological restoration of abandoned mine is needed to be established; (4) Theories relevant to landscape architecture should be applied to reconstruct and landscapemine wasteland in the process of ecological restoration.

mine wasteland; ecological restoration; theory and technology; ecological benefits; quality evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.028

X171.4

A

1008-8873(2017)02-193-08

2016-07-03;

2016-12-03

本研究受“北京市共建項目專項資助”

關軍洪(1993—), 男, 湖北人, 碩士研究生, 北京林業(yè)大學園林學院園林植物與觀賞園藝專業(yè), E-mail: guanjunhong2011@163.com

董麗, 女, 山西人, 博士, 教授, 北京林業(yè)大學園林學院植物景觀規(guī)劃設計教研室, E-mail: dongli@bjfu.edu.cn

關軍洪, 郝培堯, 董麗, 等. 礦山廢棄地生態(tài)修復研究進展[J]. 生態(tài)科學, 2017, 36(2): 193-200.

GUAN Junhong, HAO Peiyao, DONG Li, et al. Review on ecological restoration of mine wasteland[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 193-200.