煤矿废弃地生态修复研究——以济南金星郊野公园为例

孙译远 李 成

山东建筑大学 风景园林规划研究所 济南 250101

随着当今社会煤炭开采的工业发展，遗留下许多生态退化、土地塌陷的煤矿废弃地。越来越多的煤矿废弃地进入到城市规划范围内，景观与生态安全受到了极大挑战，种种环境问题都直接或间接地影响了市民正常的生产与生活。本文将对煤矿废弃地生态修复的内涵以及方法措施的理论研究成果应用于金星煤矿废弃地的实际案例中，以期通过修建郊野公园以改善周边环境。

1 废弃地生态修复研究进展

美国生态学会(ESA)对“生态修复”的解释为：“生态修复就是人们有目的地把一个地方改建成固有的、历史上的生态系统的过程，这一过程目的是竭力仿效特定生态系统的结构、功能、生物多样性及变迁过程[1]”。其涉及的相关概念包括生态恢复、生态重建、生态改建、生态改良等[2]。

不同学科领域专家多将生态修复现不同的研究对象结合在一起，从不同角度持有不同意见。根据文献检索结果，生态修复与水土保持，河道、河流、湿地等自然地物，地域性特色景观，土壤、植被，棕地等方面相结合的研究文献共15 919篇，其中有关煤矿废弃地的生态修复研究有88篇。在煤矿废弃地的研究中，针对单一污染土壤、水质及受损植被的修复研究占72%，有关废弃地景观的生态修复研究较少。其中，赵思宇[3]针对废弃地的景观生态修复过程，认为首先应对现状基址的环境风险进行评估，然后采取针对土壤、水系统、植物以及生物多样性的生态修复措施，并在重点规划利用区域使用可持续材料进行生态化设计，最终完成对废弃地生态环境的有效改善；高铁军[4]对唐山南湖公园的浅塌陷区进行非充填生态复垦试验研究，主要通过挖浅垫深和疏导水系，植被修复以沉降空气中残留的粉煤灰，完善农田灌溉水利系统，在发展生态渔牧业的同时，创造供游人游憩观赏的郊野景观；张雨曲[5]首先对安徽大通煤矿废弃地的植物群落结构以及矿区的土壤成分进行分析，然后针对沉降坑、排洪蓄水渠、煤矸石堆等不同环境采取了不同的生态修复措施；王如栒[6]以太原西山煤矿废弃地为例，系统论述了国内外煤矿废弃地景观生态修复的发展历史与实践状况，并在列举分析多个国外案例的基础上总结了针对煤矸石、植物、土壤以及煤矿塌陷区的生态景观修复方法。

煤矿废弃地作为废弃地的重要类型之一，其土壤污染治理是进行生态修复的重要环节，水污染是地下开采型煤矿废弃地必然存在的问题，植被修复能够最大限度地改善土壤、空气污染状况。

2 金星煤矿废弃地现状概况

2.1 基址概况

金星煤矿废弃地位于济南历城区东部，属于巨野河街道办事处刘官庄村的全部辖区，位于中心城东南部的生态屏障建设的起步区域。场地位于济南市区与章丘市区交接处，与世纪鲜花港之间有世纪大道相隔，东侧毗邻现代林业示范园与高家庄，西侧紧邻东徐马村，内有巨野河水系穿过。废弃地全部位于煤炭采空塌陷范围内，规划建设用地面积为46 hm2。

2.2 现状分析

1) 周边环境分析。场地基址位于城市上位规划中的生态隔离带。内部形成的采空塌陷区是由多个煤矿开采场地同时施工作业形成的开采井巷道塌陷导致。由西芦煤矿向北部延伸形成了树网状结构不同程度的地表塌陷。在采空塌陷范围内，除了现已规划建设完成的现代林业示范园区以及室内温室大棚形式的国际鲜花港之外，均为城市非建设用地。已有的村庄均被划定为三级居住用地，即将面临整改以及拆除，因此形成了大面积的煤矿废弃地。场地内部多为个人种植的果树及其他经济作物，南部为正在修建的污水处理厂。

2) 现状高程分析。基址内部呈现东南高，西北低的地势变化，最高点与最低点相差9 m，水深1.5～2 m。

3) 现状建筑分析。场地内部有改造工业厂房1处，农业管理用房3处，居住用房2处，南侧毗邻世纪大道商业建筑2处。

4) 现状水系分析。场地内部有巨野河穿过。全长48.5 km，流域面积260 km2，源于历城区西营镇拔槊泉、饮马泉，流经彩石乡，在鸭旺口注入小清河。基址内部位于巨野河中段，水资源丰富，主要水源为民泰煤矿排水，水质优良，水源稳定。

5) 现状植被分析。场地内部主要以经济作物桃树为主，大乔木欧美杨树(PopulusL.)为主要绿化树种，分布于沿河、沟及道路两侧。其他树种包括国槐(SophorajaponicaLinn.)、香椿(Toonasinensis)、枣树(ZiziphusjujubaMill.)、泡桐(Paulownia.)、苦楝(MeliaazedarachLinn.)、旱柳(Salixmatsudana)、金银木(Loniceramaackii)。巨野河沿岸及浅水区有芦苇(Phragmitesaustralis)、蒲草等水生植物。大部分废弃地以野生草本植物为主，生长茂盛，受到的人为干扰较少。

2.3 主要问题

场地内部主要存在基础设施差和自然生态环境污染的问题。随着城市规模的扩大与市中心的转移、早期的矿井关闭、第二产业的转型，导致厂区内废弃的工业设备设施无人治理。75%的煤矿废弃地处于未开发的“城市荒地”状态，景观效果差，其潜在的利用价值未被开发。

场地内部扬尘严重、空气质量差；工业废水的排放导致巨野河下游水体滞流、污染严重；场地内部地表存在不同程度的移动与塌陷，导致地块土壤肥力下降，果实产量低下，失去了经济林的存在价值。

3 金星郊野公园总体规划

金星郊野公园规划以生态修复理论为指导，结合景观利用手段，顺应自然地势，根据土地塌陷现状的现有景观资源进行合理的生态修复与规划，营造“自然野趣”的景观氛围，将全园按照“一环、五区、多点”进行布局。

“一环”为郊野公园的主环路，主要功能为实现园内通车，保障消防避难的人流疏通，同时串联了主要景观节点与功能节点，使园内具有较高的易达性。

“五区”包括入口景观区，森林景观区，湿地景观区，农耕景观区以及工业遗址科普区。其中，入口景观区公园主要包括西侧主入口，南侧、北侧以及东侧次入口4个区域。分别与城市规划的市政干道相连接；森林景观区作为郊野公园内占地面积最大的景观区域，以植被修复景观为主，并为附近居民以及游客提供休闲游憩场所；湿地景观区是煤矿废弃地进行水体生态修复的重点区域，也是处理原有基址内部水体质量差，地表具有不稳沉性的关键改造区域；农耕景观区主要包括以经济作物为主的农田景观、茶田景观以及以生态防护为主的隔离林带；工业遗址科普区将原有金星煤矿厂房与员工生活棚户区改造为具有科普展示与商业服务功能建筑，将原有的施工设备以及构筑物的材料重新加工成为具有矿区特色的雕塑构筑物。

“多点”是指各功能分区内的重要景观、功能节点。例如湿地景观区的清溪漫步、湖光映台等；森林景观区的林径探幽、蒲公英广场、露营地等；入口景观区的野花漫坡，榉树广场等；农耕景观区的清韵茶香、拥翠茶室、农田农趣等。

4 生态修复的主要途径与策略

4.1 水体修复

利用雨水收集系统与人工湿地系统进行水体修复。经过长时间雨水积水以及地表径流，部分塌陷区常年积水深度达9 m，积水pH值在8.1～8.6，下部土壤盐渍化严重，造成了耕地面积锐减、经济作物无法生长以及农民无地可耕的现状。此外，生活垃圾堆积以及地下开采巷道造成的地下水位上升、地下水回渗，使得大量悬浮物、高矿物质、重金属污染物，石油沥青等进入到巨野河中，水质污染严重。在规划设计中，利用雨水收集系统与人工湿地系统对受污染水体进行收集并集中处理。其中部分雨水通过绿化与透水铺装渗入地下；部分雨水根据原有场地的自然高差由西至东，汇入人工湿地系统；部分土壤污染严重的区域设置截流管网系统，进入废水管道流入初期废流池，经过污水处理后投入使用。人工湿地处理系统包括金星污水处理厂、表流湿地以及潜流湿地进行水体的生态修复，最终达到新的复合稳定状态。

金星污水处理厂主要净化雨水、生活污水以及巨野河内部的污染水体，并实现其内部的水循环，提高水体自我净化能力。金星污水处理厂通过有机机械栅格、人工栅格、沉砂池、沙水分流池进行污水的物理沉降[7]，再通过KIC生物接触反应池以及辐流沉淀池、陶粒滤池、紫外线消毒等步骤完成化学沉降过程[8]，最终进入表流湿地进行生物处理，汇入巨野河河道中循环利用。潜流湿地利用公园内部西高东低的自然地势，设计为台地式跌水池，园内雨水流经硬质铺装时，通过道路纵坡以及广场坡度排入雨水沟后进入潜流湿地系统。雨水及废水在流经湿地种植床过程中, 一方面可以充分利用不同净化效果的植物生物膜、根系与表层土以及填料截流等[9], 通过不同级别的净化过程以提高水质纯净度；另一方面由于水流在地表以下流动,具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点[10]。

人工湿地的净水植物系统针对不同净化水塘的深度与水质情况选用不同湿生与水生植物对污染水体进行修复，其中挺水植物包括芦苇芦竹(ArundodonaxLinn.)、香蒲(TyphaorientalisPresl)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)等；浮水植物包括凤眼莲(Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms)、浮萍(LemnaminorL.)等；沉水植物包括黑藻(Hydrillaverticillata(Linn. f.) Royle)、金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)、眼子菜(PotamogetondistinctusA.Benn.)等。

4.2 植被修复与空气污染治理

用森林植物群落进行植被修复与空气污染治理。水与土壤因子为煤矿废弃地植被修复过程中主要的生态限制因子。矿区废弃地作为超载干扰下逆向演替的生态系统，刘世忠[11]在对多次煤矿废弃地的次生裸地的近自然恢复植被演替过程中发现，几十年后入侵定居的植物主要是禾本科、莎草科、菊科等草本植物品种。因此金星煤矿废弃地需要通过改善土壤营养状况、控制水土流失创造植被修复的先行条件。为了降低土壤基质的不稳定性而导致植物系统无法可持续的演替与发展，利用森林植物群落来规避生物演替过程中由于树种选择不当、结构配置不合理、群落功能不健全导致的生态服务功能与景观功能丧失。金星郊野公园植物群落模式有以下3种。

1) 固土净化植物群落(种植于金星煤矿开采井附近未稳沉区域)。该植物群落能有效稳定矿区采矿导致的地表持续塌陷、倾斜、下沉等环境问题，并对SO2，CL2等有害气体具有净化作用。上层：刺槐、臭椿(Ailanthusaltissima(Mill.) Swingle)、构树(Broussonetiapapyrifera)；中层：黄刺玫(RosaxanthinaLindl)、荆条(VitexnegundoL.)；下层：矮牵牛(Petuniahybrida(J. D. Hooker) Vilmorin)、麦冬(Ophiopogonjaponicus(Linn. f.) Ker-Gawl.)、小飞蓬(Conyzacanadensis(L.) Cronq.)。

2) 固氮耐瘠薄植物群落(种植于金星郊野公园北部、南部以及东部土壤肥力差的区域)。该植物群落的耐瘠薄、耐干旱能力强，具有较强的适应能力与生长力，并在恢复实践中能起到改良土壤,增加土壤内营养物质成分的作用。该群落植物是开山造林的先锋树种，为其他植物的生存与演替创造环境。上层：刺槐、欧美杨树；中层：紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)；下层：狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、紫穗狗尾草(Setariaciridis)等禾本科观赏草本植物。

3) 复合农林植物群落(种植于金星郊野公园中部)。将经济林纳入到生态修复进程中，选择抗逆性强、经济效益高的果树，在林下种植绿肥作物，这不仅景观效果好，还具有良好的经济效益。上层：国槐、枣树、山楂(CrataeguspinnatifidaBunge)；中层：石榴、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)；下层：白车轴草(TrifoliumrepensL.)、草木樨(MelilotussuaveolensLedeb.)

4.3 土壤修复

利用农田复垦方式进行土壤修复。国内外学者针对煤矿废弃地的土壤修复一般有工程复垦与生物复垦2个阶段。工程复垦阶段是指将煤矿废弃地原有遭到破坏的无机环境利用人工干预的手段进行物理化学恢复；生物复垦阶段是指在工程复垦再造的生态系统下再进行生物改造、生物生产与生态重建[12-13]。金星郊野公园农田景观区域的土壤修复具体策略有2个。

1) 选择耐盐碱农作物。对盐渍化的土地抬高并水洗，通过耐盐碱的农作物改善土壤的盐碱化。在盐渍化较高的土地塌陷区域选用甜高粱(Sorghumdochna)、中华枸杞(LyciumchinenseMill.)、向日葵(HelianthusannuusL.)、海水稻(OryzasativaL.)等。

2) 选择适应强、具有固氮能力、根系发达、易成活的农作物作为先锋树种。在土壤肥力较差的区域种植大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)、马铃薯(SolanumtuberosumL.)、番薯(Ipomoeabatatas(L.) Lam.)以及花生(ArachishypogaeaLinn.)等经济作物。

5 讨论

地下开采煤矿废弃地作为我国比重最大的废弃地类型，随着城市发展的不断更新，越来越多的废弃地面临着生态修复与再利用的现实问题[14]。本文以济南金星煤矿为例，分别从水污染治理、土壤治理以及空气污染治理几方面展开生态修复研究，但是依然存在以下问题，望引起各位学者讨论。

1) 煤矿废弃地中出现的水污染、土壤重金属污染、有害气体以及空气中的粉尘污染并非短期能够根本治理，具有长期性、反复性以及艰巨性。

2) 生态修复过程中需制定相关法律法规限制工业废气、废水排放。

3) 对煤矿废弃地的生态修复应重视各个生态限制因子的相互关系，利用技术手段进行综合治理。后期管理机制的建立，对修复后的景观更新更加具有重要意义。