草原煤电基地景观生态恢复技术策略

雷少刚，张周爱，陈 航，吴振华，宫传刚，卞正富

(1.神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021500; 2.中国矿业大学 矿山生态修复教育部工程研究中心，江苏 徐州 221116)

东部草原区位于中国生态安全“两屏三带”的北方防沙带，该区域气候寒冷、干旱缺水，生长期短，生物量低，生物链简单，生态系统中物质循环和能量转换过程缓慢，致使其生态环境脆弱。该区域聚集了我国蒙东煤炭基地和呼盟锡盟煤电基地，以露天开采为主，产能超4亿t，约占东北区产能的57%，保障了区域煤炭供应，成为了国家重点建设的大型煤电基地之一[1]。近10 a来，随着矿产资源与畜牧业持续开发，优质草地面积下降了近一半[1];同时，大型煤电基地集群式、大规模、高强度、持续性开发引发植被破坏、水土流失、土壤沙化、地下水位下降等一系列生态环境与社会问题[2-5]，势必将影响东北能源保障和生态屏障作用的发挥。该区域的生态修复和综合整治成为了国家生态安全的重大课题[1]。

大型煤电基地因挖损、压占、塌陷、复垦等生产建设活动对生态环境的影响在不同尺度(个体、种群、群落、生态系统、景观/区域等)的表现形式、累积程度及其生态恢复方式都有所不同。因此，矿区生态系统恢复必然是跨尺度，多等级的，必然涉及受损生态系统与周围环境的关系以及生态系统之间的结构、功能与过程的恢复。整体上，矿区生态恢复正在从土壤重构、植被重建等单一生态环境要素修复，向生态系统结构及其生态功能恢复方向拓展。景观是由相互作用的多个生态系统组成的异质性地理单元[6];景观生态恢复则是通过修复、创建或重组等手段调整景观组分与空间格局，协调退化的生态过程，改善受损生态系统功能，保持区域生态系统的稳定性[7-8]。因此，景观生态恢复是东部草原煤电基地生态安全格局构建的关键途径。

目前，国内外学者围绕矿区景观生态开展了一系列的研究，主要集中在景观格局变化[9-10]、景观生态类型划分[11]、景观生态健康调查与评价[12-15]、景观生态规划[16-17]和景观生态空间格局模拟优化[18-19]等方面。总的来说，针对草原煤电基地长期高强度开采驱动下景观破碎、生态结构缺损与功能失调等景观生态问题的影响机理不明确，亟需的景观生态恢复的技术研发不足，包括缺少针对草原煤电基地景观生态分类体系研究;无统一的矿区景观生态健康评价标准;缺乏景观格局改变产生的物质流、能量流等生态过程的机理性研究;需研发适用于矿区尤其是草原区煤电基地景观格局模拟与优化模型;现有生态恢复技术修复模式单一，矿业景观与自然景观融合度低，缺少整体格局优化与关键部位/组分修复综合的景观生态恢复技术体系。

笔者以恢复生态学、景观生态学为理论基础，从矿区景观生态恢复角度入手，以我国东部草原煤电基地的胜利矿区与宝日希勒矿区为研究区，在植被、土壤、地形等现场调查基础上，借助多期遥感监测与数值模拟等认识手段，探讨东部草原煤电基地景观生态面临的典型问题及其景观生态恢复的关键技术策略。

1 草原煤电基地典型景观生态问题

1.1 矿业开发诱发草原景观基质破碎化

采用2002,2005,2008,2011,2014,2017年共6期TM遥感数据，使用支持向量机结合目视解译将研究区分成13类，得到了锡林浩特胜利矿区景观格局变化图(如图1所示，各年份影像分类精度Kappa系数0.85～0.89)，以及景观格局指数(表1)。可以看出，矿业景观整体呈现逐渐增加趋势，尤其是2005—2014年增速较快;包括城镇建设用地景观、工业仓储用地景观、铁路景观、道路景观在内的城镇景观也呈现逐年递增趋势，尤其是2005—2011年城市扩张势头迅猛;然而草地景观持续递减。显然，煤炭资源的开发、城市的扩张、道路建设及工业的发展占用了大量的草地。

图1 2002—2017年胜利矿区景观格局变化Fig.1 Landscape change of the Shengli Mine from 2002 to 2017

表1 2002—2017年胜利矿区景观格局指数与分类精度Kappa系数
Table 1 Landscape index of the Shengli Mine from 2002 to 2017

年份NPPDLPILSICONTAGIJIDIVISIONAIKappa系数20021230.1073.036.0391.9943.320.4698.970.8920051800.1574.407.9789.4347.590.4598.580.8820082320.1961.2110.0284.9754.440.6298.180.8620113630.2955.6013.7279.9055.710.6997.430.8620144760.3951.6315.5277.7756.500.7397.070.8620174920.4045.2616.4176.8155.470.7996.890.85

景观指数逐年增加的有:斑块数量NP(Number of Patches)、斑块密度PD(Patch Density)、景观形状指数LSI(Landscape Shape Index)、散布与并列指数IJI(Interspersion Juxtaposition Index)、景观分离度DIVISION(Landscape Division Index);逐年递减的有:最大斑块所占景观面积比例LPI(Largest Patch Index)、蔓延度指数CONTAG(Contagion Index)、聚合度AI(Aggregation Index)。总体来看，研究区斑块数量逐渐增多，景观斑块越来越分散，斑块形状越来越复杂多样化，研究区景观格局越来越破碎。

1.2 矿区地形地貌变化诱发的水土流失

大规模露天开采形成的大面积挖损区和排土场，导致区域地形地貌与水文条件明显改变[20]，进而引起了草原煤电基地水土流失与沉积的分布格局变化。图2为胜利矿区2000年开采前以及2016年的地形变化状况。现存的大量采坑和排土场使得研究区高程分布范围较采前更广，排土场斜坡-平台的分布使相应高程点占比较采前有明显突起，突起间隔与排土场单个台阶高度有关。采前研究区整体坡度呈西高东低状态，地势起伏变化不明显，采后矿坑挖损和排土场堆积增加了区域的整体坡度。采用基于水土流失机理开发的GeoWEPP[21]模拟比较矿区开采前后因地形变化引起的水土流失与沉积结果差异(图3)。可以看出，新增水土流失与沉积主要集中在露天开采区与排土场周边。考虑到大部分采区与排土场植被覆盖度低于原有自然植被覆盖度，这也将进一步增加该矿区水土流失与沉积发生的程度与范围。

图2 胜利矿区开采前后高程、坡度变化Fig.2 Height and slope change before and after open pit mining for the Shengli Mine

图3 开采前后地形变化对水土流失与沉积的空间影响模拟结果Fig.3 Modeling of the soil loss and deposit before and after the open pit mining

1.3 典型矿业景观单元退化、生态可持续性差

露天煤矿生产形成的大规模内排土场和外排土场是草原煤电基地主要的人造堆垫景观，不仅破坏了原有的地貌景观和水文系统，还面临着干旱缺水与水土流失的矛盾。近年来，露天矿日益向采排复一体化转变[22]，但仍侧重于生态重建中的工程目标、土壤、植被恢复，以及与之直接相关的微观层面的恢复，还未从整体上统筹水、土、地形地貌等生态要素进行生态修复技术体系研发。随着开采持续进行，将在草原形成大面积的内排土场。由于缺少流域全局观念，与周围草原自然地貌景观和地表水文系统的衔接性考虑不足，回填内排土场易形成一马平川的地貌类型。然而，大范围平坦地貌并不是与该区域气候条件相适应的稳定成熟地貌，在强降雨影响下，局部地貌仍将发生明显水力侵蚀，局部浅薄的回填表土将流失，不利于生态恢复的可持续性。

此外，外排土场是一个地质不稳定体，其复垦方式往往形成单一台阶直线形边坡，集中的自然降水与灌溉水不但不能被重建植被充分利用，在坡顶边缘区还会形成强入渗，进而形成壤中流，造成坡面与坡面土体内部剧烈的水土侵蚀与局部暗涌，严重影响边坡的稳定性;极端气候条件下破坏现象更为严重，维护费用高昂。

2 草原煤电基地景观生态恢复策略

笔者认为草原区煤电基地景观生态修复策略是以草原景观生态健康为出发点，通过景观生态调查与健康性评价，以区域内景观生态格局、过程、功能的演变规律与驱动机理为理论研究基础;识别对区域景观生态过程与功能有控制意义的关键部位或战略性组分;在景观尺度上，通过对水土流失、生物地球化学循环等过程模拟控制，建立景观生态优化目标和标准;通过低影响开发、绿色基础设施网络等模式优化景观组分在空间和数量上的分布与连通性，以最佳格局维持区域景观生态健康;在内外排土场、采坑等重要矿业景观斑块尺度上，以维持其地质环境稳定性与生态可持续性为根本，控治其对周边景观基质或斑块生境的影响，通过全生命周期近自然设计提升其与周边草原自然地貌、水文的融合度。重点围绕以下3个方面阐述。

2.1 景观生态恢复的整体控治与关键景观组分构建策略

草原煤电基地涉及多个矿山长时期的大规模持续开采，其景观生态恢复首先需认识矿群开发对草原煤电基地景观生态的综合影响，从空间、时间、生态环境要素3个角度进行整体控治：① 在空间上整体考虑大量永久性外排土场、采坑、内排土场，以及其他工矿业景观单元的空间格局与地貌形态的优化，并引入生态绿化带、临时性湿地单元等新的景观组分，改善控制整个煤电基地的水土流失、地表水文过程、物质循环与污染物扩散等影响。② 在时间维上应认识到矿山开采的生命周期性，也即矿山景观生态恢复的模拟、分析与设计都应结合矿山的开采规划制定全生命周期的景观生态恢复方案，避免各个阶段景观生态恢复方案的不连续性。③ 为保护区域景观生态的整体性和连续性，不仅需考虑排土场等矿山景观单元的土壤重构、土地整治、植被建设等环节，还应考虑其与周边自然地貌的景观融合度，提高其与周边区域地表水文的连通性。同时，以现存防风林为核心，选择生长期长、抑风滞尘能力强的灌木对已有防护林带进行林下亚层及林分改造;并在关键部位上引入景观组分，构建林灌带、湿地、水体等绿色基础设施与采损修复区、压占场地、工业广场等灰色设施相融合的草原煤电基地绿色基础设施网络。这将一方面实现对露天矿区严重的粉尘污染进行景观阻隔控制，另一方面实现修复后的典型干扰斑块与周边自然景观有机融合。

图4为基于形态学分析与最小累积阻力模型得到的胜利矿区2种情景方案下的景观生态网络廊道，主要涉及4类廊道:物质流廊道、连接矿区内廊道、防粉尘廊道、城镇绿化廊道。物质流廊道为胜利矿区规划边界外廊道;防粉尘廊道为规划的主要用隔离采区下风方向的乔灌种植廊道;连接矿区内廊道即为连接规划区域内外廊道;城镇绿化廊道即为穿越城镇区域的廊道。2种情景方案区别在于矿区排土场的是否为生态源地。图4(b)假设排土场植被修复较好可作为生态源地时，相比现状情况，可新增8个源地斑块，廊道数量新增20条，使矿区内部连接更加紧密。

2.2 大型异构排土场水土资源调控与利用策略

东部草原煤电基地降雨量少且主要集中在夏季，大型排土场同时面临着植被干旱缺水和边坡水土流失以及坡体失稳之间的矛盾。由于排土场坡顶平台未能形成疏水渠道，可断定排土场坡顶降雨主要以入渗为主。当雨季持续降雨时，持续大量的水分入渗会使土体中细颗粒被地下水从粗颗粒的空隙中带走，在土体中形成渗流通道，导致大量边坡冲沟发育或坡体崩塌。由于施工进度、植被覆盖、地表形态、土地利用、生态类型等差异影响，大型排土场地表水文过程比自然草原景观生态过程更加复杂。如何充分利用雨水资源，减轻集中降雨引起的水土流失与植物生境退化是大型排土场生态修复亟待解决的关键问题之一。景观生态学中认为景观的尺度可大可小，因此大型排土场同样可以按景观生态学的原理进行空间格局优化，引入新的景观组分，调控水土物质流过程，减轻水土流失，提高水资源的生态利用效率。

图4 排土场修复效果对胜利矿区景观生态网络廊道构建的影响Fig.4 Impact of the dump sites vegetation on the landscape network

2.2.1排土场精细DEM构建与水土物质流分析

利用多期合成孔径雷达卫星影像(如Sentinel 1-B 雷达影像)可对排土场整体稳定性进行持续动态监测，识别出地质环境高风险区。利用无人机遥感技术对排土场风险区及其周边进行精细航拍，获取高精度DEM模型，以实现对排土场坡度、侵蚀沟形态及发育程度进行直观了解与定量计算;基于DEM与水文模型提取多级地表水文网络，同时对排土场地表径流与土壤侵蚀量进行时空模拟，从而掌握复杂地形排土场表面径流路径，及其与水土流失、坡体崩塌部位的耦合关系。根据精细水文网数据、历年气象水文数据及土质入渗情况，模拟出排土场各区域在降雨条件下地表汇水的空间分布情况。

2.2.2大型排土场水土资源调控与利用技术

借鉴低影响开发策略(Low impact development)，采用自然恢复与人工辅助恢复相结合、生物措施与工程措施相结合，遵循截流、保边护底，以增加植被、控制水土流失，改善生态系统为核心的调控原则;通过不同坡位、不同植物配置、不同水流路径优化控制地表径流;通过在关键地段建立以分布式潜流湿地、植物沟等地表蓄水与释水设施为主体的排土场水土物质流控制系统，以减少地表径流提高水资源生态利用效率，提升排土场植被系统自维持性水平。图5为以呼伦贝尔宝日希勒矿区北排土场为例，基于地表潜在汇水区与径流路径分析，确定在雨季强降雨情况下每个子区域的汇水面积，进而构建以潜流湿地—植物塘—植物沟等为核心组分的排土场水土物质流控制系统，达到控水蓄水、增加生态用水，减少土壤侵蚀与边坡失稳的效果，从而提升排土场景观生态功能。

图5 宝日希勒排土场北坡地表水流控制系统与坡顶水土物 质流控制系统示意Fig.5 Water control system at the slope and the platform of the open pit dump field of Baorixile Mine

2.3 露天煤矿排土场景观近自然恢复策略

地貌形态在很大程度上决定了区域景观系统的物质流动与能量的转化，合理的地貌形态对景观的长期稳定性也起着重要的作用。因此，提升大规模排土场堆垫景观斑块与其周边景观基质中的自然地貌和物质流的融合度与协调性是草原煤电基地景观生态恢复的主要任务之一。

(1)内排场全生命周期近自然地貌恢复技术策略。露天矿区必将面临闭矿，闭矿后形成大量的具有明显采矿痕迹的内排土场，与周边自然景观差异显著，如图6(a)所示。参照国内外矿山复垦相关规定或当地居民的意愿反馈，草原地区最理想的内排土场重塑地貌应与周边自然草原地形地貌有机融为一体，让人感觉不到明显的采矿痕迹，如图6(b)所示。为此，需要当地煤矿企业以及土地复垦与矿生态恢复技术人员改变传统的内排土场地貌重塑思路;应根据开采计划，从内排土场形成初期或尽可能早地采用全生命周期近自然地貌恢复技术策略，以保证重塑地貌的整体效果。具体需要通过一系列仿自然地形特征提取与关键技术应用，包括对自然草原参照区地形、水文和植被等参数分析提取，研究参数之间相关关系。基于河流地貌学原理、内排土场下沉、煤层赋存、可用土方量和经济性、周边自然地貌景观的融合度以及自然水系衔接度等限制条件;尤其是重点考虑内排场与自然草原的相接区的地形、水系融合设计，重建内排土场水文系统;通过相对稳定的坡面和沟道来实现产流汇流之间的平衡。内排场坡面形态均模仿自然草原地貌来设计，按照地形水分条件配置植被，形成全生命周期的内排场近自然重塑地貌参选方案(图6);在对重塑后地貌方案进行水土流失模拟比较的基础上，采用景观衔接度和施工经济性等评价因素，整体评价优化近自然地貌重塑方案。

(2)外排土场边坡形态近自然重塑。该策略的关键是学习效仿排土场周边自然山体的边坡形态参数，来设计排土场边坡形态参数，在保证边坡稳定性的前提下，减少水土流失，提高外排土场与周边景观的协调性。首先，需要对研究区周边自然山体边坡坡形进行分类，包括直线形、凸形、反S形和凹形等类型，并提取自然山体边坡坡长、坡高、边坡角、曲率等关键坡形特征参数;其次，探究研究区自然山体地形因子存在的规律，分析地形因子与土壤水力侵蚀之间的关系，找到在自然山体边坡侵蚀过程中的主要作用因子;在实际应用中，结合排土场实地情况选取合适的坡形模板，确定边坡坡形重塑的关键参数，并对坡面表层土壤组成，坡面植被配置与关键控制部位进行水土流失模拟与最终方案优选。现场地形调查表明胜利矿区周边自然山体坡形以反S形为主。基于WEPP模型模拟得到的胜利矿区排土场为直线台阶边坡和反S形边坡2种不同坡形条件下的水土流失与沉积结果表明，在裸地条件下，反S形坡泥沙流失量较线状台阶坡形减少了近50%。这充分说明效仿自然的反S形坡面较现状排土场边坡更加稳定。当然边坡的工程设计还应考虑植被覆盖、微地貌、排水等更多细节。

3 结 语

东部草原煤电基地集群式、大规模、高强度、持续性开发建设对草原生态系统产生了跨尺度、多等级、累积性的影响。总体上，针对草原煤电基地景观破碎、生态结构缺损与功能失调等景观生态环境问题的形成机理不明确，亟需的景观生态恢复关键技术研发不足。具有宏观生态学意义的尺度主要包括生态系统、区域/景观和全球三大层次，而景观是生态系统健康研究的核心尺度。以生态系统之间的结构、功能与过程恢复为核心的景观生态恢复必然是煤电基地生态安全格局构建的关键途径。本文以景观生态学为理论依据，针对胜利矿区、宝日希勒矿区存在的典型景观生态问题，探讨了草原煤电基地景观生态恢复的整体控制策略，以及排土场这种关键矿业景观单元的物质流控制与近自然地貌重塑复策略;期望能将景观生态学的相关理论与技术更多的应用到矿区生态恢复的基础理论研究与现场应用实践工作中。这将为更好地理解景观生态学在矿山生态恢复中的实践价值，提升矿区生态恢复理论与技术的层次与效果提供借鉴。