水泥灰岩矿山闭矿期生态恢复力分析

陈美成 赵香玉 杜 娟 王泽元 王可可 谢 磊

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

矿山土地复垦与生态修复不但可以通过裸地覆盖土壤、提高土壤肥力、改进土壤结构等方法进行植被恢复，也可以通过规划矿山环境空间布局的方法保护矿山地区的风貌及特色，将原本对地区环境与形象具有负面影响的废弃矿山，转化为新的资源加以利用。现有的矿山土地复垦与生态修复的思路，一般只是通过某种措施达到土地复垦的目标，对土地生态系统内在能力的考量较少。通过引入矿山土地系统生态恢复力的概念，可以快速为矿山土地复垦与生态修复找到更加有效的解决办法。

1 水泥灰岩矿山的工程扰动分析

水泥用灰岩矿为露天矿山，矿山土地生态系统遭受的扰动较为简单，主要是露天开采过程中，需要对覆盖于矿产资源上方的土壤、植被等进行剥离和移除，采矿扰动与恢复形式较为单一。露天开采包括“采、剥、运、排、覆”等工艺流程。通过剥离矿石上覆的岩土层，将露天采区转变为矿业建设用地，对土地生态系统组分如土壤、水文、生物等都会造成直接的损毁，林地、草地、耕地全部消失。在矿石开采过程中，剥离表土堆放于排土场，对原地貌的生态组分形成压占扰动。经过采矿、压占扰动后，岩层和地形被重新塑造，改变了区域景观结构。整体来看，露天开采的工程扰动带来的生态效应是突然的、强烈的，原有的土地生态系统组分及其关系都被重塑，如原地貌被重塑、松散层的土壤结构被重塑。露天采矿的生态影响范围也不仅局限于矿业活动操作区，也可能会影响到流域水文系统。

从采矿扰动过程的分析结果看，水泥用灰岩矿山采矿扰动的形式大致可分为挖损、压占和污染三类。挖损会剥离矿产资源上覆的所有组分，导致挖损区和周边区地形、水文改变；压占会重组土地生态系统的物理性组分；污染指渣土等污染物析出，污染土壤、水文、生物组分。挖损和压占都会导致土地生态系统结构重组，土地利用方式和景观同质化，生态系统服务功能消失，甚至产生负面效应，如增大水土流失量。不同的是，挖损属于脉冲型扰动，持续时间较短；污染会导致土地生态系统污染物富集，生态系统服务功能下降。

2 矿山土地复垦和生态修复的工程扰动分析

目前，矿山土地复垦与生态修复领域积累了很多有效的修复技术，这些技术对土地生态系统组成及形态的改变、生态系统服务的维持具有重要作用。人工生态修复在矿山土地生态系统恢复中起主导作用，也是矿山土地生态学研究关注的重点。生态修复工程主要包括预防控制、表土剥覆、充填复垦、挖深垫浅、坡面治理、水利兴修、交通建设、生物修复、农田防护、土地调控、景观建设等，主要作用对象是矿山土地生态组分及其组合形态，主要作用是改造或者局部改造土地生态系统组分和形态，保持或提高土地生态系统服务能力。

人为的生态修复工程如果成功实施，可以对矿山土地生态系统组分及组分间关系产生作用，产生人们期待的正面效应。但这些工程的实施会带来社会经济成本，也有可能带来负面效应。因此，这些生态恢复工程也可以被看做是施加在矿山土地生态系统上的扰动，这种扰动既有正面效应，也有负面效应。

3 水泥灰岩矿山的恢复力分析

矿山土地生态系统恢复力指土地生态系统在面临采矿扰动或其他变化时保持状态的能力。目前，恢复生态学主要关注矿山环境影响的缓解、生态功能的恢复等[1]。我国矿山生态恢复正处于生态功能恢复阶段[2]，采取植被重建、土壤重构、水文保护、土地利用规划、景观规划等措施，依靠人工干预的力量，可以消除环境胁迫，恢复生态功能。然而，目前的人工措施面临经济成本与环境效益的权衡、取舍，人工干预的效果并非始终都优于自发修复[3]，研究表明，采矿遗留地的自发演替为两栖动物创造了更好的生存环境[4]，Holl对Virginia露天矿区的研究结果表明，人工恢复的植被群落结构与周边参考点有差异，其生态保护作用受到限制[5]。为解决这方面的问题，在露天矿山生态修复中引入恢复力的概念，可以加强露天矿区生态修复工程的生态保护作用，实行更为契合当地生态环境保护系统的生态修复工作，减少一定的经济成本，提高环境效益。

水泥灰岩矿山土地生态系统包含大气、土壤、植被、水文四个组分，且包含人为活动（如生物量收获）、露天采矿扰动的影响，引入数学模型，可以定量表达和分析矿山土地生态系统的组分及其相互关系。当土地生态系统受到采矿活动等的扰动后，土地生态系统通过自发的恢复力使得系统的平衡和定性结构不发生改变。用数学语言对矿山土地生态系统的结构和功能进行表述，再进行数值分析，得到系统的吸引域和参数空间的形态，可以任意测量各个方面的恢复力，这是恢复力测量的理想方法。在水泥灰岩矿山生态修复过程中，矿山土地生态系统的一些好的状态需要持续保存，一些状态需要做出改变，利用数学语言分析相关恢复力，调控恢复力，可以缩短生态修复时间，使水泥灰岩矿山生态系统达到更好的状态，因而恢复力调控可以在矿山土地复垦与生态修复工作中发挥举足轻重的作用。通过恢复力调控的实施，可以获得一个恢复力更好的、可持续的露天矿山土地生态系统。

目前，生态恢复力调控技术在露天矿山土地生态修复中已有一些实际应用，在矿山土地生态可持续管理中展现出相当重要的实用价值。杨永军对亚热带草原地区Curragh露天矿山恢复力的研究表明，当生态恢复工程的强度小于或等于“耙碎岩块后覆土0～30 cm并撒播种子”强度时，Curragh矿山露天采场具有足够的恢复力保持其 “无植被裸地”状态。实行增加覆土、提高生态恢复工程的效率、减少植被对土壤条件的依赖等方法，可以克服Curragh矿山保持其“无植被裸地”状态的恢复力[6]。杨永军对孟家沟采煤遗留地的研究表明，孟家沟采煤遗留地的恢复力指标值低于历史平均水平，主要限制因子是生态变化性和生态系统服务有效度，从培育土地利用多样性、利用土地的多功能性、增加管理主体有效度等方面来强化生态恢复力，可以增强采煤迹地应对多种扰动的能力[6]。

因此，在水泥灰岩矿山生态修复过程中，分析其生态恢复力的大小，可高效快速地发现生态修复难题，缩短生态修复时间，提高生态修复效率，降低生态修复成本。

4 结语

水泥灰岩矿山土地生态系统具有多样的组分和复杂的结构。矿山土地不仅可以承载采矿活动，还可以提供供给、调节、支持和文化等生态系统服务。人为的采矿活动和修复工程是矿山土地生态系统遭受的主要扰动，除此之外，还有其他自然和人为的扰动，如气候变化和土地再利用等。在诸多扰动的驱动下，矿山土地生态系统状态的变化模式至少有保持原状态、退化到新状态、恢复到新状态和复原到原状态这四种。面对扰动，水泥灰岩矿山土地生态系统体现出一定的自我维持能力。

在水泥灰岩矿山生态修复过程中，不同矿山可能具有不同的土地生态问题，应用恢复力理论可以帮助管理者辨别系统状态持续保存的关键所在。通过恢复力评估及调控策略，可以了解矿山土地生态系统或其特定部分在面临扰动时保持状态的条件和影响因素，有利于矿山土地生态系统的可持续管理。