基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复模式

袁兴中 张超凡 张冠雄 黄鑫

欧美国家和相关机构率先提出了基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）概念，并以此作为应对气候变化、生物多样性衰退、土地利用变化等全球问题的工具[1-4]。有别于依托传统工程技术的“灰色”解决方案，NbS关注生态系统整体设计和综合管理，强调人与自然协同共生。在应对不断变化的环境方面，NbS能够增强生态系统行动方案的适应性和可持续性。也有学者指出，NbS是强调创造和管理新的生态系统的解决方案[5-6]。

采煤塌陷造成的地表变形和塌陷破坏采煤区域内居民建筑物，导致房屋开裂[7]，严重威胁居民人身安全。采煤塌陷导致地表变形[8]，破坏矿区耕地、地表水体和生态系统结构[9-10]。已有类似研究对采煤导致的塌陷塘、湿地水环境、重金属污染及浮游生物、水生植物、水生昆虫、鸟类等生物要素进行了探讨[11-12]，但目前对生态系统演变、生物多样性方面的研究很少。面对采煤导致的大面积塌陷地及其生态变化，迫切需要系统、深入地研究采煤驱动下塌陷地生态演变规律，尤其是塌陷地湿地生态系统及其生物多样性变化，针对塌陷区采空后直到稳沉的几十年内一直处于动态塌陷的特点，亟须研发采煤塌陷区湿地生态系统恢复的关键技术及调控机制。

以位于山东省济宁市的兖州煤田邹城太平镇鲍店煤矿采煤塌陷区（简称太平采煤塌陷区）为研究对象。自2014年8月开始，笔者所在团队在完成太平采煤塌陷区生物多样性本底调查、新生湿地生态系统评估及生态修复设计的基础上，开始了生态修复实践。笔者在分析塌陷区新生湿地生态环境状况及生物多样性变化特征的基础上，重点针对塌陷区新生湿地生物多样性，探索基于NbS、以塌陷区新生湿地生物多样性为核心的修复技术框架，从动态生态系统设计与修复角度，探索采煤塌陷区生物多样性保育、生态系统修复的创新路径和模式，为采煤塌陷区生态修复设计提供科学依据和技术范式参照。

1 研究区域环境概况

研究区域地处山东省鲁西平原中部，济宁市邹城太平镇境内，西邻泗河，地理 坐 标 为E116 °47′06″—116 °50′13″，N35°23′52″—35°26′12″（图1），该区域为邹城市太平采煤塌陷区，总面积1 143.6 hm2。太平采煤塌陷区位于邹城西部，南起新济邹路，北至三鲍村界，西起泗河界，东至湖心岛水域，包括泗河水域、横河水域以及湖心岛周围水域。该区域属兖州矿务集团鲍店煤矿，从20世纪70年代初至今，历经40多年的开采，形成了大面积地下采空区。20世纪80年代后地表开始下沉，形成塌陷区域。煤炭采空后造成地面塌陷，降水汇集，地表积水，加上部分地下水上涌，土壤淹水潜育化，水生植物生长，出现底栖动物、鱼类、水鸟等水生生物，发育形成采煤塌陷区新生湿地[13]。太平采煤塌陷区新生湿地在中国平原采煤塌陷区新生湿地中具有代表性和典型性[13-15]。

图1 山东邹城太平采煤塌陷区地理位置图Geographical location map of Taiping coal mining subsidence area in Zoucheng, Shandong Province

地质方面，研究区域处于新华夏构造体系第二隆起带与第二沉降带的交界线附近，地质构造比较复杂。属于泗河冲积平原区，地势平坦，地面标高在35.2～41.3 m。地处暖温带，为东亚大陆性季风气候区，年日照时数为2 151～2 596 h，年平均气温为14.1 ℃，全年无霜期平均为202 d，年平均降水量771.7 mm，主要集中在6—8月，年最大降水量1 225.5 mm，年最小降水量434.4 mm，历年平均相对湿度64%。研究区域属淮河流域白马河水系，东与白马河相邻，西侧为泗河。主要土壤类型为砂姜黑土。

2 采煤塌陷区新生湿地生物多样性特征及变化趋势

太平采煤塌陷区的地表塌陷发生于不同年代，塌陷时间不一。即使在同一年代开始塌陷，也因地质条件、土壤性质和地表形态差异，而导致塌陷深度不均。塌陷时间较短的新生湿地水位较低，水深多在0～1 m，以挺水植物为主，如芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、藨 草（Scirpus triqueter）等，多呈片状分布；塌陷时间较长的新生湿地水位较高，水深多在2～4 m，湿地植物以沉水植物为主，如金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、黑 藻（Hydrilla verticillata）、菹草（Potamogeton crispus）等，周边带状或斑块状分布挺水植物。不均匀塌陷形成的大量小斑块聚集分布明显，在挺水植物聚集的小型生境斑块中，集中分布有芦苇、香蒲、藨草等挺水植物，同时在浅水底有菹草、穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、金鱼藻等沉水植物分布。在这种小尺度聚集分布形成的斑块状水生植物生境中，栖息着凤头䴙䴘（Podiceps cristatus）和黑水鸡（Gallinula chloropus）等水鸟。塌陷时间较长的区域形成了大面积水面，为雁鸭类等游禽提供了优良的越冬栖息地。

2014—2019年，笔者研究团队分别选取10 km2的太平采煤塌陷区及位于泗河以西10 km2的尚未塌陷的传统农耕区，每年春季和夏季进行生物多样性对照调查研究。结果表明，太平采煤塌陷区10 km2范围内的物种丰度尤其是野生植物种类丰度较高，共有维管植物91科262属392种，其中蕨类植物4科4属4种、裸子植物4科7属10种、被子植物83科251属378种；有271种野生草本植物；有水生维管植物21科40种，分别占维管植物科数和种数的23.08%和10.20%，其中沉水植物12种、漂浮植物3种、浮叶植物6种、挺水植物19种。而在作为对照研究区的尚未塌陷的传统农耕区，10 km2的面积上仅调查到70种维管植物。

太平采煤塌陷区共发现鸟类138 种，隶属15目41科，其中，鸭科（Anatidae）鸟类最多，有20种；鹭科（Ardeidae）和丘鹬科（Scolopacidae）次之，分别有11种。不同塌陷时期的新生湿地鸟类物种数量不同，塌陷中期鸟类种数最高，有84种；其次为塌陷初期，有59种；塌陷后期种数最少，有57种。在对照区（未塌陷的传统农耕区）10 km2的面积上仅调查到30种鸟类，说明采煤塌陷新生湿地具有较高的鸟类多样性保护潜力。

调查表明，随着塌陷新生湿地的形成，除了生物多样性增加外，发现有不少珍稀濒危特有动物栖息和繁殖，如青头潜鸭（Aythya baeri）、震旦鸦雀（Paradoxornis heudei）等。自2015年11月笔者在太平采煤塌陷区新生湿地首次发现青头潜鸭（全球最濒危的鸟类之一，国家一级保护野生动物）以来，新生湿地的青头潜鸭种群数量最高时约180只，且每年都能观察到处于不同发育阶段的青头潜鸭（幼鸟、未成年鸟、亚成鸟和成鸟），表明新生湿地能满足青头潜鸭不同生活史阶段的需求，已成为青头潜鸭的重要栖息地。

3 以生物多样性保育为核心的塌陷区生态修复设计

保护好采煤塌陷新生湿地生物多样性，让生物多样性更丰富、生态系统服务功能更优，这是棕地生态修复的多元化再生以及在生态智慧指引下的功能活化所强调的目标要求[16]。NbS提出了八大准则，其中准则三提出“以NbS保护和提升生物多样性和生态系统完整性”[4]，强调改善和提升项目点周边的生物多样性和生态系统完整性。

3.1 SDDMS设计策略

针对采煤塌陷区新生湿地的动态塌陷特点，笔者提出一个适应动态塌陷的以生物多样性保育为核心的采煤塌陷区生态修复设计的策略框架——SDDMS设计策略。

1）S——自然的自我设计策略（self design of nature strategy）：采煤塌陷区生态修复重视以塌陷后的水文过程、风力过程、生物传播等自然动力为主的新生湿地生态系统的自我设计能力[17]。

2）D——多样性设计策略（diversity design strategy）：通过塌陷区地形多样性、水文多样性、生境多样性、生物物种多样性、群落类型多样性等方面的综合设计，有效保育及提升生物多样性。

3）D——动态设计策略（dynamic design strategy）：煤炭采空之后地表开始变形，经历一系列的塌陷进程，30～40年后稳定沉陷，是一个渐进式的动态过程，生态修复必须遵循动态设计策略原则。

4）M——多功能设计策略（multi- functional design strategy）：生境恢复是基于NbS的生物多样性设计的重要途径[18]，尤其是具有栖居、庇护、觅食等多功能的生境恢复。此外，还应满足水源涵养、雨洪调控、景观美化及生物产品供给功能。

5）S——协同共生设计策略（synergistic symbiosis design strategy）：通过采煤塌陷区新生湿地环境要素与生物要素之间的协同设计，形成新生湿地相对稳定的协同共生系统[19]。

上述策略中，多样性设计策略和协同共生设计策略直接关联着NbS的准则三；自然的自我设计策略强调通过自然力对生物繁殖体的传播，实现生物多样性保育和提升；动态设计策略则关联着塌陷区新生湿地生态系统结构和过程完整性的实现；多功能设计策略强调通过多功能的实现，保证生态系统的稳定性。

3.2 设计技术框架

遵循SDDMS设计策略，基于生物多样性保育目标，根据太平采煤塌陷区新生湿地资源禀赋和环境条件，提出生态修复设计技术框架（图2）。该框架中，动态景观设计技术和生境单元综合设计技术是针对持续塌陷特点，从时间维度和空间结构两方面进行的针对不同类型生境的设计。地形－底质复合设计技术和水文－水环境综合设计技术是立足于采煤塌陷区新生湿地最重要的环境要素——地形、底质、水文、水环境，进行的针对塌陷区水上、水下的生境设计。多物种协同设计技术和多功能设计技术，将生物物种与生态功能相关联，通过多物种协同，实现多功能并存。上述6个技术涉及采煤塌陷区生态修复的环境要素、时间动态、空间结构和生态功能等方面，并紧密围绕生物多样性保育核心目标，各技术之间有机关联和协同。6个技术充分体现了SDDMS设计策略的5个方面，生境单元综合设计、地形－底质复合设计、水文－水环境综合设计技术是自然的自我设计策略、多样性设计策略的体现；动态景观设计技术遵循了动态设计策略；多物种协同设计和多功能设计技术分别直接关联着协同共生设计策略和多功能设计策略。

图2 基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复设计技术框架Design technical framework of ecological restoration in coal mining subsidence area based on biodiversity conservation

3.3 修复技术模式

3.3.1 顺应塌陷时间节律的动态设计技术

煤炭采空后的塌陷进程是一个动态过程，随着塌陷深度的变化，湿地生态系统的环境特征、生物多样性都在发生相应改变。笔者提出了顺应塌陷节律的动态设计技术，包括动态林泽技术、动态林网－多塘技术。

动态林泽技术即在塌陷前，在预测将要塌陷、实际上已开始变形无法耕种的地块上，种植耐水淹（也适度耐旱）的树木，所筛选的适生性树种有乌桕（Sapium sebiferum）、旱 柳（Salix matsudana）、中 山 杉（Taxodium‘Zhongshansha’）、池杉（Taxodium ascendens）、落羽杉（Taxodium distichum）等。当塌陷初期形成深度1～2 m的新生湿地时，树木沉没于水中；随着塌陷持续进行，经历一个“地往下塌，树向上长”的过程；到30～40年稳定沉陷、沉陷深度达到6～7 m时，树木长到十几米高，形成水上林泽。在动态林泽修复区，主要通过地形设计和底质改造，只栽种耐水淹树木，所有沉水植物和挺水植物都通过自然恢复而完成生长。

动态林网－多塘技术是将塌陷农业区域拆除房屋的废弃砖石（即建筑弃渣）充填于塘基上，形成由塘基围合的湿地多塘。在塘基上种植本地乡土树种（如杨树、旱柳等），形成林网围合的湿地多塘，在塌陷塘内除了保留自然生长的湿地植物外，可根据情况适当种植水生经济植物。

3.3.2 以生境单元为基础的空间结构设计技术

生物物种多样性与生境多样性紧密关联，由于太平采煤塌陷区范围内各空间单元采煤起始时间和采空终结时间不一致，加上同一采掘单元内地表地形、底质、土壤的差异，导致地表塌陷不均。如何在保育的基础上提升塌陷区生物多样性，笔者提出以生境单元为基础进行塌陷区空间结构设计（图3）。进行生境单元为基础的空间结构设计，应识别和建立生境单元，可按照塌陷深度、塌陷地植物生活型、塌陷区新生湿地生活的动物类群划分生境单元类型。

图3 以生境单元为基础的空间结构设计示意图Schematic diagram of spatial structure design pattern based on habitat unit

在采煤塌陷区，生境类型多样化是新生湿地生物物种多样性存在的基础。根据不同的生境单元性质、特征、喜好的生物种类，按照塌陷时间进程、塌陷深度、生物种类的生境需求等，进行以生境单元为基础的空间结构设计。应重视功能生境设计，即通过增加垂直分层、提升水平空间异质性，形成一个多空间维度、多环境梯度、多时空要素、多物种集合的生境系统，通过生境多样化设计，实现物种多样性提升。此外，应强化景观尺度空间布局，通过对处于不同塌陷时期新生湿地的合理空间布局，将不同塌陷深度新生湿地、不同塌陷地生物群落、塌陷塘－湖－沟渠有机组合，注重景观尺度上营养物质流、物种流、水文流等生态过程的管控，形成塌陷空间内新生湿地的活水循环，并通过塌陷地周边植物群落的缓冲，实现对面源污染的控制。

3.3.3 地形－底质复合设计技术

在每一个塌陷发育时间阶段，除保留原生地形和底质的变化外，根据生物多样性保育及提升需求，用塌陷农业区域拆除房屋的废弃砖石镶嵌堆填于部分塌陷基底上，根据稳沉的最大塌陷深度，使堆填的结构在水下形成多孔穴空间，为喜穴居生活的水生无脊椎动物和鱼类提供栖息生境；始终露出水面的堆填结构则形成岛屿，为湿地鸟类的栖息、繁殖提供生境。地形－底质复合设计技术增加了塌陷区新生湿地基底环境的异质性，为鱼类、水生无脊椎动物、湿地鸟类等生物提供栖息、庇护及繁殖场所。通过地形－底质复合设计，形成采煤塌陷区新生湿地系统稳定、生机勃勃的生命基底结构（图4）。

图4 地形－底质复合设计模式示意图Schematic diagram of the terrain-sediment composite design pattern

3.3.4 水上－水下一体化设计技术

对发育于农耕区域的采煤塌陷新生湿地来说，实现保水、净水、维持水文循环并构建完整的水生态网络是生态修复的重点之一[20]。通过沟渠保持各塌陷湿地之间地表水的水文连通；不对塌陷区基底结构做任何硬化处理，充分保障西边的泗河与东面塌陷区新生湿地地下水的侧渗连通。此外，通过对塌陷塘、塌陷湖边岸自然发育的湿地植物群落的维持，通过镶嵌状种植的动态林泽、动态林网–多塘湿地，形成水上－水下一体化生态结构（图5），保证了垂向空间上的多层空间分异，为更多的生物种类提供栖居场所。同时，通过塌陷塘、塌陷湖边岸自然发育的湿地植物群落，对进入新生湿地的地表径流进行拦截过滤，有效防治周围农田氮磷对新生湿地的污染。

图5 水上—水下一体化设计模式示意图Schematic diagram of integrated design pattern of overwater and underwater

3.3.5 动物–植物协同设计技术

湿地生态系统中植物与昆虫、鸟类长期协同进化[21]，形成稳定、多样性丰富的湿地生命系统。在太平采煤塌陷区，提出了动物－植物多物种协同设计技术，由此形成多物种协同的稳定食物网结构（图6）。本研究将新生湿地群落营建及多样化生境设计有机融为一体，根据塌陷深度、地形起伏、水文条件、植物种类筛选及动物栖息需求，形成动物－植物协同设计。通过在林泽系统、塌陷塘、塌陷湖边岸湿地生境适当种植适生乡土植物，形成塌陷地优良的植物群落结构，再通过陆生和湿地生境设计，吸引鸟类、鱼类、水生昆虫，从而丰富生物多样性。

图6 采煤塌陷区新生湿地多物种协同的食物网结构Food web structure formed by multi species cooperation in newly created wetland in coal mining subsidence area

3.3.6 以生物多样性保育为核心的多功能生境设计技术

在采煤塌陷区生态修复的设计中，确定主导功能优先，多功能并重。塌陷区新生湿地的主导生态功能包括生物多样性保育、水源涵养、水质净化、雨洪调控等，辅助生态功能包括局地气候调节、生物产品供给、休闲游乐、文化科教等。生物物种的多样化与生态功能的复杂性和完整性紧密相关，多样化的生境类型及物种不仅奠定了生物多样性的基础，而且其复杂的植物群落结构满足了水源涵养、水质净化等生态服务功能。

4 采煤塌陷区生态修复设计实践及效益分析

2015年开始陆续实施以生物多样性保育为核心的采煤塌陷区生态系统修复。目前，生态修复已产生了明显综合效益。

1）形成了多样性丰富、多物种协同的共生系统。修复后的太平采煤塌陷区新生湿地已发现高等维管植物达到397种；越冬水鸟达到40多种，数量超过2万只；常年栖居鸟类超过100种；珍稀濒危特有鸟类众多，常年栖居的青头潜鸭种群数量稳定超过100只。林泽区已经成为凤头䴙䴘、黑水鸡、水雉（Hydrophasianus chirurgus）等湿地鸟类的产卵繁殖场所（图7）。修复后该湿地内鱼类等食物资源较丰富，林泽水下空间伴生有菹草、篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus）、芦苇和香蒲等水生植物，为凤头䴙䴘提供了丰富的食物来源和营巢巢材。凤头䴙䴘的繁殖活动为植物繁殖体传播提供了帮助，使植物多样性得以维持。在林泽林窗之间睡莲自然生长，黑水鸡在睡莲床上产卵繁殖，并对植物繁殖体起到传播作用。此外，调查发现栖息于塌陷区新生湿地的普通燕鸥（Sterna hirundo）以鱼类为食，其取食鱼类及飞翔活动，是新生湿地鱼类传播的重要媒介。

图7 修复后采煤塌陷区新生湿地多样性丰富、多物种协同的共生系统A symbiotic system with abundant diversity and multi species cooperation in the newly created wetland of coal mining subsidence area after restoration

2）构建了林–水一体化的塌陷地动态景观系统。自2015年实施动态林泽生态修复以来，由于加强了林、水复合体建设，如今，呈现出林环水绕、林水相依、林水共荣的美丽图景，形成蓝绿交织、林－水一体化的塌陷地立体生态网络（图8）。

图8 修复后采煤塌陷区新生湿地林—水一体化的动态景观Dynamic landscape of forest and water integration in newly created wetland in coal mining subsidence area after restoration

3）形成了多物种耦合的塌陷地“减源－增汇”系统。塌陷区周边都是农田，华北平原的农事耕作所产生的面源污染比较严重，发育良好的塌陷区新生湿地系统对周边的农业面源污染具有较好的净化作用，达到了明显的减源效果。此外，经生态修复后的塌陷区，自下而上的沉水植物—漂浮植物—挺水植物—林泽树木，形成了塌陷区新生湿地上的立体固碳系统，发挥了明显的碳汇作用（图9）。

图9 修复后采煤塌陷区新生湿地立体固碳系统Stereoscopic carbon fixation system of newly created wetland in coal mining subsidence area after restoration

4）以生物多样性为核心的塌陷地生态产品系统。修复后的采煤塌陷区新生湿地提供了优良的天然植物种源，丰富了动植物多样性，同时将采煤塌陷区新生湿地保护和利用结合起来，发展湿地农业、湿地产品加工利用、湿地生态旅游业，产生了明显的经济效益[21-23]。调查发现，塌陷前，太平采煤区多是以小麦、玉米种植为主的旱作农田，单位土地的产值不超过1.50万元/hm2。仅以塌陷后新生湿地自然生长的菱角为例，没有人工管理的新生湿地的菱角产量2.25万kg/hm2，按目前微山湖鲜菱角市场价格7元/kg计，则每公顷新生湿地菱角产值可达15.75万元。邹城市在保护太平采煤塌陷区新生湿地生物多样性的前提下，通过发展生态旅游、湿地农业，形成了一系列以生物多样性为核心的生态产品。

5 结语

NbS是采煤塌陷区生态修复的重要途径。在太平采煤塌陷区所进行的以生物多样性保育为核心的生态修复设计与实践表明，基于生物多样性保育的生态修复技术体系，适用于具有动态塌陷特点的采煤塌陷区。这一技术体系修正和优化了采煤塌陷区传统土地复垦的单一技术和单一目标，从生态系统整体设计角度，促进采煤塌陷区的多元再生与功能活化。通过8年的修复实践，在采煤塌陷区形成了一个充满生命活力的新生湿地景观，重建了一个生物多样性丰富的生命景观系统。太平采煤塌陷区的生态修复实践，为中国平原采煤塌陷区生态修复及生物多样性提升提供了值得借鉴的模式。但已有的研究和修复实践，对采煤塌陷致灾条件下，塌陷区的水、土壤、生物等要素的耦合机理研究不足，对逆境生态修复的关键技术还有待进一步优化。

在未来的设计研究工作中，还需要进一步了解煤矿开采区塌陷后的生态系统演变趋势及驱动机制，阐明采煤塌陷区新生湿地生物多样性的形成和维持机制；探索隐含在采煤塌陷区新生湿地生态系统背后的生态学机制及关键控制过程；通过创新性的动态设计技术和修复工程措施，促进采煤塌陷区新生湿地生物多样性的有效保育及提升。

图片来源(Sources of Figures)：

文中图片均为作者绘制或拍摄，图1底图来自CNES/Airbus。