论引导型矿山生态修复

雷少刚，卞正富，杨永均

(1.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; 2.山东省煤田地质局 采煤塌陷地与采空区治理工程研究中心，山东 济宁 272100)

矿产资源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，长期高强度大规模的矿产资源开发带来的生态环境问题不容忽视。矿产资源开发与生态环境保护是一对矛盾，矿山生态修复是解决这一对矛盾的有效途径。我国矿产资源开发数量大、分布广。截至2018年，我国非油气矿山数量14万余座，且多位于生态环境脆弱的干旱半干旱地区，矿山生态修复形势严峻。矿山生态修复已成为落实生态文明建设发展战略，实施国土空间生态修复的重要“抓手”之一。在国家实施的山水林田湖草生态保护修复工程中，矿山生态修复与流域水环境治理、土地整治、污染与退化土地修复、生物多样性保护并称五大工程。我国矿山土地复垦起步较晚，矿山生态修复较土地复垦则更晚。近年来随着生态文明思想深入人心，矿山生态修复正成为研究的热点，我国土地复垦与生态修复相关理论与技术也有了明显发展。但是，仍然存在矿山生态修复理论滞后于实践需求，所采取的工程技术存在多个单体工程之间关联性不够、单一要素修复为主、缺乏系统性思维、生态修复针对性不强和目标单一、修复系统自维持能力弱、工程实施的技术标准缺乏、评价验收的指标体系不科学等问题，亟需创新矿山生态修复理论与技术。

党的十八大报告中明确提出：大力推进生态文明建设，坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针。中共中央国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》提出：在生态建设与修复中，以自然恢复为主，与人工修复相结合为基本原则。自然恢复和人工修复相结合的理念被广泛接受，但相关的理论和技术研究明显不足。“以自然恢复为主”、“与人工修复相结合”共同引出的基本科学问题是，人工如何“辅助”自然恢复、人工如何与自然恢复有机“结合”？其引出的关键技术问题是，当需要人工干预时，何时干预、何处干预、如何干预、干预到何种程度？在山水林田湖草沙生态保护修复(系统性修复思维)、基于自然的解决策略(Nature-based Solutions，NbS)等新思维和新形势下，搞清这些基础问题才能做到尊重自然规律，以利用生态系统自身的恢复力，调控引导生态恢复进程，实现科学适度的人工干预，从而避免人工干预不够或过度干预。

矿区土地修复或生态恢复过程中，自然恢复及人工干预均发挥着重要的作用，不同的学者对2者作用的重要性的认识存在差异。自然恢复是指外界干扰消失后，完全依靠生态系统自身的恢复力，使受损的环境要素与生态系统(包括构成系统的各子系统)，恢复到相对健康的状态。但是，由于矿山开采对地层地貌、水文、生物、土壤等主要自然地理环境要素都产生了不同程度的损伤扰动，因此矿山生态系统是一种人类强干扰影响的生态系统，因此，矿山生态修复不能仅靠自然恢复，必须辅以适当的外界人工调控引导。卞正富等基于自然恢复与人工干预的结合，提出了“引导型矿山生态修复模式”，其根本目标是降低生态修复成本，促进受损生态系统恢复到自维持状态；白中科等分析了人工支持引导生态系统自然修复的内涵与外延，探讨了人工支持引导生态系统自然修复的路径。刘英等提出基于植被覆盖度时序变化与驱动因素分析是探索半干旱矿区植被引导型恢复有效方法的重要基础与前提。现有研究还没有阐述引导型矿山生态修复的理论原理、引导修复的生态关系、生态过程等问题诊断、引导修复方向设定、引导修复关键对象、引导修复合理程度等关键问题，为此，笔者将围绕引导型矿山生态修复的基本原理和技术框架展开进一步分析论述。

1 引导型矿山生态修复的基本原理

矿山生态系统即特定矿山区域内生物与环境构成的综合体，是一种受人类活动高强度干扰的受损生态系统。矿山生态系统与一般生态系统一样，能提供生态服务功能；在外部扰动下，矿山生态系统内部通过复杂互馈作用，使系统维持在某种特定的稳定状态。这种使得系统保持稳定状态的特性表现为对采矿扰动的抵抗力和恢复力。矿山生态系统抵抗力即系统抵抗开采干扰的能力，或矿山生态系统受开采扰动后保持在平衡点的能力。恢复力是指生态系统遭受外界干扰破坏后，系统恢复到原有状态的能力，是生态系统的一种内在能力。恢复力可以通过引入Fokker-Planck方程，计算出系统退出任何一个吸引域的平均预期时间，作为其定量评价方法。

依据恢复力“杯球模型”，当系统受到适度调控、合理建设及有效修复等正向驱动，系统则可从初始吸引域(稳态)转移到较高级吸引域(稳态)；而当系统受到过度扰动、严重污染等负向驱动，系统则会经过逆行演替由初始吸引域转移到退化吸引域，其概念示意如图1所示。具体地，当开采扰动强度在系统的抵抗力和恢复力承受范围，系统将维持在较原有的稳定状态，充填、源头减损保护性开采的井工矿区可能会出现这种情况。当系统的抵抗力和恢复力较低，不能承受开采的扰动强度，系统将突破突变点进入退化吸引域。这种变化的后果是严重的，特别是对生态脆弱矿区，生态退化往往难以逆转。当修复干预时，系统抵御恢复干预的能力过强或者干预程度不够，无法突破生态阈值进入较高系统表现的吸引域。这种情况表现出土地复垦和生态修复难度大、不易成功的特点。

图1 基于“杯球模型”隐喻的矿山生态系统演变过程

因此，引导型矿山生态修复的理论原理就是立足于矿山生态系统固有的恢复能力，通过科学的引导促进矿山生态系统从退化吸引域向初始吸引域或更高级的吸引域转变；其核心任务是掌握采矿扰动与生态恢复机制，明确关键生态阈值和修复标准，科学实施干预措施，带动受损生态系统通过自身的主动反馈不断自发地走向恢复和良性循环。引导型矿山生态修复主要是对关键限制性因子或关键因素进行调控，其总体思路是使采矿扰动/恢复干预后参数值离阈值的函数距离更大，即扰动后参数远离阈值，包括调控干扰、调控特定参数、调控函数关系、调控阈值4种途径。需要说明的是，引导型矿山生态修复并不是一种全新的矿山生态修复模式，它是在系统性修复、NbS等新的思维和原则下，强调自然恢复与人工修复的有机结合，是对传统人工修复模式的发展升级；其进步主要体现在利用生态系统固有的恢复能力，其修复对象更加明确、人工干预程度更加合理、修复成本有效降低、修复系统自维持能力提升等方面。

引导型矿山生态系统恢复演替的方向、速率、结构和功能主要取决于其受损程度、自身所拥有的自然地理环境条件，以及引导干预的方式和程度。井工开采和露天开采是矿产开发的主要方式，其对生态环境的扰动影响差异明显。因此，2者所采用的引导修复的方式和干预程度也不一样。井工矿山开采扰动影响是由岩层破断向地下水、土壤、植物生境影响的传递过程，具有明显的井上下联动性、空间异质性、局部有限性，而且各生态环境要素呈现较强的自恢复特征。因此，井工矿山生态系统的引导修复可主要依靠其固有的恢复力，辅以适当的人工干预，快速促进其恢复到相对健康的状态。露天矿山由于大规模的岩土剥离堆排，对地层、地貌、土壤、植被等关键环境要素都产生了“翻天覆地”的变化。因此，露天矿山引导型生态修复的难度及其所需的人工干预投入将明显大于井工矿区，需要实施地层重构、地貌重塑、土壤重构、植被重建、水文重建、景观重现与生物多样性恢复等一系列修复环节。

2 引导型矿山生态修复的技术框架

引导型矿山生态修复的理论主要涉及恢复力理论、限制因子理论、生态适宜性理论、群落演替理论、工业生态学、景观生态学、系统动力学等；在不同的自然区域、开采方式、修复方向、生态问题、修复目标下，引导型矿山生态修复的内容、引导修复的程度、技术措施等都是不一样的；其共性的技术环节包括，矿山生态问题调查诊断、引导修复方向设定、引导修复的关键对象或部位的确定、引导修复的合理程度或生态阈值(修复标准)的识别、以及引导修复技术措施等环节。各技术环节涉及的主要内容如图2所示。

图2 引导型矿山生态修复技术框架

(1)生态问题诊断。生态问题调查诊断是矿山生态修复的必要环节，决定了引导型生态修复后续各个环节的科学性。传统矿山生态问题调查易出现为调查而调查的情况，突出表现在调查评估结果对修复工程设计、修复技术筛选和修复标准确立等环节的指导价值低。引导型修复需要依托调查、遥感、测试、统计等多种调查分析手段，诊断影响或阻碍受损生态系统自然恢复进程的关键限制性因子，发现矿山生态环境自然规律、扰动响应规律、生态变化过程、生态要素间相互关系及生态系统或环境要素的生态阈值等深层知识信息，以支撑矿山生态系统引导修复。简而言之，就是要是在常规调查监测评价基础之上，进一步识别矿山生态关系、过程、规律等知识信息，为引导修复方向、标准和方案的制定提供科学参考。

(2)引导修复方向。我国矿山数量多、分布广，自然、社会、经济条件等存在地域分异特征和一定程度的区域聚集性。因此，不同区域不同类型矿区生态修复方向应该是差异化的。应依据矿山生态系统所处区域的主导生态功能、自然恢复力和社会经济条件等生态修复条件，划分多个生态修复与环境治理方向，主要包括：环境封存型、自然恢复型、地质安全保障型、生态复绿型、林草利用型、农业复垦型、旅游景观型、城郊开发型等。例如：对于社会经济条件较差，自然恢复力较弱的矿区，可以将生态复绿作为修复方向，即在消除地质灾害隐患之后，实施土地复垦和生态修复，恢复水土保持、防风固沙等重要生态系统功能，维持生态安全。为加强矿产资源与土地资源协同开发，实现土地资源可持续利用与经济效益提升，可以加大人工干预，以林草利用或农业复垦为修复方向。不同生态修复方向其所需的人工干预的程度是不一样的。当然，这些修复类型方向，只是主导修复类型方向，并不具有明显的排他性。例如徐州矿区的采煤塌陷地就是农业复垦、旅游景观、城郊开发等修复类型的组合。不论哪种修复类型，都需要遵循保护优先、源头过程减损；生态保护与修复并举、自然恢复和人工修复并重，着力提高生态系统自维持能力等基本原则。

(3)引导修复对象。引导型矿山生态修复的对象重点包括，障碍性或限制性因子、关键环境要素、重要景观斑块与廊道、生态流等方面。矿产开采形成的障碍性因子(如污染物、地裂缝等)或限制性因子(如潜水位、土壤水、坡度等)是采后生态系统受到的主要生态胁迫。BRADSHAW指出生态恢复过程中有效识别影响生态恢复中关键限制性因子，并对其进行适度合理的人工干预后，自然恢复便可更加顺畅的进行。因此，消除障碍性因子和调控限制性因子也是人工引导修复关键任务；主要可通过生态环境整治、理化性质改良、生物学修复、系统综合管理等措施为生态系统的自然恢复提供更优的基础条件。图3为生态系统在多个不同状态，突破障碍限制因子实现稳态转移的示意，在生态系统严重破坏区域(图3(a))，必须人工强干预，消除非生物等障碍性因子；然后，通过改善动植物群落等生物性限制性因子(图3(b))，促进系统突破生物限制性因子阈值，从而实现生态系统自然恢复和自维持，达到完好状态(图3(c))。

图3 引导系统突破限制性因子实现稳态转移示意(改编自文献[3,10])

引导型生态修复对象还应包括关键环境要素、重要景观斑块与廊道、生态流等方面。生态系统的临界转变往往伴随着生态系统空间自组织格局的变化。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。通过修复、创建或重组等手段调整斑块、廊道、生态网络等关键景观组分，有助于景观内各生态系统单元之间的关系调控，改善受损生态系统功能，也有利于规避生态系统临界点的到来，以维持其系统的稳定性。

(4)引导修复合理程度。确定人工干预的合理程度是引导型生态修复的关键问题之一。在矿区周边未扰动的自然生态系统中，可选定相似合理的参照生态系统作为矿山生态系统人工干预合理程度的判定方式之一。然而，由于矿山生态系统并不一定要修复到采矿前或与周边自然生态系统相同；而且，自然生态系统是长期演替形成的，而自然恢复与人工干预相结合的矿山生态修复往往需要一个较长自恢复、自适应过程；也就是说前期人工引导修复到合理程度后停止人工干预，转为生态系统依靠其自然恢复能力，并经过较长的时期才能达到周边参照生态系统的状态，而不是一蹴而就。因此，选择参照生态系统需要注意其代表性与可行性。

特定区域的生态单元以及生态要素之间的生态关系往往存在固有的关系、过程。因此，也可以利用周边自然生态系统主要的生态关系来判断引导修复的合理程度。20世纪70年代ROBERT指出生态系统的特性、功能等具有多个稳态，稳态之间存在生态阈值。生态阈值包括阈值点和阈值带2种类型。生态阈值为生态系统多稳态之间的一个临界值，穿过这个临界值后，系统状态变量发生突然的较大改变。因此，生态阈值可以作为人工干预合理程度的判别标准。生态阈值识别，首先需要通过梯度观测、控制实验、模型模拟等方法获取足够基础数据，来反映生态系统状态变量和控制参数的变动情况，然而通过统计方法考察生态系统状态变量和控制参数的统计学特征和相互关系，从而识别生态阈值。一方面，可以统计生态系统状态变量或控制变量随时间的变化特性，考察统计学指标，如均值、方差、标准偏差、条件异方差、自相关、偏度的异常变化，实现对状态变量或控制变量阈值的识别。另一方面，可以构建生态系统状态变量对控制参数的响应函数，响应函数一般有连续渐变函数、阶跃变化函数、带时滞的状态变化函数、不可逆变化函数4种类型。通过分析响应函数的极限、收敛、拐点特征，进而识别生态系统控制参数的阈值。

矿山生态系统的状态变量通常是人们较为关心的生态系统结构、功能、服务等表现指标，如植被覆盖度、水土保持量、生物量、生产力等，控制参数为各类采矿干扰的程度和生态系统基础条件，如采高、采厚、导水裂隙带高度、土壤含水量、潜水埋深、表土层厚度、土壤有机质含量等。矿山生态系统阈值的识别可基于生态调查感知，按照观测、响应函数建立、阈值判别、效应分析4个步骤。例如，通过野外梯度观测，可构建半干旱矿区土壤含水量(SWC)和反映植物生理状况的叶片最大光化学效率(/)2者间的关系响应函数(图4)。通过分析响应函数，发现存在明显的拐点，即当土壤含水量低于8.91%时，/随着土壤含水量的降低急剧降低，受到胁迫影响。因此，可以得到植物生长开始受到胁迫的土壤含水量阈值为8.91%。因此，矿区土壤含水量8.91%这一阈值可以作为引导型生态修复合理程度的标准。

图4 叶片最大光合作用效率对土壤含水量的响应[17]

(5)引导修复措施。引导型矿山生态修复强调人工修复与自然恢复的有机结合，是对以人工修复为主的传统矿山生态修复模式的升级发展。矿山生态修复技术是否适宜，不在于技术水平高低或难度大小，而取决于所筛选修复技术与关键生态问题的针对性与经济性。因此，引导型生态修复和传统生态修复模式所采用的生态修复措施本质上没有差别，不同的是引导型生态修复模式强调的是适度人工干预，也就是要求人工干预必须有针对性、及时性、持久性和有效性。引导型生态修复模式所需的修复技术特点在于，强调各个引导修复技术措施的系统性、接续性、针对性和经济性；一定是针对关键的修复对象、生态问题、生态关系、生态阈值，能降低生态修复成本，带动提升生态系统自维持能力。例如，在西部半干旱地区大型煤炭基地引导型生态修复实践中，采用的一些较适宜的引导修复技术包括，采后覆岩导水裂隙人工化学引导修复，临时性与永久性地裂缝的差异化治理，中性区、压缩区、拉伸区分区治理模式，基于植被演替规律的植物互惠配置，基于空间格局优化和关键物质流调控的景观生态恢复，排土场分布式保水控蚀技术，基于自然地貌特征的近自然地貌重塑技术等。

3 结 语

在国家生态文明建设的战略形势下，在山水林田湖草沙系统性生态保护修复指导思想下，坚持“以自然恢复为主，与人工修复相结合”的基本原则，破解人工干预和自然恢复之间的争议和困惑，促进人工修复与自然恢复相协同是当前矿山生态修复的亟待解决的理论和技术问题之一。引导型矿山生态修复是“基于自然的解决方案(NbS)、自然为主人工为辅”这些基本生态保护修复理念在矿山领域的具体实践探索。引导型矿山生态修复模式强调的是适度人工干预，即人工干预必须有针对性、及时性、持久性和有效性；是对传统人工修复模式的发展升级，其立足于生态系统恢复力，通过对生态问题和扰动响应机理系统化诊断，揭示采矿扰动与生态恢复机制，探明关键生态阈值，科学实施干预措施，带动促进受损生态系统恢复到自维持状态。矿山生态关系、过程、规律的感知是引导修复的前提；障碍性和限制性影响因子和生态过程是引导修复的主要对象；生态阈值和生态参数的调控是合理引导的关键。矿山生态修复是一个多尺度、多要素、多时相、多过程、多学科、多领域的科技难题，如何科学认识并利用自然力量，引导受损矿山生态系统自维持，尤其需要加强对矿山生态系统的自然规律、演变机理、生态过程、生态关系、生态阈值、以及环境要素间相互关系等机理问题诊断与深层次知识发现。