矿区遗留废弃地生态修复研究

张 宁， 里欣诺， 马榕悦， 毛伟伟

(1.辽宁生态工程职业学院林学院， 沈阳 110101； 2.辽宁大学环境学院， 沈阳 110036)

矿山废弃地是我国生态修复领域问题多、修复困难的一种主要类型。生态修复在矿山修复中主要包括工程技术与植被修复两个重要组成，其中植被修复是矿山生态修复比较重要的部分，涉及植物学、生物学、环境科学等自然学科，需要多学科的综合研究，植被演替理论及植物学相关理论是矿山废弃地植被修复的重要理论基础。促进矿山退化生态系统的生态功能恢复，进行植被恢复理论和技术研究，维持自然生态环境的稳定和持续发展，恢复矿山废弃地原生植被生态系统，是矿山生态系统研究的重要课题，也是生态修复的终极目标[1]。

抚顺西露天矿位于抚顺市郊，开采已近百年，形成了占地13.2 km2、深度为-480 m的亚洲第一矿坑。调查地点位于西露天矿北帮，东经123°52′34″，北纬41°51′2″，原为西露天矿附属的一个工厂，由于经常发生塌方与滑坡等地质灾害而进行了拆迁，其边坡为采矿形成的台地与边坡，除拆迁产生大量的建筑垃圾与生活垃圾的遗留外，其地质环境复杂，修复有一定的难度。一方面由于开采过程对矿山的破坏，造成地表土地退化；另一方面，建筑垃圾与生活垃圾的堆叠，土壤缺失，植被修复比较困难。如何对该地表现状进行整地与改良，并选择合适的抗性强的优势植物，建植拟自然的植物群落，促进破坏区域的生态系统功能恢复，是本项目研究欲解决的关键问题。

1 辽宁地区矿山修复背景

1.1 矿山修复现状

我国矿山废弃地(人工裸地)的治理起步较晚，1988年我国颁布了《土地复垦法》可以作为我国治理矿山裸地的正式起点。据2004年统计，辽宁省仅采煤沉陷区面积约340 km2，全省182家大矿山累计产生废矿渣42亿m3，占地面积2 200余km2，破坏土地580 km2，然而已修复的面积不到40 km2，复垦率不到6%，矿山修复工作任重而道远。截至目前，矿山修复依然存在修复效率低下、生态修复树种选择不当、修复效果远远达不到预期目标等问题。

1.2 矿山生态修复的主要问题

我国在开展矿山裸地修复工程方面的工作起步较晚，工程技术比较落后，思想观念固化，原先很多修复工程是采用园林景观绿化工程技术完成的。通常采取在裸地上直接覆1.0～1.5 m厚的农田土，修复材料多采用水泥和钢材，植物造景也主要是园林技术方法。出现造成资金大量浪费，人工维护周期长，修复后植被生态功能弱等乱象。目前，矿山修复在我国虽然已有相关方针政策的监督管理，生态修复任务已取得了很大的进展，但在矿山生态修复方面依然存在大兴土木、树种选择不当、植被修复退化严重等问题。因此，修复矿山人工裸地需要研究出真正适合中国特色的生态修复工程技术和方法[2]。

矿山的开采导致原生地表土壤和植被受到彻底破坏，在无人工干扰的自然条件下，通过自然恢复来实现破坏区域的生态恢复是非常漫长的过程。通过筛选及合理配置本地耐贫瘠的先锋植物和适生植物，进行植被重建，加强抚育管理，可以缩短群落的演替进程[3]。

2 研究地概况

2.1 修复前现状

以抚顺西露天矿北帮局部生态修复工程项目的平盘垃圾堆场为研究对象，占地面积6 235 m2，原为工厂拆迁遗留的建筑垃圾、工业废渣和生活垃圾堆积地，厚度2～4 m不等，建筑垃圾有残砖，直径0.1～1.8 m的水泥混凝土块、水泥砖块、砌石块、水泥、砂砾凝结板块、沥青块、石棉瓦等。工业废渣为铁屑凝结块和铁屑等，与各类塑料板块混合厚度为1～2 m。4 m以下是日伪时期的建筑和工地残土，未见原岩层。以上各类垃圾总量1.2万～1.5万m3。该修复平台基础条件差，地表无适合植物着生的土壤基质，如果采取非全面换土，生态修复的难度较高。

2.2 生态修复工程概况

2007年7月对该平盘进行造型整地，整地过程破坏地表的混凝土夹层，并将地表以下1 m深的土壤覆盖于地表建筑残土之上，整理后该平盘上形成四个高3 m左右的起伏丘陵。由于原土壤基质条件恶劣，采取种植坑换土栽植，并在四个人工山丘上面分别种植火炬树林、刺槐林和模拟东北、华北地区建植的针阔混交林(见图1)。

图1 矿山废弃地生态修复工程(2007年)

2.2.1刺槐林

刺槐林，丘陵相对道路高3 m，坡度25°，栽植行间距1 m×1 m，树高1.5 m，胸径3～4 cm的截干的刺槐，栽植坑宽0.6 m，深0.8 m。

2.2.2火炬树林

火炬树林，丘陵相对道路高4 m，坡度25°，栽植行间距1 m×1 m，树高2.0 m，胸径3～4 cm，栽植坑宽0.6 m，深0.8 m。

2.2.3针阔叶混交林

选择杉松冷松、色木槭、红皮云杉、华北树种油松和黄檗等植物种，利用乡土树种仿天然在阳坡建植了油松阔叶混交林，阴坡建植了云杉、冷杉针阔叶混交林。乔木高2.5～3.0 m，胸径3～4 cm，栽植行间距1 m×1 m；灌木高0.8～1.0 m，冠幅1.0～1.5 m，栽植行间距1 m×1 m。

2.2.4生态步行道的建设

在挖坑种植过程中产生的残砖以及地表原有的建筑残砖统一进行收集，并在丘陵下沿铺设步行道使用。在透性步行道的砖石缝间直播辽东结缕草，形成生态步行道。

2.2.5绿色覆盖

在土地整理的过程中从地下挖出多块1 m×1 m×1 m的水泥石块，将其堆积在区域的中心位置作为景观雕塑，经过人工美化处理后，在其周围栽植藤本植物五叶地锦，覆盖石块表面，形成中心景观。

3 生态修复效果

3.1 调查方法

基于生态学的调查方法，在刺槐林、火炬树林及模拟东北、华北地区建植的针阔混交林进行植物群落调查，设置多个面积为5 m×5 m的样地，分别记录样方乔木层的郁闭度、优势种，植物的种名、株(丛)数、高度、盖度，并设置1 m×1 m的样方调查草本层的植物种类、覆盖度等数据。

3.2 调查结果

2021年10月对该地区进行实地调查，具体调查情况如下：

3.2.1刺槐林

刺槐林郁闭度0.95，平均胸径13.1 cm，比2007年增加了274%；平均树高6.3 m，增加了215%。林下出现多株火炬树与榆树幼树，火炬树平均高4.16 m，榆树高1.68 m。林下有迁入乔木黄檗，高7.5 m，长势好。刺槐林已演替成刺槐仍然是优势种的多种乔木的混合林。

3.2.2火炬树林

火炬树林郁闭度0.95，平均胸径8.2 cm，比2007年增加了134%；树高5.3 m，增加了165%。火炬树具有入侵性，萌蘖力强，易发生迁移[4]。火炬树林的火炬树最远迁移距离超过23 m，林下出现大片葎草覆盖，火炬树有风倒木发生，其幼树大量枯死，表现出衰退迹象，林中有侵入树种刺槐、榆树等乔木，长势良好。火炬树纯林已演替成火炬树非绝对优势的多种乔木的混合林。火炬树属于引进种，其在植物群落中具有一定的侵占性，会造成生物多样性降低，其在国内的应用具有一定争议。但火炬树具有耐贫瘠、抗性强等特点，对于生态环境恶劣、土壤贫瘠的地方，火炬树可以作为先锋树种成为生态修复的首选树种。

3.2.3模拟东北、华北地区建植的针阔混交林

森林的郁闭度达到1.0，灌木层与草本层植物稀少。代表植物有冷杉、红皮云杉、五角枫、油松、水曲柳、京桃、榆树、黄檗等乔木，其中冷杉与红皮云杉最初修复时栽植的规格与阔叶树种一致，由于其生长速度较慢，在群落竞争演替中处于劣势，所以长势较弱，而阔叶树生长较好。林下受森林郁闭度影响，草本层植物盖度只有不到10%，已经形成了厚度2 cm的枯枝落叶层。未来经过一段时间的演替，该植物群落的结构还会发生变化，还需要进行长期监测与研究。

3.2.4生态步行道

由于修复后进行了封育管理，原来用残砖铺设的宽1.5 m的人行步道，其表面已经覆盖了厚1.5 cm的枯枝落叶，有的砖缝还着生了高1.5 m的火炬树幼树。针阔混交林旁的人行步道甚至被高2 m，冠幅3 m的连翘灌丛遮蔽，无法通过。可见，封育是植被修复一种非常有效的技术方法。

3.2.5绿色覆盖

中心水泥堆砌景观用五叶地锦进行绿色覆盖后，目前盖度达到50%。随着该景观周边的森林群落郁闭度的增加，五叶地锦的生长出现衰弱迹象。在调查过程中发现火炬树林出现五叶地锦缠绕榆树向上生长，高度可达到8 m，长势较好。可见，五叶地锦的生长有向上趋光性的特点。

4 矿山修复植物群落建植方法

本项目的生态修复工程整个修复过程，其采取的工程技术及植被修复方法具有一定的创新与试验性，具体总结如下：

4.1 因地制宜整地，切忌大兴土木

开采造成山体结构破坏，地裂、塌方、滑坡等地质环境问题，对于矿山裸地应根据其裸地类型特点，采取削坡、修挡土墙等工程技术，首先解决矿山边坡稳定性。切忌对矿山本身地质环境问题未调查分析的前提下，盲目进行大拆大建，可能造成地质环境问题的增加，并大大提高后期的生态修复成本。以本研究为例，在边坡坡度较大但有原生植被固定的边坡，可根据实际情况采取保留植被并进行工程措施进行边坡加固，再进行植被修复，形成目前的几乎完全郁闭的刺槐、火炬树的密林边坡。

4.2 减少生态破坏，穴土栽植

矿山废弃地环境地质问题复杂，往往存在废石块儿大而多，土壤基质较差，土层薄，植被种植困难的问题。为解决此问题，修复过程常常采取外运废石，内输大量农田土，造成污染环境以及破坏农田的双重问题。矿山废弃地应根据实际情况，对无污染的废石在矿山内就地处理，可以模拟自然土壤剖面的结构特点，将大、中、小砾石从下到上进行堆叠，处理形成丘陵山地的地形后再进行适量覆土，既节约了大量成本，还避免了环境污染与破坏的双重问题。以本项目为例，在整地过程中挖出的巨石水泥块，将其集中堆叠并修整美化放置在中心位置作为人造景观，还深化了生态修复主题。

4.3 乡土植物群落建植

矿山裸地地质基础问题突出，植物的选择与配置由于环境限制往往比较单一，结果是修复过程缓慢，修复效果难以达到预期目标。因此，矿山应根据其地质基础情况，调查区域稳定的杂木林植物群落以及顶级植物群落的群落结构及生境特点，因地制宜建植乡土植物群落，可以大大加速其植物群落的演替进程，缩短森林生态系统恢复的时间。以本项目为例，在平盘上建植的模拟东北、华北的针阔混交林郁闭度高，生物多样性丰富，森林生态系统比较稳定，达到了生态修复的预期效果。

4.4 因地选择优势先锋植物

根据修复的植物群落目标选择乡土植物群落进行建植，但需要根据矿山废弃地地质基础实际情况进行合理的方案选择。对于地形复杂，水土流失严重，或者风口等环境影响因素复杂的地方，可选择抗性强的优势先锋植物进行组合种植或建植。以本项目为例，由于采矿造成土层薄，植被生长困难，采取挖小种植坑种植优势抗性植物火炬树幼树的方法，现已长成火炬树密林，恢复了一定的森林生态系统功能。

4.5 藤本植物的栽植与选用

矿山修复总能碰到悬崖、裸岩等生境类型，过去往往采取喷浆种植或拉网种植的方法，短时间能收到“见绿”的效果，但时间不长植物就由于缺水和土壤养分而变黄枯死，修复达不到预期还造成资源浪费。以本项目为例，选择五叶地锦进行软覆盖，对于垃圾覆盖的边坡通过有机覆盖及五叶地锦的软覆盖综合影响，现已形成枯枝落叶层1～2 cm厚的土壤表层，为后续植物群落的演替提供了地质基础。

5 结论与展望

从调查区域植物群落经过十多年的演替与2007年生态修复工程结束时相比较，群落的盖度、结构、物种丰富度及优势种随恢复时间都发生了明显的变化。火炬树林向榆树、刺槐、黄檗等乔木占优势的杂木林方向发展，并且形成乔、灌、草、藤本的复层植物群落结构。刺槐林向刺槐为优势种的相对稳定的杂木林方向发展。模拟东北、华北植物区系而营造的针阔混交林目前演替到油松、冷杉和五角枫等植物种共存且相对稳定的杂木林阶段。

通过对矿区三块调查样地的调查研究及植物群落演替规律的研究发现，一个矿山建筑垃圾堆积的废弃地经过生态修复建设是可以改造成郁闭的森林生态环境，使森林生态系统的结构不断完善，森林生态系统的功能逐渐增强，实现矿山废弃地生态环境的彻底改变。因此，研究矿山废弃地植被群落的演替对于矿区生态修复建设具有重要意义。后期还可在此地进行长期的定位观测与评价，为矿山废弃地生态修复提供一定的理论与实践依据。