關(guān)軍洪, 郝培堯, 董麗, 李雄

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礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

關(guān)軍洪, 郝培堯, 董麗*, 李雄

城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室, 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100083

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)理論與實(shí)踐已成為各國共同研究的熱點(diǎn)。從礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)理論、修復(fù)技術(shù)、修復(fù)生態(tài)效益及修復(fù)質(zhì)量評價(jià)這四個(gè)方面介紹了國內(nèi)外礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的研究進(jìn)展, 并對我國礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)研究工作進(jìn)行展望: (1)在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中, 更應(yīng)關(guān)注近期利益與遠(yuǎn)期利益的最佳結(jié)合; (2)礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)基礎(chǔ)理論尚有待進(jìn)行深入研究, 生態(tài)修復(fù)技術(shù)需要開展多學(xué)科、多領(lǐng)域協(xié)作實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步創(chuàng)新; (3)需要建立較為一致且完善的礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)體系; (4)在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中, 利用風(fēng)景園林學(xué)科的相關(guān)理論方法進(jìn)行景觀營造, 實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地重建和景觀化。

礦山廢棄地; 生態(tài)修復(fù); 理論與技術(shù); 生態(tài)效益; 質(zhì)量評價(jià)

1 前言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用不僅為經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展提供了十分重要的物質(zhì)基礎(chǔ), 同時(shí)也極大地促進(jìn)了工業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。但礦產(chǎn)資源帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí), 在礦山開采過程中也產(chǎn)生了一系列極其嚴(yán)重的環(huán)境問題, 如大面積天然植被遭到毀壞、礦山原有地貌景觀退化、地質(zhì)災(zāi)害加劇、污染物大量擴(kuò)散及生物多樣性急劇下降等等, 進(jìn)而對人類的生產(chǎn)活動造成了嚴(yán)重影響。因此, 如何對礦山廢棄地進(jìn)行生態(tài)修復(fù), 對于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

發(fā)達(dá)國家對礦山廢棄地進(jìn)行修復(fù)已具有悠久的歷史，自20世紀(jì)80年代以來, 我國在礦山廢棄地的治理方面也取得較大進(jìn)展。目前隨著礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)相關(guān)理論和技術(shù)研究工作的迅速發(fā)展, 全社會對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的熱情越來越高, 此外國家對礦山廢棄地生態(tài)工程建設(shè)的投資力度大幅上升, 因此礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的研究工作也備受關(guān)注。

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)作為當(dāng)今生態(tài)恢復(fù)學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容, 其主要目的在生態(tài)系統(tǒng)退化與機(jī)理等相關(guān)理論研究基礎(chǔ)上, 建立相應(yīng)的技術(shù)體系, 指導(dǎo)恢復(fù)因采礦活動所破壞的生態(tài)系統(tǒng), 進(jìn)而服務(wù)于礦山廢棄地土地資源利用和生物多樣性的保育理論與實(shí)踐活動, 從而將受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到接近于礦山開采前的自然狀態(tài), 或重建成符合人類某種有益用途的狀態(tài), 或是恢復(fù)成與其周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的其它狀態(tài)[1], 因此目前國內(nèi)外對于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的研究主要集中在生態(tài)修復(fù)理論、修復(fù)技術(shù)、修復(fù)生態(tài)效益及修復(fù)質(zhì)量評價(jià)等方面。

2 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)理論研究

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)理論都來源于恢復(fù)生態(tài)學(xué)原理及理論, 其相關(guān)理論的研究主要涉及到群落演替理論、限制性因子理論、自我設(shè)計(jì)和人工設(shè)計(jì)理論、生態(tài)適應(yīng)性理論、生態(tài)位理論、植物入侵理論、生物多樣性理論、景觀生態(tài)學(xué)理論等幾個(gè)方面, 其中植被群落演替理論和限制性因子理論的研究相對集中。礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)理論研究還有待在大量的恢復(fù)實(shí)踐中進(jìn)一步完善, 尤其是景觀生態(tài)學(xué)理論的研究與運(yùn)用, 與此同時(shí)要實(shí)現(xiàn)多學(xué)科多領(lǐng)域的共同合作。

2.1 植被演替理論在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

所有生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建都是以植被恢復(fù)為前提, 因此植被演替理論作為礦山廢棄地植被恢復(fù)重建的重要基本理論, 一直以來都是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)問題之一。陳芳清等研究發(fā)現(xiàn)磷礦廢棄地植物群落是通過先鋒植物入侵、定居和競爭形成的, 植物群落的形成和演替過程按照演替序列分為3個(gè)階段, 植物群落中各物種種群數(shù)量和綜合優(yōu)勢度呈現(xiàn)動態(tài)變化[2]。當(dāng)?shù)V山廢棄地自然恢復(fù)植物群落處于演替前期階段, 抗逆性強(qiáng)的禾本科、豆科和菊科草本植物成為先鋒植物, 隨著時(shí)間推移灌木和喬木逐漸出現(xiàn), 植物覆蓋度和物種多樣性逐漸增大, 但草本植物群落的生物多樣性水平明顯高于灌木和喬木植物群落[3–5]。此外, 李子海研究發(fā)現(xiàn)在群落演替過程中適宜的鄉(xiāng)土植物是不斷變化的, 因此在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中以更高群落演替階段植物物種構(gòu)成為參照來選配群落演替初期的物種[6]。同時(shí)礦山廢棄植被群落演替動態(tài)受到環(huán)境因子如土壤速效磷、土壤酶活性、土壤水分等和演替時(shí)間等方面的影響, 其中土壤水分和演替時(shí)間是制約礦山廢棄地植被恢復(fù)過程中物種多樣性變化的重要因素, 同時(shí)種植具有侵略性的外來物種會減緩植被恢復(fù)演替的進(jìn)程, 而建群種補(bǔ)植法能夠促進(jìn)植被恢復(fù)演替的進(jìn)程[2,7–10]。另外, 大量研究都表明礦山廢棄地自然恢復(fù)植被物種多樣性高于人工恢復(fù)植被, 從長遠(yuǎn)來看自然恢復(fù)效果要優(yōu)于人工恢復(fù), 但礦山廢棄地自然恢復(fù)過程十分漫長[3,11–13],因此礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)要考慮長期的潛在價(jià)值和深遠(yuǎn)的修復(fù)目標(biāo), 深入研究礦山廢棄地植被結(jié)構(gòu)特征及其演替方式, 結(jié)合成熟的人工修復(fù)技術(shù), 更好的進(jìn)行礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)。

2.2 限制性因子理論在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

限制性因子理論是生態(tài)學(xué)的核心理論, 所有生物生長恢復(fù)狀況是其所處生境諸多環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果[14], 對于礦山廢棄地而言, 各種環(huán)境因子如場地坡度坡向、廢棄物破碎化程度、土壤條件、光照及水分等都會成為其生態(tài)修復(fù)過程中的限制性因子。孫明迪通過對北京門頭溝龍鳳嶺礦山廢棄地影響植被恢復(fù)的限制因子研究發(fā)現(xiàn), 影響最大的因子首先是土壤有效深度, 其次是土壤有機(jī)質(zhì), 再依次是年降雨量、地表破壞程度和改造難易程度、土壤質(zhì)地、土壤含水量、地面坡度、土壤酸堿度和有害元素含量、灌溉條件[15]。大量研究都表明土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況, 主要包括土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤肥力、土壤酸堿度、土壤鹽溶液離子濃度、毒性重金屬離子濃度及土壤酶等會成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中植物定居和恢復(fù)過程中的重要限制因素[2,9,16]。Martinez-Ruiz通過對西班牙中部地區(qū)鈾礦廢棄地生態(tài)修復(fù)研究發(fā)現(xiàn), 土壤質(zhì)地、場地坡度坡向以及廢棄地破碎化程度是植被恢復(fù)重要限制因素, 北坡和破碎化程度較高的植被演替速度更快[17]。此外郭逍宇等通過對煤礦廢棄物的植被利用生態(tài)位寬度和重疊指數(shù)分析, 結(jié)合TWINSPAN分類和DCA排序研究表明:光照和水分是群落優(yōu)勢種生態(tài)梯度變化的重要限制因子[18]。

3 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)當(dāng)以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ), 根據(jù)相關(guān)恢復(fù)理論, 運(yùn)用生態(tài)修復(fù)的相關(guān)技術(shù)手段, 實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地的重建和土地資源的可持續(xù)利用。目前通過對礦山廢棄地立地條件類型進(jìn)行劃分及適宜性評價(jià), 制定合理的生態(tài)重建目標(biāo)和方案, 結(jié)合礦山邊坡穩(wěn)固和工程綠化技術(shù)、土壤改良技術(shù)、植物物種選配及種植技術(shù)、土壤種子庫技術(shù)等成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的重要技術(shù)手段。

3.1 立地條件類型劃分與評價(jià)

礦山廢棄地表現(xiàn)出景觀破碎化特征即擁有不同的景觀要素和景觀類型, 生態(tài)修復(fù)過程中對其進(jìn)行立地條件類型劃分和適宜性評價(jià), 針對不同類型礦山廢棄地采用不同的生態(tài)重建手段已成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)。何書金等將影響礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的自然、社會和經(jīng)濟(jì)條件總結(jié)為4類14個(gè)亞類, 并劃分為6個(gè)等級, 為礦山廢棄地有效合理利用及修復(fù)的適宜性評價(jià)提供參考[19]。白中科和孫泰森等通過對平朔安太堡煤礦山生態(tài)系統(tǒng)演替階段與類型劃分、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、待恢復(fù)土地適宜性評價(jià)單元類型劃分, 提出土地復(fù)墾和生態(tài)重建方法[20]。另外, 劉國華等對南京幕府山礦山廢棄地的類型進(jìn)行劃分, 并針對礦山廢棄地不同類型基質(zhì)采取相應(yīng)措施同時(shí)提出不同樹種配置模式[21]。魏述艷以坡度、坡向、土層厚度、風(fēng)化程度、恢復(fù)方式等主導(dǎo)因子將北京鐵礦山廢棄地劃分為6個(gè)類型組25個(gè)立地類型, 并針對不同裸地立地類型, 按照近自然的原則進(jìn)行綜合規(guī)劃, 提出合理的生態(tài)修復(fù)措施的建議[22]。因此對礦山廢棄地進(jìn)行科學(xué)合理的立地條件類型劃分和適宜性評價(jià)是礦山廢棄地生態(tài)重建第一步也是最為關(guān)鍵的一步。與此同時(shí), 隨著生態(tài)修復(fù)理論研究與實(shí)踐的不斷深入, 各學(xué)科各領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)步, 礦山廢棄地立地類型劃分標(biāo)準(zhǔn)和適宜性評價(jià)體系也應(yīng)不斷發(fā)展和完善。

3.2 邊坡固定及工程綠化技術(shù)

國外發(fā)達(dá)國家較早的將工程手段用于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù), 開發(fā)了多種邊坡穩(wěn)固和工程綠化技術(shù)措施, 包括種子噴播法、纖維綠化法、鋼筋水泥框格法、植生卷鋪蓋法、客土噴播法、植生吹附工法、生態(tài)多孔混凝土綠化法、客土袋液壓噴薄植草法、掛雙向格柵技術(shù)、生態(tài)植被帶生物防護(hù)、掛網(wǎng)植生基材噴附技術(shù)、生態(tài)灌漿、六棱連鎖磚網(wǎng)格植草護(hù)坡等等[23–25]。近些年來國內(nèi)也開發(fā)了一系列恢復(fù)技術(shù), 其中廣泛應(yīng)用的有: 厚層基材噴射綠化法、生態(tài)植被毯鋪植、植被混凝土技術(shù)、PMS基材噴附技術(shù)、VRT礦山植被恢復(fù)技術(shù)組合創(chuàng)新等[26]。由于各礦山廢棄地立地條件的差異, 因此生態(tài)修復(fù)過程所采取的工程技術(shù)措施也不盡相同, 沈烈風(fēng)[27]根據(jù)礦山廢棄地場地不同坡度將生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)分為3類: 小于40°坡面采取噴混植生技術(shù)、土壤生物工程技術(shù)、柔性邊坡技術(shù)、掛綠化籠磚; 40°-75°坡面采用植生槽、階梯爆破技術(shù)、厚層噴射法、爆破燕窩復(fù)綠法、噴薄、筑臺拉網(wǎng)法; 大于75°坡面則采用造景等方法。

3.3 土壤改良技術(shù)

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)最基本的組成成分, 對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)起著決定性作用, 改良土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)重要目標(biāo)[28], 目前土壤改良的主要技術(shù)方法有物理改良法、化學(xué)改良法和生物改良法。

物理改良主要采用排土、換土、客土混合機(jī)深耕翻土等方法, 根據(jù)礦山廢棄地不同的實(shí)際需要選擇不同方法。礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中往往采取排土后混合客土來改良土壤, 采礦前將土壤分層取走保存, 工程結(jié)束后對廢棄地進(jìn)行修復(fù)時(shí)將原土運(yùn)回加以利用, 這種方法已成為許多國家當(dāng)前保護(hù)礦山環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)程序[29–30]。此外, 礦山廢棄地土壤通常較為緊實(shí), 因此在采取土壤化學(xué)改良和生物改良之前通過深耕翻土改良土壤緊實(shí)度和土壤結(jié)構(gòu); 對于土層過薄或污染嚴(yán)重的礦山廢棄地, 客土法成為必要的改良方法, 同時(shí)采用化學(xué)泥漿、噴射泥漿、振動束泥漿強(qiáng)、薄膜墻、平板墻等方法隔離和去除礦山廢棄地土壤中易于分解擴(kuò)散的污染物[30]。近年來, 有些國家采用電滲析法來修復(fù)礦山廢棄地土壤中的重金屬, 通過電滲析法對土壤中的重金屬進(jìn)行集中收集處理, 這種方法簡單, 但受到土壤復(fù)雜性影響, 難以廣泛應(yīng)用[29]。

化學(xué)改良過程中通常向土壤中加入材料或試劑來改良土壤的理化性質(zhì), 大量實(shí)踐表明在礦山廢棄地土壤中加入堆肥、糞肥、木屑、綠色垃圾或無毒有機(jī)污泥等, 能夠有效提高土壤養(yǎng)分, 研究發(fā)現(xiàn)木屑可以顯著提高非禾本科草本、灌木和喬木的存活率; 城市污泥也被廣泛應(yīng)用于礦山廢棄地基質(zhì)改良, 其中含有豐富的營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì), 同時(shí)具有較強(qiáng)的粘性和持水性, 對于提高土壤微生物活性和增加土壤肥力有較好效果[31–36]。對于礦山廢棄地的酸堿化傾向, 石灰或碳酸鈣能有效改良過酸廢棄地, 硫酸鐵、硫磺等酸性物質(zhì)能有效改良過堿性廢棄地[42–43]; 對于礦山廢棄地土壤中的重金屬污染, 實(shí)踐表明部分化學(xué)試劑如磷酸鹽、鈣離子、EDTA等可以有效降低重金屬毒性, 減輕對土壤的污染[37–39]。

生物改良是通過利用植物、土壤動物和微生物的生命活動及其代謝產(chǎn)物來改良土壤的理化性質(zhì)和土壤營養(yǎng)狀況。相關(guān)研究表明, 豆科植物能夠生長于土壤污染嚴(yán)重的礦山廢棄地中, 使礦山廢棄地中氮含量顯著提高, 同時(shí)楊梅、沙棘等都具有較強(qiáng)固氮能力[30]。近年來利用植物來提取和降低礦山廢棄地土壤中的重金屬為土壤改良提供了新途徑, 大量實(shí)踐表明Pb、Cd、Cr、Mn、As、Zn、Cu、Hg等重金屬的超富集植物30多種, 其中鴨跖草可以大量富集Cu, 蜈蚣草可以大量富集As, 東南景天、鬼針草和酸模可以大量富集鉛, 商陸可以大量富集Mn, 此外通過現(xiàn)代生物技術(shù), 克隆耐重金屬污染的基因, 從而用于改良和培育礦山廢棄地重金屬富集的植物種類[40–42]。土壤動物對于改良土壤結(jié)構(gòu), 增加土壤孔隙度及增強(qiáng)土壤肥力都發(fā)揮著重要作用, Boyer S等人研究發(fā)現(xiàn), 通過灌水、電擊等方法將蚯蚓引入礦山廢棄地, 蚯蚓的活動可以增加土壤孔隙度, 有效改良土壤的物理結(jié)構(gòu), 同時(shí)蚯蚓還可以起到富集重金屬的作用[43]。微生物能夠有效促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收、改良土壤結(jié)構(gòu)、減弱重金屬毒性等, 目前大量礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)已將微生物肥料用于土壤的改良, 研究表明根瘤菌與豆科植物共生可將大氣氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮素固定到土壤, 利于土壤中氮元素積累, 土壤接種菌根利于植物對P、Mo元素吸收, 降低土壤中Mo污染[41–45]。

3.4 植物物種選擇、配置及種植技術(shù)

礦山廢棄地植被恢復(fù)是礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和重建的基礎(chǔ), 因此植物物種選配和種植技術(shù)的探索一直是礦山廢棄地植被恢復(fù)的研究熱點(diǎn)。目前, 針對不同類型礦山廢棄地適宜物種的選擇已有大量研究, 其中豆科、菊科、禾本科植物是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的先鋒物種, 具有很強(qiáng)的適應(yīng)性, 對改善土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況效果明顯, 尤其是具有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物, 是理想的先鋒物種[46–49]; 水蠟燭、假儉草等草本植物對銅礦廢棄地具有優(yōu)良適應(yīng)性[50]; 禾本科和茄科對鉛鋅礦山廢棄地具有較好的適應(yīng)性[45]。Burton等、張光燦等、安俊珍都對礦山廢棄地植被恢復(fù)過程中適宜植物群落組成以及合理種植密度進(jìn)行了研究[13,51–52]; 趙方瑩對北京首云鐵礦礦山廢棄地植被恢復(fù)物種配置方式進(jìn)行研究表明擬自然的配置方式, 實(shí)行喬灌草復(fù)層混交, 可以有效提高植被覆蓋率、土壤肥力以及恢復(fù)植被生物多樣性[53]。另外, 對于土壤水分相對缺乏的礦山廢棄地, 可采用容器苗造林技術(shù)、保水劑技術(shù)、ABT生根粉技術(shù)、保水劑技術(shù)等各類抗旱栽植技術(shù)[30]; 生物技術(shù)大量被應(yīng)用于促進(jìn)礦山廢棄地植被恢復(fù)植被成活技術(shù)中, 實(shí)踐證明AM菌根能夠促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收提高植物抗逆性, 在礦山廢棄地酸性土壤中植入根瘤菌和種植鄉(xiāng)土豆科植物可以使得恢復(fù)植被的成活率顯著提[54–55]。

3.5 土壤種子庫技術(shù)

土壤種子庫與植被群落的發(fā)生、更新、物種多樣性和組成有著極為密切的聯(lián)系, 在國外土壤種子庫已經(jīng)被應(yīng)用于礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中, 很多國家在進(jìn)行礦山開采前, 將原有的表土保留下來, 在開采結(jié)束后對廢棄地進(jìn)行修復(fù)時(shí)利用原有的地形進(jìn)行整地并將表土歸位并適當(dāng)客土, 實(shí)踐表明利用土壤種子庫進(jìn)行修復(fù), 利于恢復(fù)植被向原有植被方向演替, 有較好的恢復(fù)效果; 國內(nèi)對于土壤種子庫在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)方面已有一定理論基礎(chǔ), 土壤種子庫的自我更新能力和地上部群落的相似性以及土壤種子庫的種類、數(shù)量、密度及分布空間, 各種植物的組成型, 都成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的研究熱點(diǎn)[56], 因此將土壤種子庫技術(shù)應(yīng)用于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中將會成為一個(gè)嶄新的課題和研究方向。

4 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益研究

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)解決礦山廢棄地產(chǎn)生的一系列生態(tài)環(huán)境問題就是其生態(tài)效益的展現(xiàn), 目前對于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)生態(tài)效益的研究已越來越多, 主要集中在土壤理化性質(zhì)改良、生物多樣性提高和生物量積累、水土保持和水源涵養(yǎng)能力提高、景觀格局改善等方面, 研究過程中通常采用時(shí)間序列對比和系統(tǒng)間對比的方法, 將礦山廢棄地不同恢復(fù)階段狀態(tài)進(jìn)行對比以及修復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)與未破壞的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行對比, 從而進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的效益評價(jià)[57]。

4.1 植物物種多樣性及生物量變化

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中, 先鋒物種的生長發(fā)育改變了群落的生態(tài)環(huán)境, 為其它物種的自然入侵、定居及種群擴(kuò)大創(chuàng)造良好的條件, 從而提高生物多樣性, 同時(shí)系統(tǒng)生產(chǎn)力也隨著植被生物量的不斷積累和惡劣生境逐漸被改善而不斷提高。目前礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中植物物種多樣性變化方面已有大量的研究, 主要運(yùn)用空間代替時(shí)間的方法針對不同恢復(fù)年限以及采用不同生態(tài)修復(fù)措施的恢復(fù)植物群落整體層次性和物種組成指數(shù)等多樣性特征進(jìn)行對比分析, 對于植被演替理論的發(fā)展起到重要促進(jìn)作用, 同時(shí)也為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中修復(fù)措施的選擇提供參考和借鑒; 系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力變化方面也有少量研究, 閆德明研究表明合理有效的恢復(fù)措施能夠快速實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù), 生物多樣性、生物量和植被生產(chǎn)力可以迅速恢復(fù)至未擾動的植物水平[58]。

4.2 土壤改良效益

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)土壤改良效益研究主要集中在宏觀和微觀兩個(gè)層面, 宏觀上主要研究時(shí)間、空間的變化對礦山廢棄地土壤質(zhì)量的影響, 微觀上主要研究土壤微生物生物量和酶活性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系進(jìn)而探討修復(fù)的效益[59]。相關(guān)研究表明隨著礦山廢棄地恢復(fù)年限的增加, 土壤化學(xué)性質(zhì)均呈逐年增加趨勢, 土壤理化形狀逐年改善, 土壤生產(chǎn)力逐年提高[60–61]; 王江等、趙芳瑩、石麗麗等對礦山廢棄地植被恢復(fù)與土壤理化性狀進(jìn)行相關(guān)性研究分析, 研究發(fā)現(xiàn)有植被恢復(fù)的廢棄地土壤性狀明顯好于恢復(fù)裸地, 并且隨植被恢復(fù)年齡增加呈現(xiàn)一直提高趨勢[9,62–63]。目前礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)土壤改良效益研究主要集中于宏觀層面, 而微觀層面的研究相對較少。

4.3 水土保持效益

礦山廢棄地植被恢復(fù)對減緩地表徑流、減少風(fēng)蝕粉塵污染及保持水土涵養(yǎng)水源發(fā)揮著重要效益, 同時(shí)植物的有機(jī)殘?bào)w和根系功能顯著改善下墊面物質(zhì)和能量循環(huán)[64–65]; 陳思思通過土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)觀測, 用土壤侵蝕模數(shù)來反映水土保持效益的方法, 對昆明磷礦廢棄地生態(tài)修復(fù)后保水保土能力進(jìn)行了研究[59]; 大量研究都表明礦山廢棄地土壤持水和保水功能隨著恢復(fù)時(shí)間增加顯著增強(qiáng), 同時(shí)灌木的蓄水效益和減蝕效益遠(yuǎn)大于草本植物[51,66–68]。

4.4 景觀生態(tài)效益

景觀生態(tài)學(xué)已越來越多的被應(yīng)用于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中, 其中包括利用景觀生態(tài)學(xué)原理對礦山生態(tài)修復(fù)后景觀改良的生態(tài)效益進(jìn)行評價(jià)研究, 主要從景觀結(jié)構(gòu)和景觀功能兩個(gè)方面進(jìn)行量化評估[69]。大多學(xué)者對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)景觀生態(tài)效益的研究以景觀生態(tài)學(xué)位基礎(chǔ), 利用遙感圖像或是基于3S技術(shù)選用不同時(shí)段的數(shù)據(jù), 對礦山廢棄地土地類型進(jìn)行分類, 再選取適當(dāng)景觀格局指數(shù)對不同時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析, 從而得出礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的景觀生態(tài)效益, 相關(guān)研究表明礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)后景觀優(yōu)勢度和分離度顯著降低[70–72]。

5 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)

隨著礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)相關(guān)理論和技術(shù)不斷完善, 各國對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的投資力度不斷提升, 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量如何, 是否達(dá)到生態(tài)重建的目標(biāo), 備受國內(nèi)外各界關(guān)注。

國外學(xué)者針對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量已陸續(xù)提出一些評價(jià)的指標(biāo)體系和方法, 多角度來衡量生態(tài)修復(fù)質(zhì)量。國際生態(tài)協(xié)會從生態(tài)恢復(fù)的結(jié)構(gòu)與功能自我維持、生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力及與相鄰生態(tài)系統(tǒng)的有物質(zhì)能量的交流三個(gè)方面提出了評價(jià)生態(tài)恢復(fù)質(zhì)量的9個(gè)特征指標(biāo)[73]。Bradshaw從可持續(xù)性、與自然群落一樣能抵御入侵、生產(chǎn)力與自然群落一樣高、具有營養(yǎng)保持力及生物間產(chǎn)生相互作用五個(gè)方面提出了生態(tài)修復(fù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Krabbenhoft等提出了地形土壤單元評價(jià)方法, 對比分析修復(fù)的礦山廢棄地和附近區(qū)域參照地土壤因子和植被因子的差異, 從而對生態(tài)修復(fù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)[74]。國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)在理論上應(yīng)多借鑒生態(tài)安全評價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)健康診斷與生態(tài)服務(wù)功能評價(jià)等其他學(xué)科的研究方法, 在實(shí)踐中主要運(yùn)用生態(tài)服務(wù)價(jià)值理論、效益評價(jià)方法進(jìn)行評價(jià)。束文圣等提出植被動態(tài)、生境復(fù)雜性及植被動態(tài)3個(gè)方面的生態(tài)功能分析方法可以對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)[75]。李江峰對北京鐵礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)過程中, 通過對恢復(fù)植被進(jìn)行多樣性分析、對生態(tài)修復(fù)措施及效果進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)以及生態(tài)修復(fù)實(shí)施后的景觀效果評價(jià)等方面綜合判斷生態(tài)修復(fù)質(zhì)量[76]。

生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)性和復(fù)雜性使得礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)變得復(fù)雜, 各國學(xué)者也相繼提出了一系列不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評價(jià)方法和評價(jià)體系, 但缺乏可操作性和系統(tǒng)性, 尚未建立統(tǒng)一的評價(jià)體系, 因此礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)也將會是未來一個(gè)重要的研究方向。

6 結(jié)論與展望

目前, 我國礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的突出問題在于修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能不夠穩(wěn)定, 同時(shí)對礦山廢棄地缺乏長期和系統(tǒng)的定位觀測及適宜性評價(jià), 制定的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)缺乏科學(xué)性和合理性, 沒有因地制宜而是直接引入其他礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)措施, 實(shí)際礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)操作中, 常以園藝方法來取代生態(tài)系統(tǒng)或景觀的方法, 忽視重建生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的整體修復(fù)。

礦山修復(fù)的基礎(chǔ)理論研究有待深入, 我國對于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中, 很少對礦山開采前各種立地條件、植被類型等基礎(chǔ)進(jìn)行全面收集, 對于采礦干擾所造成的土壤變化等也無相應(yīng)的記錄。目前礦山廢棄地修復(fù)過程中植被種植與恢復(fù)、土壤性質(zhì)與養(yǎng)分分析及恢復(fù)前后生態(tài)系統(tǒng)某些結(jié)構(gòu)與功能的比較分析已有了大量的研究, 動物和微生物作為礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 應(yīng)加強(qiáng)動物、微生物恢復(fù)特征及其植物相關(guān)性研究, 同時(shí)對于綜合系統(tǒng)的研究如礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)與多種環(huán)境資源因子的綜合效應(yīng)研究、生態(tài)修復(fù)與環(huán)境生態(tài)改善的研究等還有待深入。開展多學(xué)科、多領(lǐng)域的共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)創(chuàng)新, 隨著3S技術(shù)、重金屬超積累植物修復(fù)技術(shù)、清潔采礦工藝等技術(shù)的日益成熟, 生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中應(yīng)加快引進(jìn)并予以創(chuàng)新應(yīng)用, 提高修復(fù)的效率。

礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)質(zhì)量評價(jià)體系有待完善, 應(yīng)根據(jù)礦山廢棄地恢復(fù)過程中的實(shí)際情況并結(jié)合相關(guān)學(xué)科新的研究進(jìn)展, 建立全面、科學(xué)、合理、實(shí)用、有效的礦山生態(tài)恢復(fù)質(zhì)量評價(jià)體系, 對生態(tài)修復(fù)工作進(jìn)行效果評價(jià), 及時(shí)調(diào)整生態(tài)修復(fù)措施, 從而促進(jìn)生態(tài)修復(fù)的進(jìn)一步進(jìn)行。

礦山廢棄地通過采取生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其重建和復(fù)墾的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)在人口快速增長、土地資源稀缺的今天是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 因此對于礦山廢棄地的再生模式也應(yīng)從城市化進(jìn)程、社會需求、景觀生態(tài)等角度出發(fā), 提出土地資源優(yōu)化配置的新思路。目前已有部分礦山廢棄地通過景觀生態(tài)設(shè)計(jì)的手段改造建成礦山公園, 從而實(shí)現(xiàn)礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)和景觀化, 但這個(gè)過程依然存在著諸多問題, 對于礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)與景觀營造相結(jié)合研究相對缺乏, 因此這也將成為風(fēng)景園林學(xué)科未來研究和發(fā)展的重要課題。

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)是一個(gè)長期的過程, 實(shí)現(xiàn)近期利益與遠(yuǎn)期利益的最佳結(jié)合已然成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程重要的內(nèi)容, 同時(shí)隨著時(shí)代的進(jìn)步礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的內(nèi)涵在不斷發(fā)展和完善, 不同國家由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度不同, 礦山生態(tài)修復(fù)的目的有所不同, 也被賦予了不同的含義, 但是都趨向于更為綜合的生態(tài)問題。

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Review on ecological restorationof mine wasteland

GUAN Junhong,HAO Peiyao, DONG Li*, LI Xiong

Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment in Beijing, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

With the development of social economy, theory and practice for ecological restoration of mine wasteland have drawn attention among the researches all over the world. This paper mainly introduces the research progress about ecological restoration of mine wasteland in four aspects as follows: theory of restoration; technology of restoration; ecological benefits of restoration and evaluation of restoration quality.The prospects of research in this field in china aretherefore proposed as: (1) The optimal combination of short-term and long-term benefits for ecological restoration of mine wasteland should be more concerned; (2) The basic theory for ecological restoration of abandoned mine is still to be studied in depth, and multidisciplinary cooperation should be promoted to achieve further innovation in ecological restoration technology; (3) Consistent and comprehensive quality evaluation system for the ecological restoration of abandoned mine is needed to be established; (4) Theories relevant to landscape architecture should be applied to reconstruct and landscapemine wasteland in the process of ecological restoration.

mine wasteland; ecological restoration; theory and technology; ecological benefits; quality evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.028

X171.4

A

1008-8873(2017)02-193-08

2016-07-03;

2016-12-03

本研究受“北京市共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助”

關(guān)軍洪(1993—), 男, 湖北人, 碩士研究生, 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院園林植物與觀賞園藝專業(yè), E-mail: guanjunhong2011@163.com

董麗, 女, 山西人, 博士, 教授, 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)教研室, E-mail: dongli@bjfu.edu.cn

關(guān)軍洪, 郝培堯, 董麗, 等. 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(2): 193-200.

GUAN Junhong, HAO Peiyao, DONG Li, et al. Review on ecological restoration of mine wasteland[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 193-200.