閻仲康，曹銀貴，2*，李志濤，劉孝陽

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；3.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100012）

由于化石能源不合理開發(fā)利用和土地利用變化等原因引起的氣候變化是當(dāng)前全世界面臨的重大挑戰(zhàn)[1?2]。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，2020 年我國提出二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]?！笆奈濉睍r(shí)期，我國的生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的新階段。

據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》數(shù)據(jù)顯示，我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國、消費(fèi)國。據(jù)2020 年國家統(tǒng)計(jì)局初步核算，我國煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.8%。煤炭使用過程中排放的CO2占我國人為CO2排放量的72%，占全球CO2排放量的19%[4]。我國采礦過程占用損毀土地約3.6×105km2，占礦區(qū)面積的一半以上[5]。采礦活動(dòng)會(huì)大量損毀土地、破壞地表植被，導(dǎo)致礦區(qū)碳固存能力下降甚至是喪失。礦山生態(tài)修復(fù)既是恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)的必由之路，又是增強(qiáng)礦區(qū)碳匯能力的重要手段。

由于我國中東部地區(qū)能源的不斷消耗，內(nèi)蒙古的供能作用日益凸顯，成為支撐我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)長遠(yuǎn)發(fā)展的國家能源戰(zhàn)略基地[6]。內(nèi)蒙古東部草原區(qū)（以下簡稱“蒙東草原區(qū)”）煤電基地位于我國內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，地處“兩屏三帶”中北方防沙帶的東部，在“三北”地區(qū)乃至全國的防風(fēng)固沙和減碳增匯工作中作出重要貢獻(xiàn)[7]。該區(qū)域匯集了我國呼盟、錫盟煤電基地和蒙東煤炭基地，年產(chǎn)能超4×108t，約占東北區(qū)產(chǎn)能的57%[8]。其中，蒙東草原區(qū)的西部錫林浩特北郊分布有勝利煤礦，中部有白音華和霍林河礦區(qū)，北部呼倫貝爾市周邊有伊敏、扎賚諾爾、大雁、寶日希勒礦等。

蒙東草原區(qū)屬半干旱、酷寒氣候，表土厚度僅30 cm，年降水量低于400 mm，同時(shí)礦產(chǎn)資源開采和城市化擴(kuò)張引發(fā)土地沙化、植被破壞、水土流失、地下水位下降等一系列生態(tài)問題[9]。這不但嚴(yán)重制約了蒙東草原區(qū)能源保障和生態(tài)屏障作用的發(fā)揮，還帶來大量碳排放，不利于我國如期完成碳中和目標(biāo)，如何通過生態(tài)修復(fù)使地貌景觀恢復(fù)甚至優(yōu)于原地貌，是蒙東草原區(qū)乃至全國生態(tài)文明建設(shè)的重大工程技術(shù)難題。

目前國內(nèi)外對(duì)于城市、海洋、河湖、草原、礦山等領(lǐng)域的理論內(nèi)涵、修復(fù)技術(shù)、效果評(píng)價(jià)等方面的研究進(jìn)展已有較為全面的梳理[10?15]，但結(jié)合碳中和目標(biāo)，系統(tǒng)歸納蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)相關(guān)問題的研究仍相對(duì)欠缺。本研究試圖在碳中和背景下，梳理國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)研究歷程，總結(jié)蒙東草原區(qū)已有研究，從生態(tài)本底問題出發(fā)歸納關(guān)鍵技術(shù)，分析碳中和背景下蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的路徑與模式，以期為今后蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)理論研究與實(shí)踐提供參考借鑒。

1 礦山生態(tài)修復(fù)概述

1.1 礦山生態(tài)修復(fù)研究歷程

在中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫中，通過關(guān)鍵詞“礦山生態(tài)修復(fù)”進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)中文總庫中共有1 864條檢索結(jié)果。如圖1 所示，21 世紀(jì)初，國內(nèi)研究者開始關(guān)注該領(lǐng)域。2012 年，生態(tài)文明建設(shè)開始提升到前所未有的高度，礦山生態(tài)修復(fù)方面的研究穩(wěn)步增長。2017 年5 月，國土資源部等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)綠色礦山的實(shí)施意見》，礦山生態(tài)修復(fù)方面的研究也隨之持續(xù)高速增長，觀察近5 年的發(fā)展趨勢，得出結(jié)論：未來礦山生態(tài)修復(fù)方面的研究將會(huì)越來越受到重視，學(xué)者們對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的研究熱情會(huì)持續(xù)提高。

圖1 國內(nèi)礦山生態(tài)修復(fù)文獻(xiàn)數(shù)量Figure 1 Quantity of literature on mine ecological restoration in China

為進(jìn)一步探究國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢，本研究以CNKI和Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫為研究載體，中文以礦山（區(qū)）生態(tài)修復(fù)、礦山（區(qū)）土地復(fù)墾、礦山（區(qū)）治理為關(guān)鍵詞，英文以ecological restoration of mines（areas），mine（area）land reclamation，mine（area）control 為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，篩選研究起始年份至今的期刊文獻(xiàn)，人工排除無關(guān)主題或無作者的文獻(xiàn)后，中文檢索出1 343篇文獻(xiàn)，英文檢索出1 068 篇文獻(xiàn)。運(yùn)用CiteSpace 軟件對(duì)檢索出的全部文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析，得到國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜（圖2、圖3），并在此基礎(chǔ)上對(duì)國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)的發(fā)展階段進(jìn)行對(duì)比（圖4）。時(shí)間線圖中右側(cè)標(biāo)簽代表聚類主題，橫軸代表各主題時(shí)間線，圓圈定位年份代表關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的年份，圓圈越大說明關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高，連線代表該關(guān)鍵詞在后續(xù)年份與其他關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系。

圖2 國內(nèi)礦山生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜Figure 2 Keywords time line map of mine ecological restoration in China

圖3 國際礦山生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜Figure 3 International mine ecological restoration keywords timeline map

圖4 國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)發(fā)展階段對(duì)比Figure 4 Comparison of development stages of mine ecological restoration at home and abroad

如圖2 和圖4 所示，國內(nèi)礦山生態(tài)修復(fù)的發(fā)展可劃分為3 個(gè)階段：第一階段（1986—2004 年）為起步期，主要關(guān)鍵詞為土地復(fù)墾、采空區(qū)、綜合治理、煤礦等，這一時(shí)期確定了本領(lǐng)域最早的專用術(shù)語——土地復(fù)墾，更多關(guān)注的是采空區(qū)、塌陷區(qū)的治理。1995 年國家環(huán)保局組織“礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞與恢復(fù)重建調(diào)查研究”，使礦山生態(tài)恢復(fù)成為研究熱點(diǎn)；第二階段（2004—2014 年）為穩(wěn)步發(fā)展期，主要關(guān)鍵詞有生態(tài)修復(fù)、廢棄礦山、地質(zhì)災(zāi)害、恢復(fù)治理等，2004 年“生態(tài)修復(fù)”首次出現(xiàn)，并取代土地復(fù)墾，成為出現(xiàn)頻次最多、與其他主題聯(lián)系最密切的節(jié)點(diǎn)，受到最廣泛關(guān)注。本時(shí)期是礦山生態(tài)修復(fù)內(nèi)涵逐步發(fā)展、完善的階段；第三階段（2014—2022 年）為高速發(fā)展期，主要關(guān)鍵詞有綠色礦山、遙感、無人機(jī)、傾斜攝影、碳中和等。這一時(shí)期礦山生態(tài)修復(fù)的研究主題更加多元化，學(xué)者們開始將新興技術(shù)用于礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域。由2022年關(guān)鍵詞可知，“碳中和”初次出現(xiàn)在礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，并成為同年出現(xiàn)頻次最高的新關(guān)鍵詞，隨著碳達(dá)峰、碳中和概念深入人心，該熱點(diǎn)可能會(huì)受到持續(xù)關(guān)注。

如圖3 和圖4 所示，國際礦山生態(tài)修復(fù)的發(fā)展可劃分為3 個(gè)階段：第一階段（1991—2000 年）為起步期，主要關(guān)鍵詞為land reclamation，community，soil，heavy metal 等，這一時(shí)期土地復(fù)墾、修復(fù)、群落、生態(tài)系統(tǒng)等重要概念大量出現(xiàn)，主要開展土壤重金屬修復(fù)、土地復(fù)墾、植被群落恢復(fù)等方面的研究；第二階段（2000—2009 年）為穩(wěn)步發(fā)展期，主要關(guān)鍵詞有biodi?versity，land use，forest，dynamics 等，2000 年ecological restoration 首次出現(xiàn)，同樣成為國際礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域出現(xiàn)頻次最多的節(jié)點(diǎn)。本時(shí)期研究的深度、廣度持續(xù)增加，由前一階段的土壤、植被、群落拓展到尾礦庫、森林、土地利用、生物多樣性方面；第三階段（2009—2022 年）為高速發(fā)展期，主要關(guān)鍵詞有ecosystem ser?vice，microbial community，landscape 等。這一時(shí)期的研究視角由單一要素發(fā)展到景觀和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等，研究尺度也加入了微觀的微生物群落。關(guān)鍵詞Google earth engine，Loess Plateau 和China的出現(xiàn)說明國際學(xué)者們將新技術(shù)引入礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，我國礦山生態(tài)修復(fù)的研究在國際上開始占有一席之地。

1.2 內(nèi)蒙古東部草原區(qū)研究概況

在梳理總結(jié)近20年60余篇以往文獻(xiàn)對(duì)蒙東草原區(qū)的研究后發(fā)現(xiàn)：①從礦區(qū)層面：目前關(guān)于寶日希勒、勝利、白音華、伊敏等礦區(qū)的研究數(shù)據(jù)較為翔實(shí)，對(duì)于霍林河、大雁、扎賚諾爾等礦區(qū)的研究相對(duì)較少。②要素層面：對(duì)于各礦區(qū)的研究多集中在土壤理化性質(zhì)的空間異質(zhì)性分析、植物群落的物種組成及其空間分布特征、景觀生態(tài)格局演變與評(píng)價(jià)模型的構(gòu)造、生態(tài)敏感區(qū)與生態(tài)安全等級(jí)的劃定等，地貌重塑和水資源保護(hù)方面的研究相對(duì)欠缺。③程序?qū)用妫憾嗍情_采后的調(diào)查、評(píng)價(jià)研究，對(duì)于開采前的規(guī)劃、監(jiān)測研究較少。④理論與實(shí)踐結(jié)合層面：從限制性因子理論出發(fā)，當(dāng)前研究集中于如何修復(fù)限制性作用最大的土壤和植被因子；在生態(tài)位理論指導(dǎo)下，學(xué)者對(duì)于礦區(qū)的優(yōu)勢種、常見種、最佳配置模式展開研究；從群落演替理論出發(fā)，蒙東草原區(qū)循序漸進(jìn)地開展修復(fù)工作；將基于自然的設(shè)計(jì)理念引入蒙東草原區(qū)，開展近自然地貌重塑、仿自然植被布設(shè)等研究。蒙東草原區(qū)主要研究成果和進(jìn)展如表1所示。

表1 蒙東草原區(qū)主要研究匯總Table 1 Summary table of main studies in the steppe area of eastern Mongolia

綜上所述，前人對(duì)蒙東草原區(qū)的研究已頗具規(guī)模，但目前蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域存在哪些先進(jìn)技術(shù)還鮮有人歸納總結(jié)。

2 內(nèi)蒙古東部草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)

蒙東草原區(qū)大型露天礦占開采規(guī)模的90%以上，且露天開采比井工開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響更大。因此在研究技術(shù)之前，首先分析了蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)面臨的主要難點(diǎn)，從而以問題為導(dǎo)向，探討解決問題的關(guān)鍵技術(shù)。

蒙東草原區(qū)大型煤電基地的露天開采模式加上采剝工程與修復(fù)工程脫節(jié)，使得該地土壤極易發(fā)生退化，生態(tài)系統(tǒng)遭到極度破壞，亟需開展源頭減損、過程控制、采后治理的生態(tài)減損型采?排?復(fù)一體化工藝研究[30]。

蒙東草原區(qū)煤電基地的采?排?復(fù)過程形成的傳統(tǒng)“梯田式”內(nèi)排土場占地面積大、景觀破碎[31]，利用傳統(tǒng)方法重塑的地貌在整體上未與周邊自然地貌相融合，易引發(fā)表土水蝕、土地退化等問題。因此，基于師法自然（Nature?based Solutions，NbS）設(shè)計(jì)理念，研究近自然地貌重塑技術(shù)十分必要。

蒙東草原區(qū)由于表土稀缺，排土場存在大片裸露地帶，嚴(yán)重制約礦區(qū)的土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)。粉煤灰是火力發(fā)電廠的主要固體廢物，排放量巨大，對(duì)環(huán)境造成污染。如何解決表土稀缺問題及合理消納固廢，對(duì)于生態(tài)修復(fù)與環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。

蒙東草原區(qū)露天礦排土場的覆土方式穩(wěn)定性差、透水持水能力不足、養(yǎng)分含量低，不利于植被生長。植被的生長和演替與生態(tài)穩(wěn)定性和景觀功能密切相關(guān)，且植被可以通過吸收大氣中的CO2增加礦區(qū)碳匯。因此，研究植被恢復(fù)技術(shù)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)很有必要。

本文針對(duì)蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)面臨的難點(diǎn)問題，從采?排?復(fù)一體化、近自然地貌重塑、土壤構(gòu)建與改良、植被恢復(fù)4個(gè)方面總結(jié)蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)及初步成果，以期為后續(xù)蒙東草原區(qū)或其他相似地區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)研究提供參考（圖5）。

圖5 內(nèi)蒙古東部草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)邏輯及其與碳中和的聯(lián)系Figure 5 Logic of mine ecological restoration technology and its relationship with carbon neutrality in the eastern grassland area of Inner Mongolia

2.1 采?排?復(fù)一體化技術(shù)

露天礦的開采實(shí)質(zhì)上是將巖土破碎成的松散土石混合體進(jìn)行采?排?復(fù)，在水、溫、堆載等綜合作用下，對(duì)松散土石混合體進(jìn)行重塑的過程。

尚濤等[32]于2001 年分析了端幫采煤與采排工程的時(shí)空關(guān)系，計(jì)算得出超前剝離和滯后排土可以提高端幫采煤產(chǎn)量和回采率的結(jié)論，但該理論未經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)。才慶祥等[33]于2002 年提出了露天礦采礦與生態(tài)重建一體化理論，與只考慮采排對(duì)生產(chǎn)的影響不同，該理論將“修復(fù)”引入生產(chǎn)系統(tǒng)中統(tǒng)籌考量。神華準(zhǔn)能集團(tuán)項(xiàng)目組于2013年創(chuàng)造性提出了采?排?復(fù)一體化理論及技術(shù)，并在哈爾烏素露天礦進(jìn)行了實(shí)地研究[34]。趙紅澤等[30]于2022 年提出了露天礦采?排?復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)的概念，在采?排?復(fù)一體化的基礎(chǔ)上引入?yún)f(xié)同思想，把單個(gè)露天礦的采、排、復(fù)工作推廣到露天礦群，并在卡布其露天礦群實(shí)地應(yīng)用。

針對(duì)蒙東草原區(qū)，李胤達(dá)等[35]為減少運(yùn)輸成本，建立了適用于多種運(yùn)輸方式并存的露天礦采場中部搭橋技術(shù)體系，減少運(yùn)輸距離；尚濤等[36]為減少挖損空間，研發(fā)了靠幫開采?快速回填技術(shù)和傾斜基底內(nèi)排技術(shù)，減少挖損空間約10%；李全生[7]從優(yōu)化開采程序著手，針對(duì)寶日希勒礦的作業(yè)方式，提出了多煤層差異露煤的工作幫開采程序，節(jié)約運(yùn)輸成本，給予排土場生態(tài)修復(fù)更充足的空間。采?排?復(fù)一體化技術(shù)突破了傳統(tǒng)方式的閉坑后再治理的局限性，實(shí)現(xiàn)了開采、治理同步進(jìn)行，具有污染低、效率高的特點(diǎn)。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于蒙東草原區(qū)采?排?復(fù)一體化技術(shù)的研究已經(jīng)初見成效，有效提高了生態(tài)修復(fù)的效率和效益。未來可將采?排?復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)引入蒙東草原區(qū)實(shí)地運(yùn)用，同時(shí)將碳排放額納入采排全過程中計(jì)算、考量，確保碳排放工作有的放矢、精準(zhǔn)管控，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)與減碳增匯的雙贏。

2.2 近自然地貌重塑技術(shù)

地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建是土地復(fù)墾與生態(tài)重建的三大技術(shù)體系，其中，地貌重塑又是后面二者的基礎(chǔ)，直接影響甚至決定了修復(fù)區(qū)的水土保持效果。近自然地貌重塑是以礦區(qū)廢棄地周邊的自然地貌為參照物進(jìn)行重塑工作，國外學(xué)者在這方面已有深入研究，國內(nèi)起步較晚，但隨著NbS理念日益主流化，且與我國生態(tài)文明建設(shè)理念高度一致，國內(nèi)學(xué)者也陸續(xù)開展對(duì)于近自然地貌重塑技術(shù)的研究。

為克服傳統(tǒng)地貌重塑方法不能顯著改善水質(zhì)、增加植被多樣性和修復(fù)后穩(wěn)定性較差等弊端，國外學(xué)者開發(fā)出GeoFluv 模型作為近自然地貌重塑的主要工具，并應(yīng)用于美國新墨西哥州大型露天礦區(qū)的地貌重建實(shí)踐[37]。重塑地貌的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果切實(shí)證明了該模型用于地貌設(shè)計(jì)是有效的[38]。在此之后，GeoFluv模型被廣泛應(yīng)用于采損區(qū)地貌重塑，且塑形效果在美國新墨西哥州和懷俄明州[39]、西班牙[40]、澳大利亞[41]等均得到良好檢驗(yàn)。

李樹志等[17]以寶日希勒礦為例，比較了3 種邊坡重塑方法的成效，最終發(fā)現(xiàn)仿自然地貌的波浪式整形邊坡生態(tài)恢復(fù)性能和邊坡穩(wěn)定性最好，此研究填補(bǔ)了蒙東草原區(qū)排土場地貌重塑的空白。陳航[37]以勝利礦為例，提取自然地貌的特征參數(shù)，構(gòu)建反S 型邊坡和近自然地貌，最后分別通過WEEP 模型和CliDE 模型模擬驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)近自然方法構(gòu)建的邊坡與地貌的水土保持能力均優(yōu)于傳統(tǒng)地貌重塑方法。

當(dāng)前，國內(nèi)對(duì)于近自然地貌重塑的研究主要集中于以水文為基礎(chǔ)的毀損地構(gòu)建，對(duì)礦區(qū)排土場等坡面形態(tài)重塑的研究較少，且大都停留在理論與模擬層面，實(shí)地研究較為匱乏。未來應(yīng)加大對(duì)礦區(qū)排土場等的實(shí)地研究，探索如何在保證重塑地貌水土保持能力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)重塑結(jié)果與周邊自然穩(wěn)定地貌“無縫”融合和降低施工成本的雙贏。

2.3 土壤重構(gòu)與改良技術(shù)

土壤重構(gòu)指運(yùn)用適當(dāng)?shù)拇胧?，重新?gòu)造適宜的土壤剖面和土壤肥力條件，快速提高重構(gòu)土壤生產(chǎn)力，優(yōu)化重構(gòu)土壤環(huán)境條件。土壤重構(gòu)材料既包括土壤和母質(zhì)，也包括粉煤灰、煤矸石等礦山廢棄物。

國外對(duì)粉煤灰改良土壤的研究較早，主要涉及粉煤灰用作土壤改良劑和養(yǎng)料。Bulot 等[42]對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)中重構(gòu)土壤的微生物和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行研究，認(rèn)為土壤重構(gòu)可以更好地維持土壤微生物活性與土壤肥力。Garampalli 等[43]將不同比例的粉煤灰加入土壤，發(fā)現(xiàn)作物根系生物量明顯提高。

國內(nèi)方面，西北農(nóng)林科技大學(xué)利用土壤膨脹實(shí)驗(yàn)證明了粉煤灰可以改良土壤結(jié)構(gòu)[44]。胡振琪[45]對(duì)重構(gòu)土壤的概念、理論與方法進(jìn)行了研究。王金滿等[46]和張振佳等[47]對(duì)黃土區(qū)重構(gòu)土壤理化性質(zhì)展開了深入研究。況欣宇[21]在前人研究的基礎(chǔ)上針對(duì)蒙東草原區(qū)，利用盆栽實(shí)驗(yàn)的結(jié)果實(shí)例驗(yàn)證利用煤矸石等作為土壤重構(gòu)材料切實(shí)可行，且得出表土、煤矸石及巖土剝離物以3∶3∶4 比例混合、分層構(gòu)建為最佳重構(gòu)方法，彌補(bǔ)了以往研究的不足。王玲玲等[48]和王凡等[49]在況欣宇[21]的研究基礎(chǔ)上，以生物炭施用與重構(gòu)土壤化學(xué)性質(zhì)及苜?？购敌择詈详P(guān)系為切入點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物炭的熱解溫度為300 ℃或400 ℃、添加量為24 g時(shí)，重構(gòu)土壤組的苜蓿在干旱條件下存活率顯著提高。

綜上所述，在蒙東草原區(qū)利用粉煤灰等資源進(jìn)行土壤重構(gòu)與改良，不但能夠降低粉煤灰對(duì)環(huán)境的污染，還能有效解決蒙東草原區(qū)的表土稀缺問題，符合以減量化、再利用、資源化為原則的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。

2.4 草原區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)

蒙東草原區(qū)排土場所采取的坡面植被恢復(fù)技術(shù)大多針對(duì)未經(jīng)恢復(fù)的裸露坡面，對(duì)于這類坡面，研究人員設(shè)計(jì)了液壓噴播植草、客土噴播、植被毯護(hù)坡、三維植被網(wǎng)護(hù)坡和多孔植被混凝土等多項(xiàng)技術(shù)[50?53]。但上述技術(shù)并不適用于已采取恢復(fù)措施、缺乏草本層的排土場坡面。對(duì)此類情形，國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)綠色干草轉(zhuǎn)移技術(shù)是單位面積產(chǎn)生最多種子和最多物種種類的方法，并且是恢復(fù)地物種建立最為迅速、植被恢復(fù)最為成功的方式，且恢復(fù)后的群落與種子收獲區(qū)的草本群落最為相似[54?56]。蒙東草原區(qū)未來應(yīng)加大對(duì)于已有恢復(fù)措施的排土場坡面植被恢復(fù)技術(shù)的研究，從而最大限度地提高草本群落的恢復(fù)能力和坡面生態(tài)穩(wěn)定性。

在能源植被優(yōu)選技術(shù)方面，20世紀(jì)80年代，柳枝稷作為極具潛力的能源植物受到美國能源部的關(guān)注[57?59]。20 世紀(jì)90 年代柳枝稷引入我國黃土高原地區(qū)，目前已在陜西、寧夏、內(nèi)蒙古、吉林等地成功引種種植。高偉等[60]研究了重金屬Cd、Cu 對(duì)柳枝稷的耦合影響效應(yīng)，結(jié)果表明柳枝稷能較好適應(yīng)重金屬污染的土壤。趙春橋等[61]對(duì)干旱條件下柳枝稷的生長過程開展研究，發(fā)現(xiàn)柳枝稷抗旱能力較好，可以適應(yīng)干旱、半干旱地區(qū)的氣候條件;其還研究了多種鹽脅迫條件對(duì)柳枝稷生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)柳枝稷具有一定耐鹽堿性，且NaHCO3對(duì)柳枝稷的生長限制作用最強(qiáng)，NaCl 最弱[62]。綜上所述，能源植物柳枝稷具有極佳的耐旱性、耐重金屬性和耐鹽堿性，是蒙東草原區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)選物種，對(duì)蒙東草原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)具有積極意義。

3 碳中和背景下內(nèi)蒙古東部草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的路徑與模式

長期的采煤活動(dòng)導(dǎo)致礦山生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能遭受破壞[63]，并對(duì)植被、土壤碳庫造成劇烈擾動(dòng)，影響礦區(qū)碳排放。礦山生態(tài)修復(fù)既是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的必然選擇，也是提高礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的必要路徑[64]，在生態(tài)文明建設(shè)與碳中和戰(zhàn)略雙重背景下，必將迎來蓬勃的發(fā)展機(jī)會(huì)。碳中和背景下內(nèi)蒙古東部草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的路徑與模式如圖6所示。

圖6 礦山生態(tài)修復(fù)助力碳中和的路徑與模式Figure 6 Path and mode of mine ecological restoration to help carbon neutrality

3.1 “邊采邊復(fù)”減少礦區(qū)碳排放

采礦業(yè)是典型的高污染、高碳排放行業(yè)，復(fù)雜的開采活動(dòng)給礦山生態(tài)系統(tǒng)帶來了大量碳排放[63]。在礦山生態(tài)修復(fù)過程中，通過采?排?復(fù)一體化可以達(dá)到源頭減排的效果[65]。經(jīng)過山東、安徽等地的實(shí)踐驗(yàn)證，“邊采邊復(fù)”比“末端治理”可多恢復(fù)耕地10%～40%[66]，最終達(dá)到“既要金山銀山，也要綠水青山”的狀態(tài)。胡振琪等[67]和肖武[68]針對(duì)高潛水位礦區(qū)土地復(fù)墾提出“邊采邊復(fù)”概念與內(nèi)涵，后經(jīng)過露天礦的采?排?復(fù)一體化、井工礦邊采邊復(fù)等若干階段后，邊采邊復(fù)的理念與技術(shù)已擴(kuò)展至露天礦生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域。

對(duì)于蒙東草原區(qū)而言，邊采邊復(fù)的核心是以降低生態(tài)損傷和提升生態(tài)修復(fù)質(zhì)量為目標(biāo)，科學(xué)規(guī)劃覆土方式與巖土剝離方式，改變傳統(tǒng)末端治理理念，減少土地?fù)p傷，縮短修復(fù)周期，增加復(fù)墾與固碳效益。在開采工藝方面，將綠色開采的理念和技術(shù)用于蒙東草原區(qū)，推廣應(yīng)用綠色開采設(shè)備，選用節(jié)能減排的開采方式，在源頭減少碳排放和對(duì)周邊環(huán)境的污染破壞；在空間層面上，合理安排排土場布局，減少不必要的土地壓占，使作為碳源的建設(shè)用地?cái)?shù)量盡量減少，降低碳排放；在時(shí)間層面上，提高生態(tài)修復(fù)效率，盡早內(nèi)排、到界治理，及時(shí)將排土場等地類修復(fù)為草地或耕地等，使得該地塊由“碳源”變“碳匯”。未來需從碳中和的角度考慮邊采邊復(fù)的綜合效益，加強(qiáng)新技術(shù)、新方法與邊采邊復(fù)技術(shù)的融合，及時(shí)修復(fù)因采礦而受損的生態(tài)環(huán)境，獲得整體價(jià)值的最大化，助力礦山行業(yè)低碳生產(chǎn)與綠色轉(zhuǎn)型。

3.2 土壤重構(gòu)與植被重建提高礦區(qū)碳匯能力

土壤重構(gòu)是礦山生態(tài)修復(fù)的核心，其本質(zhì)是采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)工藝，人為地構(gòu)造土壤，使被礦山毀損的土壤得以恢復(fù)[69]。蒙東草原區(qū)土壤重構(gòu)所使用的物料多為巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰等礦山廢棄物，通過土壤重構(gòu)可以有效解決蒙東草原區(qū)表土稀缺的本底問題，且利用礦山固廢重構(gòu)土壤可以減少固廢對(duì)環(huán)境的污染破壞。Reintam 等[70]研究了采石場碎渣區(qū)域重構(gòu)土壤有機(jī)質(zhì)的形成，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)在土壤重構(gòu)之后不斷累積，對(duì)土壤環(huán)境的改良起到重要作用。王玲玲等[71]對(duì)勝利礦的研究表明，復(fù)墾地重構(gòu)土壤的碳氮比顯著大于未毀損地，且碳氮比與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。這說明重構(gòu)后的土壤可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且碳氮比高于未毀損地原土壤，有利于提升土壤碳庫的固碳量，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

植被重建是礦山生態(tài)修復(fù)的有力保障，在地貌重塑和土壤重構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行先鋒植物和適生植物的選擇、模式配置、栽培與管護(hù)，使重建后的植被群落持續(xù)穩(wěn)定[72]。王志云等[73]的研究表明，“喬灌草”模式的群落搭配，無論在提升土壤有機(jī)質(zhì)還是增加生物多樣性方面，效果都優(yōu)于“灌草”群落和草本群落。王婷等[74]對(duì)科爾沁沙地的研究表明，樟子松固沙林在植被重建后土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提高。對(duì)于蒙東草原區(qū)而言柳枝稷是植被重建的優(yōu)選物種，樟子松、沙棘、紫花苜蓿、大針茅喬灌草復(fù)合林模式的植被恢復(fù)效果最好。植被類型不同，儲(chǔ)碳能力也不同，且植被類型還會(huì)通過影響土壤質(zhì)地與理化性質(zhì)而影響土壤碳庫。未來的植被重建工作應(yīng)將固碳能力納入植被篩選的考核指標(biāo)中。

3.3 土地利用類型轉(zhuǎn)變使礦區(qū)“碳源”變“碳匯”

土地利用類型轉(zhuǎn)變是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵因素，礦山生態(tài)修復(fù)改變了土地利用類型，將采礦廢棄地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、草地、林地等。楊博宇等[75]的研究表明礦區(qū)碳源包括植被退化、土壤結(jié)構(gòu)破壞、土地利用類型轉(zhuǎn)變和化石燃料消耗導(dǎo)致的碳排放，碳匯主要是排土場復(fù)墾后的重建植被與重構(gòu)土壤帶來的碳匯。張黎明等[76]研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)可以減少礦產(chǎn)資源開采導(dǎo)致的碳排放，修復(fù)后土地比原地貌的碳匯能力顯著增強(qiáng)。Anderson 等[77]研究發(fā)現(xiàn)在干旱少雨的礦區(qū)，草地在生態(tài)修復(fù)初期的土壤碳固存優(yōu)于林地和耕地。楊元合等[78]的研究表明，森林是陸地碳匯的主體，灌叢、濕地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田土壤整體表現(xiàn)出碳匯功能，但草地的碳源、匯功能尚不明確。戴爾阜等[79]研究發(fā)現(xiàn)，2001—2012年內(nèi)蒙古草原的凈碳總量達(dá)到0.55 Pg，碳匯區(qū)面積占草地總面積的60.28%，固碳潛力巨大。根據(jù)蒙東草原區(qū)的自然條件，未來的礦山生態(tài)修復(fù)工作可將廢棄地優(yōu)先修復(fù)為耕地、草地等，獲得經(jīng)濟(jì)與固碳效益的最優(yōu)解。

總體來說，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為將工礦用地或廢棄地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸鼗蚋鼗颈憩F(xiàn)為碳匯[80?81]。故礦山生態(tài)修復(fù)后土地利用類型的轉(zhuǎn)變，可以促使礦山生態(tài)系統(tǒng)由“碳源”變“碳匯”，且隨著生態(tài)修復(fù)年限增加，礦區(qū)土地固碳能力不斷增加，甚至能優(yōu)于修復(fù)前的原地貌，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[75]。

3.4 礦山生態(tài)修復(fù)的“光伏+”模式

目前，清潔能源約占我國能源結(jié)構(gòu)的25%，但要實(shí)現(xiàn)到2060 年占80%的目標(biāo)，還需要盡快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源占比，這也是未來礦山生態(tài)修復(fù)的新切入點(diǎn)。

我國煤礦區(qū)土地資源豐富，通過在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，可以利用太陽能等可再生能源治理采煤沉陷區(qū)，有效優(yōu)化當(dāng)?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[82]。在塞爾維亞的生態(tài)脆弱地區(qū)，利用光伏發(fā)電可以替代43%的火力發(fā)電量，每年可以減少1.2×106t CO2排放量[83]。在內(nèi)蒙古地區(qū)，韓夢瑤等[84]的研究表明，到2030 年集中式光伏電站累計(jì)減排量可達(dá)1.2×108t，減碳效益顯著。Leon 等[85]對(duì)“光伏+番茄”種植模式的CO2排放量進(jìn)行測算，發(fā)現(xiàn)該模式CO2排放量小于傳統(tǒng)的種植模式。吳川東等[86]對(duì)干旱、半干旱區(qū)的研究表明，大型光伏設(shè)施對(duì)局地的植被種群密度和固碳能力都有所促進(jìn)。劉昌華等[87]結(jié)合扎賚諾爾礦排土場的實(shí)際情況，擬定了將其復(fù)墾為中草藥基地的基本方案，預(yù)計(jì)年利潤為10 069.39 萬元，達(dá)到既改善生態(tài)環(huán)境又創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的目的。

故筆者認(rèn)為未來的蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)可以實(shí)行“光伏+”模式，因地制宜地發(fā)展“光伏+旅游”“光伏+農(nóng)業(yè)”“光伏+草牧”等多種模式。這種新的修復(fù)模式，一方面可以減少火力發(fā)電量，推動(dòng)當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整；另一方面可以增加本地居民收入，促使傳統(tǒng)的高耗能企業(yè)轉(zhuǎn)型，同時(shí)“光伏+”修復(fù)模式可能比傳統(tǒng)的單一發(fā)展模式的碳減排效益更好，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)雙贏。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前，我國的生態(tài)文明建設(shè)已進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的新階段。蒙東草原區(qū)對(duì)于保障國家能源安全、生態(tài)安全和如期實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要作用。本文在碳中和視角下，首先梳理國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)的研究歷程；其次對(duì)蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)過往研究進(jìn)行總結(jié)；再次對(duì)蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行對(duì)比總結(jié)；最后對(duì)碳中和背景下蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的路徑和模式進(jìn)行探討，以期為蒙東草原區(qū)及國內(nèi)外相似地區(qū)的礦山生態(tài)修復(fù)研究提供參考。

目前，學(xué)界對(duì)于生態(tài)修復(fù)的研究已經(jīng)初具規(guī)模，但針對(duì)蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)的研究仍顯不足，故提出當(dāng)下研究的不足與未來重點(diǎn)研究方向：

（1）礦山生態(tài)修復(fù)目標(biāo)更多考慮的是能否恢復(fù)到可供利用的狀態(tài)，對(duì)于節(jié)能、減排、增匯重視不足。未來應(yīng)豐富目標(biāo)體系，將減碳增匯效果納入礦山生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)中統(tǒng)籌考量，加強(qiáng)全過程碳管理，建立科學(xué)的碳源/匯核算體系，加強(qiáng)礦區(qū)碳排放和碳固存影響因素研究。

（2）蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)基礎(chǔ)理論研究有待深入，未來應(yīng)加快建立基于蒙東草原區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)本底狀況且面向碳中和的生態(tài)修復(fù)理論體系。雖然礦山生態(tài)修復(fù)的相關(guān)名詞術(shù)語繁多，但本質(zhì)都是強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和更好地為人類利用，重點(diǎn)是對(duì)內(nèi)涵的認(rèn)知以及能夠在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)和發(fā)展。

（3）我國礦山生態(tài)修復(fù)面臨修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性較差、極易退化等問題，同時(shí)缺乏長時(shí)序的監(jiān)測及適宜性評(píng)價(jià)，未來應(yīng)開展多學(xué)科、多領(lǐng)域的合作，對(duì)修復(fù)后的礦山生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長期、系統(tǒng)的觀測及適宜性評(píng)價(jià)，建立科學(xué)、合理、可操作的評(píng)價(jià)體系。

（4）我國礦山生態(tài)修復(fù)的責(zé)任主體是政府，礦山生態(tài)修復(fù)的資金缺口較大。未來應(yīng)按照“誰修復(fù)，誰受益”的原則吸引社會(huì)資本參與礦山生態(tài)修復(fù)，構(gòu)建礦山生態(tài)修復(fù)投融資新模式，如將礦山生態(tài)修復(fù)與土地增減掛鉤，與碳交易市場相銜接，提高社會(huì)資本參與的積極性。