張宇昂，李亞桐，杜忠毓，祁新華，侯 紅，陳光才*

(1. 國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010；2. 中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3. 福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；4. 中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

中國是世界上礦產(chǎn)資源豐富、礦種齊全的少數(shù)國家之一[1-2]。截至2020 年底，我國已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)173 種，其中，能源礦產(chǎn)13 種、金屬礦產(chǎn)59種、非金屬礦產(chǎn)95 種、水氣礦產(chǎn)6 種[3]。隨著各種全球性生態(tài)環(huán)境問題的加劇[4]，中國資源約束趨緊，環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，生態(tài)系統(tǒng)受損的形勢也異常嚴峻[5]。礦山環(huán)境問題是一種以礦山環(huán)境為載體的負效應作用，指在礦產(chǎn)資源勘查、礦床開采、洗選加工以及廢棄閉坑等礦產(chǎn)開發(fā)過程中對礦山環(huán)境造成的不良影響[6]，包括地貌景觀破壞、土壤挖損或壓占、地表塌陷、大氣與水土污染、動植物生境碎片化、固碳能力喪失等問題，其影響范圍遠大于采礦邊界且時效超過礦山生產(chǎn)年限的數(shù)倍。1987—2020 年間，中國因煤礦開采產(chǎn)生的損毀土地達到180.01 萬公頃[7]。歷史遺留的礦山環(huán)境問題是現(xiàn)階段我國環(huán)境治理的重要對象，是綠色礦山發(fā)展的重要制約因素[8]，也是我國構(gòu)建國家生態(tài)安全保障體系的一大障礙[9]，因此礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復治理是目前亟待解決的環(huán)境問題之一[10]。

礦產(chǎn)資源開發(fā)在帶動經(jīng)濟發(fā)展和滿足能源需求的同時，使土地遭受極度損毀及退化，其區(qū)域碳排放基數(shù)過大，碳平衡遭到嚴重破壞[4,11]，碳固存能力下降甚至喪失[12]。這種破壞式開發(fā)一直是世界各國面對的重要環(huán)境問題和科學研究的熱點問題。在推進碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)的過程中，碳排放居高不下和碳匯能力不足是其主要障礙[13]，礦山受損生態(tài)系統(tǒng)恢復無疑是極具迫切性和戰(zhàn)略性的，對其生態(tài)修復（Ecological Restoration）過程進行長時間序列的監(jiān)測和評估是具有先瞻性和必要性的，是礦區(qū)發(fā)展的巨大機遇與挑戰(zhàn)[14-15]。2020 年，中國新增礦山治理恢復面積約4.16 萬公頃[3]。然而，因長期受制于礦山生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的流動性、經(jīng)濟與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性、污染因素之間的相互影響的復雜多變，相關(guān)規(guī)劃治理缺乏統(tǒng)一性、系統(tǒng)性和整體性，目前礦山環(huán)境修復治理工作仍呈現(xiàn)分布面積廣、擾動因素多、機理復雜等特征，中國礦山生態(tài)修復總體效果并不理想[16]，礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)治理形勢嚴峻[17]。

事實上，實現(xiàn)“雙碳”目標不可能一蹴而就，必然要經(jīng)歷能源、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的“陣痛”[18]，協(xié)調(diào)經(jīng)濟、社會、環(huán)境、能源、就業(yè)、安全等多角度系統(tǒng)性的規(guī)劃支持十分必要。學術(shù)界圍繞實施區(qū)域和目標合理分解[19]、制定重點部門差異化達峰行動方案[5,20]、推動能源轉(zhuǎn)型以及完善碳稅和碳交易等碳定價機制[21-22]等方面展開研究，為實現(xiàn)礦業(yè)開采和環(huán)境治理的雙碳目標進行了多方探索。武強等提出解決礦山環(huán)境問題的“九節(jié)鞭”修復模式，針對礦山環(huán)境問題梳理、調(diào)查、評價與預測、修復治理技術(shù)與模式、礦山土地適宜性評價、監(jiān)測與預警、信息系統(tǒng)研發(fā)、法規(guī)標準和礦山環(huán)境管理等9 個方面探討礦區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的修復路徑[2]。但在目前碳中和背景下，從“前期受損程度-中期修復效益-后期模擬預測”的全周期視角下，探討礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和評估技術(shù)及應用的研究仍缺少系統(tǒng)的梳理總結(jié)。因此，本研究基于文獻計量分析結(jié)果，以山水林田湖草生命共同體理念和綠色礦山建設政策導向為指導，沿著生態(tài)修復的路徑，就當前研究進展中存在的問題進行提煉，從受損生態(tài)系統(tǒng)評價、生態(tài)修復技術(shù)、礦區(qū)碳源/匯潛力、礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)四個方面厘清研究脈絡（圖1），并對未來的研究方向提出展望，以期拓寬礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復監(jiān)測與評估的研究路徑。

1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復的文獻共現(xiàn)分析

研究基于Web of Science（WoS）核心合集和中國知網(wǎng)（CNKI）核心期刊數(shù)據(jù)庫進行交集檢索，英文以“mining area” “ecological restoration”為檢索主題詞，中文以“礦區(qū)” “生態(tài)修復”為檢索主題詞，檢索范圍為論文主題（標題、摘要、作者關(guān)鍵詞和擴展關(guān)鍵詞），檢索時間范圍為2010—2022 年，檢索日期為2022 年6 月。共計獲得文獻914 篇，其中英文701 篇，中文213 篇（圖2）。礦區(qū)生態(tài)修復研究在國內(nèi)外均愈發(fā)受到重視，國際上研究熱度明顯更為突出。國內(nèi)研究熱度與國家政策導向緊密關(guān)聯(lián)，自十九大將建設生態(tài)文明提升為“千年大計”后，山水林田湖草一體化的修復理念逐漸被貫徹落實，礦區(qū)生態(tài)修復研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。利用CiteSpace 軟件，對文獻主題進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，生成時間段共現(xiàn)圖譜（圖3、圖4）。

圖2 礦區(qū)生態(tài)修復研究領域的年發(fā)文量變化趨勢Fig. 2 The trend of the annual number of papers in the field of ecological restoration research in mining areas

圖3 Web of Science 核心合集關(guān)鍵詞時間線共現(xiàn)圖：礦區(qū)、生態(tài)修復Fig. 3 Timeline co-occurrence of keywords in WoS core collection: mining area; ecological restoration

圖4 中國知網(wǎng)核心期刊關(guān)鍵詞時間線共現(xiàn)圖：礦區(qū)、生態(tài)修復Fig. 4 Timeline co-occurrence of keywords in CNKI core journals: mining area; ecological restoration

目前，國際上的研究主要聚焦于ecological risk assessment（生態(tài)風險評估）、open-pit mining/surface mining（露天采礦）、post-mining reclamation（采后復墾）、biochar（生物炭）、natural regeneration（ 自然更新）、mine rehabilitation（礦區(qū)恢復）、ecosystem services assessment（生態(tài)系統(tǒng)服務評估）等熱點領域（圖3）。國內(nèi)研究以生態(tài)修復、地理信息系統(tǒng)、廢棄地、脅迫梯度、生態(tài)環(huán)境、碳中和、生理特性、生態(tài)保護等主題為主（圖4）。圖3 和圖4 中圓圈半徑大小表示對應的關(guān)鍵詞在礦區(qū)生態(tài)修復研究分析中的重要程度，其所處位置相應的年份為其出現(xiàn)的最早時間。隨時間推進，生態(tài)修復研究呈現(xiàn)精細化的深入發(fā)展態(tài)勢，早期礦區(qū)生態(tài)修復手段和技術(shù)的研究設想逐步被實現(xiàn)和擴展，修復效益日益提升。

國際上關(guān)注的焦點主要是礦區(qū)生態(tài)風險和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估，化學和生物學方向的具體修復路徑和方案，礦區(qū)發(fā)展對全球氣候變化的影響，以及微觀層面社區(qū)和人民面對的生計沖擊和應對策略[23-24]。國內(nèi)的研究近期更趨向于減排減污增匯和碳中和等政策驅(qū)動下的區(qū)域發(fā)展路徑探索與修復效果評價，并嘗試引入遙感等新技術(shù)手段和交叉學科的新理念理論，推動恢復生態(tài)學和生態(tài)工程學從靜態(tài)的資源和環(huán)境本底調(diào)查、工程改善，向區(qū)域性礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能評價與環(huán)境治理動態(tài)監(jiān)測的研究方向轉(zhuǎn)變[25-26]。

當前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復主要存在以下問題亟待解決：生態(tài)修復理論對生態(tài)修復實踐的支撐相對薄弱[27]，生態(tài)修復整體觀和系統(tǒng)觀的思想落實尚待加強[28]。生態(tài)修復碎片化現(xiàn)象突出，忽視生態(tài)技術(shù)的地域和經(jīng)濟適宜性[29]，修復效果的可持續(xù)性不強。缺乏科學合理的評價指標體系和方法模型[30]，缺乏全周期綜合信息管理與決策支持平臺，缺乏多生態(tài)要素協(xié)同的立體化監(jiān)測技術(shù)。在管理體制機制方面，現(xiàn)行的條塊化管理體制不能從根本上解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，不同主體的需求和利益以及公眾參與程度的差異，共同導致礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)綜合管理體系存在缺位現(xiàn)象[31]。

2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復的研究主題

2.1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)評價

自2020 年《綠色礦山建設評價指標》《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃（2021—2035 年）》《山水林田湖草生態(tài)保護修復工程指南》等政策出臺，礦區(qū)更多被解讀為以開發(fā)利用礦產(chǎn)資源為主導產(chǎn)業(yè)的社會經(jīng)濟生態(tài)集合體，這表明其不僅有社會屬性和經(jīng)濟屬性，更重要的是含有生態(tài)屬性[3,9]。對于礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的評價，可以分為受損程度評價和修復效益評價兩大部分。

在受損程度評價方面，長期低效、粗放、過度的開采模式致使礦區(qū)產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境受損問題[32]，多表現(xiàn)出區(qū)域性、規(guī)律性特點[2]。目前現(xiàn)有研究多結(jié)合礦山周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能重要性、人居環(huán)境與經(jīng)濟社會發(fā)展狀況[33]，綜合考量地理條件、氣候條件、礦山生態(tài)等環(huán)境因素，開采方式、開采規(guī)模等工程因素，土壤理化性質(zhì)、植被配置模式等生物化學因素[6]，進行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損毀方式的類型劃分[34]和受損程度的綜合評價[7,35]，由此探索礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題發(fā)生機理，進而形成動態(tài)響應機制[2,36]。如張俊杰等在西北荒漠區(qū)7 座典型露天煤礦展開調(diào)查研究，從土地利用擾動情況和礫幕層年際變化角度評價其礦區(qū)生態(tài)受損狀況[37]。

在修復效益評價方面，生態(tài)系統(tǒng)恢復的目標是建立一個能夠自我維護、運行良好的完整生態(tài)系統(tǒng)[31,36,38]，礦區(qū)生態(tài)修復效益評價是考察其生態(tài)系統(tǒng)恢復程度的重要手段[39-40]。2004 年，生態(tài)恢復協(xié)會（Society Ecological Restoration International，SER）從生態(tài)恢復的結(jié)構(gòu)與功能自我維持、生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力、與相鄰生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量交流三個方面總結(jié)出評判生態(tài)系統(tǒng)恢復狀況的9 個關(guān)鍵屬性[41]，在學界被廣泛應用與改進，形成了針對各類生態(tài)系統(tǒng)的一系列評價指標體系[42]。同時，基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價的研究熱潮在礦山生態(tài)系統(tǒng)修復研究中也逐步體現(xiàn)。王壯壯等以我國5 個重點脆弱生態(tài)區(qū)為研究區(qū)，根據(jù)“生態(tài)恢復-生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-質(zhì)量-服務-效益”級聯(lián)式概念框架構(gòu)建了生態(tài)恢復綜合效益評估的指標體系[43]。

針對大面積生態(tài)損毀礦區(qū)，基于多時相和多波段的遙感影像融合提取歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和歸一化水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）等生態(tài)指數(shù)，是檢測評估其生態(tài)系統(tǒng)的受損和修復狀況、探析其生態(tài)系統(tǒng)服務價值及功能最快捷實用的方法[44]。殷亞秋等應用遙感解譯分類技術(shù)獲取礦山占損土地和恢復治理信息，建立礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標體系，以此對海南島2018 年礦山地質(zhì)環(huán)境影響進行分析評價[45]。

2.2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復技術(shù)

生態(tài)修復是指在不同人為干預程度下，依靠生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力，使已遭受退化、損傷或破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復的過程[18]。礦業(yè)開采對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的負面影響[41]，土壤結(jié)構(gòu)受損、植被破壞、重金屬污染共同導致土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物被污染，嚴重威脅到人類健康[46]。這些危害和潛在影響僅僅依靠自然演替減緩，大約需要100—1000 年[47]。胡振琪等研究顯示采取人工措施輔助生態(tài)修復可以更大程度地進行自主設計，在生態(tài)系統(tǒng)層面上同時推進多個措施，極大程度地縮短受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復時間[25]。

礦山生態(tài)修復是一個系統(tǒng)工程，通常包括污染整治、土壤重構(gòu)和生物恢復等措施（表1）?，F(xiàn)有的礦區(qū)修復主要通過物理、化學、生物等措施進行，其產(chǎn)生的效果和效益參差不一[25]。研究多針對確定的技術(shù)和方法下礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行論述，而從全時間序列角度開展礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)評估與監(jiān)測的研究較為罕見。自2018 年組建成立自然資源部以來，礦山生態(tài)修復工作逐步從早期的工程修復、土地植被整治過渡為“自然恢復為主，人工引導為輔”的生態(tài)功能全面修復，努力探索礦區(qū)復雜環(huán)境條件下的污染源阻控、環(huán)境治理與生態(tài)恢復耦合的技術(shù)創(chuàng)新，力求建設具有完整功能的生態(tài)系統(tǒng)[40, 48]。

表1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復措施Table 1 Restoration measures of damaged ecosystem in mining area

基于自然的解決方案（Natural-based Solution，NbS）近年來被學界越來越多地認可，以生物化學方法為主的生態(tài)技術(shù)在生態(tài)退化治理中顯示出重要作用。許多學者嘗試模擬預測礦區(qū)金屬元素釋放、遷移、轉(zhuǎn)化過程的共性與差異、相互作用、輸入輸出，明晰礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)，精確展開后續(xù)修復工作。Yu 等在華南地區(qū)被砷和鎘污染的礦區(qū)開展稻田采樣實驗，發(fā)現(xiàn)硅在緩解水稻砷和鎘等重金屬和非金屬物質(zhì)中發(fā)揮了獨特的作用[49]。Hou 等學者通過室外大型土柱，對比分析受銻污染的表土和未受銻污染的底土，研究外源銻在土壤中的遷移和地下水淋溶風險[50]。Sun 等學者利用模型進行了砷元素遷移轉(zhuǎn)化過程的識別量化與金屬礦區(qū)土壤污染的修復設計[51]。

2.3 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯潛力

以往我國礦山生態(tài)修復研究側(cè)重于礦山生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復，忽視了其在減排增匯方面的作用。目前礦區(qū)生態(tài)破壞區(qū)的碳吸收能力微乎其微[52]，實現(xiàn)礦區(qū)由碳源向碳匯的根本性轉(zhuǎn)變尤為必要[3, 53]。

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復模式的異同會導致碳匯能力存在高低差異，修復過程中短暫的碳減排并不意味著修復后碳增匯能力的長期提升。礦區(qū)碳匯形成的關(guān)鍵過程包含植物光合碳分配、土壤碳固持、微生物固碳和土壤呼吸等。生態(tài)恢復的速率及產(chǎn)生的生態(tài)效應與土壤退化程度、植被類型、系統(tǒng)工程技術(shù)、礦產(chǎn)規(guī)模及其開采手段等一系列因素息息相關(guān)[17]。近年來，已經(jīng)有部分學者開始關(guān)注礦區(qū)開采導致的失碳效應[54]，并對碳庫損失進行評價[55]。其中，土地利用方式或植被覆蓋情況是決定生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、影響碳循環(huán)的重要因素[56]。由于礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)普遍存在生態(tài)脆弱和土壤有機質(zhì)含量本底值較低的現(xiàn)象，其區(qū)域內(nèi)部的植被和土壤等主要碳匯要素及其固碳能力往往會被極大程度削弱[57]，區(qū)域“植被-土壤碳庫”產(chǎn)生強烈擾動[58]。而植被覆蓋率和土壤有機碳含量是反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能狀況最直接的參數(shù)，與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力測算緊密相關(guān)，也是其碳匯潛力評估的基礎數(shù)據(jù)[48]。隨著礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復年限的增加，植被碳匯量和土壤有機碳含量也會隨著植物生長累積而逐步增加[55]。Li 等[35]學者嘗試借助黃土高原林地、灌叢、草地和荒地的土壤細菌群落和土壤理化特性，探討植被恢復對礦區(qū)重建土壤的響應機制，從而恢復并穩(wěn)定礦山生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[59]。

礦產(chǎn)資源開發(fā)與區(qū)域環(huán)境的碳循環(huán)機制交織耦合，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有獨特性[7]。部分學者嘗試利用遙感等手段分析核算礦區(qū)碳匯量[60-61]，或從定性角度對微觀的個案礦區(qū)進行碳庫潛力研究[13]。如張紀偉和陳華勇基于多元數(shù)據(jù)，構(gòu)建以“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應”模型為理論框架的綜合評價指標體系，定量評估福建羅卜嶺礦區(qū)的經(jīng)濟價值及其未來勘查開發(fā)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響[62]。但目前面向生態(tài)碳匯的概念探討及測算研究仍然罕見，且鮮有從宏觀尺度評估礦山生態(tài)系統(tǒng)修復后的固碳效應及生態(tài)碳匯潛力[63]，針對碳匯能力提升的礦區(qū)退化生態(tài)修復技術(shù)仍有較大的提升空間。

2.4 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

當前礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)主要由地面?zhèn)鞲衅髡军c觀測、樣地和基站點采樣、實驗室對比實驗獲取。受制于觀測尺度和人工作業(yè)強度，多為幾年甚至近幾個月的空間點位離散數(shù)據(jù)，且僅個別傳感器存在數(shù)年的高頻次觀測[64]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變監(jiān)測與評價的時空尺度不匹配現(xiàn)象明顯，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的全流程監(jiān)測需求無法得到有效保障。

進入21 世紀以來，遙感（Remote Sensing，RS）、衛(wèi)星定位（Global Position System，GPS）以及地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺和技術(shù)的發(fā)展和成熟成為生態(tài)系統(tǒng)的演化研究強大的技術(shù)支撐，極大推進了大尺度上生態(tài)系統(tǒng)格局及其對全球變化響應的相關(guān)研究。借助于新時代的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡[65]，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)研究正在實現(xiàn)從點到面、從定性到定量、從平面到“天-空-地-井”立體監(jiān)測、從單項到綜合的突破[64]（圖5），進而對開采沉陷、露天礦坑、“三廢”問題、礦山次生地質(zhì)災害等礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題實施多點多面、高精度、實時連續(xù)的有效監(jiān)測與預警[66]。

圖5 多尺度、多平臺的礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測技術(shù)與應用框架Fig. 5 Multi-scale and multi-platform remote sensing monitoring technology and application framework of damaged ecosystem in mining area

在研究對象上，現(xiàn)有研究主要集中于礦區(qū)地表要素類型遙感識別與分類[65]、礦區(qū)植被、土壤、水體、大氣等要素的定量遙感監(jiān)測[67]、礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)綜合監(jiān)測等方面。在研究內(nèi)容方面，學界大多利用遙感生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecology Index，RSEI）、景觀指數(shù)等[68]指標測算礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和生態(tài)系統(tǒng)服務價值。對于結(jié)構(gòu)比較單一的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，通過利用光學遙感獲取的植被指數(shù)、光譜反射率和紋理信息與實際測量的生物量建立反演模型，可以較為準確地估算大范圍的地上生物量分布[69-70]。Erener[48]通過對礦區(qū)植被受損狀況進行植被分類分析，從微觀角度估測其區(qū)域的礦區(qū)受損程度，確定了加拿大埃德蒙頓北部某礦區(qū)的植被變化規(guī)律。

隨著技術(shù)的發(fā)展，單源數(shù)據(jù)的簡單回歸方法、地上生物量遙感反演方法、微波散射機理模型的反演方法，逐漸發(fā)展到基于多源數(shù)據(jù)融合的非參數(shù)化反演方法。應用高分辨率遙感數(shù)據(jù)、背包雷達等小型監(jiān)測儀器與野外數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，可以共同構(gòu)建礦區(qū)碳循環(huán)模型，分析區(qū)域固碳效應，估算區(qū)域生態(tài)碳匯潛力，是目前一大研究趨勢[15]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、隨機森林等新興方法也正在被學者們嘗試引入結(jié)合，虛擬現(xiàn)實、地理空間分析、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)裝備也具有應用拓展的可能[2,26]，進而形成全周期立體化的科學地面監(jiān)測。隨著國家重大生態(tài)工程的開展和礦山生態(tài)修復技術(shù)的不斷進步，我國的礦山生態(tài)環(huán)境修復的遙感監(jiān)測研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢[30]。

3 研究挑戰(zhàn)與展望

3.1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復理念與系統(tǒng)管控

隨著基于自然的解決方案（NbS）理念、“山水林田湖草沙生命共同體”系統(tǒng)保護與修復理念、“綠水青山就是金山銀山”的經(jīng)濟社會發(fā)展理念的發(fā)展和普及，如何同步實現(xiàn)“能源開發(fā) + 耕地保護 +污染治理 + 固碳增匯”的多元目標，匹配區(qū)域碳中和的修復需求是礦區(qū)修復的關(guān)鍵問題[37]。以生態(tài)學的系統(tǒng)觀和整體觀為基礎，秉承碳達峰、碳中和的系統(tǒng)性思維，明確礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域碳循環(huán)、生態(tài)碳匯相互關(guān)系，預測其碳源/匯對全球氣候變化的響應是后續(xù)研究的主要方向[71]。

礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復工作具有長期性、復雜性、不確定性和多層嵌套的特點，其修復過程更是各級政府及其環(huán)保職能部門、污染責任方、環(huán)保企業(yè)、社會公眾等各主體博弈的一個復雜過程[28]。面向生態(tài)碳匯有益的方向開展礦區(qū)適應性管理工作[72]，建立修復政策、技術(shù)、資金、產(chǎn)業(yè)、人才一體化的區(qū)域多維關(guān)系網(wǎng)絡，完善目標導向、規(guī)劃執(zhí)行、動態(tài)監(jiān)測、評估反饋的交替式動態(tài)循環(huán)管理體系是極其重要的[37]。

融合地球系統(tǒng)科學、能源科學、地理科學、工程學、管理學的理論與實踐進行跨學科的交叉融合，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、資源利用結(jié)構(gòu)、國土空間結(jié)構(gòu)的跨尺度整合，可以實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復從單要素管理向多要素綜合管控、從行政區(qū)域向自然礦區(qū)的轉(zhuǎn)變。

3.2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復方案與技術(shù)

礦山生態(tài)修復的核心目標是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重塑，而實踐中仍存在著對自然演化規(guī)律認知不足、缺乏自然恢復手段、以固有的工程化手段為主的弊病。這種修復模式漠視了對生態(tài)系統(tǒng)本底恢復能力的考量，修復構(gòu)建的生態(tài)群落穩(wěn)定性差，生態(tài)碳匯能力提升有限，修復效益可持續(xù)性不足[73]。綜合考慮自然經(jīng)濟、人為擾動、修復措施的區(qū)域性和污染等級、工程規(guī)模的差異性，耦合“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護”的目標導向修復方案是探索“礦區(qū)生態(tài)保護修復 + 全域土地綜合整治 + 人與自然和諧共生”融合模式的有效措施。

未來在恢復生態(tài)學相關(guān)理論基礎上[72]，礦區(qū)修復應兼顧生物多樣性、景觀多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性的協(xié)同發(fā)展，明確區(qū)域地下水、土壤和植被間的相互關(guān)系及作用機制[74]，針對性開展植物篩選與配置、水文調(diào)控、土壤底質(zhì)改良等工作，逐步形成優(yōu)勢植被/功能菌篩選、環(huán)境材料復合微生物固碳和固碳微生物定向增殖等關(guān)鍵技術(shù)體系[26]。結(jié)合生態(tài)補償政策、綠色金融、國家生態(tài)紅線政策，參考生態(tài)倫理觀、生態(tài)發(fā)展觀等理論可以實現(xiàn)方法理論的突破創(chuàng)新，強化礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復研究成果的應用推廣，推進從理論邁向?qū)嵺`的進程。

3.3 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)

隨著全球碳達峰、碳中和目標共識的形成，國土空間整體管控的頂層設計日益明確，對礦區(qū)遙感監(jiān)測技術(shù)的需求日益提升。目前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域化、實驗性的探索雖然取得了一定成效，但其技術(shù)應用深度和創(chuàng)新程度明顯不足，遙感影像的地物信息提取技術(shù)手段較為粗淺[64]，至今仍未建立完善的多尺度礦區(qū)遙感監(jiān)測技術(shù)體系。從小型實驗室、基地站尺度擴大到全尺寸規(guī)模是目前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測模擬工作的最大挑戰(zhàn)。

近地面遙感，相較于傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和航空遙感，觀測尺度更貼近傳統(tǒng)地面觀測，可以更加便捷地獲取礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)-景觀尺度的高時空分辨率遙感信息，突破三維生態(tài)監(jiān)測的屏障，填補礦區(qū)“天-空-地-井”全面觀測的空缺[67]。未來可以嘗試運用近地面遙感結(jié)合樣地調(diào)查的方式[75]，融合空間遙感、地理信息系統(tǒng)、生命科學、能源科學及人工智能等前沿技術(shù)，突破“國家-區(qū)域-樣地”的尺度轉(zhuǎn)換的壁壘[44,61]，在礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的空間布局、物種識別、生境調(diào)查、影響因素、災害風險預警、生物多樣性監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)管理等多方面深入創(chuàng)新研究。

3.4 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復效益與評價

礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)修復是一項復雜、長期的系統(tǒng)工程，實現(xiàn)近期利益與遠期利益的權(quán)衡已然成為礦山廢棄地生態(tài)修復系統(tǒng)設計與評價的重點工作。嚴峻的礦地矛盾制約了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，衍生出眾多地區(qū)生態(tài)-社會問題，同時修復效果的滯后性進一步擴大了工作推進的阻礙[72]。其修復效益和碳匯潛力亟待從更長的時間尺度、更廣的空間尺度展開評價。礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生（Digital Twin of Mine Ecological Environment，DTME）系統(tǒng)的構(gòu)想將支撐礦山生態(tài)全過程治理的感知、表達、監(jiān)測、模擬、仿真、預測與控制的功能，有望推進礦山生態(tài)環(huán)境治理信息化建設[76]。

以全國碳交易體系建立為契機，利用遙感和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合IPCC 清單指南等國際通用指標框架，從不同時空尺度對礦區(qū)碳儲量和碳排放量進行核算，強調(diào)評價與核算方法的創(chuàng)新，構(gòu)建資源綠色勘查與評價、礦山規(guī)劃建設、資源開采與綜合利用、礦山環(huán)境生態(tài)保護與修復等全生命周期的工作流是后續(xù)工作的重點。基于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)獨特的碳循環(huán)[60]，著重探索其系統(tǒng)要素間的互饋與耦合機制，綜合考慮區(qū)域生態(tài)安全格局和生態(tài)定位，拓展礦區(qū)開發(fā)和保護多發(fā)展模式，是踐行碳中和目標、實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)文明建設的關(guān)鍵所在。