露天煤礦復墾生物多樣性恢復技術體系與方法：以平朔礦排土場為例

原 野，趙中秋，2，白中科，2，牛姝燁，王楊揚，李學燕(.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 00083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 00035)

露天煤礦復墾生物多樣性恢復技術體系與方法：以平朔礦排土場為例

原 野1，趙中秋1，2，白中科1，2，牛姝燁1，王楊揚1，李學燕1
(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

生物多樣性為人類提供了豐富的生活資源和必要的生存環境。煤礦露天開采造成礦區生態環境破壞及生物多樣性喪失，但目前尚未形成基于生物多樣性恢復的土地復墾技術體系。為加速礦區生物多樣性恢復，提高復墾生態系統穩定性，本研究以黃土丘陵區平朔露天煤礦為例，總結現有土地復墾經驗，根據生物多樣性恢復的基本方法，嘗試從礦區生境再造和景觀格局優化兩方面探討生物多樣性恢復的技術與方法。研究結果表明：生境再造與景觀格局優化是礦區生物多樣性恢復的重要手段；優化排土場平臺、邊坡形態，提倡建立仿自然地貌；采用有利于土壤生物多樣性恢復的土壤重構技術；進行植被重建是礦區生物多樣性恢復的重要環節，并為其他生態因子恢復提供生境；建立生態源地和生態廊道；實施生態農業生產方式，進行生態農業景觀結構優化。

露天煤礦；復墾；生物多樣性；技術；方法

生物多樣性為人類提供了豐富的生活資源和必要的生存環境。作為地球生命支持系統的核心組成部分，生物多樣性也是生態服務功能的基礎。1992年生物多樣性公約(Convention on biological diversity)認為，生物多樣性是地球上陸地、海洋及其他生態系統及其所構成的生態系統綜合體中的所有生物體，包括物種內、物種之間和生態系統的多樣性[1]。我國發布的《生物多樣性保護戰略行動計劃(2011～2030年)》將生物多樣性定義為：生物多樣性是生物(動物、植物、微生物)與環境形成的生態復合體及與此相關的各種生態過程的總和，包括基因、物種、生態系統三個層次。隨著認識和研究的逐步深入，其范圍也由原來的基因、物種、生態系統3個層次拓展到遺傳、物種、生態系統、景觀4個層次[2]。

煤礦露天開采是世界范圍內的主要采煤方式，據統計，世界范圍內煤炭產量增加值的75%源自露天開采，我國露天煤炭產量也達到煤炭總產量的15%[3]。露天煤礦開采過程中“剝-采-運-排-復”等環節損毀和占用了大量的土地資源(據報道，我國露天煤礦開采萬噸煤損毀的土地面積約為0.22 hm2[4])。土地是生物多樣性的載體，隨著礦區土地資源的破壞，礦區生物多樣性亦遭到毀滅性破壞，地表植被被移除，土壤動物和其他大型動物因生境喪失而消亡。目前，國內外學者對礦區土地破壞階段以及復墾階段的動物[5-7]、植物[8-9]、微生物[10-11]以及礦區景觀格局[12]等內容進行了研究，總結了礦區生物多樣性恢復的若干規律。

從復墾實踐來看，我國露天煤礦主要分布區(黃土丘陵區、草原區、荒漠區)的土地復墾技術已比較成熟，但如何在現有土地復墾技術的基礎上，充分考慮生物多樣性對土地復墾技術的響應，提煉出基于生物多樣性恢復的土地復墾技術體系，目前尚未有明確的研究成果。鑒于此，本文在生物多樣性恢復方法論的指導下，總結黃土丘陵區平朔露天煤礦土地復墾經驗，參考國內外土地復墾中生物多樣性恢復的有益經驗，嘗試提煉基于生物多樣性恢復的平朔露天煤礦土地復墾技術，以期進一步深化和完善我國土地復墾“地貌重塑-土壤重構-植被重建”技術體系[13]，為礦區生物多樣性的恢復和保護提供參考。

1 礦區生物多樣性恢復關鍵技術體系構建

生物多樣性恢復主要有兩條途徑：一是從底層的遺傳和物種多樣性恢復開始的“自下而上(down-top)”的途徑；二是從景觀格局優化角度進行的“自上而下(top-down)”的途徑[14]。第一條途徑突出了生態系統的組分作用，揭示了自然狀況下生物多樣性發生、維持的微觀機理，但忽視了人為干擾等外部環境因素的作用。第二條途徑突出了人為干擾下景觀格局的改變對生物多樣性(遺傳、物種、生態系統)的影響，其中，景觀格局對生物多樣性影響主要表現為：①景觀要素的形狀、組成、空間結構對景觀中的生物和生態系統功能有重要影響和作用；②遺傳、物種保護為目標的方法僅適用于對物種生態特性及其在生態系統中作用和功能等有全面認識的情形。若對物種作用和功能及食物鏈之間的相互關系和作用缺乏全面而深入的了解和認識，則應采用景觀的觀點，重視對物種賴以生存的生境的重建，以達到有效而全面地保護礦區景觀生物多樣性及其生態服務功能；③生物多樣性恢復及促進生態系統功能維持的措施能否取得成效并不僅僅取決于措施本身，還取決于這些措施所處的景觀結構狀況[15]。

根據上述分析，可以認為礦區生物多樣性恢復技術體系可以分為相互作用的兩大技術內容，即微觀的生境再造和宏觀的景觀格局優化。其中，生境再造的主要手段包括基于生物多樣性恢復的地貌重塑、土壤重構以及植被重建等。礦區景觀格局優化主要包括建立礦區生態源地和生態廊道等。黃土丘陵區土地復墾后耕地(農業景觀)占據大片生境，因此景觀格局優化中農業生態景觀的優化又需要特別的重視。

圖1 生物多樣性恢復途徑與基于生物多樣性恢復的露天煤礦土地復墾技術體系

2 實證研究

2.1 研究區概況

平朔露天礦位于山西省朔州市平魯區，是我國最大的露天煤礦之一。礦區地理坐標為112°10′58″～113°30′E，39°07′～39°37′N。氣候類型為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，年均降雨量約為420 mm且降水集中在7～9月，年平均溫度為6.2 ℃。本區地帶性土壤為栗褐土、栗鈣土，物理風化作用強烈，土體干旱，土質偏砂，肥力低下。研究區開發歷史悠久，天然草原零星分布，天然次生林不多見，植被覆蓋率較低。本區主要草種有達烏里胡枝子、長芒草、扁穗冰草、克氏針茅、百里香等，主要灌木為沙棘，主要喬木種為小葉楊，國家級保護動物有大鴇、金雕、豹等[16]。

平朔礦土地復墾主要包括“地貌重塑-土壤重構-植被重建”三階段，5 項工程復墾技術(排土場基底構筑工藝、排土場主體構筑工藝、排土場平臺構筑工藝、排土場邊坡構筑工藝和排土場排水渠構筑工藝)和3項生物復墾技術(巖石加速風化、生土快速熟化和合理配置植物)[13]。平朔礦排土場自1985年開始排棄，1992年開始復墾，至2013年底，已復墾林草地600 hm2，耕地300 hm2。

2.2 地貌重塑技術優化

與煤礦采前平緩地貌相比，平朔礦排土場是由若干相對高差100～150 m的巨大松散巖土堆積體組成的人工地貌。地形地貌的變化對礦區生物多樣性的影響主要體現為對礦區景觀格局的劇烈擾動：首先，排土場的松散陡坡和堅硬平臺為強烈的風蝕、水蝕創造了條件，邊坡坡面被侵蝕后呈現的密集的細溝，加劇了排土場景觀的破碎化；其次，礦區景觀格局向簡單的“平臺-邊坡”模式的演變過程中，由于動植物棲息地和生境不斷破碎化乃至喪失，抑制了生物多樣性的恢復。鑒于此，需要對傳統的排土工藝進行優化，為礦區生物多樣性恢復創造條件。

2.2.1 平臺優化方法

針對排土場平臺壓實引起的非均勻沉降及平臺、邊坡沖刷等不利于排土場生境穩定的問題，宜在平臺構筑初期采用堆狀地面，5～10年后逐漸整平并進行微地形塑造。堆狀地面的構筑方法為：平臺排土后不碾壓，用小型推土機堆成蜂窩狀起伏的、凹凸不平的疏松土層。微地形塑造方法為：按照中間低，四周高的方式推土，田面長度宜為200～500 m，寬度宜為100～200 m，要求中間最低點高程低于四周最高點高程20 cm，形成一個盤狀蓄水單元。優化后的平臺可防止暴雨時的大面積徑流沖刷，同時虛土沉降過程中，可一定程度填補沉陷裂縫，為植物根系提供一定的低下空間，為生土熟化提供良好的條件。優化后穩定排土場生境為生物多樣性恢復提供了條件。

2.2.2 平臺半自然生境建造方法

針對平朔排土場平臺復墾為耕地時農業景觀單一化的問題，宜在農地中構建為動物提供避難所、食物源、繁育場所和遷移的廊道的半自然生境，主要包括田間道、擋水墻和防護帶等。田間道布設的方法：平臺擋水墻內側，修建路基寬度為4～5 m，路高為0.5 m的道路并在道路兩側種植適生的喬木和灌木，并留有一定寬度的道路緩沖帶，為動物提供多樣化生境。擋水墻的修筑方法：排土場平臺邊緣應修筑坡肩擋水墻，坡肩擋水墻采用剝離的黏質土壤修建并在擋水墻頂部種植適生灌木營造保護帶。

2.2.3 邊坡優化方法

平朔排土場邊坡具有大坡長、高坡度、松散等特點且復墾后一般用作林地，是礦區生境再造的重點區域。一般來看，邊坡的坡形、坡向、坡度和坡位對植被群落發育，土壤動物、微生物群類及密度均有顯著影響[17-18]。為增加邊坡穩定性，同時與周邊地貌融合，并為動植物恢復提供有利生境，邊坡的設計宜模仿自然地形，設置凹形、彎曲式緩坡，并在坡面上用天然材料修筑網格狀攔水網或擋水坎或者魚鱗坑，控制邊坡水土流失，增加景觀異質性。

2.3 土壤重構技術優化

土壤是地上部分生物多樣性的載體，且土壤中的生物多樣性遠高于地上部分生物多樣性。土壤生物多樣性不僅在凋落物分解和養分循環方面起著不可替代的作用，而且在植物群落維持演替方面也起著重要的作用[19]。露天開采徹底擾動了土壤結構，構造具有最適宜的物理、化學和生物性質的土壤介質是土地復墾的核心，也是加速礦區生物多樣性恢復的基礎。土壤重構技術優化主要包括基于生物多樣性恢復的表土剝離、表土存放、土體重構等內容。

表土是土壤中肥力最集中的部分同時貯藏著絕大多數可萌發土壤種子庫，在復墾后植被恢復中起著關鍵作用，因此需要對表土進行剝離。平朔礦區表土剝離宜采用推土機、鏟斗等機械挖掘為主、人工挖掘為輔的方式進行表土剝離施工，表土剝離厚度取決于表土的厚度和質量，一般剝離到犁底層(50 cm)即可保護土壤種子庫。

表土存放時間和存放方式顯著地影響土壤肥力的保存和恢復。平朔地區降雨會引起表土沖刷，對土壤結構和養分產生不利影響，故表土存放應避免雨季進行。表土存放方式主要有堆狀表土存放方式和大型表土堆存放方式。平朔礦堆狀表土存放方式對保持土壤養分、加速植被恢復的效果都顯著優于大型表土堆存放方式[20]，因此平朔表土存放宜以堆狀存放方式為主。堆狀表土存放的方法與平臺堆狀地面構造方法相似，即排土后不碾壓，用小型推土機堆成蜂窩狀起伏的、凹凸不平的疏松土層。

針對排土場構造中擾動土體結構不利于土壤質量恢復的問題，宜采用分層構建的方法恢復土體結構。具體方法是按照“土石混排→生土→表土”從下至上分層構建土體，該方法一方面可以保證土壤水分的入滲，減少地表徑流的形成，另一方面保證了土壤的通透性，適于植物生長。

2.4 植被重建技術優化

植被重建是礦區土地復墾的關鍵。營造多樣化的、適生的喬、灌、草配置模式是平朔礦區植物多樣化的要求，同時也為大型動物和土壤動物、微生物生境多樣化提供基礎。從景觀層面來看，植被配置模式的多樣化也是景觀結構多樣化的內在要求。

2.4.1 先鋒植物篩選原則

1)具有顯著水土保持能力的種屬。可以涵養水源，減少地表徑流，防止水土流失。

2)具有抗干冷逆境的能力。對瘠薄、風害、干旱、凍害、病蟲害以及粉塵污染等不良立地因子有較強的忍耐能力。

3)生命力較強，具有固氮能力，能顯著改良土壤質量并形成穩定的植被群落。

4)根系發達，根系分蘗性強，生長速度快，能網絡固持土壤。地上部分生長迅速，枝葉茂盛，凋落物能盡快的覆蓋地面，有效地阻止水蝕、風蝕。同時，枯枝落葉易于腐化分解，能形成松軟的枯枝落葉層，顯著提高土壤的水肥保持能力。

5)播種栽植較容易，成活率高。育苗簡易，種源豐富。

2.4.2 排土場植被重建技術

平朔礦區邊坡最終利用方向是永久性林牧用地，控制水土流失的有效植被覆蓋度應在80%以上，因此，植被配置模式可以“坡麓喬木×坡面灌木并混播豆科禾本科牧草×坡肩喬木”為主。

平臺除設置必要的道路和農田林網外，大部分的最終利用方向為優質農田，在 5～10年的恢復期間，應以過渡性的灌、草措施為主，配置模式以“灌木”或“豆科牧草”或“灌木×豆科牧草”效果較好。如2年內可能被掩埋的區段不宜種植；若3～5年內可能被埋，可選擇草、灌種植，若在20年以上才可能被掩埋，則可選擇速生喬木，使其成材。

2.5 景觀格局優化方法

平朔礦露天開采和排土場修建造成景觀碎裂化、單一化和連通性降低是礦區生物多樣性喪失的主要原因之一，其對礦區生物多樣性的威脅主要包括：①礦區土地挖損、壓占、塌陷與復墾后“平臺-邊坡”地貌減少了物種恢復的生境總面積，降低了生物多樣性整體規模；②各排土場之間缺少動物遷移廊道，分隔了大型動物和土壤動物種群交流，有可能增大物種小眾化的風險。借鑒景觀優化的一般方法，根據礦區景觀的特殊性，可以將礦區景觀格局優化分為兩個步驟，即礦區生態源的確立和生態廊道的確立。特別地，黃土丘陵區土地復墾的一個重要方向是建設高質量耕地，但高質量耕地建設過程中的集約化農業生產方式往往導致生境喪失與破碎化，引起生物多樣性破壞。此外，若礦區土地復墾后采取集約化農業生產方式，還會損害生態系統中物種多樣性維持、傳花授粉、害蟲控制等生態系統服務功能[23]。因此，應在土地復墾階段就應進行農業生態景觀格局優化，防止集約化農業生產方式對生物多樣性帶來的危害。

2.5.1 礦區景觀格局優化方法

生態源地是具有一定的空間連續性和擴展性的、可以促進景觀過程發展的景觀組分[21]。平朔礦區可以選擇植被覆蓋率高、空間上連續且面積較大的西排土場、南排土場和內排土場的復墾林區以及礦區大型的人工湖作為礦區生態源地。在生態源地周圍應建立緩沖區，提高景觀生態功能。

生態廊道主要功能是連接各生態源地，主要采用累積耗費阻力模型識別[22]。利用ArcGIS中成本距離功能計算獲得礦區各生態源地之間的累積耗費距離表面，參考水文分析的方法，在累積耗費距離表面上提取生態流的“谷線” 和“脊線”，通過鄰域分析得到最小耗費路徑和最大耗費路徑。在此基礎上，結合礦區具體景觀特征，將最小耗費路徑作為礦區的生態廊道。確定生態廊道后，還應根據礦區實際情況，在各廊道兩側設置緩沖區。在一些由于土地利用的特殊要求而限制廊道寬度的地帶，應保留一些重要的生態斑塊(生態節點)，作為生物遷徙的“踏腳石”與雨洪調蓄的緩沖區。平朔礦區景觀格局優化概念圖見圖2。

2.5.2 礦區農業景觀格局優化方法

礦區尺度來說，應保障農業可持續發展和生態安全相結合，合理規劃和設計耕作區和生態涵養用地以及生態基礎設施用地的空間分布。平朔排土場陽坡較陰坡有更好的光、溫等立地條件，而下坡較中、上坡有更優的土壤理化性質，緩坡較陡坡更利于作物生長[24]，宜將上述區域作為農業生產用地。還應在上述農業用地間穿插布設生態用地(包括林地、草地、水體和防止人類干擾和農業污染負面影響的生態緩沖區，以及維持和促進生物流通過程的生物廊道)和生態基礎設施用地(包括閑置地、雜草帶溝渠、未硬化小道、農田邊界帶、樹籬等)。

圖2 平朔礦區2015年土地利用現狀圖及其景觀格局優化概念圖

在地塊尺度上，應重視玉米、蕎麥等作物種植搭配的時空異質性，通過多樣化的種植模式，更加多樣化的景觀要素、生境和物種，促進農田生物多樣性及其生態服務功能的發揮，避免單一種植帶來的害蟲和疾病的易感性，控制化學農藥施用。

3 研究結論與討論

1)根據生物多樣性恢復相關理論，生境再造和景觀格局優化是礦區生物多樣性恢復的重要手段。平朔露天礦生物多樣性恢復關鍵技術包括礦區排土場平臺、邊坡形態優化，建立仿自然地貌；構建有利于土壤生物多樣性恢復的土壤剖面結構和植被條件，并進行礦區景觀結構優化，建立生態源和生態廊道；進行農業景觀結構優化，實施生態農業等。

2)從景觀格局優化的角度促進生物多樣性恢復是礦區生物多樣性恢復的重要途徑。本研究從一般的景觀優化的角度探討了礦區景觀優化的技術與方法，但是該技術和方法實際應用不足，需要進一步在實踐中深化和完善。此外，尚有許多景觀格局問題需要進一步研究，比如：排土場重塑后的地貌如何才能與周圍地貌進行更好的融合？閉礦后，采坑的復墾將會成為露天煤礦復墾的重點，如何因地制宜復墾可以加速礦坑生物多樣性恢復同時使之與周邊景觀更好融合？

3)最近國外也展開了若干基于生物多樣性的土地復墾技術研究，比如，在地貌重塑方面，德國Rhinel礦在復墾中摒棄了傳統的“平臺-邊坡”模式的地貌塑造方式，而嘗試將地貌塑造為標高相近的平原地貌[25]。關于表土剝離中土壤種子庫的保護問題，澳大利亞等國家在復墾中不僅提倡保護土壤種子庫，而且要求提高土壤種子庫萌發率。國內黃土區和草原區露天煤礦土地復墾中表土剝離厚度往往根據土壤發生層確定，而國外的復墾研究已經證明，根據土壤發生層厚度進行表土剝離往往會降低種子庫的密度和萌發率，因此，國外土地復墾時強調表土的分層剝離，尤其強調對0～5 cm表土的剝離和保存[26]。南非、澳大利亞以及一些南美洲國家的土地復墾經驗還表明，用本土植物燃燒產生的煙熏剝離的0～5 cm表土層，不僅可以提高種子庫萌發率，還可以加速種子發芽[27]。此外，還有學者有研究提出生物多樣性保護新方法-VDT(Vegetation Direct Transfer)方法，即將土壤和上面附著的植被從原地貌直接剝離，放在在卡車甲板上，并在三十分鐘內將植物運輸到待復墾區[28]。實踐證明，VDT方法復墾后植被群落和動物群落恢復迅速，大約6個月內可以恢復到破壞前水平，但該復墾方法要求表土層較薄，植被覆蓋度低，有可轉移表土的合適復墾區域，利于原始動物群落恢復的待復墾地形。總體來看，上述方法對土地生物多樣性恢復效果顯著，并對我國土地復墾又一定的借鑒意義，但上述方法在實際推廣中仍存在明顯的局限性：表土的分層剝離以及利用煙熏方法提高土壤種子庫萌發率的方法更適于小范圍、重點物種的保護，大尺度推廣需要高昂的經濟成本；而VDT方法要保證復墾成功，則需要嚴格控制各個操作環節。

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采選技術

Technology system and method of biodiversity restoration for the reclamation of opencast coal mine：a case study from the dumps in Pingshuo mine

YUAN Ye1，ZHAO Zhongqiu1，2，BAI Zhongke1，2，NIU Shuye1，WANG Yangyang1，LI Xueyan1
(1.School of Land Sciences & Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

Biodiversity provides us with the living resources and environment.However，opencast mining damages the ecological systems and biodiversity，and technology related to biodiversity was scarce in land reclamation.In order to accelerate biodiversity restoration and improve the stability of mine land reclamation ecological system，we attempted to propose biodiversity restoration technology from mining habitat reconstruction and landscape pattern optimization based on empirical technology and biodiversity restoration methods and Pingshuo opencast coal mine was taken as the example.The results showed that：habitat reconstruction and landscape structure optimization were important means to recovery biodiversity；the optimization of platform and slope of dumps promoted biodiversity；the applying of implements of soil and vegetation reconstruction and optimization of mine landscape structure could also improved biodiversity.In addition，the establishment of ecological source and ecological corridor were necessary.Due to the proportion of reclaimed cropland is large，the implementation of ecological agriculture mode and agricultural ecological landscape structure optimization should also be adopted.

opencast coal mine；reclamation；biodiversity；technology；method

2017-03-28 責任編輯：劉艷敏

國土資源部公益性行業科研專項項目資助(編號：201411017)

原野(1989-)，男，山西晉城人，博士研究生，主要研究方向為土地利用工程，E-mail：1054943649@qq.com。

趙中秋(1975-)，女，教授，河南周口人，博士生導師，主要研究方向為土地退化的環境效應及其生態修復研究，E-mail：zhongqiuzhao@163.com。

TD88

A

1004-4051(2017)08-0093-06