礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃設計

楊翠霞+張成梁+劉禹伯+鄭艷

摘要：以自然流域地貌形態(tài)特征和植被群落特征作為規(guī)劃設計的參照標準，探討礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復的特征與營造原則，構(gòu)建近自然地形恢復、土壤重構(gòu)、近自然植被重建等廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃設計的框架，并以周口店廢棄采石場為例，對其近自然生態(tài)修復進行規(guī)劃設計，探索礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復的規(guī)劃原理與技術，為礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復規(guī)劃設計提供借鑒與參考。

關鍵詞：近自然；礦區(qū)廢棄地；生態(tài)修復；小流域；規(guī)劃設計；周口店

中圖分類號： TD88；X171.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0269-04

收稿日期：2016-11-17

基金項目：遼寧省自然科學基金指導計劃（編號：201601274）；大連工業(yè)大學青年基金（編號：QNJJ-201423）。

作者簡介：楊翠霞（1976—），女，河南禹州人，博士，副教授，從事景觀生態(tài)修復規(guī)劃設計及其GIS技術應用研究。E-mail：ycuixia@126.com。

通信作者：張成梁，博士，研究員，從事環(huán)境生態(tài)修復技術研究。E-mail：zhang64@126.com。礦區(qū)資源開發(fā)與利用一直以來都與國民經(jīng)濟建設和工程建設緊密結(jié)合，但也帶來大量地表采礦跡地遺留、山清水秀景觀遭到破壞、地表塌陷引發(fā)地質(zhì)災害、水源涵養(yǎng)降低及水土流失嚴重等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。運用景觀相關學科對礦區(qū)廢棄地進行生態(tài)修復，不僅可以防止地質(zhì)災害發(fā)生，提升礦區(qū)美學價值，還可以對修復后的礦區(qū)特性進行再利用，再次活化并賦予其新的生機，國外的德國科特布斯露天礦區(qū)改造、北戈爾帕露天煤礦廢棄地景觀改造、加拿大布查特花園等[4]，國內(nèi)的河北唐山南湖濕地公園、湖北黃石國家礦山公園、辰山植物園西礦坑區(qū)景觀設計、浙江紹興東湖風景區(qū)等，這些都是礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復再利用的典型案例。

大自然本身具有自我更新和再生能力，其自身原始的生態(tài)系統(tǒng)特征給礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復提供了最重要的參考依據(jù)[5]。礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復目標之一是營造近自然的生態(tài)環(huán)境。目前，近自然原理已在河流治理、城市規(guī)劃、農(nóng)林業(yè)等方面取得顯著的生態(tài)效果[6-8]，這為礦區(qū)廢棄地的近自然生態(tài)修復奠定了理論和實踐基礎。礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復在《全國土地利用總體規(guī)劃綱要（2006—2020年）》和《土地復墾條例實施辦法》（2013年）的支持下，通過景觀設計的方法與途徑來協(xié)調(diào)人與自然的關系，進而恢復廢棄地的生態(tài)價值、經(jīng)濟價值、社會價值并服務于人類，這對礦區(qū)廢棄地的可持續(xù)發(fā)展利用具有重要的現(xiàn)實意義，而分析礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復特征，探討其規(guī)劃設計原理與方法，是礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復近自然化的關鍵問題之一。

1礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復特征與構(gòu)建原則

1.1礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復的概念及特征

礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復是利用自然系統(tǒng)的自我有機更新再生能力，借鑒鄰近未擾動礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能，在尊重自然過程與自然格局基礎上，通過地形恢復、土壤重構(gòu)、植被重建等有機結(jié)合的人工誘導方式，逐步接近或達到鄰近未擾動礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的人工營造自然生態(tài)。接近自然生態(tài)修復是礦區(qū)廢棄地的修復目標，不僅使地形恢復，滿足其坡面、溝道產(chǎn)流、匯流間的動態(tài)平衡，還促使土壤重構(gòu)，滿足植被重建的生態(tài)環(huán)境多樣性，有效提高復墾后土地的生產(chǎn)能力，維護生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡和相對穩(wěn)定。近自然生態(tài)修復其實就是礦區(qū)環(huán)境管理的一種手法，一種關于生態(tài)系統(tǒng)的控制方式，并試圖還原生態(tài)系統(tǒng)的自我修復能力，促使其重新自我繁衍、治愈受到傷害的生態(tài)系統(tǒng)。

礦區(qū)廢棄地屬極度退化生態(tài)系統(tǒng)或不可逆轉(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)礦區(qū)廢棄地在開發(fā)、修復、重建過程的生態(tài)系統(tǒng)特征，結(jié)合白中科等對礦區(qū)環(huán)境退化與重建關系的研究[9]，可將其劃分為4個階段（圖1）：一是原脆弱礦區(qū)資源生態(tài)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對完整、功能相對完善，自我維持；二是人類開發(fā)利用礦區(qū)資源，造成其原有自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)循環(huán)與能量流動失調(diào)，形成自然環(huán)境惡化、坍塌滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生、植被稀疏等極度退化的礦區(qū)資源生態(tài)系統(tǒng)；三是為改變或加速礦區(qū)環(huán)境達到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，通過生物技術、生態(tài)工程、化學應用等人工誘導方式來彌補礦區(qū)環(huán)境遭受的破壞，規(guī)劃與構(gòu)建礦區(qū)廢棄地的近自然生態(tài)修復；四是在礦區(qū)地形恢復、土壤重構(gòu)、植被重建基礎上，廢棄地生態(tài)系統(tǒng)重新被營建為有機自我運作的系統(tǒng)，其自身結(jié)構(gòu)功能逐漸完善，達到自我動態(tài)調(diào)整狀態(tài)，形成可持續(xù)、結(jié)構(gòu)與功能多樣化的近自然生態(tài)系統(tǒng)。

1.2礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)構(gòu)建的基本原則

礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)構(gòu)建是以生態(tài)學、地理學、水土保持學、風景園林學、流域地貌學等理論為基礎，遵循礦區(qū)鄰近未擾動自然生態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，通過模仿自然的地形水文特征和土壤結(jié)構(gòu)特性，接近本土的植物配置，營建結(jié)構(gòu)功能完整、協(xié)調(diào)的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，有利于礦區(qū)的土地復墾與生態(tài)重建。礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)構(gòu)建的5條原則為在生態(tài)思維和可持續(xù)發(fā)展理念下，運用適宜的科學方法對礦區(qū)廢棄地進行整治、修復和再利用，促進地形水文協(xié)調(diào)，地形地貌、土壤重構(gòu)、植被演替過程相似，達到依靠自然與人工促進的生態(tài)修復目的；以小流域為單元，在考慮上下游小流域特征前提下，對礦區(qū)廢棄地的坡面和溝道重新規(guī)劃，滿足當?shù)刈匀画h(huán)境條件下的產(chǎn)流、匯流，促進坡面、溝道的自我演化潛力，促進土壤結(jié)構(gòu)演變，為植被重建提供良好的工程基礎；對礦區(qū)廢棄地的土壤物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、生物性質(zhì)等進行研究，通過各種農(nóng)藝措施改善其透水性、保肥供肥性、蓄水保水性等狀況[2]，為植被恢復和生態(tài)重建提供良好的立地條件；在保護自然、順應自然的基礎上，參照鄰近未擾動植被系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化、功能多元化、生物多樣化特征，調(diào)整其群落結(jié)構(gòu)，構(gòu)建礦區(qū)廢棄地植被近自然化，并促進其自維持機制，逐步實現(xiàn)人工群落結(jié)構(gòu)的近自然化[10]，為礦區(qū)動植物提供更適應的生存棲息生境；近自然化動態(tài)調(diào)控是構(gòu)建礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)環(huán)境的必要途徑，通過近期、中長期修復相結(jié)合，促使地形恢復演化、水土資源調(diào)控、先鋒植物引入、喬灌草搭配等，逐步趨向動態(tài)、平衡的自然生態(tài)演替。endprint

2礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃的研究框架

礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復涉及學科、技術比較多，范圍比較廣，一方面是通過規(guī)劃礦區(qū)廢棄地的小流域坡面與溝道，恢復符合當?shù)丨h(huán)境下地貌演變過程中侵蝕作用的地形，另一方面是通過人工營造與植被自然發(fā)育結(jié)合，促進廢棄地植被群落體系的近自然化。礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復是根據(jù)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)建設和礦區(qū)土地的利用規(guī)劃，對現(xiàn)有礦區(qū)廢棄地的氣候條件、地形地貌、土地利用狀況、植被等進行調(diào)查，在對礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復進行優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅分析（SWOT）的基礎上，采用生態(tài)思維和可持續(xù)發(fā)展理念，運用小流域治理方法，從礦區(qū)土地利用規(guī)劃、生態(tài)建設與保護、社會經(jīng)濟出發(fā)，利用ArcGIS平臺空間分析和因子評價、借鑒礦區(qū)鄰近未擾動的場地特征來確定廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃方案（圖2）。由于礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復較易受地形恢復的影響[11]，因此，對礦區(qū)鄰近未擾動場地流域特征的結(jié)構(gòu)模式、流域面積、流域高程差、溝道密度、坡度、坡向、坡面形態(tài)等進行調(diào)查，為后期的土壤重構(gòu)、植被重建等生態(tài)修復近自然化提供最基礎的骨架。

3周口店采石場廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃設計

3.1采石場廢棄地概況和研究數(shù)據(jù)來源

周口店采石場廢棄地位于北京房山區(qū)周口店北京人遺址博物館的西南附近，39°43′50″N、115°57′42″E，是房山區(qū)采石場主要集聚區(qū)之一，屬暖溫帶半濕潤地區(qū)，年平均氣溫11 ℃左右，多年平均降水量為655 mm，且集中在6—8月份；地貌類型為典型的、以石灰?guī)r為主的華北低山丘陵區(qū)，土壤主要為棄采石場渣土堆積而成的多礫、石砂壤土；天然植被稀疏，次生植被和栽培植被占優(yōu)勢，由于開采前土地利用類型主要以林業(yè)用地為主，鄰近未擾動礦山的植物種類比較豐富，林地主要有樺木、遼東棟、山楊、北鵝耳櫪、山柳等植被， 草灌主要有

高羊茅、狗尾草、繡線菊、荊條、黃草、酸棗等，人工栽培植被主要有火炬樹、油松、側(cè)柏等。

根據(jù)實際施工需要精度，研究區(qū)數(shù)據(jù)采用Topcon影像全站儀測量得到的點數(shù)據(jù)。在ArcGIS 10平臺上，將測量的點數(shù)據(jù)在Beijing 1954投影坐標系下生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）格式；通過與現(xiàn)場的比對和校正，將TIN內(nèi)插生成規(guī)則柵格數(shù)字高程模型（DEM），考慮到采石場后期的施工精確性，生成DEM精度為0.5 m的規(guī)則柵格（圖3）。

3.2采石場廢棄地生態(tài)修復SWOT分析

周口店采石場廢棄地研究區(qū)面積為25.6 hm2，地形相對高差為66 m（圖3），坡度小于25°的面積約占總流域面積的69.58%，坡度大于35°的面積約占總流域面積的1342%（圖4）。研究區(qū)土地主要為棄石渣土堆積而成，根據(jù)研究區(qū)所在礦區(qū)土地復墾規(guī)劃和周口店鎮(zhèn)總體規(guī)劃，復墾后的土地利用類型主要為林業(yè)生產(chǎn)用地。研究區(qū)距離北京人遺址博物館相對較近，土地貧瘠，周圍未擾動的次生植被和人工種植植被群落豐富是該區(qū)域生態(tài)修復的優(yōu)勢。研究區(qū)旁邊有個已停產(chǎn)的大型水泥廠，其中好多加工設施、設備銹跡斑斑，附近的采石作業(yè)區(qū)仍在進行，生態(tài)環(huán)境比較差、治理費用相對高昂是研究區(qū)的劣勢。近些年，北京政府比較重視礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改造，鄉(xiāng)村旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，這為廢棄地生態(tài)修復提供了一定機遇。對廢棄采石場來說，影響其生態(tài)修復最重要的因素之一是地形恢復，而相應的修復技術能為后期土壤重構(gòu)、植被重建提供基礎保障，因此，相應修復技術的研發(fā)是采石場廢棄地修復的迫切需求。

3.3采石場廢棄地近自然地形恢復和植被重建的規(guī)劃設計

廢棄地近自然地形恢復規(guī)劃設計主要以小流域為單元，參照鄰近未干擾的地形地貌水文特征，利用生態(tài)思維與可持續(xù)發(fā)展理念及3S空間分析技術對坡面、溝道進行重新規(guī)劃設計，滿足構(gòu)建后的小流域產(chǎn)流、匯流間的動態(tài)平衡[12]，其目標是利用自然系統(tǒng)的自我有機更新再生能力，使重建的坡面和溝道不僅更加接近于所在環(huán)境的原自然坡面和溝道形態(tài)，還與鄰近未干擾的景觀相協(xié)調(diào)，符合地形地貌演變過程中的侵蝕作用。由于采石場廢棄地大都為松散碎屑組成的物質(zhì)體，而這些物質(zhì)體組成的流域為典型的樹枝狀結(jié)構(gòu)[13]，因此，近自然地形恢復設計的小流域為單根樹枝狀的流域結(jié)構(gòu)。根據(jù)國內(nèi)外對相關小流域地貌形態(tài)綜合指標、礦區(qū)廢棄地地形恢復設計的相關研究發(fā)現(xiàn)，影響小流域坡面和溝道規(guī)劃設計的關鍵因子為小流域面積、溝道密度、平均坡度、高程差[5，14-15]，這基本代表了小流域地貌形態(tài)的特征。因此，利用鄰近未干擾區(qū)域的數(shù)字地形和現(xiàn)場測量，計算出未干擾小流域地貌形態(tài)特征的主要特征值（表1），并作為采石場廢棄地近自然地形恢復設計的目標值。由表1可知，規(guī)劃設計的近自然地形平均坡度比設計目標值減少12.5%，平均溝道密度比設計目標值161.53 m/hm2增加5.36%，地勢相對平緩，這為后期地形演變過程的侵蝕、搬運和堆積提供了條件；對規(guī)劃設計的近自然地形進行坡度分級比較發(fā)現(xiàn)，規(guī)劃設計坡度<25°的面積所占總面積的百分比增加16.03%，坡度>35°的面積所占的百分比減少49.2%。在規(guī)劃設計采石場廢棄地的坡面和溝道時，一方面要兼顧地形恢復的演變過程及植被恢復的過渡期特征，規(guī)劃設計的小流域溝道密度應大于或接近礦區(qū)鄰近未干擾小流域的溝道密度；另一方面是構(gòu)建適宜的溝道排水系統(tǒng)，主溝道位置要考慮周圍的區(qū)域溝道位置和上游的徑流量。因此，根據(jù)圖3的空間、水文分析及周圍場地環(huán)境，重新規(guī)劃設計出子流域（圖4），通過局部調(diào)整小流域的溝道位置和坡面形態(tài)特征，使設計的小流域形態(tài)特征指標達到目標，使溝道蜿蜒化處理，減緩了水流速度，蓄水保土的同時也構(gòu)建了一個相對穩(wěn)定的蜿蜒自然模式水系，最大程度上達到自然狀態(tài)。

近自然地形恢復規(guī)劃設計與土壤重構(gòu)是同步進行的，一方面通過生物、化學技術對表層土壤進行基質(zhì)改良，改善土壤的理化性狀，另一方面可采取就近取土原則，把附近采石場、水泥廠及大量城鎮(zhèn)建設開發(fā)中的廢棄渣土放在土層深部。在近自然植被重建過程中，為避免太人工化的植物配置和營造，通過借鑒鄰近未干擾植物群落組成、結(jié)構(gòu)特征和演替規(guī)律，采用鄉(xiāng)土樹種按照灌木避讓喬木、速生樹避讓慢生樹原則，重建富有自然氣息的常綠落葉、闊葉混交群落，使近自然植被的地域性更加顯著。根據(jù)張艷等對周口店采石場植被的調(diào)查，采石場廢棄地應在植被重建初期播種豬尾草、高羊茅、豬毛草等為主的草本植物；在植被重建中期播種或栽植以荊條、紫穗槐等為主的灌木，使植物群落從草類向草本類植被過渡；在恢復后期應栽植易成活的臭椿、荊條、側(cè)柏、火炬樹等苗木[16]。endprint

4結(jié)論

礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復是礦區(qū)土地復墾與可持續(xù)發(fā)展的重要基礎內(nèi)容和重點研究問題之一，在其規(guī)劃設計中應結(jié)合鄰近未擾動區(qū)域的小流域地貌形態(tài)特征和植被群落特征，構(gòu)建相對穩(wěn)定的近自然地形、植被，并與周圍景觀相和諧。本研究規(guī)劃設計的近自然地形溝道密度與鄰近未干擾的目標值比較接近，平均坡度也相對較小，地勢起伏變化小，符合后期地形地貌形成過程中的侵蝕作用和近自然植被群落演變過程。礦區(qū)廢棄地近自然生態(tài)修復規(guī)劃設計的框架本質(zhì)是一種利用自然系統(tǒng)自我有機更新能力的再生設計，也是一種借助自然生態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)化設計，但對礦區(qū)廢棄地生態(tài)重建的共性特征、數(shù)字化流域特征等還須進一步研究，礦區(qū)廢棄地的近自然地形恢復、土壤重構(gòu)和植被重建間的相互關系也是今后礦區(qū)廢棄地研究的一個重要方向。

參考文獻：

[1]左尋，白中科. 工礦區(qū)土地復墾、生態(tài)重建與可持續(xù)發(fā)展[J]. 中國土地科學，2002，16（2）：39-42.

[2]潘瓊，潘峰. 湖南省冶礦城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀及評估[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（10）：405-410.

[3]樊金拴，左俊杰，霍鋒. 煤矸石廢棄地景觀恢復研究[J]. 西北林學院學報，2006，21（2）：27-29.

[4]王向榮，林箐. 西方現(xiàn)代景觀設計的理論與實踐[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：161.

[5]Hancock G R，Loch R J，Willgoose G R. The design of post-mining landscapes using geomorphic principles[J]. Earth Surface Processes and Landforms，2010，28（10）：1097-1110.

[6]李曉穎，王浩，申世廣. 景觀·產(chǎn)業(yè)·游憩——三位一體生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園規(guī)劃設計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2010（5）：271-273.

[7]高甲榮. 近自然治理——以景觀生態(tài)學為基礎的荒溪治理工程[J]. 北京林業(yè)大學學報，1999，21（1）：80-85.

[8]王雅云，馬錦義，薛亮. 廢棄采石場生態(tài)修復背景下的休閑農(nóng)業(yè)園規(guī)劃探討[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2010（1）：174-177.

[9]白中科，趙景逵，朱蔭湄. 試論礦區(qū)生態(tài)重建[J]. 自然資源學報，1998，14（1）：35-41.

[10]張慶費，胡永紅. 上海郊野公園近自然植被構(gòu)建途徑與設計研究[J]. 上海城市規(guī)劃，2013（5）：24-28.

[11]Toy T J，Black J P. In reclamation of drastically disturbed lands[M]. Madison：American Society of Agronomy，2000：41-75.

[12]楊翠霞. 露天開采礦區(qū)廢棄地近自然地形重塑研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學，2014.

[13]Bloom A L. Geomorphology，a systematic analysis of late Cenozoic landforms[M]. New Jersey：Prentice Hall，1978.

[14]錢寧，張仁，周志德. 河床演變學[M]. 北京：科學出版社，1987.

[15]Gardiner V. Drainage basin morphometry：review and assessment[J]. Progress in Physical Geography，1978，2（1）：1-35.

[16]張艷，趙廷寧，史常青，等. 北京山區(qū)采石場邊坡植被恢復動態(tài)研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（6）：61-66.黃會前，何騰兵，鄧廷飛，等. 黃壤性水稻土氧化鐵形態(tài)及剖面分異特征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（17）：273-276.endprint