草原煤電基地景觀生態恢復技術策略

雷少剛，張周愛，陳 航，吳振華，宮傳剛，卞正富

(1.神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021500; 2.中國礦業大學 礦山生態修復教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116)

東部草原區位于中國生態安全“兩屏三帶”的北方防沙帶，該區域氣候寒冷、干旱缺水，生長期短，生物量低，生物鏈簡單，生態系統中物質循環和能量轉換過程緩慢，致使其生態環境脆弱。該區域聚集了我國蒙東煤炭基地和呼盟錫盟煤電基地，以露天開采為主，產能超4億t，約占東北區產能的57%，保障了區域煤炭供應，成為了國家重點建設的大型煤電基地之一[1]。近10 a來，隨著礦產資源與畜牧業持續開發，優質草地面積下降了近一半[1];同時，大型煤電基地集群式、大規模、高強度、持續性開發引發植被破壞、水土流失、土壤沙化、地下水位下降等一系列生態環境與社會問題[2-5]，勢必將影響東北能源保障和生態屏障作用的發揮。該區域的生態修復和綜合整治成為了國家生態安全的重大課題[1]。

大型煤電基地因挖損、壓占、塌陷、復墾等生產建設活動對生態環境的影響在不同尺度(個體、種群、群落、生態系統、景觀/區域等)的表現形式、累積程度及其生態恢復方式都有所不同。因此，礦區生態系統恢復必然是跨尺度，多等級的，必然涉及受損生態系統與周圍環境的關系以及生態系統之間的結構、功能與過程的恢復。整體上，礦區生態恢復正在從土壤重構、植被重建等單一生態環境要素修復，向生態系統結構及其生態功能恢復方向拓展。景觀是由相互作用的多個生態系統組成的異質性地理單元[6];景觀生態恢復則是通過修復、創建或重組等手段調整景觀組分與空間格局，協調退化的生態過程，改善受損生態系統功能，保持區域生態系統的穩定性[7-8]。因此，景觀生態恢復是東部草原煤電基地生態安全格局構建的關鍵途徑。

目前，國內外學者圍繞礦區景觀生態開展了一系列的研究，主要集中在景觀格局變化[9-10]、景觀生態類型劃分[11]、景觀生態健康調查與評價[12-15]、景觀生態規劃[16-17]和景觀生態空間格局模擬優化[18-19]等方面。總的來說，針對草原煤電基地長期高強度開采驅動下景觀破碎、生態結構缺損與功能失調等景觀生態問題的影響機理不明確，亟需的景觀生態恢復的技術研發不足，包括缺少針對草原煤電基地景觀生態分類體系研究;無統一的礦區景觀生態健康評價標準;缺乏景觀格局改變產生的物質流、能量流等生態過程的機理性研究;需研發適用于礦區尤其是草原區煤電基地景觀格局模擬與優化模型;現有生態恢復技術修復模式單一，礦業景觀與自然景觀融合度低，缺少整體格局優化與關鍵部位/組分修復綜合的景觀生態恢復技術體系。

筆者以恢復生態學、景觀生態學為理論基礎，從礦區景觀生態恢復角度入手，以我國東部草原煤電基地的勝利礦區與寶日希勒礦區為研究區，在植被、土壤、地形等現場調查基礎上，借助多期遙感監測與數值模擬等認識手段，探討東部草原煤電基地景觀生態面臨的典型問題及其景觀生態恢復的關鍵技術策略。

1 草原煤電基地典型景觀生態問題

1.1 礦業開發誘發草原景觀基質破碎化

采用2002,2005,2008,2011,2014,2017年共6期TM遙感數據，使用支持向量機結合目視解譯將研究區分成13類，得到了錫林浩特勝利礦區景觀格局變化圖(如圖1所示，各年份影像分類精度Kappa系數0.85～0.89)，以及景觀格局指數(表1)。可以看出，礦業景觀整體呈現逐漸增加趨勢，尤其是2005—2014年增速較快;包括城鎮建設用地景觀、工業倉儲用地景觀、鐵路景觀、道路景觀在內的城鎮景觀也呈現逐年遞增趨勢，尤其是2005—2011年城市擴張勢頭迅猛;然而草地景觀持續遞減。顯然，煤炭資源的開發、城市的擴張、道路建設及工業的發展占用了大量的草地。

圖1 2002—2017年勝利礦區景觀格局變化Fig.1 Landscape change of the Shengli Mine from 2002 to 2017

表1 2002—2017年勝利礦區景觀格局指數與分類精度Kappa系數
Table 1 Landscape index of the Shengli Mine from 2002 to 2017

年份NPPDLPILSICONTAGIJIDIVISIONAIKappa系數20021230.1073.036.0391.9943.320.4698.970.8920051800.1574.407.9789.4347.590.4598.580.8820082320.1961.2110.0284.9754.440.6298.180.8620113630.2955.6013.7279.9055.710.6997.430.8620144760.3951.6315.5277.7756.500.7397.070.8620174920.4045.2616.4176.8155.470.7996.890.85

景觀指數逐年增加的有:斑塊數量NP(Number of Patches)、斑塊密度PD(Patch Density)、景觀形狀指數LSI(Landscape Shape Index)、散布與并列指數IJI(Interspersion Juxtaposition Index)、景觀分離度DIVISION(Landscape Division Index);逐年遞減的有:最大斑塊所占景觀面積比例LPI(Largest Patch Index)、蔓延度指數CONTAG(Contagion Index)、聚合度AI(Aggregation Index)。總體來看，研究區斑塊數量逐漸增多，景觀斑塊越來越分散，斑塊形狀越來越復雜多樣化，研究區景觀格局越來越破碎。

1.2 礦區地形地貌變化誘發的水土流失

大規模露天開采形成的大面積挖損區和排土場，導致區域地形地貌與水文條件明顯改變[20]，進而引起了草原煤電基地水土流失與沉積的分布格局變化。圖2為勝利礦區2000年開采前以及2016年的地形變化狀況。現存的大量采坑和排土場使得研究區高程分布范圍較采前更廣，排土場斜坡-平臺的分布使相應高程點占比較采前有明顯突起，突起間隔與排土場單個臺階高度有關。采前研究區整體坡度呈西高東低狀態，地勢起伏變化不明顯，采后礦坑挖損和排土場堆積增加了區域的整體坡度。采用基于水土流失機理開發的GeoWEPP[21]模擬比較礦區開采前后因地形變化引起的水土流失與沉積結果差異(圖3)。可以看出，新增水土流失與沉積主要集中在露天開采區與排土場周邊。考慮到大部分采區與排土場植被覆蓋度低于原有自然植被覆蓋度，這也將進一步增加該礦區水土流失與沉積發生的程度與范圍。

圖2 勝利礦區開采前后高程、坡度變化Fig.2 Height and slope change before and after open pit mining for the Shengli Mine

圖3 開采前后地形變化對水土流失與沉積的空間影響模擬結果Fig.3 Modeling of the soil loss and deposit before and after the open pit mining

1.3 典型礦業景觀單元退化、生態可持續性差

露天煤礦生產形成的大規模內排土場和外排土場是草原煤電基地主要的人造堆墊景觀，不僅破壞了原有的地貌景觀和水文系統，還面臨著干旱缺水與水土流失的矛盾。近年來，露天礦日益向采排復一體化轉變[22]，但仍側重于生態重建中的工程目標、土壤、植被恢復，以及與之直接相關的微觀層面的恢復，還未從整體上統籌水、土、地形地貌等生態要素進行生態修復技術體系研發。隨著開采持續進行，將在草原形成大面積的內排土場。由于缺少流域全局觀念，與周圍草原自然地貌景觀和地表水文系統的銜接性考慮不足，回填內排土場易形成一馬平川的地貌類型。然而，大范圍平坦地貌并不是與該區域氣候條件相適應的穩定成熟地貌，在強降雨影響下，局部地貌仍將發生明顯水力侵蝕，局部淺薄的回填表土將流失，不利于生態恢復的可持續性。

此外，外排土場是一個地質不穩定體，其復墾方式往往形成單一臺階直線形邊坡，集中的自然降水與灌溉水不但不能被重建植被充分利用，在坡頂邊緣區還會形成強入滲，進而形成壤中流，造成坡面與坡面土體內部劇烈的水土侵蝕與局部暗涌，嚴重影響邊坡的穩定性;極端氣候條件下破壞現象更為嚴重，維護費用高昂。

2 草原煤電基地景觀生態恢復策略

筆者認為草原區煤電基地景觀生態修復策略是以草原景觀生態健康為出發點，通過景觀生態調查與健康性評價，以區域內景觀生態格局、過程、功能的演變規律與驅動機理為理論研究基礎;識別對區域景觀生態過程與功能有控制意義的關鍵部位或戰略性組分;在景觀尺度上，通過對水土流失、生物地球化學循環等過程模擬控制，建立景觀生態優化目標和標準;通過低影響開發、綠色基礎設施網絡等模式優化景觀組分在空間和數量上的分布與連通性，以最佳格局維持區域景觀生態健康;在內外排土場、采坑等重要礦業景觀斑塊尺度上，以維持其地質環境穩定性與生態可持續性為根本，控治其對周邊景觀基質或斑塊生境的影響，通過全生命周期近自然設計提升其與周邊草原自然地貌、水文的融合度。重點圍繞以下3個方面闡述。

2.1 景觀生態恢復的整體控治與關鍵景觀組分構建策略

草原煤電基地涉及多個礦山長時期的大規模持續開采，其景觀生態恢復首先需認識礦群開發對草原煤電基地景觀生態的綜合影響，從空間、時間、生態環境要素3個角度進行整體控治：① 在空間上整體考慮大量永久性外排土場、采坑、內排土場，以及其他工礦業景觀單元的空間格局與地貌形態的優化，并引入生態綠化帶、臨時性濕地單元等新的景觀組分，改善控制整個煤電基地的水土流失、地表水文過程、物質循環與污染物擴散等影響。② 在時間維上應認識到礦山開采的生命周期性，也即礦山景觀生態恢復的模擬、分析與設計都應結合礦山的開采規劃制定全生命周期的景觀生態恢復方案，避免各個階段景觀生態恢復方案的不連續性。③ 為保護區域景觀生態的整體性和連續性，不僅需考慮排土場等礦山景觀單元的土壤重構、土地整治、植被建設等環節，還應考慮其與周邊自然地貌的景觀融合度，提高其與周邊區域地表水文的連通性。同時，以現存防風林為核心，選擇生長期長、抑風滯塵能力強的灌木對已有防護林帶進行林下亞層及林分改造;并在關鍵部位上引入景觀組分，構建林灌帶、濕地、水體等綠色基礎設施與采損修復區、壓占場地、工業廣場等灰色設施相融合的草原煤電基地綠色基礎設施網絡。這將一方面實現對露天礦區嚴重的粉塵污染進行景觀阻隔控制，另一方面實現修復后的典型干擾斑塊與周邊自然景觀有機融合。

圖4為基于形態學分析與最小累積阻力模型得到的勝利礦區2種情景方案下的景觀生態網絡廊道，主要涉及4類廊道:物質流廊道、連接礦區內廊道、防粉塵廊道、城鎮綠化廊道。物質流廊道為勝利礦區規劃邊界外廊道;防粉塵廊道為規劃的主要用隔離采區下風方向的喬灌種植廊道;連接礦區內廊道即為連接規劃區域內外廊道;城鎮綠化廊道即為穿越城鎮區域的廊道。2種情景方案區別在于礦區排土場的是否為生態源地。圖4(b)假設排土場植被修復較好可作為生態源地時，相比現狀情況，可新增8個源地斑塊，廊道數量新增20條，使礦區內部連接更加緊密。

2.2 大型異構排土場水土資源調控與利用策略

東部草原煤電基地降雨量少且主要集中在夏季，大型排土場同時面臨著植被干旱缺水和邊坡水土流失以及坡體失穩之間的矛盾。由于排土場坡頂平臺未能形成疏水渠道，可斷定排土場坡頂降雨主要以入滲為主。當雨季持續降雨時，持續大量的水分入滲會使土體中細顆粒被地下水從粗顆粒的空隙中帶走，在土體中形成滲流通道，導致大量邊坡沖溝發育或坡體崩塌。由于施工進度、植被覆蓋、地表形態、土地利用、生態類型等差異影響，大型排土場地表水文過程比自然草原景觀生態過程更加復雜。如何充分利用雨水資源，減輕集中降雨引起的水土流失與植物生境退化是大型排土場生態修復亟待解決的關鍵問題之一。景觀生態學中認為景觀的尺度可大可小，因此大型排土場同樣可以按景觀生態學的原理進行空間格局優化，引入新的景觀組分，調控水土物質流過程，減輕水土流失，提高水資源的生態利用效率。

圖4 排土場修復效果對勝利礦區景觀生態網絡廊道構建的影響Fig.4 Impact of the dump sites vegetation on the landscape network

2.2.1排土場精細DEM構建與水土物質流分析

利用多期合成孔徑雷達衛星影像(如Sentinel 1-B 雷達影像)可對排土場整體穩定性進行持續動態監測，識別出地質環境高風險區。利用無人機遙感技術對排土場風險區及其周邊進行精細航拍，獲取高精度DEM模型，以實現對排土場坡度、侵蝕溝形態及發育程度進行直觀了解與定量計算;基于DEM與水文模型提取多級地表水文網絡，同時對排土場地表徑流與土壤侵蝕量進行時空模擬，從而掌握復雜地形排土場表面徑流路徑，及其與水土流失、坡體崩塌部位的耦合關系。根據精細水文網數據、歷年氣象水文數據及土質入滲情況，模擬出排土場各區域在降雨條件下地表匯水的空間分布情況。

2.2.2大型排土場水土資源調控與利用技術

借鑒低影響開發策略(Low impact development)，采用自然恢復與人工輔助恢復相結合、生物措施與工程措施相結合，遵循截流、保邊護底，以增加植被、控制水土流失，改善生態系統為核心的調控原則;通過不同坡位、不同植物配置、不同水流路徑優化控制地表徑流;通過在關鍵地段建立以分布式潛流濕地、植物溝等地表蓄水與釋水設施為主體的排土場水土物質流控制系統，以減少地表徑流提高水資源生態利用效率，提升排土場植被系統自維持性水平。圖5為以呼倫貝爾寶日希勒礦區北排土場為例，基于地表潛在匯水區與徑流路徑分析，確定在雨季強降雨情況下每個子區域的匯水面積，進而構建以潛流濕地—植物塘—植物溝等為核心組分的排土場水土物質流控制系統，達到控水蓄水、增加生態用水，減少土壤侵蝕與邊坡失穩的效果，從而提升排土場景觀生態功能。

圖5 寶日希勒排土場北坡地表水流控制系統與坡頂水土物 質流控制系統示意Fig.5 Water control system at the slope and the platform of the open pit dump field of Baorixile Mine

2.3 露天煤礦排土場景觀近自然恢復策略

地貌形態在很大程度上決定了區域景觀系統的物質流動與能量的轉化，合理的地貌形態對景觀的長期穩定性也起著重要的作用。因此，提升大規模排土場堆墊景觀斑塊與其周邊景觀基質中的自然地貌和物質流的融合度與協調性是草原煤電基地景觀生態恢復的主要任務之一。

(1)內排場全生命周期近自然地貌恢復技術策略。露天礦區必將面臨閉礦，閉礦后形成大量的具有明顯采礦痕跡的內排土場，與周邊自然景觀差異顯著，如圖6(a)所示。參照國內外礦山復墾相關規定或當地居民的意愿反饋，草原地區最理想的內排土場重塑地貌應與周邊自然草原地形地貌有機融為一體，讓人感覺不到明顯的采礦痕跡，如圖6(b)所示。為此，需要當地煤礦企業以及土地復墾與礦生態恢復技術人員改變傳統的內排土場地貌重塑思路;應根據開采計劃，從內排土場形成初期或盡可能早地采用全生命周期近自然地貌恢復技術策略，以保證重塑地貌的整體效果。具體需要通過一系列仿自然地形特征提取與關鍵技術應用，包括對自然草原參照區地形、水文和植被等參數分析提取，研究參數之間相關關系。基于河流地貌學原理、內排土場下沉、煤層賦存、可用土方量和經濟性、周邊自然地貌景觀的融合度以及自然水系銜接度等限制條件;尤其是重點考慮內排場與自然草原的相接區的地形、水系融合設計，重建內排土場水文系統;通過相對穩定的坡面和溝道來實現產流匯流之間的平衡。內排場坡面形態均模仿自然草原地貌來設計，按照地形水分條件配置植被，形成全生命周期的內排場近自然重塑地貌參選方案(圖6);在對重塑后地貌方案進行水土流失模擬比較的基礎上，采用景觀銜接度和施工經濟性等評價因素，整體評價優化近自然地貌重塑方案。

(2)外排土場邊坡形態近自然重塑。該策略的關鍵是學習效仿排土場周邊自然山體的邊坡形態參數，來設計排土場邊坡形態參數，在保證邊坡穩定性的前提下，減少水土流失，提高外排土場與周邊景觀的協調性。首先，需要對研究區周邊自然山體邊坡坡形進行分類，包括直線形、凸形、反S形和凹形等類型，并提取自然山體邊坡坡長、坡高、邊坡角、曲率等關鍵坡形特征參數;其次，探究研究區自然山體地形因子存在的規律，分析地形因子與土壤水力侵蝕之間的關系，找到在自然山體邊坡侵蝕過程中的主要作用因子;在實際應用中，結合排土場實地情況選取合適的坡形模板，確定邊坡坡形重塑的關鍵參數，并對坡面表層土壤組成，坡面植被配置與關鍵控制部位進行水土流失模擬與最終方案優選。現場地形調查表明勝利礦區周邊自然山體坡形以反S形為主。基于WEPP模型模擬得到的勝利礦區排土場為直線臺階邊坡和反S形邊坡2種不同坡形條件下的水土流失與沉積結果表明，在裸地條件下，反S形坡泥沙流失量較線狀臺階坡形減少了近50%。這充分說明效仿自然的反S形坡面較現狀排土場邊坡更加穩定。當然邊坡的工程設計還應考慮植被覆蓋、微地貌、排水等更多細節。

3 結 語

東部草原煤電基地集群式、大規模、高強度、持續性開發建設對草原生態系統產生了跨尺度、多等級、累積性的影響。總體上，針對草原煤電基地景觀破碎、生態結構缺損與功能失調等景觀生態環境問題的形成機理不明確，亟需的景觀生態恢復關鍵技術研發不足。具有宏觀生態學意義的尺度主要包括生態系統、區域/景觀和全球三大層次，而景觀是生態系統健康研究的核心尺度。以生態系統之間的結構、功能與過程恢復為核心的景觀生態恢復必然是煤電基地生態安全格局構建的關鍵途徑。本文以景觀生態學為理論依據，針對勝利礦區、寶日希勒礦區存在的典型景觀生態問題，探討了草原煤電基地景觀生態恢復的整體控制策略，以及排土場這種關鍵礦業景觀單元的物質流控制與近自然地貌重塑復策略;期望能將景觀生態學的相關理論與技術更多的應用到礦區生態恢復的基礎理論研究與現場應用實踐工作中。這將為更好地理解景觀生態學在礦山生態恢復中的實踐價值，提升礦區生態恢復理論與技術的層次與效果提供借鑒。