水泥灰巖礦山閉礦期生態恢復力分析

陳美成 趙香玉 杜 娟 王澤元 王可可 謝 磊

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

礦山土地復墾與生態修復不但可以通過裸地覆蓋土壤、提高土壤肥力、改進土壤結構等方法進行植被恢復，也可以通過規劃礦山環境空間布局的方法保護礦山地區的風貌及特色，將原本對地區環境與形象具有負面影響的廢棄礦山，轉化為新的資源加以利用。現有的礦山土地復墾與生態修復的思路，一般只是通過某種措施達到土地復墾的目標，對土地生態系統內在能力的考量較少。通過引入礦山土地系統生態恢復力的概念，可以快速為礦山土地復墾與生態修復找到更加有效的解決辦法。

1 水泥灰巖礦山的工程擾動分析

水泥用灰巖礦為露天礦山，礦山土地生態系統遭受的擾動較為簡單，主要是露天開采過程中，需要對覆蓋于礦產資源上方的土壤、植被等進行剝離和移除，采礦擾動與恢復形式較為單一。露天開采包括“采、剝、運、排、覆”等工藝流程。通過剝離礦石上覆的巖土層，將露天采區轉變為礦業建設用地，對土地生態系統組分如土壤、水文、生物等都會造成直接的損毀，林地、草地、耕地全部消失。在礦石開采過程中，剝離表土堆放于排土場，對原地貌的生態組分形成壓占擾動。經過采礦、壓占擾動后，巖層和地形被重新塑造，改變了區域景觀結構。整體來看，露天開采的工程擾動帶來的生態效應是突然的、強烈的，原有的土地生態系統組分及其關系都被重塑，如原地貌被重塑、松散層的土壤結構被重塑。露天采礦的生態影響范圍也不僅局限于礦業活動操作區，也可能會影響到流域水文系統。

從采礦擾動過程的分析結果看，水泥用灰巖礦山采礦擾動的形式大致可分為挖損、壓占和污染三類。挖損會剝離礦產資源上覆的所有組分，導致挖損區和周邊區地形、水文改變；壓占會重組土地生態系統的物理性組分；污染指渣土等污染物析出，污染土壤、水文、生物組分。挖損和壓占都會導致土地生態系統結構重組，土地利用方式和景觀同質化，生態系統服務功能消失，甚至產生負面效應，如增大水土流失量。不同的是，挖損屬于脈沖型擾動，持續時間較短；污染會導致土地生態系統污染物富集，生態系統服務功能下降。

2 礦山土地復墾和生態修復的工程擾動分析

目前，礦山土地復墾與生態修復領域積累了很多有效的修復技術，這些技術對土地生態系統組成及形態的改變、生態系統服務的維持具有重要作用。人工生態修復在礦山土地生態系統恢復中起主導作用，也是礦山土地生態學研究關注的重點。生態修復工程主要包括預防控制、表土剝覆、充填復墾、挖深墊淺、坡面治理、水利興修、交通建設、生物修復、農田防護、土地調控、景觀建設等，主要作用對象是礦山土地生態組分及其組合形態，主要作用是改造或者局部改造土地生態系統組分和形態，保持或提高土地生態系統服務能力。

人為的生態修復工程如果成功實施，可以對礦山土地生態系統組分及組分間關系產生作用，產生人們期待的正面效應。但這些工程的實施會帶來社會經濟成本，也有可能帶來負面效應。因此，這些生態恢復工程也可以被看做是施加在礦山土地生態系統上的擾動，這種擾動既有正面效應，也有負面效應。

3 水泥灰巖礦山的恢復力分析

礦山土地生態系統恢復力指土地生態系統在面臨采礦擾動或其他變化時保持狀態的能力。目前，恢復生態學主要關注礦山環境影響的緩解、生態功能的恢復等[1]。我國礦山生態恢復正處于生態功能恢復階段[2]，采取植被重建、土壤重構、水文保護、土地利用規劃、景觀規劃等措施，依靠人工干預的力量，可以消除環境脅迫，恢復生態功能。然而，目前的人工措施面臨經濟成本與環境效益的權衡、取舍，人工干預的效果并非始終都優于自發修復[3]，研究表明，采礦遺留地的自發演替為兩棲動物創造了更好的生存環境[4]，Holl對Virginia露天礦區的研究結果表明，人工恢復的植被群落結構與周邊參考點有差異，其生態保護作用受到限制[5]。為解決這方面的問題，在露天礦山生態修復中引入恢復力的概念，可以加強露天礦區生態修復工程的生態保護作用，實行更為契合當地生態環境保護系統的生態修復工作，減少一定的經濟成本，提高環境效益。

水泥灰巖礦山土地生態系統包含大氣、土壤、植被、水文四個組分，且包含人為活動（如生物量收獲）、露天采礦擾動的影響，引入數學模型，可以定量表達和分析礦山土地生態系統的組分及其相互關系。當土地生態系統受到采礦活動等的擾動后，土地生態系統通過自發的恢復力使得系統的平衡和定性結構不發生改變。用數學語言對礦山土地生態系統的結構和功能進行表述，再進行數值分析，得到系統的吸引域和參數空間的形態，可以任意測量各個方面的恢復力，這是恢復力測量的理想方法。在水泥灰巖礦山生態修復過程中，礦山土地生態系統的一些好的狀態需要持續保存，一些狀態需要做出改變，利用數學語言分析相關恢復力，調控恢復力，可以縮短生態修復時間，使水泥灰巖礦山生態系統達到更好的狀態，因而恢復力調控可以在礦山土地復墾與生態修復工作中發揮舉足輕重的作用。通過恢復力調控的實施，可以獲得一個恢復力更好的、可持續的露天礦山土地生態系統。

目前，生態恢復力調控技術在露天礦山土地生態修復中已有一些實際應用，在礦山土地生態可持續管理中展現出相當重要的實用價值。楊永軍對亞熱帶草原地區Curragh露天礦山恢復力的研究表明，當生態恢復工程的強度小于或等于“耙碎巖塊后覆土0～30 cm并撒播種子”強度時，Curragh礦山露天采場具有足夠的恢復力保持其 “無植被裸地”狀態。實行增加覆土、提高生態恢復工程的效率、減少植被對土壤條件的依賴等方法，可以克服Curragh礦山保持其“無植被裸地”狀態的恢復力[6]。楊永軍對孟家溝采煤遺留地的研究表明，孟家溝采煤遺留地的恢復力指標值低于歷史平均水平，主要限制因子是生態變化性和生態系統服務有效度，從培育土地利用多樣性、利用土地的多功能性、增加管理主體有效度等方面來強化生態恢復力，可以增強采煤跡地應對多種擾動的能力[6]。

因此，在水泥灰巖礦山生態修復過程中，分析其生態恢復力的大小，可高效快速地發現生態修復難題，縮短生態修復時間，提高生態修復效率，降低生態修復成本。

4 結語

水泥灰巖礦山土地生態系統具有多樣的組分和復雜的結構。礦山土地不僅可以承載采礦活動，還可以提供供給、調節、支持和文化等生態系統服務。人為的采礦活動和修復工程是礦山土地生態系統遭受的主要擾動，除此之外，還有其他自然和人為的擾動，如氣候變化和土地再利用等。在諸多擾動的驅動下，礦山土地生態系統狀態的變化模式至少有保持原狀態、退化到新狀態、恢復到新狀態和復原到原狀態這四種。面對擾動，水泥灰巖礦山土地生態系統體現出一定的自我維持能力。

在水泥灰巖礦山生態修復過程中，不同礦山可能具有不同的土地生態問題，應用恢復力理論可以幫助管理者辨別系統狀態持續保存的關鍵所在。通過恢復力評估及調控策略，可以了解礦山土地生態系統或其特定部分在面臨擾動時保持狀態的條件和影響因素，有利于礦山土地生態系統的可持續管理。