關閉/廢棄煤礦的生態修復研究進展及展望

陶貴鑫，周宏軒，孫 婧，王昭清，徐 辰

(中國礦業大學建筑與設計學院，江蘇 徐州 221116)

據估計，目前全球已有超過一百萬個關閉/廢棄煤礦[1]，荷蘭、比利時、法國等國家的煤炭工業已完全關閉。二十世紀九十年代我國煤礦多達10萬個，在我國供給側持續改革和經濟新常態下，“十二五”期間淘汰煤礦達7 100個，據預測2030年將高達1.5萬個[1]。“十四五”規劃提出生態文明建設實現新進步，污染物排放總量持續減少，進一步對關閉/廢棄煤礦生態修復制定目標導向。2020年全國兩會期間習近平總書記在錫林郭勒盟關閉煤礦問題上強調“要保持加強生態文明建設的戰略定力”，大量煤礦的關閉/廢棄勢在必行[2]。關閉/廢棄煤礦因其遺留的自然資源和社會資源仍有巨大的開發潛力，但其周邊區域存在地面沉降、煤矸石污染土壤、地下水污染、水土流失等現象[3-6]，大量土地資源無法利用、自然本底破壞嚴重，帶來的生態、經濟和社會脅迫壓力巨大。只有先修復其生態本底，才能進一步利用其土地、工業和旅游資源，促進經濟與社會的發展。但在無人工干預條件下，關閉/廢棄煤礦生態恢復周期長、見效慢[7]，因此，對關閉/廢棄煤礦進行生態修復迫在眉睫。

美國及其他發達國家開展關閉/廢棄煤礦治理先于我國[8]。第二次世界大戰前美國就已出臺相應的政策法規，以強制執行采礦后生態修復[9]，1977年頒布的SMCRA法規更成為他國的學習典范[10]。德國于1979年出臺相關法規對廢棄煤礦塌陷區、工業區等進行生態治理[11]。英國在二十世紀八十年代經歷煤礦關閉浪潮時也頒布了相應的礦區法律，以保證煤礦周邊的土地安全。我國從二十世紀八十年代開始重視關閉/廢棄煤礦的治理和修復[12]，1989年國務院頒布《土地復墾規定》標志著我國礦區生態修復工作正式走上法制軌道[13]。1998年國家頒布《土地管理法》后生態修復逐漸成為工作熱點。2006年原國土資源部發布《關于加強生產建設項目土地復墾管理工作的通知》標志著礦區開采用地審批正式加入生態修復方案審查。2015年原國土資源部頒發《歷史遺留工礦廢棄地復墾利用試點管理辦法》將工礦廢棄地納入城市新增用地范圍，標志著關閉/廢棄煤礦綜合利用適應城市發展的開始。2019年自然資源部發布的《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃(2021—2035年)》中提到加快礦山生態修復，并對各地區重點工程進行意見指導，標志著我國關閉/廢棄煤礦的頂層規劃已經形成。

隨著科技進步全球范圍內關閉/廢棄煤礦生態修復在生態修復技術、評價方法、規劃研究、區域性研究等方面均有長足發展和進步，為全球產業轉型和可持續發展提供了理論支撐和實踐經驗，以下從關閉/廢棄煤礦生態修復技術、評價方法、規劃研究、區域性研究四個方面進行詳述。

1 關閉/廢棄煤礦生態修復技術

關閉/廢棄煤礦生態修復技術分為生物、土壤重構和景觀重建技術，特點見表1。

表1 各類生態修復技術比較Table 1 Comparison of different ecological restoration technologies

1.1 生物技術

相較于傳統的物理手段、化學手段，生物技術對礦區土壤的負面影響更小，恢復周期更長，包括利用微生物、土壤動物和先鋒物種修復。微生物修復特點和適用范圍見表1[14]。國內以畢銀麗等為代表，以叢枝菌根真菌[15-16]、硫桿菌[17]、大豆根瘤菌[18]等作為主要修復介質，在微生物改良土壤基質，促進農作物和先鋒植物[16,19]生長等方面進行大量研究。土壤動物方面，蚯蚓作為分解者可疏松土壤、增加土壤肥力、吸收和轉化重金屬元素[20]。利用先鋒植物也是生物技術修復手段之一，可通過植物長度、覆蓋率、蒸騰速率和葉面色素含量與礦區修復速率間的相關性[21]篩選先鋒植物，構建關閉/廢棄煤礦土壤種子庫[22]，再通過覆土種植、無覆土種植、抗旱種植等植被快速恢復技術[23]實現生態修復。

1.2 土壤重構

土壤重構修復主要包括物理、化學和物化-生物綜合三種技術，通過改善土壤理化性質將土壤恢復至適宜植被生長的狀態，各技術的修復特點和適用范圍見表1[24]。物理修復技術涵蓋充填法、換土法、客土法和深耕翻土法等[25]，但因其局限性并未得到廣泛應用。化學修復技術包括化學改良劑法、化學淋洗法等。常用的改良劑法包括生石灰、工業廢料等，而鋁基和鐵基化學混合物(WTRs)作為新型改良劑中和酸性土壤的同時還可提取酸性廢水中的重金屬[26]。物化-生物綜合技術更為復雜，適宜實施在實際恢復工程中，如先用客土覆蓋壓實土壤，引用競爭力低的外來先鋒植物，最后引入早期演替樹種和商業樹種聯合恢復的林業開墾方法(FRA)[10]；通過填土、復田、造林復合方式對采煤塌陷區進行恢復[27]；將煤礦入侵物種與煤礦渣制備成生物炭以增加土壤肥力[28]等。

1.3 景觀重建

作為最早在我國推廣的廢棄煤礦生態修復技術手段，景觀重建初期的表現形式為大規模植樹造林[29]，與景觀生態學理念融合后，以恢復景觀(礦山、濕地公園等)為導向，形成了以徐州潘安湖濕地公園、唐山開灤煤礦國家礦山公園等為代表的景觀重建手段，其特點見表1，可采取工程治理方法，將地形、匯儲水、場地設計和植被恢復相結合[30]，形成景觀-產業-旅游相結合的示范區。景觀重建與生物技術中的先鋒物種修復易混淆，表2對二者進行了比較。

表2 先鋒物種修復和景觀重建比較Table 2 Comparison of pioneer species restoration and landscape restoration

2 關閉/廢棄煤礦生態修復評價方法

生態修復評價的常用方法可分為四類：物種多樣性、土壤理化性質、綜合體系評估、遙感技術評估，見表3。此外，景觀格局指數網絡、徑流大小及其沉積物[31-32]、有蹄類動物數量和分布[33]、有機碳儲存量變化[34-35]等也可作為評價生態修復效果的指標。

表3 生態修復評價常用方法Table 3 Commonly used methods of evaluation of ecological restoration

2.1 生物多樣性評價

關閉/廢棄煤礦修復后生物多樣性越高表明修復效果越好，生物多樣性評估可分為植物多樣性、動物多樣性和微生物多樣性評估。在植物多樣性評估方面，植被構成比例用于評價西班牙多個煤礦區[36]、美國阿巴拉契亞煤礦區[37]、捷克西北部的褐煤礦區[38]、匈牙利、捷克和德國聯合[39]煤礦生態恢復效果。在土壤動物多樣性評估方面，土壤節肢動物用于對捷克不同修復年限煤礦[40]和德國東部露天煤礦生態修復效果[41]的評價，研究結果發現土壤節肢物種的豐富度與生態恢復時間正相關。微生物多樣性評估可以分為微生物群落的總質量(size)、種群多樣性(composition)和利用微生物代謝產生的物質(activity)三類[42]。可通過測度叢枝菌根群落(AMF)數量對廢棄煤礦生態修復質量進行評估[43]，但持續周期性測量是此類評估的主要困難。可在恢復初期保留周圍環境生物及生態自修復區域，以減少修復支出并維護生物多樣性。

2.2 土壤理化性質

土壤理化性質評估涵蓋土壤的有機質(有機碳)含量、重金屬含量、厚度、密度、pH值、氮含量、磷含量和鉀含量等。綜合所有土壤理化性質指標對關閉/廢棄煤礦進行評估的研究較少[44]，多數研究至選擇其中幾個指標。簡單指標方面，從土壤碳匯能力入手可評價礦區修復效果[45]；土壤有機質含量用于評價印度中央煤田Karanpura露天煤礦[46]、美國阿巴拉契亞[47]等地區的煤礦生態恢復質量；土壤重金屬含量用于評價淮南市大通區關閉/廢棄煤礦[48]生態恢復質量。多指標評價方面，有研究[49]利用土壤覆土厚度、有機質、氮、磷和鉀對農田復墾效果進行評價；或利用土壤含水量、pH值、重金屬含量、植物生長狀態等指標構建排土場修復效果評價體系，以對不同基質土壤進行修復對比研究[50]；亦或將多指標作為不同年限下露天煤礦生態修復程度的評價標準[51]，相關研究結論表明土壤指標評價已大量應用于不同區域廢棄煤礦生態修復效果評價之中。

2.3 遙感技術評價

生態修復增加的植被、水體具有降溫效應，故可通過廢棄煤礦周圍植被、溫度[52]的變化評價生態修復效果。通過處理遙感影像得到歸一化差異指數，對不同年份廢棄礦區植被、水體、煤礦等面積變化進行比較。歸一化差異指數具有準確率高、操作相對簡單、評價周期短等特點，通過融合不同遙感波段，適用于大面積廢棄煤礦生態修復評估。傳統歸一化指數評價過程指利用歸一化植被指數(NDVI)[53]和歸一化水體指數(NDWI)[54]對廢棄煤礦進行修復評價，相較于其他指標來說應用更為成熟。傳統方法對排土場、開采面等無法實現直觀描述，新型評價方法應運而生，包括用來識別復墾效果構建的排土場復墾干擾指數[55]，用來識別煤礦開采面積的歸一化煤礦指數[56]等。除單一遙感技術外，也可與景觀生態學、人工智能等方向融合，例如采用遙感監督分類識別和景觀格局指數相結合的方法，分別對徐州市九里區煤礦[57]和平朔露天煤礦[58]20年和30年跨度的廢棄煤礦區進行修復效果評價；也可運用人工智能中支持向量機方法對煤礦內水體進行識別，以評估煤礦開采對周圍水體的影響[59]。遙感技術評估手段作為前期門檻較高的技術，現如今已在廢棄煤礦生態修復研究中得到廣泛應用，成為提高生產力與縮短評價周期的方法之一。

2.4 綜合體系評價

廢棄煤礦作為受損的“社會-經濟-自然”復合生態系統，在生態修復過程中存在社會、經濟和自然之間復雜的耦合關系，因此在對自然環境進行改善的過程中經濟與社會條件會同時改善。綜上，不僅可以從自然環境角度進行廢棄煤礦生態修復評估，也可結合修復后帶來的社會或經濟效益綜合評價，如構建關閉/廢棄煤礦生態、經濟和社會的綜合評價方法[60]，也可構建生態、經濟、社會效益修復綜合效益評價模型[61]。其中，經濟效益可以從減少水土流失土方量、減少泥沙淤積工程量、農產品價值量和生態系統服務價值等方面考慮；社會效益可以從就業機會、產業鏈等方面進行評價。由于社會、經濟、自然的復雜耦合關系，生態修復與其帶來的經濟和社會效益之間難以進行相關性研究，故相較于通過自然指標評價研究，此類研究相對較少。

3 關閉/廢棄煤礦生態修復規劃

3.1 局地型關閉/廢棄煤礦生態修復規劃

廢棄煤礦生態修復規劃研究特點見表4[62-66]。初期理論還包括根據礦區類別和規劃目標提出的整體性、綜合性等規劃原則[67]，應用在晉城侯甲煤礦區[68]、大同同忻煤礦區[69]等；案例除確定功能分區外，也可利用層次分析等方法明確復墾目標導向[70]，以確定某類用地為最終生態修復目標。例如王如松等[71]針對濟南煤礦塌陷區治理空間布局，將區域規劃為生態恢復核心區、生態恢復緩沖區、生態旅游開發區、城市農業復合功能區；胡振琪等[63]將煤礦待修復區經過修復適宜性評價后分為生態建設區、生態維持區和生態保護區。在此之后，為適應新時代的發展，廢棄煤礦生態修復規劃理論與國土空間規劃體系進行深度融合，在市、縣級國土空間規劃體系下構建生態修復專項規劃[72]，規劃實踐也進一步以“綜合利用”為導向進行考慮，如以景觀再生為基礎、以公園為恢復目標的平頂山市平煤七礦關閉/廢棄煤礦生態修復規劃實踐[73]；運用“樸門”設計理念、旅游功能分區的銅川市王石凹關閉/廢棄煤礦生態修復規劃實踐[74]；將關閉/廢棄煤礦恢復成體育場地的規劃設計研究[75]等。由于區域間的異質性等困難，上述研究都是以點或線的視角從單個、多個局地關閉/廢棄煤礦進行規劃研究，以面的視域開展的大尺度生態修復規劃極少出現，在新時代發展背景下不能滿足我國目前國土空間規劃體系建設要求，從一定程度上反映出建立大尺度關閉煤礦區生態修復規劃的必要性。

表4 關閉/廢棄煤礦生態修復規劃特點Table 4 Characteristics of ecological restoration planning for abandoned coalmines

3.2 區域型關閉/廢棄煤礦生態修復工程

區域型關閉/廢棄煤礦生態修復工程是在總結歸類單個、多個局地礦區生態修復研究成果的基礎上，整合生態修復同質區域，構建適宜省域、流域、國家等大尺度的生態修復體系，與局地型生態修復規劃研究有明顯的差異，見表5。21世紀初，已有學者探討河南省[76]、山西省[77]構建生態修復補償機制和技術體系的可能性，并提出需要評估廢棄礦區土地受損、大氣污染和水污染等情況。早期除生態修復補償機制研究外，也有學者從技術角度提出因大多東部修復技術無法適用于西部，故需對國內東西部煤礦進行區分，實施差異化治理[78]；北方露天關閉/廢棄煤礦的生態修復技術則需從植物選配、影響恢復因子等方面考慮[79]。上述研究說明早期因廢棄煤礦生態環境破壞類型多、數量大、情況復雜等原因，國內大尺度體系構建存在困難，適宜全域發展的彈性廢棄煤礦生態修復策略尚待完善。基于此，有學者[9]提出需要借鑒美國煤礦生態修復的管理流程、案例、法律等，構建適宜國內煤礦生態修復的“師法自然生態修復法”。近五年來相關研究逐漸增多，黑龍江省[80]、浙江省[81]關閉/廢棄煤礦研究中逐步完善政府主導監督的基本修復模式，在平衡多方利益需求條件下形成具有地方特色、相對健全的政策法規與制度。不同省域不同修復模式在一定程度上解決了全域技術難題，但不適用于跨省域綜合治理，更難與國土空間生態修復體系接軌。 因此，彭蘇萍等[82]將黃河流域周邊九大煤炭基地進行統籌考慮，從石嘴山市出發點，以泰安市為結束點，將沿途上游、中上游和下游分為黃土地、風沙地和沖積平原地帶，依現狀、分區域進行總體規劃，將被動的復墾治理變為主動的生態修復。 除流域分區外，也可依據國內發展狀況提出差異化修復戰略等煤炭綠色發展頂層設計理念[83]，在東部高潛水位地區、蒙東草原區、晉陜蒙地區和西南山地地區采取不同的修復措施。

表5 局地型生態修復規劃、區域型生態修復工程異同Table 5 The similarities and differences between local ecological restoration planning and regional ecological restoration projects

4 結論與展望

4.1 結論

1) 國內外關閉/廢棄煤礦生態修復研究特征不盡相同，見表6。國外區域型生態修復規劃研究相對較少，一方面可能因為發達國家開展煤礦治理時間較早，剩余需要治理的礦區數量不多；另一方面可能因為發達國家的區域及法律限制等原因。

表6 國內外特征異同Table 6 Domestic and abroad characteristics

2) 關閉/廢棄煤礦生態修復研究大多方向已成熟化、熱點化，多數技術與評價方法已得到廣泛應用。

3) 關閉/廢棄煤礦生態修復規劃已成為國土空間生態修復規劃的重要組成部分，即在規劃“一張圖”下完成全域全要素的生態修復，故此，大尺度范圍內的生態修復規劃必將成為國土空間生態修復規劃的重要組成部分和未來的研究熱點。

4.2 展望

4.2.1 從技術到綜合：整合現有技術，構建綜合利用體系

生態修復技術從上世紀發展至今已經趨于成熟，多名學者出版專著系統介紹各地礦山生態修復技術、理論與方法。但生態修復宜采取差異化修復策略，對于離城區較遠的關閉/廢棄煤礦，因人流較少和交通不便等原因，建議進行基礎生態修復，即不對周圍環境產生不利影響；對于離市區較近的關閉/廢棄煤礦，因交通可達性高、周圍配套設施相對完善，可為城市提供更多服務功能，而此時的生態修復應依照未來服務功能進行目標制定，可根據地理位置、人流大小、周邊配套等進行綜合考慮，如通過構建工業遺產旅游模式、工業遺產體育休閑模式，或通過構建地下煤礦區特色住宿、博物館和監獄等方式形成以煤礦區為特點、以不同綜合利用方式為驅動力的經濟產業鏈。

4.2.2 從局部到整體：頂層設計帶動全域發展

生態修復的最終目的是提升人居環境質量，促進經濟的可持續發展。通過科學合理的生態修復頂層設計，設立切實可行的恢復制度，以土壤、植被、景觀等為恢復對象，制定符合生態學原理的恢復措施，才能從真正意義上完成全域范圍內的全要素生態修復，實現“上行下效”“有法可依”的生態修復格局。在國土空間體系規劃尚在完善的今天，應構建類似長江珠三角都市圈規劃、粵港澳大灣區發展規劃的區域型國土空間煤礦修復專項生態規劃，在鄂爾多斯市、石嘴山市、包頭市等周邊煤礦城市形成經濟發展帶，推動生態修復的全域發展，打造利用生態集聚效應發揮經濟效益的城市群。借鑒如徐州市潘安湖等成功案例，將原有的資源型城市在未來成功轉型為帶有“礦區”特色的生態型城市，使生態修復成為造福后代的“千秋工程”。

4.2.3 從單一到融合：多學科交叉形成全要素治理

關閉/廢棄煤礦生態修復對象包括地形地貌、水體、土壤、植被等多個對象，研究所需要的學科背景不盡相同，因此需要采礦學、生態學、植物學、林學、土壤學、測繪等多個學科理論深度融合、各部門實踐通力合作才能盡可能地將生態修復全要素納入考慮范圍之內，恢復重建礦區生態系統，進一步提升生態修復效果。 因此，未來需要大量復合型人才將不同學科領域的知識在礦區生態修復層面進行整合、創新，以落實全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃，為實現生態文明建設提供持續的人才保障。

4.2.4 從理論推測到精準預測：新手段新技術持續發展

煤炭開采以地表破壞為主要特征，對生態環境造成巨大損傷，因此關閉/廢棄煤礦的生態修復多是建立在土地復墾基礎之上，其土壤質量亟待改善，生物群落結構亟待重構，自然環境本底亟待恢復。但由于恢復功能利用的不同，所需要恢復的植被類型也不盡相同。如若目標恢復成耕地，則只需礦區生態系統演替至草地即可；若目標恢復成礦山公園，則需恢復其內的喬灌草結構。但目前生態恢復的數值模擬方法還無法準確預測適用于國土空間規劃的關閉/廢棄煤礦生態恢復目標與先鋒物種，迫切需要深度結合大數據、人工智能、移動物聯網與云計算等新技術與綠色礦山、邊采邊復等新手段，形成綜合多方面要素考慮的關閉/廢棄煤礦修復目標導向與策略，進一步完善國土空間規劃體系，從而更好地為人類福祉做貢獻。