重建植被視角下露天煤礦區土地復墾演替過程及管控模式研究

周 偉，官炎俊

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.自然資源部礦區生態修復工程技術創新中心，北京 100083；4.浙江財經大學 公共管理學院，浙江 杭州 310018)

中國是世界上煤炭產量最高的國家，也是最大的碳排放國之一，碳排放占世界能源排放總量的28.8%[1-2]。根據煤炭工業“十四五”發展規劃，煤炭在我國能源體系中的主體地位和壓艙石作用不會改變[3]。然而，作為大規模改變土地利用方式的有組織人類活動，煤炭資源開采不僅損毀和占用大量土地資源，且對生態環境造成嚴重的負面影響[4-7]。尤其是露天煤礦的開采[8-11]，高強度、大規模的采煤擾動往往造成礦區表層土壤結構紊亂[12]、植被永久破壞[13]、原始景觀被徹底改變[14-15]等礦區生態問題。土地復墾與生態修復作為改善礦山環境、恢復礦區生態系統的重要措施與有效手段，已經成為統籌礦產資源開發與土地資源利用保護的重要途徑。通過積極開展土地復墾，可有效引導損毀土地生態系統朝著健康有序的方向發展[16]。煤礦區生態修復已納入美麗中國和“山水林田湖草沙”生命共同體建設的重要組成部分，開展損毀煤礦區生態修復對實現我國“雙碳”重大戰略目標具有重要意義。

煤礦區土地復墾是一個動態發展的生態修復過程，其系統結構和功能處于不斷演替的發展狀態[17-18]，且不同發展狀態可被加速或制約、也可相互遷移[19-21]。當前國內外針對礦區生態系統基礎理論、生態要素指標、系統模型方法進行了大量的研究，能夠有效評估礦區生態系統狀況、模擬礦區生態效應。但由于煤礦開采及生態修復擾動的多樣性、復雜性、累積性[18,22]，全面、客觀地剖析煤礦區土地生態系統構成及演替特征仍具有很大的挑戰性[23]。尤其是在受到人類干預和其他擾動共同作用時，煤礦區不同土地利用類型(復墾方向)、不同復墾階段中土地生態子系統效應、各子系統之間的信息交互、系統狀態演變規律等研究還有待深入了解。

植被作為生態恢復的重要顯性指標，在能量交換和生態循環中發揮著重要作用[24]。重建植被成為煤礦區生態系統修復中最重要的生態要素之一[25]，其動態變化可有效表征煤礦區生態環境受擾動和修復的廣泛細節[13]。基于遙感數據獲取的地表植被指數一直以來被用于植被擾動與恢復的監測研究[25-29]。當前對礦區植被恢復的研究大多側重于利用時間段數據，如從研究時段選取幾個時間點，分析植被覆蓋變化特征，或利用空間替代時間方法分析不同復墾年限的植被分布特征[28]。這些研究具有高效識別礦區植被整體特征的優勢，但也存在重狀態輕過程的問題[27]。監測恢復過程的局限性會限制植被遙感在評估長期環境影響和可持續性方面的效用[28-29]。近年來，隨著遙感與地理信息技術的快速發展，有效促進了時序遙感數據在植被監測中的應用[30-31]，包括確定重建植被的影像特征[32]、植被覆蓋變化趨勢[33]、適宜發展的植被條件[34]、植被擾動與恢復的動態軌跡[29,35]等。該系列研究結果進一步論證了使用時間序列植被指數揭示礦區植被恢復特征和描述恢復過程的廣泛細節的可靠性和效率[29,31,33-35]，從而為大型露天煤礦區生態系統修復的全過程管理提供了方法基礎和技術支持。

因此，筆者從露天煤礦區重建植被的演替特征入手，分析重建植被的不同演替情景，探討土地復墾階段特征與關鍵保護區域的識別思路，并提出煤礦區土地復墾管控的修正模式。在此基礎上，開展黃土高原山西平朔露天煤礦區土地復墾演替過程與管控模式的應用分析，以期為露天煤礦生態修復提供參考。

1 露天煤礦區重建植被演替情景特征

1.1 煤礦區植被受擾動狀態劃分

煤礦區重建生態系統是一個動態演替的復雜系統，其系統結構和功能需要一定的時間來發展穩定，在歷經漫長的恢復和自我調節過程中實現系統的動態平衡[36]。生態系統演變主要經歷3 個階段，分別為由原始生態演變為極度退化生態的礦區生態系統破損階段、由極度退化生態演變為生態重建雛形的礦區生態系統雛形建立階段、由重建生態雛形演變為重建生態相對穩定型的礦區生態系統動態平衡階段[37]。依據煤礦開采與土地復墾過程中重建植被生長狀況水平(Rehabilitated Vegetation Growth Condition Level,Rv)的受擾動特征，完整的植被恢復過程通常歷經4 種演替狀態(Statuses,ST)，即未擾動狀態(ST1)、采煤擾動狀態(ST2)、復墾恢復狀態(ST3)和修復后狀態(ST4)[35](圖1)。

圖1 露天煤礦開采與土地復墾過程中植被擾動動態曲線Fig.1 Dynamic curve of vegetation disturbance in the process of open-pit coal mining and land reclamation

(1) ST1是指煤炭開采前植被完全不受采煤活動影響的狀態。該狀態下植被水平在一定區域自然條件下上下波動，可用作植被重建的參照標準。

(2) ST2是指在煤礦開采過程中，采區地表植被被直接清除、植被水平急劇下降的退化狀態。依據該階段Rv值演替特征，通過擾動閾值進行逐像元監測，判斷煤炭開采過程中由ST1轉變為ST2狀態的年份(t1)，則年份t1可被定義為該像元受煤炭開采擾動的具體年份。

(3) ST3是指采煤結束后對受損礦區開展植被重建工作，Rv值得以迅速恢復的改善狀態。依據該階段Rv值演替特征，通過擾動閾值進行逐像元監測，判斷礦區土地復墾過程中由ST2轉變為ST3狀態的年份(t2)，則年份t2可被定義為該像元開展土地復墾的具體年份。

(4) ST4是指在土地復墾活動實施一定年限后，Rv值得以有效恢復后的穩定狀態。ST4代表了重建植被的恢復水平，是開展煤礦區土地復墾效果評價的重要指標。

1.2 煤礦區重建植被演替情景分析

煤礦區土地復墾是一個長期動態的生態修復過程，其生態系統結構和功能效果難以在短期內顯現[36,38]。重建植被作為煤礦區生態系統的關鍵要素，其恢復水平需要一定的時間來發展、穩定，以達到成熟狀態，在經歷漫長的修復及自我調整過程從而實現動態平衡。在煤礦區生態修復過程中，由于受擾動程度、土地復墾措施及自然條件等差異性的影響，各區域重建植被表現出不同的演替特征。

重建植被恢復特征隨土地復墾時間的變化趨勢可概況為6 種演替情景。情景①：高效恢復至成熟型。煤礦區重建植被水平在復墾時點后穩步提升，達到相對穩定狀態后高出原始(參考區)生態系統水平。情景②：低效恢復至成熟型。重建植被水平在復墾時點后穩步提升，達到相對穩定狀態后低于原始(參考區)生態系統水平。情景③：高效恢復而后退化型。重建植被水平在復墾時點后穩步提升，在達到最高恢復水平后，又出現生態退化過程。情景④：高效恢復發展型。重建植被水平在復墾時點后開始穩步提升，但在一定土地復墾年限內尚未達到穩定狀態。情景⑤：低效恢復發展型。重建植被水平在復墾時點后開始一定程度提升，但尚未達到參照區同復墾階段水平。情景⑥：無效恢復型。重建植被水平在復墾時點后并未出現明顯提升跡象，并且隨著土地復墾時間推移仍一直處于受采礦擾動時的水平。

2 露天煤礦區土地復墾演替階段特征

煤礦區土地生態系統一直處于信息流動與能量轉換的發展過程，有效管理土地復墾的前提是掌握各復墾階段生態系統的發展特征。在礦區土地復墾管理過程中，應充分認識礦區復墾土地關鍵生態要素時序變化特征，在揭示礦區土地復雜生態系統演變規律基礎上劃定土地復墾演變階段。不同復墾階段的生態修復特征存在很大的差異性，根據不同階段來選擇適宜的土地復墾管理時點，其采集的數據才能更加客觀、真實地反映土地生態要素的發展狀況，從而實現礦區土地復墾效果評估與反饋修正[39-40]。不同土地復墾階段對人工干預程度的需求也各不相同，在“保護優先、自然恢復為主”的生態理念指導下，隨著土地復墾演替階段的遞進，應投入的人工管理措施應逐步減少[41]。劃分土地復墾演替階段一方面可以協助在礦區范圍內識別土地復墾亟待調控的關鍵區域；另一方面可有效指導土地復墾成本的精確投入[42]。

隨著生態修復理論和遙感技術的不斷發展，開展煤礦區土地復墾關鍵階段的劃分研究有望得到新的理論與方法支撐。當前，重建植被恢復過程符合指數函數特征的事實已被學者廣泛認可[25,43-44]。煤礦區重建植被的變化趨勢主要表現為從緩慢恢復到快速恢復、再從快速恢復到緩慢恢復、直至穩定狀態的“S”形指數增長模式。在土地復墾后期，雖然重建植被仍處于動態發展過程中，但總體趨勢已趨于穩定。根據“S”形指數函數的特點，函數的因變量會無限接近、但無法達到這個穩定值。因此，依據“S”形指數函數特點，可將重建植被達到某一穩定水平時所對應的復墾年份作為土地復墾達到相對穩定狀態的時間節點，對應時期定義為礦區土地復墾發展期，即礦區重建植被達到成熟期所需的土地復墾年限。通過對重建植被水平進行一階求導來確定研究單元生態系統恢復速度的峰值，即礦區重建植被達到最大快速發展時所需的土地復墾年限；引入二階導數確定研究單元重建植被處于快速發展期的時間節點，即礦區重建植被進入快速發展期和穩定發展期所需的土地復墾年限。煤礦區植被在土地復墾全生命周期過程中各關鍵階段可概括為未復墾期、土地復墾發展期(復墾初期、快速發展期和穩定發展期)和成熟期[42](圖2)。

圖2 礦區土地復墾關鍵階段劃分Fig.2 Division of key stages of land reclamation in mining areas

3 露天煤礦區土地復墾管理關鍵保護區劃分

露天煤礦開采往往具有土地損毀規模大、生態破壞程度嚴重等特點，且不同區域由于受損程度、自然條件以及土地復墾措施等差異，各區域土地復墾恢復水平表現出明顯的分異特征。國家 “雙碳”重大戰略目標加速了后采礦時代的到來，煤炭等化石燃料資源將逐步退出歷史舞臺，從而涌現大規模廢棄煤礦區。無差別實施土地復墾管理措施，勢必造成巨大的工作量和經濟成本投入，而合理劃定關鍵保護區是區域化管理的重要手段，可以有效解決區域間發展不平衡問題[45-47]。在生態脆弱的煤礦復墾區域，關鍵保護區可以理解為在土地復墾實施過程中，煤礦區生態系統服務和功能迫切需求進一步管理的土地復墾關鍵區域[48]。劃定關鍵保護區為政府和礦山企業精準實施土地復墾管理措施提供指導依據，從而有效降低礦區土地復墾成本，加快受擾動生態系統恢復速度。

通過現場調研與遙感影像解譯相結合，在劃分煤礦區復墾排土場相對均質地塊單元、判定各地塊單元是否達到相對穩定狀態基礎上，依據煤礦區重建植被的6 種演替情景特征，針對不同恢復狀態下的重建植被類型分別設置相應的土地復墾管理關鍵保護區識別標準(圖3)。

圖3 礦區土地復墾管理關鍵保護區劃定標準Fig.3 Criteria for delineating key conservation areas for land reclamation management in mining areas

標準Ⅰ：當植被重建的年限達到土地復墾穩定期后，判斷此時Rv值是否低于參照區水平b(或b')，將低于該水平像元劃入煤礦區土地復墾管理關鍵保護區。該標準適用于判斷演替情景②和情景⑥下的煤礦區重建生態系統。

標準Ⅱ：當該狀態下Rv值高于參照區水平b(或b')時，判斷該像元Rv值是否低于其指數擬合函數穩定狀態漸近值水平a(或a')，將低于該水平像元劃入煤礦區土地復墾管理關鍵保護區。該標準適用于判斷演替情景①和情景③下煤礦區重建生態系統。

標準Ⅲ：當植被重建的年限尚未達到土地復墾穩定期時，判斷該像元的Rv值是否低于其指數擬合函數因變量水平，將低于該水平像元劃入煤礦區土地復墾管理關鍵保護區。該標準適用于判斷演替情景④和情景⑤下的煤礦區重建生態系統。

4 露天煤礦區土地復墾管控模式分析

4.1 類型劃分

根據生態系統的閾值理論，當系統受干擾程度未超過其關鍵要素閾值時，在干擾因素被消除后，系統則可以自發恢復至原穩定狀態；當受干擾程度超過其關鍵要素閾值時，則需要輔助以人工引導，系統才能繼續有效恢復[49-50]。煤礦區土地復墾管控要求發揮積極的人工引導作用，通過引導動態變化的土地復墾管理與錯綜復雜的礦區土地生態系統進行相互適應，進而推進煤礦區生態系統朝著健康、可持續方向演替發展。

依據煤礦區土地復墾過程中重建生態系統受干擾程度以及土地復墾模式待修正力度，并基于重建植被演替特征，可將土地復墾管控模式劃分為4 種修正類型：生態保育、生態管護、生態修復、生態重建，各模式下人工干預的生態建設強度依次遞增。

(1) 生態保育：針對已經達到相對穩定狀態且服務與功能均符合土地復墾目標及標準以上的重建土地生態系統，實行以保護為主、消除人為干擾的生態保育模式修正。

(2)生態管護：針對尚未達到相對穩定狀態但其結構與功能已充分顯現的重建生態系統，應充分依靠其生態系統的自我調節、自我修復的再生能力，實行關鍵生態要素的生態管護模式修正。

(3) 生態修復：針對尚未達到相對穩定狀態且結構和功能明顯低于參照區同等條件水平的重建土地生態系統，實行生態修復模式修正。

(4)生態重建：針對已達到相對穩定狀態但其生態功能和服務幾乎完全退化或消失的重建土地生態系統；或在土地復墾過程中，由于強烈自然因素或人為干擾因素，致使生態系統功能和服務完全損毀的重建土地生態系統，實行生態重建模式修正。

不管何種修正類型，土地復墾過程均不應忽視生態系統本身的自恢復能力[49]。在遵循礦區生態系統的演變規律基礎上，發揮人類在礦區可持續發展中的主觀能動作用，充分協調自然恢復與人工修復之間的平衡關系，從而促進損毀煤礦區生態系統的結構與功能有效恢復。

4.2 修正順序準則

露天煤礦區生態系統是一定空間范圍內受煤炭開采與土地復墾擾動交互影響的礦山資源-生態-經濟-社會復雜耦合的綜合系統[51-53]。受其內部結構復雜性與生態要素發展不確定性影響，其土地復墾模式適應性可表現為適應復墾模式和不適應復墾模式。

當土地復墾措施適應于煤礦區生態系統演變機理時，重建的生態系統可利用其自身固有恢復能力進行系統結構與功能的有效恢復。通過適應礦區周邊生態條件并遵循其自然演替規律，從而大幅度降低礦區土地復墾人力、物力投入水平，節約礦區土地復墾經濟成本。該模式對應于重建植被演替情景①和情景④。然而煤礦區生態系統恢復效果往往受生態要素演替規律掌握的有限性、土地復墾管理的不可控性等因素影響。

當土地復墾措施不能夠適應礦區生態環境及自然條件時，其重建的生態系統恢復過程極為緩慢，甚至出現生態系統結構或功能退化現象，這就使得傳統管理方式難以解決煤礦區土地復墾過程中出現的問題。該模式對應于重建植被演替情景②、情景③、情景⑤和情景⑥。

在判斷土地復墾模式與煤礦區生態系統適應性水平基礎上，往往需要通過土地復墾初期的積極人工引導、發展期的監測與管護以及穩定期的保護保育等措施以維持生態系統可持續發展的能力。不同土地復墾階段生態要素的演替特征不同，對其土地復墾模式的修正要求也各不相同。在“保護優先、自然恢復為主”的生態理念下，科學識別土地復墾過程中管控模式的修正順序，為加強煤礦區土地復墾精準化管理提供重要指導。

依據煤礦區土地復墾模式適應性及其適應程度特征，結合土地復墾方案執行過程中重建植被的6 種演替情景，對土地復墾管控模式的4 大類型按管理優先順序進行排序。排序主要遵循3 大原則：(1) 保護優先，確保土地復墾模式滿足生態保護要求；(2) 自然恢復為主，盡可能減少人為干擾程度；(3) 生態保護與經濟可行相協調，按照生態建設的層次逐級篩選。不同條件下各土地復墾管控模式順序準則見表1。

表1 露天煤礦區不同條件下土地復墾管控模式順序準則Table 1 Sequential guidelines for land reclamation control models under different conditions in opencast coal mining areas

5 平朔露天煤礦區土地復墾管控模式修正的應用分析

5.1 平朔露天煤礦區概況

平朔露天煤礦位于山西省北部的朔州市境內，地處黃土高原晉陜蒙接壤地帶，由安太堡、安家嶺和東露天三大煤礦組成，開采方式以露天開采為主。區域屬于典型溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，生態環境較為脆弱。礦區土壤類型主要是栗鈣土[54]。受季風氣候影響，研究區年降水量分配極不均勻，冬季和春季干旱，夏季和秋季頻繁降雨，且年蒸發量為降水量的5 倍左右[55]。

安太堡、安家嶺露天煤礦是平朔礦區最主要的2 個特大型露天煤礦。其中安太堡露天煤礦位于平朔礦區北部，是平朔礦區開采最早的煤礦，也是我國規模最大、現代化程度最高的煤炭生產基地之一。安家嶺露天煤礦位于平朔礦區東南部，早在開工初期(1999 年)安家嶺露天煤礦就完成了《安家嶺露天煤礦土地復墾規劃》的編制工作。露天煤礦將開采損毀與土地復墾工藝緊密聯系，實現采礦與修復同時進行，減少了損毀土地處于破壞狀態的時間，加快了復墾進度，為礦區生態重建創造了良好的基礎條件。安太堡、安家嶺露天礦區各復墾排土場空間布局如圖4 所示。

圖4 安太堡與安家嶺煤礦區主要排土場分布Fig.4 Distribution of the main dumps in the Antaibao and Anjialing coal mining areas

5.2 土地復墾單元劃分

排土場作為最典型的礦區單元，是體現土地復墾效果的主要載體。依據煤礦區實地調研及Sentinel-2 遙感影像圖，將研究區劃分出若干個相對均質的土地復墾地塊單元，即土地復墾模式、重建植被類型、復墾年限均一致，且集中連片區域。

平朔煤礦區各排土場主要的重建植被類型包括草地、喬木林地、灌木林地和喬灌混林地4 種類型。依據各植被類型下土地復墾發展期與穩定期劃分結果[42]，喬木林地、灌木林地、喬灌混林地和草地的土地復墾發展期分別為15、12、13、9 a。即以2020 年為時間節點計算，將喬木林地、灌木林地、喬灌混林地和草地分別在2004 年、2007 年、2006 年和2010 年及之前進行土地復墾的地塊劃分為穩定期地塊單元，將2005 年、2008 年、2007 年和2011 年及之后進行土地復墾的地塊劃分為發展期地塊單元。

5.3 土地復墾管控模式修正

煤礦區土地復墾管控模式的施控對象為人，受控對象為動態變化的礦區復墾土地生態系統。其修正機制是在學習掌握煤礦區生態系統各要素發展規律的基礎上，通過判斷土地復墾模式與生態系統演變機理的適應性水平，從而識別不同土地復墾階段中生態系統自恢復潛力與亟待人工管理力度，為精準投入不同土地復墾技術、方法、策略等提供直接依據。

根據土地復墾管控模式的劃分類型和順序準則(表1)，結合煤礦區重建植被演替情景與不同植被類型下土地復墾關鍵階段(圖2)，以及土地復墾關鍵保護區識別結果(圖3)，將平朔露天煤礦復墾排土場集群區劃分成4 大管控模式(生態保育、生態管護、生態修復、生態重建)區域進行修正管理，各土地復墾管理修正模式布局如圖5 所示。

圖5 煤礦區各排土場土地復墾管控模式分區Fig.5 Zoning of land reclamation management mode for each dump site in the coal mining area

生態保育管控模式主要適用于安太堡西排土場、西排土場擴大區、內排土場I 號場地和南排土場等早期復墾的排土場區域。由于平朔煤礦位于生態脆弱的黃土高原地區，區域氣候干旱少雨，生態環境及自然條件尤為脆弱[56]。該區主要實行以保護為主、消除人為干擾的生態保育管控模式。生態管護管控模式主要適用于安太堡內排土場Ⅱ號場地、安家嶺南寺溝排土場、東排土場和西排土場等部分區域。該區域生態修復的關鍵在于充分依靠生態系統的自我調節、自我修復的再生能力，并實行關鍵生態要素的定期監測與管護。生態修復管控模式主要適用于安太堡西排土場擴大區、內排土場Ⅱ號場地、安家嶺南寺溝排土場、東排土場和西排土場等部分區域。該區域生態系統自我調節與自我修復功能遭受破壞，需要加強人工積極引導，借助工程、生物措施，并加以實行生態管護與維護才能實現重建土地生態系統的穩定發展。生態重建管控模式只適用于安家嶺南寺溝排土場部分區域。該區域由于強烈的人為干擾因素，重建植被覆蓋度水平幾乎完全退化或消失。生態重建管控模式下應考慮重新設計土地復墾方案，從“地貌重塑、土壤重構、植被重建、景觀重現、生物多樣性重組和保護”等各環節入手重塑煤礦區形態與功能格局，從而構建一個與區域自然生態條件相適應的煤礦區生態系統。

6 結論

a.作為煤礦區生態系統的關鍵要素，重建植被在煤礦區生態修復過程中表現出高效恢復至成熟、低效恢復至成熟、高效恢復而后退化、高效恢復發展、低效恢復發展與無效恢復等6 種演替情景。

b.不同復墾階段的生態修復特征存在很大的差異性，依據不同演替情景下重建植被的階段特征，可將土地復墾發展過程劃分為未復墾期、復墾初期、快速發展期、穩定發展期、和成熟期等不同土地復墾階段。

c.在以保護優先、自然恢復與人工修復相結合的生態理念下，加強煤礦區土地復墾管理要求尊重并順應生態系統的自然規律，并積極發揮人工支持引導作用。即依據煤礦區土地復墾過程中重建植被受干擾程度以及土地復墾模式待修正力度，合理安排生態保育、生態管護、生態修復、生態重建等4 種土地復墾管控模式，并依據重建植被演替特征落實具體管控措施。在不同復墾階段通過積極引導促進土地復墾管理措施與錯綜復雜的礦區土地生態系統進行相互適應，進而有望推進煤礦區生態系統朝著健康、可持續方向演替發展。

d.在黨的二十大提出的高質量發展背景下，新時代生態文明思想對我國礦區土地復墾與生態修復事業提出了新理念和高要求。遙感與地理信息技術的發展，為探索煤礦區土地復墾動態監測、評價與信息反饋提供了方法基礎和技術支持。同時，全球生態研究領域中基于自然的解決方案(Nature-based Solution)、適應性管理、彈性思維以及生態系統恢復力等先進理念的相繼提出，也為礦區生態保護修復提供了更多新穎的視角。加強時序遙感數據在礦區土地復墾及其管理基礎研究中的應用，探索如何將國際先進理念應用于礦區生態修復的實踐當中，值得更多學者去深入研究。