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试论矿区生态重建* |
1 从矿区土地复垦到矿区生态重建 “土地复垦”一词在我国 50 年代末称其为“复田”、“造地复田”、“垦复”等[1]，此种涵义很快就显露出片面性和不科学性，典型的例子之一就是 70 年代在我国东部平原煤矿的塌陷区，不仅进行了种植复垦，而且还进行了养殖复垦等多种利用方式。 1988 年 11 月国务院颁发的《土地复垦规定》对“土地复垦”一词的界定是：“土地复垦是指对在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动”。 美国土地复垦有 3 种不同程度的要求： (1)“Restoration”指完全“恢复”或“复制”出被扰动或破坏前的土地存在状态，包括首先重新恢复原先的地形，然后在此基础上按原有的模式利用土地。 (2)“Reclamation”指尽可能按照采矿前土地的地形、生物群体的组成和密度进行恢复，同时包括可恢复与原生物群体相近的其它生物群体。但它们必须能共处同一生境，在可能的地域，乡土生物品种应该被用在复垦过程中。 (3)“Rehabilitation”指按照土地破坏的情况和事先的规划和利用计划，逐渐恢复或建立一种持续稳定并与周围环境和人为景观价值相协调的相对永久用途。这种用途可以与破坏前雷同，也可以在更高程度上进行用途部分更换或完全更换。 作者从不同类型矿区土地复垦工程技术研究的实践中体会到，上述的美国土地复垦中的第一种要求，即“Restoration”在国内矿区不现实。以黄土区露天矿为例，若以采矿前的生态为参照进行“复原”，显然不科学，因为采矿前的原地貌沟壑纵横，水土流失十分严重，生态环境十分脆弱，系统抗逆性能力很差；若追溯到夏、商时期的生态为参照进行“复原”，显然不可能，因为“复原”当时的森林、草原景观，即使进行大规模的人口迁移，也难以在较短时期内实现。第二种要求，即“Reclamation”，最初很容易就被国内学者所接受，也是至今应用最广、使用频率最多的一词，因为我国大多矿山废弃地初期立地条件十分恶劣，即使最终土地利用方向为耕地，但起初也是首先利用林、草，特别是固氮先锋植物改良生境。而对第三种要求，即“rehabilitation”更适应于中国的国情和情理，不仅包涵简单“恢复”，而且包涵一种意义更为明确的重建。 近年来，国内围绕矿区土地复垦研究已渐成“热门”，矿山、土地、农业等的研究人员称其为“土地复垦”；环保研究人员有时称其为“土地复垦”，有时称其为“生态建设”；生态研究人员原称其为“土地复垦”，现常称之为“生态恢复”或“生态重建”。虽然各类从事研究人员对其有不同的称谓，但从近年研究和实施工程来看，虽名称各异，方向也各有所侧重，但总目标逐渐在趋向一致，趋向于更综合的生态问题。不论称生态恢复或生态重建，现状已由单纯的工程问题趋向于更高层次的生态问题，或应更明确地称之谓复合生态问题。故由土地复垦进展到生态重建已不是研究人员对其名称的转移，不是学院式的讨论，而是人们对客观事物的认识更深入、更全面，也是客观现实的需要。 2 矿区生态重建的理论基础 矿产资源开发引起的环境问题，已不单纯是一个环境污染的问题，而是关系到一个国家、民族经济发展和人类生存的根本性问题。面对如此复杂的矿区环境问题，以及由此诱发的经济问题和社会问题，我们当代人再也无法回避而且必须作出回答，目前可行的解决办法可从恢复生态学中找到。 恢复生态学是一门在 80 年代得到有力发展的现代生态学分支。它所研究的对象是那些在自然灾变和人类活动压力条件下受到破坏的自然生态景观的恢复和得到重建的问题。它涉及了大量在自然生态系统过程中未曾涉及的方法学问题。恢复或重建过程是破坏过程的逆向演替，这一逆向演替可能是沿着被破坏时的轨迹复归，也可能是沿着一种新路径去恢复，可能是自然地进行，也可能是必须借助人工支持和诱导的过渡过程。由于生态恢复大多数情况下是在极端条件下进行的，可能不是一步到位，而需要通过一串目标来实现，所以逆向演替大多数需要以第二种方式为主，恢复生态学方法的主要理论意义就是说明如何实现这一逆向演替过程[2]。其中，矿区生态重建更不例外，因为矿区生态重建是生态学中典型的极端条件下的恢复和重建，如图 1 所示。
图 1 矿区生态系统的退化、恢复和重建 3 矿区生态重建概念的界定及特点 矿区生态重建，目前尚无确切的概念。在对概念界定之前，首先讨论我国目前矿区生态系统可能出现的 4 种演替模式（图 2）。
图 2 我国矿区生态系统演替的 4 种模式 可以看出，我国大多矿区的共同特点是：处在生态脆弱区，有较充足的光温资源、较贫瘠的土水资源和较丰富的矿产资源。矿产资源开发的结果是：光温不变、土水废弃、矿石耗竭。 在进行矿产资源开发前，原脆弱生态系统将有 2 种可能的演替模式。模式 (1) 属于一般整治下的稳定生态系统，因不可能得到矿山经济的支持，故此种生态系统仅可低水平持续发展。模式 (2) 维持现状，因无任何外来经济的支持，属于不整治下的不稳定生态系统，故不可持续发展。 在进行矿产资源开发的情况下，原脆弱生态系统也将有 2 种可能的演替模式。模式 (3) 是在矿山经济支持和人工诱导下重建的高稳定生态系统，故此种生态系统可高水平持续发展。模式 (4) 不作处理，仅靠自然恢复，实践证明，在原生态系统尚未“超负荷”的情况下，系统有“自净”的能力，随着时间的推移，系统可能自然恢复，但对目前造成如此大规模的矿区极度退化生态系统已“超负荷”运转，不可能再靠“自净”而自我恢复，而只会使极度退化生态系统再度恶化，故不可持续发展。 通过以上分析，作者认为：矿区生态重建是指对采矿引发的结构缺损、功能失调的极度退化的生态系统，借助人工支持和诱导，对其组成、结构和功能进行超前性的计划、规划、安排和调控，同时对逐渐逼近最终目标这一逆向演替过程中可能出现的各种问题，进行跟踪评估并匹配相应的技术经济措施，最终重建一个符合代际（间）需求和价值取向的可持续的生态系统。从这一概念可归纳其特点为： (1) 矿区生态重建不是在采矿出现环境问题之后才采取的一种后患治理措施，而是在开采之前就预测可能发生的环境问题，在开采中尽量避免或减少开采对环境的破坏，对策是超前的； (2) 矿区生态重建所追求的主要目标不是原始的环境，而是主动按照采矿的时空发展顺序和最终符合人类需求和价值取向，重建一个高水平、可持续支持系统，对策是主动的； (3) 矿区生态重建不是仅对采矿造成的污染进行限制、赔偿和投资，而是从社会—经济—自然复合生态系统的角度，突出人地关系，追求整体协调、共生协调和发展协调，对策是和谐的； (4) 矿区生态重建不是单纯工程技术、治理项目，而是从矿区的社会形态、经济结构、产业布局、人类行为、价值伦理等进行区域综合规划、评价、整治和管理，对策是高效的。 4 矿区生态重建范围及时间尺度的界定 矿区生态重建范围及时间尺度如图 3 所示。
图 3 矿区生态重建范围及时间尺度 5 矿区生态重建研究的认识（论） 5.1 辩证看待采矿诱发的环境破坏 矿区生态环境破坏是在人类活动压力条件下环境变化超过一定限度的产物，它与任何事物一样具有双重性，即有“害”的一方面，也有“利”的潜在可能。以黄土高原大型露天煤田开发为例，煤炭开采剧烈的人为作用，诱发和加剧了本来生态环境就十分脆弱的环境灾害发生，同时也引起了一系列新的环境问题。但还应看到，随着煤炭开发、区内公路、铁路、工矿、城镇等基本建设有了飞快的发展，同时也带动了地方经济的发展，给当地人民脱贫致富带来了新的机遇，还给生态重建带来了一定的资金；还应看到，可利用采矿移动土石的便利条件，借助于矿业经济发展实力，进行填沟造地，组成一个以“大型梯田化”为中心的农、林、牧复合人工生态景观。 5.2 系统分析生态受损的引发因子 以黄土高原大型露天煤田开发为例，矿区生态受损的引发因子有挖损、压占、占用、污染等，造成的退化类型有水土流失、土地沙化、土地旱化、肥力减退等，各引发因子之间及各退化类型之间相互影响，它们可以同时发生或依次发生，并可能产生综合或叠加的影响，而不同于单种引发因子或单种退化类型相互影响，这一问题就要求研究者要把目光从以单种引发因子或单种退化类型的简单累加转变到较广泛的系统工程问题来解决。 5.3 综合制定矿区生态重建方案 矿区生态环境问题是各种因素相互作用的结果，矿区生态环境综合整治应以实现矿区生态全面恢复为最终目标，而单一的治理是不能达到这一目标的。因此，从对过去矿区环境治理的单体研究向系统的综合研究已成为矿区环境整治的显著趋势。这就要求与矿区生态重建有关的各种方案有良好的相容、衔接关系。具体来说，矿区生态重建方案是在遵循矿区环境评价和土地利用总体规划的原则、标准的基础上，融采矿规则与设计、矿区水土保持规划、土地复垦规划等为一体的综合整治方案，这样可以大大减少各子系统分散的重复投资，并能充分发挥各部门、各学科联合的群体效应，在统一目标、统一规划下攻克矿区极端生境下生态重建中的关键性的、共性的技术难关，可尽快实现矿区生态重建的目标。 6 矿区生态重建研究方法（论） 矿区生态重建研究方法（论）是研究矿区生态重建的基本思维方式，揭示矿区生态重建的具体研究方法。由于矿区生态重建是一个涉及多学科的综合性应用学科，因此，矿区生态重建研究的最基本的思维方式即方法（论）就是利用多个相关学科方法和技术，进行优化组合，加上必要的创新，这一方法论要求从事矿区生态重建的专家应具有宽广的知识面，并力求多学科专家携手攻关。 矿区生态重建的综合性是传统的自然科学中少见的，以下几点可以佐证： (1) 矿区生态重建不仅仅是用简单的技术去处理生物与环境的关系，这种关系总是要受社会干预、经济制约。 (2) 矿区生态重建目标虽在当时、当地应是明确的，但随着时间的推移、社会要求和经济制约的变化，其目标是可以变动的，尤其是大尺度、长时间的大型矿区生态重建，其目标常会有所提高。 (3) 矿区生态重建大多是事先的推测、估计、规划，决不可能等待一切准备完善后再进行，所以只能在不完善的方法下起步，只能在探索、学习中去完成规划，再在设计过程中去完善规划。 (4) 矿区生态重建工程涉及到规划、设计和实施技术等问题。关于实施技术，可由各有关学科技术去解决，现代科学技术对这部分工作是能较好解决的，如恢复植被工程，可由土壤学家来解决成土过程、土壤熟化培肥，生物学家、农学家、林学家来解决恢复什么样的植被和如何种植、管理、经营等问题。 问题的关键是如何完成多目标，而且是在这些多目标常常互相冲突的情况下如何进行规划、设计、管理等。 作者在多年的研究中认为，当前矿区生态重建可参照下列步骤：①以社会要求、经济条件为主导，推导出总目标，这种总目标常是多种目标的综合；②再以生态系统破坏程度与总目标去“配比”，找出其差距；③以现有的科学技术及经济的可行性来衡量，是否可缩小差距，达到目标；④能达到目标就可进行规划，如不能达到目标，只能修改目标后，进行“配比”，直到“配比”合适再作规划；⑤规划目标是有时代性的，故随时间的推移，规划必将修正。 关于规划中的方法问题，作者认为，现代科学的进展，使很多自然学科已建立了各类模型，但不可能是自然学科都可建立模型，尤其是生物科学的模型是较少而不完善的，其中生态模型很多是在探索、初创阶段。当前，要尽量应用现有的模型，但也有很多是各学科的研究调查成果，此种“散珠”似的资料、内容，如何去串缀，尤其是各学科间的交叉、结合，这是首要的难题，目前可行的方法也只有人工智能———专家系统较为成熟。 7 平朔安太堡露天煤矿生态重建实例 平朔安太堡露天煤矿（以下简称 ATB 矿）位于黄土高原境内的山西省西北部，是我国第一个投产的世界级大型露天煤矿，年产煤 1500万t，相当于本世纪 80 年代 15 个统配露天矿的产煤量和 30 个地方露天煤矿的产煤量。在近一个世纪的服务年限内 (1985～2077 年），剧烈扰动土地 60km2 左右。 1987 年至今，我们在 ATB 矿进行了生态重建试验示范研究，其主要结果为： (1) 露采后，原脆弱生态系统演变为极度退化生态系统，原有的地貌、土壤及动植物群落全部消失，原生态系统的结构与功能也随之完全丧失。此种极度退化生态系统无法在自然条件下发生逆向演替，必须借助人工支持和诱导，重建一个人工、半人工的生态系统。 (2) 生态重建包括地貌重塑、土体再造和植被恢复与生产力提高的连续过程。涉及自然、社会、经济。故不仅需要引用传统的技术体系，而且需要研制原地貌土地整治中不曾涉及的新技术。目前引用的传统适用技术有：松散体稳定技术、水土保持技术、沙化扬尘防治技术、覆盖保墒技术、生土熟化技术和植物栽培技术等。研制的适用新技术包括黄土母质直接铺覆工艺，污染岩层包埋、压埋工艺，堆状地面排土工艺，暂时性、过渡性、永久性水土保持措施，硬化与非硬化排水渠系，草、灌、乔合理配置模式等[3]。 (3) 矿区生态重建过程中的技术采纳应用与推广遇到以下 6 个问题：①当一些突发性破坏事故发生后，事出仓促，不可能及时组织有关专家同时到位讨论；②当专家情绪不稳或精力不足时，容易造成决策失误；③当专家之间意图发生矛盾时，无法及时寻求该问题满意的技术路径；④当专家离职后，其经验、知识可能很快随之消失；⑤当有新的问题和有新的解决技术方法时，难以进行技术更新；⑥此种“散珠”式的技术知识，不便对条件类似的其它矿区进行推广和指导。根据以上情况，目前，我们已经初步研制了由 10 个不同学科 30 位专家的理论和经验组成的矿区生态重建专家系统，可逐层完成矿区生态景观镶嵌格局演变、矿区地貌重塑与土体再造、矿区新造地植被恢复与生产力提高的预测、决策、规划和设计。 (4)430hm2 废弃地的生态重建工程费用投资平均为每公顷 3.8万元，其中土地整治每公顷 2.6万元，植被恢复及生产力提高每公顷 1.2万元，本工程费用 ATB 矿完全能够承受。 (5) 依托上述矿山经济和矿区生态重建技术体系，目前，一种以农、林复合为主的人工生态系统雏形已经建立。其中，耕地面积由原来的 50% 左右上升为 65% 左右；林牧用地由原来的 5% 左右上升为 25% 左右，基本消除荒草地和其它未利用地。同时，经过生态重建工程，地表径流系统由原来的 10%～15% 降为 5%～10%; 土壤侵蚀模数由原来的 10000t/km2·a 左右降为 3500t/km2·a；农作物产量已高于原旱地的产量；牧草产量已超过当地的先进生产水平[3]。 (6) 在生态如此脆弱区，能在 10 年内使采矿后的极度退化生态发生逆转，并建立了较原生态更好的生态系统的实例启示我们：脆弱生态区的改善不仅是必要的，而且是可行的。 8 问题与讨论 目前，在 ATB 矿所建立的这种完全的人工生态系统仅是个雏形，随着技术、经济的提高，其逆向演替速率会快多少？如果马上撤离人工支持和诱导，依靠天然维持，能否持续稳定而不退化？这些问题的定论都需经过试验和实践的进一步考验。还有，随着矿产资源的逐渐枯竭，矿山生产作业区内的工业广场如何处置？矿山劳动力资源如何重新安置以及依托矿山演替而成的乡镇、甚至是县市（或从无到有，或从小到大），在矿山报废后，能否还有生机和活力持续发展……如此一系列的生态、经济、社会问题都是以采矿为中心的这个独特的矿区生态系统中必须考虑的问题。此种问题好似是几十年、甚至上百年之后才发生的事，但必须从长计议。当然，这种超前的生态意识，更明确的说是生存意识，必须应时而生、随时而长，但若还靠工业化时代的环境保护战略进行后患治理，就会再犯历史的决策错误。因为我国在本世纪末，建于 50～60 年代的现有国有煤矿和铁矿生产能力的 10% 以上、铜矿 26% 左右、铅锌矿 40%、金矿 70% 将消失。而 40 年前，我们对此类问题不加研究，造成目前在许多即将报废的矿山，问题累积重重、难以处理；如今新建的矿区，如还不加注意此类问题，在几十年后也会出现同样性质的问题，而且那时的局面必将更加残酷。 参考文献
第一作者简介 白中科，男，1963 年 10 月生，副教授，博士，主要研究方向为矿区资源环境与生态重建。
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