矿山修复生态

矿山修复生态前言    矿产资源是国民经济的重要组成部分，其开发利用很大程度上关系一个国家工业生产的快速发展，但矿产资源开发容易给生态环境带来负面影响，近年来，矿产开发与环境保护之间的矛盾日益凸显，矿山基建和长期的资源开发利用形成大面积的工程扰动区，破坏了原有的自然环境，同时还容易诱发滑坡、泥石流等自然灾害。    国外对矿山生态修复理论与技术进行了大量研究，一些发达国家建立了一系列较为完备的修复理论体系，对应的修复技术也已非常成熟。我国在该领域的研究起步较晚，随着我国对生态环境保护要求的不断提高，国内矿山生态修复研究工作也取得，了很大进步，但仍存在诸多不足，突出表现在矿山生态修复效益效果不佳，这将是矿山生态修复工作中的难点和重点。    矿山生态修复研究主要基于恢复生态学原理，结合矿山扰动情况及立地条件等进行深入的理论研究，为生态修复工作提供技术和理论支撑，将已扰动矿区在人为干预下或根据需要重建成满足某种社会需求的状态，恢复到近天然或以矿区周围自然环境为标准恢复成与其相适应的状态。国内外对矿山生态修复的研究主要集中在生态修复相关理论、生态修复技术、修复生态效益及修复效果评价等4个方面。    1、矿山生态修复理论    矿山生态修复理论研究主要包括土壤种子库理论研究、植物群落演替规律研究、生态修复限制性因子研究，以及植被护坡机制理论研究等。目前较多与矿山相关的生态修复研究还停留在理论研究上，很多研究成果有待在实际工程项目中进一步实践，且各学科间缺乏协同创新。    1.1 土壤种子库理论    土壤种子库在植被群落形成和演替过程中起着重要作用，国外已有工程实践，国内也有较多理论研究。张玲等研究表明，土壤种子库是一个潜在植物种群，同时还储藏着所在地周围其他物种的种子，在生态恢复中具有较好的研究价值；谢天资等指出土壤种子库主要有水平和垂直分布，受种子传播方式及所处环境等因素影响，水平分布有聚集性、随机性和均匀性等特征，这在矿山生态修复中有较好的指导意义；白文娟等认为土壤种子库是一个潜在植物种群，同时还储藏着所在地周围其他物种的种子，其种类和功能跟库内植被群落有关，影响因素主要有群落大小、生境条件、土壤理化性质等；王宁等阐述了不同植被类型土壤种子库在黄土高原植被恢复中发挥的作用，同时提出加强本底调查研究等科学建议。国内土壤种子库也在特定工程生态修复中有了一些初步的探索，但在相关矿山生态修复中大多还处于理论研究阶段，还需进一步加强理论研究和实践验证。    1.2植物演替理论    植物群落演替理论是矿山生态修复研究中的重要组成部分，其生态修复工作推进离不开植物群落演替理论的指导。赵娜等研究金属矿区植被恢复中发现，矿区植物群落形成是先锋植物的入侵、聚集、定居和竞争形成的；李永庚等指出植被群落演替序列分为3个阶段，且演替过程中物种多样性呈现逐步上升趋势；张翔等在彭州铜矿植被恢复研究中发现自然定居的植物以菊科和禾本科为主；蔡胜等在采石厂植被恢复物种多样性调查研究中发现草本在初期优势较为明显，随着演替时间推移，乔木、灌木开始逐步出现，但物种多样性中草本植物群落明显占优，且植物群落在形成和演替过程中适宜的植被种类会有变化；植被群落的形成和演替变化过程还跟所在区域众多环境因子相关，如光照、水分、土壤的理化性质以及演替时间等，其中土壤理化性质和演替时间等是其重要影响因素，引进的外来侵略性物种对植物群落的演替进程也会有一定影响，而建群种补植法可以很好解决这一问题。研究表明，就物种多样性和长期修复效果而言，自然恢复表现更好。在现有理论基础上还需进一步加强植被结构特征及其演替过程的研究，结合已有成熟的恢复技术，更好地为矿山边坡生态修复服务。    1.3

限制性因子理论    限制性因子理论是矿山边坡生态修复研究中极为重要的一部分，其主要影响性因子包括边坡自身要素及环境影响因子。孙明迪研究表明，矿山植被恢复的相关限制因子影响作用为：土壤有效深度>土壤有机质含量>年降雨量>地表破坏程度>有害元素含量>灌溉条件；此外，土壤的肥力、酸碱度、厚度以及其内部离子浓度及酶含量等也是矿山边坡生态修复过程中的重要限制因素。

Takafumi等在采石场生态修复研究中认为，土壤理化性质、边坡要素及裸露程度是生态恢复的重要影响因子。郭逍宇等研究表明，群落优势种生态梯度变化的最强限制因素是水分和光照。植被恢复的好坏是限制性因子的作用结果，研究各限制性因子的作用及协同效应在矿山生态修复中极为重要。    1.4 植被护坡机制理论    戚国庆等研究表明，植被对边坡的作用分为深层根系锚固、浅层根系加筋以及表层覆盖防冲刷3种，其作用力依次增强，但作用范围有限；言志信等对根土作用机制的研究表明，根系力学强度、根土接触密集度与土壤强度成正比；蒋必凤等从植被层、枯枝落叶层和水文作用等方面考虑构建了降雨动能理论模型，应用效果较好；李绍才等通过室内外试验论证了护坡机制原理，阐述了根系在边坡中的受力关系，对边坡生态修复有一定指导意义；宗全利等研究表明，根系提高土体强度的根本是提高其内部黏聚强度，根据其作用机理建立对应数学模型，其推广性较强。国内在植被护坡机制方面已有大量理论研究，但在矿山生态修复实践中应用甚少，理论对实际项目的科学指导还需进一步    2、矿山生态修复技术    2.1 矿山生态修复类型    根据矿山的立地条件以及社会功能需要等因素确定矿山生态修复类型，因地制宜地确定矿山修复方案是矿山生态修复工作的重要环节。傅伯杰等依据我国生态环境特征，建立了科学的划分体系，将我国划分为3个生态大区，13个生态地区和57个生态区；张进德等在前人研究基础上，综合考虑区划、类型、功能及分布情况等要素将我国废弃矿山划分为14个矿山生态修复区；周家云等根据矿山开采方式和矿区立地条件，将矿山分为2个大类和6个基本类型，并介绍了矿区土地复垦评价与规划、土壤重构、界面要素演替规律以及矿区生态重建原理等，为矿山生态修复提供了强有力的理论支撑和技术指导；此外，徐礼根、魏述艳根据矿山恢复治理目的和功用将其进行分类，并针对不同的矿山类型提出了相适应的修复手段及植物配模式。根据矿山立地条件和恢复的功能需要，进行科学分类及适宜性评价是矿山生态修复至要的一个环节，同时，在矿山边坡生态研究中应步加强理论研究与技术实践的贴合度，通过各学科各领域研究的协同作用，使矿山生态修复效益变得更好。    2.2

生态护坡技术    国外生态护坡技术在矿山生态修复应用中的究较早且技术更加成熟，如种子喷播技术、挂双向格栅技术、生态多孔混凝土绿化技术等。国内研究起步较晚，但近年来进展较快，目前比较成熟的有喷混植生技术、植被混疑土护坡技术、液压喷播技术、客土喷播技术和厚层基材喷射护坡技术等。陈明德等介绍了液压喷播植草技术在绿色防护项目中的使用，达到了应用推广水平；蒋鹏飞等介绍了客土喷播技术在石质边坡防护工程中的使用且效果较好；李荣海等阐述了喷混植生技术在矿山岩石边坡加固绿化中的应用并介绍了其使用价值；张振东等将全埋式植被混凝土护坡技术用于边坡植被恢复中，效果极佳；张俊云等介绍了岩石边坡厚层基材喷射植被护坡技术在内昆铁路横江车站岩石边坡和都江堰矿山公路硬质岩边坡的成功应用实例。近年来，生态护坡技术在矿山生态修复工程中应用广泛，但以恢复生态学理论为基础的研究还有待加强，理论研究和工程实践间的贴合度需进一步加强。    2.3土壤改良技术    矿山生态恢复中土壤改良是根本。国内研究相较于国外起步稍晚，但其研究目的基本一致，目前土壤改良技术主要围绕物理、化学和生物3个方面展开研究。    土壤的物理改良应根据矿山土壤的物理指标选择适宜的方法，主要是对土壤采取换、排、翻、客等措施；薄土层一般选用客土法，排土后混合客土是工程扰动生态修复较为常用的改良方法，对被污染的矿山还可采用灌浆、隔墙等方法，一般在进行土壤化学和生物改良前需对其进行深耕翻土，改良其密实度及内部结构。但土壤本身较为复杂，摸清其物理特性可为物理改良技术的选用提供更为科学合理的指导。    土壤的化学改良技术是根据其理化性质确定的，蓝志龙等介绍了植被恢复和土壤储碳量的变化规律；刘美英等对比研究修复后的扰动区土壤与原状土壤中有机质碳氮含量变化特征，对其生态修复效应进行了评价；樊文华等研究了矿区复垦土壤中的污染元素，阐明了复垦土壤中主要的潜在污染因子及其污染特征。土壤化学改良方面已有大量研究，但是针对特殊环境下的土壤化学改良技术研究还有待提高，特别是基材配比优化和相对应理化性质、有机质含量等与植物生长适应性的协同研究还需加强。    土壤的生物改良是利用土壤动、植物和微生物及其对应代谢物对土壤养分含量及理化性质等进行改善的一种技术。魏远等研究表明，杨梅、沙棘等植物具有较好的固氮效果；大量研究表明，蚯蚓和从枝菌根真菌侵染豆科植物的积极影响；张杰琼等认为碳、氨可以作为表征土壤肥力的敏感因子。生物改良技术在土壤改良中意义重大，目前研究热点在于将一些功能性生物通过生物技术运用于土壤改良，研究其稳定性、有效性等，在矿山生态修复中有较好的应用前景。    2.4植被物种选配及种植技术    矿山生态修复中，植被物种的选配和对应的种植技术是矿山生态修复的研究重点和难点。目前，不同立地条件对应适宜植物种类选配已有很多研究，研究表明，豆科、菊科、禾本科植物是矿山生态修复的先锋物种的较好选择，具有很强的适应性，对改善土壤理化性质和营养状况效果明显；且具有根瘤和茎瘤的豆科植物是较为理想的先锋物种；关军洪等对北京首云铁矿植被修复调查研究发现，菊科、禾本科、豆科为优势植物，就植被覆盖度及物种多样性而言，人工修复区恢复效果明显优于自然修复区；黄福才等调查研究紫金铜矿植被恢复中发现，乔木覆盖度及物种多样性均处于劣势，而灌木优势较大，草本覆盖度和物种多样性优势较为明显；在一些特殊地区，可以使用容器苗造林以及添加高分子试剂等技术进行植被恢复。在特殊生境条件下，生态系统结构单一且脆弱，应加强其适宜物种的演替规律以及其稳定性探索，加强植物群落演替和护坡技术耦合研究。    3、矿山生态修复效益研究    矿山生态修复效益研究内容包括植被群落可持续性、土壤理化性质及营养状况、景观格局改善、水土保持效益等方面，采用对比研究，一是以时间为主线，对比不同时间段的各参数变化情况；二是对破坏修复后的生态系统与未破坏原生态系统进行其生态修复效益评估。大量研究表明，随着矿山修复时间的推移，其土壤持水和保水功能呈增强趋势，且草本植物在蓄水和减蚀方面明显弱于灌木。彭东海总结出科学适宜的修复手段可在短时间内使矿山生态得到恢复，且物种多样性等方面可较快达到未破坏前的状态。张生、石丽丽研究表明，矿山人工植被恢复区域土壤性质好于周边未处理区域，且呈上升态势；赵阳通过土壤侵蚀试验并用土壤侵蚀模数表征水土保持效益，在磷矿扰动区生态修复后涵养水源及保土能力较好；冯萤雪从景观效益出发，考虑景观的功能结构对矿山生态修复后的效益进行评价，对其生态修复有较好的指导作用。近年来，遥感技术的发展加快了矿山生态修复研究进程，利用遥感对扰动区土地类型、植被及破坏情况等进行分类，通过景观格局指数与不同恢复阶段数值进行对比，从而确定修复的景观生态效益，效果优越。    4、矿山生态修复效果评价    近年来，学者们针对不同矿山边坡生态修复情况提出了相应的评价方法及体系，从多个维度分析评价了生态修复后的效果。国际生态协会从植被恢复后的稳定性、抵御外界因素影响及信息交流3个大方向中筛选出9个极具代表性的评价指标，具有良好的科学性和实用性；国内主要是从修复后生态系统稳定性、可持续性、实际工程中的服务效果和价值体现等方面进行评价。王晶晶从修复后的自身稳定性、抵御外来物种入侵能力、土壤理化性质维持能力、恢复后物种间相互影响等方面比对修复区和原状区的不同，从而对其修复效果进行评价。张春燕采用主成分分析法评价13座矿山的植被恢复效果，景观再造模式中的矿山公园类型恢复得最好、第二、第三分别是近自然修复类型、农业及果业类型和鱼塘景观类型。确定综合效益最好为目标，用AHP-模糊综合评价模型对矿山生态修复模式成效进行评价，结果表明三大修复模式均有综合效益较好的矿山。动态变化和复杂性是生态系统最基本特征，这也决定了矿山生态修复效果评价变得复杂，现存已有的一系列评价标准及方法还缺乏可操作性和系统性，评价体系尚未健全，矿山生态修复后评价也将成为未来的一个重要研究课题。    5、结论与展望    (1)我国矿山生态修复还存在诸多不足，主要表现在未能结合矿山实际情况科学合理定位修复目标，选择修复方案时未能因地制宜，存在照搬照套已有矿山、公路等修复措施的现象，且修复后的生态系统存在稳定性不足、后续监测及管理措施缺乏、修复效率低等问题。今后应针对不同矿山概况进行科学分类，进而制定其生态修复目标，建立科学合理的生态修复体系和生态监测长效机制，进一步改善生态修复效果效益，加速矿山生态修复进程。    (2)矿产开发存在过度要求短期经济效益、忽视长期生态环境保护、重开发、轻治理等现象，这是导致目前矿山废弃地众多且恢复难