高潜水位采煤沉陷区复垦与湿地生态保护——以徐州九里高潜水位采煤沉陷区治理为例

渠俊峰,李 钢,张绍良

(1.中国矿业大学 低碳能源研究院，江苏 徐州221008；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221008)

高潜水位煤矿区主要分布在我国东部的平原区，由于地下潜水位较高，所以煤矿开采后地表会沉陷、积水，从而形成了独特的水、陆复合的矿区生态环境。煤矿开采不仅破坏了矿区的土地、水热循环、生态环境等，还改变和破坏了矿区的生态平衡条件、生态过程，特别是在地表沉陷过程中，除地表植被、土壤等生态因子发生变化外，沉陷区的碳源、碳汇生态功能的转化关系也发生了变化。长期以来，我国采煤塌陷区复垦多以农业复垦为主，复垦的目标是尽可能多地增加耕地面积，为耕地的占补平衡发挥了重要作用。但煤矿开采破坏了矿区原有的生态平衡，而开采沉陷后矿区的生态环境需要改善和维护，所以有必要在实施土地开发时兼顾生态环境保护，以促进采煤沉陷区经济效益和生态效益协调发展与稳步增长。据统计，截至2005年年底全国采煤沉陷土地面积累计已超过70万hm2，其中耕地沉陷约为21万hm2，且随着煤炭开采的持续沉陷地还在以每年大约2万hm2的速度增加，采煤沉陷区开发和生态治理需求十分迫切。徐州市九里高潜水位采煤沉陷区在复垦和生态重建方面实现了有效统一，治理规划综合考虑了农业开发复垦和人工景观生态湿地规划建设，下面笔者重点阐述采煤沉陷区开发复垦和生态保护共同发展的治理思路。

1 采煤沉陷区湿地的治理思路

1.1 国内外采煤沉陷区的治理发展

我国的煤矿区土地复垦和生态重建研究始于20世纪60年代，多年来积累了丰硕的成果，采煤沉陷区复垦方式包括充填复垦(矸石粉煤灰回填、土壤重构等)、非充填复垦(挖深垫浅、疏排法等)等，从改善生态的角度还有生物措施复垦(肥化土壤、种植结构调整等)等。国外的矿区复垦研究从20世纪50年代开始，如美国、加拿大、德国等制定了土地复垦方面的法律法规等，其中德国在鲁尔矿区提出了区域未来创新发展、景观规划、采矿区和工业废弃地重新利用规划等；波兰、捷克、意大利、保加利亚和斯洛文尼亚等国家提出了矿产资源开发、土地利用、景观重建一体化的发展规划，以实现煤矿区工业转型、环境重建等；英国巴特威尔露天矿采用边采边回填的方式，最后覆土造田复垦；澳大利亚在矿山复垦中将土地生产力恢复与水资源防污结合起来等[1]。

1.2 高潜水位采煤沉陷湿地

2002年国际湿地公约对湿地进行了明确定义：湿地系指天然、人工或暂时之沼泽地、湿地、泥炭地或水域地带，具有或静止、或流动、或淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时不超过6 m的水域。煤矿开采导致采空区上方覆岩层的原始应力平衡状态遭破坏，会发生冒落、断裂、弯曲等移动变形并最终涉及地表，导致矿区土地挖损、占压、沉陷、常年和季节性积水等，虽然经过挖深垫浅、疏排等措施复垦可以增加耕地面积，但是由于高潜水位采煤塌陷区地势低洼，所以区域内仍然会存在大量积水和季节性积水区域。高潜水位采煤沉陷区地表水资源赋存丰富，植物、动物、微生物、阳光、水分、土壤等要素组成了一个独特的“土壤-植物-微生物”生态系统，沉陷区积水量、地貌、环境等具备人工景观生态湿地规划的良好自然条件[2]。高潜水位采煤沉陷土地由于长期大面积积水而具备湿地的基本特征，所以可以积水区域的生态改良为治理目标，充分发挥沉陷积水区生态碳汇、涵养水源、净化空气、景观重塑等生态功能。

1.3 高潜水位采煤沉陷湿地规划和保护依据

人工生态湿地的生态功能主要表现在：① “碳汇”功能。“碳汇”(Carbon Sink)是从空气中清除CO2的过程、活动、机制。采煤沉陷湿地有大面积的积水覆盖，土壤水分长期处于饱和状态，所以土壤有机物分解速率较低且积累速率较大。采煤沉陷湿地受养分的有效性、基质的缺氧程度、基质盐度、沉淀性质和pH值等的影响，有机碳会不断增加[3-4]；②优化生态景观结构。高潜水位采煤沉陷湿地水土资源条件优越，根据地貌、水环境特征、资源分布特征和植物群落的适应性等，可按照沉水植物带、浮水植物带、挺水植物带进行水面空间梯度布局，在采煤沉陷湿地与陆地过渡带规划上层树种、中层树种和地被植物，统筹考虑观赏价值和对污染物净化等，形成水、陆植被的生态序列，既可以发挥景观功能又可以改良生态破坏后的矿区小气候。③采煤沉陷湿地的其他功能。采煤沉陷湿地除了具备生态景观功能外，还能拦洪截蓄、削减河道洪峰压力等。另外，在水质允许的情况下，还可以发展水面养殖，有利于循环经济的建立。

2 采煤沉陷区复垦和生态保护实例

2.1 徐州九里采煤沉陷区基本情况

徐州九里矿区位于徐州市西北郊，距徐州市中心8 km，有张小楼、庞庄、东城、宝应和王庄5个煤矿，是典型的平原高潜水位煤矿，当前已经形成沉陷区面积1 155.8 hm2，沉陷区原有地类见表1。该矿区投产于1960年，2000年之后煤矿资源逐渐枯竭，一些矿井陆续关闭，矿区地表也逐渐趋于沉陷稳定状态，具备了矿区治理的基本条件。2005年针对沉陷区进行了复垦治理，理顺了水系，并回填土方造田；2008年又进行了沉陷湿地公园的规划及建设。

表1 徐州九里采煤沉陷区地类

2.2 采煤沉陷湿地景观生态规划过程

徐州九里采煤沉陷区景观生态湿地规划是在复垦的基础上进行的，先后完成了土方挖填、水系修复等，针对大面积沉陷水域以景观生态为规划目标，在满足生态修复和休闲旅游的同时，兼治塌陷区生活污水、矿区重金属污染等，协调水资源、生物资源多样性、景观旅游之间的关系，把采煤沉陷区大水面规划成景观生态湿地，具体规划的内容主要有：①湿地耗水分析和供水规划。采煤沉陷湿地的耗水主要有灌溉、渗漏、蒸发、养殖和生态耗水等，湿地供水规划应该确保有相应的水量，确保湿地不发生陆化。采煤沉陷湿地供水来源主要有降水、地表径流、土壤渗水、灌溉尾水和较高区域客水等，确保水资源供给量与消耗量之差大于枯水季节蓄水量，保证湿地在低水位状态下能正常运行。②湿地排水规划。湿地作为河流的滞洪区和景观区，蓄水量不能超过其洪水位警戒线，当采煤沉陷湿地遇汛期降水和洪涝集中时，需要将多余的水资源排出，以降低洪涝灾害对采煤沉陷区的影响。③湿地植被规划。湿地植被群落作为生态景观的重要因子，除了考虑其景观要素外，还要综合考虑其在采煤沉陷区生态修复过程中的作用，根据拟规划采煤沉陷湿地的水深、水系差异和植物群落的适应性，因地制宜地营造不同的植物景观，按照水面的空间梯度分别布局沉水植物带、浮水植物带、挺水植物带，湿地水面植被群落梯度规划见表2，徐州市九里采煤沉陷区治理前后对照见图1。

表2 徐州九里采煤沉陷区土地水陆植物群落

2.3 采煤沉陷湿地实现的生态效益

采煤沉陷湿地的规划实现了显著的生态效益，具体表现在：①增加了土壤碳库的储量。采煤沉陷区人工湿地规划后，湿地区域发挥了显著的碳汇功能。对采煤沉陷区季节性积水区、沉陷不积水区、对照农田和湿地区域土壤取样进行化验分析，对比发现采煤沉陷湿地单位面积土壤碳库储量远高于其他地类，沉陷湿地区为1.09 万t/km2，对照农田为0.768万t/km2，季节性积水区为0.627万t/km2，沉陷不积水区为0.559万t/km2。②水质得到了净化。采煤沉陷区积水水质重金属、硫化物等均超标，湿地的首要功能就是发挥生态效益，湿地植物在净化湿地水质过程中发挥了3方面作用，即：直接吸收利用污水中的营养物质、吸附重金属和有毒物质；为根区好氧微生物输送氧气；增强和维持介质的水力传输。③沉陷区生态景观格局不断优化。除了将水域作为采煤沉陷湿地的治理重点外，水体沿岸的生态涵养林也得到重新布局和调整，以当地的乡土树种为主，营造稳定的植物群落，达到涵养水源、净化空气、净化水质的目的。④后工业景观生态文化的展示。将枯竭矿区生态环境的修复与重建、景观重构与组织结合起来，展现后工业生态景观公园模式(见图1)。

图1 徐州市九里采煤沉陷区治理前后对照

3 结论与讨论

高潜水位煤矿开采后沉陷区出现大量的积水，沉陷区水土资源丰富但利用率较低，合理开发和利用沉陷区水土资源是采煤沉陷区治理的根本目的。土地开发和生态环境保护同等重要，两者的协调发展将是矿区治理的最终目标。高潜水位采煤沉陷区的治理需要考虑各种效益的协调发展和稳步增长，为此要做到如下几点：

(1)因地制宜编制治理规划。高潜水位采煤沉陷区虽然拥有丰富的水土资源亟待开发，但是由于采煤过程对生态环境的破坏，沉陷土地开发应充分兼顾区域的生态补偿规划，促进土地利用率的提高和积水资源化利用，推广应用宜耕则耕、宜景则景、宜林则林、宜渔则渔的治理开发模式。

(2)保护和增强采煤沉陷湿地的综合生态功能。抽排积水并回填沉陷洼地可以新增一些耕地，但复垦成本较高，且新增耕地质量不高，而积水面积的缩小会削弱湿地的综合生态功能，比如有机碳库、碳汇能力等。检测数据表明，采煤沉陷湿地常年积水区有机碳库密度显著大于参照田和不积水坡耕地。积水区是采煤沉陷湿地的重要碳汇区，保护好积水区有助于当地生态环境的改良，在进行采煤沉陷区土地复垦规划时，可以适当保留沉陷区水体，通过保留一些水体来实现区域碳增汇、空气净化、湿度调节等。

(3)重视坡耕地的水土保持。采煤沉陷造成大面积的斜坡耕地，属于陆地和沉陷水面的缓冲结合部，在降水和重力的双重作用下斜坡耕地保水保肥性能较差。根据土壤样本的有机碳库密度分析，坡耕地的土壤有机碳密度偏低，客观上降低了坡耕地的生产能力，为此需要强化坡耕地水土保持规划，增强地表植被的覆盖率，抑制坡耕地水土流失，有效保护坡耕地的产出能力。

[参考文献]

[1] 孙广友.中国湿地科学的进展与展望[J].地球科学进展，2000，15(6):666-672.

[2] 渠俊峰.煤矿区水土资源配置型复垦理论与方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2010:8-12.

[3] 杨渺，李贤伟，张健，等.植被覆盖变化过程中土壤有机碳库动态及其影响因素研究进展[J]，草业学报，2007,16(4):126-138.

[4] Muhr J, H hle J, Otieno D O, et al. Manipulative lowering of the water table during summer does not affect CO2emissions and up-take in a fen in Germany[J]. Ecological Applications, 2011,21(2): 391-401.