露天煤矿复垦生物多样性恢复技术体系与方法：以平朔矿排土场为例

原 野，赵中秋，2，白中科，2，牛姝烨，王杨扬，李学燕(.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 00083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 00035)

露天煤矿复垦生物多样性恢复技术体系与方法：以平朔矿排土场为例

原 野1，赵中秋1，2，白中科1，2，牛姝烨1，王杨扬1，李学燕1
(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

生物多样性为人类提供了丰富的生活资源和必要的生存环境。煤矿露天开采造成矿区生态环境破坏及生物多样性丧失，但目前尚未形成基于生物多样性恢复的土地复垦技术体系。为加速矿区生物多样性恢复，提高复垦生态系统稳定性，本研究以黄土丘陵区平朔露天煤矿为例，总结现有土地复垦经验，根据生物多样性恢复的基本方法，尝试从矿区生境再造和景观格局优化两方面探讨生物多样性恢复的技术与方法。研究结果表明：生境再造与景观格局优化是矿区生物多样性恢复的重要手段；优化排土场平台、边坡形态，提倡建立仿自然地貌；采用有利于土壤生物多样性恢复的土壤重构技术；进行植被重建是矿区生物多样性恢复的重要环节，并为其他生态因子恢复提供生境；建立生态源地和生态廊道；实施生态农业生产方式，进行生态农业景观结构优化。

露天煤矿；复垦；生物多样性；技术；方法

生物多样性为人类提供了丰富的生活资源和必要的生存环境。作为地球生命支持系统的核心组成部分，生物多样性也是生态服务功能的基础。1992年生物多样性公约(Convention on biological diversity)认为，生物多样性是地球上陆地、海洋及其他生态系统及其所构成的生态系统综合体中的所有生物体，包括物种内、物种之间和生态系统的多样性[1]。我国发布的《生物多样性保护战略行动计划(2011～2030年)》将生物多样性定义为：生物多样性是生物(动物、植物、微生物)与环境形成的生态复合体及与此相关的各种生态过程的总和，包括基因、物种、生态系统三个层次。随着认识和研究的逐步深入，其范围也由原来的基因、物种、生态系统3个层次拓展到遗传、物种、生态系统、景观4个层次[2]。

煤矿露天开采是世界范围内的主要采煤方式，据统计，世界范围内煤炭产量增加值的75%源自露天开采，我国露天煤炭产量也达到煤炭总产量的15%[3]。露天煤矿开采过程中“剥-采-运-排-复”等环节损毁和占用了大量的土地资源(据报道，我国露天煤矿开采万吨煤损毁的土地面积约为0.22 hm2[4])。土地是生物多样性的载体，随着矿区土地资源的破坏，矿区生物多样性亦遭到毁灭性破坏，地表植被被移除，土壤动物和其他大型动物因生境丧失而消亡。目前，国内外学者对矿区土地破坏阶段以及复垦阶段的动物[5-7]、植物[8-9]、微生物[10-11]以及矿区景观格局[12]等内容进行了研究，总结了矿区生物多样性恢复的若干规律。

从复垦实践来看，我国露天煤矿主要分布区(黄土丘陵区、草原区、荒漠区)的土地复垦技术已比较成熟，但如何在现有土地复垦技术的基础上，充分考虑生物多样性对土地复垦技术的响应，提炼出基于生物多样性恢复的土地复垦技术体系，目前尚未有明确的研究成果。鉴于此，本文在生物多样性恢复方法论的指导下，总结黄土丘陵区平朔露天煤矿土地复垦经验，参考国内外土地复垦中生物多样性恢复的有益经验，尝试提炼基于生物多样性恢复的平朔露天煤矿土地复垦技术，以期进一步深化和完善我国土地复垦“地貌重塑-土壤重构-植被重建”技术体系[13]，为矿区生物多样性的恢复和保护提供参考。

1 矿区生物多样性恢复关键技术体系构建

生物多样性恢复主要有两条途径：一是从底层的遗传和物种多样性恢复开始的“自下而上(down-top)”的途径；二是从景观格局优化角度进行的“自上而下(top-down)”的途径[14]。第一条途径突出了生态系统的组分作用，揭示了自然状况下生物多样性发生、维持的微观机理，但忽视了人为干扰等外部环境因素的作用。第二条途径突出了人为干扰下景观格局的改变对生物多样性(遗传、物种、生态系统)的影响，其中，景观格局对生物多样性影响主要表现为：①景观要素的形状、组成、空间结构对景观中的生物和生态系统功能有重要影响和作用；②遗传、物种保护为目标的方法仅适用于对物种生态特性及其在生态系统中作用和功能等有全面认识的情形。若对物种作用和功能及食物链之间的相互关系和作用缺乏全面而深入的了解和认识，则应采用景观的观点，重视对物种赖以生存的生境的重建，以达到有效而全面地保护矿区景观生物多样性及其生态服务功能；③生物多样性恢复及促进生态系统功能维持的措施能否取得成效并不仅仅取决于措施本身，还取决于这些措施所处的景观结构状况[15]。

根据上述分析，可以认为矿区生物多样性恢复技术体系可以分为相互作用的两大技术内容，即微观的生境再造和宏观的景观格局优化。其中，生境再造的主要手段包括基于生物多样性恢复的地貌重塑、土壤重构以及植被重建等。矿区景观格局优化主要包括建立矿区生态源地和生态廊道等。黄土丘陵区土地复垦后耕地(农业景观)占据大片生境，因此景观格局优化中农业生态景观的优化又需要特别的重视。

图1 生物多样性恢复途径与基于生物多样性恢复的露天煤矿土地复垦技术体系

2 实证研究

2.1 研究区概况

平朔露天矿位于山西省朔州市平鲁区，是我国最大的露天煤矿之一。矿区地理坐标为112°10′58″～113°30′E，39°07′～39°37′N。气候类型为典型的温带干旱、半干旱大陆性季风气候，年均降雨量约为420 mm且降水集中在7～9月，年平均温度为6.2 ℃。本区地带性土壤为栗褐土、栗钙土，物理风化作用强烈，土体干旱，土质偏砂，肥力低下。研究区开发历史悠久，天然草原零星分布，天然次生林不多见，植被覆盖率较低。本区主要草种有达乌里胡枝子、长芒草、扁穗冰草、克氏针茅、百里香等，主要灌木为沙棘，主要乔木种为小叶杨，国家级保护动物有大鸨、金雕、豹等[16]。

平朔矿土地复垦主要包括“地貌重塑-土壤重构-植被重建”三阶段，5 项工程复垦技术(排土场基底构筑工艺、排土场主体构筑工艺、排土场平台构筑工艺、排土场边坡构筑工艺和排土场排水渠构筑工艺)和3项生物复垦技术(岩石加速风化、生土快速熟化和合理配置植物)[13]。平朔矿排土场自1985年开始排弃，1992年开始复垦，至2013年底，已复垦林草地600 hm2，耕地300 hm2。

2.2 地貌重塑技术优化

与煤矿采前平缓地貌相比，平朔矿排土场是由若干相对高差100～150 m的巨大松散岩土堆积体组成的人工地貌。地形地貌的变化对矿区生物多样性的影响主要体现为对矿区景观格局的剧烈扰动：首先，排土场的松散陡坡和坚硬平台为强烈的风蚀、水蚀创造了条件，边坡坡面被侵蚀后呈现的密集的细沟，加剧了排土场景观的破碎化；其次，矿区景观格局向简单的“平台-边坡”模式的演变过程中，由于动植物栖息地和生境不断破碎化乃至丧失，抑制了生物多样性的恢复。鉴于此，需要对传统的排土工艺进行优化，为矿区生物多样性恢复创造条件。

2.2.1 平台优化方法

针对排土场平台压实引起的非均匀沉降及平台、边坡冲刷等不利于排土场生境稳定的问题，宜在平台构筑初期采用堆状地面，5～10年后逐渐整平并进行微地形塑造。堆状地面的构筑方法为：平台排土后不碾压，用小型推土机堆成蜂窝状起伏的、凹凸不平的疏松土层。微地形塑造方法为：按照中间低，四周高的方式推土，田面长度宜为200～500 m，宽度宜为100～200 m，要求中间最低点高程低于四周最高点高程20 cm，形成一个盘状蓄水单元。优化后的平台可防止暴雨时的大面积径流冲刷，同时虚土沉降过程中，可一定程度填补沉陷裂缝，为植物根系提供一定的低下空间，为生土熟化提供良好的条件。优化后稳定排土场生境为生物多样性恢复提供了条件。

2.2.2 平台半自然生境建造方法

针对平朔排土场平台复垦为耕地时农业景观单一化的问题，宜在农地中构建为动物提供避难所、食物源、繁育场所和迁移的廊道的半自然生境，主要包括田间道、挡水墙和防护带等。田间道布设的方法：平台挡水墙内侧，修建路基宽度为4～5 m，路高为0.5 m的道路并在道路两侧种植适生的乔木和灌木，并留有一定宽度的道路缓冲带，为动物提供多样化生境。挡水墙的修筑方法：排土场平台边缘应修筑坡肩挡水墙，坡肩挡水墙采用剥离的黏质土壤修建并在挡水墙顶部种植适生灌木营造保护带。

2.2.3 边坡优化方法

平朔排土场边坡具有大坡长、高坡度、松散等特点且复垦后一般用作林地，是矿区生境再造的重点区域。一般来看，边坡的坡形、坡向、坡度和坡位对植被群落发育，土壤动物、微生物群类及密度均有显著影响[17-18]。为增加边坡稳定性，同时与周边地貌融合，并为动植物恢复提供有利生境，边坡的设计宜模仿自然地形，设置凹形、弯曲式缓坡，并在坡面上用天然材料修筑网格状拦水网或挡水坎或者鱼鳞坑，控制边坡水土流失，增加景观异质性。

2.3 土壤重构技术优化

土壤是地上部分生物多样性的载体，且土壤中的生物多样性远高于地上部分生物多样性。土壤生物多样性不仅在凋落物分解和养分循环方面起着不可替代的作用，而且在植物群落维持演替方面也起着重要的作用[19]。露天开采彻底扰动了土壤结构，构造具有最适宜的物理、化学和生物性质的土壤介质是土地复垦的核心，也是加速矿区生物多样性恢复的基础。土壤重构技术优化主要包括基于生物多样性恢复的表土剥离、表土存放、土体重构等内容。

表土是土壤中肥力最集中的部分同时贮藏着绝大多数可萌发土壤种子库，在复垦后植被恢复中起着关键作用，因此需要对表土进行剥离。平朔矿区表土剥离宜采用推土机、铲斗等机械挖掘为主、人工挖掘为辅的方式进行表土剥离施工，表土剥离厚度取决于表土的厚度和质量，一般剥离到犁底层(50 cm)即可保护土壤种子库。

表土存放时间和存放方式显著地影响土壤肥力的保存和恢复。平朔地区降雨会引起表土冲刷，对土壤结构和养分产生不利影响，故表土存放应避免雨季进行。表土存放方式主要有堆状表土存放方式和大型表土堆存放方式。平朔矿堆状表土存放方式对保持土壤养分、加速植被恢复的效果都显著优于大型表土堆存放方式[20]，因此平朔表土存放宜以堆状存放方式为主。堆状表土存放的方法与平台堆状地面构造方法相似，即排土后不碾压，用小型推土机堆成蜂窝状起伏的、凹凸不平的疏松土层。

针对排土场构造中扰动土体结构不利于土壤质量恢复的问题，宜采用分层构建的方法恢复土体结构。具体方法是按照“土石混排→生土→表土”从下至上分层构建土体，该方法一方面可以保证土壤水分的入渗，减少地表径流的形成，另一方面保证了土壤的通透性，适于植物生长。

2.4 植被重建技术优化

植被重建是矿区土地复垦的关键。营造多样化的、适生的乔、灌、草配置模式是平朔矿区植物多样化的要求，同时也为大型动物和土壤动物、微生物生境多样化提供基础。从景观层面来看，植被配置模式的多样化也是景观结构多样化的内在要求。

2.4.1 先锋植物筛选原则

1)具有显著水土保持能力的种属。可以涵养水源，减少地表径流，防止水土流失。

2)具有抗干冷逆境的能力。对瘠薄、风害、干旱、冻害、病虫害以及粉尘污染等不良立地因子有较强的忍耐能力。

3)生命力较强，具有固氮能力，能显著改良土壤质量并形成稳定的植被群落。

4)根系发达，根系分蘖性强，生长速度快，能网络固持土壤。地上部分生长迅速，枝叶茂盛，凋落物能尽快的覆盖地面，有效地阻止水蚀、风蚀。同时，枯枝落叶易于腐化分解，能形成松软的枯枝落叶层，显著提高土壤的水肥保持能力。

5)播种栽植较容易，成活率高。育苗简易，种源丰富。

2.4.2 排土场植被重建技术

平朔矿区边坡最终利用方向是永久性林牧用地，控制水土流失的有效植被覆盖度应在80%以上，因此，植被配置模式可以“坡麓乔木×坡面灌木并混播豆科禾本科牧草×坡肩乔木”为主。

平台除设置必要的道路和农田林网外，大部分的最终利用方向为优质农田，在 5～10年的恢复期间，应以过渡性的灌、草措施为主，配置模式以“灌木”或“豆科牧草”或“灌木×豆科牧草”效果较好。如2年内可能被掩埋的区段不宜种植；若3～5年内可能被埋，可选择草、灌种植，若在20年以上才可能被掩埋，则可选择速生乔木，使其成材。

2.5 景观格局优化方法

平朔矿露天开采和排土场修建造成景观碎裂化、单一化和连通性降低是矿区生物多样性丧失的主要原因之一，其对矿区生物多样性的威胁主要包括：①矿区土地挖损、压占、塌陷与复垦后“平台-边坡”地貌减少了物种恢复的生境总面积，降低了生物多样性整体规模；②各排土场之间缺少动物迁移廊道，分隔了大型动物和土壤动物种群交流，有可能增大物种小众化的风险。借鉴景观优化的一般方法，根据矿区景观的特殊性，可以将矿区景观格局优化分为两个步骤，即矿区生态源的确立和生态廊道的确立。特别地，黄土丘陵区土地复垦的一个重要方向是建设高质量耕地，但高质量耕地建设过程中的集约化农业生产方式往往导致生境丧失与破碎化，引起生物多样性破坏。此外，若矿区土地复垦后采取集约化农业生产方式，还会损害生态系统中物种多样性维持、传花授粉、害虫控制等生态系统服务功能[23]。因此，应在土地复垦阶段就应进行农业生态景观格局优化，防止集约化农业生产方式对生物多样性带来的危害。

2.5.1 矿区景观格局优化方法

生态源地是具有一定的空间连续性和扩展性的、可以促进景观过程发展的景观组分[21]。平朔矿区可以选择植被覆盖率高、空间上连续且面积较大的西排土场、南排土场和内排土场的复垦林区以及矿区大型的人工湖作为矿区生态源地。在生态源地周围应建立缓冲区，提高景观生态功能。

生态廊道主要功能是连接各生态源地，主要采用累积耗费阻力模型识别[22]。利用ArcGIS中成本距离功能计算获得矿区各生态源地之间的累积耗费距离表面，参考水文分析的方法，在累积耗费距离表面上提取生态流的“谷线” 和“脊线”，通过邻域分析得到最小耗费路径和最大耗费路径。在此基础上，结合矿区具体景观特征，将最小耗费路径作为矿区的生态廊道。确定生态廊道后，还应根据矿区实际情况，在各廊道两侧设置缓冲区。在一些由于土地利用的特殊要求而限制廊道宽度的地带，应保留一些重要的生态斑块(生态节点)，作为生物迁徙的“踏脚石”与雨洪调蓄的缓冲区。平朔矿区景观格局优化概念图见图2。

2.5.2 矿区农业景观格局优化方法

矿区尺度来说，应保障农业可持续发展和生态安全相结合，合理规划和设计耕作区和生态涵养用地以及生态基础设施用地的空间分布。平朔排土场阳坡较阴坡有更好的光、温等立地条件，而下坡较中、上坡有更优的土壤理化性质，缓坡较陡坡更利于作物生长[24]，宜将上述区域作为农业生产用地。还应在上述农业用地间穿插布设生态用地(包括林地、草地、水体和防止人类干扰和农业污染负面影响的生态缓冲区，以及维持和促进生物流通过程的生物廊道)和生态基础设施用地(包括闲置地、杂草带沟渠、未硬化小道、农田边界带、树篱等)。

图2 平朔矿区2015年土地利用现状图及其景观格局优化概念图

在地块尺度上，应重视玉米、荞麦等作物种植搭配的时空异质性，通过多样化的种植模式，更加多样化的景观要素、生境和物种，促进农田生物多样性及其生态服务功能的发挥，避免单一种植带来的害虫和疾病的易感性，控制化学农药施用。

3 研究结论与讨论

1)根据生物多样性恢复相关理论，生境再造和景观格局优化是矿区生物多样性恢复的重要手段。平朔露天矿生物多样性恢复关键技术包括矿区排土场平台、边坡形态优化，建立仿自然地貌；构建有利于土壤生物多样性恢复的土壤剖面结构和植被条件，并进行矿区景观结构优化，建立生态源和生态廊道；进行农业景观结构优化，实施生态农业等。

2)从景观格局优化的角度促进生物多样性恢复是矿区生物多样性恢复的重要途径。本研究从一般的景观优化的角度探讨了矿区景观优化的技术与方法，但是该技术和方法实际应用不足，需要进一步在实践中深化和完善。此外，尚有许多景观格局问题需要进一步研究，比如：排土场重塑后的地貌如何才能与周围地貌进行更好的融合？闭矿后，采坑的复垦将会成为露天煤矿复垦的重点，如何因地制宜复垦可以加速矿坑生物多样性恢复同时使之与周边景观更好融合？

3)最近国外也展开了若干基于生物多样性的土地复垦技术研究，比如，在地貌重塑方面，德国Rhinel矿在复垦中摒弃了传统的“平台-边坡”模式的地貌塑造方式，而尝试将地貌塑造为标高相近的平原地貌[25]。关于表土剥离中土壤种子库的保护问题，澳大利亚等国家在复垦中不仅提倡保护土壤种子库，而且要求提高土壤种子库萌发率。国内黄土区和草原区露天煤矿土地复垦中表土剥离厚度往往根据土壤发生层确定，而国外的复垦研究已经证明，根据土壤发生层厚度进行表土剥离往往会降低种子库的密度和萌发率，因此，国外土地复垦时强调表土的分层剥离，尤其强调对0～5 cm表土的剥离和保存[26]。南非、澳大利亚以及一些南美洲国家的土地复垦经验还表明，用本土植物燃烧产生的烟熏剥离的0～5 cm表土层，不仅可以提高种子库萌发率，还可以加速种子发芽[27]。此外，还有学者有研究提出生物多样性保护新方法-VDT(Vegetation Direct Transfer)方法，即将土壤和上面附着的植被从原地貌直接剥离，放在在卡车甲板上，并在三十分钟内将植物运输到待复垦区[28]。实践证明，VDT方法复垦后植被群落和动物群落恢复迅速，大约6个月内可以恢复到破坏前水平，但该复垦方法要求表土层较薄，植被覆盖度低，有可转移表土的合适复垦区域，利于原始动物群落恢复的待复垦地形。总体来看，上述方法对土地生物多样性恢复效果显著，并对我国土地复垦又一定的借鉴意义，但上述方法在实际推广中仍存在明显的局限性：表土的分层剥离以及利用烟熏方法提高土壤种子库萌发率的方法更适于小范围、重点物种的保护，大尺度推广需要高昂的经济成本；而VDT方法要保证复垦成功，则需要严格控制各个操作环节。

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采选技术

Technology system and method of biodiversity restoration for the reclamation of opencast coal mine：a case study from the dumps in Pingshuo mine

YUAN Ye1，ZHAO Zhongqiu1，2，BAI Zhongke1，2，NIU Shuye1，WANG Yangyang1，LI Xueyan1
(1.School of Land Sciences & Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

Biodiversity provides us with the living resources and environment.However，opencast mining damages the ecological systems and biodiversity，and technology related to biodiversity was scarce in land reclamation.In order to accelerate biodiversity restoration and improve the stability of mine land reclamation ecological system，we attempted to propose biodiversity restoration technology from mining habitat reconstruction and landscape pattern optimization based on empirical technology and biodiversity restoration methods and Pingshuo opencast coal mine was taken as the example.The results showed that：habitat reconstruction and landscape structure optimization were important means to recovery biodiversity；the optimization of platform and slope of dumps promoted biodiversity；the applying of implements of soil and vegetation reconstruction and optimization of mine landscape structure could also improved biodiversity.In addition，the establishment of ecological source and ecological corridor were necessary.Due to the proportion of reclaimed cropland is large，the implementation of ecological agriculture mode and agricultural ecological landscape structure optimization should also be adopted.

opencast coal mine；reclamation；biodiversity；technology；method

2017-03-28 责任编辑：刘艳敏

国土资源部公益性行业科研专项项目资助(编号：201411017)

原野(1989-)，男，山西晋城人，博士研究生，主要研究方向为土地利用工程，E-mail：1054943649@qq.com。

赵中秋(1975-)，女，教授，河南周口人，博士生导师，主要研究方向为土地退化的环境效应及其生态修复研究，E-mail：zhongqiuzhao@163.com。

TD88

A

1004-4051(2017)08-0093-06