矿区废弃地近自然生态修复规划设计

杨翠霞+张成梁+刘禹伯+郑艳

摘要：以自然流域地貌形态特征和植被群落特征作为规划设计的参照标准，探讨矿区废弃地近自然生态修复的特征与营造原则，构建近自然地形恢复、土壤重构、近自然植被重建等废弃地近自然生态修复规划设计的框架，并以周口店废弃采石场为例，对其近自然生态修复进行规划设计，探索矿区废弃地近自然生态修复的规划原理与技术，为矿区废弃地生态修复规划设计提供借鉴与参考。

关键词：近自然；矿区废弃地；生态修复；小流域；规划设计；周口店

中图分类号： TD88；X171.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0269-04

收稿日期：2016-11-17

基金项目：辽宁省自然科学基金指导计划（编号：201601274）；大连工業大学青年基金（编号：QNJJ-201423）。

作者简介：杨翠霞（1976—），女，河南禹州人，博士，副教授，从事景观生态修复规划设计及其GIS技术应用研究。E-mail：ycuixia@126.com。

通信作者：张成梁，博士，研究员，从事环境生态修复技术研究。E-mail：zhang64@126.com。矿区资源开发与利用一直以来都与国民经济建设和工程建设紧密结合，但也带来大量地表采矿迹地遗留、山清水秀景观遭到破坏、地表塌陷引发地质灾害、水源涵养降低及水土流失严重等一系列生态环境问题[1-3]。运用景观相关学科对矿区废弃地进行生态修复，不仅可以防止地质灾害发生，提升矿区美学价值，还可以对修复后的矿区特性进行再利用，再次活化并赋予其新的生机，国外的德国科特布斯露天矿区改造、北戈尔帕露天煤矿废弃地景观改造、加拿大布查特花园等[4]，国内的河北唐山南湖湿地公园、湖北黄石国家矿山公园、辰山植物园西矿坑区景观设计、浙江绍兴东湖风景区等，这些都是矿区废弃地生态修复再利用的典型案例。

大自然本身具有自我更新和再生能力，其自身原始的生态系统特征给矿区废弃地的生态修复提供了最重要的参考依据[5]。矿区废弃地的生态修复目标之一是营造近自然的生态环境。目前，近自然原理已在河流治理、城市规划、农林业等方面取得显著的生态效果[6-8]，这为矿区废弃地的近自然生态修复奠定了理论和实践基础。矿区废弃地生态修复在《全国土地利用总体规划纲要（2006—2020年）》和《土地复垦条例实施办法》（2013年）的支持下，通过景观设计的方法与途径来协调人与自然的关系，进而恢复废弃地的生态价值、经济价值、社会价值并服务于人类，这对矿区废弃地的可持续发展利用具有重要的现实意义，而分析矿区废弃地近自然生态修复特征，探讨其规划设计原理与方法，是矿区废弃地生态修复近自然化的关键问题之一。

1矿区废弃地近自然生态修复特征与构建原则

1.1矿区废弃地近自然生态修复的概念及特征

矿区废弃地近自然生态修复是利用自然系统的自我有机更新再生能力，借鉴邻近未扰动矿区生态系统的组成、结构、功能，在尊重自然过程与自然格局基础上，通过地形恢复、土壤重构、植被重建等有机结合的人工诱导方式，逐步接近或达到邻近未扰动矿区生态系统结构、功能的人工营造自然生态。接近自然生态修复是矿区废弃地的修复目标，不仅使地形恢复，满足其坡面、沟道产流、汇流间的动态平衡，还促使土壤重构，满足植被重建的生态环境多样性，有效提高复垦后土地的生产能力，维护生态系统的动态平衡和相对稳定。近自然生态修复其实就是矿区环境管理的一种手法，一种关于生态系统的控制方式，并试图还原生态系统的自我修复能力，促使其重新自我繁衍、治愈受到伤害的生态系统。

矿区废弃地属极度退化生态系统或不可逆转生态系统。根据矿区废弃地在开发、修复、重建过程的生态系统特征，结合白中科等对矿区环境退化与重建关系的研究[9]，可将其划分为4个阶段（图1）：一是原脆弱矿区资源生态系统，结构相对完整、功能相对完善，自我维持；二是人类开发利用矿区资源，造成其原有自然生态系统结构、物质循环与能量流动失调，形成自然环境恶化、坍塌滑坡等地质灾害发生、植被稀疏等极度退化的矿区资源生态系统；三是为改变或加速矿区环境达到平衡稳定的状态，通过生物技术、生态工程、化学应用等人工诱导方式来弥补矿区环境遭受的破坏，规划与构建矿区废弃地的近自然生态修复；四是在矿区地形恢复、土壤重构、植被重建基础上，废弃地生态系统重新被营建为有机自我运作的系统，其自身结构功能逐渐完善，达到自我动态调整状态，形成可持续、结构与功能多样化的近自然生态系统。

1.2矿区废弃地近自然生态构建的基本原则

矿区废弃地近自然生态构建是以生态学、地理学、水土保持学、风景园林学、流域地貌学等理论为基础，遵循矿区邻近未扰动自然生态的结构特征，通过模仿自然的地形水文特征和土壤结构特性，接近本土的植物配置，营建结构功能完整、协调的矿区生态系统，有利于矿区的土地复垦与生态重建。矿区废弃地近自然生态构建的5条原则为在生态思维和可持续发展理念下，运用适宜的科学方法对矿区废弃地进行整治、修复和再利用，促进地形水文协调，地形地貌、土壤重构、植被演替过程相似，达到依靠自然与人工促进的生态修复目的；以小流域为单元，在考虑上下游小流域特征前提下，对矿区废弃地的坡面和沟道重新规划，满足当地自然环境条件下的产流、汇流，促进坡面、沟道的自我演化潜力，促进土壤结构演变，为植被重建提供良好的工程基础；对矿区废弃地的土壤物理性质、化学性质、生物性质等进行研究，通过各种农艺措施改善其透水性、保肥供肥性、蓄水保水性等状况[2]，为植被恢复和生态重建提供良好的立地条件；在保护自然、顺应自然的基础上，参照邻近未扰动植被系统的结构稳定化、功能多元化、生物多样化特征，调整其群落结构，构建矿区废弃地植被近自然化，并促进其自维持机制，逐步实现人工群落结构的近自然化[10]，为矿区动植物提供更适应的生存栖息生境；近自然化动态调控是构建矿区废弃地近自然生态环境的必要途径，通过近期、中长期修复相结合，促使地形恢复演化、水土资源调控、先锋植物引入、乔灌草搭配等，逐步趋向动态、平衡的自然生态演替。endprint

2矿区废弃地近自然生态修复规划的研究框架

矿区废弃地近自然生态修复涉及学科、技术比较多，范围比较广，一方面是通过规划矿区废弃地的小流域坡面与沟道，恢复符合当地环境下地貌演变过程中侵蚀作用的地形，另一方面是通过人工营造与植被自然发育结合，促进废弃地植被群落体系的近自然化。矿区废弃地近自然生态修复是根据区域社会经济发展、生态建设和矿区土地的利用规划，对现有矿区废弃地的气候条件、地形地貌、土地利用状况、植被等进行调查，在对矿区废弃地生态修复进行优势、劣势、机遇、威胁分析（SWOT）的基础上，采用生态思维和可持续发展理念，运用小流域治理方法，从矿区土地利用规划、生态建设与保护、社会经济出发，利用ArcGIS平台空间分析和因子评价、借鉴矿区邻近未扰动的场地特征来确定废弃地近自然生态修复规划方案（图2）。由于矿区废弃地生態修复较易受地形恢复的影响[11]，因此，对矿区邻近未扰动场地流域特征的结构模式、流域面积、流域高程差、沟道密度、坡度、坡向、坡面形态等进行调查，为后期的土壤重构、植被重建等生态修复近自然化提供最基础的骨架。

3周口店采石场废弃地近自然生态修复规划设计

3.1采石场废弃地概况和研究数据来源

周口店采石场废弃地位于北京房山区周口店北京人遗址博物馆的西南附近，39°43′50″N、115°57′42″E，是房山区采石场主要集聚区之一，属暖温带半湿润地区，年平均气温11 ℃左右，多年平均降水量为655 mm，且集中在6—8月份；地貌类型为典型的、以石灰岩为主的华北低山丘陵区，土壤主要为弃采石场渣土堆积而成的多砾、石砂壤土；天然植被稀疏，次生植被和栽培植被占优势，由于开采前土地利用类型主要以林业用地为主，邻近未扰动矿山的植物种类比较丰富，林地主要有桦木、辽东栋、山杨、北鹅耳枥、山柳等植被， 草灌主要有

高羊茅、狗尾草、绣线菊、荆条、黄草、酸枣等，人工栽培植被主要有火炬树、油松、侧柏等。

根据实际施工需要精度，研究区数据采用Topcon影像全站仪测量得到的点数据。在ArcGIS 10平台上，将测量的点数据在Beijing 1954投影坐标系下生成不规则三角网（TIN）格式；通过与现场的比对和校正，将TIN内插生成规则栅格数字高程模型（DEM），考虑到采石场后期的施工精确性，生成DEM精度为0.5 m的规则栅格（图3）。

3.2采石场废弃地生态修复SWOT分析

周口店采石场废弃地研究区面积为25.6 hm2，地形相对高差为66 m（图3），坡度小于25°的面积约占总流域面积的69.58%，坡度大于35°的面积约占总流域面积的1342%（图4）。研究区土地主要为弃石渣土堆积而成，根据研究区所在矿区土地复垦规划和周口店镇总体规划，复垦后的土地利用类型主要为林业生产用地。研究区距离北京人遗址博物馆相对较近，土地贫瘠，周围未扰动的次生植被和人工种植植被群落丰富是该区域生态修复的优势。研究区旁边有个已停产的大型水泥厂，其中好多加工设施、设备锈迹斑斑，附近的采石作业区仍在进行，生态环境比较差、治理费用相对高昂是研究区的劣势。近些年，北京政府比较重视矿区生态环境改造，乡村旅游业蓬勃发展，这为废弃地生态修复提供了一定机遇。对废弃采石场来说，影响其生态修复最重要的因素之一是地形恢复，而相应的修复技术能为后期土壤重构、植被重建提供基础保障，因此，相应修复技术的研发是采石场废弃地修复的迫切需求。

3.3采石场废弃地近自然地形恢复和植被重建的规划设计

废弃地近自然地形恢复规划设计主要以小流域为单元，参照邻近未干扰的地形地貌水文特征，利用生态思维与可持续发展理念及3S空间分析技术对坡面、沟道进行重新规划设计，满足构建后的小流域产流、汇流间的动态平衡[12]，其目标是利用自然系统的自我有机更新再生能力，使重建的坡面和沟道不仅更加接近于所在环境的原自然坡面和沟道形态，还与邻近未干扰的景观相协调，符合地形地貌演变过程中的侵蚀作用。由于采石场废弃地大都为松散碎屑组成的物质体，而这些物质体组成的流域为典型的树枝状结构[13]，因此，近自然地形恢复设计的小流域为单根树枝状的流域结构。根据国内外对相关小流域地貌形态综合指标、矿区废弃地地形恢复设计的相关研究发现，影响小流域坡面和沟道规划设计的关键因子为小流域面积、沟道密度、平均坡度、高程差[5，14-15]，这基本代表了小流域地貌形态的特征。因此，利用邻近未干扰区域的数字地形和现场测量，计算出未干扰小流域地貌形态特征的主要特征值（表1），并作为采石场废弃地近自然地形恢复设计的目标值。由表1可知，规划设计的近自然地形平均坡度比设计目标值减少12.5%，平均沟道密度比设计目标值161.53 m/hm2增加5.36%，地势相对平缓，这为后期地形演变过程的侵蚀、搬运和堆积提供了条件；对规划设计的近自然地形进行坡度分级比较发现，规划设计坡度<25°的面积所占总面积的百分比增加16.03%，坡度>35°的面积所占的百分比减少49.2%。在规划设计采石场废弃地的坡面和沟道时，一方面要兼顾地形恢复的演变过程及植被恢复的过渡期特征，规划设计的小流域沟道密度应大于或接近矿区邻近未干扰小流域的沟道密度；另一方面是构建适宜的沟道排水系统，主沟道位置要考虑周围的区域沟道位置和上游的径流量。因此，根据图3的空间、水文分析及周围场地环境，重新规划设计出子流域（图4），通过局部调整小流域的沟道位置和坡面形态特征，使设计的小流域形态特征指标达到目标，使沟道蜿蜒化处理，减缓了水流速度，蓄水保土的同时也构建了一个相对稳定的蜿蜒自然模式水系，最大程度上达到自然状态。

近自然地形恢复规划设计与土壤重构是同步进行的，一方面通过生物、化学技术对表层土壤进行基质改良，改善土壤的理化性状，另一方面可采取就近取土原则，把附近采石场、水泥厂及大量城镇建设开发中的废弃渣土放在土层深部。在近自然植被重建过程中，为避免太人工化的植物配置和营造，通过借鉴邻近未干扰植物群落组成、结构特征和演替规律，采用乡土树种按照灌木避让乔木、速生树避让慢生树原则，重建富有自然气息的常绿落叶、阔叶混交群落，使近自然植被的地域性更加显著。根据张艳等对周口店采石场植被的调查，采石场废弃地应在植被重建初期播种猪尾草、高羊茅、猪毛草等为主的草本植物；在植被重建中期播种或栽植以荆条、紫穗槐等为主的灌木，使植物群落从草类向草本类植被过渡；在恢复后期应栽植易成活的臭椿、荆条、侧柏、火炬树等苗木[16]。endprint

4结论

矿区废弃地近自然生态修复是矿区土地复垦与可持续发展的重要基础内容和重点研究问题之一，在其规划设计中应结合邻近未扰动区域的小流域地貌形态特征和植被群落特征，构建相对稳定的近自然地形、植被，并与周围景观相和谐。本研究规划设计的近自然地形沟道密度与邻近未干扰的目标值比较接近，平均坡度也相对较小，地势起伏变化小，符合后期地形地貌形成过程中的侵蚀作用和近自然植被群落演变过程。矿区废弃地近自然生态修复规划设计的框架本质是一种利用自然系统自我有机更新能力的再生设计，也是一种借助自然生态系统的最优化设计，但对矿区废弃地生态重建的共性特征、数字化流域特征等还须进一步研究，矿区废弃地的近自然地形恢复、土壤重构和植被重建间的相互关系也是今后矿区废弃地研究的一个重要方向。

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