排岩场人工裸地模拟天然地貌生态修复工程实践

刘文锋 苑兴伟 梁国海 张华春 董晓南 毛伟伟 潘颖

摘要：矿山排岩场人工裸地不仅占压大量土地资源，损毁矿区植被，且污染环境，破坏生态平衡。以排山楼金矿排岩场乱石窖为工程实例，介绍了其生态修复工程理论依据、设计理念及技术难点。根据效仿自然和模拟自然的生态理念，应用现代生态学工程和技术，完成了排岩场乱石窖缓丘浅谷地貌生态环境的修复。通过对排岩场形成前的原地和周边生态环境调查，采取削坡整形、生境营造、客土、植被种类筛选和栽植等，修复了排岩场的生态廊道、丘陵地貌、湿地与水系等，重建了符合当地生态特点的典型植物群落，保证了生态系统的统一性和完整性。

关鍵词：排岩场;人工裸地;生态修复;天然地貌;乱石窖;生态学

中图分类号：TD854+.7 TD7文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）08-0080-05doi：10.11792/hj20200815

引 言

中国矿山废弃地（人工裸地）的治理起步较晚，1988年《土地复垦法》的颁布可以作为中国治理矿山人工裸地的正式起点。近几年，矿山人工裸地修复面积比例有所增加，但与要求相差甚远，且业内尚没有形成有效治理矿山人工裸地的生态修复工程理论和方法。中国的矿山人工裸地修复工程，多采用园林景观绿化工程技术完成，通常在裸地上覆盖1.0～1.5 m厚的农田土，营造亭台楼阁和花园;护坡工程采用的修复材料多为水泥和钢材：这种治理措施不仅投入大量资金，且需要长期人工维护[1]。

辽宁排山楼黄金矿业有限责任公司（下称“排山楼金矿”）1997年至2005年露天开采时形成了大面积排岩场人工裸地——乱石窖（用以表征无植物活力的乱石裸地[1]），总面积超30万m2。排岩场存在层序紊乱、物质松散、水土流失及土地荒漠化现象严重等问题，因此其生态环境恢复对矿山可持续发展具有重要现实意义。此外，该排岩场乱石窖与海棠山国家级自然保护区核心区存在一定面积的重叠，因此对该区域生态修复有着更高标准要求。

1 工程概况

1.1 排岩场人工裸地现状

排山楼金矿位于辽宁省阜新市境内，于1997年建成投产，原为露天开采，2005年全部转入地下开采，地面留下排岩场乱石窖（见图1），总面积超30万m2。

该排岩场乱石窖有如下特征：平台乱石窖与边坡乱石窖，由宽10～40 m，厚30～70 m的无填充物乱石窖（见图2-a））组成，石砾直径0.5～4.0 m。其中，高平台乱石窖平均海拔408～420 m，低平台乱石窖平均海拔404～406 m，高、低平台乱石窖上部乱石窖小丘高0.5～20.0 m（见图2-b））。边坡乱石窖海拔15～20 m，坡度30°～40°，石砾直径0.5～3.0 m，厚5～70 m，石砾间填充数量不等的小石砾（见图2-c））。浅谷乱石窖谷底海拔404～405 m，共有4条季节性有水的浅谷乱石窖。

排岩场乱石窖生境特征：①自然土壤全部消失，石砾间隙中空或有少量小石砾;②地下水位埋深多数10 m以下，少量地段地下水位埋深达50～60 m;③场地没有保蓄水能力;④植物覆盖率<1 %，仅见有1～2种一年生草本植物;⑤石砾岩面温差变化大;⑥场地多属于无填充物乱石窖。

1.2 排岩场原地生态环境

根据排岩场破坏前1∶1万地形图和现场实际环境调查，排岩场原地生态环境概貌如下：

1）地形地貌。排山楼金矿位于辽西医巫闾山脉中部西侧的低山丘陵区，海拔350～491 m。中部高海拔490 m，两侧为海拔350～360 m的谷地，排岩场原地为丘陵河谷地貌，其基本特征为：①东部为海拔350～400 m的丘陵西坡，南北长400 m，东西宽141 m，坡度15°～20°。②马家荒河上游，自西北流向东南，入境处海拔380 m，出境处海拔340 m，溪流全长460 m。③中部丘陵呈西北走向，西北部海拔400 m，东南部丘陵尾部海拔348 m，西北部最宽140 m，坡度10°～20°。④排岩场原地层为花岗岩、石灰岩和石英岩。排岩场原地形及水系图见图3。

2）气候。当地属暖温带半干旱性气候，年平均气温7.8 ℃，最高气温43.0 ℃，最低气温-28.4 ℃;年平均降水量480 mm，最高降水量834 mm，最低降水量322.3 mm;全年6级以上大风日71.2 d，最大风速24 m/s，是一个气候干旱多大风地区。

3）水文。待修复区中部为细河和饶阳河发源地的分水岭，马家荒河发源地，属于饶阳河上游支流。马家荒河有4条支流发源于此地，被埋压于排岩场之下。马家荒河西支流全长140 m，呈东西流向，在待修复区东南部与呈南北流向的马家荒河主流汇合，溪流河床海拔348～400 m，均为季节性溪流。

4）土壤。排岩场原山丘土壤为棕色森林土和棕壤土，河谷为冲积草甸土和沼泽土。

5）植被。植物区系属暖温带华北植物区系，并混有大量内蒙古草原植物区系成分和少量东北植物区系成分[2]，主要植被类型有蒙古栎林、山杏林、油松矮林、荆条灌丛、白羊草草丛、大针茅和贝加尔针茅等草原植被。

2 排岩场生态修复工程设计

2.1 理论依据

人类在大自然中生存，人类社会在大自然中发展。尊重自然、顺应自然、保护自然是人类社会可持续发展必须遵循的基本法则。生态修复是根据生态学原理进行设计，运用生态工程技术在人工裸地重建植物群落的过程。重建的植物群落即目标植物群落必须是人工裸地破坏前的地带性和非地带性亚顶级或顶级植物群落自然演替系列中的一个阶段，既可以是先锋草本植物群落，也可以是草丛、灌丛和幼林。

重建植物群落的建群种、优势种、主要伴生种及群落结构要与周边自然植物群落基本一致。目标植物群落建成后，经过2～5 a的人工管理，该群落将自行转入自然生态恢复过程，之后经过自然演替过程形成与当地气候或土壤相适应的亚顶级或顶级自然植物群落。生态修复为加速人工裸地整体生态修复创造条件，是人工裸地生态恢复不可缺少的前提工程。人工裸地在无人工干预和有人工干预条件下，自然生态系统的演替速度见图4。

2.2 设计理念

效仿自然和模拟自然是本生态修复工程设计的基本理念。其关键在于确认效仿的自然，只有目标选择准确，找到要效仿的自然环境类型，才能深入研究待修复区和原自然环境的差异，以进一步模拟原生境在待修复裸地建成这一效仿自然的生态修复目标。为达成这一目标，必须首先创建与周边自然相仿的目标群落的自然立地条件，即缓丘浅谷地貌和有填充物乱石窖生境。

本文着重介绍模拟排岩场原地和周围海棠山国家级自然保护区生境特点而实施的缓丘浅谷生态修复工程，其是排岩场乱石窖整体生态修复的关键基础工程。

2.3 技术难点

1）地理生態区位脆弱。

该排岩场位于辽西医巫闾山脉低山丘陵的西部，地处中国一级生态敏感脆弱带上，同时为中国东北地区湿润森林带向西部草原荒漠带的过渡带，多年平均降水量在500 mm以下，气候干旱，少雨，多风沙和自然灾害，是中国东部森林带向西部森林草原带、农耕带向半农半牧带的过渡带[3]。

2）与海棠山国家级自然保护区存在重叠。该排岩场乱石窖与医巫闾山海棠山国家级自然保护区核心区存在重叠，因此不能以常规的园林景观标准进行修复，而要确保修复后的场地与自然保护区核心区的原植被类型相同或接近，这与一般地区人工裸地的生态修复有根本区别。

3）深厚的无填充物乱石窖多。

该排岩场乱石窖总面积约34万m2，其中80 %属于无填充物乱石窖，石砾（块）直径0.5～2.0 m，最大直径4.0 m;石砾层宽10～40 m，厚5～70 m;具有无土壤，不保水，几乎没有生物生产力的特点，只能生长少数壳状地衣。

以上3个方面决定了必须运用现代生态学理论和独特的生态工程技术，才能达成对该排岩场乱石窖在生态学意义上的修复目标。

3 排岩场人工裸地生态修复

生态修复的关键是效仿和模拟原缓丘浅谷地貌，为总体生态修复工程创造基础环境。

3.1 模拟缓丘浅谷生态修复

根据排岩场乱石窖地貌现状，经过现场勘测，设计生态修复成缓丘浅谷地貌环境，作为植被修复区域环境的基本保证。将全区修成“倒U型”缓丘，缓丘海拔高度为410～420 m，丘坡谷底海拔高度为406～408 m，重点在修复区内形成一条浅谷。

3.2 乱石窖边坡的削坡与整形

乱石窖裸地高度和坡度变化大，需要按照统一缓丘浅谷地貌设计进行削坡与整形（见图5、图6），缓丘削坡整形后的坡度平均为5°～30°，不得大于35°。削坡整形总面积27万m2。

3.3 水系溪谷修复

溪流浅谷宽5～30 m，溪流河床宽2～4 m，一级阶地高0.2～0.5 m，宽5～50 m。河流水系调整工程长1 008 m。溪流浅谷施工见图7、图8。

3.4 石砌蓄排水沟

由于工程地区属于暖温带半干旱性气候，年降水量少。降水量多时，易发生水土流失;降水量少时，出现生境干旱。因此，在山丘周围和丘体适当位置修建石砌蓄排水沟（见图9、图10），水多时，则向外排出;水少时，则在沟中贮存自用。石砌蓄排水沟全长1 638 m，修建时必须加入水泥等非天然材料，沟底宽0.4～0.5 m， 沟上沿宽0.5～1.0 m，沟深0.3～0.5 m，沟壁厚0.2～0.4 m。石砌蓄排水沟的特点：①透水性，不阻碍地表水下渗，补充地下水;②排水性，将沟内多余水排到下游;③蓄水性，将多余地表水贮存在沟内，供目标植物生长用。

3.5 暗河与湿地修复

排岩场无填充物乱石窖厚5～70 m，石砾中空。如果乱石窖底下无地下水，则乱石窖石砾间空气干燥，下雨时其会透析下沉，排岩场乱石窖生态修复难以维持。利用马家荒河流经排岩场下部形成的地下河，在其出露处修整已被破坏的周边湿地，维护保持其水流畅通，既可保护湿地，又可维护排岩场乱石窖内的水质标准和湿度，成为排岩场乱石窖生态修复的关键水利工程。在排岩场北部，马家荒河上游残存在乱石窖边坡下部河床和马家荒河中游乱石窖边坡地下暗河出口河床修复2块湿地，北部湿地1 000 m2左右，南部湿地1 500 m2左右（见图11、图12）。

3.6 生态保护防火通道和石垒挡土墙

按照森林防火要求，在生态修复工程全区设置宽5 m的生态保护防火通道，路基略高于两侧0.3～0.5 m;道路两侧或一侧修建石砌蓄排水沟及石垒挡土墙（见图13、图14）。石垒挡土墙主要设置在排岩场山丘和浅谷底部，以防止水土流失和山丘坡地滑坡，墙高1.0 m，底部宽1.2 m，上部宽0.8 m，底座高0.4 m，总长度1 846 m。

3.7 生态修复效果

经严格筛选，选用20余种目标植物，完成了30万m2排岩场乱石窖的生态修复，共实施生境修整76万m3，客土覆盖15万m3，栽植或播撒当地典型乔木13万株、灌丛44.5万丛、草类16万m2，包括黄檗、水曲柳、紫椴、野大豆等4种国家Ⅱ级保护植物，元宝槭、蒙椴、花曲柳等3种珍贵树种，修复了生态损害区的生态廊道、丘陵地貌、湿地与水系等，重建了符合当地生态特点的典型植物群落，建立了良性的生态系统，并提高了当地森林覆盖率，有助于增强地区土壤功能，降低水土流失，增强区域生态系统稳定性，保护生物多样性，使生态重建区的生态系统与周边原生态系统良好沟通，加速了自然演替周期，保证了生态系统的统一性和完整性。该项目被中国黄金协会授予科学技术奖二等奖，被地方政府誉为践行生态文明思想的排头兵。

4 结 语

模拟自然、效仿自然是生态修复工程的基本要求，在排山楼金矿排岩场乱石窖的生态修复实践中，将模拟、效仿的对象选择为排岩场形成之前的原地自然环境。通过充分的历史和现状调查，在排岩场现有地貌的基础上因地制宜，采取建造“倒U型”缓丘浅谷、石砌蓄排水沟、湿地地貌形态等措施，为乱石窖生态修复和目标植物群落重建奠定了坚实基础，为生态廊道的连通和自然演替的加速创造了条件，最大程度地贴合自然景观完成了排岩场乱石窖生态修复的人工干预措施，并保证了生态修复的人工痕迹最轻。

[参 考 文 献]

[1] 董厚德.人工裸地生态修复的研究与实践[M].沈阳：辽宁大学出版社，2016：3.

[2] 董厚德.辽宁植被与植被区划[M].沈阳：辽宁大学出版社，2011：11.

[3] 高桂珍，吴艳梅，海涛，等.海棠山自然保护区特殊的生态意义[J].内蒙古林业调查设计，2006，29（6）：1-4.