乡村居民点可视范围矿山废弃地复垦与植被恢复实践与示范效果

朱常侠，马艳有

(1 明达海洋工程有限公司，北京 100013；2 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

随着世界人口不断增加和城乡建设规模极速发展，土地逐渐成为紧俏与紧缺资源[1-2]。在当前甚至是未来这种社会背景下，各种后备土地资源自然而然地成为社会各界关注的一个焦点。废弃地作为土地的一类后备资源，其复垦与生态修复对缓解建设用地压力、恢复绿水青山和建设美丽乡村等均具有重要意义[3-5]。废弃地成因类型很多，其中矿山废弃地属于数量较大和可开发利用价值最高的土地后备资源[3]。我国自上世纪八十年代开始实施矿山废弃地复垦与生态修复以来，主要将城市内及城市和重要交通干线附近的大型矿山和大宗矿山废弃地作为综合治理和开发利用的重点。随着乡村振兴的推进和绿水青山理念的提出，乡村居民点可视范围内中小型矿山废弃地复垦和植被恢复逐渐成为废弃地复垦与生态修复的重点任务[5-7]。本文拟以遵化市新店子镇团瓢庄乡东李庄子村可视范围内某矿山环境治理项目为例，探索和总结了乡村可视范围内中小型矿山废弃地复垦与植被恢复的关键科学与技术问题。

1 材料与方法

1.1 研究项目概况

研究区地理位置见图 1。矿山位于河北省遵化市新店子镇团瓢庄乡东李庄子村东北 50 m 山坡上，北距京秦高速公路约 300 m，东距张-唐铁路约 2.0 km、距承唐高速公路约 2.5 km 。

图1 研究区交通位置图Figure 1 Traffic location map of the study area

该矿山为露天采矿场，属历史关停遗留小型矿山。采石场东北长约 330 m，东西宽约 180 m，总面积 36 945 m2，由采矿形成的人工阶地组成，共有3级。各级阶地的阶坡均为裸露岩质阶坡，阶面为采矿形成的裸岩台面，台面起伏不平，均分布残存弃碴堆和岩坑，最大高差约 4 m。

1.2 研究过程与方法

研究包括矿山环境治理前、治理中和治理后3个阶段。治理前以工程地质测绘、治理方案与工程设计为主，治理后以土地功能与植被恢复效果监测和评价为主，治理过程中则以废弃地复垦与植被恢复施工质量监测为主。

(1)工程地质测绘目的在于对研究区土地及生态环境进行综合研究。采用面状调查和路线调查方法，利用全站仪结合遥感监测[8]与 GPS 卫星定位仪测量实际地形、地物、地质点位，采用相机拍摄、编录相结合的方法，除实录地质环境、地质灾害和不良地质作用现状外，重点监测废弃地复垦与植被恢复效果。

(2)根据实地测定数据，运用 CASS 7.0 建立了 DTM 模型[9]，计算土石方工程量、确定废弃地的几何特征，为废弃地复垦与植被恢复提供基础数据。

(3)跟踪监测目的在于对治理后矿山废弃地复垦与植被恢复及其景观效果进行评价。监测指标主要有土地复垦率、水土流失治理度、土壤流失控制比、拦渣率、灾害发生率、林草覆盖度、植被恢复系数等。

2 制约矿山废弃地复垦与植被恢复效果的因素分析

2.1 制约矿山废弃地复垦与植被恢复效果的内因分析

2.1.1 矿山废弃地类型是制约其复垦与植被恢复效果的内在基础 矿山环境治理前，矿山开采范围内土壤和植被完全被破坏而成为裸岩，视觉上表现为美丽乡村边上的一块“斑秃”，由采矿形成的3级人工阶地组成见图 2。

图2 研究区地形地貌图Figure 2 Topographic map of the study area1—等高线；2—高程注记；3—治理区边界；4—坡(坎)；5—地层界线；6—道路；7—剖面及编号；8—白云岩

由图 2 可知，3级人工阶地自下而上特征描述如下：

一级阶地(Ⅰ)：阶面宽度 10～50 m，长度 130 m，面积为4 010 m2，阶面起伏较小，高差一般小于 1.3 m。采矿形成的岩质阶坡：长度120 m，坡度 30°～40°，坡高 2～15 m，坡面较平坦，坡体基本稳定，偶见不稳定块体。

二级阶地(Ⅱ)：阶面宽 5～20 m，长度160 m，面积为 5 412 m2，阶面横向方面上由4个阶梯组成Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4，自西向东升高，各级阶梯高度分别为 1.4 m、1.6 m、2.1 m、1.3 m，各级阶面的面积分别为 3 252 m、460 m、450 m、1 250 m2；采矿形成的岩质阶坡长度约 160 m，坡度 25°～40°，坡高约 2～6 m，坡面较平坦，坡体基本稳定，偶见不稳定块体。

三级阶地(Ⅲ)：阶面由3部分构成，自西向东依次为：阶面Ⅲ1宽度 10～20 m，长度约110 m，面积为 2 114 m2，台面起伏不平，高差约 3.2 m；阶面 Ⅲ2，东西向 60 m，南北向 80 m，面积为 4 037 m2，台面起伏不平，高差约 2.5 m；阶面 Ⅲ3，长度 110 m，宽度 10～20 m，面积为3 746 m2，台面起伏不平，高差约 1.9 m。岩质阶坡长度 287 m，坡度 27°～58°，坡高约 2～22 m，坡面起伏较大，坡体基本稳定，偶见不稳定块体。

第三级阶地的上游由采矿边坡过渡到自然斜坡，采矿边坡为圆弧形，长度 355 m，中部(对应阶面 Ⅲ2)坡低缓，高度 2～10 m，坡度 20°～45°；两侧坡较陡，坡度范围 50°～75°，坡高 2～30 m，坡面起伏不平，小型危岩体较多，易发生崩塌。

废弃地呈阶梯状有利于矿山废弃地复垦与植被恢复，但其岩质阶坡的植被恢复难度大，需要特殊的植被恢复和覆绿措施。

2.1.2 矿山岩土组成和地质灾害对废弃地复垦与植被恢复效果的起限制作用 矿山废弃地主要为采矿形成的裸岩区，岩性为白云岩，岩层产状 150°∠30°，边坡的坡向和地层倾向正交接触，坡角大于岩层倾角。组成边坡的岩体裂隙发育，且存在软弱夹层，主要的地质灾害类型为小型崩塌，危岩体主要分布在各高陡的岩质边坡上面，其中采场东部高陡边坡崩塌易发性最高，崩塌一经产生将会对坡下邻近村庄居民点造成破坏性灾害，构成岩质边坡治理的一个主要限定条件。岩质边坡(阶坡)典型面貌见图 3。图3中,a为Ⅰ级阶坡西段(镜向东)；b为Ⅰ级阶坡东段(镜向西)；c为Ⅲ级阶地上游边坡中部(镜向南)；d为Ⅲ级阶地上游边坡东端部(镜向东偏北)。

图3 岩质边坡(阶坡)典型面貌照片Figure 3 Photos of typical features of rock slope (step slope)

岩石裸露缺土及地质灾害对矿山废弃地复垦与植被恢复的制约作用主要体现在经济和社会效益两个方面。矿山废弃地复垦用土需要大量外运，因此是影响项目工程投资的主要因素之一。而不稳定边坡及滑坡、崩塌治理往往需要特殊的岩土工程技术，其工程造价往往很高，因此也是影响项目工程投资的主要因素。对于边坡存在崩滑地质灾害问题，而未进行治理，或治理措施不得利，均会对废弃地复垦与植被恢复成果构成威胁，甚至一旦发生有可能造成人身伤亡。因此，该矿山采场东部阶坡(边坡)为项目效果的制约条件。

2.2 制约矿山废弃地复垦与植被恢复效果的外因分析

2.2.1 气候对矿山废弃地复垦与植被恢复效果的影响分析 矿山位于暖温带半湿润大陆性季风气候区，一年四季分明。据遵化市气象局观测资料(1956-2018 年)统计结果：

春季干旱多风沙；夏季多西南风，炎热潮湿；秋季天高气爽；冬季多西北风，干燥寒冷。

多年平均蒸发量 1 899 mm(Φ20 mm 蒸发皿)，平均降水量 726.0 mm，蒸发量大于降水量。

降水年内分布不均匀，冬春季干旱少雨，雨量集中在 6～8 月份，雨量充沛，约占全年降雨量 70% 以上，而且多为暴雨型，日最大降水量为 211.2 mm(1967 年 8 月 20 日)。

年平均气温 11.0 ℃，日最高气温 39.5 ℃(1972 年 6 月 10 日)，日最低气温 -22.7 ℃(1969年 2 月 4 日)，无霜期为 180 d左右，最大冻土深度 0.84 m。封冻期从每年的 11 月下旬至翌年的 3 月中旬。

盛行南到西南风，北到西北风次之。大风以西北风为主，其次是春末夏初的西南大风，全年平均风速 1.67 m/s。

综上所述，其中降水量较大，成为矿山废弃地复垦与植被恢复的有利条件。

2.2.2 土壤与植被为矿山废弃地复垦与植被恢复设计提供了科学依据 矿山所占土地类型原为灌木林地及其他林地，露天采场对土壤和植被破坏严重，其中灌木林地 2.303 1 hm2，占总面积的 62.34%；其他林地面积为 1.391 4 hm2，占总面积的 37.66%。被破坏了土壤类型主要有褐土性土、石灰类褐土和淋溶褐土，厚度一般 0.1～0.3 m。

矿山乡土植被分布类型：灌木类主要有酸枣、花椒、荆条等；草本类主要有白羊草、白草、黄背草、狼尾草等禾本科植物；田间地头以狼尾草、藜草居多。此外，乔木类主要有杨树、刺槐、松树等；果树主要以山楂树、梨树、苹果树为主；农作物主要有高粱、玉米、小麦、薯类、豆类、棉花、大白菜等。

2.2.3 水文与水资源成为制约矿山废弃地复垦与植被恢复的主要制约条件之一 项目区及其附近无河流及地表水体。水是保障废弃地复垦与植被恢复效果的重要条件之一，而项目区主要依赖地下水和大气降水，因此成为主要制约的又一个条件，设计和制定矿山废弃地复垦与植被恢复方案时，应考虑采用有效措施，以保障植被恢复和生长用水需求。

3 矿山废弃地复垦技术措施

复垦是矿山地质环境治理重要措施，目的在于恢复矿山废弃地生态环境功能，同时赋予矿山废弃地使用价值。通过大量工程实践，尽管技术人员总结出了很多复垦模式[1]，但均可归属于充填式复垦、非充填式复垦或综合式复垦。充填式复垦主要有堆垫地貌的复垦利用和矿山固体废弃物回填低洼地的复垦利用，而非充填式复垦主要有土地平整式、梯田式、疏排法等形式，挖深垫浅复垦模式[1]则属于综合式。该矿山的废弃地包括基岩裸露的采矿平台和阶坡(边坡)两种，复垦措施宜结合矿山环境依矿山废弃地类型而定[3]，概括如下：

3.1 岩质阶坡(边坡)的工程治理措施

采矿形成的岩质边坡(阶坡)是矿山废弃地复垦的难点[1-3，17]，根据该矿山阶坡(边坡)的基本形态和岩体结构特征，对于高边坡(阶坡)选用梯级放坡[2,10]+地质灾害防治措施的复垦方案；对于低边坡则主要以地质灾害防治措施为主。

3.1.1 岩质阶坡(边坡)的梯级放坡 对采场东侧高度大于 30 m边坡进行削坡，设计削坡坡角为 60°，且分别在标高 46.8～70 m和70～80 m各设置一条栈道。栈道宽度 2～3 m，向内缓倾斜坡度为 3%～5% 标高。施工要求采用挖掘机液压冲击锤与挖掘机配合的方法。

3.1.2 地质灾害防治技术措施 主要采取危岩清理、喷射混凝土护坡、重力式挡土墙等措施。

危岩清理[10-12]是保障施工安全及边坡复垦与植被恢复成果的必要措施，主要技术指标是危岩清理厚度。根据阶坡(边坡)勘测结果，对未进行削边坡处理的阶坡(边坡)，确定平均清理厚度为 0.70 m，当发现局部危岩体较大时，可视危岩体的规格进行调整。清理下来的石方就近堆在坡脚平台的低洼处。

喷射混凝土护坡[10-12]为工程边坡较常用的安全防护措施，本项目对采场西部邻近居民点的岩质边坡，通过喷射混凝土护坡工程增加边坡稳定性，防止崩塌而危害村民生命和财产。喷射混凝土厚度 50 mm，混凝强度等级 C 30，采用普通硅酸盐水泥，其最小水泥用量为 400 kg/m3；细骨料为中粗砂，砂用量约为 730 kg/m3；粗骨料采用 5～15 mm和 15～25 mm 2种碎石级配各占 50%。

重力式挡土墙[10-12]是防止工程边坡发生地质灾害最为常用的技术方法。在本项目各级阶地的前、后缘均设置了挡墙，挡墙类型包括干砌石挡墙和浆砌石挡墙见图 4。干砌石挡墙见图 4 a，主要起挡覆土和防止水土流失作用，后缓挡墙(1 # 浆砌石挡墙，见图 4 b)起拦挡落石和覆土作用。

图4 重力式挡墙构造图Figure 4 Structural drawing of gravity retaining wall

3.2 岩质阶地(平台)的复垦技术措施

岩质阶地(平台)的复垦技术核心是构建土壤剖面[1-3,,17]，本研究采用充填式+挡墙防护的综合土壤剖面构建模式，形成了基岩+弃渣+客土3层结构的土壤剖面见图5。

图5 岩质阶地(平台)复垦与植被重建模式图1—1#浆砌石挡墙；2—回填渣土；3—覆土壤；4—松树；5—草；6—爬山虎；7—葛藤Figure 5 Model map of reclamation and vegetation reconstruction of rocky terrace (platform)

由图 5可知：

首先构建挡墙，主要目的在于用以维护覆土和渣石的整体稳定，防止发生滑坡灾害。实践中，除第3级中部(Ⅲ2)外，其余各平台中部均设置了挡墙(2 # 浆砌石挡墙，见图 4c)。

然后弃渣充填回填平整阶面，即矿山采场内的弃渣(包括边坡危岩清理产生的渣石)，运至各级采矿平台低洼处，通过平整形成内缓斜平台。实践中，充填厚度一般 1.0 m左右，局部缓斜平台和低洼处充填厚度 2 m 以上，且进行了压实处理。

最后在渣石平整的阶面上覆土，覆土厚度视复垦土地功能而定，本项目复垦目标为林地，因此覆土厚度取 0.5 m。

4 矿山植被恢复技术措施

4.1 阶坡(边坡)植被重建技术

依据矿山废弃地植被恢复的一般原则[10-16]，分别在坡底的覆土区域种植一行爬山虎、坡顶的覆土区域种植一行葛藤，爬山虎、葛藤的粗度 0.5 cm，长度 50 cm，株距 0.5 m。此外，在坡面上采用燕巢法穴植护坡方式进行绿化，燕巢规格：长径 0.3 m、短径 0.2 m、深 0.2 m。岩质阶坡(边坡)绿化模式见图 6。

图6 岩质阶坡(边坡)绿化模式图Figure 6 Green pattern of rock step slope (slope)

除常规的坡脚和坡顶植物种植外，主要采用坡面植物种植槽穴构筑措施。槽穴构筑类边坡生态修复技术是指在边坡上构建槽穴或安装边坡穴植装置，利用槽穴为边坡植物提供生长初期所需的营养物质来营造稳定的植物群落，达到边坡生态修复目的的一类技术。该类技术适用于种植乔灌木及爬藤植物等较高大的绿化植物，一般作为植草修复的后续工程，对于恢复及重建土壤贫瘠、植物立地条件差等干旱、半干旱地区坡地的生态系统有重要意义。主要有燕巢法穴植护坡技术、板槽法绿化技术、口型坑生境构筑方法和植生袋灌木生境构筑方法等[1,17]。本项目实践中，主要运用燕巢法穴植护坡技术和植生袋灌木生境构筑技术，在坡面栽种以荆条为主的灌木。

4.2 阶面造林绿化措施

相对于阶坡(边坡)，阶面(含栈道)植被重建容易得，研究选用了栽植松树和种草[10,16]，植被恢复措施，见图5和图 6。

由图5和图6可知：

栽植松树，采用穴状坑方式，穴口径 50 cm，深 40 cm，株行距 2.0× 2.0 m。树苗规格：胸径 3 cm、株高 1.0 m、冠幅 0.8 m。

对植松区域，采取撒播草籽措施进行绿化，草籽品种为沿阶草、早熟禾等。林下撒播草籽面积 15 997.98 m2， 草籽撒播量(10～15)g/m2。

5 矿山废弃地复垦与植被恢复效果监测与评述

5.1 矿山环境治理竣工验收效果与治理前的对比分析

通过本项目矿山环境治理前的遥感影像，与该矿山废弃地复垦与植被恢复施工后竣工验收的遥感影像对比如图 7。

图7 竣工验收效果与治理前的对比Figure 7 Comparison between the effect of completion acceptance and before treatment

由图7可知：废弃地复垦与植被恢复效果明显，不仅矿山露天开采迹地变得规整，而且达到了与美丽乡村协调一致的目的。

5.2 矿山废弃地复垦与植被恢复实效监测结果与评述

项目实施结束 2 a后的跟踪监测统计结果见表 1。

表1 矿山废弃地复垦与植被恢复监测统计结果Table 1 Statistical results of monitoring of mine wasteland reclamation and vegetation restoration

由表1可知：矿山生态环境得到明显改善，崩塌灾害得到有效控制，为美丽乡村建设和绿水青山构建奠定了良好基础。结果表明：因岩质阶坡(或边坡)的植被覆绿效果较差而影响矿山整体绿化效果。其中，岩质斜坡坡度较大，高度较高，坡面覆土和种植均较困难，成为科技攻关的难点问题，本项目取得了较好的效果。

6 结论与讨论

6.1 结论

矿山露天开采形成的高陡岩质边坡治理与植被恢复，通常采用坡面危岩处理，并在坡脚和坡顶边缘种植爬山虎、葛藤等藤本植物覆绿方法，或在坡脚种植高大乔木遮挡方法。实践证明这些常规植被恢复措施效果较差，本项目对于高边坡(阶坡)选用梯级放坡+地质灾害防治综合措施，而对于低边坡则主要以地质灾害防治措施为主的复绿模式，同时收获灾害防治与边坡植被复绿的双重效果，具有一定推广价值。

研究中，在裸岩台地型废弃地的治理中，首先利用弃渣和客土与基岩构建了具有3层结构的土壤剖面，然后选择以松树+树下种草的植被重建模式，较快速地实现了植被恢复和矿山生态环境重建和修复，达到了预期目标。

对乡村居民点可视范围内矿山废弃地复垦与植被恢复，应结合当地乡土植被和自然气候条件等因素，结合乡村振兴和美丽乡村建设需要，因地制宜地进行复垦与植被恢复规划和工程设计，既要考虑生态效益，同时也要考虑经济、景观和社会等效益的综合效果。本项目选择了适生林+草的生态植被恢复模式，有利于形成与乡村居民点形成协调一致的人工植被景观。

6.2 讨论

6.2.1 立地类型对废弃地复垦与植被恢复效果具控制作用 立地类型取决于地形地貌和气候条件[13,16]。矿山废弃地为采矿所形成的一种废弃地，根据其成因，一般包括堆积、采场、采空、建筑等形成的矿山废弃地；按物质组成，矿山堆积成因的废弃地主要有尾矿堆积、渣石堆积、排土堆积及堆积而形成的边坡等类型；按地面形态，采场型废弃地主要包括采矿平台(或阶地)和矿坑及它们的附属边坡(包括岩质和土质类型)；采空型废弃地主要包括地裂缝、塌陷坑及其附属边坡；建筑型废弃地主要包括各种废弃厂区、办公区、生活区及附属道路工程场地。由于各类型废弃地的地形地貌、物质组成不同，其复垦与植被恢复的难易程度相差往往很大，其中高陡的岩质边坡至今还是未有好解的“世界难题”[3,16-17]。本项目实践效果再次证明了这一点。因此，进行矿山废弃地复垦与植被工程设计时，不仅要考虑气候条件，而且还要综合考虑地形地貌条件。

6.2.2 岩质边坡治理及其植被恢复技术比较分析对矿山岩质采矿边坡治理与植被的重建应用了喷混类边坡生态修复技术、槽穴构筑类边坡生态修复技术以及加固填土类边坡生态修复技术[1-3,13-17]。边坡生态修复技术在我国经过几十年的发展和不断完善，目前总体上看，对劣质土坡及岩石边坡的植被防护研究仍处于发展阶段。近年来专家学者们将生态学、恢复生态学、高分子新材料和肥料学等新技术引进该领域，初步形成了我国的边坡生态修复思想。在工程实践中往往需结合实际情况，将不同边坡生态修复技术联合使用以加强生态修复效果。上述的3类边坡生态修复技术有着各自的特点和适用范围。

喷混类边坡生态修复技术对坡面的要求不高，适用于各类边坡，是目前使用最广泛的一类技术。其高度的机械化施工可以大大加快工程进度，对于大规模施工更是有着独特的优势。高效的机械设备和高质量的喷射方式将大大影响喷混类边坡生态修复技术在工程实践上的推进。这类技术的核心在于喷播基材的配方，以日本为首的厚层基材喷射护坡技术每一次的技术革新均是基材效果的加强，或是基材适用范围的加大。此外，对于非土质边坡，喷射基材与边坡接触面的粘合度、喷射基材的抗侵蚀性对工程后期的边坡稳固性和植物生长率有极大影响，应加强研究。

加固填土类和槽穴构筑类边坡生态修复技术对恶劣环境的边坡更具效果，是传统边坡加固方式和植被护坡的有机结合体。前者在景观设计上的前景较好，多样化的框格构造会带来美感; 后者更适用于裸露岩质山体的生态恢复，主要用于改善生态修复工程中乔灌木存活率较低的现象。国内目前的大多数边坡生态恢复还是以植草为主，如何在不影响坡面稳定的前提下构筑槽穴，以提高乔灌木的存活率是未来研究的重点。

6.2.3 废弃地生态修复植被结构匹配比较分析 在矿山废弃地种植生态经济林[13]，不仅可以蓄水保土，改良土壤，美化环境，改善矿区的生态环境，而且能够生产产品，形成产业链，给当地居民带来良好的经济效益，提高当地居民的收入，对于处理矿产资源开发利用、生态环境及区域经济发展之间的关系具有十分重要的意义。实施以生态建设为主的林业发展战略是构建社会主义和谐社会的历史选择。 经济林是我国五大林种之一，包括以生产果品、食用油料、饮料、调料、工业原料和药材为主要目的的林木。与其他林种相比，经济林具有生产周期短、见效快、经济效益高，产品多样、加工增值潜力大、产业化前景好，即适应性广、特产性强，既适宜农户经营，又可大规模种植等特点。在林业生态体系建设实践中，我国创造性地提出了生态型经济林、 防护型经济林等新的模式，它不仅仅是概念上创新, 也扩大了经济林的内涵，提高了对经济林“三大效益”的认识，经济林是林业“三大效益”(经济效益、生态效益和社会效益)兼顾得最好的一类林种[13,17-18]。