山-水-林-田-湖-草-海-城修复模式的实践应用——威海华夏城采石场生态修复及其效益评价

王 芳，于国铭，张 瑞

（1.重庆大学 建筑城规学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400030；2.山东东鲁建筑设计研究院有限公司，山东 威海 264299）

矿产资源是人类社会发展和国民经济建设的重要物质基础，矿山开采已成为推进我国工业化、城市化和农村现代化进程的重要手段[1]。但资源过度开发及不合理利用，导致岩体裸露、水体污染、土壤流失、植被破坏、生物多样性锐减、地质灾害等生态环境问题[2]。截至2018年底，我国矿山开采占用损毁土地约3.6×106hm2[3]，严重制约人地关系协调发展和经济社会可持续发展。党的十九大报告提出“山-水-林-田-湖-草是生命共同体”的理念[4]，为矿山生态环境治理指明了方向。为鼓励采矿山废弃地综合修复利用，自然资源部于2019年12月颁发《自然资源部关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》，推行市场化运作、科学化治理的模式[3]。目前，由于矿山生态系统各组成要素之间存在流动性、各环境因子相互干扰，如何协调经济与环境、统筹相关部门、整体规划治理、全方位实现山-水-林-田-湖-草生态保护修复工作科学落地，成为亟待解决的问题[5-6]。生态修复的重要目标是全面优化提升区域生态系统服务功能[7]，生态效益评价是进一步改善矿山生态修复的关键，为制定综合系统的生态修复策略提供了重要参考。国内外学者针对矿山生态修复生态效益开展了相关研究，基于生态系统服务和功能的生态系统效益评价[8-9]、土壤理化性质评价[10]、景观结构与功能评价[11-12]等来评估和衡量生态修复方案的生态效益。

山东威海华夏城采石场早期由于开山采石作业，山体损毁严重，生态环境恶化，严重影响区域景观和生产生活。自2003年以来，华夏城响应威海市“生态立市、荒山绿化”的号召，全面开展矿山生态修复并成功打造了国家5A级景区。经过17年的整体保护、系统修复、综合治理，华夏城实现了生态系统保护、质量提升和格局优化，成为践行“绿水青山就是金山银山”理念的典型案例。2018年6月，习近平总书记调研华夏城生态文明建设整体情况，对其通过生态修复，促进文化旅游发展，带动周边村民就业致富的做法给予了高度肯定[13]。基于此，本文通过提炼华夏城生态修复技术策略，从山、水、林、田、湖、草、海、城各生态要素出发，研究华夏城整体生态系统修复设计实践经验，并对生态修复不同时期进行生态效益评价，以期为科学实施生态修复提供思路借鉴。

1 研究区域环境概况

威海华夏城地处山东省威海市环翠区，地理坐标为 37°24′58″～37°25′55.2″N，122°6′7.2″～122°7′40.8″E，西枕里口山脉南端的龙山区域，东临黄海，地势西高东低，属温带季风气候。历史上，华夏城一带有长达50多年的露天开采史，采石场最大高度达80 m，坡度大于50°，稳定性差、危险性高。20世纪70年代末，因城镇基础设施建设需求，华夏城所处龙山区域成为建筑石材集中开采区，先后入驻了26家企业。大规模的采石作业和无节制的开采索取导致山体支离破碎，矿坑多达44个，损毁山体251.13 hm2，森林植被退化、水土严重流失、空气粉尘弥漫、废石废渣乱撒、噪音污染不断、生态环境严重破坏、生物多样性锐减（图1）。

图1 华夏城生态修复前生态环境状况Fig.1 Ecological environment status of Huaxia City before ecological restoration

2003年，华夏文旅集团通过拉土回填、造林绿化等手段，依地形地势塑造文化旅游景观。通过修复44个矿坑，建造35个库塘，打通4条隧道，栽种1 127万株绿化林木等整体修复措施和系统规划治理，华夏城于2007年正式开放。2017年，华夏城入选国家5A级旅游景区。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本文所使用的华夏城不同时期遥感影像数据来源于Google Earth无偏移历史影像，影像级别为第18级，像素分辨率为0.47 m。基于样本的面向对象的分类方法，解译得到华夏城不同时期土地的利用数据（图2）。

2.2 生态效益评价方法

2.2.1 涵养水源效益评价

采用地下径流增长法，利用地表径流增加量表示植被的蓄水量，对生态修复的涵养水源效益进行评价。

式中：Q为植被与裸地相比涵养水分的增加量，m3/a；Si为第i种类型植被的面积，hm2；J为研究区的年均降雨量，mm；R为不同区域的侵蚀性降雨比例（北方地区取0.4）；Ci为植被与裸地相比减少径流的效益系数。林地和草地减少径流的效益系数分别为0.39和0.22[5，14]。

采用影子工程法对植被涵养水源的效益进行价值评价，得到涵养水源的经济价值。

式中：V为年涵养水源的经济价值，元/a；Q为涵养水源的总量，m3/a；Pw为单位蓄水费用，0.67元/m3。

2.2.2 保持水土效益评价

采用有、无植被的土壤侵蚀差异量来计算减少土壤侵蚀量。

式中：W为植被水土保持的总量，t/a；Si为第i种植被类型的面积，hm2；Ti为第i种植被类型的单位土壤保持量，t/（hm2·a）。林地和草地单位土壤保持量分别为5.24 t/（hm2·a）和4.83 t/（hm2·a）[5，14]。

根据我国1 m3库容的水库工程费用计算减少泥沙淤积的经济价值，从而得到水土保持的经济价值。

式中：E为植被保持水土的经济价值，元/a；W为植被水土保持的总量，t/a；Pw为单位蓄水费用，0.67元/m3。

2.2.3 维持生物多样性效益评价

参照Costanza等[15]提出的全球生态系统服务价值评价模型，并根据谢高地等[16]于2015年提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”对华夏城各土地利用类型维持生物多样性效益进行价值当量赋值。

式中：B为维持生物多样性的经济价值，元/a；Si为第i类土地利用类型的面积，hm2；VCi为第i种土地利用类型维持生物多样性的价值系数。其中，1个标准当量因子的生态系统服务价值为3 406.5元/hm2[16]。

3 采石场生态修复模式

3.1 生态修复策略

1）顺势建设串珠状梯级库塘系统。华夏城地处暖温带，由于过度采石，地表形态、地质景观发生显著改变，基岩广泛裸露，水土极易流失，保水性和蓄水性差，渗漏性强，导致区域机械性缺水。治山必先理水，自然水系及水文联通恢复是生态修复工作开展首要解决的关键问题。水生态环境的改善，不仅能够提高土地生物潜能，满足植物生长、动物生存和生物多样性保育，而且对于局地气候调节等整体生态环境改善具有重要意义。华夏城遵循“‘依山就势’重塑地形、‘因势利导’疏导水流、‘柔性防护’稳定边坡”的山水林田湖草系统共治原则，构建梯级库塘、线性串珠状水系结构（图3），实现自然水系及水文恢复。

图3 生态修复策略Fig.3 Ecological restoration strategies

2）生态效益与社会经济效益协同。山水林田湖草生命共同体中“人”是不可或缺的要素。生态修复的最终目的是实现人与自然耦合关系的协同优化，自然与社会、经济交互系统的可持续发展，全面优化提升生态系统供给、调节、文化和支持四大服务功能。华夏城积极探索生态产品价值实现模式，充分利用矿坑空间，依托自然生态系统和地形地势优势，打造独具特色的矿山景观和文化旅游产品，将生态修复与文化旅游相结合，体现地域特色，延续城市文脉。

3.2 山-水-林-田-湖-草-海-城整体生态系统修复设计

山-水-林-田-湖-草-海-城各要素组成多层次、关系复杂且有序的整体生态系统，系统内各要素相互关联，紧密联系[17]。良好的生态修复应统筹考虑各生态要素空间配置，通过“护山、理水、营林、整田、清湖、丰草、净海、美城”，进行整体生态系统设计（图4），保证生命共同体健康稳定发展，实现“山青、水秀、林茂、田良、湖净、草丰、海蓝、城美”。

图4 山-水-林-田-湖-草-海-城整体生态系统修复设计Fig.4 The holistic ecosystem restoration design of mountainwater-forest-field-lake-grass-sea-city

3.2.1 废弃矿山恢复——依山就势、覆土复绿

山是生命共同体的重要生态源，采石场废弃矿山的环境治理修复是治山修山的根本，是地貌重塑的关键环节[6]。根据华夏城区域地质地貌、水文水系等环境特征，利用拉土回填、裂缝夯填、平整压实等方法进行地形整理。通过修筑排水沟渠、覆土绿化、恢复植被等手段进行生态护坡、稳定边坡，防止水土流失，消除泥石流等地质灾害隐患。对于采石直立面、陡峭边坡等进行适当削坡降级，修整至满足植被栽植立地条件，如九曲情人街生态修复点[18][图5（a）和（b）]。对于双面开采导致山体几乎被打透的废弃矿山，山体破损极其严重，将其合理规划为隧道，其上覆土复绿、恢复植被，下行人通车，如1号隧道生态修复点[18][图5（a）和（b）]。对于山谷处的采石场，由于山谷两侧山体均被开采，谷内废石残渣常年堆积，故采用黄泥包底的原始工艺，因地制宜拦蓄水源，利用水面遮掩进行美化。充分利用矿坑空间，上覆土绿化，下建成长172 m、宽93 m的地下防空洞。截至2019年，华夏城共运输土方6.456×104m3[19]，修复矿坑44个，恢复损毁山体近266.67 hm2，削平一座绵延约800 m，体积达1.530×104m3的山岭。打通4条隧道，总长度达405 m。

图5 华夏城废弃采石场生态修复前后景观对比图Fig.5 Comparisons of the abandoned quarries landscapes before and after ecological restoration in Huaxia City

3.2.2 水文水系重建——拦蓄水源、疏浚水系

华夏城因势利导沿沟谷规划两条水系，拦蓄水源构建七处库塘，通过天然储存雨水、地表径流等，解决区域水资源问题。线性串珠状水系结构能够实现生态补水，统筹上下游综合治理，区域水生态环境状况得到有效改善，水生态服务功能得到极大提升。梯级库塘系统与生态护坡相结合（图6），不仅能够满足山上至山下植被生长用水需求，而且营造了山水相宜的优美景观。此外，对华夏城内的古井，通过清淤修葺、定期维护等手段进行保护与文化传承。

图6 华夏城串珠状梯级库塘系统示意图Fig.6 Schematic diagram of beaded cascade reservoirs and ponds system in Huaxia City

3.2.3 山林园木设计——生态造林、绿化园林

通过客土置换、客土回填、土壤重构等人工修复手段，改善植被立地条件，提高土壤肥力，使其能够满足植被正常生存条件。根据立地条件，大力开展生态造林绿化工程，栽植对环境限制因子具有较强抗逆性、根系发达、具有固土固氮能力、能够有效减少水土流失的树种，如雪松、黑松、刺槐、柳树等。注重景观艺术性配置，秉承景观式利用和园林式绿化理念对华夏城进行统筹规划，在水塘及道路两侧种植垂柳、连翘、鸢尾、石菖蒲等植被构建结构优化、层次合理、功能完善的林木生态空间。华夏城生态修复至今，共栽植各类树木1 189万株，绿化山体近666.67 hm2，植被覆盖率大幅提高。尽可能保留历史古树，合理规划景观布局。为保留800年前的古银杏树，设计半封闭庭院空间[图7（a）]；通过人工石砌岛景观设计[图7（b）]，营造古树生存空间。

图7 为保留古树进行合理景观设计布局Fig.7 The reasonable landscape design layout for the ancient trees conservation

3.2.4 周边农田整治——土地整理、整治污染

注重华夏城周边农田生态治理与改造，减少农业面源污染，完善农业灌溉设施。通过周边农田改良和修复，优化乡镇用地结构，整治农田生态环境，提高资源利用效率，保障流域水环境安全。

3.2.5 矿坑湖库——水系连通、完善结构

合理利用、巧妙设计矿坑空间，通过拦蓄水源，以水美化碎石、废渣堆积的山谷，构建上下游连通的湖库系统。注重湖库水系网络整治，通过生态护坡、水生植物配置等方式，修复湖库岸景观。完善华夏城内道路绿化、地上地下管网等配套工程，加强水质污染防治力度。以湖库为纽带，充分衔接山体、建筑、植被，各景观要素统筹设计，实现建筑景观与自然山水高度融合。通过整体生态修复，打造了龙湖[18]（图8）、观音湖等大小形状不一的湖库35个，经天然蓄水、自然渗漏后顺势形成连通水系，为华夏城景点和植被灌溉提供了水源，生态环境得到极大改善。

图8 龙湖生态修复前后景观对比图Fig.8 Comparison of Dragon Lake landscapes before and after ecological restoration

3.2.6 植物群落重构——草木茂盛、景观美化

优先选用地域性乡土品种、抗逆性强、成活率高的草本灌木植物，充分利用不同植物的色彩、形状等景观特征，合理优化配置，形成高度覆盖表层土壤的草本植物群落。草本植物群落不仅发挥了固土保水、净化径流、提供生物生境等生态系统服务功能，同时具有景观美化与休闲观赏等功能。

3.2.7 山海综合协调——流域治理、海洋保护

华夏城西枕里口山脉南端的龙山区域，东临黄海，距海约4 000 m，处于流域源头（图9）。水由山地汇水区，经由各级河溪，众水汇流至黄海，以流域为单位的水环境生态保护修复，强调源头控制、综合治理、系统保护。山海相依的流域整体治理，尤其是华夏城有效的整体生态修复策略，能够保障入海径流水质安全，有效维护海洋生态环境安全。

图9 华夏城鸟瞰图Fig.9 Aerial view of the Huaxia City

3.2.8 城市建设——振兴乡村、生态立市

综合工程、生态、自然设计的华夏城生态修复模式，实现了人与自然之间的协同共生，生态系统服务功能全面优化提升。生态环境日益改善，生物多样性水平大幅提高，人居生活质量得到提升。华夏城采石场的生态修复促进了文化旅游发展，带动周边上千村民就业，使乡村振兴拥有了坚实的产业支撑、文化支撑和生态支撑。截至2019年底，华夏城累计接待游客量达2 000万人，营销年收入达2.3亿元[18]，极大地促进了威海市生态文明建设，推动社会经济协调可持续发展。

4 生态效益综合评价

通过生态效益价值评估（图10），可见随着生态修复工程的开展，华夏城涵养水源、保持水土和维持生物多样性的生态系统服务价值得到极大提升。其中，涵养水源量最大增量达4 266.03 m3/a，土壤侵蚀减少量达208.44 t/a。涵养水源和维持生物多样性的生态效益增长率分别达53.69%和53.08%。在时间维度上，2004年生态效益水平最低，仅为91.74万元；2007年华夏城正式开放时，生态效益显著增加，达到130.65万元；2012年生态效益最大，达140.42万元；2019年，由于神游海洋世界等旅游项目的开发，生态效益权衡之下，稍有减少，生态效益经济价值为134.43万元。

图10 华夏城不同时期生态效益对比Fig.10 Comparison of ecological benefits in different periods of Huaxia City

5 讨论

华夏城生态修复巧妙利用废弃采石场矿坑，充分利用地形高差，因地制宜顺势打造串珠状梯级库塘系统，在取得良好生态效益的同时，发展文化旅游，实现了社会经济效益同步发展。通过一系列“护山、理水、营林、整田、清湖、丰草、净海、美城”整体生态系统修复设计，生态效益显著提升。2012年生态效益最高，较2004年增加48.68万元，2019年生态效益达134.43万元。

华夏城注重生态修复与景观建设和人居环境质量优化协同共生。如对于山谷处的采石场，由于山谷两侧山体均被开采，谷内废石残渣常年堆积，通过拦蓄收集水源利用水面加以遮掩美化，不仅能够提高涵养水源等生态效益，更可形成优美的湖库景观。通过将体积较大的采石场废弃石坑设计成防空洞，一方面节省了回填土石方等建设成本，另一方面通过将此空间设计为人防教育展厅，顶板以上设计为观景平台和阶梯，大大提高了土地利用效率，实现了景观设计与自然环境的协调。在夏园和华夏城入口处，通过拦蓄水源形成两个具有高低差异的湖库，水流顺势形成一道瀑布，作为华夏城入口处对景。依山就势建成1.6×104m3的生态文明展馆，通过展示华夏城的生态修复过程和效益，科普绿水青山向金山银山的转化历程。

6 结语

在整个采石场生态修复过程中，通过充分解读基底现状，秉承景观式利用和园林式绿化理念进行生态景观建设，形成了功能高效、结构完整、空间合理、形式多样的山水建筑相融景观。优良的景观品质推动了文化旅游的蓬勃发展，对改善人居环境质量、拉动就业、带动区域经济发展具有积极促进效应，真正实现了人类健康与生态系统健康的协同。