中美土地复垦质量控制标准对比研究——以草原露天矿区为例

李晶马天跃闫萧萧Anna Waitkus

1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.Environmental Consulting,Laramie,WY 82070,USA

矿产资源开采不可避免地对土地生态环境造成破坏,土地复垦与生态修复是促进生态文明建设的重要组成部分。 在新时期国土空间生态修复背景下对比中美土地复垦质量控制标准的差异,完善和优化我国土地复垦质量控制标准至关重要[1]。

中国《土地复垦质量控制标准TD/T1036—2013》根据地貌单元的一致性、土地复垦方向的类似性、气候-土壤-植被地带规律性原则,将全域分为10 个复垦类型区,对不同区域损毁土地复垦所需达到的基本质量要求进行控制,指标体系中包含地形、土壤质量、配套设施和生产力水平等方面[2-3]。

美国除《露天采矿控制和复垦法案》(Surface Mining Control and Reclamation Act,SMCRA)外,各州对复垦质量有不同的规定,可以建立州级复垦法律、法规和政策但不能低于联邦标准。 各州复垦质量控制虽然未必有单独的相关标准文件,但在各复垦流程相应的准则中都包含对复垦质量控制的标准[4-5]。

中美两国土地面积辽阔,地形、气温、降水、土地利用和人类活动方式等均存在明显的地带性和非地带性差异,且煤炭开采方式也各不相同。 为更好地开展土地复垦质量控制标准对比,本文选取自然地理特征相似、土地利用方式类似的中国北方草原区和美国怀俄明州作为研究对象。 中国北方草原复垦类型区包含内蒙古锡林郭勒和呼伦贝尔草原,该区处于中温带,年降水量在50 ～450 mm 之间,露天开采占比较大;美国怀俄明州位于半干旱气候草原区,全年降水量10 ～370 mm,拥有全美41% 露天开采煤炭资源[6]。 两者在开采方式、复垦工艺流程方面也极为相似,这为复垦质量控制标准研究的可比性提供了依据。

本文以草原露天矿土地复垦质量控制标准对比作为切入点,针对中美两国标准体系框架,并以点带面,通过对比中国北方草原区和美国怀俄明州地貌重塑、土壤重构、植被重建、水文恢复等方面的土地复垦质量控制标准,查找差异,探寻启示,为完善我国土地复垦和生态修复质量控制标准、加强全过程管理和相关政策制定提供参考。

1 土地复垦质量控制标准体系对比

中国国土资源部于2013年发布《土地复垦质量控制标准TD/T1036—2013》,针对耕地、草地、园地、林地等不同土地利用类型分别构建了复垦质量指标体系,并在地形、土壤质量、配套设施和生产力水平等多方面进行指标规定[2]。

美国的土地复垦制度体系起步较早且较为完善,土地复垦质量控制相关标准作为国家法律法规或所在州当地条例的有机组成部分,具有一定的强制约束性。 1977年颁布的《露天采矿控制和复垦法案》(SMCRA)规定了美国所有露天矿的最低复垦质量水平。 依据SMCRA 和本州的采矿和复垦情况,怀俄明州土地环境质量部于2012年颁布了《土地质量环境保护性能标准》(Environmental Protection Performance Standards For Land Quality),其与各复垦要素对应的准则共同组成质量标准体系,用于控制和保障本州土地复垦质量达到开采前水平。

美国怀俄明州《土地质量环境保护性能标准》中复垦的定义为:将土地恢复到等于或高于“之前的最高用途”的最高经济或社会价值状态,或者具有比之前所有土地利用更具经济或社会价值的用途。 这意味着复垦质量控制在开采前就已经开始进行,同时表明采前的基础信息调查是复垦质量控制不可或缺的部分。 怀俄明州通过建立数据库的方式,存储包括但不限于开采前的地形地貌、回填土质量、土壤类型和土壤厚度、植被类型和生长状态、地表水和地下水质量等开采许可范围内的基准(Baseline)信息,为复垦质量的恢复和控制提供有力依据。 基准是用于比较或控制的临界值数据。根据基准制订复垦质量控制标准,可以有效避免标准的刻板化、固定化。 相比之下,在我国的土地复垦质量控制、土地复垦全程监管中,采前的基础信息调查和应用尚未得到足够重视,相对缺乏系统的相关信息。

此外,美国怀俄明州同样规定了复垦质量控制标准的硬性数值指标,但同时也编制了表述性标准并设立了质量达标的核验方式。 “开采前调查—复垦后对比”的范式使复垦质量控制标准的编制成为多要素集合的程序,保证了复垦质量控制的不同阶段紧密联系,并更加符合当地实际。其土地复垦相关标准与复垦质量验收和保证金归还挂钩,通过年度报告并根据标准进行审查核实,按照复垦进程分批次归还保证金。 我国现行复垦质量控制标准通过指标值进行控制简单易行,但内容的整体性、丰富度和基准参照的适用性有不足。

二者对比分析结果表明,我国土地复垦质量控制标准及实施目前仍偏重“末端治理”和末端管理——仅是复垦验收和复垦工程实施目标的参照标准;怀俄明州是对照采前状态的全过程管理思维,具有采前-采中-采后各修复阶段全过程持续数据积累、复垦分阶段验收并与复垦保证金返还挂钩、刚性与柔性指标结合、复垦内容更宽等特色。 这反映了两国基本国情、复垦所处阶段、复垦质量控制标准的定位、复垦目标侧重点、复垦标准制定方式等存在差异。 但从标准内容体系来看,均涉及地貌重塑、土壤重构、植被重建等内容。

2 地貌重塑质量控制标准对比

2.1 北方草原区

针对露天矿区的地形特点,结合采矿设计、开采工艺及土地损毁方式,北方草原区地貌重塑通过采取有序剥离和回填、分层压实和土地整形等措施,重新塑造地貌形态。 我国主要根据不同复垦方向设定地貌重塑的控制指标,地面坡度的控制以不大于固定的边界值作为标准,平整度则规定了地面的高差范围[7]。 对于复垦后耕地而言,水浇地的控制标准相较于旱地更加严格,对水浇地的田面高差进行规定,保证了耕地质量及复垦后的种植水平。 同时根据各行业的工程建设标准,针对配套设施对灌溉、排水、道路和林网的建设质量中地貌因素等进行规划控制。

2.2 怀俄明州

怀俄明州地貌重塑质量控制标准的制订主要依赖于采前地形的基准信息。 通过边采边复方式对矿坑进行回填、土地平整并重建地形,通过采用实时脉冲激光雷达量测并使用地形建模软件等实时监测地形及坡度,保证地貌恢复至近似原始地形(Approximate Original Contour,AOC)的要求。 该要求为地貌重塑中最重要的质量控制标准[8]。 同时当地复垦经验表明,构造顶部凸出、底部凹陷的复杂地形,坡度小于12°可以最大程度降低侵蚀发生的概率;控制坡度的静态安全系数大于1.3,以减少部分倾角较大的区域发生滑坡的风险[9-10]。 标准中还规定,复垦后标高不可超过采前高程,坡长不超过150 m 且小于采前坡面长度。 在配套设施方面,为排水面积大于20 hm2的所有渠道提供排水设施的设计规格,确保复垦场地稳定向自然地貌过渡[11]。

2.3 差异分析

中美地貌重塑指标质量控制标准对比见表1。我国目前的控制标准主要对坡度、地形平整度及配套设施进行规定,缺乏坡长和标高指标。 地形设计的固定范式通常难以保证区域系统功能的协调性。相比之下,怀俄明州地貌重塑时相对注重恢复至采前原始地形,并控制地形与周围的自然景观要素协调融合,复垦地形通常配置为顶部凸起和底部凹陷的S 型斜坡,通过配置坡面形状降低土壤侵蚀。 增加地形多样性是保证地貌稳定的重要因素,在矿区原有地形地貌基础信息调查的基础上制订标准,可以使复垦后地形设计更加协调稳定。

表1 地貌重塑质量控制标准差异对比分析Table 1 Comparative analysis of differences in quality control standards for landform remodeling

因此,地貌重塑可不局限于坡度等硬性指标,宜根据实际情况适当调整坡度的标准值参数范围,增加地形恢复到近似采前地貌的控制要求,保证地貌和各景观构成要素间的相互协调。

3 土壤重构质量控制标准对比

3.1 北方草原区

土壤重构采取适宜的重构技术工艺重新构造土壤剖面,应用物理、化学、生物、生态工程措施恢复土壤生产力,并改善重构土壤的环境质量。 经开采扰动土壤受到侵蚀,较低的肥力甚至土壤污染导致后续植被的恢复水平和土地的生产力无法保证。采取“分层剥离、交错回填”措施,并在复垦质量控制标准中通过规定土壤物理和化学指标的数值范围,以达到保证土壤质量的复垦目标[12-13](表2)。除了质量控制标准的指标外,一些学者还会选择在质量控制标准中未涉及的全氮、有效磷、速效钾、紧实度、含水率等作为重构土壤质量的评价指标[14-15]。 在金属矿区,重金属元素含量也常作为土壤质量的评价指标[16-18]。

3.2 怀俄明州

怀俄明州的土壤重构实践包含剥离回填和土壤改良,在移除表土、上履岩层并将煤层裸露之后需要对土壤进行分类处理,对不适宜用于复垦的土壤将被隔离并掩埋,未被舍弃的土壤应避免受到侵蚀并经过其他材料混合后达到标准规定水平。《怀俄明州环境质量部土壤和覆盖层第1 号准则》包含复垦土壤质量的适宜性标准(表2),并划分了标准的适宜值(Suitable Value, SV)、 边 缘值(Marginal Value,MV)以及不适宜值(Unsuitable Value,UV),在特定区域可利用边缘值对指标进行调整[19-20]。 在剥离土壤回填后,通过与土壤理化性质和厚度等数据标准对比,实现复垦后的土壤质量评估。 表2 列出了土壤和覆盖层的较为重要的化学参数,包括pH 值、电导率、钠吸收率、硒、硼、硝态氮、酸碱电位、钼、砷、有机碳含量等。 当采样中超过20% 的土壤存在一项或多项超标的化学参数时,则认定复垦土壤质量不达标。

3.3 差异分析

中美土壤重构相关的复垦质量控制标准的差异性主要体现在指标数量和控制数值上(表2)。具体在电导率和砾石含量的控制范围上略有差异,部分化学含量指标未被列入质量控制标准中。 我国现有指标设置较为合理,对不同复垦方向进行设定的控制指标保证了土地利用效益,但仍可根据具体利用情况对指标范围进行相应的普适化调整。 同时由于复垦区原有地质条件和植被品种的差异,有效土层厚度较为适合作为可调整弹性指标。 通过比较控制指标的数量可以发现怀俄明州的土壤质量指标相对全面,能够根据不同的矿种和复垦方向进行可选指标控制,此外还可以根据当地情况利用边缘值调整至与土地利用相协调的参数值。

表2 土壤重构质量控制标准差异对比分析Table 2 Comparative analysis of differences in soil remodeling quality control standards

我国现有的土壤质量控制标准包含的指标数量相对少,刚性值阈范围控制多,弹性指标少,优点是便于操作。 从全过程复垦管理等角度,我国可考虑是否有必要增加现有指标之外的对土壤污染程度和肥力质量影响较大的选择性指标参数,如硒元素、硼元素、全氮、速效磷、有效钾等指标,根据矿区种类选择其他适宜的控制指标,有针对性地满足不同矿区的复垦要求。 在控制土壤重构质量时考虑土地状态和复垦方向等因素,因地制宜,实现全面有效地控制项目区复垦质量。

4 植被重建质量控制标准对比

4.1 北方草原区

北方草原区的植被重建在地貌重塑和土壤重构的基础上,针对不同土地损毁类型和程度,综合气候、坡度、地表物质组成和有效土层厚度等,进行先锋植物与适生植物选择及其他植被配置、栽植及管护,使修复的植物群落持续稳定。 我国将林地的定植密度、郁闭度和草地覆盖度以及耕地、园地、草地的单位面积产量作为控制植被重建质量的指标(表3)。 植被覆盖度和郁闭度作为评价矿区复垦植被重建效果的重要指标,在林种质量评价和森林景观建设等方面有着广泛的应用[21]。 技术人员在复垦前需对林地的种植密度进行规划,通过核验林地3 ～5年后的郁闭度以及草地覆盖度指标,并控制牧草有害成分含量符合国家食品安全卫生标准,以保证植被重建质量。

4.2 怀俄明州

怀俄明州对植被重建尤为重视,在开采前5 ～7月植被生长高峰期对整个开采许可范围内的植被进行采样并收集基准信息,同时选择与采区植被群落生存环境类似或未受采矿扰动影响的区域作为参考区(Reference Area,RA),用于对比评估植被的重建水平。 怀俄明州在种植时优先选择本地物种,或使用本地物种与外来物种的种子混合物,采用撒播和喷播的种植方式进行植被重建,并使用长期责任期对重建水平进行达标核验。 通常在种植初步完成后设立10年的责任期,在责任期的第6年后提供任意连续2年的监测数据,并通过统计分析定量比较复垦区与参考区的产量、植被覆盖度和灌木密度等指标。 怀俄明州为植被重建的评估设定了专门的算法程序,通过对比复垦区与参考区的植被恢复水平实现质量核验的目的(图1)。 验证主要使用Mann-Whitney 检验和t 检验,通过设置置信区间为90% (单边检验误差为0.10)来测算植被恢复程度,并假设植被恢复水平往往小于参考区数值的90% ,即当大于参考区数值的90% 时(拒绝单边无效假设)表明植被重建成功[22-24]。

图1 怀俄明州植被重建质量评估标准程序Fig.1 Quality assessment standard for vegetation reconstruction procedure of Wyoming

同时,由于半干旱草原地区的灌木保水能力较强,怀俄明州规定灌木密度质量应具有以提供土壤保持和水源涵养的生态服务功能。 除非采前灌木密度较小,否则保证符合种植条件土地至少20%的区域应达到每平方米1 株灌木的标准。 为了计算灌木的适宜标准,需要确定开采前后灌木总密度和每个物种的相对密度[25]。 灌木密度标准利用下式确定:

式中,ρ为复垦后目标灌木物种应达到的密度;D为开采后的剩余灌木总密度,D≤1;N为群落中存在的原生灌木和次生灌木的种类个数。

4.3 差异分析

中美在植被重建质量控制标准规定方式上差异较大(表3)。 植被重建应遵循生态结构稳定性和功能协调性的原理,构造较为稳定的生态系统,在土地复垦质量控制标准的内容中对该原则应有所体现。 我国标准中详细规定了采后植被恢复可测指标的阈值范围,但未充分体现相对于采前的植被生长情况的变化,且北方天然草原区要比其他类型区的草地覆盖度的控制标准更为重要。 怀俄明州根据采前调查的植被发育状况,使用统计分析和假设检验进行质量控制,对于植被恢复的控制标准大多属于表述性规定,未局限于定量指标值。 植被的生长恢复过程不是一蹴而就的,在时间尺度上制订植被恢复水平的控制标准和质量核验流程不容忽略。

表3 植被重建质量控制标准差异对比分析Table 3 Comparative analysis of differences in quality control standards for vegetation reconstruction

由于采后土地环境恶劣,复垦时需选择抗逆性强、存活率高、改良土壤效果好或生态功能明显的本土品种。 我国缺乏规定复垦选用的植被品种以及所占比重的相关标准,易导致复垦后的生态系统稳定性不尽人意。 由于地区生长条件差异,物种多样性和植被种类应作为一项重要指标纳入复垦质量控制标准体系,选择的品种要与生态环境有一定的兼容性,优先选择本地作物,合理引入外来物种,控制混合植被的种类占比和分布,使得物种与物种、物种与环境之间可以相互促进。

复垦植被重建完成的核验需要进行长时序的观测统计,如果缺少与时序相结合、与本底条件相结合的单一刚性指标量化规定,难以满足高质量、可持续的复垦质量保障要求。 建议补充植被重建时限规定,在规定期限内根据开采前不同地类植被生长状态和覆盖情况的调查结果进行双时相、周期性、阶段性对比。 此外,设定参照区是非常有必要的。 根据未受开采扰动的参考区作为指标控制范围制定的依据,可以使标准适用于当地水平,并使用数理统计的方法对植被恢复水平进行综合考量,保证质量控制核验结果的精确性。

5 水文恢复等质量控制标准对比

5.1 北方草原区

复垦后的土地利用水平需通过质量控制标准进行一定的约束。

当复垦方向为渔业时,在保证水源充足的基础上,控制食用鱼放养面积占总养殖面积85% 以上,淤泥厚度不超过20 cm,3年后的单位面积产量不低于当地平均水平。

当复垦为人工水域与公园时,在景观与周边自然环境协调的前提下,通过种植植被防止水土流失,保证复垦后水资源供需平衡。

另外,保证建设用地的场地基本平整,地基承载力和地基抗震性满足《建筑地基基础设计规范》和《建筑抗震设计规范》,防洪标准和地基设计标高满足当地防洪要求,保证生态景观协调宜居[2]。

5.2 怀俄明州

怀俄明州水文恢复相关的质量控制标准包含了地下水和地表水两部分。

在地下水质量控制方面,规定了水质、径流特征和地下水电位等相关标准,并根据国家饮用水、农业、畜牧、水生生物不同层级的土地利用要求,每季度对水质化学参数进行检测。 在质量达标核验时使用累积水文影响评估模型对地下水的恢复情况进行预测,并于年度报告中与国家标准进行对比[26-28]。 由于其国家标准中规定的指标类型较多,故本文不在此列举。

在地表水质量控制方面,主要针对地形与流域设计、排水系统规划、蓄水池建设、水质监测4 个方面进行控制,按照许可规定的采集频率对上述数据进行收集,并在年度报告中建立数学模型后与国家标准比较,同时保证水中总悬浮固体的平均浓度小于35 mg/L[29]。

5.3 差异分析

地表水和地下水是农业灌溉、工业和城市用水的重要水源,在草原区为畜牧养殖业提供用水并维持生态系统功能的稳定性等。 通过比较得知,我国在复垦质量控制标准中对不同土地复垦方向的利用水平进行约束,很好地关注了其生产功能,水文恢复的相关标准仍有提升空间(表4)。

表4 水资源质量控制标准差异对比分析Table 4 Comparative analysis of differences in water quality control standards

怀俄明州明确了水源地的用水量供需和水质情况,保证水资源供求关系的平衡。 我国标准中缺乏对复垦后水文恢复水平的生态功能性质量控制指标,不利于有效保证整个复垦区域的水资源质量和用水安全。 为防止对重建的地下水和地表水造成二次污染或存在用水质量安全风险,建议将国家水质控制指标等纳入土地复垦与生态修复标准。根据开采前的水文情况增加矿区复垦水资源恢复的相关控制要求,同时控制发生径流侵蚀的概率,减少干扰周边区域的水文平衡。

6 结论与讨论

土地复垦质量控制标准对土地复垦专项规划、矿山地质环境保护和土地复垦方案编制、复垦工程规划设计以及复垦质量验收等具有重要指导意义。在国土空间生态修复背景下,本文通过中国北方草原区和美国怀俄明州适用复垦质量标准对比,在揭示异同点的同时,由点及面地提出了我国土地复垦质量控制标准改进方向:

(1) 稳定的地貌是进行土壤重塑和植被重建的前提,将地形恢复到近似采前状态有助于维持国土空间和各景观要素的区域协调性。 建议根据原始地貌景观结构而不局限于现有固定的坡度控制值,将采前矿区原始地形调查及数据应用纳入到地貌重塑质量控制指标体系和实施过程中。

(2) 良好的土壤质量是植被重建成功的前提,一定程度上决定了复垦效果的总体水平。 由于矿区种类和复垦方向的差异性,复垦质量控制标准中可考虑包括更多与土壤质量相关的指标,设置约束性指标和选择性指标,相关人员在应用标准时选取对环境影响较大且广泛存在的相应指标。 同时增加可调整控制范围值,针对矿区本底条件差异,高效建立特定矿区适宜的控制指标标准。

(3) 植被重建有助于环境调节和生产生态功能恢复。 植被生长质量需要长时序验证,建议在现行标准中补充重建阶段性时限要求。 根据土地复垦的环境特殊性增加植被品种的控制要求,以恢复植被重建后生态系统的稳定性。 同时,注重采前信息调查和参照区设定,以开采前的植被生长调查状况作为控制标准的制订依据,并使用数理统计验证植被重建水平。

(4) 保护生态脆弱区的水资源和水环境尤其重要。 现阶段我国复垦质量控制标准中,对水文恢复制订的相关标准相对薄弱,目前仅针对水资源的生产利用水平设定指标,建议增加生态服务功能性指标。 更为重要的,从理念上将水体及水文状况恢复纳入复垦内容体系,尤其是生态脆弱区和干旱半干旱区。 水文质量与整个生态环境以及植被生长紧密关联,应增加相应标准对水文恢复进行质量控制。

以往我国对“土地复垦”内涵理解过于狭窄,重视恢复受损土地生产功能的恢复。 随着生态文明建设需求不断增强,对土地复垦的认识也从关注数量、质量发展到对生态系统——生态结构和功能恢复系统性的内在要求。 建议拓宽业务视角,克服服务于山水林田湖草沙系统修复背景下指标缺失、内容不全等问题制约,推动将现有行业标准修改完善后上升至国家标准,提升土地复垦与生态修复质量控制标准的系统性和影响力。 此外,更为主要的是变“末端治理”思维为全过程管理,重视采前基准信息采集、土地复垦与生态修复方案编制、采后与复垦后全过程分阶段、周期性信息采集,通过专门复垦监测管理真正实现复垦质量控制全程化、科学化、精细化和适用化。