采煤塌陷区的生态恢复研究进展.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第24卷 第4期自 然 资 源 学 报Vol124 No14 2009年4月JOURNAL OF NATURAL RESOURCESApr ., 2009 收稿日期 2008- 03- 10;修订日期 2009- 01- 04。 基金项目安微省软科学研究计划项目07030503013。 第一作者简介刘飞1967- ,男,安徽砀山人,讲师,博士研究生,研究方向为旅游生态和生态恢复。 3 通讯作者简介陆林1962- ,男,安徽芜湖人,博士,教授,博士生导师,从事旅游地理与旅游生态方面教学与科研。 采煤塌陷区的生态恢复研究进展 刘 飞 1, 2 ,陆 林 13 1. 安徽师范大学 生命科学学院,重要生物资源保护与利用研究安徽省重点实验室,安徽 芜湖241000; 2.淮北煤炭师范学院,安徽 淮北235000 摘要煤炭开采使部分土地变成了塌陷地,破坏了生态环境,且诱发了严重的社会问题。目前, 采煤塌陷地的生态恢复是恢复生态学的研究热点之一,生态恢复技术主要包括土壤基质改良、 植被恢复、 土壤动物和微生物应用等,生态恢复的理论主要包括生态演替理论、 限制因子理论 等。论文就采煤塌陷区生态恢复的内涵、 目标、 原则、 基础理论和技术体系进行了评述,并指出 今后研究的重点是建立生态恢复评价指标体系,生态恢复的发展方向是现代生态农业。 关 键 词生态恢复;生态重建;土地复垦;采煤塌陷区;生态演替 中图分类号 X17114 文献标识码 A 文章编号 1000 - 30372009 04 - 0612 - 09 中国的能源消费构成中,煤炭目前所占的比例超过了70 ,煤炭工业的发展,推动了其 它行业的发展,同时也造成一些环境问题,特别是矿区开采引起的土地沉陷和生态环境的变 化是目前人们关注的热点。煤炭开采对自然生态系统甚至整个景观都有不利的影响,且形 成了大面积的采煤塌陷地,破坏了土地的自然属性,土壤结构发生根本性改变,土壤营养元 素严重流失,原来平原陆地生态环境退变为水生生态环境。更有甚者还诱发一系列社会问 题,影响区域社会、 经济的可持续发展。本文在充分调查国内外相关领域研究成果的基础 上,对目前采煤塌陷区的生态恢复研究进行了分析和评述。 1 国外采煤塌陷地生态恢复研究 采煤塌陷地是严重退化的生态系统,土地塌陷不仅对生态环境造成了负面影响,而且严 重影响区域社会和经济发展。因此退化生态系统的生态恢复理论和实践成为生态学研究的 前沿和优先领域 [1 ]。 国外生态恢复的理论和实践研究起步比较早, 1975年3月,具有里程碑意义的“ 受损生 态系统的恢复 ” 国际会议召开,会议对受损生态系统的恢复和重建、 生态恢复过程中的原 理、 概念和特征等许多重要的生态学问题进行了讨论 [2, 3]。1980年 Cairns主编了 受损生态 系统的恢复过程 [4 ] ,八位科学家从不同角度探讨了受损生态系统恢复过程中重要的生态 学理论和应用问题。1987年Jordan主编出版了第一本生态恢复研究专著 [5 ] , 1992年恢复 生态学杂志在美国创刊。 生态恢复的定义是逐渐深化的。英文中Restoration、Rehabilitation、Reclamation、En2 hancement、Remedy、Renewal、Revegetation等都含有恢复的意思,美国习惯用“Reclamation” 、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4期刘 飞等采煤塌陷区的生态恢复研究进展613 加拿大和澳大利亚习惯用“Rehabilitation”,英国则习惯用“Restoration” 。Bradshaw认为res2 toration指恢复到原来的状态, rehabilitation是指部分恢复,而reclamation指恢复到结构或功 能都不同于起始状态的新状态, ,很可能土壤的矿物质已经被完全取代 [6 ]。还有的学者认 为生态恢复是将人类所破坏的生态系统恢复成具有生物多样性和动态平衡的本地生态系 统 [7 ]。实践证明 ,完全“ 复原 ” 很难实现,而建立与原生态系统相似或者不同的生态系统,无 论在理论上、 实践上都是可行的。 干扰对生态恢复的影响也是研究的热点之一。Hobbst认为生态恢复有一个临界点,当 生态系统被干扰的强度不超过负荷时,去除干扰和胁迫后,生态系统可以在自然状况下恢 复;如果生态系统被干扰和胁迫超过某一临界点,达到极度受损状态,去除干扰和胁迫后,生 态系统的恢复非常困难,必须依靠投入大量的人力和物力,才能控制生态系统的退化,并重 建新的生态系统。 Hancock的研究显示,在采煤塌陷地进行生态恢复,采煤企业的态度要比财政预算更重 要 [8 ] ,说明只要煤炭企业愿意对采煤废弃地进行有效的治理,就可以达到期望的目标。 学者们对生态恢复的理论和技术措施进行了大量的研究,其中对生态演替理论的研究 比较深入。生态演替理论是指导退化生态系统恢复与重建的重要基础理论 [9 ] ,是自然演替 和人工演替相结合的过程。David认为自然演替是一个缓慢的过程,有时甚至需要成百上 千年 [10 ]。从理论上说 ,只要不在极端的条件下,没有人为的破坏,经过一定的时间,植被总 会按照自然演替规律逐渐恢复。自然演替大约需要50～100年的时间才能在采矿废弃地上 恢复植被。生态恢复过程一般由人工设计,并在生态系统层次上进行。由于采取了人为附 加的措施,从而使受损或遭破坏生态系统演进比自然演替的时间大大缩短。 影响采煤塌陷区生态恢复的限制因子也是研究的重点之一。采煤塌陷区的限制因子主 要有土壤肥力和pH值太低 [11 ] ,N、P和有机质缺乏 [12 ] ,重金属含量高 [13 ] ,极端的物理性状 等。矿区生态恢复最主要限制因子是土壤肥力,在初期阶段必须进行土壤改良和熟化。土 壤肥力和植被的恢复是生态恢复的关键,只有适合生物生存的土壤形成,自然生态系统才有 可能发展,不管在何种情况下,生态系统的最终形成与土壤息息相关,土壤对于生物种群及 其生态系统的分布范围起着决定性作用。因此,土壤恢复是生态恢复的重要组成部分和先 决条件。植被的恢复,特别是固氮植物的恢复,又会增加土壤的有效氮含量,改善土壤理化 性质和土壤结构,提高土壤有机质含量。土壤肥力恢复技术主要有生态农业技术、 人造表 土技术和菌根技术等。人造表土富含多种养分且经过加工处理,其养分含量高于自然表土, 效果也优于自然表土,它能调节土壤pH值,提高土壤生产力。 丛枝菌根真菌AM是自然界中普遍存在的一种土壤微生物,陆地90以上的有花植 物都能够与它形成菌根共生体 [14 ]。Barea等研究证明丛枝菌根真菌能够促进豆科植物结瘤 和固氮,增加豆科植物根瘤的数目,提高豆科植物的固氮能力 [15 ]。Clark等在实验中发现丛 枝菌根真菌可以提高植物抗酸性的能力 [16 ]。Frost等实验表明丛枝菌根真菌能够显著改善 土壤结构,增加土壤有机质 [17 ]。通过人为接种微生物 ,利用微生物和植物根际微生物本身 的生命活动,能够挖掘复垦基质的潜在肥力,加速植被恢复,改善矿区生态环境,有益于矿 区生态系统的可持续发展,是一条经济便捷且安全的途径。 Bending等在英国南威尔士的露天采煤地完成了树木的生长和当地的化学因子、 营养因 子、 物理和水文因子之间关联度的研究。树木生长速度的变化可以用树叶化学性质的变化 解释,树木生长与叶中N、P含量正相关,与叶中镁含量负相关。土壤pH值与树木生长负相 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 614 自 然 资 源 学 报24卷 关,并对如何选择合适的植被提出了建议 [18 ]。Raman等研究了不同人工林地下、 地面植被 的结构和生物量,结果表明,外来的草本植物比本地种更有优势,在采煤废弃地使用包括外 来物种的人工林方案是成功的,并在不同林地下实现了地表植物的栽培 [19 ]。 蚯蚓等土壤动物在改良土壤结构、 增加土壤肥力和加快生态恢复的进程等方面都起着 重要作用。Vimmerstedt等率先将蚯蚓引入到煤矿山土壤复垦中,并取得满意的结果 [20] ; Curry系统地研究了蚯蚓在退化土壤生态恢复中的作用 [21 ] ;Butt等进一步发展了“ 蚯蚓繁殖 盒 ” 技术,更好地将蚯蚓应用到退化土壤的恢复中 [22 ] ;蚯蚓活动能够增加土壤团聚体的稳定 性,增加土壤表层微生物数量,提高土壤有机质含量等 [23, 24 ]。 3 - D模型能模拟多种地质构造,对于露天采煤地的恢复计划和目标有很大意义 [25]。 James利用并比较了Terra和Landsat 7卫星的资料,分析了美国俄亥俄州露天煤矿开采对环 境的影响,这有助于资源的有效管理 [26 ]。 生态恢复的成效通常用生物多样性、 植被结构和生态过程等生态系统属性衡量,与生态 系统功能相关的生态属性至少要有2个变量,至少要有2个参照地比较生态系统的变 异 [27 ]。很多学者对生态系统恢复成功的标准提出了自己的观点 表1 ,生态恢复成功的衡 量标准通常来源于所希望的生态系统目标生态系统的某些特征。 表1 生态系统恢复成功的标准 Table 1 The standard of ecological restoration 学者标准 Cairns自我调节、 达到生态恢复规划的设计标准、 在较大的生态景观范围内看不到不利影响 Ewel可持续性、 不可入侵性、 生产力、 营养保持力、 具有生物间相互作用 Parker生态系统自身可持续性的恢复 Gunn有吸引力的自维持的“ 健康 ” 的生态系统,没有毒性物质和其它有害物质 注根据文献[28～31]整理。 生态恢复有很强的实践性,曾被称为生态学的“ 酸性试验 ” 或“ 生态学理论的最终检 验 ” [32]。世界上主要的采煤国美国、 澳大利亚、 英国、 德国、 俄罗斯等土地复垦程度较高。英 国较早地开始把露天煤矿废弃地恢复为高产的农业和林业用地 [33 ]。德国土地复垦率已达 到90以上,把采煤废弃地成功恢复为新的景观,表明煤炭工业和环境保护并不是根本对 立的 [34 ]。美国和澳大利亚的生态恢复见表 2。国外生态恢复成功的经验主要有以下几点 制定科学合理的法律、 法规和制度,建立严格的土地复垦标准,国家设立专门的行政管理机 构,监督法律和法规的实施,确保有法可依;全民参与,矿区居民有监督的权利;实行采矿许 可证制度,以及采取土地复垦保证金制度,保证资金的来源。 表2 美国和澳大利亚的生态恢复 Table 2 Ecological restoration in America and Australia 国家专门机构法律监督措施 美国 内政部土地局、 环境 保护署与矿业局等 露天采矿管理与土 地复垦法等 “ 地球之友 ” 等民间 团体 土地复垦基金制度、 开采许可证制度、 保证金制度 澳大 利亚 环境局 澳大利亚环保行业 评估计划等 当地居民有否决权 规划、 审批、 土壤转移、 存放和替代、 生 物链重组、 恢复、 检查验收 2 国内采煤塌陷区生态恢复的研究 与国外相比,国内生态恢复的研究较晚,如舒俭民等认为生态恢复就是恢复生态系统合 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4期刘 飞等采煤塌陷区的生态恢复研究进展615 理的结构、 高效的功能和协调的关系,实质上就是受损生态系统的有序演替过程,恢复其必 要功能并达到系统自我维持状态,中心内容是恢复与地带性系统相似的生态系统,让其向地 带性生态系统发展 [35 ]。章家恩等认为生态恢复与重建是指根据生态学原理 ,通过一定的生 物、 生态以及工程的技术,人为地切断生态系统退化的主导因子和过程,调整和优化系统内 部及其与外界的物质、 能量和信息的流动过程及其时空秩序,使生态系统的结构、 功能和生 态潜力尽快成功地恢复到原有的乃至更高的水平 [36 ]。 我国采煤塌陷区生态恢复大致可分为3个阶段表3 ,划分的标志是 土地复垦规定 和 中华人民共和国土地管理法 第四次修订的实施。 第一阶段为1989 - 01 - 01以前。我国矿区的生态恢复开始于20世纪60年代 [37 ] ,由 于没有专门的法律法规、 缺乏相应的技术体系以及资金,以及人们保护生态环境的意识淡 漠,生态恢复基本上是零星、 分散、 小规模和低水平的状况。生态恢复的理论研究也较少,我 国的学者介绍了国外生态恢复的经验,主要译著是露天矿土地复垦 和矿区造地复田中 的矿山测量工作 ,我国第一个正式立项的土地复垦科研课题“ 煤矿塌陷地造地复田综合治 理研究 ” 也是在这一阶段完成表 4 。这一时期的理论和实践为土地复垦规定 的颁布和 实施奠定了基础 [38 ]。 表3 我国采煤塌陷区生态恢复的3个阶段 Table 3 The stages of ecological restoration in sunken areas in China 阶段主要理论和技术 1989 - 01 - 01以前土地平整法、 充填法和挖深垫浅法等工程复垦技术 1989 - 01 - 01～1999 - 01 - 01复垦综合示范工程、 矿区土地复垦灰色决策理论、 土地复垦规定等 1999 - 01 - 01至今全国土地开发整理规划、 中华人民共和国土地管理法第四次修订等 表4 充填复垦技术 Table 4 The filling techniques of land reclamation 措施充填材料案例利弊 煤矸石充填复垦技术煤矸石淮北岱河煤矿消除矸石山、 可能造成二次污染 粉煤灰充填复垦技术粉煤灰淮北杨庄煤矿减少空气污染、 可能造成二次污染 挖深垫浅复垦技术泥土 皖北煤电公司需要挖掘机等大型机械 第二阶段为1989 - 01 - 01～1999 - 01 - 01, 土地复垦规定 实施后,我国的生态恢复 步入了法制轨道,采煤塌陷地的治理在质量和速度上都有了长足的进步,土地复垦规定 对土地复垦的规划、 责权利关系、 资金来源等都作了详细的要求,“ 谁破坏,谁复垦 ” 确立了 治理煤矿塌陷区的主体,“ 谁复垦,谁受益 ” 调动了治理煤矿塌陷区的积极性,对我国的土地 复垦起了很大的促进作用。但是, 土地复垦规定 的许多条款已经不能适应当前的形势, 如对复垦后土地所有权的界定模糊等。1989～1991年,国家土地管理部门先后在河北、 江 苏、 山东等省建立了23个土地复垦试点; 1994年又在江苏铜山、 安徽淮北、 河北唐山创建了 3个复垦综合示范工程。各地土地管理部门和矿区也建立了许多复垦试验示范区,取得了 良好的效果,获得了大量的宝贵经验。主要理论研究成果如下矿区土地复垦的效益和程 序模式 [39 ] ;矿区土地复垦规划的理论和方法 [40 ] ;矿区生态重建的概念和尺度 [41 ] ;开采塌陷 对耕地的破坏机理研究 [42] ;土地复垦政策 [43 ] ;矿区重构土壤的评价方法 [44 ] ;矿区土地复垦 灰色决策理论 [45 ] ;矿区土地复垦界面、 复垦土壤生产力指数的修正模型 [46 ]等。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 616 自 然 资 源 学 报24卷 第三阶段为1999 - 01 - 01至今。土地开发整理规划标准出台,土地复垦规划的突出成 果是国土资源部颁布了 全国土地开发整理规划 、 土地开发整理规划编制规程 、 土地开 发整理项目规划设计规范 。当然这些规划不是针对矿区土地复垦的,但它吸收了矿区土 地复垦规划的理论成果,也适用于矿区土地复垦。2001年,国务院颁布了 全国生态环境保护 纲要 ,提出了维护国家生态环境安全的目标。这一阶段划分的主要标志是1999年1月1日 生效的 中华人民共和国土地管理法 第四次修订。新土地管理法进一步加大了耕地保护 力度,实行了土地用途管制制度、 耕地补偿制度即“ 占多少、 垦多少 ” 和基本农田保护制度,提出 了耕地总量动态平衡的战略目标。新土地管理法还对土地开发复垦进行了专门的规定,“ 因挖 损、 塌陷、 压占等造成土地破坏,能够复垦的,用地单位和个人应该按照国家有关规定负责复 垦;没有能力复垦或者复垦不符合要求的,应当缴纳土地复垦费,专项用于土地复垦。复垦的 土地应当优先用于农业。 ” 新土地管理法的贯彻实施,极大地推动了我国土地复垦的发展。 3 采煤塌陷地生态恢复的研究展望 经过几十年的摸索,我国采煤塌陷地的生态恢复既有成功的经验,也有失败的教训,总 结国内外的理论和实践,我国的生态恢复在很多方面还亟待加强。 第一,实现法律、 法规和政策的创新。总结经验教训,尽快完善、 制定新的土地复垦的法 律,约束采煤对土地的破坏,要求企业对塌陷地必须进行复垦 [47 ] ;成立专门的生态恢复企 业,使生态恢复实现专门化、 产业化;煤炭开采集中的地区要成立专门的政府机构,协调、 管 理并监督当地的采煤企业做好塌陷地的生态恢复;探索新的征地模式,理顺产权,淮北矿区在 这方面的做法较好,企业征地时,只拥有土地的塌陷权,然后政府牵头,企业出资,把塌陷地治 理成可以利用的土地,再交给当地农民耕种。这样有效缓解了农民和企业、 政府之间的矛盾, 稳定了社会秩序,也降低了企业的征地成本,使农民、 企业和政府都获利,成为三赢的局面。 采煤塌陷地生态恢复的核心,是恢复被损毁土地的生产力,产生经济效益,或者是恢复 被损毁土地的生态系统,产生生态效益。对于以生态效益为主的生态恢复,政府应该在政策 上支持,加大资金的投入,进一步调动企业和农民治理采煤塌陷区的积极性。 第二,贯彻生态优先、 兼顾经济的原则。要正确处理好生态发展与经济发展的关系,恢 复与重建应以生态保育和增加自然资本为前提。当生态发展与经济发展、 生态建设与经济 利益、 生态效益与经济效益发生冲突时,以生态发展、 生态建设、 生态效益优先。只有确立了 生态优先原则,才能保证失衡生态 经济系统的恢复和重建,保证生态 经济系统的再发展 过程。在恢复和重建过程中,只考虑生态上的恢复,而不考虑经济上的重建,很难为利益主 体所接受,若不考虑经济利益,群众没有积极性,生态 经济系统的恢复和重建难以成功,生 态的失衡和利益的失衡关系密切。在优先考虑生态原则的前提下,应该兼顾经济学原则,考 虑利益主体的经济发展愿望和现实,兼顾经济效益 [48 ]。生态恢复就是生态目标和社会、 经 济目标之间的桥梁。我国的煤炭产量95来自于井下开采,生态恢复的对象主要是采煤塌 陷地,由于人多地少,强调土地的最终利用方向为农业用地,特别是耕地,然而恢复为耕地代 价高、 周期长。目前,我国土地复垦率仅为12 ,安徽省淮北市作为我国最早的土地复垦示 范区之一,土地复垦率为50 ,都远低于发达国家的水平。因此,我国的生态恢复应分阶段 实施,必须综合分析研究塌陷区气候、 地貌、 生物等多种自然因素和经济区位、 人口、 社会经 济条件、 种植习惯等多种社会经济因素。生态系统的恢复要和地方经济发展相结合,否则, 生态系统的恢复也难以为续。另一方面,地方经济的发展、 社会的进步也会促进生态系统的 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4期刘 飞等采煤塌陷区的生态恢复研究进展617 恢复,从而实现和维持生态系统的功能和服务。 第三,生态恢复和采煤工艺相结合。把采煤技术和生态恢复结合起来,不仅重视采煤后 的生态恢复,更要在采煤前对土地的破坏进行预测、 在采煤中减少对土地的损毁,做到在发 展经济的同时,将对环境的破坏降到最低。 第四,确立适宜的目标生态系统。应该确定不同的恢复目标,宜耕则耕,宜林则林,宜牧 则牧,宜渔则渔,宜建则建。生态恢复的最终目标是实现区域的可持续发展,是生态目标、 经 济目标、 社会目标的三维统一,即在恢复生态系统的结构和功能的同时,实现社会和经济的 良性发展。 第五,加强塌陷区生态恢复技术研究。生态恢复研究是生态学、 土壤学、 气候学等多个 学科的一个交叉点,应用性很强,在未来的研究中必须加强综合研究和定量化研究。把 “3S” 技术、 采矿技术、 土壤重构技术、 微生物复垦技术、 景观重塑技术、 植被恢复技术、 废弃 物资源化与无害化技术等结合起来。 “3S” 技术即遥感RS、 地理信息系统GIS、 全球定 位系统GPS的应用越来越广泛,并正在向集成化、 一体化、 网络化的方向发展。目前, “3S” 技术在采煤塌陷区的应用还很少,应该是今后研究的重点,特别是卫星遥感具有实时、 动态、 快速等优点,在塌陷地的预测、 预防和治理等方面大有可为。 第六,采煤塌陷地生态恢复的主要发展方向是现代生态农业。生态农业复垦是根据生 态学和生态经济学原理,应用土地复垦工程技术和生态技术,通过合理配置农业植物、 动物、 微生物等,进行立体种植、 养殖和加工业复垦。较典型的是塌陷区水陆交换互补的物质循环 类型,该类型是充分利用塌陷区形成积水的特点,根据鱼类等各种水生生物的生活规律和食 性以及在水中所处的生态位,按照生态学的食物链原理进行合理组合,实现农 渔 禽 畜 综合经营的生态农业类型。系统中的农作物和青饲料,可作为畜牧生产中鸡、 鸭、 猪、 牛等养 殖动物的饲料;畜牧业生产中的粪便废弃物,可作为养鱼或其他水产养殖的饵料,并可直接 施入农田,经微生物分解而成为农作物或饲料作物的肥料,鱼池中的塘泥亦可作为农作物的 肥料;食用菌生产中的菌渣及培养床的废弃物,可作为禽畜动物、 鱼类的饲料添加剂以及作 为农田作物的肥料,由此形成多级循环利用。生态农业复垦集旅游、 观光、 娱乐、 文化等一 体,为都市人口体验田园风光和休闲娱乐提供了空间,失地农民在获得良好经济效益的同 时,也保护了生态环境,从而促进采煤塌陷地区经济的转型。 参考文献 References [1] Lubchenco J, Olson A M, BrubakerL B,et al. 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