关闭/废弃煤矿的生态修复研究进展及展望

关闭/废弃煤矿因其遗留的自然资源和社会资源仍有巨大的开发潜力,但其周边区域存在地面沉降、煤矸石污染土壤、地下水污染、水土流失等现象,大量土地资源无法利用、自然本底破坏严重,带来的生态、经济和社会胁迫压力巨大。只有先修复其生态本底,才能进一步利用其土地、工业和旅游资源,促进经济与社会的发展。但在无人工干预条件下,关闭/废弃煤矿生态恢复周期长、见效慢,因此,对关闭/废弃煤矿进行生态修复迫在眉睫。
美国及其他发达国家开展关闭/废弃煤矿治理先于我国。第二次世界大战前美国就已出台相应的政策法规,以强制执行采矿后生态修复,1977年颁布的SMCRA法规更成为他国的学习典范。德国于1979年出台相关法规对废弃煤矿塌陷区、工业区等进行生态治理。英国在二十世纪八十年代经历煤矿关闭浪潮时也颁布了相应的矿区法律,以保证煤矿周边的土地安全。我国从二十世纪八十年代开始重视关闭/废弃煤矿的治理和修复,1989年国务院颁布《土地复垦规定》标志着我国矿区生态修复工作正式走上法制轨道。1998年国家颁布《土地管理法》后生态修复逐渐成为工作热点。2006年原国土资源部发布《关于加强生产建设项目土地复垦管理工作的通知》标志着矿区开采用地审批正式加入生态修复方案审查。2015年原国土资源部颁发《历史遗留工矿废弃地复垦利用试点管理办法》将工矿废弃地纳入城市新增用地范围,标志着关闭/废弃煤矿综合利用适应城市发展的开始。2019年自然资源部发布的《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》中提到加快矿山生态修复,并对各地区重点工程进行意见指导,标志着我国关闭/废弃煤矿的顶层规划已经形成。
随着科技进步全球范围内关闭/废弃煤矿生态修复在生态修复技术、评价方法、规划研究、区域性研究等方面均有长足发展和进步,为全球产业转型和可持续发展提供了理论支撑和实践经验,以下从关闭/废弃煤矿生态修复技术、评价方法、规划研究、区域性研究四个方面进行详述。


01

关闭/废弃煤矿生态修复技术
关闭/废弃煤矿生态修复技术分为生物、土壤重构和景观重建技术,特点见表1。
表1  各类生态修复技术比较

1.1 生物技术

相较于传统的物理手段、化学手段,生物技术对矿区土壤的负面影响更小,恢复周期更长,包括利用微生物、土壤动物和先锋物种修复。微生物修复特点和适用范围见表1。国内以毕银丽等为代表,以丛枝菌根真菌、硫杆菌、大豆根瘤菌等作为主要修复介质,在微生物改良土壤基质,促进农作物和先锋植物生长等方面进行大量研究。土壤动物方面,蚯蚓作为分解者可疏松土壤、增加土壤肥力、吸收和转化重金属元素。利用先锋植物也是生物技术修复手段之一,可通过植物长度、覆盖率、蒸腾速率和叶面色素含量与矿区修复速率间的相关性筛选先锋植物,构建关闭/废弃煤矿土壤种子库,再通过覆土种植、无覆土种植、抗旱种植等植被快速恢复技术实现生态修复。

1.2 土壤重构

土壤重构修复主要包括物理、化学和物化-生物综合三种技术,通过改善土壤理化性质将土壤恢复至适宜植被生长的状态,各技术的修复特点和适用范围见表1。物理修复技术涵盖充填法、换土法、客土法和深耕翻土法等,但因其局限性并未得到广泛应用。化学修复技术包括化学改良剂法、化学淋洗法等。常用的改良剂法包括生石灰、工业废料等,而铝基和铁基化学混合物(WTRs)作为新型改良剂中和酸性土壤的同时还可提取酸性废水中的重金属。物化-生物综合技术更为复杂,适宜实施在实际恢复工程中,如先用客土覆盖压实土壤,引用竞争力低的外来先锋植物,最后引入早期演替树种和商业树种联合恢复的林业开垦方法(FRA);通过填土、复田、造林复合方式对采煤塌陷区进行恢复;将煤矿入侵物种与煤矿渣制备成生物炭以增加土壤肥力等。

1.3 景观重建

作为最早在我国推广的废弃煤矿生态修复技术手段,景观重建初期的表现形式为大规模植树造林,与景观生态学理念融合后,以恢复景观(矿山、湿地公园等)为导向,形成了以徐州潘安湖湿地公园、唐山开滦煤矿国家矿山公园等为代表的景观重建手段,其特点见表1,可采取工程治理方法,将地形、汇储水、场地设计和植被恢复相结合,形成景观-产业-旅游相结合的示范区。景观重建与生物技术中的先锋物种修复易混淆,表2对二者进行了比较。
表2 先锋物种修复和景观重建比较

02

关闭/废弃煤矿生态修复评价方法
生态修复评价的常用方法可分为四类:物种多样性、土壤理化性质、综合体系评估、遥感技术评估,见表3。此外,景观格局指数网络、径流大小及其沉积物、有蹄类动物数量和分布、有机碳储存量变化等也可作为评价生态修复效果的指标。
表3  生态修复评价常用方法

2.1 生物多样性评价

关闭/废弃煤矿修复后生物多样性越高表明修复效果越好,生物多样性评估可分为植物多样性、动物多样性和微生物多样性评估。在植物多样性评估方面,植被构成比例用于评价西班牙多个煤矿区、美国阿巴拉契亚煤矿区、捷克西北部的褐煤矿区、匈牙利、捷克和德国联合煤矿生态恢复效果。在土壤动物多样性评估方面,土壤节肢动物用于对捷克不同修复年限煤矿和德国东部露天煤矿生态修复效果的评价,研究结果发现土壤节肢物种的丰富度与生态恢复时间正相关。微生物多样性评估可以分为微生物群落的总质量(size)、种群多样性(composition)和利用微生物代谢产生的物质(activity)三类。可通过测度丛枝菌根群落(AMF)数量对废弃煤矿生态修复质量进行评估,但持续周期性测量是此类评估的主要困难。可在恢复初期保留周围环境生物及生态自修复区域,以减少修复支出并维护生物多样性。

2.2 土壤理化性质

土壤理化性质评估涵盖土壤的有机质(有机碳)含量、重金属含量、厚度、密度、pH值、氮含量、磷含量和钾含量等。综合所有土壤理化性质指标对关闭/废弃煤矿进行评估的研究较少,多数研究至选择其中几个指标。简单指标方面,从土壤碳汇能力入手可评价矿区修复效果;土壤有机质含量用于评价印度中央煤田Karanpura露天煤矿、美国阿巴拉契亚等地区的煤矿生态恢复质量;土壤重金属含量用于评价淮南市大通区关闭/废弃煤矿生态恢复质量。多指标评价方面,有研究利用土壤覆土厚度、有机质、氮、磷和钾对农田复垦效果进行评价;或利用土壤含水量、pH值、重金属含量、植物生长状态等指标构建排土场修复效果评价体系,以对不同基质土壤进行修复对比研究;亦或将多指标作为不同年限下露天煤矿生态修复程度的评价标准,相关研究结论表明土壤指标评价已大量应用于不同区域废弃煤矿生态修复效果评价之中。

2.3 遥感技术评价

生态修复增加的植被、水体具有降温效应,故可通过废弃煤矿周围植被、温度的变化评价生态修复效果。通过处理遥感影像得到归一化差异指数,对不同年份废弃矿区植被、水体、煤矿等面积变化进行比较。归一化差异指数具有准确率高、操作相对简单、评价周期短等特点,通过融合不同遥感波段,适用于大面积废弃煤矿生态修复评估。传统归一化指数评价过程指利用归一化植被指数(NDVI)和归一化水体指数(NDWI)对废弃煤矿进行修复评价,相较于其他指标来说应用更为成熟。传统方法对排土场、开采面等无法实现直观描述,新型评价方法应运而生,包括用来识别复垦效果构建的排土场复垦干扰指数,用来识别煤矿开采面积的归一化煤矿指数等。除单一遥感技术外,也可与景观生态学、人工智能等方向融合,例如采用遥感监督分类识别和景观格局指数相结合的方法,分别对徐州市九里区煤矿和平朔露天煤矿20年和30年跨度的废弃煤矿区进行修复效果评价;也可运用人工智能中支持向量机方法对煤矿内水体进行识别,以评估煤矿开采对周围水体的影响。遥感技术评估手段作为前期门槛较高的技术,现如今已在废弃煤矿生态修复研究中得到广泛应用,成为提高生产力与缩短评价周期的方法之一。

2.4 综合体系评价

废弃煤矿作为受损的“社会-经济-自然”复合生态系统,在生态修复过程中存在社会、经济和自然之间复杂的耦合关系,因此在对自然环境进行改善的过程中经济与社会条件会同时改善。综上,不仅可以从自然环境角度进行废弃煤矿生态修复评估,也可结合修复后带来的社会或经济效益综合评价,如构建关闭/废弃煤矿生态、经济和社会的综合评价方法,也可构建生态、经济、社会效益修复综合效益评价模型。其中,经济效益可以从减少水土流失土方量、减少泥沙淤积工程量、农产品价值量和生态系统服务价值等方面考虑;社会效益可以从就业机会、产业链等方面进行评价。由于社会、经济、自然的复杂耦合关系,生态修复与其带来的经济和社会效益之间难以进行相关性研究,故相较于通过自然指标评价研究,此类研究相对较少。

03

关闭/废弃煤矿生态修复规划

3.1 局地型关闭/废弃煤矿生态修复规划

废弃煤矿生态修复规划研究特点见表4。初期理论还包括根据矿区类别和规划目标提出的整体性、综合性等规划原则,应用在晋城侯甲煤矿区、大同同忻煤矿区等;案例除确定功能分区外,也可利用层次分析等方法明确复垦目标导向,以确定某类用地为最终生态修复目标。例如王如松等针对济南煤矿塌陷区治理空间布局,将区域规划为生态恢复核心区、生态恢复缓冲区、生态旅游开发区、城市农业复合功能区;胡振琪等将煤矿待修复区经过修复适宜性评价后分为生态建设区、生态维持区和生态保护区。在此之后,为适应新时代的发展,废弃煤矿生态修复规划理论与国土空间规划体系进行深度融合,在市、县级国土空间规划体系下构建生态修复专项规划,规划实践也进一步以“综合利用”为导向进行考虑,如以景观再生为基础、以公园为恢复目标的平顶山市平煤七矿关闭/废弃煤矿生态修复规划实践;运用“朴门”设计理念、旅游功能分区的铜川市王石凹关闭/废弃煤矿生态修复规划实践;将关闭/废弃煤矿恢复成体育场地的规划设计研究等。由于区域间的异质性等困难,上述研究都是以点或线的视角从单个、多个局地关闭/废弃煤矿进行规划研究,以面的视域开展的大尺度生态修复规划极少出现,在新时代发展背景下不能满足我国目前国土空间规划体系建设要求,从一定程度上反映出建立大尺度关闭煤矿区生态修复规划的必要性。
表4  关闭/废弃煤矿生态修复规划特点

3.2 区域型关闭/废弃煤矿生态修复工程

区域型关闭/废弃煤矿生态修复工程是在总结归类单个、多个局地矿区生态修复研究成果的基础上,整合生态修复同质区域,构建适宜省域、流域、国家等大尺度的生态修复体系,与局地型生态修复规划研究有明显的差异,见表5。21世纪初,已有学者探讨河南省、山西省构建生态修复补偿机制和技术体系的可能性,并提出需要评估废弃矿区土地受损、大气污染和水污染等情况。早期除生态修复补偿机制研究外,也有学者从技术角度提出因大多东部修复技术无法适用于西部,故需对国内东西部煤矿进行区分,实施差异化治理;北方露天关闭/废弃煤矿的生态修复技术则需从植物选配、影响恢复因子等方面考虑。上述研究说明早期因废弃煤矿生态环境破坏类型多、数量大、情况复杂等原因,国内大尺度体系构建存在困难,适宜全域发展的弹性废弃煤矿生态修复策略尚待完善。基于此,有学者提出需要借鉴美国煤矿生态修复的管理流程、案例、法律等,构建适宜国内煤矿生态修复的“师法自然生态修复法”。近五年来相关研究逐渐增多,黑龙江省、浙江省关闭/废弃煤矿研究中逐步完善政府主导监督的基本修复模式,在平衡多方利益需求条件下形成具有地方特色、相对健全的政策法规与制度。不同省域不同修复模式在一定程度上解决了全域技术难题,但不适用于跨省域综合治理,更难与国土空间生态修复体系接轨。因此,彭苏萍等将黄河流域周边九大煤炭基地进行统筹考虑,从石嘴山市出发点,以泰安市为结束点,将沿途上游、中上游和下游分为黄土地、风沙地和冲积平原地带,依现状、分区域进行总体规划,将被动的复垦治理变为主动的生态修复。除流域分区外,也可依据国内发展状况提出差异化修复战略等煤炭绿色发展顶层设计理念,在东部高潜水位地区、蒙东草原区、晋陕蒙地区和西南山地地区采取不同的修复措施。
表5  局地型生态修复规划、区域型生态修复工程异同

04

结论与展望

4.1 结论

1) 国内外关闭/废弃煤矿生态修复研究特征不尽相同,见表6。国外区域型生态修复规划研究相对较少,一方面可能因为发达国家开展煤矿治理时间较早,剩余需要治理的矿区数量不多;另一方面可能因为发达国家的区域及法律限制等原因。
表6  国内外特征异同
2) 关闭/废弃煤矿生态修复研究大多方向已成熟化、热点化,多数技术与评价方法已得到广泛应用。
3) 关闭/废弃煤矿生态修复规划已成为国土空间生态修复规划的重要组成部分,即在规划“一张图”下完成全域全要素的生态修复,故此,大尺度范围内的生态修复规划必将成为国土空间生态修复规划的重要组成部分和未来的研究热点。

4.2 展望

4.2.1 从技术到综合:整合现有技术,构建综合利用体系
生态修复技术从上世纪发展至今已经趋于成熟,多名学者出版专著系统介绍各地矿山生态修复技术、理论与方法。但生态修复宜采取差异化修复策略,对于离城区较远的关闭/废弃煤矿,因人流较少和交通不便等原因,建议进行基础生态修复,即不对周围环境产生不利影响;对于离市区较近的关闭/废弃煤矿,因交通可达性高、周围配套设施相对完善,可为城市提供更多服务功能,而此时的生态修复应依照未来服务功能进行目标制定,可根据地理位置、人流大小、周边配套等进行综合考虑,如通过构建工业遗产旅游模式、工业遗产体育休闲模式,或通过构建地下煤矿区特色住宿、博物馆和监狱等方式形成以煤矿区为特点、以不同综合利用方式为驱动力的经济产业链。
4.2.2 从局部到整体:顶层设计带动全域发展
生态修复的最终目的是提升人居环境质量,促进经济的可持续发展。通过科学合理的生态修复顶层设计,设立切实可行的恢复制度,以土壤、植被、景观等为恢复对象,制定符合生态学原理的恢复措施,才能从真正意义上完成全域范围内的全要素生态修复,实现“上行下效”“有法可依”的生态修复格局。在国土空间体系规划尚在完善的今天,应构建类似长江珠三角都市圈规划、粤港澳大湾区发展规划的区域型国土空间煤矿修复专项生态规划,在鄂尔多斯市、石嘴山市、包头市等周边煤矿城市形成经济发展带,推动生态修复的全域发展,打造利用生态集聚效应发挥经济效益的城市群。借鉴如徐州市潘安湖等成功案例,将原有的资源型城市在未来成功转型为带有“矿区”特色的生态型城市,使生态修复成为造福后代的“千秋工程”。
4.2.3 从单一到融合:多学科交叉形成全要素治理
关闭/废弃煤矿生态修复对象包括地形地貌、水体、土壤、植被等多个对象,研究所需要的学科背景不尽相同,因此需要采矿学、生态学、植物学、林学、土壤学、测绘等多个学科理论深度融合、各部门实践通力合作才能尽可能地将生态修复全要素纳入考虑范围之内,恢复重建矿区生态系统,进一步提升生态修复效果。因此,未来需要大量复合型人才将不同学科领域的知识在矿区生态修复层面进行整合、创新,以落实全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划,为实现生态文明建设提供持续的人才保障。
4.2.4 从理论推测到精准预测:新手段新技术持续发展
煤炭开采以地表破坏为主要特征,对生态环境造成巨大损伤,因此关闭/废弃煤矿的生态修复多是建立在土地复垦基础之上,其土壤质量亟待改善,生物群落结构亟待重构,自然环境本底亟待恢复。但由于恢复功能利用的不同,所需要恢复的植被类型也不尽相同。如若目标恢复成耕地,则只需矿区生态系统演替至草地即可;若目标恢复成矿山公园,则需恢复其内的乔灌草结构。但目前生态恢复的数值模拟方法还无法准确预测适用于国土空间规划的关闭/废弃煤矿生态恢复目标与先锋物种,迫切需要深度结合大数据、人工智能、移动物联网与云计算等新技术与绿色矿山、边采边复等新手段,形成综合多方面要素考虑的关闭/废弃煤矿修复目标导向与策略,进一步完善国土空间规划体系,从而更好地为人类福祉做贡献。

出版信息

第一作者简介
陶贵鑫(1997-),男,硕士研究生,主要研究方向为国土空间规划、矿区生态恢复规划。 位:中国矿业大学建筑与设计学院。

通讯作者简介
周宏轩(1984-),男,汉族,河北唐山人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事矿区生态恢复规划、生态城市规划与设计方面的科研工作。单位中国矿业大学建筑与设计学院。

引用格式
陶贵鑫,周宏轩,孙婧,等.关闭/废弃煤矿的生态修复研究进展及展望[J].中国矿业,2021,30(5):10-19.
TAO Guixin,ZHOU Hongxuan,SUN Jing,et al.

Research process and trends of ecological restoration of abandoned/closed coal mines[J]. China Mining Magazine,2021,30(5):10-19.


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