采矿废弃地的生态恢复与可持续景观设计

2007年4月13日出版:《生态学报》2004(2):323-329作者:刘海龙浏览:4461关键字:采矿废弃地；生态恢复；可持续利用；景观设计采矿废弃地是剧烈人为干扰下的一种特殊景观类型，其生态系统结构与功能退化严重，同时破坏了其使用功能和美学价值。通过生态恢复和重建促使采矿废弃地的生态和经济价值再生，并通过景观设计进行重新利用和赋予新的美学价值，对区域生态系统的健康、地方经济可持续发展以及人民的生活水平具有十分重要的意义。本文通过分析采矿废弃地的景观生态特征和环境影响，对生态恢复与重建的各种工程与生物措施以及可持续利用途径进行综述，并通过介绍和分析了国内外一些案例，进而对采矿废弃地景观设计的基本原则进行总结。人地矛盾是可持续发展的一个核心问题。土地资源的有限与人类的爆炸式增长会制约社会、经济和生态环境的可持续。退化景观如矿山和废弃工业用地（Brownfield）浪费了大量土地资源，并带来一系列生态环境问题。作为通过设计来协调人与自然关系的学科，景观设计学对退化景观的可持续利用研究具有现实意义。美国景观设计师协会（ASLA，AmericanSocietyofLandscapeArchitects）和欧洲景观教育大学联合会（ECLAS，EuropeanFoundationforLandscapeArchitecture）等专业组织都在其宗旨中强调景观设计的工作范围包括对退化景观和废弃土地的恢复。澳大利亚景观设计学协会（AILA，AustraliaInstituteofLandscapeArchitects）更是强调要应用生态可持续设计来修复矿山等受干扰用地[1～3]。同时，对退化景观的恢复与设计可以产生新的美学和对美感新的理解[4]。因此，对采矿废弃地进行生态恢复与重建，进而通过景观设计而变废为宝，恢复其利用价值，服务于人类，是具有巨大现实和研究意义的。1采矿废弃地的景观生态特征与环境影响1.1采矿废弃地的景观生态特征从景观生态学来讲，采矿地是剧烈人为干扰下的一种特殊景观类型，是人类为获得矿产资源而对土地进行剧烈改造的区域[5，6]。采矿废弃地的形成就是因为采矿活动破坏和占用了土地，并且非经治理而无法使用。在开采前后，采矿地会表现出十分不同的景观。采矿之前，当地生态系统通过生物之间、生物与环境之间的相互作用和系统内的自我组织、自我调整过程达到了相对稳定状态，具有正常的生产功能和保护功能[7]。而开采后景观的稳定性往往会被破坏，景观的改变超出了自然系统的调节和物种的适应能力。因此采矿废弃地具有如下特征：1.1.1景观异质性增强采矿废弃地表现出比采矿前更大的。采矿活动实际上就是将原来较为均质的景观进行异质化的过程。开采后的采矿地往往包括采矿点、尾矿、堆场、排土场、采空区、塌陷地等景观类型和厂房、矿井、采掘设施以及道路、水渠、积水坑等景观要素，具有斑块、廊道和基质的典型镶嵌格局特征。1.1.2稳定性被破坏强烈的干扰会超出了当地景观生态系统本身的自我恢复能力，破坏了原有景观的稳定性。干扰直接或间接导致生态系统的退化，其最明显的标志是生态系统生产力降低、生物多样性减少或丧失、土壤养分维持能力和物质循环效率降低以及外来物种入侵和非乡土固有种优势度的增加等[8,9]。随着干扰加剧，生态系统自身的生态平衡会受到破坏。1.1.3生态过程受到影响同时由于采矿地及其周边环境是一个完整的生态系统，采矿活动势必会影响到区域生态格局与各种生态过程，如水的过程、物种迁徙的过程，并且造成污染扩散。1.2采矿废弃地的环境影响1.2.1景观碎裂化景观的退化从形式上可分为景观结构退化和功能退化。结构退化指景观中各生态系统之间的各种功能联系断裂或连接度减少的现象；而功能退化指由于景观异质性的改变而导致稳定性和服务功能的衰退现象[10]。采矿活动包括露天开采和地下开采都会造成地表景观的改变。露天开采剥离表土，挖损土地，破坏地被，以及堆放尾矿、煤矸石、粉煤灰和冶炼渣，地下开采造成采空区，引发地面塌陷，造成地面建筑、管道、道路、桥梁等设施变形及破坏。土地面貌变得千疮百孔、支离破碎，直接影响景观的环境服务功能。2.2.2污染及扩散采矿活动会对周边地区环境带来严重的污染，污染源主要包括露天堆放的矿产品与废弃物，开采产生的矿井废水和有毒矿物元素等。露天堆放的矿产品与废弃物易发生氧化、风化和自燃，大量如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等有害气体及矿物灰尘会威胁人体健康，影响空气质量，污染周围环境。同时，采矿过程中排出的矿井废水中含有大量的悬浮物和污染物质，由于利用率较低，大部分会直接排入环境，导致地下水、土壤的质量下降。而露天堆放的矿物经雨水淋溶，地表水冲刷以及人为的洗煤会污染水系，形成浊流。同时有毒矿物元素会存在于尾料中，随废弃物堆放会加剧土壤的污染和退化，对植物的生长产生不利作用[11]。2.2.3破坏水的过程采矿破坏植被，造成水分涵养下降，破坏了地表径流的下渗过程。同时地下开采会改变地下水流的方向，严重会使河溪断流[12]。同时河流作为水的运输通道，在矿区往往被作为废水排放的直接途径，河床常当作堆场阻碍行洪。而河岸植被带，如河岸防护林、乡土水生和湿生植物群落起着涵养水分、提供生境的作用，但往往在固化处理中被破坏，直接影响河流的生态效应的发挥。2.2.4破坏生物栖息生境，生物多样性降低采矿活动破坏了一些地区的原生生境，如作为物种源的大型植被破碎为一些小型的残遗斑块，影响作为跳板（SteppingStone）的林地斑块的功能发挥，造成生物迁徙受到阻隔。乡土植物群落并且受到破坏，植被急剧发生向下的演替过程。这些都直接影响了内部物种的数量和质量，造成野生物种如鸟类栖息数量和种类的减少，多样性降低。2.2.5诱发灾害地表植被的破坏，水系的紊乱以及采空区的形成会加剧水土流失，带来极具破坏力的灾害，如泥石流和山洪暴发，更严重可能会加速荒漠化。据消息，人为的破坏尤其是矿山及矿石运输是形成沙尘暴的重要因素之一，同时采矿地裸露地面也是产生沙尘流动源的帮凶。如北京房山区地处首都西部，被称为北京市“五大风口”之一，但由于采矿活动十分严重，因此作为西部生态屏障的一部分，其生态恢复和建设意义重大[13]。2采矿废弃地的生态恢复与重建2.1概念在英文中，restoration，reclamation和rehabilitation都有恢复的意思。英国利物浦大学A.D.Bradshaw教授认为restoration指恢复到原来的状态，包含有未损害和完美的状态的意思，rehabilitation仅仅指部分恢复，而reclamation指恢复到一种新的状态，但结构或功能都不同于原来，比如发展耕种[11]。而reconstruction是指根据目前的环境特点，人为地设计一个与环境相适应的生态系统[14]。因此这种方法是比较现实与可行的。作为退化景观的一种，采矿废弃地可持续发展利用应首先修复由于采矿活动而带来的对生态系统的破坏及重建退化景观。美国生态重建学会将生态重建(恢复)定义为将人类所破坏的生态系统恢复成具生物多样性和动态平衡的本地生态系统(indigenousecosystem)，其实质是将人为破坏的区域环境恢复或重建成一个与当地自然界相和谐的生态系统。还有人认为采矿废弃地生态重建就是使之具有某种形式和一定水平的生产力，维持相对稳定的生态平衡，且与周围景观价值相协调，最终达到生态整体性的目标。可见，采矿废弃地的生态恢复与重建的核心在于恢复生态系统的结构和功能，进而提高生态系统生产力和稳定性。因此，通过工程技术和生物技术等措施进行生态恢复与重建，使之恢复到可以再利用的状态，是采矿废弃地可持续景观设计的基础。2.2措施2.2.1毒性处理与污染治理A.D.Bradshaw认为毒性问题是采矿地恢复最难处理的问题，自然方法只能在污染还不是很严重的情况下采用。其他方法包括或者种植非生产性的耐酸性植被，或者通过使用石灰石覆盖来消除酸性。重金属矿的残余金属物质会存在于大多数废弃物中，自然方法难以消除，但是可以用有机的方法即通过种植植物来吸收和降低毒性。针对剧毒废物，唯一的途径就是用无毒物质进行覆盖，建立环境隔离区。对于有毒和无毒物质的混杂，Bradshaw认为对毒性的鉴别和处理应该是生态恢复的第一步工作[11]。对矿山环境的污染治理研究已有许多较为成熟的措施，但采用何种措施要根据实际的问题与需要。采矿固体废弃物的堆放目前主要采取生物技术来处理。即通过播撒有机合成肥料，促使土壤微生物开始生长并增强生命力，再种植适生植物，恢复植被[15，16]。针对采矿废弃物的粉尘污染可进行一定的遮蔽。矿井废水的处理可采取工程措施和生态技术结合的方法。包括拦截地表水，阻止地表径流流入采矿场，从而减少废水的补给量；封闭各种废弃矿井巷道，以隔绝空气减少氧化作用，排除生成酸性水的各种条件。可以通过利用微生物来将废水中的矿物成分中和或除去；选择有利于生物种群生长和固着的湿地基质，种植耐受酸性水污染的植物去除废水中的矿物离子[17]。同时，针对采矿地的径流与水系，通过设置雨污分流系统和污水处理系统，改造并修复河道为自然形式来处理污染，恢复水的自然过程。2.2.2基质改良采矿地中如磷、钾、镁和钙等营养元素的缺乏难以由自然过程所恢复，或者需要很长的一个时间，必须通过人为方式来恢复[11]。作为植物生长的基质，必须对土壤进行改良，这是生态恢复与重建的关键。针对采矿地上的土壤状况，可以直接改良或者新覆土再进行改良。用于改良废弃地的材料极其广泛，如表土、化学肥料、有机废弃物、绿肥、固氮植物及作物的秸秆等[18]。而采取“以废治废”的方法具有很好的生态效益和社会效益。污水污泥、生活垃圾、泥碳及动物粪便含有大量的有机质，释放缓慢，可缓解金属离子毒性和提高基质的持水保肥能力，以一定比例施用能有效提高矿山废弃地的有机质含量和改变其结构性能。但由于这种方法促进了植物对基质中重金属的吸收，改良的废弃地不适于作为农业用地。长期的改良必须依靠植物。利用固氮植物和菌根植物改良废弃地是经济效益与生态效益俱佳的方[11，18，19]。同时，采矿地土壤由于机械受压会结构受损而板结，可以通过松土，切割或软化（rippingandscarifying）等措施来处理，或通过植被根部的生长、营养物质的聚集和微生物活动来阻止土壤重新板结[11]。2.2.3植被恢复矿区的表土和植被往往被破坏的面目全非，整体的生态系统受到损害。短期内采矿地植被恢复的主要目标是控制水土流失，减少灾害，且对保护土壤防止侵蚀、促使形成良好的微粒及聚集营养等起到重要的作用[11，15，16]。生态系统的恢复可以通过自然的过程来实现，即通过生态演替。这一自然恢复过程在破坏不是很剧烈的情况下会发挥作用，有时会比人们所预期的时间要长的多。自然演替一般大约需要50-100年时间来在采矿废弃地上恢复一个满意的植被覆盖[11]。英国南约克郡的匹克国家公园（thePeakNationalPark）应用生态演替方式进行破坏景观的恢复，通过种植慢生地方草种代替种植速生但抵抗力低的农业草种，很好的适应了因为开矿而质量下降的土壤。植被在自然状态下会向上演替，而在人为不利干扰下则向下演替。如果停止人为干扰，封山育林，植被就会发生长期的、缓慢的向上演替，而向下演替过程往往是快速的。利用乡土植物来恢复植被群落十分重要。通过观察什么样的植物在废弃地最先自然的生长出来，而不是人工引种的，可以合理选择植物种类。尤其那些在矿业废弃地上自然定居的植物能适应极端条件，具有很强的忍耐性和可塑性，与栽培植物组成多层次的植物群落，可以形成多结构的生态系统，应该作为优先考虑的植物[14～16]。往往采矿业关闭之后，恢复需要以低成本和有效的方式来进行，因此利用自然演替是较为可行的途径。2.2.4工程安全处理采矿废弃地往往形成一定的地下采空区，易造成地面陷落和裂缝，严重会引发坍塌等灾害事故，因此对于潜在的采矿地安全隐患要通过工程处理来减少事故和灾害爆发的几率。一些露天作业的矿山开采多为下挖式开采，采掘面近乎直立，挖开的山岩遇强降水会造成解体，加大了滑坡