煤礦廢棄地生態(tài)修復(fù)研究
——以濟(jì)南金星郊野公園為例

孫譯遠(yuǎn) 李 成

山東建筑大學(xué) 風(fēng)景園林規(guī)劃研究所 濟(jì)南 250101

隨著當(dāng)今社會(huì)煤炭開(kāi)采的工業(yè)發(fā)展，遺留下許多生態(tài)退化、土地塌陷的煤礦廢棄地。越來(lái)越多的煤礦廢棄地進(jìn)入到城市規(guī)劃范圍內(nèi)，景觀與生態(tài)安全受到了極大挑戰(zhàn)，種種環(huán)境問(wèn)題都直接或間接地影響了市民正常的生產(chǎn)與生活。本文將對(duì)煤礦廢棄地生態(tài)修復(fù)的內(nèi)涵以及方法措施的理論研究成果應(yīng)用于金星煤礦廢棄地的實(shí)際案例中，以期通過(guò)修建郊野公園以改善周邊環(huán)境。

1 廢棄地生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)(ESA)對(duì)“生態(tài)修復(fù)”的解釋為：“生態(tài)修復(fù)就是人們有目的地把一個(gè)地方改建成固有的、歷史上的生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程，這一過(guò)程目的是竭力仿效特定生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性及變遷過(guò)程[1]”。其涉及的相關(guān)概念包括生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)重建、生態(tài)改建、生態(tài)改良等[2]。

不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜叶鄬⑸鷳B(tài)修復(fù)現(xiàn)不同的研究對(duì)象結(jié)合在一起，從不同角度持有不同意見(jiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，生態(tài)修復(fù)與水土保持，河道、河流、濕地等自然地物，地域性特色景觀，土壤、植被，棕地等方面相結(jié)合的研究文獻(xiàn)共15 919篇，其中有關(guān)煤礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)研究有88篇。在煤礦廢棄地的研究中，針對(duì)單一污染土壤、水質(zhì)及受損植被的修復(fù)研究占72%，有關(guān)廢棄地景觀的生態(tài)修復(fù)研究較少。其中，趙思宇[3]針對(duì)廢棄地的景觀生態(tài)修復(fù)過(guò)程，認(rèn)為首先應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀基址的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，然后采取針對(duì)土壤、水系統(tǒng)、植物以及生物多樣性的生態(tài)修復(fù)措施，并在重點(diǎn)規(guī)劃利用區(qū)域使用可持續(xù)材料進(jìn)行生態(tài)化設(shè)計(jì)，最終完成對(duì)廢棄地生態(tài)環(huán)境的有效改善；高鐵軍[4]對(duì)唐山南湖公園的淺塌陷區(qū)進(jìn)行非充填生態(tài)復(fù)墾試驗(yàn)研究，主要通過(guò)挖淺墊深和疏導(dǎo)水系，植被修復(fù)以沉降空氣中殘留的粉煤灰，完善農(nóng)田灌溉水利系統(tǒng)，在發(fā)展生態(tài)漁牧業(yè)的同時(shí)，創(chuàng)造供游人游憩觀賞的郊野景觀；張雨曲[5]首先對(duì)安徽大通煤礦廢棄地的植物群落結(jié)構(gòu)以及礦區(qū)的土壤成分進(jìn)行分析，然后針對(duì)沉降坑、排洪蓄水渠、煤矸石堆等不同環(huán)境采取了不同的生態(tài)修復(fù)措施；王如栒[6]以太原西山煤礦廢棄地為例，系統(tǒng)論述了國(guó)內(nèi)外煤礦廢棄地景觀生態(tài)修復(fù)的發(fā)展歷史與實(shí)踐狀況，并在列舉分析多個(gè)國(guó)外案例的基礎(chǔ)上總結(jié)了針對(duì)煤矸石、植物、土壤以及煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)景觀修復(fù)方法。

煤礦廢棄地作為廢棄地的重要類型之一，其土壤污染治理是進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)，水污染是地下開(kāi)采型煤礦廢棄地必然存在的問(wèn)題，植被修復(fù)能夠最大限度地改善土壤、空氣污染狀況。

2 金星煤礦廢棄地現(xiàn)狀概況

2.1 基址概況

金星煤礦廢棄地位于濟(jì)南歷城區(qū)東部，屬于巨野河街道辦事處劉官莊村的全部轄區(qū)，位于中心城東南部的生態(tài)屏障建設(shè)的起步區(qū)域。場(chǎng)地位于濟(jì)南市區(qū)與章丘市區(qū)交接處，與世紀(jì)鮮花港之間有世紀(jì)大道相隔，東側(cè)毗鄰現(xiàn)代林業(yè)示范園與高家莊，西側(cè)緊鄰東徐馬村，內(nèi)有巨野河水系穿過(guò)。廢棄地全部位于煤炭采空塌陷范圍內(nèi)，規(guī)劃建設(shè)用地面積為46 hm2。

2.2 現(xiàn)狀分析

1) 周邊環(huán)境分析。場(chǎng)地基址位于城市上位規(guī)劃中的生態(tài)隔離帶。內(nèi)部形成的采空塌陷區(qū)是由多個(gè)煤礦開(kāi)采場(chǎng)地同時(shí)施工作業(yè)形成的開(kāi)采井巷道塌陷導(dǎo)致。由西蘆煤礦向北部延伸形成了樹(shù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不同程度的地表塌陷。在采空塌陷范圍內(nèi)，除了現(xiàn)已規(guī)劃建設(shè)完成的現(xiàn)代林業(yè)示范園區(qū)以及室內(nèi)溫室大棚形式的國(guó)際鮮花港之外，均為城市非建設(shè)用地。已有的村莊均被劃定為三級(jí)居住用地，即將面臨整改以及拆除，因此形成了大面積的煤礦廢棄地。場(chǎng)地內(nèi)部多為個(gè)人種植的果樹(shù)及其他經(jīng)濟(jì)作物，南部為正在修建的污水處理廠。

2) 現(xiàn)狀高程分析?；穬?nèi)部呈現(xiàn)東南高，西北低的地勢(shì)變化，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差9 m，水深1.5～2 m。

3) 現(xiàn)狀建筑分析。場(chǎng)地內(nèi)部有改造工業(yè)廠房1處，農(nóng)業(yè)管理用房3處，居住用房2處，南側(cè)毗鄰世紀(jì)大道商業(yè)建筑2處。

4) 現(xiàn)狀水系分析。場(chǎng)地內(nèi)部有巨野河穿過(guò)。全長(zhǎng)48.5 km，流域面積260 km2，源于歷城區(qū)西營(yíng)鎮(zhèn)拔槊泉、飲馬泉，流經(jīng)彩石鄉(xiāng)，在鴨旺口注入小清河?；穬?nèi)部位于巨野河中段，水資源豐富，主要水源為民泰煤礦排水，水質(zhì)優(yōu)良，水源穩(wěn)定。

5) 現(xiàn)狀植被分析。場(chǎng)地內(nèi)部主要以經(jīng)濟(jì)作物桃樹(shù)為主，大喬木歐美楊樹(shù)(PopulusL.)為主要綠化樹(shù)種，分布于沿河、溝及道路兩側(cè)。其他樹(shù)種包括國(guó)槐(SophorajaponicaLinn.)、香椿(Toonasinensis)、棗樹(shù)(ZiziphusjujubaMill.)、泡桐(Paulownia.)、苦楝(MeliaazedarachLinn.)、旱柳(Salixmatsudana)、金銀木(Loniceramaackii)。巨野河沿岸及淺水區(qū)有蘆葦(Phragmitesaustralis)、蒲草等水生植物。大部分廢棄地以野生草本植物為主，生長(zhǎng)茂盛，受到的人為干擾較少。

2.3 主要問(wèn)題

場(chǎng)地內(nèi)部主要存在基礎(chǔ)設(shè)施差和自然生態(tài)環(huán)境污染的問(wèn)題。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大與市中心的轉(zhuǎn)移、早期的礦井關(guān)閉、第二產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致廠區(qū)內(nèi)廢棄的工業(yè)設(shè)備設(shè)施無(wú)人治理。75%的煤礦廢棄地處于未開(kāi)發(fā)的“城市荒地”狀態(tài)，景觀效果差，其潛在的利用價(jià)值未被開(kāi)發(fā)。

場(chǎng)地內(nèi)部揚(yáng)塵嚴(yán)重、空氣質(zhì)量差；工業(yè)廢水的排放導(dǎo)致巨野河下游水體滯流、污染嚴(yán)重；場(chǎng)地內(nèi)部地表存在不同程度的移動(dòng)與塌陷，導(dǎo)致地塊土壤肥力下降，果實(shí)產(chǎn)量低下，失去了經(jīng)濟(jì)林的存在價(jià)值。

3 金星郊野公園總體規(guī)劃

金星郊野公園規(guī)劃以生態(tài)修復(fù)理論為指導(dǎo)，結(jié)合景觀利用手段，順應(yīng)自然地勢(shì)，根據(jù)土地塌陷現(xiàn)狀的現(xiàn)有景觀資源進(jìn)行合理的生態(tài)修復(fù)與規(guī)劃，營(yíng)造“自然野趣”的景觀氛圍，將全園按照“一環(huán)、五區(qū)、多點(diǎn)”進(jìn)行布局。

“一環(huán)”為郊野公園的主環(huán)路，主要功能為實(shí)現(xiàn)園內(nèi)通車，保障消防避難的人流疏通，同時(shí)串聯(lián)了主要景觀節(jié)點(diǎn)與功能節(jié)點(diǎn)，使園內(nèi)具有較高的易達(dá)性。

“五區(qū)”包括入口景觀區(qū)，森林景觀區(qū)，濕地景觀區(qū)，農(nóng)耕景觀區(qū)以及工業(yè)遺址科普區(qū)。其中，入口景觀區(qū)公園主要包括西側(cè)主入口，南側(cè)、北側(cè)以及東側(cè)次入口4個(gè)區(qū)域。分別與城市規(guī)劃的市政干道相連接；森林景觀區(qū)作為郊野公園內(nèi)占地面積最大的景觀區(qū)域，以植被修復(fù)景觀為主，并為附近居民以及游客提供休閑游憩場(chǎng)所；濕地景觀區(qū)是煤礦廢棄地進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域，也是處理原有基址內(nèi)部水體質(zhì)量差，地表具有不穩(wěn)沉性的關(guān)鍵改造區(qū)域；農(nóng)耕景觀區(qū)主要包括以經(jīng)濟(jì)作物為主的農(nóng)田景觀、茶田景觀以及以生態(tài)防護(hù)為主的隔離林帶；工業(yè)遺址科普區(qū)將原有金星煤礦廠房與員工生活棚戶區(qū)改造為具有科普展示與商業(yè)服務(wù)功能建筑，將原有的施工設(shè)備以及構(gòu)筑物的材料重新加工成為具有礦區(qū)特色的雕塑構(gòu)筑物。

“多點(diǎn)”是指各功能分區(qū)內(nèi)的重要景觀、功能節(jié)點(diǎn)。例如濕地景觀區(qū)的清溪漫步、湖光映臺(tái)等；森林景觀區(qū)的林徑探幽、蒲公英廣場(chǎng)、露營(yíng)地等；入口景觀區(qū)的野花漫坡，櫸樹(shù)廣場(chǎng)等；農(nóng)耕景觀區(qū)的清韻茶香、擁翠茶室、農(nóng)田農(nóng)趣等。

4 生態(tài)修復(fù)的主要途徑與策略

4.1 水體修復(fù)

利用雨水收集系統(tǒng)與人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行水體修復(fù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間雨水積水以及地表徑流，部分塌陷區(qū)常年積水深度達(dá)9 m，積水pH值在8.1～8.6，下部土壤鹽漬化嚴(yán)重，造成了耕地面積銳減、經(jīng)濟(jì)作物無(wú)法生長(zhǎng)以及農(nóng)民無(wú)地可耕的現(xiàn)狀。此外，生活垃圾堆積以及地下開(kāi)采巷道造成的地下水位上升、地下水回滲，使得大量懸浮物、高礦物質(zhì)、重金屬污染物，石油瀝青等進(jìn)入到巨野河中，水質(zhì)污染嚴(yán)重。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，利用雨水收集系統(tǒng)與人工濕地系統(tǒng)對(duì)受污染水體進(jìn)行收集并集中處理。其中部分雨水通過(guò)綠化與透水鋪裝滲入地下；部分雨水根據(jù)原有場(chǎng)地的自然高差由西至東，匯入人工濕地系統(tǒng)；部分土壤污染嚴(yán)重的區(qū)域設(shè)置截流管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)入廢水管道流入初期廢流池，經(jīng)過(guò)污水處理后投入使用。人工濕地處理系統(tǒng)包括金星污水處理廠、表流濕地以及潛流濕地進(jìn)行水體的生態(tài)修復(fù)，最終達(dá)到新的復(fù)合穩(wěn)定狀態(tài)。

金星污水處理廠主要凈化雨水、生活污水以及巨野河內(nèi)部的污染水體，并實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的水循環(huán)，提高水體自我凈化能力。金星污水處理廠通過(guò)有機(jī)機(jī)械柵格、人工柵格、沉砂池、沙水分流池進(jìn)行污水的物理沉降[7]，再通過(guò)KIC生物接觸反應(yīng)池以及輻流沉淀池、陶粒濾池、紫外線消毒等步驟完成化學(xué)沉降過(guò)程[8]，最終進(jìn)入表流濕地進(jìn)行生物處理，匯入巨野河河道中循環(huán)利用。潛流濕地利用公園內(nèi)部西高東低的自然地勢(shì)，設(shè)計(jì)為臺(tái)地式跌水池，園內(nèi)雨水流經(jīng)硬質(zhì)鋪裝時(shí)，通過(guò)道路縱坡以及廣場(chǎng)坡度排入雨水溝后進(jìn)入潛流濕地系統(tǒng)。雨水及廢水在流經(jīng)濕地種植床過(guò)程中, 一方面可以充分利用不同凈化效果的植物生物膜、根系與表層土以及填料截流等[9], 通過(guò)不同級(jí)別的凈化過(guò)程以提高水質(zhì)純凈度；另一方面由于水流在地表以下流動(dòng),具有保溫性能好、處理效果受氣候影響小、衛(wèi)生條件較好的特點(diǎn)[10]。

人工濕地的凈水植物系統(tǒng)針對(duì)不同凈化水塘的深度與水質(zhì)情況選用不同濕生與水生植物對(duì)污染水體進(jìn)行修復(fù)，其中挺水植物包括蘆葦蘆竹(ArundodonaxLinn.)、香蒲(TyphaorientalisPresl)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)等；浮水植物包括鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms)、浮萍(LemnaminorL.)等；沉水植物包括黑藻(Hydrillaverticillata(Linn. f.) Royle)、金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumL.)、眼子菜(PotamogetondistinctusA.Benn.)等。

4.2 植被修復(fù)與空氣污染治理

用森林植物群落進(jìn)行植被修復(fù)與空氣污染治理。水與土壤因子為煤礦廢棄地植被修復(fù)過(guò)程中主要的生態(tài)限制因子。礦區(qū)廢棄地作為超載干擾下逆向演替的生態(tài)系統(tǒng)，劉世忠[11]在對(duì)多次煤礦廢棄地的次生裸地的近自然恢復(fù)植被演替過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，幾十年后入侵定居的植物主要是禾本科、莎草科、菊科等草本植物品種。因此金星煤礦廢棄地需要通過(guò)改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、控制水土流失創(chuàng)造植被修復(fù)的先行條件。為了降低土壤基質(zhì)的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致植物系統(tǒng)無(wú)法可持續(xù)的演替與發(fā)展，利用森林植物群落來(lái)規(guī)避生物演替過(guò)程中由于樹(shù)種選擇不當(dāng)、結(jié)構(gòu)配置不合理、群落功能不健全導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)功能與景觀功能喪失。金星郊野公園植物群落模式有以下3種。

1) 固土凈化植物群落(種植于金星煤礦開(kāi)采井附近未穩(wěn)沉區(qū)域)。該植物群落能有效穩(wěn)定礦區(qū)采礦導(dǎo)致的地表持續(xù)塌陷、傾斜、下沉等環(huán)境問(wèn)題，并對(duì)SO2，CL2等有害氣體具有凈化作用。上層：刺槐、臭椿(Ailanthusaltissima(Mill.) Swingle)、構(gòu)樹(shù)(Broussonetiapapyrifera)；中層：黃刺玫(RosaxanthinaLindl)、荊條(VitexnegundoL.)；下層：矮牽牛(Petuniahybrida(J. D. Hooker) Vilmorin)、麥冬(Ophiopogonjaponicus(Linn. f.) Ker-Gawl.)、小飛蓬(Conyzacanadensis(L.) Cronq.)。

2) 固氮耐瘠薄植物群落(種植于金星郊野公園北部、南部以及東部土壤肥力差的區(qū)域)。該植物群落的耐瘠薄、耐干旱能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力與生長(zhǎng)力，并在恢復(fù)實(shí)踐中能起到改良土壤,增加土壤內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成分的作用。該群落植物是開(kāi)山造林的先鋒樹(shù)種，為其他植物的生存與演替創(chuàng)造環(huán)境。上層：刺槐、歐美楊樹(shù)；中層：紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)；下層：狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、紫穗狗尾草(Setariaciridis)等禾本科觀賞草本植物。

3) 復(fù)合農(nóng)林植物群落(種植于金星郊野公園中部)。將經(jīng)濟(jì)林納入到生態(tài)修復(fù)進(jìn)程中，選擇抗逆性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高的果樹(shù)，在林下種植綠肥作物，這不僅景觀效果好，還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。上層：國(guó)槐、棗樹(shù)、山楂(CrataeguspinnatifidaBunge)；中層：石榴、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)；下層：白車軸草(TrifoliumrepensL.)、草木樨(MelilotussuaveolensLedeb.)

4.3 土壤修復(fù)

利用農(nóng)田復(fù)墾方式進(jìn)行土壤修復(fù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤礦廢棄地的土壤修復(fù)一般有工程復(fù)墾與生物復(fù)墾2個(gè)階段。工程復(fù)墾階段是指將煤礦廢棄地原有遭到破壞的無(wú)機(jī)環(huán)境利用人工干預(yù)的手段進(jìn)行物理化學(xué)恢復(fù)；生物復(fù)墾階段是指在工程復(fù)墾再造的生態(tài)系統(tǒng)下再進(jìn)行生物改造、生物生產(chǎn)與生態(tài)重建[12-13]。金星郊野公園農(nóng)田景觀區(qū)域的土壤修復(fù)具體策略有2個(gè)。

1) 選擇耐鹽堿農(nóng)作物。對(duì)鹽漬化的土地抬高并水洗，通過(guò)耐鹽堿的農(nóng)作物改善土壤的鹽堿化。在鹽漬化較高的土地塌陷區(qū)域選用甜高粱(Sorghumdochna)、中華枸杞(LyciumchinenseMill.)、向日葵(HelianthusannuusL.)、海水稻(OryzasativaL.)等。

2) 選擇適應(yīng)強(qiáng)、具有固氮能力、根系發(fā)達(dá)、易成活的農(nóng)作物作為先鋒樹(shù)種。在土壤肥力較差的區(qū)域種植大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)、番薯(Ipomoeabatatas(L.) Lam.)以及花生(ArachishypogaeaLinn.)等經(jīng)濟(jì)作物。

5 討論

地下開(kāi)采煤礦廢棄地作為我國(guó)比重最大的廢棄地類型，隨著城市發(fā)展的不斷更新，越來(lái)越多的廢棄地面臨著生態(tài)修復(fù)與再利用的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[14]。本文以濟(jì)南金星煤礦為例，分別從水污染治理、土壤治理以及空氣污染治理幾方面展開(kāi)生態(tài)修復(fù)研究，但是依然存在以下問(wèn)題，望引起各位學(xué)者討論。

1) 煤礦廢棄地中出現(xiàn)的水污染、土壤重金屬污染、有害氣體以及空氣中的粉塵污染并非短期能夠根本治理，具有長(zhǎng)期性、反復(fù)性以及艱巨性。

2) 生態(tài)修復(fù)過(guò)程中需制定相關(guān)法律法規(guī)限制工業(yè)廢氣、廢水排放。

3) 對(duì)煤礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)應(yīng)重視各個(gè)生態(tài)限制因子的相互關(guān)系，利用技術(shù)手段進(jìn)行綜合治理。后期管理機(jī)制的建立，對(duì)修復(fù)后的景觀更新更加具有重要意義。