排巖場人工裸地模擬天然地貌生態(tài)修復(fù)工程實踐

劉文鋒 苑興偉 梁國海 張華春 董曉南 毛偉偉 潘穎

摘要：礦山排巖場人工裸地不僅占壓大量土地資源，損毀礦區(qū)植被，且污染環(huán)境，破壞生態(tài)平衡。以排山樓金礦排巖場亂石窖為工程實例，介紹了其生態(tài)修復(fù)工程理論依據(jù)、設(shè)計理念及技術(shù)難點。根據(jù)效仿自然和模擬自然的生態(tài)理念，應(yīng)用現(xiàn)代生態(tài)學(xué)工程和技術(shù)，完成了排巖場亂石窖緩丘淺谷地貌生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。通過對排巖場形成前的原地和周邊生態(tài)環(huán)境調(diào)查，采取削坡整形、生境營造、客土、植被種類篩選和栽植等，修復(fù)了排巖場的生態(tài)廊道、丘陵地貌、濕地與水系等，重建了符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)特點的典型植物群落，保證了生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一性和完整性。

關(guān)鍵詞：排巖場;人工裸地;生態(tài)修復(fù);天然地貌;亂石窖;生態(tài)學(xué)

中圖分類號：TD854+.7 TD7文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）08-0080-05doi：10.11792/hj20200815

引 言

中國礦山廢棄地（人工裸地）的治理起步較晚，1988年《土地復(fù)墾法》的頒布可以作為中國治理礦山人工裸地的正式起點。近幾年，礦山人工裸地修復(fù)面積比例有所增加，但與要求相差甚遠，且業(yè)內(nèi)尚沒有形成有效治理礦山人工裸地的生態(tài)修復(fù)工程理論和方法。中國的礦山人工裸地修復(fù)工程，多采用園林景觀綠化工程技術(shù)完成，通常在裸地上覆蓋1.0～1.5 m厚的農(nóng)田土，營造亭臺樓閣和花園;護坡工程采用的修復(fù)材料多為水泥和鋼材：這種治理措施不僅投入大量資金，且需要長期人工維護[1]。

遼寧排山樓黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“排山樓金礦”）1997年至2005年露天開采時形成了大面積排巖場人工裸地——亂石窖（用以表征無植物活力的亂石裸地[1]），總面積超30萬m2。排巖場存在層序紊亂、物質(zhì)松散、水土流失及土地荒漠化現(xiàn)象嚴重等問題，因此其生態(tài)環(huán)境恢復(fù)對礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。此外，該排巖場亂石窖與海棠山國家級自然保護區(qū)核心區(qū)存在一定面積的重疊，因此對該區(qū)域生態(tài)修復(fù)有著更高標準要求。

1 工程概況

1.1 排巖場人工裸地現(xiàn)狀

排山樓金礦位于遼寧省阜新市境內(nèi)，于1997年建成投產(chǎn)，原為露天開采，2005年全部轉(zhuǎn)入地下開采，地面留下排巖場亂石窖（見圖1），總面積超30萬m2。

該排巖場亂石窖有如下特征：平臺亂石窖與邊坡亂石窖，由寬10～40 m，厚30～70 m的無填充物亂石窖（見圖2-a））組成，石礫直徑0.5～4.0 m。其中，高平臺亂石窖平均海拔408～420 m，低平臺亂石窖平均海拔404～406 m，高、低平臺亂石窖上部亂石窖小丘高0.5～20.0 m（見圖2-b））。邊坡亂石窖海拔15～20 m，坡度30°～40°，石礫直徑0.5～3.0 m，厚5～70 m，石礫間填充數(shù)量不等的小石礫（見圖2-c））。淺谷亂石窖谷底海拔404～405 m，共有4條季節(jié)性有水的淺谷亂石窖。

排巖場亂石窖生境特征：①自然土壤全部消失，石礫間隙中空或有少量小石礫;②地下水位埋深多數(shù)10 m以下，少量地段地下水位埋深達50～60 m;③場地沒有保蓄水能力;④植物覆蓋率<1 %，僅見有1～2種一年生草本植物;⑤石礫巖面溫差變化大;⑥場地多屬于無填充物亂石窖。

1.2 排巖場原地生態(tài)環(huán)境

根據(jù)排巖場破壞前1∶1萬地形圖和現(xiàn)場實際環(huán)境調(diào)查，排巖場原地生態(tài)環(huán)境概貌如下：

1）地形地貌。排山樓金礦位于遼西醫(yī)巫閭山脈中部西側(cè)的低山丘陵區(qū)，海拔350～491 m。中部高海拔490 m，兩側(cè)為海拔350～360 m的谷地，排巖場原地為丘陵河谷地貌，其基本特征為：①東部為海拔350～400 m的丘陵西坡，南北長400 m，東西寬141 m，坡度15°～20°。②馬家荒河上游，自西北流向東南，入境處海拔380 m，出境處海拔340 m，溪流全長460 m。③中部丘陵呈西北走向，西北部海拔400 m，東南部丘陵尾部海拔348 m，西北部最寬140 m，坡度10°～20°。④排巖場原地層為花崗巖、石灰?guī)r和石英巖。排巖場原地形及水系圖見圖3。

2）氣候。當(dāng)?shù)貙倥瘻貛О敫珊敌詺夂?，年平均氣?.8 ℃，最高氣溫43.0 ℃，最低氣溫-28.4 ℃;年平均降水量480 mm，最高降水量834 mm，最低降水量322.3 mm;全年6級以上大風(fēng)日71.2 d，最大風(fēng)速24 m/s，是一個氣候干旱多大風(fēng)地區(qū)。

3）水文。待修復(fù)區(qū)中部為細河和饒陽河發(fā)源地的分水嶺，馬家荒河發(fā)源地，屬于饒陽河上游支流。馬家荒河有4條支流發(fā)源于此地，被埋壓于排巖場之下。馬家荒河西支流全長140 m，呈東西流向，在待修復(fù)區(qū)東南部與呈南北流向的馬家荒河主流匯合，溪流河床海拔348～400 m，均為季節(jié)性溪流。

4）土壤。排巖場原山丘土壤為棕色森林土和棕壤土，河谷為沖積草甸土和沼澤土。

5）植被。植物區(qū)系屬暖溫帶華北植物區(qū)系，并混有大量內(nèi)蒙古草原植物區(qū)系成分和少量東北植物區(qū)系成分[2]，主要植被類型有蒙古櫟林、山杏林、油松矮林、荊條灌叢、白羊草草叢、大針茅和貝加爾針茅等草原植被。

2 排巖場生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計

2.1 理論依據(jù)

人類在大自然中生存，人類社會在大自然中發(fā)展。尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然是人類社會可持續(xù)發(fā)展必須遵循的基本法則。生態(tài)修復(fù)是根據(jù)生態(tài)學(xué)原理進行設(shè)計，運用生態(tài)工程技術(shù)在人工裸地重建植物群落的過程。重建的植物群落即目標植物群落必須是人工裸地破壞前的地帶性和非地帶性亞頂級或頂級植物群落自然演替系列中的一個階段，既可以是先鋒草本植物群落，也可以是草叢、灌叢和幼林。

重建植物群落的建群種、優(yōu)勢種、主要伴生種及群落結(jié)構(gòu)要與周邊自然植物群落基本一致。目標植物群落建成后，經(jīng)過2～5 a的人工管理，該群落將自行轉(zhuǎn)入自然生態(tài)恢復(fù)過程，之后經(jīng)過自然演替過程形成與當(dāng)?shù)貧夂蚧蛲寥老噙m應(yīng)的亞頂級或頂級自然植物群落。生態(tài)修復(fù)為加速人工裸地整體生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件，是人工裸地生態(tài)恢復(fù)不可缺少的前提工程。人工裸地在無人工干預(yù)和有人工干預(yù)條件下，自然生態(tài)系統(tǒng)的演替速度見圖4。

2.2 設(shè)計理念

效仿自然和模擬自然是本生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計的基本理念。其關(guān)鍵在于確認效仿的自然，只有目標選擇準確，找到要效仿的自然環(huán)境類型，才能深入研究待修復(fù)區(qū)和原自然環(huán)境的差異，以進一步模擬原生境在待修復(fù)裸地建成這一效仿自然的生態(tài)修復(fù)目標。為達成這一目標，必須首先創(chuàng)建與周邊自然相仿的目標群落的自然立地條件，即緩丘淺谷地貌和有填充物亂石窖生境。

本文著重介紹模擬排巖場原地和周圍海棠山國家級自然保護區(qū)生境特點而實施的緩丘淺谷生態(tài)修復(fù)工程，其是排巖場亂石窖整體生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)工程。

2.3 技術(shù)難點

1）地理生態(tài)區(qū)位脆弱。

該排巖場位于遼西醫(yī)巫閭山脈低山丘陵的西部，地處中國一級生態(tài)敏感脆弱帶上，同時為中國東北地區(qū)濕潤森林帶向西部草原荒漠帶的過渡帶，多年平均降水量在500 mm以下，氣候干旱，少雨，多風(fēng)沙和自然災(zāi)害，是中國東部森林帶向西部森林草原帶、農(nóng)耕帶向半農(nóng)半牧帶的過渡帶[3]。

2）與海棠山國家級自然保護區(qū)存在重疊。該排巖場亂石窖與醫(yī)巫閭山海棠山國家級自然保護區(qū)核心區(qū)存在重疊，因此不能以常規(guī)的園林景觀標準進行修復(fù)，而要確保修復(fù)后的場地與自然保護區(qū)核心區(qū)的原植被類型相同或接近，這與一般地區(qū)人工裸地的生態(tài)修復(fù)有根本區(qū)別。

3）深厚的無填充物亂石窖多。

該排巖場亂石窖總面積約34萬m2，其中80 %屬于無填充物亂石窖，石礫（塊）直徑0.5～2.0 m，最大直徑4.0 m;石礫層寬10～40 m，厚5～70 m;具有無土壤，不保水，幾乎沒有生物生產(chǎn)力的特點，只能生長少數(shù)殼狀地衣。

以上3個方面決定了必須運用現(xiàn)代生態(tài)學(xué)理論和獨特的生態(tài)工程技術(shù)，才能達成對該排巖場亂石窖在生態(tài)學(xué)意義上的修復(fù)目標。

3 排巖場人工裸地生態(tài)修復(fù)

生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是效仿和模擬原緩丘淺谷地貌，為總體生態(tài)修復(fù)工程創(chuàng)造基礎(chǔ)環(huán)境。

3.1 模擬緩丘淺谷生態(tài)修復(fù)

根據(jù)排巖場亂石窖地貌現(xiàn)狀，經(jīng)過現(xiàn)場勘測，設(shè)計生態(tài)修復(fù)成緩丘淺谷地貌環(huán)境，作為植被修復(fù)區(qū)域環(huán)境的基本保證。將全區(qū)修成“倒U型”緩丘，緩丘海拔高度為410～420 m，丘坡谷底海拔高度為406～408 m，重點在修復(fù)區(qū)內(nèi)形成一條淺谷。

3.2 亂石窖邊坡的削坡與整形

亂石窖裸地高度和坡度變化大，需要按照統(tǒng)一緩丘淺谷地貌設(shè)計進行削坡與整形（見圖5、圖6），緩丘削坡整形后的坡度平均為5°～30°，不得大于35°。削坡整形總面積27萬m2。

3.3 水系溪谷修復(fù)

溪流淺谷寬5～30 m，溪流河床寬2～4 m，一級階地高0.2～0.5 m，寬5～50 m。河流水系調(diào)整工程長1 008 m。溪流淺谷施工見圖7、圖8。

3.4 石砌蓄排水溝

由于工程地區(qū)屬于暖溫帶半干旱性氣候，年降水量少。降水量多時，易發(fā)生水土流失;降水量少時，出現(xiàn)生境干旱。因此，在山丘周圍和丘體適當(dāng)位置修建石砌蓄排水溝（見圖9、圖10），水多時，則向外排出;水少時，則在溝中貯存自用。石砌蓄排水溝全長1 638 m，修建時必須加入水泥等非天然材料，溝底寬0.4～0.5 m， 溝上沿寬0.5～1.0 m，溝深0.3～0.5 m，溝壁厚0.2～0.4 m。石砌蓄排水溝的特點：①透水性，不阻礙地表水下滲，補充地下水;②排水性，將溝內(nèi)多余水排到下游;③蓄水性，將多余地表水貯存在溝內(nèi)，供目標植物生長用。

3.5 暗河與濕地修復(fù)

排巖場無填充物亂石窖厚5～70 m，石礫中空。如果亂石窖底下無地下水，則亂石窖石礫間空氣干燥，下雨時其會透析下沉，排巖場亂石窖生態(tài)修復(fù)難以維持。利用馬家荒河流經(jīng)排巖場下部形成的地下河，在其出露處修整已被破壞的周邊濕地，維護保持其水流暢通，既可保護濕地，又可維護排巖場亂石窖內(nèi)的水質(zhì)標準和濕度，成為排巖場亂石窖生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵水利工程。在排巖場北部，馬家荒河上游殘存在亂石窖邊坡下部河床和馬家荒河中游亂石窖邊坡地下暗河出口河床修復(fù)2塊濕地，北部濕地1 000 m2左右，南部濕地1 500 m2左右（見圖11、圖12）。

3.6 生態(tài)保護防火通道和石壘擋土墻

按照森林防火要求，在生態(tài)修復(fù)工程全區(qū)設(shè)置寬5 m的生態(tài)保護防火通道，路基略高于兩側(cè)0.3～0.5 m;道路兩側(cè)或一側(cè)修建石砌蓄排水溝及石壘擋土墻（見圖13、圖14）。石壘擋土墻主要設(shè)置在排巖場山丘和淺谷底部，以防止水土流失和山丘坡地滑坡，墻高1.0 m，底部寬1.2 m，上部寬0.8 m，底座高0.4 m，總長度1 846 m。

3.7 生態(tài)修復(fù)效果

經(jīng)嚴格篩選，選用20余種目標植物，完成了30萬m2排巖場亂石窖的生態(tài)修復(fù)，共實施生境修整76萬m3，客土覆蓋15萬m3，栽植或播撒當(dāng)?shù)氐湫蛦棠?3萬株、灌叢44.5萬叢、草類16萬m2，包括黃檗、水曲柳、紫椴、野大豆等4種國家Ⅱ級保護植物，元寶槭、蒙椴、花曲柳等3種珍貴樹種，修復(fù)了生態(tài)損害區(qū)的生態(tài)廊道、丘陵地貌、濕地與水系等，重建了符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)特點的典型植物群落，建立了良性的生態(tài)系統(tǒng)，并提高了當(dāng)?shù)厣指采w率，有助于增強地區(qū)土壤功能，降低水土流失，增強區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，保護生物多樣性，使生態(tài)重建區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)與周邊原生態(tài)系統(tǒng)良好溝通，加速了自然演替周期，保證了生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一性和完整性。該項目被中國黃金協(xié)會授予科學(xué)技術(shù)獎二等獎，被地方政府譽為踐行生態(tài)文明思想的排頭兵。

4 結(jié) 語

模擬自然、效仿自然是生態(tài)修復(fù)工程的基本要求，在排山樓金礦排巖場亂石窖的生態(tài)修復(fù)實踐中，將模擬、效仿的對象選擇為排巖場形成之前的原地自然環(huán)境。通過充分的歷史和現(xiàn)狀調(diào)查，在排巖場現(xiàn)有地貌的基礎(chǔ)上因地制宜，采取建造“倒U型”緩丘淺谷、石砌蓄排水溝、濕地地貌形態(tài)等措施，為亂石窖生態(tài)修復(fù)和目標植物群落重建奠定了堅實基礎(chǔ)，為生態(tài)廊道的連通和自然演替的加速創(chuàng)造了條件，最大程度地貼合自然景觀完成了排巖場亂石窖生態(tài)修復(fù)的人工干預(yù)措施，并保證了生態(tài)修復(fù)的人工痕跡最輕。

[參 考 文 獻]

[1] 董厚德.人工裸地生態(tài)修復(fù)的研究與實踐[M].沈陽：遼寧大學(xué)出版社，2016：3.

[2] 董厚德.遼寧植被與植被區(qū)劃[M].沈陽：遼寧大學(xué)出版社，2011：11.

[3] 高桂珍，吳艷梅，海濤，等.海棠山自然保護區(qū)特殊的生態(tài)意義[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計，2006，29（6）：1-4.