重建植被視角下露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾演替過程及管控模式研究

周 偉，官炎俊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；3.自然資源部礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100083；4.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院，浙江 杭州 310018)

中國是世界上煤炭產(chǎn)量最高的國家，也是最大的碳排放國之一，碳排放占世界能源排放總量的28.8%[1-2]。根據(jù)煤炭工業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，煤炭在我國能源體系中的主體地位和壓艙石作用不會(huì)改變[3]。然而，作為大規(guī)模改變土地利用方式的有組織人類活動(dòng)，煤炭資源開采不僅損毀和占用大量土地資源，且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[4-7]。尤其是露天煤礦的開采[8-11]，高強(qiáng)度、大規(guī)模的采煤擾動(dòng)往往造成礦區(qū)表層土壤結(jié)構(gòu)紊亂[12]、植被永久破壞[13]、原始景觀被徹底改變[14-15]等礦區(qū)生態(tài)問題。土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)作為改善礦山環(huán)境、恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要措施與有效手段，已經(jīng)成為統(tǒng)籌礦產(chǎn)資源開發(fā)與土地資源利用保護(hù)的重要途徑。通過積極開展土地復(fù)墾，可有效引導(dǎo)損毀土地生態(tài)系統(tǒng)朝著健康有序的方向發(fā)展[16]。煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)已納入美麗中國和“山水林田湖草沙”生命共同體建設(shè)的重要組成部分，開展損毀煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)對(duì)實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

煤礦區(qū)土地復(fù)墾是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的生態(tài)修復(fù)過程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能處于不斷演替的發(fā)展?fàn)顟B(tài)[17-18]，且不同發(fā)展?fàn)顟B(tài)可被加速或制約、也可相互遷移[19-21]。當(dāng)前國內(nèi)外針對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、生態(tài)要素指標(biāo)、系統(tǒng)模型方法進(jìn)行了大量的研究，能夠有效評(píng)估礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況、模擬礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)。但由于煤礦開采及生態(tài)修復(fù)擾動(dòng)的多樣性、復(fù)雜性、累積性[18,22]，全面、客觀地剖析煤礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成及演替特征仍具有很大的挑戰(zhàn)性[23]。尤其是在受到人類干預(yù)和其他擾動(dòng)共同作用時(shí)，煤礦區(qū)不同土地利用類型(復(fù)墾方向)、不同復(fù)墾階段中土地生態(tài)子系統(tǒng)效應(yīng)、各子系統(tǒng)之間的信息交互、系統(tǒng)狀態(tài)演變規(guī)律等研究還有待深入了解。

植被作為生態(tài)恢復(fù)的重要顯性指標(biāo)，在能量交換和生態(tài)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[24]。重建植被成為煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中最重要的生態(tài)要素之一[25]，其動(dòng)態(tài)變化可有效表征煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受擾動(dòng)和修復(fù)的廣泛細(xì)節(jié)[13]。基于遙感數(shù)據(jù)獲取的地表植被指數(shù)一直以來被用于植被擾動(dòng)與恢復(fù)的監(jiān)測研究[25-29]。當(dāng)前對(duì)礦區(qū)植被恢復(fù)的研究大多側(cè)重于利用時(shí)間段數(shù)據(jù)，如從研究時(shí)段選取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分析植被覆蓋變化特征，或利用空間替代時(shí)間方法分析不同復(fù)墾年限的植被分布特征[28]。這些研究具有高效識(shí)別礦區(qū)植被整體特征的優(yōu)勢，但也存在重狀態(tài)輕過程的問題[27]。監(jiān)測恢復(fù)過程的局限性會(huì)限制植被遙感在評(píng)估長期環(huán)境影響和可持續(xù)性方面的效用[28-29]。近年來，隨著遙感與地理信息技術(shù)的快速發(fā)展，有效促進(jìn)了時(shí)序遙感數(shù)據(jù)在植被監(jiān)測中的應(yīng)用[30-31]，包括確定重建植被的影像特征[32]、植被覆蓋變化趨勢[33]、適宜發(fā)展的植被條件[34]、植被擾動(dòng)與恢復(fù)的動(dòng)態(tài)軌跡[29,35]等。該系列研究結(jié)果進(jìn)一步論證了使用時(shí)間序列植被指數(shù)揭示礦區(qū)植被恢復(fù)特征和描述恢復(fù)過程的廣泛細(xì)節(jié)的可靠性和效率[29,31,33-35]，從而為大型露天煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的全過程管理提供了方法基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

因此，筆者從露天煤礦區(qū)重建植被的演替特征入手，分析重建植被的不同演替情景，探討土地復(fù)墾階段特征與關(guān)鍵保護(hù)區(qū)域的識(shí)別思路，并提出煤礦區(qū)土地復(fù)墾管控的修正模式。在此基礎(chǔ)上，開展黃土高原山西平朔露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾演替過程與管控模式的應(yīng)用分析，以期為露天煤礦生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 露天煤礦區(qū)重建植被演替情景特征

1.1 煤礦區(qū)植被受擾動(dòng)狀態(tài)劃分

煤礦區(qū)重建生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)演替的復(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能需要一定的時(shí)間來發(fā)展穩(wěn)定，在歷經(jīng)漫長的恢復(fù)和自我調(diào)節(jié)過程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡[36]。生態(tài)系統(tǒng)演變主要經(jīng)歷3 個(gè)階段，分別為由原始生態(tài)演變?yōu)闃O度退化生態(tài)的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)破損階段、由極度退化生態(tài)演變?yōu)樯鷳B(tài)重建雛形的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)雛形建立階段、由重建生態(tài)雛形演變?yōu)橹亟ㄉ鷳B(tài)相對(duì)穩(wěn)定型的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡階段[37]。依據(jù)煤礦開采與土地復(fù)墾過程中重建植被生長狀況水平(Rehabilitated Vegetation Growth Condition Level,Rv)的受擾動(dòng)特征，完整的植被恢復(fù)過程通常歷經(jīng)4 種演替狀態(tài)(Statuses,ST)，即未擾動(dòng)狀態(tài)(ST1)、采煤擾動(dòng)狀態(tài)(ST2)、復(fù)墾恢復(fù)狀態(tài)(ST3)和修復(fù)后狀態(tài)(ST4)[35](圖1)。

圖1 露天煤礦開采與土地復(fù)墾過程中植被擾動(dòng)動(dòng)態(tài)曲線Fig.1 Dynamic curve of vegetation disturbance in the process of open-pit coal mining and land reclamation

(1) ST1是指煤炭開采前植被完全不受采煤活動(dòng)影響的狀態(tài)。該狀態(tài)下植被水平在一定區(qū)域自然條件下上下波動(dòng)，可用作植被重建的參照標(biāo)準(zhǔn)。

(2) ST2是指在煤礦開采過程中，采區(qū)地表植被被直接清除、植被水平急劇下降的退化狀態(tài)。依據(jù)該階段Rv值演替特征，通過擾動(dòng)閾值進(jìn)行逐像元監(jiān)測，判斷煤炭開采過程中由ST1轉(zhuǎn)變?yōu)镾T2狀態(tài)的年份(t1)，則年份t1可被定義為該像元受煤炭開采擾動(dòng)的具體年份。

(3) ST3是指采煤結(jié)束后對(duì)受損礦區(qū)開展植被重建工作，Rv值得以迅速恢復(fù)的改善狀態(tài)。依據(jù)該階段Rv值演替特征，通過擾動(dòng)閾值進(jìn)行逐像元監(jiān)測，判斷礦區(qū)土地復(fù)墾過程中由ST2轉(zhuǎn)變?yōu)镾T3狀態(tài)的年份(t2)，則年份t2可被定義為該像元開展土地復(fù)墾的具體年份。

(4) ST4是指在土地復(fù)墾活動(dòng)實(shí)施一定年限后，Rv值得以有效恢復(fù)后的穩(wěn)定狀態(tài)。ST4代表了重建植被的恢復(fù)水平，是開展煤礦區(qū)土地復(fù)墾效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

1.2 煤礦區(qū)重建植被演替情景分析

煤礦區(qū)土地復(fù)墾是一個(gè)長期動(dòng)態(tài)的生態(tài)修復(fù)過程，其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能效果難以在短期內(nèi)顯現(xiàn)[36,38]。重建植被作為煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，其恢復(fù)水平需要一定的時(shí)間來發(fā)展、穩(wěn)定，以達(dá)到成熟狀態(tài)，在經(jīng)歷漫長的修復(fù)及自我調(diào)整過程從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。在煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中，由于受擾動(dòng)程度、土地復(fù)墾措施及自然條件等差異性的影響，各區(qū)域重建植被表現(xiàn)出不同的演替特征。

重建植被恢復(fù)特征隨土地復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢可概況為6 種演替情景。情景①：高效恢復(fù)至成熟型。煤礦區(qū)重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后穩(wěn)步提升，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后高出原始(參考區(qū))生態(tài)系統(tǒng)水平。情景②：低效恢復(fù)至成熟型。重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后穩(wěn)步提升，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后低于原始(參考區(qū))生態(tài)系統(tǒng)水平。情景③：高效恢復(fù)而后退化型。重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后穩(wěn)步提升，在達(dá)到最高恢復(fù)水平后，又出現(xiàn)生態(tài)退化過程。情景④：高效恢復(fù)發(fā)展型。重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后開始穩(wěn)步提升，但在一定土地復(fù)墾年限內(nèi)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。情景⑤：低效恢復(fù)發(fā)展型。重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后開始一定程度提升，但尚未達(dá)到參照區(qū)同復(fù)墾階段水平。情景⑥：無效恢復(fù)型。重建植被水平在復(fù)墾時(shí)點(diǎn)后并未出現(xiàn)明顯提升跡象，并且隨著土地復(fù)墾時(shí)間推移仍一直處于受采礦擾動(dòng)時(shí)的水平。

2 露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾演替階段特征

煤礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)一直處于信息流動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換的發(fā)展過程，有效管理土地復(fù)墾的前提是掌握各復(fù)墾階段生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展特征。在礦區(qū)土地復(fù)墾管理過程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)礦區(qū)復(fù)墾土地關(guān)鍵生態(tài)要素時(shí)序變化特征，在揭示礦區(qū)土地復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上劃定土地復(fù)墾演變階段。不同復(fù)墾階段的生態(tài)修復(fù)特征存在很大的差異性，根據(jù)不同階段來選擇適宜的土地復(fù)墾管理時(shí)點(diǎn)，其采集的數(shù)據(jù)才能更加客觀、真實(shí)地反映土地生態(tài)要素的發(fā)展?fàn)顩r，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地復(fù)墾效果評(píng)估與反饋修正[39-40]。不同土地復(fù)墾階段對(duì)人工干預(yù)程度的需求也各不相同，在“保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”的生態(tài)理念指導(dǎo)下，隨著土地復(fù)墾演替階段的遞進(jìn)，應(yīng)投入的人工管理措施應(yīng)逐步減少[41]。劃分土地復(fù)墾演替階段一方面可以協(xié)助在礦區(qū)范圍內(nèi)識(shí)別土地復(fù)墾亟待調(diào)控的關(guān)鍵區(qū)域；另一方面可有效指導(dǎo)土地復(fù)墾成本的精確投入[42]。

隨著生態(tài)修復(fù)理論和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，開展煤礦區(qū)土地復(fù)墾關(guān)鍵階段的劃分研究有望得到新的理論與方法支撐。當(dāng)前，重建植被恢復(fù)過程符合指數(shù)函數(shù)特征的事實(shí)已被學(xué)者廣泛認(rèn)可[25,43-44]。煤礦區(qū)重建植被的變化趨勢主要表現(xiàn)為從緩慢恢復(fù)到快速恢復(fù)、再從快速恢復(fù)到緩慢恢復(fù)、直至穩(wěn)定狀態(tài)的“S”形指數(shù)增長模式。在土地復(fù)墾后期，雖然重建植被仍處于動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中，但總體趨勢已趨于穩(wěn)定。根據(jù)“S”形指數(shù)函數(shù)的特點(diǎn)，函數(shù)的因變量會(huì)無限接近、但無法達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定值。因此，依據(jù)“S”形指數(shù)函數(shù)特點(diǎn)，可將重建植被達(dá)到某一穩(wěn)定水平時(shí)所對(duì)應(yīng)的復(fù)墾年份作為土地復(fù)墾達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)期定義為礦區(qū)土地復(fù)墾發(fā)展期，即礦區(qū)重建植被達(dá)到成熟期所需的土地復(fù)墾年限。通過對(duì)重建植被水平進(jìn)行一階求導(dǎo)來確定研究單元生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)速度的峰值，即礦區(qū)重建植被達(dá)到最大快速發(fā)展時(shí)所需的土地復(fù)墾年限；引入二階導(dǎo)數(shù)確定研究單元重建植被處于快速發(fā)展期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即礦區(qū)重建植被進(jìn)入快速發(fā)展期和穩(wěn)定發(fā)展期所需的土地復(fù)墾年限。煤礦區(qū)植被在土地復(fù)墾全生命周期過程中各關(guān)鍵階段可概括為未復(fù)墾期、土地復(fù)墾發(fā)展期(復(fù)墾初期、快速發(fā)展期和穩(wěn)定發(fā)展期)和成熟期[42](圖2)。

圖2 礦區(qū)土地復(fù)墾關(guān)鍵階段劃分Fig.2 Division of key stages of land reclamation in mining areas

3 露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)劃分

露天煤礦開采往往具有土地?fù)p毀規(guī)模大、生態(tài)破壞程度嚴(yán)重等特點(diǎn)，且不同區(qū)域由于受損程度、自然條件以及土地復(fù)墾措施等差異，各區(qū)域土地復(fù)墾恢復(fù)水平表現(xiàn)出明顯的分異特征。國家 “雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)加速了后采礦時(shí)代的到來，煤炭等化石燃料資源將逐步退出歷史舞臺(tái)，從而涌現(xiàn)大規(guī)模廢棄煤礦區(qū)。無差別實(shí)施土地復(fù)墾管理措施，勢必造成巨大的工作量和經(jīng)濟(jì)成本投入，而合理劃定關(guān)鍵保護(hù)區(qū)是區(qū)域化管理的重要手段，可以有效解決區(qū)域間發(fā)展不平衡問題[45-47]。在生態(tài)脆弱的煤礦復(fù)墾區(qū)域，關(guān)鍵保護(hù)區(qū)可以理解為在土地復(fù)墾實(shí)施過程中，煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能迫切需求進(jìn)一步管理的土地復(fù)墾關(guān)鍵區(qū)域[48]。劃定關(guān)鍵保護(hù)區(qū)為政府和礦山企業(yè)精準(zhǔn)實(shí)施土地復(fù)墾管理措施提供指導(dǎo)依據(jù)，從而有效降低礦區(qū)土地復(fù)墾成本，加快受擾動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)速度。

通過現(xiàn)場調(diào)研與遙感影像解譯相結(jié)合，在劃分煤礦區(qū)復(fù)墾排土場相對(duì)均質(zhì)地塊單元、判定各地塊單元是否達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)基礎(chǔ)上，依據(jù)煤礦區(qū)重建植被的6 種演替情景特征，針對(duì)不同恢復(fù)狀態(tài)下的重建植被類型分別設(shè)置相應(yīng)的土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)(圖3)。

圖3 礦區(qū)土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)劃定標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Criteria for delineating key conservation areas for land reclamation management in mining areas

標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ：當(dāng)植被重建的年限達(dá)到土地復(fù)墾穩(wěn)定期后，判斷此時(shí)Rv值是否低于參照區(qū)水平b(或b')，將低于該水平像元?jiǎng)澣朊旱V區(qū)土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于判斷演替情景②和情景⑥下的煤礦區(qū)重建生態(tài)系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ：當(dāng)該狀態(tài)下Rv值高于參照區(qū)水平b(或b')時(shí)，判斷該像元Rv值是否低于其指數(shù)擬合函數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)漸近值水平a(或a')，將低于該水平像元?jiǎng)澣朊旱V區(qū)土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于判斷演替情景①和情景③下煤礦區(qū)重建生態(tài)系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ：當(dāng)植被重建的年限尚未達(dá)到土地復(fù)墾穩(wěn)定期時(shí)，判斷該像元的Rv值是否低于其指數(shù)擬合函數(shù)因變量水平，將低于該水平像元?jiǎng)澣朊旱V區(qū)土地復(fù)墾管理關(guān)鍵保護(hù)區(qū)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于判斷演替情景④和情景⑤下的煤礦區(qū)重建生態(tài)系統(tǒng)。

4 露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾管控模式分析

4.1 類型劃分

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的閾值理論，當(dāng)系統(tǒng)受干擾程度未超過其關(guān)鍵要素閾值時(shí)，在干擾因素被消除后，系統(tǒng)則可以自發(fā)恢復(fù)至原穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)受干擾程度超過其關(guān)鍵要素閾值時(shí)，則需要輔助以人工引導(dǎo)，系統(tǒng)才能繼續(xù)有效恢復(fù)[49-50]。煤礦區(qū)土地復(fù)墾管控要求發(fā)揮積極的人工引導(dǎo)作用，通過引導(dǎo)動(dòng)態(tài)變化的土地復(fù)墾管理與錯(cuò)綜復(fù)雜的礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行相互適應(yīng)，進(jìn)而推進(jìn)煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)朝著健康、可持續(xù)方向演替發(fā)展。

依據(jù)煤礦區(qū)土地復(fù)墾過程中重建生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度以及土地復(fù)墾模式待修正力度，并基于重建植被演替特征，可將土地復(fù)墾管控模式劃分為4 種修正類型：生態(tài)保育、生態(tài)管護(hù)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)重建，各模式下人工干預(yù)的生態(tài)建設(shè)強(qiáng)度依次遞增。

(1) 生態(tài)保育：針對(duì)已經(jīng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)且服務(wù)與功能均符合土地復(fù)墾目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)以上的重建土地生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)行以保護(hù)為主、消除人為干擾的生態(tài)保育模式修正。

(2)生態(tài)管護(hù)：針對(duì)尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)但其結(jié)構(gòu)與功能已充分顯現(xiàn)的重建生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)充分依靠其生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)的再生能力，實(shí)行關(guān)鍵生態(tài)要素的生態(tài)管護(hù)模式修正。

(3) 生態(tài)修復(fù)：針對(duì)尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)且結(jié)構(gòu)和功能明顯低于參照區(qū)同等條件水平的重建土地生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)行生態(tài)修復(fù)模式修正。

(4)生態(tài)重建：針對(duì)已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)但其生態(tài)功能和服務(wù)幾乎完全退化或消失的重建土地生態(tài)系統(tǒng)；或在土地復(fù)墾過程中，由于強(qiáng)烈自然因素或人為干擾因素，致使生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)完全損毀的重建土地生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)行生態(tài)重建模式修正。

不管何種修正類型，土地復(fù)墾過程均不應(yīng)忽視生態(tài)系統(tǒng)本身的自恢復(fù)能力[49]。在遵循礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律基礎(chǔ)上，發(fā)揮人類在礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展中的主觀能動(dòng)作用，充分協(xié)調(diào)自然恢復(fù)與人工修復(fù)之間的平衡關(guān)系，從而促進(jìn)損毀煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有效恢復(fù)。

4.2 修正順序準(zhǔn)則

露天煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是一定空間范圍內(nèi)受煤炭開采與土地復(fù)墾擾動(dòng)交互影響的礦山資源-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)雜耦合的綜合系統(tǒng)[51-53]。受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與生態(tài)要素發(fā)展不確定性影響，其土地復(fù)墾模式適應(yīng)性可表現(xiàn)為適應(yīng)復(fù)墾模式和不適應(yīng)復(fù)墾模式。

當(dāng)土地復(fù)墾措施適應(yīng)于煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)理時(shí)，重建的生態(tài)系統(tǒng)可利用其自身固有恢復(fù)能力進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的有效恢復(fù)。通過適應(yīng)礦區(qū)周邊生態(tài)條件并遵循其自然演替規(guī)律，從而大幅度降低礦區(qū)土地復(fù)墾人力、物力投入水平，節(jié)約礦區(qū)土地復(fù)墾經(jīng)濟(jì)成本。該模式對(duì)應(yīng)于重建植被演替情景①和情景④。然而煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效果往往受生態(tài)要素演替規(guī)律掌握的有限性、土地復(fù)墾管理的不可控性等因素影響。

當(dāng)土地復(fù)墾措施不能夠適應(yīng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及自然條件時(shí)，其重建的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程極為緩慢，甚至出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能退化現(xiàn)象，這就使得傳統(tǒng)管理方式難以解決煤礦區(qū)土地復(fù)墾過程中出現(xiàn)的問題。該模式對(duì)應(yīng)于重建植被演替情景②、情景③、情景⑤和情景⑥。

在判斷土地復(fù)墾模式與煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性水平基礎(chǔ)上，往往需要通過土地復(fù)墾初期的積極人工引導(dǎo)、發(fā)展期的監(jiān)測與管護(hù)以及穩(wěn)定期的保護(hù)保育等措施以維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能力。不同土地復(fù)墾階段生態(tài)要素的演替特征不同，對(duì)其土地復(fù)墾模式的修正要求也各不相同。在“保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”的生態(tài)理念下，科學(xué)識(shí)別土地復(fù)墾過程中管控模式的修正順序，為加強(qiáng)煤礦區(qū)土地復(fù)墾精準(zhǔn)化管理提供重要指導(dǎo)。

依據(jù)煤礦區(qū)土地復(fù)墾模式適應(yīng)性及其適應(yīng)程度特征，結(jié)合土地復(fù)墾方案執(zhí)行過程中重建植被的6 種演替情景，對(duì)土地復(fù)墾管控模式的4 大類型按管理優(yōu)先順序進(jìn)行排序。排序主要遵循3 大原則：(1) 保護(hù)優(yōu)先，確保土地復(fù)墾模式滿足生態(tài)保護(hù)要求；(2) 自然恢復(fù)為主，盡可能減少人為干擾程度；(3) 生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可行相協(xié)調(diào)，按照生態(tài)建設(shè)的層次逐級(jí)篩選。不同條件下各土地復(fù)墾管控模式順序準(zhǔn)則見表1。

表1 露天煤礦區(qū)不同條件下土地復(fù)墾管控模式順序準(zhǔn)則Table 1 Sequential guidelines for land reclamation control models under different conditions in opencast coal mining areas

5 平朔露天煤礦區(qū)土地復(fù)墾管控模式修正的應(yīng)用分析

5.1 平朔露天煤礦區(qū)概況

平朔露天煤礦位于山西省北部的朔州市境內(nèi)，地處黃土高原晉陜蒙接壤地帶，由安太堡、安家?guī)X和東露天三大煤礦組成，開采方式以露天開采為主。區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛Ц珊?、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。礦區(qū)土壤類型主要是栗鈣土[54]。受季風(fēng)氣候影響，研究區(qū)年降水量分配極不均勻，冬季和春季干旱，夏季和秋季頻繁降雨，且年蒸發(fā)量為降水量的5 倍左右[55]。

安太堡、安家?guī)X露天煤礦是平朔礦區(qū)最主要的2 個(gè)特大型露天煤礦。其中安太堡露天煤礦位于平朔礦區(qū)北部，是平朔礦區(qū)開采最早的煤礦，也是我國規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的煤炭生產(chǎn)基地之一。安家?guī)X露天煤礦位于平朔礦區(qū)東南部，早在開工初期(1999 年)安家?guī)X露天煤礦就完成了《安家?guī)X露天煤礦土地復(fù)墾規(guī)劃》的編制工作。露天煤礦將開采損毀與土地復(fù)墾工藝緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)采礦與修復(fù)同時(shí)進(jìn)行，減少了損毀土地處于破壞狀態(tài)的時(shí)間，加快了復(fù)墾進(jìn)度，為礦區(qū)生態(tài)重建創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。安太堡、安家?guī)X露天礦區(qū)各復(fù)墾排土場空間布局如圖4 所示。

圖4 安太堡與安家?guī)X煤礦區(qū)主要排土場分布Fig.4 Distribution of the main dumps in the Antaibao and Anjialing coal mining areas

5.2 土地復(fù)墾單元?jiǎng)澐?/h3>

排土場作為最典型的礦區(qū)單元，是體現(xiàn)土地復(fù)墾效果的主要載體。依據(jù)煤礦區(qū)實(shí)地調(diào)研及Sentinel-2 遙感影像圖，將研究區(qū)劃分出若干個(gè)相對(duì)均質(zhì)的土地復(fù)墾地塊單元，即土地復(fù)墾模式、重建植被類型、復(fù)墾年限均一致，且集中連片區(qū)域。

平朔煤礦區(qū)各排土場主要的重建植被類型包括草地、喬木林地、灌木林地和喬灌混林地4 種類型。依據(jù)各植被類型下土地復(fù)墾發(fā)展期與穩(wěn)定期劃分結(jié)果[42]，喬木林地、灌木林地、喬灌混林地和草地的土地復(fù)墾發(fā)展期分別為15、12、13、9 a。即以2020 年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算，將喬木林地、灌木林地、喬灌混林地和草地分別在2004 年、2007 年、2006 年和2010 年及之前進(jìn)行土地復(fù)墾的地塊劃分為穩(wěn)定期地塊單元，將2005 年、2008 年、2007 年和2011 年及之后進(jìn)行土地復(fù)墾的地塊劃分為發(fā)展期地塊單元。

5.3 土地復(fù)墾管控模式修正

煤礦區(qū)土地復(fù)墾管控模式的施控對(duì)象為人，受控對(duì)象為動(dòng)態(tài)變化的礦區(qū)復(fù)墾土地生態(tài)系統(tǒng)。其修正機(jī)制是在學(xué)習(xí)掌握煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各要素發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過判斷土地復(fù)墾模式與生態(tài)系統(tǒng)演變機(jī)理的適應(yīng)性水平，從而識(shí)別不同土地復(fù)墾階段中生態(tài)系統(tǒng)自恢復(fù)潛力與亟待人工管理力度，為精準(zhǔn)投入不同土地復(fù)墾技術(shù)、方法、策略等提供直接依據(jù)。

根據(jù)土地復(fù)墾管控模式的劃分類型和順序準(zhǔn)則(表1)，結(jié)合煤礦區(qū)重建植被演替情景與不同植被類型下土地復(fù)墾關(guān)鍵階段(圖2)，以及土地復(fù)墾關(guān)鍵保護(hù)區(qū)識(shí)別結(jié)果(圖3)，將平朔露天煤礦復(fù)墾排土場集群區(qū)劃分成4 大管控模式(生態(tài)保育、生態(tài)管護(hù)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)重建)區(qū)域進(jìn)行修正管理，各土地復(fù)墾管理修正模式布局如圖5 所示。

圖5 煤礦區(qū)各排土場土地復(fù)墾管控模式分區(qū)Fig.5 Zoning of land reclamation management mode for each dump site in the coal mining area

生態(tài)保育管控模式主要適用于安太堡西排土場、西排土場擴(kuò)大區(qū)、內(nèi)排土場I 號(hào)場地和南排土場等早期復(fù)墾的排土場區(qū)域。由于平朔煤礦位于生態(tài)脆弱的黃土高原地區(qū)，區(qū)域氣候干旱少雨，生態(tài)環(huán)境及自然條件尤為脆弱[56]。該區(qū)主要實(shí)行以保護(hù)為主、消除人為干擾的生態(tài)保育管控模式。生態(tài)管護(hù)管控模式主要適用于安太堡內(nèi)排土場Ⅱ號(hào)場地、安家?guī)X南寺溝排土場、東排土場和西排土場等部分區(qū)域。該區(qū)域生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵在于充分依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)的再生能力，并實(shí)行關(guān)鍵生態(tài)要素的定期監(jiān)測與管護(hù)。生態(tài)修復(fù)管控模式主要適用于安太堡西排土場擴(kuò)大區(qū)、內(nèi)排土場Ⅱ號(hào)場地、安家?guī)X南寺溝排土場、東排土場和西排土場等部分區(qū)域。該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)與自我修復(fù)功能遭受破壞，需要加強(qiáng)人工積極引導(dǎo)，借助工程、生物措施，并加以實(shí)行生態(tài)管護(hù)與維護(hù)才能實(shí)現(xiàn)重建土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。生態(tài)重建管控模式只適用于安家?guī)X南寺溝排土場部分區(qū)域。該區(qū)域由于強(qiáng)烈的人為干擾因素，重建植被覆蓋度水平幾乎完全退化或消失。生態(tài)重建管控模式下應(yīng)考慮重新設(shè)計(jì)土地復(fù)墾方案，從“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組和保護(hù)”等各環(huán)節(jié)入手重塑煤礦區(qū)形態(tài)與功能格局，從而構(gòu)建一個(gè)與區(qū)域自然生態(tài)條件相適應(yīng)的煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。

6 結(jié)論

a.作為煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，重建植被在煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中表現(xiàn)出高效恢復(fù)至成熟、低效恢復(fù)至成熟、高效恢復(fù)而后退化、高效恢復(fù)發(fā)展、低效恢復(fù)發(fā)展與無效恢復(fù)等6 種演替情景。

b.不同復(fù)墾階段的生態(tài)修復(fù)特征存在很大的差異性，依據(jù)不同演替情景下重建植被的階段特征，可將土地復(fù)墾發(fā)展過程劃分為未復(fù)墾期、復(fù)墾初期、快速發(fā)展期、穩(wěn)定發(fā)展期、和成熟期等不同土地復(fù)墾階段。

c.在以保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)與人工修復(fù)相結(jié)合的生態(tài)理念下，加強(qiáng)煤礦區(qū)土地復(fù)墾管理要求尊重并順應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，并積極發(fā)揮人工支持引導(dǎo)作用。即依據(jù)煤礦區(qū)土地復(fù)墾過程中重建植被受干擾程度以及土地復(fù)墾模式待修正力度，合理安排生態(tài)保育、生態(tài)管護(hù)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)重建等4 種土地復(fù)墾管控模式，并依據(jù)重建植被演替特征落實(shí)具體管控措施。在不同復(fù)墾階段通過積極引導(dǎo)促進(jìn)土地復(fù)墾管理措施與錯(cuò)綜復(fù)雜的礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行相互適應(yīng)，進(jìn)而有望推進(jìn)煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)朝著健康、可持續(xù)方向演替發(fā)展。

d.在黨的二十大提出的高質(zhì)量發(fā)展背景下，新時(shí)代生態(tài)文明思想對(duì)我國礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)事業(yè)提出了新理念和高要求。遙感與地理信息技術(shù)的發(fā)展，為探索煤礦區(qū)土地復(fù)墾動(dòng)態(tài)監(jiān)測、評(píng)價(jià)與信息反饋提供了方法基礎(chǔ)和技術(shù)支持。同時(shí)，全球生態(tài)研究領(lǐng)域中基于自然的解決方案(Nature-based Solution)、適應(yīng)性管理、彈性思維以及生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力等先進(jìn)理念的相繼提出，也為礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供了更多新穎的視角。加強(qiáng)時(shí)序遙感數(shù)據(jù)在礦區(qū)土地復(fù)墾及其管理基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用，探索如何將國際先進(jìn)理念應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐當(dāng)中，值得更多學(xué)者去深入研究。