基于生态系统恢复十年的矿山生态修复思考

1 前言

全球范围内生态系统的退化和丧失在持续进行，致使物种和自然对人类的贡献也在丧失。Nicholson 等（2021）指出，迫切需要在2020年以后建立一个基于《生物多样性公约》的全球生物多样性框架的有效生态系统目标，以支持生物多样性保护、联合国可持续发展目标和减缓气候变化的努力。这个目标应解决生态系统损失和恢复的途径，包括保护受威胁生态系统的剩余部分，恢复其区域完整性。为实现这一目标，应对人类引起的生态系统退化、生物多样性丧失和气候变化，生态恢复（Restoration）的科学和实践正在迅速发展（Suding, 2011; Wortley, et al., 2013）。随着联合国（UN）宣布2021-2030年为“联合国生态系统恢复十年”（United Nations Environment Agency, 2019），越来越多的专家学者开始反思未来将生态恢复作为一门科学和实践。Martin（2017）指出，21世纪的生态修复应定义为：帮助退化、受损或被破坏的生态系统恢复的过程，以反映生态系统固有的价值，并提供人们重视的商品和服务。生态修复是实现全球可持续发展目标的关键途径之一。矿区已被证实成为世界上陆地生物圈中恶化最严重的生态系统（Fan et al., 2003）。矿区生态系统是国际生态恢复领域持续关注的对象之一。

然而，在矿山生态修复中，目前存在这样一些问题需要考虑：（1）矿山生态破坏程度如何？（2）当存在不确定的修复轨迹时，哪个特定的参考状态适用于哪个修复位置？（3）在恢复生态环境中，如何决定哪些物种、功能或服务应该优先被修复？（4）采取何种方式修复矿山生态环境更合适？（5）矿山修复的各种社会、生态效益如何？诸如此类的紧迫问题，需要跨学科的认识和方法来解决，这就体现了从社会生态系统的综合视角来看待矿山生态修复的重要性，可为改善生态修复的过程和结果提供切入点。Fischer 等（2021）概述了社会生态系统思想的关键点及这些观点如何影响生态系统修复，指出：应使联合国生态系统恢复十年成为一项社会生态事业，要将社会-生态系统思维的复杂适应系统理论应用于相互关联的社会和环境现象，促进人与人之间以及人与自然间的动态“交互”，以此实现生态系统高效修复。基于此，本文系统分析当前对矿山生态破坏、修复目标、修复优先级别、修复方式及效果的相关研究成果，提出基于“联合国生态系统恢复十年”的矿山生态修复的思路。

2 矿山开采对生态的破坏和影响

矿山开采的强烈干扰会使周边生态系统在空间和时间上表现出较大的波动，对生态环境造成影响，甚至破坏生态系统结构和功能。分析矿山开采造成的扰动的严重性，即矿山破坏程度，是确定生态修复路径或目标决策的基础。Adator和Li（2021）系统综述了采矿对生态环境和经济的影响，表明采矿及其废弃物对土地、环境、水、土壤和空气的负面影响是巨大的，最终改变了整个生态系统（图1）。在做出适当的生态修复决策时，及时有效地判断负面影响是一个严峻的挑战。目前，对生态破坏或影响的研究包括生态脆弱性评价、生态环境损害评估、景观生态网络变化分析和景观生态健康评价等。

图1  描述采矿一般影响的概念化框架（Adator and Li, 2021）

生态脆弱性涉及生态系统的结构和功能，它是对生态系统干扰破坏程度和系统恢复能力的综合评估（de Lange et al., 2010）。Cao等（2022）构建了具有多尺度、多要素、多流向、多循环特征的生态脆弱性分析框架，在RS和GIS技术支持下，利用空间主成分分析（SPCA）和脆弱性评分图（VSD）模型，对神农架1996-2018年生态脆弱性的时空演变特征和驱动力进行全面定量分析。研究为评估生态脆弱性提供了一种有效的方法。Hou等（2021）认为，生态和环境损害评估是生态修复有效决策的重要工具，以黄土高原大同矿区为例，提出了基于地面沉降预测、地理信息系统和野外调查的综合空间预测方法，结果表明，生态和环境损害的程度取决于风险因素的组合，而不是单一因素或评估目标。Wu等（2021）指出，露天采矿导致一系列景观生态干扰和生态环境问题，景观生态网络在维持生态平衡、保护生物多样性、防止污染扩散、增加景观连通性等方面发挥着重要作用，提出了控制露天采矿对景观生态影响的景观生态网络框架，采用最小累积阻力模型模拟景观生态网络，构建基于多调节整合的阻力面，有助于改善矿区的景观功能。Xu 等（2021）同样应用最小累积阻力模型构建景观生态网络，识别重要生态要素，并采用复杂网络方法分析黄土高原平朔露天矿区1986-2015年的景观生态网络时空特征，判断露天采矿对区域景观格局的影响。景观生态健康（Landscape Ecological Health, LEH）是为了探讨在人类活动干扰下，被严重污染和退化甚至可能消失的景观的健康问题（Yu et al., 2002）。Wu 等（2019）从生态学、景观生态学、采矿学和地理学角度构建了一个新的生态健康评价模型——条件、活力、组织、恢复力和生态系统（CVORE）模型，对锡林浩特市景观生态环境进行系统评价，为半干旱草原矿业城市的景观生态恢复、生态环境保护和城市规划提供了一种新的LEH评估方法。

3 生态修复优先级确定

矿山生态修复是一项相对高价和长时间的工作。然而，与有限的资金相比，因矿山开采而退化的生态系统数量众多。因此，矿山生态修复优先级的确定是确保有限资金可以投入到更关键领域，以保证生态修复过程有序和高效的关键（Menzet al., 2013）。2000年以来，生态修复优先领域的研究逐渐成为恢复生态学的主要内容之一。优先研究对象主要是森林、海洋、河岸缓冲带和湿地中的退化生态系统，而针对矿区的研究成果相对较少。Hu等（2018）确定了310个采煤塌陷区，根据生境质量、生物多样性服务当量和景观连通性，将恢复优先度分为5个等级。这种生态修复优先级的确定体现了“生态优先”的原则，并展示了如何将整体观点应用于地方实际行动。Bernardo等（2020）为探讨多个恢复目标和生物群落之间的相互作用，提出一个多准则优化框架（PLANGEA）来确定全球优先恢复区域，并量化生物多样性、减缓气候变化和成本之间的权衡和协同作用，明确解释了恢复结果的生物群落差异，并将其应用于全球所有陆地生物群落。

图2 全球恢复在生物多样性、减缓气候变化和成本最小化等多准则下的优先区域（Bernardo et al.,2020）

4 矿山生态修复目标

采矿及其他人类活动导致生态系统的完整性遭到破坏，生物多样性丧失，土地退化加速。因此，生态修复必须包括有助于逆转生态系统退化的各个方面（Ahirwal and Maiti, 2021）。传统意义上，扰动前的区域状况是大多数修复目标的基础（Jackson and Hobbs, 2009；Hall, 2010），生态修复的目标是重建干扰前的生态系统功能和土壤质量指标（Munoz-Rojas, 2018; Lamb, et al., 2015）。因此，在恢复生态学中，历史或干扰前的自然参考生态系被认为是生态修复的目标（Ahirwal and Pandey, 2020）。2004年的《生态恢复初级读本》（Society for Ecological Restoration, 2004）建议使用历史信息（包括破坏前的现场描述、历史航空影像和古生态学证据以及当代生态学知识）建立参考生态系统——作为生态修复目标的原生生态系统依据（Gann, et al., 2019）。

然而，最近几项研究对历史信息在生态修复目标中的作用提出质疑。其中的问题包括：历史记录和当今生态系统之间存在生态变迁，一些生态系统的组成部分不能简单地恢复到原来的形态（Ahirwal and Maiti, 2021）。Higgs等（2014）认为，虽然历史信息为恢复前的扰动状态、演替路径和可变性范围提供了背景，但历史条件本身并不是最适的修复目标。相关研究也表明，严重退化的采矿后景观是新的或设计的生态系统，没有相应的自然类似物或参考生态系统（Ahirwal, et al., 2017; Mukaro, et al., 2017）。Robert（2012）指出，生态修复应从“恢复到人类未曾触及的某个先前状态”转变到“恢复到一个新的、独特的、更广泛意义上是健康的状态，即在活力、组织结构和恢复力之间保持最佳平衡”。Willis（2021）在探讨人类世生态系统视角下采矿后生态修复指标和终点中，给出了基于人类世生态系统的恢复指标和终点的框架（图1）。首先，它强调有必要了解采矿活动造成扰动的严重性，以此作为恢复路径或目标决策的基础；若恢复目标可行，可以选择主动恢复和自然恢复；若恢复不可行，则新的生态系统、混合生态系统和设计的生态系统是生态修复的目标。

图3 采矿后生态恢复目标选择框架（Willis, 2021）

5 生态修复规划

生态修复对于减缓全球生态退化具有重要意义。然而，目前实施的多数矿山生态修复项目都是针对单个生态系统或单一尺度的生态问题，这些措施能够成功地解决小范围内的生态问题，但无法扭转大范围的生态退化趋势。尤其在中国，矿山生态修复的实施和管理长期以来呈现出强烈的工程化特征。为促进宏观生态修复目标的实现，我国开展了系统的政策探索，如生态文明建设、部门职能整合、“山水林田草保护与恢复”工程等。其中，影响广泛、全面实施的是“国土空间生态修复”（LSER），旨在将系统性和整体性的概念、理论和方法纳入生态修复。尽管LSER的目标明确，但由于缺乏实践经验和科学研究总结，其实施路径尚不明确。

Han等（2021）提出了基于“P-S-R”视角和景观、生态、GIS方法的LSER规划策略多尺度评估框架，在江苏长江经济带进行了实际应用，以渔网尺度为数据计算单位，以镇、县、区域为决策尺度，建立了分级评价和决策体系，确定了乡镇尺度的生态工程类型、区域尺度的修复优先级，形成以区域生态网络为整体恢复格局的决策依据，以县级LSER分类为规划目标和任务分解的标准。Gao等（2022）以“诊断全自然要素基础—守护自然安全边界—自然要素综合保护与修复”为逻辑主线，在中国典型喀斯特地区全面构建空间生态安全格局，基于生态系统服务功能和生态敏感性提取生态源地，综合考虑生境质量和人类活动的影响，构建生态阻力面，根据回路理论识别生态廊道、夹点和屏障等关键生态要素，在生态安全格局的基础上优化山、水、林、田、湖、草的生态保护和修复格局，确定保护和修复的优先区域，划定生态控制区，提出生态控制的分区策略。研究结果为生态系统综合恢复与规划管理提供科学指导。

图4 生态修复规划中的生态安全格局构建框架（Gao et al., 2022）

6 生态修复方式

目前的矿山生态修复方式主要包括人工修复（或主动修复）和自然恢复（或被动修复）。人工修复（或主动修复），是指依靠人工干预或诱导达到生态修复的相关目标，也是生态修复的最基本方法；自然修复（或被动修复），是指不依靠人工干预或者以最小化的人工干预措施达到生态恢复的目标。Jones等（2018）对全球400项记录了从大规模干扰（如石油泄漏、农业、采矿和伐木）中恢复的研究进行了综合分析，结果表明，尽管生态系统在干扰后正朝着恢复的方向发展，但它们很少能完全恢复。这一结果加强了对完整生态系统的保护，将其作为保护生物多样性的关键策略。扰动结束后，恢复速度随着时间的推移而减慢，这表明恢复的最后阶段是最难实现的。主动恢复并没有比简单地结束生态系统面临的干扰带来更快或更完全的恢复。扰动后主动恢复缺乏一致的附加价值，这表明被动恢复应被视为第一选择；如果恢复缓慢，则应更好地定制主动恢复行动，以克服恢复的具体障碍并实现恢复目标。

基于自然的解决方案（NbS），要求更为系统地理解人与自然的关系。2019 年 9 月，联合国气候行动峰会确定 NbS 为全球六项重要行动之一，并由中国和新西兰担任 NbS 行动的牵头国家。峰会发布了世界 NbS 案例汇编，收录了近 200 个优秀的 NbS 提案和案例。中国生物多样性保护、生态红线划定和自然保护地建立等被收录其中。NbS的相关理念、准则、方法、工具及一系列成功案例，对新时期我国山水林田湖草生态保护修复理论发展与实践应用，具有重要的启示和借鉴意义（白中科，2022）。Song 等（2019）系统总结NbS的主要特点、关键技术选择、相关案例研究、局限性以及城市污染土地修复和棕地再开发的未来趋势，为未来研究提供政策启示与建议。

图5 基于NbS的城市污染土地修复和棕地再开发概念框架（Song et al., 2019）

7 生态修复效果

生态修复效果评估是衡量生态修复工程实施效果的重要环节，能为改进生态修复工程提供重要参考依据。Yuan等（2022）构建了一个多尺度、多维度的露天煤矿生态恢复效果评估模型（图6），选取了植被覆盖度、净初级生产力、土壤侵蚀和固碳效应四个指标，将研究区划分为两个不同的尺度维度，即生态工程区和生态影响区；此外，在更宏观的层面上充分考虑了生态修复工程对周围环境的影响，探讨研究区生态修复工程的实施效果进行了评价。结果表明，研究提出的多尺度、多维度的露天煤矿生态恢复效果评价模型能够准确表征高露天煤矿的恢复效果，可作为未来矿区生态建设的重要评价工具，为矿区的生态恢复和绿色发展提供科学依据。Adator和Li（2021）系统综述了采矿后土地恢复和利用对环境和经济的影响，表明复垦是一种可行的方法，能够减少废弃矿区的负面影响，并确保矿区废弃地的高效利用。

图6露天矿生态修复效果评估模型（Yuan et al., 2022）

图7 矿区恢复效果图：(a)原矿区废弃地，(b)已修复2年的土地， (c)已修复5年的土地（Zhou et al, 2015）

8 结论

在联合国宣布2021 - 2030年为“联合国生态系统恢复十年”的大背景下，生态系统恢复越来越被视为保护生物多样性和稳定全球气候的核心。矿区生态系统作为国际生态恢复领域关注的重点对象之一，其逐渐从局域自然生态单要素修复演变为全域“社会-生态”复合全要素修复，修复方式也从单一过程的“末端治理”走向生命共同体全过程系统耦合修复。基于生态系统恢复十年，充分认识矿山生态修复中矿山开采对生态环境的破坏与影响、矿山生态修复的优先区域、修复目标与规划、采取何种修复方式以及修复后的效果等各个环节，对于提升矿山所在区域生态系统质量和稳定性具有重要意义，顺应从“矿山土地复垦”、“矿山地质环境恢复治理”提升至“区域生态功能修复”的发展趋势，矿山生态修复工作要与自然生态系统变化格局和趋势相匹配，引导矿山生态系统基于NbS进入自恢复和自维持状态，强调生态修复的整体性和系统性。此外，矿山生态修复除了恢复生态环境，还需要处理复杂的经济社会关系，使生态系统恢复十年下的矿山生态修复成为一项社会生态事业。