矿山生态修复研究进展——基于连续三届的世界生态恢复大会报告

(2) 矿山生态修复监测技术

矿山土地复垦与生态修复工程浩大,而工程结束恰恰是植被生长、土壤质量提高、系统演替和稳定的开始,这就意味着矿山土地复垦与生态修复必须进行长期监测。只有通过长期监测,才能判断生态修复工程的成功性。然而,很多国家学者都指出本国修复工程缺乏有效监管和长期监测。中国的矿山土地复垦与生态修复也存在类似的问题。

在过去三届大会上,关于生态恢复监测技术方面的研究较多,主要涵盖了社会监督、国际协议,还包括信息网络、物联网、大数据、移动客户端(APP)等监测技术的联合使用,还包括从结构和功能的监测到过程和性能的监测的重心转变、建立国际生态恢复监测统一标准和程序等等。生态恢复监测的指标、植被等特定要素的监测、生态恢复的驱动力监测等是探讨的重点。3S技术(GIS、GPS和RS)、物联网技术、无人机技术、大数据技术以及社交网络媒体技术是研究的热点。

(3) 本土物种保持与特定污染的土壤修复技术

在矿山植被恢复中,普遍主张栽植本土物种,从而防止外来物种的侵入。然而,近年来由于气候变化,有一种观点认为引入非本土植被更能适应气候变化。澳大利亚学者通过试验表明,本土植物的适应性更强,外来物种对气候变化响应并没有优势,这印证了“local  is  best”的观点。除此之外,还有不少国家的研究人员探索了应当如何有效修复本土植物。例如,智利巴塔哥尼亚地区露天煤矿探索种植本土假山毛榉的可能性;美国阿巴拉契亚山区露天煤矿修复时种植大量草和豆科植物以防止侵蚀和保证场地稳定,然而动物啃食等扰动导致本土双子叶树侵入,这不利于水土保持,研究发现增加土壤密实度可减少灌木和乔木的侵入;印度切利亚煤田研究种植本土树木等。也有一些国家学者介绍本国矿山生态修复在控制外来物种侵入失败的案例,建议要加强对生态恢复的监测。

金属矿山修复中重金属污染的控制和修复一直是学者关注的重点。研究案例的场地有美国遗弃的铀矿场、南非金山金矿尾矿场、刚果加丹加省铜钴采矿采场、秘鲁亚马孙东南铝矿场、澳大利亚铁矿场等。修复的方法包括隔离、覆土、地貌重塑、本土植被吸附等。有学者提出应当建立生物可利用砷的主导度量方法、选择抗砷金属强的植被、监测土壤砷迁移的技术体系。还有学者认为,用无人机定期监测场地重金属污染物迁移是一个好的污染控制办法。澳大利亚的研究人员认为铁矿场地的修复必须引入生态生理学(Eco-physiological)和生态水文学方法(Eco-physiology),美国的研究人员认为污染土地的修复中,恢复生态学和环境毒理学(Environmental  toxicology)起到了关键作用。

(4) 应对全球气候变化的矿山生态修复新思维

全球气候变化对所有尺度的生态系统及其要素都可能产生影响。矿山土地复垦与生态修复规划、设计、实施以及管理中如何考虑影响这种影响,受到各国学者的热议。议题之一是全球气候变化产生的极端气候如洪灾、旱灾等自然灾害对已修复生态系统的冲击效应以及如何提高该生态系统应对这些变化的恢复力。议题之二是温度异常升高或降低对植被生长的影响,以及物种筛选和种源策略。例如,澳大利亚干旱矿区植被恢复的主要挑战是气候多变、关键物种生长缓慢,木本植物却很难再生。研究发现种子发芽的阈值与降雨、温度有关,土壤含水量的时空变化可能制约了植物修复的效果。议题之三是通过长期监测数据来证明现有修复工程是否具备恢复力。例如,澳大利亚西南正经历着显著的气候变化,1975—2004年降雨量相比1900—1974年减少了14%,而矾土矿区红柳桉林地恢复的长期记录为检验气候影响提供了很好的信息。研究表明,气候变化对恢复有负面作用,但是影响规模并不是很大,受影响的场地占恢复场地的比例小于二分之一,因此,矿山修复对气候变化具有抵抗力。

(5) 矿山生态系统服务价值

2005年,千年生态系统评估项目报告发表后,生态系统服务价值的研究不断升温,近年来这个热点也传导到矿山生态系统修复中。例如,美国学者认为,矿山生态恢复是可持续采矿和复垦的结合,要体现经济可行、生态温和与社会期待,综合的恢复方法包括景观地形设计、河流重建、土壤重构、原始动植物通过替换种子库,创建微观和宏观生境,以及本土物种的种植和播种等措施来恢复。生态恢复的效益很多,包括被提高的土地价值、碳信用潜力、促进矿山资源开采利益相关方的合作、更好的水域保护和水质量,以及更好的生态系统服务等。来自中国的学者评估了关闭矿山社会生态系统恢复力及服务价值。蒙古草原深沙矿生态群落的恢复效果评价中采用了服务价值指标。德国矿山生态景观自然恢复可行性评价中也考虑了生态系统服务如侵蚀控制或饲料生产等指标。美国学者提出文化服务价值的恢复应该受到矿山生态修复的重视,应将本土文化和现代文化有机结合,保护本土文化有特殊意义,所以生态恢复中要关注“本土现代性”(Indigenous  modernity)。可见,矿山生态系统修复的服务价值开始逐渐受到重视。

4 新观点

4.1 自然恢复和人工恢复的选择标准需要探索

自然修复(Spontaneous restoration)或被动恢复(Passive  restoration)是指不依靠人工干预或者最小化的人工干预达到生态恢复的目标,但是这种恢复方式一直受到质疑。相比之下,人工修复(Artificial  restoration)或者主动修复(Active  restoration)的原理和技术是研究的重点,也被认为是矿区生态修复的最基本方法。然而,最近三届世界生态恢复大会上,自然修复和人工修复的选择成为争论的焦点。

捷克、澳大利亚、加拿大、德国、秘鲁、阿根廷、菲律宾等国的矿山生态恢复学者调研了本国早期和近期修复的矿山生态系统,并与没有受到采矿扰动的系统进行比较,发现近期人工修复系统的生物量比自然恢复系统恢复的快,而且土壤质量恢复的好,碳储量也大,但是随着时间的推移,自然恢复区生物多样性更好,自然演替的效果也强于人工恢复区。捷克、德国学者认为,在中欧地区的破坏严重的矿区,采用主动修复是必要的,其他条件下,应依赖近自然恢复,因为近自然恢复场地生物多样性更高,自我维持能力更强。德国学者研究认为,是否采取自然恢复手段取决于周边景观状况、历史、地区物种池中本土物种或者外来物种的共享、损失生境的快速补偿的必要性、以及有关的生态系统服务如侵蚀控制或饲料生产。但是,阿根廷、南非、秘鲁等国家学者却得到不同的结论,例如南非金山金矿场尾矿库种植的植被难以长期稳定,必须人工定期干预才能维持稳定性。对秘鲁金矿山废弃自然恢复场地植被结构的调查发现,不同恢复年限下,植被结构差异很大,且植被恢复较慢,需要主动恢复。由此可见,矿山生态修复中,自然恢复和人工修复两种策略的优劣还需要继续探索。

4.2 矿山生态恢复需要引入恢复力理论

矿山土地复垦和生态修复的核心不仅是治理破坏的植被或者退化的土壤,而且还应该建设生态系统恢复力,这一观点得到越来越广泛的认识。但是,矿山生态系统恢复力针对的扰动类型却存在不同观点。很多学者认为,矿山土地复垦和生态修复针对的就是采矿扰动,如沉陷、裂缝、滑坡、地下水破坏以及污染等。然而,有的学者认为这种看法必须改变。例如,加拿大油砂矿区的阔叶林生态系统的结构和功能十分复杂,且受到地形、土壤、植被和外在扰动等多种因素的影响,这个阔叶林生态系统是一个自适应系统。重建有恢复力的系统需要了解这个系统的自然演替、相互作用以及动态性。因此恢复力应包含两种能力,一是从采矿扰动的恢复能力,二是从未来扰动中恢复的能力。据此,来自加拿大的研究人员提出恢复力建设的途径,包括：1)重新建立与地形、土壤相匹配的树种多样性;2)使用定植苗技术来提高抗压能力;3)利用表土和林地表层物质来促进多样的、自然的林下植物群落的演替;4)利用粗木制材料来迅速启动关键生态过程。另外,有学者认为目前提高土壤恢复力、植被群落恢复力、景观恢复力等的路径仍不清楚,澳大利亚学者还呼吁应重新定义Revegetation、Rehabilitation和Restoration,以利于明确恢复力建设的目标。

4.3 矿山生态修复需要重视新型矿山生态系统的设计及研究

随着生活水平的提高,人们对精神文化、环境质量的要求也逐渐提高。早期矿山土地复垦与生态修复强调耕地复垦和高经济效益,近来逐渐增加了对风景和休闲娱乐等生态服务价值的重视。新的恢复目标和方式完全改变了原有系统的结构和功能,被修复后的系统往往成为新型矿山生态系统。如何规划、设计新型生态系统并保证它的恢复力,是参会代表讨论的重点之一。例如,有的学者认为,新的生态系统,无论是偶然的还是特意设计的,都是由人类衍生出来的景观和文化。在那些高度改变的景观中,规划和设计可以提升文化和美学品质,同时也增加生物与自然的相关性。也有相似的观点认为,仅仅保证生态和景观系统的持续性还不够,应在寻求增加生态效用的足迹时,将之建设称为生态功能再生的场所。

5 未来趋势

从连续三次世界生态恢复大会关于矿山生态系统恢复的论文与报告来看,矿山生态系统是世界生态恢复研究的主要对象之一。植被、土壤和水的修复是矿山生态修复的核心主题,系统性、大尺度的生态恢复将是研究的重要方向。自然恢复的方法和技术将成为研究热点,矿区社会生态恢复力建设将逐步受到重视,确保矿区生态系统的可持续性是这些研究的共同目标。