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1、收稿日期:2003-08-14;修订日期:2003-11-19基金项目:国家教育部博士点基金资助项目(1999014513)。作者简介:尹德涛(1961-),男,辽宁省营口市人,在读博士,副教授,主要从事矿产资源开发影响评价、旅游地理等方面的研究。E2mail:yindetao 矿区生态研究的现状及发展趋势尹德涛1,2,南忠仁3,金成洙1(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110004;2.沈阳师范大学旅游管理学院,辽宁 沈阳110034;3.兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州730000)摘要:矿区是由资源、环境、经济和社会等子系统构成的复杂生态系统。从矿区生态环境问题、土地复垦与生态
2、恢复方法、矿产资源综合利用、可持续发展、矿产资源利用规划、生态恢复技术、土壤生态环境与生物生态、矿区地球化学、矿区生态系统、矿区景观生态、法律法规和政策研究等11个方面总结了矿区生态研究的现状,提出了矿区生态研究的发展趋势。关 键 词:矿区;矿区生态学;矿区生态重建中图分类号:Q149 文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2004)02-0238-07 矿区是由资源、环境、经济和社会等子系统构成的复杂生态系统。从生态学角度看,矿区属于自然人文复合生态系统。从空间上看,矿区包括矿业生产区,依托矿业生产形成的城镇或其他居民点,以及农业、畜牧业、林业、渔业等生产区。矿业生产区有的是集中连片
3、分布,如大型铁矿山和露天煤矿;有的分散于一定地域内,如石油油井等;有的分布于人迹罕见的自然条件恶劣的地带,如沙漠中的油田;有的分布于人类密集的地带。矿区生态研究和实施在矿业生产的不同阶段有不同的侧重。开采中的矿区主要考虑充分利用有利于保护和恢复矿区生态环境的技术,减少环境污染和破坏。开采后的矿区以恢复当地的生态环境为主要任务,消除矿业生产造成的环境污染和破坏,进行土地复垦和生态重建,充分利用当地的土地等自然资源。1 矿区生态研究的主要内容1.1 矿区生态环境问题研究1.1.1 矿区及其邻近地区的环境污染与防治由于矿产资源开发利用导致的环境污染和破坏非常明显,所以矿区环境污染及其防治成为矿区生态
4、研究中开展最早的领域。从最初关注矿产资源开发与生态环境保护研究,逐渐发展到矿区生态环境的恢复治理研究。研究内容涉及矿产资源开发对生态环境的影响,矿产资源综合利用政策,矿产资源综合开发利用与环境治理的政策等15。矿区生态环境评价与预测是矿区生态环境研究的重要内容。矿产资源开发的生态环境影响评价,应关注矿产资源开发与环境的关系及其对环境的影响、矿产资源开发的生态环境影响评价方法、矿产资源开发不利影响的减缓措施与对策6。地区矿业环境评价,是以采空区塌陷及地面沉降、矿业“三废”及污染源、地表水、地下水及大气为一级评价因子,对地区矿业环境污染状况进行定性和定量评价,查明矿区的主要污染源、污染物和污染类型
5、,并给出矿业万元产值废物和废液产生量7。矿区水环境问题主要表现为矿产资源开发造成的水体污染。煤矿开采诱发的水环境问题是煤矿排渣污染水源,地下水在动态的交换过程中被“有毒”或者“有害”的离子污染;地下水位不断下降,降落漏斗逐渐增大,酸性水范围增大,逐渐影响到周围的水源,威胁人们的正常生活8。矿区地下水资源的评价和利用也已成为矿区水环境研究的重要内容912。酸性矿山废水是全球采矿业面临的最严重的环境问题之一,目前在硫化物氧化机理及影响因素、重金属的迁移转化规律、酸性矿山废水污染的生态效应、水文地球化学模拟应用等5第24卷 第2期2 0 0 4年0 4月 地 理 科 学SCIENTIA GEOGRA
6、PHICA SINICAVol.24No.2Apr.,2 0 0 4个方面取得了较大的进展13。一些西方国家对矿区生态环境保护研究开展得较早,积累了丰富的防治经验,在处理可能的环境问题时,强调“预防优于治理”14。澳大利亚、德国等国家在矿业活动前后,都有相应的矿区生态环境保护与恢复的法规制度15,16。1.1.2 水土流失与地质灾害水土流失是露天矿区常见的生态环境问题。这方面的研究主要是分析矿业开发引起水土环境演化的机制,探讨调控水土环境的技术途径、工艺流程和技术17。对矿区水土流失状况的评价,是矿区环境保护和水土流失防治的重要依据18。矿区地质灾害在深大露天矿闭坑后表现的最为突出。大型露天煤
7、矿经历几十年的开采后,形成了陡峭的深大边坡,生产过程及闭坑后将可能诱发大量地质灾害19。在矿区地质灾害研究中已确定了矿山灾害学的研究模式、特征与方法20。1.2 土地复垦、生态恢复与重建方法研究中国在矿区土地修复与生态恢复的限制因素、矿区退化土壤的物理和化学修复、矿区金属污染土壤的植物稳定和提取修复、矿区污染土壤的植物-微生物及动物协同修复、矿区土地修复的技术要求与管理等方面,有了一定的基础21,22。德国在煤矿区景观生态重建与土地复垦过程中,确定了景观生态重建的目标和实施体系,即景观生态重建的保障体系是法律手段,控制体系是规划手段,实施体系是技术手段。在矿区景观生态重建与土地复垦的理论研究方
8、面,分别开展以经济利用、景观结构及可持续发展为主导思想的理论研究。其经验是:健全法制;分清责任,各司其职;建立完整的规划体系;重视公众参与,在环境可接受的前提下,实现社会的可接受性23。在矿区土地复垦中,应用生态环境重建理论,做好塌陷地土地复垦科学规划;因地制宜,选用高效的生态复垦与环境重建方法与技术;采用推高填低整平复垦种植措施;常年积水的浅水位塌陷地实施水冲沉淀造田,建设高效农业养殖区;煤矸石充填复垦造地,用粉煤灰充填塌陷地、复垦造田,发展农林种植业;制定复垦远景规划24。露天煤矿土地复垦及生态重建规划,需要对排土场和采场的生态重建和复垦土地的利用方向作出具体的规划。工程复垦包括土壤重构和
9、地表整形。为了最大限度地减少复垦费用,把工程复垦内容纳入采矿计划之中,统一规划、统一管理,使开采程序和排土程序根据土地复垦的要求作出相应的调整。复垦地土壤改良和熟化,可采用种植豆科牧草进行植物固氮和施入粉煤灰改良土壤的办法,以加速土壤的熟化,提高土壤肥力。植被重建选择适生植物时,需要根据当地的自然条件和立地条件,选择成活率高的植被,使植被按自然演替规律稳定持续发展。复垦土地再利用是根据各排土场的立地条件及矿区的自然条件,遵循因地制宜的原则,选择具有最佳效益的利用方向。在干旱少雨的矿区,灌溉系统是非常重要的因素,利用污水处理厂出水进行灌溉,具有直接和间接的经济效益25。对矿区塌陷地可以实行梯次动
10、态复垦,根据采区内煤层赋存状况,合理布局回采工作面,厚薄煤层交替配采,使地表塌陷呈梯次动态变化。塌陷区综合治理应分别规划。对浅部块段先行复垦还田;中部块段休耕期同治,挖深垫浅;形成精养鱼塘,发展水产养殖业;深部块段用固体废弃物充填,覆土后用于开发经济林地26。塌陷地土地复垦要建立健全多元化投资机制,因地制宜,采用多种方法进行高效复垦;规范塌陷地土地权属管理27。在金属矿区,生态重建的基本原理和方法是稳定化处理和植被恢复,可采取覆土植被生态重建模式和直接以恢复植被为主的生态重建模式28。要着重对废石场的农业复垦进行规划和技术、经济评价,可采用淤泥覆土29。矿区废弃地生态恢复与重建的主要问题是矿区
11、废弃地基质改良、土壤侵蚀控制和植物种类的筛选,关键是在正确评价废弃地类型、特征的基础上,进行植被的恢复与重建,进而使生态系统实现自行恢复并达到良性循环30。土壤生物肥力水平是成功地进行矿业废弃地土地管理的关键因素之一,是矿区废弃地生态恢复和治理的重要指标。矿区废弃地的土壤生物群落具有一定的组成及功能,矿业废弃地特殊的生境对土壤生物群落具有重要的影响,矿区复垦土壤,微生物区系会发生会明显改变,需要加强对矿业废弃地生态恢复的土壤生物管理工作31,32。1.3 矿产资源综合利用研究矿产资源综合利用是实现矿区生态环境保护、恢复和建设的重要途径。对矿产资源、废弃资源、水资源等合理的规划及多种途径的开发利
12、用,能使矿山生产活动对矿区生态环境的影响减少到最低9322期 尹德涛等:矿区生态学研究的现状及发展趋势 限度。同时,采取适当的措施会取得显著的经济及生态效益。铁矿石资源的综合利用包括:在开采阶段对表外矿石的利用、对小矿体和小矿块的合理回收利用,对境界外矿石的回收、周边矿石的开发利用;在选别阶段,采用大块矿石预选抛废技术减少矿石损失与贫化,尾矿中磁性铁回收;废弃资源的利用主要是废石资源的开发利用和尾矿砂的综合利用33。俄罗斯的米哈伊洛夫卡采选公司将露天矿的排水用作选矿用水,以减少对地面水体的污染;为减少尾矿库扬尘,建筑截流坝,可部分提高尾矿库水位,减少尾矿库占地面积,对未淹没和未灌水的地段进行生
13、物固结,改造选矿厂的除尘系统;完善矿井水排水工程,以便将矿井水利用于选矿工艺中,减少污染物排放量;完善切尔纳河的调控工程系统,以减少向河中排放污染物,并利用沼泽地作为排土场34。非金属矿产资源合理利用的主要对策是加强矿产资源管理、开源节流、建立合理的价格体系、走集约型资源综合利用之路35。煤矿区规模化生产煤矸石砖,减少矸石山压占土地(耕地)36。1.4 可持续发展研究这方面的研究是以可持续发展的观点,分析矿区资源可持续开发的制约因素和发展潜力,对矿区土地复垦与生态利用、矿产资源可持续开发和固废资源综合利用进行规划,提出矿区生态建设的重点工程37。矿产资源的合理利用和良好的生态环境是矿区可持续发
14、展的基础;提高矿产资源的利用率,做到矿山尾砂、废石以及废水废气的资源化和对周围环境的“无害化”是矿业生产的最大效益;保护矿区的生态环境是实现矿区持续发展的根本途径38。循环经济是推动矿区可持续发展的有效途径。循环经济要求以环境友好的方式利用自然资源和环境容量,实现经济活动的生态化转向,其技术载体是可持续发展技术,或称环境无害化技术和环境友好技术,可有效地缓解当前人类面临的人口膨胀、资源衰竭和环境退化三大危机39。矿区可持续发展需要进行矿区生态规划40。1.5 矿产资源利用规划研究矿产资源利用规划是为使矿产资源得到合理的开发利用,促进矿产资源勘查、开采、生态建设和环境保护协调发展,对矿产资源开采
15、实行总量调控、合理布局、科学分区41。增强矿产资源的忧患意识,建立集约型生态经济矿区,强化“废物”资源化系统工程建设。矿产资源总体规划将生态建设和环境保护置于优先考虑的位置,通过合理划定禁止开采区、限制开采区及允许开采区,实施矿山生态环境保护与恢复措施,构建生态型绿色矿业经济。在矿产资源得到合理开发利用和保护的前提下,使生态环境得到有效保护42。1.6 土地复垦与生态恢复技术研究矿区生态恢复技术随着土地复垦的发展不断进步,并取得进展42,43。土地复垦工艺有覆土和无覆土两种,复垦技术则包含生物复垦和工程复垦两个方面44。根据煤炭露天开采和井工开采对土地破坏的不同形式及特点,研究各种破坏类型复垦
16、的工艺方法、工艺流程,并提出具体复垦要求、标准以及在复垦工程中应采取的措施,使复垦工艺与矿山开采工艺和采、运流程紧密结合,使矿区复垦成为采矿工程中的重要组成部分。露采场复垦可采取浅采矿场复垦(采区的后来划分、表土贮存、回填与覆土),倾斜或急倾斜矿复垦(内排法),山坡路采场复垦。排土场复垦可采用工程复垦工艺(排弃物料的分采分堆、排土场主体构筑),生物复垦工艺(排土场顶部复垦工艺、排土场边坡构筑工艺、排土场覆盖工艺),林业复垦工艺。煤矿塌陷地复垦可采用充填复垦(煤矸石为充填物复垦工艺、以粉煤灰为充填物复垦工艺),非充填物复垦(高潜水塌陷区非充填复垦,中潜水塌陷区非充填复垦,低潜水塌陷区非充填复垦)
17、45。1.7 土壤生态环境与生物生态研究矿区土壤微生物生态研究是土地复垦与生态恢复技术的重要内容。在矿区土壤中,随着重金属污染程度的加剧,土壤微生物的总数下降,主要微生物类群(优势类群)所占比例亦有一定变化,土壤微生物各主要生理类群数量明显减少,土壤酶活性减弱,土壤生化作用强度降低。土壤微生物活性下降是矿区土壤生态系统遭受破坏的重要标志之一,也是矿区土壤微生物生态演变的重要因素之一。土壤微生物活性降低削弱了矿区土壤中C、N营养元素的循环速率和能量流动。在恢复一个受重金属污染的矿区废弃地土壤生态系统时,不仅要恢复地上部分的植被,还要恢复地下部分的土壤微生物生态群落,重建土壤微生物生态系统4648
18、。042 地 理 科 学 24卷矿区植物生态研究中利用各种重金属的耐性与富集植物修复重金属污染土壤是当前的研究热点,如许多种植物对砷具有极强的耐性和不同程度的富集能力,这对于砷污染土壤的植物修复研究与应用具有重要的意义49。另外,有关土壤种子库与矿业废弃地植被恢复研究50、豆科植物与矿业废弃地植被恢复研究51也都有一定的进展。矿区动物生态研究,如露天采矿对浣熊生存环境的影响52也有报道。矿区河流及水生生态研究,如矿业活动对河流中微生物、水栖生物、鱼类和水生环境的影响、危害及其评价5355均有较多的成果。1.8 地球化学研究地球化学在生态环境保护、环境评价、生态研究、新的洁净能源与矿产资源、矿产
19、勘查等方面具有一定的发展前景56。矿业开发对周围地区带来巨大的环境影响。矿山废弃矿石和脉石堆、矿山选矿废石、尾矿、冶炼熔渣、矿山酸性排水、土壤重金属元素、河流及其沉积物中的重金属、大气污染等都极大地影响了矿山地球化学环境和生态系统。甚至在矿山工业关闭后,长期的环境影响依然是一个重要的地球化学研究内容。环境方面的地球化学扰动和平衡,是进一步研究矿山环境地球化学的重要内容57。1.9 生态系统研究在20世纪5070年代,开始进行人为损坏的采石场(hard2rock quarries)、铁矿贮藏区(ironstonebanks)、高岭土矿尾矿(kaolin mining wastes)生态系统改善的
20、研究58。矿区生态系统是将生态学理论应用于矿区,结合工业生态学、产业生态系统(生态工业园)的研究成果,开展生态矿业59、矿产生态学60、矿业生态系统61、绿色矿业62,63的研究。展望21世纪,在矿业高效、清洁与连续采矿,矿山的数字化与智能化,矿业生态建设,现代矿业人力资源开发与管理等方面将会取得一定的进展64。依据矿区生态修复周期、自我修复能力、生态功能劣化程度、矿区生态治理(恢复)成本等矿区产业结构演变对矿区生态系统的影响的主要指标,分析开发初期、矿区形成期、矿区衰退期的生态特点,在矿区开发初期,利用生态效益与经济效益相结合的生态成本分析法,对矿区寿命周期内的生态效益和经济效益进行综合评价
21、,对造成矿区生态破坏的主要环节和关键因素进行控制。在矿区开发规划期,加强对矿区的生态规划与指导,对矿区开采过程中造成的生态系统的破坏程度与治理方案同时纳入生产经营系统。矿业开发与生态环境一体化是将矿山开发视为统一系统,对矿区生态环境存在问题及其原因进行综合分析。充分考虑系统内矿石开采、废石场、尾矿库等岩土工程及其矿岩氧化淋滤产生的毒害物质对矿区水土环境潜在而长期的影响,建立矿山岩土工程系统环境质量评价的指标体系,以改变矿山环境评价的传统方式,规范和监督矿山开采行为,实现矿业开发与环境保护的协调发展65。微生态系统研究是矿区生态系统的重要方面,如利用模拟池塘微生态系统开展长期暴露毒性实验,揭示尾
22、矿库湿地系统中重金属的生物毒性作用与生物可利用性。得到的重金属浓度与生物生长繁殖、微生态系统各组份间的重金属含量与尾矿砂中重金属含量、生物体内重金属累积与底泥尾矿砂中重金属浓度、种类和生物类属的相关关系,为矿山生态修复过程的湿地利用提供了重要的科学依据66。1.10 景观生态研究矿区景观生态研究已日益受到重视67,68。矿区景观生态规划应遵循整体优化、异质性、多样性、因地制宜、持续性、综合性6个原则;一般由确定规划范围与规划目标、收集景观资料、景观生态分类与制图、景观生态评价、景观生态规划与设计、景观生态规划实施和调整6个步骤组成;矿区景观生态规划常见的结构有耕作、水陆并举、水养、乡村综合开发
23、、水上游乐、绿化造林6个类型结构69。1.11 法律法规、政策研究矿区生态与建设的相关法律法规、政策研究,通常包括矿产资源开发利用的环境保护法律制度70,71、矿山环境综合治理与恢复的政策和对策72、建立矿产资源开采专项环境基金73、矿产资源开采中的供地方式74等。2 矿区生态研究的发展趋势2.1 矿区生态系统规划与设计要求对矿区矿产资源开发及其对自然、经济、社会的影响,做出科学准确的评价和预测。针对矿业开发的各个不同阶段,进行矿区生态系统的规划和设计,并保证其适时实施,以促进矿区生态环境1422期 尹德涛等:矿区生态学研究的现状及发展趋势 的保护与生态恢复或重建的科学性和有效性。矿区生态系统
24、规划与设计应该综合考虑矿区自然和人文各要素,应用景观生态学理论,结合各类自然和人文因子的时空分异规律,进行全面的区域生态系统规划与设计,明确矿区生态系统的生态功能分区和矿产资源开发各阶段的生态行动准则。2.2 矿区环境地球化学环境地球化学理论和方法能够为矿区生态环境现状调查、诊断提供确切的依据,是促进矿区生态系统恢复与建设的重要手段。开展矿区环境地球化学研究工作,将有利于准确把握矿区生态环境状况,特别是水土资源状况,从而为矿区土地复垦和生态恢复建设选择合适的植物,减少矿区水土环境污染对人类生活的危害,合理确定矿区生态环境保护与生态系统建设方向和步骤。2.3 矿区生态技术矿业生产生态工艺的应用,
25、能够减少矿产资源开发利用过程中对矿区生态环境的破坏和对生态系统及其组成成分的危害。矿区生态恢复和建设技术应用,能够使被改变或被严重破坏的矿区生态环境及其组成成分,得到恢复利用75,76。先进的矿业生态生产工艺,能够使矿产资源得到全面有效利用的同时,对生态环境危害最小,恢复最容易。先进的矿区生态恢复和建设技术,能够使破坏的矿区生态环境,在尽量短的时间内,得到全面有效的恢复。2.4GIS的应用GIS技术是矿产资源勘查与评价、矿区生态环境调查与质量评价、矿业生产规划设计和矿区生态系统规划设计的重要工具。GIS的应用,可以提高矿区的生态系统规划设计、环境地球化学研究、生态技术与工艺应用的科学性、有效性
26、和实用性。3 结 语矿区生态恢复是恢复生态学研究的重要领域之一。恢复不仅仅是关于生态的科学,它还包括与恢复相关的社会决策、恢复经济学、自然评价、政策与规划、教育与志愿社会服务,以及其他社会与哲学领域。这些研究领域都是矿区生态学应该积极关注的。中国矿区生态研究,特别是矿业废弃地复垦的理论研究、法规建设和实践方面取得了一些进展,还存在较多不足之处。根据中国国情,深入研究不同类型废弃地复垦的技术体系和模式、卓有成效的促成理论研究和实践的结合、修订完善现有的土地复垦与生态重建的政策法规是中国矿业废弃地复垦工作的当务之急。参考文献:1Schreck P.Environmental impact of u
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45、,2,NAN Zhong2Ren3,JIN Cheng2Zhu1(1.College of Resource&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang,Liaoning110004;2.School of TourismManagement,Shenyang Normarl University,Shenyang,Liaoning110034;3.Departmentof Geographical Science,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu730000)Abstract:Mining area i
46、s a compound ecosystem of nature and human,and composed by the subsystem of resources,environment,economy and society.The emphasis of ecological research varies at different activities.Before mining,plan and ecosystem design should be proceeded to reduce or avoid the harm to environment when mining
47、resources de2velopment.In the mining period,the best technique should be utilized to protect and resume the ecosystem of miningarea,reduce pollution of the environment.In post2mining area,the main mission is to recover the native ecosystem.The object of the ecological research in mining area is a co
48、mpound ecosystem.Because of the various kinds and distri2bution of mining resources,the complexity of the nature and human environment,the complicacy of the internal ofmining area,the different relation of mining area and its subsided area,all of these determine the complexity and syn2thesis of the
49、mining area,and environment and the ecological research in mining area.The ecological research in min2ing area also includes making policy with its related society,economics of resumption,the evaluation of nature,policyand plan,education,social service,and other society and philosophy realm.Key words:mineral region;ecology in mining areas;ecological rehabilitation in mining areas442 地 理 科 学 24卷