煤矿复垦生物多样性保护与恢复研究进展

高军

内蒙古广纳煤业（集团）有限责任公司 内蒙古自治区乌海市 016100

摘要：生物多样性为矿区生态系统提供了多种生态系统功能及服务，对改善矿区环境和可持续发展起着重要作用。

关键词：煤矿复垦；生物多样；保护；恢复

煤矿开采破坏了大量土地资源，造成植被受损、景观结构功能破坏、生物多样性降低等环境问题，已成为制约矿区可持续发展的重大隐患。土地复垦是采取整治措施使受损土地可供使用的活动，也是生物多样性恢复过程。所以研究煤矿复垦中生物多样性保护恢复，对促进矿区经济与生态环境的协调发展意义重大。

一、煤矿开采生物多样性保护

1、内容。表土是当地物种的重要种子库，为植被恢复提供了重要种源，保证了根区土壤高质量，包括良好土壤结构、较高养分等，以及更多微生物、土壤动物、土壤生物结皮。目前，矿区表土生物多样性保护的研究集中在土壤种子库上。土壤种子库是指土壤表面及土壤中所有存活种子的总和，在很大程度上代表了当地乡土植被独特的遗传基因及变异特性，是植被恢复后维持原有生物多样性最原始、最有效方法。利用土壤种子库潜在的自然恢复力建设煤矿废弃地景观，能节约成本，并取得较好恢复效果，更有利于原土壤种子库种子萌发形成的植被向原植被的演替。

煤炭开采不同阶段的机械施工、采矿地塌陷、表土剥离存放等，会造成矿区不同地段土壤与上下层土壤混合及压实，破坏土壤种子库，还会严重破坏土壤动物群落结构。土壤动物参与土壤有机质的分解、植物养分循环等；它对土壤理化性质的变化、土壤结构形成、保持及生态系统的可持续发展起着重要作用；此外，土壤动物的活动能力弱，迁移范围小，与周围环境关系相对稳定，是相对稳定的综合环境因子，尤其在受人为活动影响较大的地区，环境反射比植被反射强。研究煤矿开采前后土壤动物群落结构变化，对加强煤矿区生态环境恢复和重建有一定意义。

生物土壤结皮一般生长在降水量少、多为小雨、降水时空差异大的环境中，是干旱半干旱沙漠地区最具特色的生物景观之一。大面积采煤对风沙区土壤生物结皮有很大破坏作用。保护表土资源中的物种是煤矿生物多样性恢复的基础。当前，大多数研究仅集中于对土壤种子库类型、数量、地表植被关系等常规静态研究上。然而，对矿区地表生物中土壤动物、生物土壤结皮、植被的时空格局动态和干扰因素研究相对薄弱。

2、技术。矿区表土资源含有丰富的生物多样性信息，是矿区植物生长载体。优化煤矿开采工艺，实施边采边复开采技术，减少开采对生物多样性的影响，是保护矿区生物多样性的有效措施。

边采边复强调开采、复垦技术的充分结合，确保采矿计划同步执行。美国、西班牙等国家早已采用边采边复露天煤矿开采技术，一方面，减少了开挖占用的土地面积，保留部分矿区原有生态环境；另一方面，由于及时的边坡复垦，植被能及时种植，增加物生长周期，矿区生物多样性可更早恢复。种植植被根系还能提高排土场边坡抗剪强度，提高边坡稳定性，减少水土流失。通过优化排土场和采坑基础设施布局，在矿区开采时构建防风缓冲带，营造田间空闲地，建设生物廊道等生物多样性规划设计方案，减少露天开采对土壤及生态环境的破坏，保护生物多样性。边采边复实质是基于采前分析、采矿动态破坏预测、复垦虚拟仿真的多阶段多参数驱动的复垦方案优化技术，主要适用于高潜水位矿区。基于地下开采方案的地面边采边复技术及地面措施充分耦合边采边复技术是高潜水位矿区最重要的两种边采边复技术。但对其他矿区，尚未形成一套完整的边采边复技术，今后要加强对各矿区开采条件、开采工艺等的研究，明确复垦边界，优化复垦时机，确定覆土厚度，是今后边采边复技术研究重点。

二、煤矿复垦阶段生物多样性恢复

1、生物多样性恢复影响因子

①生物间正相互作用。由于分享有限资源，生物间存在着广泛的竞争关系，然而，随着大量野外胁迫环境研究的开展，人们发现在恶劣环境中生物间存在着互惠的正相互作用。胁迫梯度假说(SGH)认为，环境胁迫度增加将导致互利强度或重要性增加，竞争在低胁迫环境中起主导作用；在高胁迫环境中，互利发挥着更重要作用。

煤矿复垦区生态系统脆弱属于高胁迫环境，为更好地生存，物种间建立了良好的正相互作用关系。早期对种间互利的认识主要通过菌根和根瘤等，植物间的正相互作用主要是先锋植物。先锋物种的成功种植保护了其他植物幼苗，为林窗入侵种的入侵及生长创造了有利条件。豆科植物由于C/N低，分解后增加了土壤氮的积累，能适应缺水及贫瘠等条件，被选为矿区恢复前期的先锋植物。因此，生物间的正相互作用对揭示生物演变规律及制定有效的生物恢复措施具有重要作用。

②土壤质量与地形。土壤质量是影响矿区生物多样性恢复的主要因素，土壤肥力、pH值和有机质是影响土壤质量的主要因子。通过植被种群特征与土壤因子相关性研究发现，土壤有机质及全氮对乔木林地植被生物量影响最大；影响刺槐种群生长的土壤环境因子为pH、碱解氮、速效磷。随着矿区的演替，土壤质量的改善，土壤动物、微生物、土壤养分不断增加，野生物种的大规模入侵，土壤种子库的逐渐形成，以及群落物种丰富度、多样性、均匀度指数相应提高。植被恢复可提高土壤肥力，土壤动物及微生物作为分解者，参与土壤有机质的分解、矿化、腐殖质的形成，在土壤碳氮等关键元素的生物地球化学循环、土壤肥力形成与质量演变中发挥着重要作用。

除土壤质量外，煤矿废弃地形条件也是影响生物多样性恢复的关键因素。地形复杂度被认为是复垦后地形变化的重要指标，影响矿区局部照明、风向、水文格局，进而改变局部土壤性质，对生物多样性有重要影响。

2、生物多样性恢复内容

①土壤改良。地表是植物生长的介质、生物土壤结皮、土壤动物的生存载体，改善土壤团粒结构、pH值、保水保肥能力是生态复垦的关键问题之一。其中，回填表土是一种常用且最有效的措施，表土中具有良好的土壤结构和养分，包含当地物种的重要种子库及许多微生物和微小动物群落，然而这种方法很难在土源短缺的矿区实现。

随着生物资源越来越受到重视，利用植物、土壤动物、土壤微生物的生命活动及其代谢产物来改良土壤越来越受到重视。蚯蚓具有疏松与拌和土壤、增加土壤通气性及透水性作用；其排出的粪便富含有机质及微生物群落，能有效促进植物生长发育，已广泛用于矿区土壤改良。植被根系对土壤挤压、穿插、分割降低了其容重，根系分泌物可为根际生物提供氨基酸、维生素等养料，间接提高土壤酶活性，其枯枝落叶产生的有机残体可提高土壤肥力。菌根真菌的活动增加了活性微生物菌群，改善了根际周围微生态环境，显著提高复垦造林成活率。由于煤矿废弃物组成的多样性、局部地形条件差异、地带性变化、不同恢复利用目标，煤矿复垦土壤改良复杂，目前尚未形成系统的土壤改良理论和方法体系。在矿区土壤生物改良领域，先锋植被仍是改良土壤的主要方法，但先锋植被、土壤动物、微生物间协同作用对土壤改良效果有待进一步研究。

②植被重建。几乎所有自然生态系统恢复都以植被恢复为基础，植被恢复能构建矿区初始物种，还可恢复土壤结构及肥力，促进整个矿区环境及功能的恢复。植被适宜性筛选及植被模型配置构建是植被重建的关键。

植物种类的选择必须考虑其生态适宜性。通常，乡土物种适应当地气候，可与其他当地物种形成稳定的群落，并促进演替，因而常用于矿区生态重建。其中，抗逆性强、根系发育好、生长迅速、成活率高、土壤改良效果好、固氮能力强的物种常被选为先锋植物。通过研究不同恢复技术下植被及土壤因子的变化过程，发现不同土壤限制因子决定了不同植被类型。此外，植被群落多样性可促进生态系统的稳定，所以在植被重建时，除选择合适树种外，还应注意植被配置模式及种植密度。

参考文献：

[1]王培俊.试论井工煤矿边开采边复垦技术[J].煤炭学报，2016，38(02):301-307．