矿业废弃地:完善绿色基础设施的契机

2017-06-30 04:33:26

冯姗姗 / FENG Shan-shan

常 江* / CHANG Jiang

摘 要:绿色基础设施(Green Infrastructure,GI)概念的提出是21世纪欧美国家应对城市蔓延、促进城乡生态系统健康发展的重要手段之一。矿业废弃地作为一种生态系统严重受损的土地类型,经过生态恢复和重建,是连接中断的生态过程、恢复与重建城乡生态系统的重要土地资源,是GI网络构建的重要组成部分。从生物多样性、生态系统服务功能等角度阐述了矿业废弃地对于改善GI结构、提升GI功能的潜力和作用。通过案例研究证明GI规划是指导矿业废弃地生态恢复的有效工具。

关键词:风景园林;矿业废弃地;绿色基础设施;生态恢复

文章编号:1000-6664(2017)05-0024-05

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2017-02-13;

修回日期:2017-03-20

基金项目:国家自然科学基金“煤炭资源型城市绿色基础设施时空演变规律及其优化模型研究”(编号41671524)资助

Abstract: Green Infrastructure is one of the most important tools for controlling urban sprawl and promoting urban and rural ecosystem healthy development in Western countries in 21th century. As one kind of serious destroyed ecological space, abandoned mine land also could be the key component of GI after restoration, which could connect the broken ecological course and enhance the ecosystem functions. The role and potential of abandoned mine land in compensating and improving GI system are clarified, by the view of bio-diversity and ecosystem service function under different restoration objectives. The GI cases of developed countries are analyzed, which can prove that GI is the effective regional approach of abandoned mine land reconstruction. Some suggestions are issued about abandoned mine land restoration with the guide of GI idea in China.

Key words: landscape architecture; abandoned mine land; Green Infrastructure; restoration

* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: changjiang102@163.com

城市化、工业化、不可持续的农业耕作以及道路的蔓延正在逐渐侵蚀人类赖以生存的自然环境[1]。其中,采矿活动对自然界产生持续的干扰和破坏,包括挖损、塌陷、压占土地及工业广场在内的大量矿业废弃地随之产生,大地景观被割裂,污染中断了自然生态过程,改变了生物多样性的方式及水平,矿业废弃地成为矿区景观破碎、异质性增强、稳定性破坏的重要因素之一[2]。面对景观破碎带来的生态危机,绿色基础设施(GI)作为一种由自然区域和其他开敞空间组成并相互连接而成的网络,是缝合破碎景观、连接物种迁徙廊道的“生命支撑系统”,它自20世纪90年代中期继承发展了绿带、绿道、生态网络及生态基础设施等概念,逐渐成为欧美国家一种可持续性的空间政策工具和土地利用规划方法。本文对矿业废弃地及GI相关文献进行交叉研究,证明矿业废弃地对GI网络构建存在修复、连接及增强的作用,同时GI理论能够为大尺度下矿业废弃地生态恢复提供科学方法,实现有计划、分阶段恢复废弃地的生态功能、构建稳定区域生态空间体系的目标。

1 矿业废弃地的生态潜力

矿业废弃地生态系统功能受到持续破坏后,是否仍具有一定的生态潜力?答案是肯定的。由于长期以来未进行治理和未被干扰的自由发展,使得许多矿业废弃地形成了新的具有较高生态价值的核心区域,为丰富矿区的物种奠定了基础[3]。

事实上,已有众多学者对矿区开采前后的生态系统变化进行研究,尤其是生态学家把矿业废弃地作为其研究生物群落演变的“理想生态实验室”[4]。通过对于采矿前后矿区生物多样性的跟踪调查及研究,论证了废弃地上显著而丰富的生物多样性[4-5],采矿后形成的特殊环境为很多物种提供了新的栖息场所,其中有些甚至是濒危的珍稀物种。同时一些特殊植被在采矿导致的极端环境下具有极强的适应能力[6],比如,柳枝稷常被用于矿业废弃地的新能源基地建设中,该植被可以适应污染后的土壤环境,种植费用低,其优秀的固碳活性使之成为一种重要的能源作物,且在20年期间不需要特别维护[7]。露天开采或高潜水位地区地下开采形成的水体及湿地也成为鱼类、海狸、麝鼠及水鸟等物种适宜的生存环境(表1)。

此外,开采形成的地下空间(竖井、隧道、平硐)也为鸟类、爬行动物、昆虫和哺乳动物,尤其是大多数种类的蝙蝠提供了适宜的栖息场所。比如,废弃矿井的空间条件非常符合蝙蝠栖息环境的要求:巨大而复杂的地下空间、各空间彼此联系,具有多而分散的表面出口及足够通畅的空气流动[9]。据统计,美国62%的蝙蝠种类栖息在废弃的矿井中,因此要求在封闭井口、实施生态恢复规划时,必须考虑这些矿井中是否存在珍稀物种[10]。

基于此,矿业废弃地的生态恢复为绿色基础设施网络的完善及重构提供了契机。通过矿业废弃地的自我修复及人工修复,重新连接GI网络,增强GI结构的稳定性,提升区域整体生态系统服务功能(图1)。因此基于景观生态学分析矿业废弃地在不同尺度GI网络中的位置及功能,确定矿业废弃地的生态恢复目标和优先级,将为矿业废弃地生态恢复方案的制定及规划实施提供科学依据。

图1 矿产开采前后GI结构变化示意图(1-1 开采前的GI;1-2 开采中的GI;1-3 生态恢复后的GI,作者绘)2 矿业废弃地生态恢复对提升GI功能的贡献

GI的生态系统服务功能包括供应服务功能、栖息地支持功能、调节功能、文化服务功能[11],矿业废弃地包括耕地、林地、湿地、草地、水域等在内的不同生态恢复模式,为丰富GI的生态系统服务功能作出贡献(表2)。

2.1 供应服务功能(Provisioning Services)

将矿业废弃地恢复为耕地及林地实现了GI的供应服务功能,这些土地为人类提供了食物、木材等自然资源,是人类社会发展的基础。因此,耕地、林地是目前全球大多数矿业废弃地土地再利用的恢复目标,根据我国《土地复垦条例》(2011)要求,我国复垦土地的利用方向以农业用地为主,如在我国东部煤矿区对开采沉陷土地的治理中,以耕地与水产养殖为主要复垦目标[7]。在发达国家,战后英国超过50%的矿业废弃地被恢复为农业用地[12],德国Lusatia露天煤矿区产生的陆上废弃地85%都被用于森林或农业用途。此外,在废弃地上建立的新能源基地也为人类开展活动提供能源供应基础。

2.2 栖息地支持功能(Habitat Supporting Services)

在废弃地上建立野生栖息地和自然保护区是充分尊重场地自然力量、保护其自然演替过程的重要途径,对于丰富区域生物多样性具有积极作用。这种以生物多样性保护为目标的矿区生态恢复实践受到发达国家的普遍重视,近几年国内学者也开始关注矿区生物多样性及生态系统服务功能的相关研究。在德国Lusatia露天褐煤开采地区,15%(约4 900hm2)的陆上废弃地被划定为自然保护区[12],通过对矿区形成的野生栖息地进行长期监测调研发现,废弃地上自然演替形成的新生境,在生态系统功能和视觉景观方面甚至优于同区域未受开采干扰的地区[12-13],因此在矿区生态恢复中应更强调自然演替规律,保护废弃地上新的生态系统和栖息物种。

此外,矿井酸性排水污染河流的治理对重新连接分散栖息地、疏通物种迁徙路径起到积极作用。污染水体中过量的硫酸盐、铝、铁、锰等金属成分导致鱼类无法生存或完成迁徙,美国的Trout Unlimited鱼类保护机构针对近2.6×104km2的污染水系,从区域景观角度开展生态恢复项目,重新联系这些河流,重建鱼类或鸟类迁徙通道,从区域范围提升生物多样性,而这些河流作为GI网络的连接廊道,生态恢复后重新联系网络中心,对GI结构的增强和完善作出贡献。

2.3 调节功能(Regulating Services)

矿业废弃地生态恢复对区域生态环境具有积极调节作用,比如调节区域气候,改善空气质量,通过植被种植防止土壤侵蚀、增加土壤肥力,促进植物授粉过程等。除此之外,废弃地上形成的湿地还对污水净化和处理具有明显作用,在洪水高发地区,将废弃地转变为绿色开敞空间可以防止洪水、风暴等极端事件的发生。其中湿地对于矿区生态系统的调节作用尤为明显。湿地不仅可以为水禽提供高质量的栖息地,更重要的是通过湿地的生态过程及微生物矿化过程可以消除矿业废弃地的污染物,这种自然的生态恢复和清洁过程将带来可持续的、低成本维护的后矿业景观。在美国怀俄明州,大约有300块湿地(约240hm2)是在美国国家矿业废弃地项目资助下修复和建成的[14],同时国内外众多学者对湿地在矿业废弃地生态恢复中的作用进行大量研究。如M. Kalin计算得出湿地沉淀物所能达到的污染物移除率,以及达到此效率所需要的湿地面积和碳供给[15];林振山等分析了徐州矿区塌陷积水区构造湿地净化水体的作用原理[16]。

2.4 文化服务功能(Cultural Services)

随着城市的建设及扩张,矿业废弃地逐渐成为城市空间的重要组成部分,矿业废弃地作为公园、体育场、高尔夫球场、钓鱼水域等休憩用地,承担了更多的社区服务及文化娱乐功能。Peter Wirth等认为从地形地貌角度,矿业废弃地往往给徒步行走、自行车等体育和旅游项目提供了特殊的地形条件[17]。在鲁尔区,从1923年鲁尔煤矿社区联合会(SVR)提出“区域公园”概念,到1985年鲁尔区地方联合会(KVR)提出“鲁尔区开敞空间体系”规划,构建和维护生态空间网络一直是鲁尔区各方努力的目标。其中作为社区休闲地的森林面积不断提高,在城市带30min步行路程之内的森林,总数已达到80余个,总面积超过1.5×104hm2,其中一半位于城市之内,发挥了重要的休闲服务功能[18]。

3 GI引导下的矿业废弃地生态恢复案例分析

从全球矿区生态重建实践来看,废弃地的生态恢复已经由最初的植树造林,塌陷土地复耕,到功能复垦区域的建立,再到区域生态系统服务功能的整体提升,经历了简单到综合、局部到整体的发展过程[19],不少国家也尝试通过GI等景观规划方法为矿业废弃地的生态恢复提供技术支持,获取生态数据并定量研究废弃地与GI结构与功能的关系,辨识矿业废弃地生态恢复的关键地段及优先等级、确定生态恢复目标是矿区生态重建的重要任务。

废弃地生态恢复的优先次序并不完全由技术难易及成本高低决定,而应同时考虑矿业废弃地在GI网络的位置、物种多样性状况等生态因素,如该块土地是否处在GI的网络中心或连接廊道的关键部位,与已有生态空间的距离,是否具有珍稀物种等。若不考虑这些因素,生态恢复后有可能面临区域整体生态效益低下,难以发挥生态系统功能等问题[20]。

GI实践在美国已有20余年,在一些典型采矿区域,将GI作为区域景观规划的有效工具,为矿业废弃地生态恢复提供了有效的生态数据。如美国大西洋沿岸中部地区的“Going Green”项目在GI规划指导下,对宾夕法尼亚州的烟煤产区以及西弗吉尼亚州的山顶煤矿开采区域进行了生态恢复。同样,在马里兰州GI规划中,研究人员通过对矿业废弃地等GI空白区域(gap area)的辨识,确定这一地区被矿业废弃地割裂的森林斑块位置,被酸性矿井排水阻断的鱼类迁徙通道长度,进而根据不同恢复目标(森林、湿地等)建立矿业废弃地生态潜力评价指标体系(表3),确定其恢复次序及目标功能,最终将生态恢复工作综合考虑到GI网络的构建和维护中,填充和联系被破坏的GI空白区域[21]。

在英国,以区域GI网络完善为目标的矿业废弃地生态恢复项目也不断出现,矿业废弃地也被认为是建立新的栖息地、构建未来景观体系的潜在资源。英国国家森林项目(National Forest)以重构GI森林系统为目标,对境内被矿业废弃地严重破坏的中部地区进行修复,该项目始于20世纪90年代,这一地区原有的森林覆盖率非常低(大约6%),存在大量的矿业废弃地亟待修复和更新。经过20多年持续的恢复工作,近5×104hm2相互连接的国家森林公园体系逐渐形成,众多废弃地通过植被恢复,成为新的物种栖息地。目前该区域居住人口20万,并且有1 000万人口可以在90分钟车程内到达该区域,该区域为周边的居民创造了形式各样的游憩场所、休闲服务设施及一定的就业机会。截至2012年,该区域已种植树木800万棵,已有超过6 700hm2矿业废弃地被恢复为森林。

此外,2006年由英国国家自然协会与皇家鸟类保护协会合作,通过GIS技术识别区域生态空间,在GI框架下对全国境内的1 300块矿区土地进行评价,为矿业废弃地生态恢复提供基础数据。项目以英国17个优势栖息地为目标,建立矿业废弃地生态潜力评价体系,结果显示,近5.6×104hm2的土地具有培育英国《生物多样性行动规划》中17种优势栖息地的潜力(表4),仅有13%的场地不适合作为栖息地进行恢复[22]。项目根据废弃地与已有栖息地的距离,划分废弃地生态恢复的优先等级,废弃地与已有栖息地距离越近,意味着修复后对连接GI网络中心及提升GI功能作用越大,越应该优先考虑进行生态恢复,具体分级如下:

优先级1:废弃地与已有的自然栖息斑块相邻;

优先级2:废弃地在已有的自然栖息斑块周边1km范围之内;

优先级3:废弃地在已有的自然栖息斑块周边5km范围之内;

优先级4:废弃地在自然栖息地所在的生物地理区域(biogeographic zones)。

我国也有学者以区域GI构建为目标,对矿区废弃地进行生态恢复规划的尝试。在北京石花洞风景名胜区总体规划中,采取生态安全格局理论方法,通过判别GI网络中关键部位的矿业废弃地对整体生态格局和过程的影响,制定污染治理、水系恢复以及植被重建等措施[23]。

4 对我国的启示与思考

研究GI与矿业废弃地的关系及相互作用,目的在于将废弃地置于更广阔的区域生态空间系统中,利用GI方法为废弃地土地利用决策提供生态学方面的科学依据。即通过识别GI网络、评估废弃地纳入GI系统的优先等级,以完善GI为目标,确定废弃地生态恢复的土地利用格局及功能。

GI的研究及实践在我国才刚刚起步,要实现GI引导下的矿业废弃地生态恢复,还需要在以下几方面做出努力:

1)拓展矿业废弃地生态恢复目标与内涵,除农林用地复垦外,鼓励将废弃地作为自然栖息地加以保护,从过去恢复到“可供利用状态”并侧重复垦为耕地,扩展为恢复土地期望的利用价值和保护生态环境[24];

2)将GI融入我国现有规划体系中,理顺GI规划与城乡总体规划、土地利用规划、城市绿地规划、土地复垦规划等规划间的关系,重视城市外围矿区的生态环境保护和恢复,通过对生态空间保护和矿业开采进行长期的动态监测与互动评估,建立生态功能恢复目标下的矿业城市或矿区GI优化理论及方法;

3)增强政府机构、矿山企业、矿工、失地农民及环境保护组织之间的紧密协作,打破行政藩篱,建立矿业废弃地生态恢复及棕地转绿地的激励政策和多方合作机制;

4)完善环境影响评价制度,从源头减少矿业废弃地对GI网络的破坏。对采矿前后生态状况进行持续监测,强调矿业开采中生物多样性的保护,同时通过严格的生态补偿制度,保证由采矿活动损失的生态功能在本地或异地得到补偿。

:本文最初收录于《2016棕地再生与生态修复国际会议论文集》(电子版),在原稿基础上修改而成。

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(编辑/金花)

作者简介:

冯姗姗/1981年生/女/山西宁武人/中国矿业大学建筑与设计学院讲师/研究方向为矿区生态重建、城市绿色基础设施构建及规划(徐州 221116)

常 江/1968年生/男/山西太原人/中国矿业大学建筑与设计学院教授/研究方向为矿区生态重建、矿业城市可持续发展、历史村落保护及规划(徐州 221116)

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