摘取 要最近倒数三届世界生态完全恢复大会都将矿山生态系统列入大会交流的主题之一。为理解矿山生态修缮的最新进展，本文使用文献分析方法和统计资料分析法，全面对比了这三届大会的论文和报告，还包括与会国家、主要机构、热点矿区、修缮要素、矿山类型、修缮技术等。在此基础上，概括了新的研发的生态修缮技术，还包括植被完全恢复、土壤修复和景观完全恢复等新技术；总结了当前的研究热点，主要有复垦的土壤和修缮的植物之间相互作用的机理、矿山生态修缮的监测新技术、本土物种维持、污染土壤修复新技术、应付全球气候变化的矿山生态修缮新思维和矿山生态系统服务价值等；讲解了会议明确提出的新观点，如大自然完全恢复和人工完全恢复自由选择的新标准、矿山生态恢复力新的理论、新型矿山生态系统及其设计等。
最后对未来研究趋势展开了预测。每两年一次的世界生态完全恢复大会(World Conference on Ecological Restoration)是生态完全恢复领域的盛会,与会代表多达上千人。
第五、六、七届大会分别在美国麦迪逊市(2013年)、英国曼切斯特市(2015年)和巴西福斯伊瓜苏市(2017年)举办,其中2013年大会成立了主题为“矿业相当严重扰动下林地生态系统功能完全恢复面对的挑战”(Challenges in Restoring Forest Ecosystem Function following Severe Mining Disturbance)的2个口头报告专场和2个座谈会专场,2015年成立了主题为“矿业”(Mining)等3个口头报告专场,2017年则成立了主题为“矿山完全恢复：资源铁矿造成的有所不同毁坏的最合适方案和指导方针”(Restoration of mining areas： Alternatives and guide lines to deal with the different cases that occur during the exploitation of mining resources)的培训课程和“增加矿业影响”(Mitigation: Mining)等2个口头报告专场,可见,矿区生态系统是国际生态完全恢复领域持续注目的对象之一。比起出版发行的科技文献,国际大型学术会议的报告、概要等在传送近期研究动态方面具备一定优势,例如,新的观点多、实际完全恢复案例多、信息量大且集中于、面对面辩论更容易撞击出有新的思想火花、信息传播较慢等,所以通过国际大型学术会议的系统总结,更容易精确做到国际矿山生态完全恢复的研究动态。为此,本文首先统计分析倒数三届矿山生态完全恢复专题报告,然后概括总结热点、新的观点和新技术,最后预测未来发展趋势,以期对我国矿山生态修缮有所救赎。
1 基本情况统计资料2017年世界生态完全恢复大会上牵涉到矿山生态完全恢复的口头报告(Oral Presentation)和专题座谈会(Symposium Presentation)共27个、张贴论文报告(Poster Presentation)22个,而2013年分别是34个、10个,2015年则分别是31个、18个,可见将近三届公开发表的论文(报告)数量变化并不大,这指出矿山生态完全恢复是一个平稳的研究领域。2013年,在会上做到口头报告的有美国、法国、捷克、刚果、智利、巴西、南非、中国、加拿大、澳大利亚、菲律宾、阿根廷等12个国家,2015年有蒙古、南非、捷克、澳大利亚、加拿大、英国、印度、新西兰、法国、美国、德国、芬兰、尼日尔、冰岛、巴西、爱沙尼亚、比利时、秘鲁、中国等19个国家,而2017年有巴西、澳大利亚、韩国、美国、波兰、西班牙、秘鲁、西班牙、中国、哥伦比亚、阿根廷、拉脱维亚、南非、厄瓜多尔、冰岛、西班牙、捷克、德国、加拿大、爱沙尼亚等20个国家。可见,澳大利亚、加拿大、美国、中国、南非、捷克、巴西等是持续参与该学术会议并长年注目矿山生态完全恢复的国家,因为这些国家是矿产资源研发大国。
参与会议并递交论文的机构主要是高校和科研单位,而企业和政府部门则比较较较少。如图1右图,2013年参与会议的有高校30所、科研单位5所、公司4家和政府管理部门2个;2015年有高校36所、科研单位14所、公司7家和政府管理部门4个;2017年则有高校43所、科研单位30所、公司6家和政府管理部门5个。可见,高等院校是矿区生态完全恢复的主要研究机构。
但值得一提的是,一些大型矿山企业如澳大利亚美铝有限公司(Alcoa of Australia Ltd.)等仍然积极参与矿区生态修缮的研究工作。从参与会议的高等院校来看,加拿大的阿尔伯塔大学(University of Alberta)、澳大利亚的昆士兰大学(University of Queensland)和西澳大学(University of Western Australia)、捷克的查理斯大学(Charles University in Prague)和南波希米亚大学(University of South Bohemia)、爱沙尼亚的塔林大学(Tallinn University)、中国的中国矿业大学(China University of Mining and Technology)、美国的科罗拉多州立大学(Colorado State University)、密歇根理工大学(Michigan Technological University)、蒙大拿州而立大学(Montana State University)以及洛杉矶大学(Universidad de los Los Andes)、巴西的南大里约热内卢联邦大学(Universidade Federal do Rio Grande do Sul)和圣保罗大学(Universidade de S?o Paulo)、波兰的克拉科夫农业大学(University of Agriculture in Krakow)、西班牙的阿尔卡拉大学(University of Alcalá-Fundación FIRE)、德国的慕尼黑工业大学(Technical University Munich)是最近几年尤为活跃的高校。
世界矿山产于极为辽阔,但是研究兴趣区或许十分集中于。主要有加拿大油砂铁矿矿区、美国阿巴拉契亚矿区、中国西部旱季半干旱矿山、南美热带雨林地区的矿山、澳大利亚热带旱季矿区、非洲金属矿区和欧洲早已修缮的矿区等7大地区,指出这些地区资源铁矿强度大、毁坏相当严重且是生态完全恢复的重点地区。
从地带来看,对旱季半干旱矿区生态完全恢复的关注度最低,如非洲、南美洲、澳大利亚、印度等季节性旱季的稀树草原(Savannah)矿区以及中国西部旱季矿区等;其次是苔原区(Tundra)如北美、北欧和高寒山地的矿区;再度是南美洲的秘鲁和巴西、非洲的刚果等国家热带雨林知名矿区。从生态修缮的对象来看,不受注目程度最低的仍然是植被(如图2右图),还包括林地、苔藓、灌木、草本、豆科植被等。
根据植被所在地区的有所不同又可细分为矿区植被、流域植被、泥炭地植被与湿地植被等;根据所处地可分成旱季带上、寒带热带、热带以及寒带植被等。土壤的完全恢复次之,还包括土壤有机质提升、重金属迁入和土壤结构重构等。
除此之外,修缮要素还包在生态景观、物种多样性、本土物种结构、土壤微生物、生态系统服务、水资源污染、地下水水位、土壤种子库等的修缮。将近三届会议注目的生态修缮对象间的比例有严重变化,但大体上保持一致,这指出近年来国际矿山复垦和生态修缮的关注点更为平稳。
从研究的矿区类型看(如图3),露天矿山的生态修缮是注目的重点,井工矿山比较较较少。从有所不同矿山类型来看,煤矿是注目的重点,金属矿、砂石矿修缮的研究也较多。
金属矿山中,以金矿、铜矿、钴矿、铁矿、铝矿、铀矿居多,砂石矿则以干旱地区的采砂场居多。除此之外,油砂矿、草原沙矿、林地砂矿等也受到一定程度的注目。
其他矿山,例如粘土矿、页岩矿等的研究也有牵涉到。值得一提的是,重开矿山的生态完全恢复受到较小程度的注目,特别是在是重开时间很长的矿山的复垦场地的生态物种形成获得了研究人员的推崇,例如,研究人员以重开矿山为研究场地来较为大自然修缮和人工修缮的效果,从而反省现有的修缮模式。从生态修缮方法看,人工修缮是研究的主体。
相比之下,大自然完全恢复的研究较较少,但有快速增长趋势。对这两种修缮方法的反省和较为是一个热点。对大自然完全恢复的研究特别强调完全恢复效果的监测和评价,而人工修缮研究则侧重于研发有所不同的修缮方法,如植被修缮、动物修缮、微生物修缮、表层土壤重构、营养物覆盖面积方法等。
在植被修缮方面,研究人员注目固氮植物、导电重金属植物、保水植物、耐受性植物等的替代性方法。2 新技术进展大会期间,大部分国家的专家学者讲解了本国土地复垦和生态修缮的经验、不存在的问题和解决问题途径等,也有不少专家展出了新的土地复垦和生态修缮技术。2.1 植物修缮新技术植物修缮技术的研发仍然是矿山生态修缮研究的重点。
例如,法国新喀里多尼亚镍矿山修缮中,在水播法中撒播的是一种丛枝菌根真菌孢子包覆的种子,该种子用15g/L的藻酸盐作八旗剂,用微孔膜(Millipore membranes)覆盖面积。该技术的关键是掌控水的pH值,这是因为水的pH值对八旗质量和幼苗影响仅次于。再行例如,美国密歇根湖区铜矿迹地的湿地完全恢复中,使用土工制备材料(Geotextile materials)、泥炭(Peat)和当地灌草结合的综合生态修缮技术。
来自澳大利亚的研究人员主张创建种子生产基地、专业种子园等来培育种子,因为野生种子数量无法符合市场需求,他们指出创建专门基地、园地有很多优点,如维持多样性、血统、避免种子污染外物侵略、提升种子质量等,还可以作为气候变化监测场所等。然而,近几年很多的案例特别强调了植被修缮的全过程控制技术,而某种程度依赖单一的生态修缮技术。例如,加拿大阿尔伯特油砂矿场植被修复的瓶颈是水,研究人员明确提出了强化轻栽种被的保水管理、重塑地形增加水土流失、增大渗入以在地下保水、自由选择必要的保水植被、注目水的时空配备及其与植被修复互为耦合等关键技术。
在澳大利亚露天矿场植被修复中,研究人员考虑到植被生命周期的采收、幼苗和成熟期等三个阶段土壤和植被的相互作用,明确提出了全局植被修复技术,还包括植物物种替代性、土壤基底重构、地表覆盖面积、采收和确保管理等环节。阿根廷的研究人员明确提出了旱季矿区植被修复关键技术,还包括物种自由选择、胚质生产、幼苗栽种、苗木生产、土壤和基底重构、群落建构以及植被确保等。印度切里亚煤田铁矿历史100多年,是世界知名煤田,在这里展开煤炭研发的巴拉特焦煤公司明确提出了三步式复垦策略：第一步夺权入侵物种如马缨丹(Lantana),第二步栽种灌木和草本植物,第三步栽种本土乔木。2.2 土壤修复新技术土壤修复往往是针对发育土壤的某种性状缺失而积极开展的。
例如,在加拿大阔叶林生态修复过程中,研究人员找到人工扰动后土壤酸性过于强劲,因而使用加到石灰来中和土壤酸性。然而石灰的加到不会影响到土壤微生物功能,特别是在是影响到异养的和无机化能营养的硝化细菌的活性和潜在硝化活动,因此研究人员指出石灰加到量和修缮时机十分最重要。再行例如,加拿大的矿山生态修缮研究人员为了增加锌的污染,明确提出了专门的土壤修复方法,还包括产生鱼粉生物炭、钙基膨润土和覆盖面积木纤维等。
另外,加拿大研究人员还研发了一种加快泥炭转化成为土壤有机质的方法;澳大利亚采矿场地土壤修复中特别强调土壤种子库的维护和建设,研究人员指出土壤种子库是修复生态系统抵抗旱季扰动的关键。土壤的微生物修缮技术也是研究的重点。
例如,在英国重金属污染土壤的修复过程中,使用了生物炭和蚯蚓培育技术;在南澳大利亚州旱季砂矿的土壤修复中,明确提出了建构微生物生态银行技术,这种技术能以最大限度完全恢复地表质量增进采矿场地修复,通过培育蓝菌(Cyanobacteria)以增进生态结皮生长、地表稳定化。2.3 景观完全恢复新技术近年来,矿山景观完全恢复受到更加多的注目。
例如,在加拿大重开油砂矿的修复过程中,就特别强调景观完全恢复,完全恢复技术还包括强化斑块的联通性、地貌重塑、采场排水系统和地面水系的有机联系、强化修缮场地和周边湖滨生态系统功能的协商等。澳大利亚露天矿山修缮中侧重仿效大自然地貌来重塑景观,这实质是对自然景观的完全恢复,其中关键技术是减少地形的异质性。
冰岛相当严重发育的矿山景观完全恢复特别强调非生物因素的提高、利益相关者的参予、生态修缮人员的培训和引领等。近年来,矿山景观恢复力的评估、矿山生态系统景观服务价值、景观尺度上的生态完全恢复、生态完全恢复过程中景观结构和功能的号召和对系统、采后景观的保持和优化、有所不同物种对景观配备的影响、公共政策和社会过程对矿山景观完全恢复的起到、景观完全恢复效果评价这些问题也受到注目。3 研究热点将近三届世界生态完全恢复大会,矿山生态修缮的研究热点变化主要展现出在以下方面：(1) 复垦土壤和修缮植物间的起到机理多达,大约20%的报告和论文都牵涉到复垦土壤和栽种的植被之间的相互影响问题。主要研究工作反映在,一方面,在植被栽种有所不同年份后,调查植被根部土壤化学系性质的提高状况,以说明了土壤-植被相互影响的机理和效果。
另一方面,针对有所不同土壤复垦模式如有所不同覆土厚度、有所不同土壤基底重构方式等,对植被的完全恢复效果展开调查和评价。除此之外,还有的论文和报告注目了土壤重金属污染物迁入到植被的界面效应及其影响、在土壤水的约束下植被生长状况和景观变化、金属矿山(金矿、铀矿、铜矿等)铁矿区域复垦土壤重构及其对植被产生的影响等等。由于有所不同地区的气候、土壤资源、植物物种都不一样,植被和土壤相互作用机理十分复杂,所以要获得具备普遍意义的规律还必须增大研究力度。(2) 矿山生态修缮监测技术矿山土地复垦与生态修缮工程浩大,而工程完结才是是植被生长、土壤质量提升、系统物种形成和平稳的开始,这就意味著矿山土地复垦与生态修缮必需展开长年监测。
只有通过长年监测,才能辨别生态修缮工程的顺利性。然而,很多国家学者都认为本国修缮工程缺少有效地监管和长年监测。
中国的矿山土地复垦与生态修缮也不存在类似于的问题。在过去三届大会上,关于生态完全恢复监测技术方面的研究较多,主要涵括了社会监督、国际协议,还包括信息网络、物联网、大数据、移动客户端(APP)等监测技术的牵头用于,还包括从结构和功能的监测到过程和性能的监测的焦点改变、创建国际生态完全恢复监测统一标准和程序等等。生态完全恢复监测的指标、植被等特定要素的监测、生态完全恢复的驱动力监测等是探究的重点。
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) 本土物种维持与特定污染的土壤修复技术在矿山植被完全恢复中,广泛主张栽种本土物种,从而避免外来物种的入侵。
然而,近年来由于气候变化,有一种观点指出引进非本土植被更加能适应环境气候变化。澳大利亚学者通过试验指出,本土植物的适应性更加强劲,外来物种对气候变化号召并没优势,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寻了应该如何有效地修缮本土植物。例如,智利巴塔哥尼亚地区露天煤矿探寻栽种本土假山毛榉的可能性;美国阿巴拉契亚山区露天煤矿修缮时栽种大量草和豆科植物以避免风化和确保场地平稳,然而动物吞食等扰动造成本土双子叶树根入侵,这有利于水土保持,研究找到减少土壤密实度可增加灌木和乔木的入侵;印度托利亚煤田研究栽种本土树木等。也有一些国家学者讲解本国矿山生态修缮在掌控外来物种入侵告终的案例,建议要强化对生态完全恢复的监测。金属矿山修缮中重金属污染的掌控和修缮仍然是学者注目的重点。
研究案例的场地有美国被遗弃的铀矿场、南非金山金矿尾矿场、刚果加丹加省铜钴矿业采场、秘鲁亚马孙东南铝矿场、澳大利亚铁矿场等。修缮的方法还包括隔绝、覆土、地貌重塑、本土植被导电等。有学者明确提出应该创建生物可利用砷的主导度量方法、自由选择外用砷金属强劲的植被、监测土壤砷迁入的技术体系。还有学者指出,用无人机定期监测场地重金属污染物迁入是一个好的污染掌控办法。
澳大利亚的研究人员指出铁矿场地的修缮必需引进生态生理学(Eco-physiological)和生态水文学方法(Eco-physiology),美国的研究人员指出污染土地的修缮中,完全恢复生态学和环境毒理学(Environmental toxicology)起着了关键作用。(4) 应付全球气候变化的矿山生态修缮新思维全球气候变化对所有尺度的生态系统及其要素都有可能产生影响。
矿山土地复垦与生态修缮规划、设计、实行以及管理中如何考虑到影响这种影响,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缮生态系统的冲击效应以及如何提升该生态系统应付这些变化的恢复力。议题之二是温度出现异常增高或减少对植被生长的影响,以及物种检验和种源策略。
例如,澳大利亚旱季矿区植被完全恢复的主要挑战是气候多变、关键物种生长缓慢,木本植物却很难再造。研究找到种子幼苗的阈值与降雨、温度有关,土壤含水量的时空变化有可能制约了植物修缮的效果。议题之三是通过长年监测数据来证明现有修缮工程否不具备恢复力。例如,澳大利亚西南于是以经历着明显的气候变化,1975―2004年降雨量比起1900―1974年增加了14%,而矾土矿区红柳桉林地完全恢复的长年记录为检验气候影响获取了很好的信息。
研究指出,气候变化对完全恢复有负面起到,但是影响规模并不是相当大,不受影响的场地占到完全恢复场地的比例大于二分之一,因此,矿山修缮对气候变化具备抵抗力。(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公开发表后,生态系统服务价值的研究大大加剧,近年来这个热点也传导到矿山生态系统修缮中。例如,美国学者指出,矿山生态完全恢复是可持续矿业和复垦的融合,要反映经济不切实际、生态保守与社会期望,综合的完全恢复方法还包括景观地形设计、河流修复、土壤重构、完整动植物通过更换种子库,创立微观和宏观生境,以及本土物种的栽种和采收等措施来完全恢复。
生态完全恢复的效益很多,还包括被提升的土地价值、碳信用潜力、增进矿山资源铁矿利益涉及方的合作、更佳的水域维护和水质量,以及更佳的生态系统服务等。来自中国的学者评估了重开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完全恢复效果评价中使用了服务价值指标。德国矿山生态景观大自然完全恢复可行性评价中也考虑到了生态系统服务如风化掌控或饲料生产等指标。
美国学者明确提出文化服务价值的完全恢复应当受到矿山生态修缮的推崇,不应将本土文化和现代文化有机融合,维护本土文化有类似意义,所以生态完全恢复中要注目“本土现代性”(Indigenous modernity)。可见,矿山生态系统修缮的服务价值开始渐渐受到重视。
4 新的观点4.1 大自然完全恢复和人工完全恢复的自由选择标准必须探寻大自然修缮(Spontaneous restoration)或被动完全恢复(Passive restoration)是所指不依赖人工干预或者最小化的人工干预超过生态完全恢复的目标,但是这种完全恢复方式仍然受到批评。相比之下,人工修缮(Artificial restoration)或者主动修缮(Active restoration)的原理和技术是研究的重点,也被指出是矿区生态修缮的最基本方法。然而,最近三届世界生态完全恢复大会上,大自然修缮和人工修缮的自由选择沦为争辩的焦点。
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完全恢复学者调研了本国早期和近期修缮的矿山生态系统,并与没受到矿业扰动的系统展开较为,找到近期人工修缮系统的生物量比大自然完全恢复系统完全恢复的慢,而且土壤质量完全恢复的好,碳储量也大,但是随着时间的流逝,大自然完全恢复区生物多样性更佳,大自然物种形成的效果也优于人工完全恢复区。捷克、德国学者指出,在中欧地区的毁坏相当严重的矿区,使用主动修缮是适当的,其他条件下,不应倚赖将近大自然完全恢复,因为将近大自然完全恢复场地生物多样性更高,自我保持能力更加强劲。
德国学者研究指出,否采行大自然完全恢复手段各不相同周边景观状况、历史、地区物种池中本土物种或者外来物种的分享、损失生境的较慢补偿的必要性、以及有关的生态系统服务如风化掌控或饲料生产。但是,阿根廷、南非、秘鲁等国家学者却获得有所不同的结论,例如南非金山金矿场尾矿库栽种的植被无法长年平稳,必需人工定期介入才能保持稳定性。对秘鲁金矿山荒废大自然完全恢复场地植被结构的调查找到,有所不同完全恢复年限下,植被结构差异相当大,且植被完全恢复较快,必须主动完全恢复。
由此可见,矿山生态修缮中,大自然完全恢复和人工修缮两种策略的好坏还必须之后探寻。4.2 矿山生态完全恢复必须引进恢复力理论矿山土地复垦和生态修缮的核心不仅是管理毁坏的植被或者发育的土壤,而且还应当建设生态系统恢复力,这一观点获得更加普遍的了解。但是,矿山生态系统恢复力针对的扰动类型却不存在有所不同观点。
很多学者指出,矿山土地复垦和生态修缮针对的就是矿业扰动,如下陷、裂缝、滑坡、地下水毁坏以及污染等。然而,有的学者指出这种观点必需转变。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。修复有恢复力的系统必须理解这个系统的大自然物种形成、相互作用以及动态性。
因此恢复力不应包括两种能力,一就是指矿业扰动的恢复能力,二就是指未来扰动中完全恢复的能力。据此,来自加拿大的研究人员明确提出恢复力建设的途径,还包括：1)新的创建与地形、土壤相匹配的树种多样性;2)用于以定植苗技术来提升抗压能力;3)利用地表和林地表层物质来增进多样的、大自然的林下植物群落的物种形成;4)利用细木制材料来很快启动关键生态过程。另外,有学者指出目前提升土壤恢复力、植被群落恢复力、景观恢复力等的路径仍不确切,澳大利亚学者还敦促不应新的定义Revegetation、Rehabilitation和Restoration,借以具体恢复力建设的目标。
4.3 矿山生态修缮必须推崇新型矿山生态系统的设计及研究随着生活水平的提升,人们对精神文化、环境质量的拒绝也渐渐提升。早期矿山土地复垦与生态修缮特别强调耕地复垦和低经济效益,近来渐渐减少了对风景和休闲娱乐娱乐等生态服务价值的推崇。新的完全恢复目标和方式几乎转变了原先系统的结构和功能,被修缮后的系统往往沦为新型矿山生态系统。
如何规划、设计新型生态系统并确保它的恢复力,是与会代表辩论的重点之一。例如,有的学者指出,新的生态系统,无论是无意间的还是特地设计的,都是由人类派生出来的景观和文化。在那些高度转变的景观中,规划和设计可以提高文化和美学品质,同时也减少生物与大自然的相关性。也有相近的观点指出,意味着确保生态和景观系统的持续性还过于,不应在谋求减少生态效用的足迹时,将之建设称作生态功能再造的场所。
5 未来趋势从倒数三次世界生态完全恢复大会关于矿山生态系统完全恢复的论文与报告来看,矿山生态系统是世界生态完全恢复研究的主要对象之一。植被、土壤和水的修缮是矿山生态修缮的核心主题,系统性、大尺度的生态完全恢复将是研究的最重要方向。大自然完全恢复的方法和技术将沦为研究热点,矿区社会生态恢复力建设将逐步受到重视,保证矿区生态系统的可持续性是这些研究的联合目标。
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