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采矿废弃地的生态恢复与可持续景观设计


来源:《生态学报》   发布日期:2007-05-10 浏览次数:
 

    人地矛盾是可持续发展的一个核心问题。土地资源的有限与人类的爆炸式增长会制约社会、经济和生态环境的可持续。退化景观如矿山和废弃工业用地(Brownfield)浪费了大量土地资源,并带来一系列生态环境问题。作为通过设计来协调人与自然关系的学科,景观设计学对退化景观的可持续利用研究具有现实意义。美国景观设计师协会(ASLA,American Society of Landscape Architects)和欧洲景观教育大学联合会(ECLAS,European Foundation for Landscape Architecture)等专业组织都在其宗旨中强调景观设计的工作范围包括对退化景观和废弃土地的恢复。澳大利亚景观设计学协会(AILA,Australia Institute of Landscape Architects)更是强调要应用生态可持续设计来修复矿山等受干扰用地。同时,对退化景观的恢复与设计可以产生新的美学和对美感新的理解。因此,对采矿废弃地进行生态恢复与重建,进而通过景观设计而变废为宝,恢复其利用价值,服务于人类,是具有巨大现实和研究意义的。

  1 采矿废弃地的景观生态特征与环境影响

  1.1 采矿废弃地的景观生态特征

  从景观生态学来讲,采矿地是剧烈人为干扰下的一种特殊景观类型,是人类为获得矿产资源而对土地进行剧烈改造的区域。采矿废弃地的形成就是因为采矿活动破坏和占用了土地,并且非经治理而无法使用。在开采前后,采矿地会表现出十分不同的景观。采矿之前,当地生态系统通过生物之间、生物与环境之间的相互作用和系统内的自我组织、自我调整过程达到了相对稳定状态,具有正常的生产功能和保护功能。而开采后景观的稳定性往往会被破坏,景观的改变超出了自然系统的调节和物种的适应能力。因此采矿废弃地具有如下特征:

    1.1.1 景观异质性增强 采矿废弃地表现出比采矿前更大的。采矿活动实际上就是将原来较为均质的景观进行异质化的过程。开采后的采矿地往往包括采矿点、尾矿、堆场、排土场、采空区、塌陷地等景观类型和厂房、矿井、采掘设施以及道路、水渠、积水坑等景观要素,具有斑块、廊道和基质的典型镶嵌格局特征。

    1.1.2 稳定性被破坏 强烈的干扰会超出了当地景观生态系统本身的自我恢复能力,破坏了原有景观的稳定性。干扰直接或间接导致生态系统的退化,其最明显的标志是生态系统生产力降低、生物多样性减少或丧失、土壤养分维持能力和物质循环效率降低以及外来物种入侵和非乡土固有种优势度的增加等。随着干扰加剧,生态系统自身的生态平衡会受到破坏。

    1.1.3 生态过程受到影响 同时由于采矿地及其周边环境是一个完整的生态系统,采矿活动势必会影响到区域生态格局与各种生态过程,如水的过程、物种迁徙的过程,并且造成污染扩散。

  1.2 采矿废弃地的环境影响

  1.2.1 景观碎裂化 景观的退化从形式上可分为景观结构退化和功能退化。结构退化指景观中各生态系统之间的各种功能联系断裂或连接度减少的现象;而功能退化指由于景观异质性的改变而导致稳定性和服务功能的衰退现象。采矿活动包括露天开采和地下开采都会造成地表景观的改变。露天开采剥离表土,挖损土地,破坏地被,以及堆放尾矿、煤矸石、粉煤灰和冶炼渣,地下开采造成采空区,引发地面塌陷,造成地面建筑、管道、道路、桥梁等设施变形及破坏。土地面貌变得千疮百孔、支离破碎,直接影响景观的环境服务功能。

    2.2.2 污染及扩散 采矿活动会对周边地区环境带来严重的污染,污染源主要包括露天堆放的矿产品与废弃物,开采产生的矿井废水和有毒矿物元素等。露天堆放的矿产品与废弃物易发生氧化、风化和自燃,大量如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等有害气体及矿物灰尘会威胁人体健康,影响空气质量,污染周围环境。同时,采矿过程中排出的矿井废水中含有大量的悬浮物和污染物质,由于利用率较低,大部分会直接排入环境,导致地下水、土壤的质量下降。而露天堆放的矿物经雨水淋溶,地表水冲刷以及人为的洗煤会污染水系,形成浊流。同时有毒矿物元素会存在于尾料中,随废弃物堆放会加剧土壤的污染和退化,对植物的生长产生不利作用。

    2.2.3 破坏水的过程 采矿破坏植被,造成水分涵养下降,破坏了地表径流的下渗过程。同时地下开采会改变地下水流的方向,严重会使河溪断流。同时河流作为水的运输通道,在矿区往往被作为废水排放的直接途径,河床常当作堆场阻碍行洪。而河岸植被带,如河岸防护林、乡土水生和湿生植物群落起着涵养水分、提供生境的作用,但往往在固化处理中被破坏,直接影响河流的生态效应的发挥。

    2.2.4 破坏生物栖息生境,生物多样性降低 采矿活动破坏了一些地区的原生生境,如作为物种源的大型植被破碎为一些小型的残遗斑块,影响作为跳板(Stepping Stone)的林地斑块的功能发挥,造成生物迁徙受到阻隔。乡土植物群落并且受到破坏,植被急剧发生向下的演替过程。这些都直接影响了内部物种的数量和质量,造成野生物种如鸟类栖息数量和种类的减少,多样性降低。

    2.2.5 诱发灾害 地表植被的破坏,水系的紊乱以及采空区的形成会加剧水土流失,带来极具破坏力的灾害,如泥石流和山洪暴发,更严重可能会加速荒漠化。据消息,人为的破坏尤其是矿山及矿石运输是形成沙尘暴的重要因素之一,同时采矿地裸露地面也是产生沙尘流动源的帮凶。如北京房山区地处首都西部,被称为北京市“五大风口”之一,但由于采矿活动十分严重,因此作为西部生态屏障的一部分,其生态恢复和建设意义重大。

  2 采矿废弃地的生态恢复与重建

  2.1 概念

  在英文中,restoration,reclamation和rehabilitation都有恢复的意思。英国利物浦大学A.D. Bradshaw教授认为restoration指恢复到原来的状态,包含有未损害和完美的状态的意思, rehabilitation仅仅指部分恢复, 而reclamation指恢复到一种新的状态,但结构或功能都不同于原来,比如发展耕种。而reconstruction是指根据目前的环境特点,人为地设计一个与环境相适应的生态系统。因此这种方法是比较现实与可行的。作为退化景观的一种,采矿废弃地可持续发展利用应首先修复由于采矿活动而带来的对生态系统的破坏及重建退化景观。

    美国生态重建学会将生态重建 (恢复)定义为将人类所破坏的生态系统恢复成具生物多样性和动态平衡的本地生态系统 (indigenous ecosystem),其实质是将人为破坏的区域环境恢复或重建成一个与当地自然界相和谐的生态系统。还有人认为采矿废弃地生态重建就是使之具有某种形式和一定水平的生产力,维持相对稳定的生态平衡,且与周围景观价值相协调,最终达到生态整体性的目标。可见,采矿废弃地的生态恢复与重建的核心在于恢复生态系统的结构和功能,进而提高生态系统生产力和稳定性。因此,通过工程技术和生物技术等措施进行生态恢复与重建,使之恢复到可以再利用的状态,是采矿废弃地可持续景观设计的基础。

  2.2 措施

  2.2.1 毒性处理与污染治理 A.D. Bradshaw认为毒性问题是采矿地恢复最难处理的问题,自然方法只能在污染还不是很严重的情况下采用。其他方法包括或者种植非生产性的耐酸性植被,或者通过使用石灰石覆盖来消除酸性。重金属矿的残余金属物质会存在于大多数废弃物中,自然方法难以消除,但是可以用有机的方法即通过种植植物来吸收和降低毒性。针对剧毒废物,唯一的途径就是用无毒物质进行覆盖,建立环境隔离区。对于有毒和无毒物质的混杂,Bradshaw认为对毒性的鉴别和处理应该是生态恢复的第一步工作。对矿山环境的污染治理研究已有许多较为成熟的措施,但采用何种措施要根据实际的问题与需要。采矿固体废弃物的堆放目前主要采取生物技术来处理。即通过播撒有机合成肥料,促使土壤微生物开始生长并增强生命力,再种植适生植物,恢复植被。针对采矿废弃物的粉尘污染可进行一定的遮蔽。矿井废水的处理可采取工程措施和生态技术结合的方法。包括拦截地表水,阻止地表径流流入采矿场,从而减少废水的补给量;封闭各种废弃矿井巷道,以隔绝空气减少氧化作用,排除生成酸性水的各种条件。可以通过利用微生物来将废水中的矿物成分中和或除去;选择有利于生物种群生长和固着的湿地基质,种植耐受酸性水污染的植物去除废水中的矿物离子。同时,针对采矿地的径流与水系,通过设置雨污分流系统和污水处理系统,改造并修复河道为自然形式来处理污染,恢复水的自然过程。

    2.2.2 基质改良 采矿地中如磷、钾、镁和钙等营养元素的缺乏难以由自然过程所恢复,或者需要很长的一个时间,必须通过人为方式来恢复。作为植物生长的基质,必须对土壤进行改良,这是生态恢复与重建的关键。针对采矿地上的土壤状况,可以直接改良或者新覆土再进行改良。用于改良废弃地的材料极其广泛,如表土、化学肥料、有机废弃物、绿肥、固氮植物及作物的秸秆等。而采取“以废治废”的方法具有很好的生态效益和社会效益。污水污泥、生活垃圾、泥碳及动物粪便含有大量的有机质,释放缓慢,可缓解金属离子毒性和提高基质的持水保肥能力,以一定比例施用能有效提高矿山废弃地的有机质含量和改变其结构性能。但由于这种方法促进了植物对基质中重金属的吸收,改良的废弃地不适于作为农业用地。长期的改良必须依靠植物。利用固氮植物和菌根植物改良废弃地是经济效益与生态效益俱佳的方。同时,采矿地土壤由于机械受压会结构受损而板结,可以通过松土,切割或软化(ripping and scarifying)等措施来处理,或通过植被根部的生长、营养物质的聚集和微生物活动来阻止土壤重新板结。

    2.2.3 植被恢复 矿区的表土和植被往往被破坏的面目全非,整体的生态系统受到损害。短期内采矿地植被恢复的主要目标是控制水土流失,减少灾害,且对保护土壤防止侵蚀、促使形成良好的微粒及聚集营养等起到重要的作用。生态系统的恢复可以通过自然的过程来实现,即通过生态演替。这一自然恢复过程在破坏不是很剧烈的情况下会发挥作用,有时会比人们所预期的时间要长的多。自然演替一般大约需要50-100年时间来在采矿废弃地上恢复一个满意的植被覆盖。英国南约克郡的匹克国家公园(the Peak National Park)应用生态演替方式进行破坏景观的恢复,通过种植慢生地方草种代替种植速生但抵抗力低的农业草种,很好的适应了因为开矿而质量下降的土壤。植被在自然状态下会向上演替,而在人为不利干扰下则向下演替。如果停止人为干扰,封山育林,植被就会发生长期的、缓慢的向上演替,而向下演替过程往往是快速的。利用乡土植物来恢复植被群落十分重要。通过观察什么样的植物在废弃地最先自然的生长出来,而不是人工引种的,可以合理选择植物种类。尤其那些在矿业废弃地上自然定居的植物能适应极端条件,具有很强的忍耐性和可塑性,与栽培植物组成多层次的植物群落,可以形成多结构的生态系统,应该作为优先考虑的植物。往往采矿业关闭之后,恢复需要以低成本和有效的方式来进行,因此利用自然演替是较为可行的途径。

    2.2.4 工程安全处理 采矿废弃地往往形成一定的地下采空区,易造成地面陷落和裂缝,严重会引发坍塌等灾害事故,因此对于潜在的采矿地安全隐患要通过工程处理来减少事故和灾害爆发的几率。一些露天作业的矿山开采多为下挖式开采,采掘面近乎直立,挖开的山岩遇强降水会造成解体,加大了滑坡和崩塌的可能。同时降雨会造成采坑积水,易造成坠入伤亡。因此应针对坑壁危岩体、矿坑进行安全设防,如建设挡土墙、护坡、拦沙坝、维护栏网,设立警示标牌以及夜间照明。利用削高垫低、土地平整、复土、深挖垫浅、煤矸石或粉煤灰填充等措施整治沉陷土地。

    针对生态恢复,有学者认为采矿破坏土地的恢复不仅仅是技术问题,不只包括了稳定地表、控制污染、改善视觉等目标,还应有对生物多样性和空间的异质性构成的考虑以及自然和人文两方面的结合。这是对人类利用与自然资源保护两者的一种平衡,也体现了可持续景观设计的目标。

  3 采矿废弃地可持续利用

  采矿地的可持续发展不仅表现在生态学恢复与重建上,同时还必须满足地方的社会和经济发展的需要。因此这不仅仅是一个自然的、技术的过程,还必须包括政策可行和经济投入与成本上合理的考虑。英国有学者提出“预防优于整治”的观点,即恢复措施应在最早阶段的工程项目规划中就进行考虑,并且是工程项目得以批准必不可少的内容,这样会减轻矿山关闭时的各方面财务负担。德国的矿山景观生态重建目标除了重建一个稳定的自然生态系统之外,还包括在满足社会和生态的要求下,使开采占用的土地和复垦的土地达到动态平衡,如对不可避免的村庄搬迁应充分注意受影响人员的要求,以求在搬迁过程中实现社会的可接受性。这表明了发展策略对采矿地的社会和经济系统的可接受性和生态恢复与景观设计同等重要。

    同时,采矿废弃地可持续利用应在保持足够时间的生态恢复与保养的基础上,以对环境干扰较小,改造程度较轻的项目为引导,根据区域自然与社会经济特点以及发展方向来容纳兼容的人类活动,确定开发利用方式,如旅游观光、科普教育等,而禁止改造剧烈的开发项目。目前国际上矿区废弃地生态系统重建主要有几种形式:重建为耕地、林地、旅游休闲用地及牧业用地等。如英国把采矿地转变为国家森林(National Forest),其中包括了新的房地产、休闲和旅游设施的开发以及绿色产业(Green company)。但是这些开发都需要限制在一定的尺度与规模下,不能与国家森林建设相冲突。所可能包括的开发项目包括:旅游、娱乐和休闲设施,林地、公共休闲空间以及野生动物保护区,多样化种植业,乡村产业(包括接待设施、林业和花卉业),商业设施和一定的工业以及一定的居住。

    而德国矿区景观生态重建从最初的绿化到多功能复垦区域的建立,经历了由简单到综合,由幼稚到成熟的过程,为合理规划土地用途,建立新景观提供了机会,进而满足了逐步提高的人们对娱乐休闲场所的需求。景观设计学在废弃地利用中发挥了重要作用,起到既满足休闲功能如作为公园、运动场地、露宿营地、研究和观察自然生态用地的作用,也顾及到了美学方面的要求。

  4 国内外案例研究

  4.1 德国鲁尔区埃姆舍景观公园(Emscher Landscape Park,Germany)

  1960年以来,德国埃姆舍河地区煤矿和铁矿业的衰退迫使这里寻求新的发展,而环境与生态问题是放在第一位来考虑的。在占地200km2的北杜伊斯堡公园中,设计者树立了两项基本的生态原则。一是将基地上的材料同时作为建筑材料和植物生长的媒介加以循环利用,如砖被收集起来作红色混凝土的骨料,利用煤、矿砂和金属物都充当植物生长的介质;二是将原工厂的旧排水渠改造成水景公园,利用新建的风力设施带动净水系统,同时把收集的雨水在冷却池和沉淀池中进行清洁处理,输送到各个花园进行灌溉。铁道公园中的强碱性矿渣以及焦炭含有少量有害重金属,通过加铺土壤及石灰石覆盖层来防止污染。对于存在毒性污染问题的旧锰矿通过圈起来作为禁区,只允许游人在外面观赏。建立在Nordsten矿旧址的废料堆被修整为整齐的金字塔形,并被覆以地被植物。通过艺术化地形处理而形成视觉焦点,“大地艺术”思想在这里具有很大影响,相对于单纯强调在受破坏地表种植农作物的传统观念有了很大的进步。

  4.2 法国代斯内娱乐基地(La Base de Loisir de Desnes, French)

  代斯内娱乐基地是由一个修建高速公路采料的砂石场改造而成。砂石采集造成了坑洼不平的陡坡山地。设计师首先消除对生态环境造成破坏的各种外界因子,如针对起伏变化较大的地形,经过植物配置,形成既有遥远开阔的视野,又有丰富的近景效果,并且将水边处理成有利于多种动植物栖息的、不受人的活动干扰的生境系统。并在节省投资造价的思想下营造集教育与游乐于一体的娱乐空间,包括进行有关保护环境基础知识的启蒙传授等。

  4.3 马来西亚Kinta自然公园

  马来西亚Batu Gajah的旧铅矿被建设成为Kinta自然公园。其技术委员会成员包括土地、采矿、灌溉和排水、国家公园和野生动物保护等部门以及马来西亚自然学会 (MNS,Malaysian Nature Society)。通过自然恢复使植被开始重新生长,并建造人工湿地,提供自然、无污染的水面。这些措施恢复了当地生态系统,形成多样的生态栖息地。目前这里有200种植物种类,大约有129种鸟类在这里过冬。同时低环境影响和可兼容的旅游活动得到倡导,如观察鸟类和野生动物活动、自然摄影、钓鱼、划船、野外远足以及科学研究和自然教育等。其他措施包括改造利用铅矿遗迹、废弃工厂用房作为景点及游客中心,建设自然教育和野外实习设施,以及鸟巢、观光塔、野营和庇护所。接待设施主要在附近的城镇解决,不在公园当中建设。在这样最小限度的开发下,旧采矿地可以成为一个娱乐和保护性质的公园,更重要的是从长远角度成为鸟类必需的栖息地。

    4.4 美国“再生之地一号”试验

  美国景观设计师Mel Chin与美国农业部专家Rufus L Chaney1990年合作进行了“再生之地一号”试验。在经简单艺术设计的区域内种植特定植物吸收土壤中有毒的重金属,以引起人们关注污染并使其了解科学的解决办法。Mel Chin称这一作品犹如雕刻艺术,只不过“原材料是看不见的,而雕刻工具是生物化学和农业技术;最终其审美价值将因土壤能重新生长植物而得到体现 。”

  4.5 国内的实践

  我国早在古代的采石活动中就注重生态重建,如浙江绍兴东湖风景区原先是一处采石场,从汉代起开始采石,由于常年累月的开凿,形成千奇百怪的峭壁和深邃的小塘,构成了东湖的雏形,并经长期改造,形成了山水交融,洞窍盘错的风景旅游圣地。淮北杨庄煤矿已利用地表塌陷形成的湖泊建成了皖北第一座“水上公园”,保护了生态环境,有效利用了土地,还具有丰富的环境效益和社会效益。不少矿区利用塌陷区建立了养鱼塘、游泳池等,废物利用的同时解决了部分职工的就业问题。

  5 采矿废弃地可持续景观设计原则

  5.1 生态安全原则

  某些关键点(或称战略点)以及某些特定格局能对景观过程起到潜在的决定性影响,构成了控制景观的安全格局。对其进行控制可以高效维护区域景观生态格局的健康与良好运行。矿山开采破坏对水土流失、污染扩散、诱发灾害以及生境破坏等具有重要影响。因此,对处于战略点的采矿废弃地进行恢复会对维护区域生态安全起首要的作用。如McChesney针对废矿地恢复过程,在比较了恢复地和自然景观中幼苗发生后指出在大尺度基质下选取恢复地点的重要性。

  5.2 持续利用与资源循环原则

  采矿废弃地上的各类要素通过设计因地制宜地加以改造利用,使之重新参与生态系统的生产与循环并且塑造新的景观,走“资源再利用”的途径,可以产生新的经济效益。如通过设计,使矿井、迹地以及设施重新发现其审美、生产和生境价值,是一种变废为宝的积极利用的思路。

  5.3 自然原则

  恢复自然生态状况应置于采矿废弃地可持续发展的优先考虑。利用自然过程,采取自然演替方法是重要的手段,包括采用乡土物种,恢复植被群落与演替,改善土壤质量,恢复自然河道与水的自然过程等,以提高自然生态系统生产力和稳定性。

  5.4 多样性原则

  考虑未来发展的多种可能性,采取多样性设计来满足功能的多样化和人的多选择性及不同层次需要。采矿废弃地的可持续利用应遵循这一原则,针对不同景观和用地的基础,采取不同的恢复和利用方式,可以满足景观多样性的要求。

  5.5 过程原则

  应尊重场地的发展过程,在一定程度上保存地段的历史信息。应使采矿以及恢复的历史成为景观演替过程的一部分,而不是完全终结。通过设计提供后来者可以调整与发展的空间。这种过程体现了空间与时间上的脉络。针对人的审美体验,符合生态原理的景观设计也许不是完成的作品,而更多是对“过程”和“中介”的设计,反映多样性关系的产生和网络化、联系及区分。

  5.6 场所性原则

  景观不仅仅作为视觉艺术而存在,还应作为人的活动场所。应强调观者的参与的重要性,考虑其场所环境的使用性质,使人可以产生震撼、凝聚情感、愉悦身心,从而使物质空间具有场所精神。采矿地设计应利用各种资源来提供给人以获得教育、锻炼和愉悦的机会。

  6 结语

  采矿地类型多样,应根据实际问题采取措施。相关生态和工程学科的协作可以对废弃地退化景观进行处理,而通过景观设计学,可以达到重新利用和“变废为宝”的目标,以平衡生态退化带来的土地资源不足,遏制环境进一步恶化。因此,采矿废弃地的生态恢复与可持续景观设计涉及生态、工程、美学、经济以及社会等多方面的内容,具有很强的研究价值和广泛的现实意义。我国的采矿废弃地、垃圾堆场以及工业废弃地(Brownfield)等退化景观规模巨大,针对有限的土地资源,应力求通过对退化景观的治理与可持续利用来达到缓解人地矛盾,争取更大的社会经济发展空间。未来退化景观的恢复与设计领域将会有广阔的发展前景。

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作者:刘海龙

 

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