采礦廢棄地的生態恢復與可持續景觀設計

　　人地矛盾是可持續發展的一個核心問題。土地資源的有限與人類的爆炸式增長會制約社會、經濟和生態環境的可持續。退化景觀如礦山和廢棄工業用地（Brownfield）浪費了大量土地資源，并帶來一系列生態環境問題。作為通過設計來協調人與自然關系的學科，景觀設計學對退化景觀的可持續利用研究具有現實意義。美國景觀設計師協會（ASLA，American Society of Landscape Architects）和歐洲景觀教育大學聯合會（ECLAS，European Foundation for Landscape Architecture）等專業組織都在其宗旨中強調景觀設計的工作范圍包括對退化景觀和廢棄土地的恢復。澳大利亞景觀設計學協會（AILA，Australia Institute of Landscape Architects）更是強調要應用生態可持續設計來修復礦山等受干擾用地 [1～3] 。同時，對退化景觀的恢復與設計可以產生新的美學和對美感新的理解[4]。因此，對采礦廢棄地進行生態恢復與重建，進而通過景觀設計而變廢為寶，恢復其利用價值，服務于人類，是具有巨大現實和研究意義的。

　　1 采礦廢棄地的景觀生態特征與環境影響

　　1.1 采礦廢棄地的景觀生態特征

　　從景觀生態學來講，采礦地是劇烈人為干擾下的一種特殊景觀類型，是人類為獲得礦產資源而對土地進行劇烈改造的區域[5，6]。采礦廢棄地的形成就是因為采礦活動破壞和占用了土地，并且非經治理而無法使用。在開采前后，采礦地會表現出十分不同的景觀。采礦之前，當地生態系統通過生物之間、生物與環境之間的相互作用和系統內的自我組織、自我調整過程達到了相對穩定狀態，具有正常的生產功能和保護功能[7]。而開采后景觀的穩定性往往會被破壞，景觀的改變超出了自然系統的調節和物種的適應能力。因此采礦廢棄地具有如下特征：
　　1.1.1  景觀異質性增強　采礦廢棄地表現出比采礦前更大的。采礦活動實際上就是將原來較為均質的景觀進行異質化的過程。開采后的采礦地往往包括采礦點、尾礦、堆場、排土場、采空區、塌陷地等景觀類型和廠房、礦井、采掘設施以及道路、水渠、積水坑等景觀要素，具有斑塊、廊道和基質的典型鑲嵌格局特征。
　　1.1.2  穩定性被破壞　強烈的干擾會超出了當地景觀生態系統本身的自我恢復能力，破壞了原有景觀的穩定性。干擾直接或間接導致生態系統的退化，其最明顯的標志是生態系統生產力降低、生物多樣性減少或喪失、土壤養分維持能力和物質循環效率降低以及外來物種入侵和非鄉土固有種優勢度的增加等 [8,9]。隨著干擾加劇，生態系統自身的生態平衡會受到破壞。
　　1.1.3  生態過程受到影響　同時由于采礦地及其周邊環境是一個完整的生態系統，采礦活動勢必會影響到區域生態格局與各種生態過程，如水的過程、物種遷徙的過程，并且造成污染擴散。

　　1.2 采礦廢棄地的環境影響

　　1.2.1 景觀碎裂化　景觀的退化從形式上可分為景觀結構退化和功能退化。結構退化指景觀中各生態系統之間的各種功能聯系斷裂或連接度減少的現象；而功能退化指由于景觀異質性的改變而導致穩定性和服務功能的衰退現象[10]。采礦活動包括露天開采和地下開采都會造成地表景觀的改變。露天開采剝離表土，挖損土地，破壞地被，以及堆放尾礦、煤矸石、粉煤灰和冶煉渣，地下開采造成采空區，引發地面塌陷，造成地面建筑、管道、道路、橋梁等設施變形及破壞。土地面貌變得千瘡百孔、支離破碎，直接影響景觀的環境服務功能。
　　2.2.2 污染及擴散　采礦活動會對周邊地區環境帶來嚴重的污染，污染源主要包括露天堆放的礦產品與廢棄物，開采產生的礦井廢水和有毒礦物元素等。露天堆放的礦產品與廢棄物易發生氧化、風化和自燃，大量如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等有害氣體及礦物灰塵會威脅人體健康，影響空氣質量，污染周圍環境。同時，采礦過程中排出的礦井廢水中含有大量的懸浮物和污染物質，由于利用率較低，大部分會直接排入環境，導致地下水、土壤的質量下降。而露天堆放的礦物經雨水淋溶，地表水沖刷以及人為的洗煤會污染水系，形成濁流。同時有毒礦物元素會存在于尾料中，隨廢棄物堆放會加劇土壤的污染和退化，對植物的生長產生不利作用[11]。
　　2.2.3  破壞水的過程　采礦破壞植被，造成水分涵養下降，破壞了地表徑流的下滲過程。同時地下開采會改變地下水流的方向，嚴重會使河溪斷流 [12] 。同時河流作為水的運輸通道，在礦區往往被作為廢水排放的直接途徑，河床常當作堆場阻礙行洪。而河岸植被帶，如河岸防護林、鄉土水生和濕生植物群落起著涵養水分、提供生境的作用，但往往在固化處理中被破壞，直接影響河流的生態效應的發揮。
　　2.2.4 破壞生物棲息生境，生物多樣性降低　采礦活動破壞了一些地區的原生生境，如作為物種源的大型植被破碎為一些小型的殘遺斑塊，影響作為跳板（Stepping Stone）的林地斑塊的功能發揮，造成生物遷徙受到阻隔。鄉土植物群落并且受到破壞，植被急劇發生向下的演替過程。這些都直接影響了內部物種的數量和質量，造成野生物種如鳥類棲息數量和種類的減少，多樣性降低。
　　2.2.5 誘發災害　地表植被的破壞，水系的紊亂以及采空區的形成會加劇水土流失，帶來極具破壞力的災害，如泥石流和山洪暴發，更嚴重可能會加速荒漠化。據消息，人為的破壞尤其是礦山及礦石運輸是形成沙塵暴的重要因素之一，同時采礦地裸露地面也是產生沙塵流動源的幫兇。如北京房山區地處首都西部，被稱為北京市“五大風口”之一，但由于采礦活動十分嚴重，因此作為西部生態屏障的一部分，其生態恢復和建設意義重大[13]。

　　2 采礦廢棄地的生態恢復與重建

　　2.1 概念

　　在英文中，restoration，reclamation和rehabilitation都有恢復的意思。英國利物浦大學A.D. Bradshaw教授認為restoration指恢復到原來的狀態，包含有未損害和完美的狀態的意思， rehabilitation僅僅指部分恢復， 而reclamation指恢復到一種新的狀態，但結構或功能都不同于原來，比如發展耕種[11]。而reconstruction是指根據目前的環境特點，人為地設計一個與環境相適應的生態系統[14]。因此這種方法是比較現實與可行的。作為退化景觀的一種，采礦廢棄地可持續發展利用應首先修復由于采礦活動而帶來的對生態系統的破壞及重建退化景觀。
　　美國生態重建學會將生態重建 (恢復)定義為將人類所破壞的生態系統恢復成具生物多樣性和動態平衡的本地生態系統 (indigenous ecosystem)，其實質是將人為破壞的區域環境恢復或重建成一個與當地自然界相和諧的生態系統。還有人認為采礦廢棄地生態重建就是使之具有某種形式和一定水平的生產力，維持相對穩定的生態平衡，且與周圍景觀價值相協調，最終達到生態整體性的目標。可見，采礦廢棄地的生態恢復與重建的核心在于恢復生態系統的結構和功能，進而提高生態系統生產力和穩定性。因此，通過工程技術和生物技術等措施進行生態恢復與重建，使之恢復到可以再利用的狀態，是采礦廢棄地可持續景觀設計的基礎。

　　2.2 措施

　　2.2.1 毒性處理與污染治理　A.D. Bradshaw認為毒性問題是采礦地恢復最難處理的問題，自然方法只能在污染還不是很嚴重的情況下采用。其他方法包括或者種植非生產性的耐酸性植被，或者通過使用石灰石覆蓋來消除酸性。重金屬礦的殘余金屬物質會存在于大多數廢棄物中，自然方法難以消除，但是可以用有機的方法即通過種植植物來吸收和降低毒性。針對劇毒廢物，唯一的途徑就是用無毒物質進行覆蓋，建立環境隔離區。對于有毒和無毒物質的混雜，Bradshaw認為對毒性的鑒別和處理應該是生態恢復的第一步工作[11]。對礦山環境的污染治理研究已有許多較為成熟的措施，但采用何種措施要根據實際的問題與需要。采礦固體廢棄物的堆放目前主要采取生物技術來處理。即通過播撒有機合成肥料，促使土壤微生物開始生長并增強生命力，再種植適生植物，恢復植被[15，16]。針對采礦廢棄物的粉塵污染可進行一定的遮蔽。礦井廢水的處理可采取工程措施和生態技術結合的方法。包括攔截地表水，阻止地表徑流流入采礦場，從而減少廢水的補給量；封閉各種廢棄礦井巷道，以隔絕空氣減少氧化作用，排除生成酸性水的各種條件。可以通過利用微生物來將廢水中的礦物成分中和或除去；選擇有利于生物種群生長和固著的濕地基質，種植耐受酸性水污染的植物去除廢水中的礦物離子 [17]。同時，針對采礦地的徑流與水系，通過設置雨污分流系統和污水處理系統，改造并修復河道為自然形式來處理污染，恢復水的自然過程。
　　2.2.2 基質改良　采礦地中如磷、鉀、鎂和鈣等營養元素的缺乏難以由自然過程所恢復，或者需要很長的一個時間，必須通過人為方式來恢復 [11]。作為植物生長的基質，必須對土壤進行改良，這是生態恢復與重建的關鍵。針對采礦地上的土壤狀況，可以直接改良或者新覆土再進行改良。用于改良廢棄地的材料極其廣泛，如表土、化學肥料、有機廢棄物、綠肥、固氮植物及作物的秸稈等[18]。而采取“以廢治廢”的方法具有很好的生態效益和社會效益。污水污泥、生活垃圾、泥碳及動物糞便含有大量的有機質，釋放緩慢，可緩解金屬離子毒性和提高基質的持水保肥能力，以一定比例施用能有效提高礦山廢棄地的有機質含量和改變其結構性能。但由于這種方法促進了植物對基質中重金屬的吸收，改良的廢棄地不適于作為農業用地。長期的改良必須依靠植物。利用固氮植物和菌根植物改良廢棄地是經濟效益與生態效益俱佳的方[11，18，19]。同時，采礦地土壤由于機械受壓會結構受損而板結，可以通過松土，切割或軟化（ripping and scarifying）等措施來處理，或通過植被根部的生長、營養物質的聚集和微生物活動來阻止土壤重新板結[11]。
　　2.2.3 植被恢復　礦區的表土和植被往往被破壞的面目全非，整體的生態系統受到損害。短期內采礦地植被恢復的主要目標是控制水土流失，減少災害，且對保護土壤防止侵蝕、促使形成良好的微粒及聚集營養等起到重要的作用[11，15，16]。生態系統的恢復可以通過自然的過程來實現，即通過生態演替。這一自然恢復過程在破壞不是很劇烈的情況下會發揮作用，有時會比人們所預期的時間要長的多。自然演替一般大約需要50-100年時間來在采礦廢棄地上恢復一個滿意的植被覆蓋 [11]。英國南約克郡的匹克國家公園（the Peak National Park）應用生態演替方式進行破壞景觀的恢復，通過種植慢生地方草種代替種植速生但抵抗力低的農業草種，很好的適應了因為開礦而質量下降的土壤。植被在自然狀態下會向上演替，而在人為不利干擾下則向下演替。如果停止人為干擾，封山育林，植被就會發生長期的、緩慢的向上演替，而向下演替過程往往是快速的。利用鄉土植物來恢復植被群落十分重要。通過觀察什么樣的植物在廢棄地最先自然的生長出來，而不是人工引種的，可以合理選擇植物種類。尤其那些在礦業廢棄地上自然定居的植物能適應極端條件，具有很強的忍耐性和可塑性，與栽培植物組成多層次的植物群落，可以形成多結構的生態系統，應該作為優先考慮的植物[14～16]。往往采礦業關閉之后，恢復需要以低成本和有效的方式來進行，因此利用自然演替是較為可行的途徑。
　　2.2.4 工程安全處理　采礦廢棄地往往形成一定的地下采空區，易造成地面陷落和裂縫，嚴重會引發坍塌等災害事故，因此對于潛在的采礦地安全隱患要通過工程處理來減少事故和災害爆發的幾率。一些露天作業的礦山開采多為下挖式開采，采掘面近乎直立，挖開的山巖遇強降水會造成解體，加大了滑坡和崩塌的可能。同時降雨會造成采坑積水，易造成墜入傷亡。因此應針對坑壁危巖體、礦坑進行安全設防，如建設擋土墻、護坡、攔沙壩、維護欄網，設立警示標牌以及夜間照明。利用削高墊低、土地平整、復土、深挖墊淺、煤矸石或粉煤灰填充等措施整治沉陷土地[20]。
　　針對生態恢復，有學者認為采礦破壞土地的恢復不僅僅是技術問題，不只包括了穩定地表、控制污染、改善視覺等目標，還應有對生物多樣性和空間的異質性構成的考慮以及自然和人文兩方面的結合[21]。這是對人類利用與自然資源保護兩者的一種平衡，也體現了可持續景觀設計的目標。

　　3 采礦廢棄地可持續利用
 
　　采礦地的可持續發展不僅表現在生態學恢復與重建上，同時還必須滿足地方的社會和經濟發展的需要。因此這不僅僅是一個自然的、技術的過程，還必須包括政策可行和經濟投入與成本上合理的考慮。英國有學者提出“預防優于整治”的觀點，即恢復措施應在最早階段的工程項目規劃中就進行考慮，并且是工程項目得以批準必不可少的內容，這樣會減輕礦山關閉時的各方面財務負擔。德國的礦山景觀生態重建目標除了重建一個穩定的自然生態系統之外，還包括在滿足社會和生態的要求下，使開采占用的土地和復墾的土地達到動態平衡，如對不可避免的村莊搬遷應充分注意受影響人員的要求，以求在搬遷過程中實現社會的可接受性。這表明了發展策略對采礦地的社會和經濟系統的可接受性和生態恢復與景觀設計同等重要。
　　同時，采礦廢棄地可持續利用應在保持足夠時間的生態恢復與保養的基礎上，以對環境干擾較小，改造程度較輕的項目為引導，根據區域自然與社會經濟特點以及發展方向來容納兼容的人類活動，確定開發利用方式，如旅游觀光、科普教育等，而禁止改造劇烈的開發項目。目前國際上礦區廢棄地生態系統重建主要有幾種形式：重建為耕地、林地、旅游休閑用地及牧業用地等。如英國把采礦地轉變為國家森林（National Forest），其中包括了新的房地產、休閑和旅游設施的開發以及綠色產業（Green company）。但是這些開發都需要限制在一定的尺度與規模下，不能與國家森林建設相沖突[22]。所可能包括的開發項目包括：旅游、娛樂和休閑設施，林地、公共休閑空間以及野生動物保護區，多樣化種植業，鄉村產業（包括接待設施、林業和花卉業），商業設施和一定的工業以及一定的居住。
　　而德國礦區景觀生態重建從最初的綠化到多功能復墾區域的建立，經歷了由簡單到綜合，由幼稚到成熟的過程，為合理規劃土地用途，建立新景觀提供了機會，進而滿足了逐步提高的人們對娛樂休閑場所的需求[23]。景觀設計學在廢棄地利用中發揮了重要作用，起到既滿足休閑功能如作為公園、運動場地、露宿營地、研究和觀察自然生態用地的作用，也顧及到了美學方面的要求。

　　4  國內外案例研究

　　4.1 德國魯爾區埃姆舍景觀公園（Emscher Landscape Park，Germany）

　　1960年以來，德國埃姆舍河地區煤礦和鐵礦業的衰退迫使這里尋求新的發展，而環境與生態問題是放在第一位來考慮的[24]。在占地200km²的北杜伊斯堡公園中，設計者樹立了兩項基本的生態原則。一是將基地上的材料同時作為建筑材料和植物生長的媒介加以循環利用，如磚被收集起來作紅色混凝土的骨料，利用煤、礦砂和金屬物都充當植物生長的介質；二是將原工廠的舊排水渠改造成水景公園，利用新建的風力設施帶動凈水系統，同時把收集的雨水在冷卻池和沉淀池中進行清潔處理，輸送到各個花園進行灌溉。鐵道公園中的強堿性礦渣以及焦炭含有少量有害重金屬，通過加鋪土壤及石灰石覆蓋層來防止污染。對于存在毒性污染問題的舊錳礦通過圈起來作為禁區，只允許游人在外面觀賞。建立在Nordsten礦舊址的廢料堆被修整為整齊的金字塔形，并被覆以地被植物[25]。通過藝術化地形處理而形成視覺焦點，“大地藝術”思想在這里具有很大影響，相對于單純強調在受破壞地表種植農作物的傳統觀念有了很大的進步。

　　4.2  法國代斯內娛樂基地（La Base de Loisir de Desnes， French）

　　代斯內娛樂基地是由一個修建高速公路采料的砂石場改造而成。砂石采集造成了坑洼不平的陡坡山地。設計師首先消除對生態環境造成破壞的各種外界因子，如針對起伏變化較大的地形，經過植物配置，形成既有遙遠開闊的視野，又有豐富的近景效果，并且將水邊處理成有利于多種動植物棲息的、不受人的活動干擾的生境系統。并在節省投資造價的思想下營造集教育與游樂于一體的娛樂空間，包括進行有關保護環境基礎知識的啟蒙傳授等[26]。

　　4.3  馬來西亞Kinta自然公園

　　馬來西亞Batu Gajah的舊鉛礦被建設成為Kinta自然公園。其技術委員會成員包括土地、采礦、灌溉和排水、國家公園和野生動物保護等部門以及馬來西亞自然學會 (MNS，Malaysian Nature Society)。通過自然恢復使植被開始重新生長，并建造人工濕地，提供自然、無污染的水面。這些措施恢復了當地生態系統，形成多樣的生態棲息地。目前這里有200種植物種類，大約有129種鳥類在這里過冬。同時低環境影響和可兼容的旅游活動得到倡導，如觀察鳥類和野生動物活動、自然攝影、釣魚、劃船、野外遠足以及科學研究和自然教育等。其他措施包括改造利用鉛礦遺跡、廢棄工廠用房作為景點及游客中心，建設自然教育和野外實習設施，以及鳥巢、觀光塔、野營和庇護所。接待設施主要在附近的城鎮解決，不在公園當中建設[27]。在這樣最小限度的開發下，舊采礦地可以成為一個娛樂和保護性質的公園，更重要的是從長遠角度成為鳥類必需的棲息地。

　　4.4  美國“再生之地一號”試驗

　　美國景觀設計師Mel Chin與美國農業部專家Rufus L Chaney1990年合作進行了“再生之地一號”試驗。在經簡單藝術設計的區域內種植特定植物吸收土壤中有毒的重金屬，以引起人們關注污染并使其了解科學的解決辦法。Mel Chin稱這一作品猶如雕刻藝術，只不過“原材料是看不見的，而雕刻工具是生物化學和農業技術；最終其審美價值將因土壤能重新生長植物而得到體現 [28]。”

　　4.5   國內的實踐

　　我國早在古代的采石活動中就注重生態重建，如浙江紹興東湖風景區原先是一處采石場，從漢代起開始采石，由于常年累月的開鑿，形成千奇百怪的峭壁和深邃的小塘，構成了東湖的雛形，并經長期改造，形成了山水交融，洞竅盤錯的風景旅游圣地。淮北楊莊煤礦已利用地表塌陷形成的湖泊建成了皖北第一座“水上公園”，保護了生態環境，有效利用了土地，還具有豐富的環境效益和社會效益。不少礦區利用塌陷區建立了養魚塘、游泳池等，廢物利用的同時解決了部分職工的就業問題。

　　5  采礦廢棄地可持續景觀設計原則

　　5.1 生態安全原則

　　某些關鍵點（或稱戰略點）以及某些特定格局能對景觀過程起到潛在的決定性影響，構成了控制景觀的安全格局。對其進行控制可以高效維護區域景觀生態格局的健康與良好運行。礦山開采破壞對水土流失、污染擴散、誘發災害以及生境破壞等具有重要影響。因此，對處于戰略點的采礦廢棄地進行恢復會對維護區域生態安全起首要的作用[10，30，31]。如McChesney針對廢礦地恢復過程，在比較了恢復地和自然景觀中幼苗發生后指出在大尺度基質下選取恢復地點的重要性[31]。

　　5.2 持續利用與資源循環原則

　　采礦廢棄地上的各類要素通過設計因地制宜地加以改造利用，使之重新參與生態系統的生產與循環并且塑造新的景觀，走“資源再利用”的途徑，可以產生新的經濟效益。如通過設計，使礦井、跡地以及設施重新發現其審美、生產和生境價值，是一種變廢為寶的積極利用的思路[32～34]。

　　5.3 自然原則

　　恢復自然生態狀況應置于采礦廢棄地可持續發展的優先考慮。利用自然過程，采取自然演替方法是重要的手段，包括采用鄉土物種，恢復植被群落與演替，改善土壤質量，恢復自然河道與水的自然過程等，以提高自然生態系統生產力和穩定性。

　　5.4 多樣性原則

　　考慮未來發展的多種可能性，采取多樣性設計來滿足功能的多樣化和人的多選擇性及不同層次需要。采礦廢棄地的可持續利用應遵循這一原則，針對不同景觀和用地的基礎，采取不同的恢復和利用方式，可以滿足景觀多樣性的要求[35，36]。

　　5.5 過程原則

　　應尊重場地的發展過程，在一定程度上保存地段的歷史信息。應使采礦以及恢復的歷史成為景觀演替過程的一部分，而不是完全終結。通過設計提供后來者可以調整與發展的空間。這種過程體現了空間與時間上的脈絡[4]。針對人的審美體驗，符合生態原理的景觀設計也許不是完成的作品，而更多是對“過程”和“中介”的設計，反映多樣性關系的產生和網絡化、聯系及區分[35，36]。

　　5.6  場所性原則

　　景觀不僅僅作為視覺藝術而存在，還應作為人的活動場所。應強調觀者的參與的重要性，考慮其場所環境的使用性質，使人可以產生震撼、凝聚情感、愉悅身心，從而使物質空間具有場所精神[33～36]。采礦地設計應利用各種資源來提供給人以獲得教育、鍛煉和愉悅的機會。

　　6 結語

　　采礦地類型多樣，應根據實際問題采取措施。相關生態和工程學科的協作可以對廢棄地退化景觀進行處理，而通過景觀設計學，可以達到重新利用和“變廢為寶”的目標，以平衡生態退化帶來的土地資源不足，遏制環境進一步惡化 [37]。因此，采礦廢棄地的生態恢復與可持續景觀設計涉及生態、工程、美學、經濟以及社會等多方面的內容，具有很強的研究價值和廣泛的現實意義。我國的采礦廢棄地、垃圾堆場以及工業廢棄地（Brownfield）等退化景觀規模巨大，針對有限的土地資源，應力求通過對退化景觀的治理與可持續利用來達到緩解人地矛盾，爭取更大的社會經濟發展空間。未來退化景觀的恢復與設計領域將會有廣闊的發展前景。

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作者單位：北京大學景觀設計學研究院，北京  100871