周宏軒，王昭清，濮宏桐，陶貴鑫，孫 婧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特征為“貧油、少氣、富煤”；煤炭一直以來都是我國(guó)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要驅(qū)動(dòng)力，占我國(guó)一次能源消費(fèi)總量的比例超過55%[1]。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴煤炭的格局難以在短時(shí)間內(nèi)改變[2]。因此，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展仍將以煤炭作為重要的能源驅(qū)動(dòng)力，對(duì)煤炭資源的科學(xué)開發(fā)與利用依舊是未來幾十年的重點(diǎn)。

煤礦區(qū)域?qū)儆谝活愋⌒偷摹吧鐣?huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”[3]，由社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然3 個(gè)子系統(tǒng)耦合而成。當(dāng)前生產(chǎn)煤礦的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)子系統(tǒng)不斷趨于完善與和諧，但自然子系統(tǒng)卻因長(zhǎng)期煤炭開采活動(dòng)而深度受損；在資源枯竭及政策影響下，我國(guó)多處煤礦相繼關(guān)閉，也伴隨著社會(huì)退化、經(jīng)濟(jì)衰退和自然受損等現(xiàn)象。無論是開采還是關(guān)停，煤礦均在不同程度上造成當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境損傷，在“水(水文、水質(zhì))、土(土壤、土地)、氣(大氣環(huán)境)、生(生物組成與多樣性)、礦(礦產(chǎn)資源與生物地化循環(huán))”等多方面均有體現(xiàn)，煤礦區(qū)域生態(tài)環(huán)境受損增加生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，影響人與自然和諧共生，甚至威脅“山水林田湖草沙”生命共同體，不利于我國(guó)全方位可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明進(jìn)程的推進(jìn)[4]。

因此，有必要進(jìn)行煤礦的生態(tài)恢復(fù)研究與實(shí)踐，以便維持或重構(gòu)和諧的生態(tài)系統(tǒng)?；A(chǔ)研究方面，當(dāng)前研究大多關(guān)注單一煤礦或單一礦區(qū)內(nèi)的幾個(gè)煤礦生態(tài)修復(fù)策略，主要集中在設(shè)計(jì)層面的景觀營(yíng)造[5-6]與景觀修復(fù)[7]，并賦予景觀相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[8]；也有通過土地復(fù)墾實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)開發(fā)[9]，或在管理層面上提供生態(tài)修復(fù)資金保障的建議[10]，但在較大空間尺度上的煤礦生態(tài)恢復(fù)研究比較罕見[4]。目前，僅有對(duì)黃河流域提出的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)[11]和相應(yīng)的宏觀策略[12]，以及對(duì)我國(guó)西部地區(qū)生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向的預(yù)判[13]。實(shí)踐方面，我國(guó)煤礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究與工程實(shí)踐已有多年歷史[14]，并在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛推廣，取得良好的進(jìn)展，包括生物多樣性[15-16]、土壤理化特性[17]以及地表景觀重建等方面[18]，但我國(guó)早期煤礦生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐大多數(shù)受企業(yè)開采范圍以及地域行政邊界所限，往往局限在某一處或某幾處礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行，屬于局部層面的工程實(shí)踐，較少涉及區(qū)域甚至國(guó)家尺度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，缺少相關(guān)總體規(guī)劃與策略的制定。

在全國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程中，國(guó)土空間規(guī)劃以生態(tài)文明建設(shè)為核心價(jià)值觀，要求對(duì)全國(guó)范圍進(jìn)行統(tǒng)籌，制定更高層級(jí)的煤礦區(qū)域生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃與策略[19]，以此促進(jìn)流域和全國(guó)尺度上的生態(tài)恢復(fù)，并積極發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能與價(jià)值。2020 年，自然資源部頒發(fā)了《全國(guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021-2035 年)》，標(biāo)志著全國(guó)范圍內(nèi)的生態(tài)恢復(fù)已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略。面對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略、國(guó)土空間規(guī)劃的重大需求以及生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)[20]，我國(guó)煤礦區(qū)域迫切需要在國(guó)家尺度的宏觀層面上制定相應(yīng)的生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃與策略，對(duì)煤礦區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行總體把控。但我國(guó)幅員遼闊，煤礦分布較為分散，覆蓋全國(guó)多個(gè)省/市，水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜[21]，開采方式及其造成生態(tài)環(huán)境受損的結(jié)果差異較大[22]，導(dǎo)致全國(guó)范圍的煤礦生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃與策略的制定極具挑戰(zhàn)性。因此，全國(guó)范圍內(nèi)煤礦區(qū)域生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃的研究需要由淺入深，在高度異質(zhì)性的破損生態(tài)空間中，提取適用的參數(shù)，用以衡量生態(tài)恢復(fù)的緊迫性及重要性，據(jù)此制定相應(yīng)的生態(tài)恢復(fù)秩序策略。

針對(duì)上述問題，以我國(guó)2020 年重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)現(xiàn)存煤礦為研究對(duì)象；以自然恢復(fù)為主，人工為輔，從充分發(fā)揮自然恢復(fù)能力的理念出發(fā)，通過疊加植被區(qū)劃來明確生態(tài)恢復(fù)的潛在植被類型；綜合研究對(duì)象的多種生態(tài)敏感性并進(jìn)行歸一化計(jì)算，以表征生態(tài)恢復(fù)的緊迫性；探索煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口以確定生態(tài)恢復(fù)的重要性；使用聚類分析找出煤礦生態(tài)恢復(fù)最關(guān)鍵區(qū)域，為制定科學(xué)合理的煤礦生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

我國(guó)煤礦主要分布于山西、陜西、河北、內(nèi)蒙古、河南北部、山東西部、云南、貴州和四川等地區(qū)，少部分分布在新疆、甘肅、青海、寧夏、黑龍江、吉林、遼寧等地區(qū)。筆者通過高德地圖API 接口(Application Programming Interface，API)，獲取全國(guó)范圍內(nèi)2020 年煤礦的POI 數(shù)據(jù)(Point of Interest)，其中包含煤礦的名稱和坐標(biāo)等信息。在ArcGIS 平臺(tái)中將上述數(shù)據(jù)與全國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)進(jìn)行疊加分析，得到全國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦的空間分布情況。如圖1 所示，我國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)內(nèi)共有煤礦2 207 處。山西、陜西、內(nèi)蒙古等地是現(xiàn)存煤礦的主要集中地區(qū)；云南、貴州和四川也是我國(guó)重要煤炭規(guī)劃區(qū)的聚集地；此外，安徽北部、河南東部、山東西南部、河北南部和東部、東北部部分地區(qū)以及新疆部分地區(qū)也有較多的煤礦分布。

圖1 我國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)煤礦分布Fig.1 Distribution of coal mines in the national key coal planning area

1.2 歸一化綜合生態(tài)敏感性(NIES)數(shù)值計(jì)算方法

煤礦區(qū)域礦山廢棄物中的酸堿、礦物質(zhì)和重金屬成分通過雨水的滲透、徑流等方式進(jìn)入地層，導(dǎo)致周圍區(qū)域出現(xiàn)土壤酸化、侵蝕及鹽漬化現(xiàn)象；而礦山的疏排水和突水及因露天采礦對(duì)土壤的破壞則會(huì)引起礦區(qū)周邊區(qū)域出現(xiàn)土壤流失及沙漠化問題[23]。針對(duì)煤礦區(qū)域的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)，選擇沙漠化敏感性、石漠化敏感性、鹽漬化敏感性、凍融侵蝕敏感性、酸雨敏感性、土壤侵蝕敏感性共6 個(gè)敏感因子作為基礎(chǔ)條件開展研究。敏感性數(shù)據(jù)來源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)[24]，是按敏感性等級(jí)分類的無量綱柵格數(shù)據(jù)，等級(jí)1、3、5、7、9 分別對(duì)應(yīng)不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km×1 km。

不同生態(tài)敏感性在不同地區(qū)影響程度及主導(dǎo)性具有差異，在對(duì)其進(jìn)行綜合空間疊加時(shí)，不同地區(qū)的上述各種敏感性權(quán)重難以通過專家打分的層次分析法確定，如凍融敏感性主要在我國(guó)北部及西藏等地區(qū)起主導(dǎo)作用。因此，為保留不同生態(tài)敏感性在不同地區(qū)原有的離散程度，將各個(gè)區(qū)域的6 種生態(tài)敏感性(凍融侵蝕、沙漠化、鹽漬化、石漠化、土壤侵蝕、酸雨)進(jìn)行空間疊加，得到綜合生態(tài)敏感性值，隨后采用極值處理法(離差標(biāo)準(zhǔn)化)[25]，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使其落入[0,1]范圍，以便進(jìn)行直觀比較，綜合生態(tài)敏感性值線性變換計(jì)算方法如下：

式中：x為綜合生態(tài)敏感性值；k為6 種生態(tài)敏感性指標(biāo)；Ck為第k個(gè)指標(biāo)的生態(tài)敏感性等級(jí)值；xmin和xmax分別為所有綜合生態(tài)敏感性序列中的最小值和最大值。最后按自然斷點(diǎn)法對(duì)NIES 進(jìn)行分級(jí)并展示。

1.3 空間自相關(guān)分析方法

通過空間自相關(guān)分析方法評(píng)價(jià)不同NIES 煤礦的空間自相關(guān)性及聚集模式[26-27]，空間自相關(guān)分析方法選擇莫蘭指數(shù)，分為全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s I，GMI)和局部莫蘭指數(shù)(Local Moran’s I，LMI)。其中，GMI 用于評(píng)價(jià)不同NIES 的煤礦在空間上是否存在自相關(guān)性；而LMI 則用于分析空間位置上某一煤礦與鄰近煤礦的NIES 關(guān)系，計(jì)算方法如下：

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差；n為全國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)中煤礦POI 點(diǎn)總個(gè)數(shù)；NIESi和NIESj分別為第i個(gè)煤礦POI點(diǎn)和第j個(gè)煤礦POI 點(diǎn)的歸一化綜合生態(tài)敏感性值；為n個(gè)煤礦POI 點(diǎn)的歸一化綜合生態(tài)敏感性平均值；Wij為煤礦i和j之間的空間權(quán)重矩陣，空間權(quán)重矩陣根據(jù)空間相鄰情況將空間單元連接的定義為1，把不連接的定義為0。

S和的計(jì)算方法如下：

GMI 的取值為(-1，1)，當(dāng)GMI 為正值時(shí)，表明不同NIES 的煤礦間存在顯著的正自相關(guān)；當(dāng)GMI 為負(fù)值時(shí)，為負(fù)相關(guān)；當(dāng)GMI 為0 時(shí)，無空間自相關(guān)性。另外，GMI 的置信區(qū)間取決于P值(此空間模式為隨機(jī)產(chǎn)生的概率)和z-score(反映數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù))，二者是相互關(guān)聯(lián)的，故還需對(duì)GMI 的P值和z-score 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)P＜0.05 時(shí)，置信區(qū)間為95%，空間模式存在自相關(guān)(聚集或離散)的概率是95%；當(dāng)P≥0.05 時(shí)，空間模式有95%的概率為隨機(jī)分布模式；當(dāng)P＜0.01 時(shí)，概率更高，結(jié)果更加可信，見表1。

表1 GMI 不同置信區(qū)間的臨界P 值和z-scoreTable 1 Critical P-values and z-score of different confidence intervals of GMI

LMI 中，將某煤礦NIES 大于NIES 平均值的表示為高值，反之則為低值。NIES 高值煤礦的鄰接煤礦為高NIES，則為高-高聚集；其鄰接煤礦為低NIES，則為高-低聚集；同理，NIES 低值煤礦的鄰接煤礦為高NIES，則為低-高聚集；其鄰接煤礦為低NIES，則為低-低聚集?；谀m指數(shù)分析，聚集模式可分為5 類：不顯著表示無自相關(guān)性，為隨機(jī)分布；高-高聚集表示NIES 高值的煤礦被高值包圍；低-低聚集表示低值包圍低值；高-低聚集表示高值被低值包圍；低-高聚集表示低值被高值包圍。

1.4 聚類分析

聚類分析是一種常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，依據(jù)數(shù)據(jù)之間的差異程度將數(shù)據(jù)分為不同的類或簇[28]。以各個(gè)煤礦的NIES 和生態(tài)恢復(fù)獲益人口為屬性，在SPSS 17.0 軟件中采用K 均值聚類分析，將煤礦分為不同類別，同一類別的煤礦具有較為相似的屬性，而不同類別的煤礦之間屬性差異較大。

2 煤礦區(qū)域生態(tài)恢復(fù)綜合分析

2.1 潛在植被類型

依照生態(tài)學(xué)原理，本地植被對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境具有高度適應(yīng)性，是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)的重要物種。但我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)的土壤性質(zhì)、光照強(qiáng)度和氣溫、降水量等氣候條件都存在較大差異[29]，植被組成和優(yōu)勢(shì)物種差別較大；但相同或相近地域植被群落的演替進(jìn)程、階段性和最終物種組成較為類似。由于國(guó)土空間規(guī)劃對(duì)煤礦區(qū)域的未來用地屬性仍不明確，本文以“借自然之力恢復(fù)自然”的理念為指導(dǎo)，以我國(guó)植被區(qū)劃作為當(dāng)?shù)孛旱V生態(tài)恢復(fù)的潛在植被類型，即認(rèn)為當(dāng)?shù)孛旱V生態(tài)恢復(fù)過程將朝向潛在植被類型發(fā)展。

根據(jù)全國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)內(nèi)的煤礦數(shù)據(jù)和中國(guó)植被區(qū)劃數(shù)據(jù)[30](來源于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù))疊加的結(jié)果，得到重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)煤礦生態(tài)恢復(fù)的潛在植被類型(圖2)。我國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)煤礦主要分布在暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域、溫帶草原區(qū)域和亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域；此外，在寒溫帶針葉林區(qū)域、青藏高原高寒植被區(qū)域、溫帶荒漠區(qū)域和溫帶針葉落葉闊葉混交林區(qū)域也有煤礦分布?？傮w來說，在沒有人工干預(yù)和其他因素?cái)_動(dòng)的情況下，各個(gè)區(qū)域?qū)?huì)演替為適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚺c環(huán)境的植被類型，這是順應(yīng)自然的結(jié)果，但同時(shí)也應(yīng)綜合考慮國(guó)土空間規(guī)劃及區(qū)域的自身發(fā)展條件。

圖2 基于植被區(qū)劃的煤礦生態(tài)恢復(fù)潛在植被類型Fig.2 Potential vegetation types for ecological restoration of coal mines based on the vegetation zoning

2.2 煤礦的生態(tài)敏感性

按照敏感區(qū)劃分，我國(guó)可分為東北水土流失區(qū)、黃淮海平原鹽漬化區(qū)、東南酸雨水土流失區(qū)、內(nèi)蒙古與新疆沙漠化鹽漬化區(qū)、黃土高原水土流失區(qū)、云貴高原酸雨水土流失區(qū)、青藏高原鹽漬化區(qū)共7 處敏感區(qū)[31]。將不同生態(tài)敏感性情況在ArcGIS 中通過式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到全國(guó)NIES 空間分布情況，并將其與煤礦POI 數(shù)據(jù)相疊加，獲取煤礦的NIES(圖3)。

圖3 不同歸一化綜合生態(tài)敏感性區(qū)域煤礦分布Fig.3 Distribution of coal mines in different normalized integrated ecologically sensitive areas

多處煤礦分布在極高NIES 區(qū)域中，其中較為密集的共3 個(gè)區(qū)域：一是位于河北東部、南部以及山東北部，共81 座煤礦；二是位于西南部的云南和貴州交界處，共48 座煤礦；三是位于內(nèi)蒙古與遼寧交界處，共25 座煤礦。此外，還有218 座煤礦較為零散地分布于高NIES 區(qū)域，其生態(tài)恢復(fù)同樣較為緊迫。

以NIES 為空間自相關(guān)分析依據(jù)，GMI 分析結(jié)果見表2，結(jié)果表明：由于P＜0.01，不同NIES 煤礦分布表現(xiàn)為空間自相關(guān)，即聚集或離散關(guān)系；且z-score＞2.58，表明煤礦呈聚集分布；GMI=0.250 703，表明全國(guó)重點(diǎn)煤炭規(guī)劃區(qū)煤礦顯著正自相關(guān)。

表2 GMI 分析結(jié)果Table 2 GMI analysis results

不同NIES 煤礦聚集模式如圖4 所示，灰色的點(diǎn)表示分布聚集模式不顯著，說明這類煤礦為隨機(jī)分布，主要分布在新疆西北部、山西北部、內(nèi)蒙古、黑龍江東部及遼寧中部，少部分分布在陜西南部、四川西南部。高-高聚集主要分布在河北、內(nèi)蒙古、陜西、山東、安徽及云南、貴州、四川3 省交界處；低-低聚集主要分布在山西、陜西和河南，少量還分布在甘肅、青海和新疆地區(qū)。高-高聚集和低-低聚集可采用相似方法進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，但高-高聚集相比于低-低聚集更亟需生態(tài)恢復(fù)。

圖4 LMI 分析圖Fig.4 LMI analysis

如圖4 所示，高-低聚集和低-高聚集的點(diǎn)相對(duì)較少，前者主要分布于山西、河南和黑龍江；后者僅分布在山東和遼寧。針對(duì)高-低聚集和低-高聚集，可以采用差異化的生態(tài)恢復(fù)方式協(xié)同恢復(fù)，即高NIES 區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行恢復(fù)，并需人工介入以輔助自然恢復(fù)；同時(shí)，在區(qū)域角度上，通過演替進(jìn)程較快的區(qū)域帶動(dòng)演替進(jìn)程較慢的地區(qū)，從而達(dá)到協(xié)同恢復(fù)的效果。

2.3 基于緩沖區(qū)分析的煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口

煤礦生態(tài)恢復(fù)將直接提升煤礦周邊環(huán)境質(zhì)量，包括大氣、水和土壤環(huán)境改善；當(dāng)?shù)鼐用駥⒁蛎旱V生態(tài)恢復(fù)在多方面獲益，如良好的人居環(huán)境和景觀休閑空間等。本文以5 km(居民騎行可接受的最遠(yuǎn)距離)作為煤礦生態(tài)恢復(fù)改善人居環(huán)境質(zhì)量的輻射范圍，對(duì)煤礦進(jìn)行緩沖區(qū)分析。如圖5 所示，獲益人口在20 萬以上的煤礦數(shù)量為115 處，多分布在山西以及山西、河北與河南3 省交界處，在河北東部地區(qū)也有分布；少數(shù)分布在內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、云南、貴州地區(qū)。

圖5 煤礦生態(tài)恢復(fù)后獲益人口數(shù)量級(jí)Fig.5 Population level benefiting from ecological restoration of coal mines

獲益人口介于15 萬～20 萬的煤礦共117 處，主要分布情況與獲益人口20 萬以上的類別相似，少數(shù)分布在河北東部、山東、安徽、黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、云南、貴州部分地區(qū)；獲益人口數(shù)介于5 萬～15 萬的煤礦共755 處，主要分布在山西、河北東部、冀魯豫交界處，少數(shù)分布于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、黑龍江、吉林、遼寧、云南、貴州、四川地區(qū)；獲益人數(shù)在5 萬以下的煤礦數(shù)量最多，共計(jì)1 220 處，主要分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、河北東部、河南西北部及云南、貴州、四川交界處，少數(shù)分布在新疆、青海、甘肅、河北、山東、安徽、遼寧。上述結(jié)果表明，我國(guó)煤礦數(shù)量多，生態(tài)恢復(fù)將為大量居民提供優(yōu)良的自然環(huán)境本底以及良好的公共空間。因此，有針對(duì)性地制定生態(tài)恢復(fù)方案，停止煤礦生產(chǎn)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，將逐步改善當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境質(zhì)量，持續(xù)產(chǎn)生社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)效益。

2.4 基于聚類分析的煤礦生態(tài)恢復(fù)優(yōu)先級(jí)

煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口是煤礦生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃的重要依據(jù)，本文將煤礦NIES 與獲益人口數(shù)量進(jìn)行聚類分析，如圖6 所示。在劃分的4 個(gè)類別中，第1、第3和第4 類的NIES 平均值相差較小，但在人口數(shù)量上具有較大差異，因此，聚類結(jié)果中煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口是主導(dǎo)因素，而煤礦的NIES 為次要因素。第2 類較特殊，NIES 較高，獲益人口數(shù)量較多，此類煤礦主要分布在貴州六盤水市(5 處)與河南洛陽市(1 處)，其中六盤水市屬于典型的山地喀斯特地貌類型，溝壑縱橫，酸雨和石漠化的生態(tài)敏感性較高，生態(tài)環(huán)境較為惡劣[32]，因此，此處煤礦應(yīng)當(dāng)優(yōu)先進(jìn)行恢復(fù)。

圖6 煤礦歸一化綜合生態(tài)敏感性和煤礦影響人口數(shù)量的聚類分析Fig.6 Cluster analysis between normalized integrated ecological sensitivity and population of coal mines

3 我國(guó)煤礦區(qū)域生態(tài)恢復(fù)原則

全國(guó)煤礦的生態(tài)恢復(fù)應(yīng)整體性、全局性和系統(tǒng)性地考慮[33]。從植被區(qū)劃、生態(tài)敏感性、煤礦恢復(fù)獲益人口和綜合分析的角度，筆者認(rèn)為，煤礦生態(tài)恢復(fù)原則如下：第一，貫徹“借自然之力恢復(fù)自然”理念[34]，采用本地鄉(xiāng)土物種，遵循生態(tài)恢復(fù)學(xué)原理；第二，生態(tài)敏感性高的煤礦具有較高的生態(tài)恢復(fù)緊迫性；第三，以煤礦之間的空間聚集模式，制定區(qū)域生態(tài)恢復(fù)策略；第四，生態(tài)恢復(fù)應(yīng)當(dāng)盡量先恢復(fù)獲益人口較多的煤礦；第五，需要充分平衡西部生態(tài)涵養(yǎng)以及東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系；并且需要在多個(gè)省份之間進(jìn)行權(quán)衡，符合國(guó)土空間總體規(guī)劃的需求。

4 煤礦區(qū)域生態(tài)恢復(fù)策略

第一，西南地區(qū)煤礦主要集中在云南、貴州和四川交界處，石漠化和酸雨侵蝕是當(dāng)?shù)馗呱鷳B(tài)敏感性的主要原因。植被區(qū)劃上，該地區(qū)主要屬于常綠闊葉林區(qū)域，僅云南少數(shù)煤礦區(qū)屬于熱帶雨林區(qū)域，因此，常綠闊葉林和熱帶雨林應(yīng)成為其潛在植被恢復(fù)類型。煤礦造成該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)極度退化，故生態(tài)恢復(fù)需選擇耐酸、耐瘠等環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的植物，如蒺藜、黃蒿、刺莧。另外，由于煤矸石等因素使土壤酸度增強(qiáng)，污染使植被生態(tài)恢復(fù)更加困難，除選擇耐性植物外，還可通過優(yōu)先種植次生群落的先鋒樹種，如光皮樺、楊樹、馬桑、構(gòu)樹、楤木，以增加恢復(fù)煤礦的生物多樣性。該區(qū)域大部分煤礦NIES 屬于高-高聚集模式，NIES 屬于極高和高度敏感，且其生態(tài)修復(fù)獲益人口總數(shù)較高，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)并采用相似的方法和策略，即主要關(guān)注地表土壤及地下水系。在地表土壤層面，主要采用農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)模式以改善生態(tài)環(huán)境；以煤礦為中心，開展人工生態(tài)恢復(fù)，并且距離中心越遠(yuǎn)，人工干預(yù)程度越低[9]；依據(jù)采煤塌陷地表形態(tài)，因地制宜地進(jìn)行垂直分帶治理，采用復(fù)合型立體生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，廣泛應(yīng)用高效集水節(jié)水技術(shù)[35]。在地表以下層面，需要針對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施保水問題在犁底層以下采用土工膜，并在地表下和犁底層以上打樁夯實(shí)防止水分側(cè)滲[36]。其中，貴州六盤水市煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口數(shù)量較多，且煤礦聚集程度高，應(yīng)優(yōu)先恢復(fù)，并需要高強(qiáng)度的人工介入，如在合適時(shí)間和空間引入先鋒物種、改善土壤理化條件并加強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)區(qū)的空間格局管理，為不同演替階段物種入侵與分布提供必要條件。少數(shù)煤礦NIES 屬于低-高聚集模式的區(qū)域，NIES 屬于中度敏感并低于全國(guó)NIES 平均值；幾處煤礦屬于隨機(jī)分布，NIES 屬于中度敏感，此類煤礦的生態(tài)恢復(fù)獲益人口數(shù)量較少，可以通過少量人工干預(yù)控制生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，再通過自然恢復(fù)逐步向潛在植被類型演替。

第二，東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東北部的煤礦主要集中在黑龍江、吉林、遼寧3 省與內(nèi)蒙古東北部交界處，黑龍江東部以及內(nèi)蒙古北部。上述3 個(gè)區(qū)域生態(tài)敏感性來源在空間上具有較大差異，黑龍江、吉林、遼寧與內(nèi)蒙古東北部交界處主要是沙漠化和酸雨侵蝕；黑龍江東部主要是沙漠化、土壤侵蝕和鹽漬化；內(nèi)蒙古北部主要是凍融和沙漠化。黑龍江、吉林、遼寧與內(nèi)蒙古東北部交界處屬于干旱與半干旱地區(qū)過渡帶，該地區(qū)在植被區(qū)劃上屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，可先種植當(dāng)?shù)夭荼局参餃p輕沙化和生態(tài)退化現(xiàn)象，以落葉闊葉樹木組成的群落作為潛在恢復(fù)植被類型。針對(duì)露天開采引起的地表破壞主要采用水土流失防治、土地復(fù)墾以及植被恢復(fù)的對(duì)策。其中，NIES 屬于高-高聚集模式的煤礦主要分布在遼寧西部與內(nèi)蒙古交界，生態(tài)問題較為類似，可采用相似的方法進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，該地區(qū)僅有少數(shù)煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口在20 萬以上，應(yīng)作為生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)，具有高度的緊迫性和重要性，并且可以作為區(qū)域的示范工程。針對(duì)因露天開采形成的大量邊坡需要人工介入，穩(wěn)固邊坡以降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[37]。對(duì)于地下開采造成的沉陷區(qū)應(yīng)采用有效復(fù)墾方案，推動(dòng)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，促進(jìn)農(nóng)、林和牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成集中連片恢復(fù)模式，以減輕景觀破碎化程度[38]。對(duì)于低-高聚集模式和隨機(jī)分布的煤礦，其NIES 值較低，但煤礦生態(tài)恢復(fù)的獲益人口數(shù)量具有差異，獲益人口多的煤礦應(yīng)采用少量人工介入引導(dǎo)恢復(fù)，而獲益人口數(shù)量較少的煤礦則建議通過自然生態(tài)恢復(fù)向潛在植被類型演替。在黑龍江東部地區(qū)，植被區(qū)劃屬于溫帶針葉落葉闊葉混交林區(qū)域；在生態(tài)敏感性方面雞西市與鶴崗市屬于隨機(jī)分布類型，NIES 值較低，僅受沙漠化和鹽漬化影響；雙鴨山市煤礦則屬于高-低聚集模式，NIES 值較高，面臨土壤侵蝕、沙漠化和鹽漬化的脅迫。雞西市與鶴崗市的煤礦可以通過種植耐鹽、耐旱和耐寒的植被進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，以改善土壤條件[39]，并向潛在植被類型轉(zhuǎn)變；雙鴨山市需要更多的人工介入，如根據(jù)生態(tài)恢復(fù)學(xué)原理增加植被覆蓋度對(duì)抗雨水沖刷和冰雪融水對(duì)土壤的侵蝕，或根據(jù)煤礦塌陷形態(tài)對(duì)地形進(jìn)行整改，通過建設(shè)梯田減緩水土流失并合理安排農(nóng)林牧比例。內(nèi)蒙古北部在植被區(qū)劃上屬寒溫帶針葉植被區(qū)域，但其煤礦區(qū)域被極度破壞，且當(dāng)?shù)厥苌衬望}漬化影響較多，建議種植耐鹽和耐寒的草本植被，并且逐步向針葉樹木群落過渡；此外，該地區(qū)煤礦聚集模式大多為隨機(jī)分布，其生態(tài)恢復(fù)策略建議采用少量人工介入引導(dǎo)，再充分進(jìn)行自然生態(tài)恢復(fù)。

第三，河北、山東和安徽煤礦所在區(qū)域以沙漠敏感性為主，其中，河北和山東的NIES 值較高，而安徽較低。在植被區(qū)劃上，上述3 個(gè)省份均屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，可以作為潛在恢復(fù)植被類型。在空間關(guān)系上，分布在這3 省的煤礦大多為高-高聚集模式，可采用相似的生態(tài)恢復(fù)方法。此外，雖然這些煤礦生態(tài)恢復(fù)獲益人口數(shù)量不等，但因煤礦較為密集，故均應(yīng)有一定優(yōu)先級(jí)。其中，河北省屬于京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)域，應(yīng)先行恢復(fù)，且該區(qū)域?qū)儆谥懈邼撍坏貐^(qū)，地下開采造成較大的塌陷面積和較深的積水，因此，其生態(tài)恢復(fù)需綜合考慮沙漠化及塌陷區(qū)積水的影響。生態(tài)恢復(fù)方式可采用挖深墊淺的復(fù)墾方式，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖與種植農(nóng)業(yè)相結(jié)合的生態(tài)恢復(fù)策略[40]；也可將食物鏈作為紐帶，構(gòu)建小型生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“桑基魚塘”的生態(tài)智慧模式；對(duì)于地質(zhì)條件較好或者已經(jīng)穩(wěn)定的沉陷區(qū)域，通過填充煤矸石、表面覆土措施，使其達(dá)到可以種植以及建設(shè)的程度。此外，在山東省存在部分隨機(jī)分布和低-高聚集模式的煤礦，且獲益人口總數(shù)較多，雖然NIES 值較低，但是需要人工介入起引導(dǎo)作用，使煤礦向進(jìn)展演替方向發(fā)展。

第四，在黃河中游流域，主要以陜西、山西與河南為代表。其中，陜西南部、山西與河南北部大部分煤礦處于生態(tài)敏感性較低的區(qū)域，主要受沙漠化影響。在植被區(qū)劃上，上述地區(qū)屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域，可作為生態(tài)恢復(fù)的潛在植被類型。在空間關(guān)系上，上述地區(qū)煤礦大多屬于低-低聚集模式，少數(shù)屬于高-低聚集模式和隨機(jī)分布模式。此外，該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)獲益人口總數(shù)較多，屬于生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。因該區(qū)域生態(tài)敏感性較低，可以通過輕度人工介入將煤礦生態(tài)恢復(fù)引導(dǎo)至進(jìn)展演替。依托黃河流域的豐富資源，可使用黃河泥沙對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行填充與復(fù)墾[41]，也可開發(fā)新技術(shù)通過煤炭開采治理脆弱的生態(tài)環(huán)境[11]。在陜西北部和內(nèi)蒙古交界處的煤礦存在高-高聚集模式，主要受凍融侵蝕、沙漠化和鹽漬化影響，可采用類似黑龍江東部的策略。

第五，內(nèi)蒙古西部、寧夏、青海東北部、甘肅、新疆北部地區(qū)煤礦NIES 基本較低，甘肅、內(nèi)蒙古西部、寧夏較少煤礦為高NIES，其敏感性以凍融侵蝕、沙漠化、鹽漬化為主導(dǎo)。此區(qū)域地廣人稀，在植被恢復(fù)方面，可采用節(jié)省人力、物力的自然修復(fù)方式；根據(jù)我國(guó)植被區(qū)劃，新疆北部、內(nèi)蒙古西部、寧夏以溫帶草原植被類型作為潛在恢復(fù)目標(biāo)，新疆西北部、甘肅西部、青海北部恢復(fù)為溫帶荒漠植被，青海東北部植被恢復(fù)目標(biāo)為青藏高原高寒植被。內(nèi)蒙古西部煤礦分布較集中，NIES 空間聚集除隨機(jī)模式外多為高-高聚集模式，內(nèi)蒙古地區(qū)土地沙漠化，可對(duì)高-高聚集模式煤礦采用“灌木和種草”植被重建及生物笆鋪設(shè)邊坡面、設(shè)置網(wǎng)格沙障等人工修復(fù)方式，以達(dá)到保持水土的生態(tài)恢復(fù)效果。寧夏、青海、甘肅、新疆地區(qū)煤礦分布較分散，NIES 空間聚集模式除隨機(jī)模式外均為低-低聚集模式，其生態(tài)恢復(fù)應(yīng)以自然修復(fù)為主，輔以相似的人工修復(fù)策略，基于該地區(qū)干旱少雨的特點(diǎn)，可采用滴灌、微噴灌等微灌技術(shù)滿足煤礦邊坡面植被的需水要求；植被恢復(fù)樹種應(yīng)選擇耐旱、耐瘠、根系發(fā)達(dá)的樹種，青海煤礦植被人工恢復(fù)可選擇星星草、垂穗披堿草、冷地早熟禾作為典型植被種類。

5 結(jié) 論

a.我國(guó)具有幅員遼闊、植被分布地帶性明顯、生態(tài)環(huán)境差異巨大、人口分布不均的特點(diǎn)。煤炭開采在不同區(qū)域造成不同程度的生態(tài)環(huán)境破壞，須對(duì)煤礦地區(qū)進(jìn)行全面、系統(tǒng)、有序、有效的生態(tài)恢復(fù)。

b.將6 種生態(tài)敏感性的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化綜合生態(tài)敏感性指標(biāo)(NIES)，作為衡量我國(guó)生態(tài)敏感性的指標(biāo)。根據(jù)NIES 值，我國(guó)大部分煤礦屬于聚集分布，僅有少量煤礦屬于隨機(jī)分布，對(duì)于聚集分布的煤礦需采用系統(tǒng)與協(xié)同的生態(tài)恢復(fù)方式；隨機(jī)分布的煤礦可單獨(dú)制定生態(tài)恢復(fù)方案。

c.我國(guó)煤礦生態(tài)恢復(fù)策略制定需要尊重生態(tài)恢復(fù)學(xué)原理，使煤礦生態(tài)恢復(fù)向潛在植被類型的方向發(fā)展。同時(shí)也需要根據(jù)煤礦群體之間的空間關(guān)系、生態(tài)敏感程度以及受益人口數(shù)量制定相應(yīng)的生態(tài)恢復(fù)策略。在策略制定的過程中，難以通過植被區(qū)劃和生態(tài)敏感程度直接劃分區(qū)域，應(yīng)根據(jù)煤礦聚集和分散劃分不同區(qū)域分別進(jìn)行煤礦生態(tài)恢復(fù)策略制定，以區(qū)分并滿足生態(tài)恢復(fù)緊迫性和重要性。