張宇昂，李亞桐，杜忠毓，祁新華，侯 紅，陳光才*

(1. 國(guó)家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；4. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

中國(guó)是世界上礦產(chǎn)資源豐富、礦種齊全的少數(shù)國(guó)家之一[1-2]。截至2020 年底，我國(guó)已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)173 種，其中，能源礦產(chǎn)13 種、金屬礦產(chǎn)59種、非金屬礦產(chǎn)95 種、水氣礦產(chǎn)6 種[3]。隨著各種全球性生態(tài)環(huán)境問題的加劇[4]，中國(guó)資源約束趨緊，環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)受損的形勢(shì)也異常嚴(yán)峻[5]。礦山環(huán)境問題是一種以礦山環(huán)境為載體的負(fù)效應(yīng)作用，指在礦產(chǎn)資源勘查、礦床開采、洗選加工以及廢棄閉坑等礦產(chǎn)開發(fā)過程中對(duì)礦山環(huán)境造成的不良影響[6]，包括地貌景觀破壞、土壤挖損或壓占、地表塌陷、大氣與水土污染、動(dòng)植物生境碎片化、固碳能力喪失等問題，其影響范圍遠(yuǎn)大于采礦邊界且時(shí)效超過礦山生產(chǎn)年限的數(shù)倍。1987—2020 年間，中國(guó)因煤礦開采產(chǎn)生的損毀土地達(dá)到180.01 萬公頃[7]。歷史遺留的礦山環(huán)境問題是現(xiàn)階段我國(guó)環(huán)境治理的重要對(duì)象，是綠色礦山發(fā)展的重要制約因素[8]，也是我國(guó)構(gòu)建國(guó)家生態(tài)安全保障體系的一大障礙[9]，因此礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)治理是目前亟待解決的環(huán)境問題之一[10]。

礦產(chǎn)資源開發(fā)在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滿足能源需求的同時(shí)，使土地遭受極度損毀及退化，其區(qū)域碳排放基數(shù)過大，碳平衡遭到嚴(yán)重破壞[4,11]，碳固存能力下降甚至喪失[12]。這種破壞式開發(fā)一直是世界各國(guó)面對(duì)的重要環(huán)境問題和科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。在推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中，碳排放居高不下和碳匯能力不足是其主要障礙[13]，礦山受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)無疑是極具迫切性和戰(zhàn)略性的，對(duì)其生態(tài)修復(fù)（Ecological Restoration）過程進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)和評(píng)估是具有先瞻性和必要性的，是礦區(qū)發(fā)展的巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)[14-15]。2020 年，中國(guó)新增礦山治理恢復(fù)面積約4.16 萬公頃[3]。然而，因長(zhǎng)期受制于礦山生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的流動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性、污染因素之間的相互影響的復(fù)雜多變，相關(guān)規(guī)劃治理缺乏統(tǒng)一性、系統(tǒng)性和整體性，目前礦山環(huán)境修復(fù)治理工作仍呈現(xiàn)分布面積廣、擾動(dòng)因素多、機(jī)理復(fù)雜等特征，中國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)總體效果并不理想[16]，礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)治理形勢(shì)嚴(yán)峻[17]。

事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)不可能一蹴而就，必然要經(jīng)歷能源、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的“陣痛”[18]，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、能源、就業(yè)、安全等多角度系統(tǒng)性的規(guī)劃支持十分必要。學(xué)術(shù)界圍繞實(shí)施區(qū)域和目標(biāo)合理分解[19]、制定重點(diǎn)部門差異化達(dá)峰行動(dòng)方案[5,20]、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型以及完善碳稅和碳交易等碳定價(jià)機(jī)制[21-22]等方面展開研究，為實(shí)現(xiàn)礦業(yè)開采和環(huán)境治理的雙碳目標(biāo)進(jìn)行了多方探索。武強(qiáng)等提出解決礦山環(huán)境問題的“九節(jié)鞭”修復(fù)模式，針對(duì)礦山環(huán)境問題梳理、調(diào)查、評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、修復(fù)治理技術(shù)與模式、礦山土地適宜性評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與預(yù)警、信息系統(tǒng)研發(fā)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和礦山環(huán)境管理等9 個(gè)方面探討礦區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)路徑[2]。但在目前碳中和背景下，從“前期受損程度-中期修復(fù)效益-后期模擬預(yù)測(cè)”的全周期視角下，探討礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)及應(yīng)用的研究仍缺少系統(tǒng)的梳理總結(jié)。因此，本研究基于文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果，以山水林田湖草生命共同體理念和綠色礦山建設(shè)政策導(dǎo)向?yàn)橹笇?dǎo)，沿著生態(tài)修復(fù)的路徑，就當(dāng)前研究進(jìn)展中存在的問題進(jìn)行提煉，從受損生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)、礦區(qū)碳源/匯潛力、礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)四個(gè)方面厘清研究脈絡(luò)（圖1），并對(duì)未來的研究方向提出展望，以期拓寬礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估的研究路徑。

1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的文獻(xiàn)共現(xiàn)分析

研究基于Web of Science（WoS）核心合集和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）核心期刊數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交集檢索，英文以“mining area” “ecological restoration”為檢索主題詞，中文以“礦區(qū)” “生態(tài)修復(fù)”為檢索主題詞，檢索范圍為論文主題（標(biāo)題、摘要、作者關(guān)鍵詞和擴(kuò)展關(guān)鍵詞），檢索時(shí)間范圍為2010—2022 年，檢索日期為2022 年6 月。共計(jì)獲得文獻(xiàn)914 篇，其中英文701 篇，中文213 篇（圖2）。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究在國(guó)內(nèi)外均愈發(fā)受到重視，國(guó)際上研究熱度明顯更為突出。國(guó)內(nèi)研究熱度與國(guó)家政策導(dǎo)向緊密關(guān)聯(lián)，自十九大將建設(shè)生態(tài)文明提升為“千年大計(jì)”后，山水林田湖草一體化的修復(fù)理念逐漸被貫徹落實(shí)，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。利用CiteSpace 軟件，對(duì)文獻(xiàn)主題進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，生成時(shí)間段共現(xiàn)圖譜（圖3、圖4）。

圖2 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究領(lǐng)域的年發(fā)文量變化趨勢(shì)Fig. 2 The trend of the annual number of papers in the field of ecological restoration research in mining areas

圖3 Web of Science 核心合集關(guān)鍵詞時(shí)間線共現(xiàn)圖：礦區(qū)、生態(tài)修復(fù)Fig. 3 Timeline co-occurrence of keywords in WoS core collection: mining area; ecological restoration

圖4 中國(guó)知網(wǎng)核心期刊關(guān)鍵詞時(shí)間線共現(xiàn)圖：礦區(qū)、生態(tài)修復(fù)Fig. 4 Timeline co-occurrence of keywords in CNKI core journals: mining area; ecological restoration

目前，國(guó)際上的研究主要聚焦于ecological risk assessment（生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）、open-pit mining/surface mining（露天采礦）、post-mining reclamation（采后復(fù)墾）、biochar（生物炭）、natural regeneration（ 自然更新）、mine rehabilitation（礦區(qū)恢復(fù)）、ecosystem services assessment（生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估）等熱點(diǎn)領(lǐng)域（圖3）。國(guó)內(nèi)研究以生態(tài)修復(fù)、地理信息系統(tǒng)、廢棄地、脅迫梯度、生態(tài)環(huán)境、碳中和、生理特性、生態(tài)保護(hù)等主題為主（圖4）。圖3 和圖4 中圓圈半徑大小表示對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究分析中的重要程度，其所處位置相應(yīng)的年份為其出現(xiàn)的最早時(shí)間。隨時(shí)間推進(jìn)，生態(tài)修復(fù)研究呈現(xiàn)精細(xì)化的深入發(fā)展態(tài)勢(shì)，早期礦區(qū)生態(tài)修復(fù)手段和技術(shù)的研究設(shè)想逐步被實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展，修復(fù)效益日益提升。

國(guó)際上關(guān)注的焦點(diǎn)主要是礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估，化學(xué)和生物學(xué)方向的具體修復(fù)路徑和方案，礦區(qū)發(fā)展對(duì)全球氣候變化的影響，以及微觀層面社區(qū)和人民面對(duì)的生計(jì)沖擊和應(yīng)對(duì)策略[23-24]。國(guó)內(nèi)的研究近期更趨向于減排減污增匯和碳中和等政策驅(qū)動(dòng)下的區(qū)域發(fā)展路徑探索與修復(fù)效果評(píng)價(jià)，并嘗試引入遙感等新技術(shù)手段和交叉學(xué)科的新理念理論，推動(dòng)恢復(fù)生態(tài)學(xué)和生態(tài)工程學(xué)從靜態(tài)的資源和環(huán)境本底調(diào)查、工程改善，向區(qū)域性礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)與環(huán)境治理動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方向轉(zhuǎn)變[25-26]。

當(dāng)前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)主要存在以下問題亟待解決：生態(tài)修復(fù)理論對(duì)生態(tài)修復(fù)實(shí)踐的支撐相對(duì)薄弱[27]，生態(tài)修復(fù)整體觀和系統(tǒng)觀的思想落實(shí)尚待加強(qiáng)[28]。生態(tài)修復(fù)碎片化現(xiàn)象突出，忽視生態(tài)技術(shù)的地域和經(jīng)濟(jì)適宜性[29]，修復(fù)效果的可持續(xù)性不強(qiáng)。缺乏科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法模型[30]，缺乏全周期綜合信息管理與決策支持平臺(tái)，缺乏多生態(tài)要素協(xié)同的立體化監(jiān)測(cè)技術(shù)。在管理體制機(jī)制方面，現(xiàn)行的條塊化管理體制不能從根本上解決礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，不同主體的需求和利益以及公眾參與程度的差異，共同導(dǎo)致礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)綜合管理體系存在缺位現(xiàn)象[31]。

2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的研究主題

2.1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

自2020 年《綠色礦山建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)》《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）》《山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程指南》等政策出臺(tái)，礦區(qū)更多被解讀為以開發(fā)利用礦產(chǎn)資源為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)集合體，這表明其不僅有社會(huì)屬性和經(jīng)濟(jì)屬性，更重要的是含有生態(tài)屬性[3,9]。對(duì)于礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，可以分為受損程度評(píng)價(jià)和修復(fù)效益評(píng)價(jià)兩大部分。

在受損程度評(píng)價(jià)方面，長(zhǎng)期低效、粗放、過度的開采模式致使礦區(qū)產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境受損問題[32]，多表現(xiàn)出區(qū)域性、規(guī)律性特點(diǎn)[2]。目前現(xiàn)有研究多結(jié)合礦山周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能重要性、人居環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r[33]，綜合考量地理?xiàng)l件、氣候條件、礦山生態(tài)等環(huán)境因素，開采方式、開采規(guī)模等工程因素，土壤理化性質(zhì)、植被配置模式等生物化學(xué)因素[6]，進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損毀方式的類型劃分[34]和受損程度的綜合評(píng)價(jià)[7,35]，由此探索礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而形成動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制[2,36]。如張俊杰等在西北荒漠區(qū)7 座典型露天煤礦展開調(diào)查研究，從土地利用擾動(dòng)情況和礫幕層年際變化角度評(píng)價(jià)其礦區(qū)生態(tài)受損狀況[37]。

在修復(fù)效益評(píng)價(jià)方面，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠自我維護(hù)、運(yùn)行良好的完整生態(tài)系統(tǒng)[31,36,38]，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)是考察其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度的重要手段[39-40]。2004 年，生態(tài)恢復(fù)協(xié)會(huì)（Society Ecological Restoration International，SER）從生態(tài)恢復(fù)的結(jié)構(gòu)與功能自我維持、生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力、與相鄰生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量交流三個(gè)方面總結(jié)出評(píng)判生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況的9 個(gè)關(guān)鍵屬性[41]，在學(xué)界被廣泛應(yīng)用與改進(jìn)，形成了針對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)的一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[42]。同時(shí)，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)的研究熱潮在礦山生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究中也逐步體現(xiàn)。王壯壯等以我國(guó)5 個(gè)重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)為研究區(qū)，根據(jù)“生態(tài)恢復(fù)-生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-質(zhì)量-服務(wù)-效益”級(jí)聯(lián)式概念框架構(gòu)建了生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估的指標(biāo)體系[43]。

針對(duì)大面積生態(tài)損毀礦區(qū)，基于多時(shí)相和多波段的遙感影像融合提取歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和歸一化水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）等生態(tài)指數(shù)，是檢測(cè)評(píng)估其生態(tài)系統(tǒng)的受損和修復(fù)狀況、探析其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及功能最快捷實(shí)用的方法[44]。殷亞秋等應(yīng)用遙感解譯分類技術(shù)獲取礦山占損土地和恢復(fù)治理信息，建立礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以此對(duì)海南島2018 年礦山地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[45]。

2.2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)是指在不同人為干預(yù)程度下，依靠生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力，使已遭受退化、損傷或破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的過程[18]。礦業(yè)開采對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[41]，土壤結(jié)構(gòu)受損、植被破壞、重金屬污染共同導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物被污染，嚴(yán)重威脅到人類健康[46]。這些危害和潛在影響僅僅依靠自然演替減緩，大約需要100—1000 年[47]。胡振琪等研究顯示采取人工措施輔助生態(tài)修復(fù)可以更大程度地進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，在生態(tài)系統(tǒng)層面上同時(shí)推進(jìn)多個(gè)措施，極大程度地縮短受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間[25]。

礦山生態(tài)修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，通常包括污染整治、土壤重構(gòu)和生物恢復(fù)等措施（表1）。現(xiàn)有的礦區(qū)修復(fù)主要通過物理、化學(xué)、生物等措施進(jìn)行，其產(chǎn)生的效果和效益參差不一[25]。研究多針對(duì)確定的技術(shù)和方法下礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行論述，而從全時(shí)間序列角度開展礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與監(jiān)測(cè)的研究較為罕見。自2018 年組建成立自然資源部以來，礦山生態(tài)修復(fù)工作逐步從早期的工程修復(fù)、土地植被整治過渡為“自然恢復(fù)為主，人工引導(dǎo)為輔”的生態(tài)功能全面修復(fù)，努力探索礦區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下的污染源阻控、環(huán)境治理與生態(tài)恢復(fù)耦合的技術(shù)創(chuàng)新，力求建設(shè)具有完整功能的生態(tài)系統(tǒng)[40, 48]。

表1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)措施Table 1 Restoration measures of damaged ecosystem in mining area

基于自然的解決方案（Natural-based Solution，NbS）近年來被學(xué)界越來越多地認(rèn)可，以生物化學(xué)方法為主的生態(tài)技術(shù)在生態(tài)退化治理中顯示出重要作用。許多學(xué)者嘗試模擬預(yù)測(cè)礦區(qū)金屬元素釋放、遷移、轉(zhuǎn)化過程的共性與差異、相互作用、輸入輸出，明晰礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)，精確展開后續(xù)修復(fù)工作。Yu 等在華南地區(qū)被砷和鎘污染的礦區(qū)開展稻田采樣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硅在緩解水稻砷和鎘等重金屬和非金屬物質(zhì)中發(fā)揮了獨(dú)特的作用[49]。Hou 等學(xué)者通過室外大型土柱，對(duì)比分析受銻污染的表土和未受銻污染的底土，研究外源銻在土壤中的遷移和地下水淋溶風(fēng)險(xiǎn)[50]。Sun 等學(xué)者利用模型進(jìn)行了砷元素遷移轉(zhuǎn)化過程的識(shí)別量化與金屬礦區(qū)土壤污染的修復(fù)設(shè)計(jì)[51]。

2.3 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯潛力

以往我國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)研究側(cè)重于礦山生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)，忽視了其在減排增匯方面的作用。目前礦區(qū)生態(tài)破壞區(qū)的碳吸收能力微乎其微[52]，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)由碳源向碳匯的根本性轉(zhuǎn)變尤為必要[3, 53]。

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)模式的異同會(huì)導(dǎo)致碳匯能力存在高低差異，修復(fù)過程中短暫的碳減排并不意味著修復(fù)后碳增匯能力的長(zhǎng)期提升。礦區(qū)碳匯形成的關(guān)鍵過程包含植物光合碳分配、土壤碳固持、微生物固碳和土壤呼吸等。生態(tài)恢復(fù)的速率及產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)與土壤退化程度、植被類型、系統(tǒng)工程技術(shù)、礦產(chǎn)規(guī)模及其開采手段等一系列因素息息相關(guān)[17]。近年來，已經(jīng)有部分學(xué)者開始關(guān)注礦區(qū)開采導(dǎo)致的失碳效應(yīng)[54]，并對(duì)碳庫(kù)損失進(jìn)行評(píng)價(jià)[55]。其中，土地利用方式或植被覆蓋情況是決定生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、影響碳循環(huán)的重要因素[56]。由于礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)普遍存在生態(tài)脆弱和土壤有機(jī)質(zhì)含量本底值較低的現(xiàn)象，其區(qū)域內(nèi)部的植被和土壤等主要碳匯要素及其固碳能力往往會(huì)被極大程度削弱[57]，區(qū)域“植被-土壤碳庫(kù)”產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)[58]。而植被覆蓋率和土壤有機(jī)碳含量是反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能狀況最直接的參數(shù)，與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力測(cè)算緊密相關(guān)，也是其碳匯潛力評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[48]。隨著礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)年限的增加，植被碳匯量和土壤有機(jī)碳含量也會(huì)隨著植物生長(zhǎng)累積而逐步增加[55]。Li 等[35]學(xué)者嘗試借助黃土高原林地、灌叢、草地和荒地的土壤細(xì)菌群落和土壤理化特性，探討植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)重建土壤的響應(yīng)機(jī)制，從而恢復(fù)并穩(wěn)定礦山生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[59]。

礦產(chǎn)資源開發(fā)與區(qū)域環(huán)境的碳循環(huán)機(jī)制交織耦合，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有獨(dú)特性[7]。部分學(xué)者嘗試?yán)眠b感等手段分析核算礦區(qū)碳匯量[60-61]，或從定性角度對(duì)微觀的個(gè)案礦區(qū)進(jìn)行碳庫(kù)潛力研究[13]。如張紀(jì)偉和陳華勇基于多元數(shù)據(jù)，構(gòu)建以“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”模型為理論框架的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定量評(píng)估福建羅卜嶺礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其未來勘查開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響[62]。但目前面向生態(tài)碳匯的概念探討及測(cè)算研究仍然罕見，且鮮有從宏觀尺度評(píng)估礦山生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后的固碳效應(yīng)及生態(tài)碳匯潛力[63]，針對(duì)碳匯能力提升的礦區(qū)退化生態(tài)修復(fù)技術(shù)仍有較大的提升空間。

2.4 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)前礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要由地面?zhèn)鞲衅髡军c(diǎn)觀測(cè)、樣地和基站點(diǎn)采樣、實(shí)驗(yàn)室對(duì)比實(shí)驗(yàn)獲取。受制于觀測(cè)尺度和人工作業(yè)強(qiáng)度，多為幾年甚至近幾個(gè)月的空間點(diǎn)位離散數(shù)據(jù)，且僅個(gè)別傳感器存在數(shù)年的高頻次觀測(cè)[64]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演變監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的時(shí)空尺度不匹配現(xiàn)象明顯，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的全流程監(jiān)測(cè)需求無法得到有效保障。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，遙感（Remote Sensing，RS）、衛(wèi)星定位（Global Position System，GPS）以及地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺(tái)和技術(shù)的發(fā)展和成熟成為生態(tài)系統(tǒng)的演化研究強(qiáng)大的技術(shù)支撐，極大推進(jìn)了大尺度上生態(tài)系統(tǒng)格局及其對(duì)全球變化響應(yīng)的相關(guān)研究。借助于新時(shí)代的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)[65]，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)研究正在實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)到面、從定性到定量、從平面到“天-空-地-井”立體監(jiān)測(cè)、從單項(xiàng)到綜合的突破[64]（圖5），進(jìn)而對(duì)開采沉陷、露天礦坑、“三廢”問題、礦山次生地質(zhì)災(zāi)害等礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題實(shí)施多點(diǎn)多面、高精度、實(shí)時(shí)連續(xù)的有效監(jiān)測(cè)與預(yù)警[66]。

圖5 多尺度、多平臺(tái)的礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用框架Fig. 5 Multi-scale and multi-platform remote sensing monitoring technology and application framework of damaged ecosystem in mining area

在研究對(duì)象上，現(xiàn)有研究主要集中于礦區(qū)地表要素類型遙感識(shí)別與分類[65]、礦區(qū)植被、土壤、水體、大氣等要素的定量遙感監(jiān)測(cè)[67]、礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)等方面。在研究?jī)?nèi)容方面，學(xué)界大多利用遙感生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecology Index，RSEI）、景觀指數(shù)等[68]指標(biāo)測(cè)算礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較單一的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，通過利用光學(xué)遙感獲取的植被指數(shù)、光譜反射率和紋理信息與實(shí)際測(cè)量的生物量建立反演模型，可以較為準(zhǔn)確地估算大范圍的地上生物量分布[69-70]。Erener[48]通過對(duì)礦區(qū)植被受損狀況進(jìn)行植被分類分析，從微觀角度估測(cè)其區(qū)域的礦區(qū)受損程度，確定了加拿大埃德蒙頓北部某礦區(qū)的植被變化規(guī)律。

隨著技術(shù)的發(fā)展，單源數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單回歸方法、地上生物量遙感反演方法、微波散射機(jī)理模型的反演方法，逐漸發(fā)展到基于多源數(shù)據(jù)融合的非參數(shù)化反演方法。應(yīng)用高分辨率遙感數(shù)據(jù)、背包雷達(dá)等小型監(jiān)測(cè)儀器與野外數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，可以共同構(gòu)建礦區(qū)碳循環(huán)模型，分析區(qū)域固碳效應(yīng)，估算區(qū)域生態(tài)碳匯潛力，是目前一大研究趨勢(shì)[15]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林等新興方法也正在被學(xué)者們嘗試引入結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)、地理空間分析、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)裝備也具有應(yīng)用拓展的可能[2,26]，進(jìn)而形成全周期立體化的科學(xué)地面監(jiān)測(cè)。隨著國(guó)家重大生態(tài)工程的開展和礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的遙感監(jiān)測(cè)研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)[30]。

3 研究挑戰(zhàn)與展望

3.1 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)理念與系統(tǒng)管控

隨著基于自然的解決方案（NbS）理念、“山水林田湖草沙生命共同體”系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)理念、“綠水青山就是金山銀山”的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展理念的發(fā)展和普及，如何同步實(shí)現(xiàn)“能源開發(fā) + 耕地保護(hù) +污染治理 + 固碳增匯”的多元目標(biāo)，匹配區(qū)域碳中和的修復(fù)需求是礦區(qū)修復(fù)的關(guān)鍵問題[37]。以生態(tài)學(xué)的系統(tǒng)觀和整體觀為基礎(chǔ)，秉承碳達(dá)峰、碳中和的系統(tǒng)性思維，明確礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域碳循環(huán)、生態(tài)碳匯相互關(guān)系，預(yù)測(cè)其碳源/匯對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)是后續(xù)研究的主要方向[71]。

礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工作具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性、不確定性和多層嵌套的特點(diǎn)，其修復(fù)過程更是各級(jí)政府及其環(huán)保職能部門、污染責(zé)任方、環(huán)保企業(yè)、社會(huì)公眾等各主體博弈的一個(gè)復(fù)雜過程[28]。面向生態(tài)碳匯有益的方向開展礦區(qū)適應(yīng)性管理工作[72]，建立修復(fù)政策、技術(shù)、資金、產(chǎn)業(yè)、人才一體化的區(qū)域多維關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，完善目標(biāo)導(dǎo)向、規(guī)劃執(zhí)行、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估反饋的交替式動(dòng)態(tài)循環(huán)管理體系是極其重要的[37]。

融合地球系統(tǒng)科學(xué)、能源科學(xué)、地理科學(xué)、工程學(xué)、管理學(xué)的理論與實(shí)踐進(jìn)行跨學(xué)科的交叉融合，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、資源利用結(jié)構(gòu)、國(guó)土空間結(jié)構(gòu)的跨尺度整合，可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)從單要素管理向多要素綜合管控、從行政區(qū)域向自然礦區(qū)的轉(zhuǎn)變。

3.2 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)方案與技術(shù)

礦山生態(tài)修復(fù)的核心目標(biāo)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重塑，而實(shí)踐中仍存在著對(duì)自然演化規(guī)律認(rèn)知不足、缺乏自然恢復(fù)手段、以固有的工程化手段為主的弊病。這種修復(fù)模式漠視了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)本底恢復(fù)能力的考量，修復(fù)構(gòu)建的生態(tài)群落穩(wěn)定性差，生態(tài)碳匯能力提升有限，修復(fù)效益可持續(xù)性不足[73]。綜合考慮自然經(jīng)濟(jì)、人為擾動(dòng)、修復(fù)措施的區(qū)域性和污染等級(jí)、工程規(guī)模的差異性，耦合“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護(hù)”的目標(biāo)導(dǎo)向修復(fù)方案是探索“礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù) + 全域土地綜合整治 + 人與自然和諧共生”融合模式的有效措施。

未來在恢復(fù)生態(tài)學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)上[72]，礦區(qū)修復(fù)應(yīng)兼顧生物多樣性、景觀多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性的協(xié)同發(fā)展，明確區(qū)域地下水、土壤和植被間的相互關(guān)系及作用機(jī)制[74]，針對(duì)性開展植物篩選與配置、水文調(diào)控、土壤底質(zhì)改良等工作，逐步形成優(yōu)勢(shì)植被/功能菌篩選、環(huán)境材料復(fù)合微生物固碳和固碳微生物定向增殖等關(guān)鍵技術(shù)體系[26]。結(jié)合生態(tài)補(bǔ)償政策、綠色金融、國(guó)家生態(tài)紅線政策，參考生態(tài)倫理觀、生態(tài)發(fā)展觀等理論可以實(shí)現(xiàn)方法理論的突破創(chuàng)新，強(qiáng)化礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究成果的應(yīng)用推廣，推進(jìn)從理論邁向?qū)嵺`的進(jìn)程。

3.3 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著全球碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)共識(shí)的形成，國(guó)土空間整體管控的頂層設(shè)計(jì)日益明確，對(duì)礦區(qū)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求日益提升。目前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域化、實(shí)驗(yàn)性的探索雖然取得了一定成效，但其技術(shù)應(yīng)用深度和創(chuàng)新程度明顯不足，遙感影像的地物信息提取技術(shù)手段較為粗淺[64]，至今仍未建立完善的多尺度礦區(qū)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。從小型實(shí)驗(yàn)室、基地站尺度擴(kuò)大到全尺寸規(guī)模是目前礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模擬工作的最大挑戰(zhàn)。

近地面遙感，相較于傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和航空遙感，觀測(cè)尺度更貼近傳統(tǒng)地面觀測(cè)，可以更加便捷地獲取礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)-景觀尺度的高時(shí)空分辨率遙感信息，突破三維生態(tài)監(jiān)測(cè)的屏障，填補(bǔ)礦區(qū)“天-空-地-井”全面觀測(cè)的空缺[67]。未來可以嘗試運(yùn)用近地面遙感結(jié)合樣地調(diào)查的方式[75]，融合空間遙感、地理信息系統(tǒng)、生命科學(xué)、能源科學(xué)及人工智能等前沿技術(shù)，突破“國(guó)家-區(qū)域-樣地”的尺度轉(zhuǎn)換的壁壘[44,61]，在礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的空間布局、物種識(shí)別、生境調(diào)查、影響因素、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、生物多樣性監(jiān)測(cè)和生態(tài)系統(tǒng)管理等多方面深入創(chuàng)新研究。

3.4 礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)效益與評(píng)價(jià)

礦區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)復(fù)雜、長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)近期利益與遠(yuǎn)期利益的權(quán)衡已然成為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的重點(diǎn)工作。嚴(yán)峻的礦地矛盾制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，衍生出眾多地區(qū)生態(tài)-社會(huì)問題，同時(shí)修復(fù)效果的滯后性進(jìn)一步擴(kuò)大了工作推進(jìn)的阻礙[72]。其修復(fù)效益和碳匯潛力亟待從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度、更廣的空間尺度展開評(píng)價(jià)。礦山生態(tài)環(huán)境數(shù)字孿生（Digital Twin of Mine Ecological Environment，DTME）系統(tǒng)的構(gòu)想將支撐礦山生態(tài)全過程治理的感知、表達(dá)、監(jiān)測(cè)、模擬、仿真、預(yù)測(cè)與控制的功能，有望推進(jìn)礦山生態(tài)環(huán)境治理信息化建設(shè)[76]。

以全國(guó)碳交易體系建立為契機(jī)，利用遙感和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合IPCC 清單指南等國(guó)際通用指標(biāo)框架，從不同時(shí)空尺度對(duì)礦區(qū)碳儲(chǔ)量和碳排放量進(jìn)行核算，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)與核算方法的創(chuàng)新，構(gòu)建資源綠色勘查與評(píng)價(jià)、礦山規(guī)劃建設(shè)、資源開采與綜合利用、礦山環(huán)境生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等全生命周期的工作流是后續(xù)工作的重點(diǎn)?；诘V區(qū)生態(tài)系統(tǒng)獨(dú)特的碳循環(huán)[60]，著重探索其系統(tǒng)要素間的互饋與耦合機(jī)制，綜合考慮區(qū)域生態(tài)安全格局和生態(tài)定位，拓展礦區(qū)開發(fā)和保護(hù)多發(fā)展模式，是踐行碳中和目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵所在。