煤矿复垦规划指一段时期内, 对矿区土地的修复利用结构、生态系统的构建组合方式以及修复技术方法的合理利用、复垦工程的规模及布局等在时间、空间上所做的合理安排与布局^[12]。在制定复垦规划时, 把生物多样性保护作为规划的重要对象, 越来越受到专家学者的关注。目前针对煤矿区生物多样性保护途径已经开发出很多种生物多样性保护规划方法。澳大利亚提出了一体化闭矿规划的理念, 美国、德国在矿区生物多样性调查基础上, 对濒危动植物进行生态环境影响评价, 在复垦规划中制定了矿区恢复的相关环境标准^[13]。国内学者对煤矿复垦规划也进行了相关研究, 常江等^[14]从景观生态格局、生态修复技术方面出发, 对采煤塌陷区进行生态修复规划研究, 探讨其综合效应与应用价值。王霖琳等^[12]对北京门头沟煤矿制定了详细的生态修复规划流程:“ 煤矿区生态环境现状调查— 生态环境评价— 生态功能分区— 生态修复规划方案制定” 4个步骤。通过对煤矿区的生态结构和植被群落结构以及植被赖以生存的各种环境要素研究, 分析煤矿废弃地生态恢复和植被修复的限制性因素, 并从中找出主导限制因子作为生物多样性保护规划的主要因子。随着系统科学、景观生态学等学科的发展拓宽了生物多样性保护规划的理论基础, 基于3S空间技术、软件工程等高新技术的量化规划方法逐步替代传统的规划方法^[15], 使规划效果更加可视化、合理化。现阶段煤矿复垦规划设计时, 主要偏重煤矿损毁后矿区尺度的景观规划^{[16, 17]}, 物种层面上主要偏重煤矿开采后植被恢复规划, 缺乏对矿区开采— 损毁— 复垦全过程、多层次的生物多样性保护规划。同时, 由于煤矿开采特点及其地理特征各异, 在选择影响生物多样性恢复的规划指标上, 有待进一步加强。

煤矿生物多样性调查、监测和评价是指借助一定技术手段和方法揭示煤矿开采和复垦过程中遗传、物种、生态系统和景观多样性等不同层次生物多样性现状、演变过程及其驱动机制的过程^[18]。长期、广泛和有效的生物多样性调查、评价和监测研究为制定规划方案提供科学依据, 是科学保护与决策的基础。

目前对煤矿区生物多样性调查监测主要侧重于动植物物种和生态环境调查监测。崔艳等^[19]对平朔露天煤矿不同植被模式下的大型土壤动物进行分析, 对不同样地的生物量和物种多样性特征进行调查, 从数量生态的角度定量分析矿区复垦地生物多样性。对矿区生态环境调查监测发现, 煤矿开采形成的粉尘能够显著减少植被的CO₂交换和光合效率, 导致植被叶片的干物质含量增加, 叶绿素含量减少^[20]。生物土壤结皮是由隐花植物如藻类、地衣、苔藓类和土壤中微生物, 以及相关的其他生物体通过菌丝体、假根和分泌物等与土壤表层颗粒胶结形成的十分复杂的复合体, 是干旱半干旱煤矿区地表景观的重要组成之一, 在矿区生态修复过程中发挥着重要作用^[21]。通过对煤矿区生物土壤结皮调查监测发现:无论是煤矿开采形成的煤矸石, 还是开采沉陷形成的裂缝, 都严重破坏了地表结皮情况和矿区的地表景观结构^[22]。在调查监测新技术上, 一套基于多源多时相遥感图像、高空间分辨率航片, 采用图像融合、数据挖掘和专家系统等处理方法, 并结合实地调查咨询的综合调查监测方法得到了应用^[23]。随着智能手机功能的日益强大, 不仅能适时定位而且智能手机内置的多种传感器使其具备强大的感知能力^[24], 这简化了野外考察的流程, 提高了生物多样性调查监测的数据质量, 为生物多样性野外考察提供便携的数据采集工具。对煤矿区生物多样性评价方面国内外学者也进行了很多研究。Antwi等^[25]通过遥感解译采煤区土地覆盖情况, 利用景观生态指数评价了采矿活动对生境和生物多样性的影响。借助遥感数据, 姚峰等^[26]评估了露天煤矿开采中不同等级植被群落的受损范围与受损程度, 黄丹等^[27]也对黑岱沟煤矿进行了植被修复监测和效果评价。

由于煤炭开采对生态扰动较为特殊, 难以用单一、细致的模型描述煤矿区的生态问题, 在矿区生物多样性调查、监测和评价过程中, 综合考虑各种影响条件, 分区域分尺度进行生物多样性调查、监测评价。在调查监测方式上, 大多重视技术层面的研究, 而忽略了与煤炭区生态环境密切相关的当地人民文化对矿区生物多样性的认知和态度^[28]。生物多样性和文化多样性是不可分割的整体, 生物多样性塑造了文化多样性, 文化多样性是生物多样性的组成部分, 反过来影响着生物多样性。矿区当地人民的生产生活方式、饮食习惯、图腾文化都影响着生物多样性。随着矿区文化多样性价值越来越受到人们的重视, 煤矿复垦决策制定时更强调在科学、合理的基础上, 通过调查、融合当地文化习俗等得出复垦方案, 这样才能更加有效地进行生物多样性的保护和恢复^[29]。在煤矿区生物多样性调查监测评价频率上, 大多数煤矿区都是在某些时点进行矿区生物多样性调查监测评价, 缺乏长期、永久、连续的观测监测站点, 导致监测周期短、评价因子选择合理性有待提高。

表土是当地物种的重要种子库, 为植被恢复提供了重要种源, 同时也保证了根区土壤的高质量, 包括良好的土壤结构, 较高的养分与水分含量等, 还包含有较多的微生物、土壤动物和土壤生物结皮, 目前关于矿区表土生物多样性保护研究侧重于土壤种子库。土壤种子库是指存在于土壤表面和土壤中全部存活种子的总和^[31], 其在很大程度上代表了当地乡土植被特有的遗传基因和变异特性, 是在植被恢复后保持原有生物多样性的最原始和有效的方法^{[32, 33]}。利用土壤种子库中的潜在自然恢复力, 对煤矿废弃地进行景观的营造, 既节省了成本又达到了较好的恢复效果, 更利于原有土壤种子库种子萌发所形成的植被向原有植被方向演替。沈章军等^[34]和莫爱等^[35]通过分析矿区不同植被生境及其相邻生境土壤种子库的特征, 研究土壤种子库物种多样性特征及潜在植物群落的空间分布关系, 指出保护相邻生境土壤种子库对矿区植被恢复的重要性。常青等^[36]和张涛等^[37]对煤矿早期不同季节和不同垂直分布的土壤种子库自我更新能力进行对比分析, 研究了土壤种子库时空分布特征, 为矿区植被的快速恢复提供依据。

煤矿开采不同阶段的机械施工、采矿地塌陷和表土剥离存放等均会造成矿区内不同地段土壤与上下层土壤的混合和压实, 不仅破坏矿区土壤种子库, 也严重破坏土壤动物群落结构。土壤动物参与土壤有机质分解、植物营养矿化和养分循环; 在土壤理化性质的改变、土壤结构的形成与保持以及对生态系统的持续发展均起着至关重要的作用^[38]; 另外土壤动物活动能力弱, 迁移范围小, 与周边环境具有相对稳定的关系, 是相对稳定的、综合的环境因子, 特别是在矿区这种人为活动影响较大的地区, 对环境的反映程度要强于植被^[39]。研究煤矿开采前后土壤动物群落结构变化, 对增加煤矿区生态环境的恢复与重建有一定的理论与实践意义。崔艳等^[19]通过研究大型土壤动物与土壤理化性质之间的关系, 指出土壤有机质、土壤容重是影响矿区土壤动物分布的关键因素。齐艳红^[40]对土壤动物群落研究发现:矿区废弃地土壤动物生态环境的演替过程中最关键的阶段是早期生物的定居阶段, 研究重点是土壤动物群落结构、群落演替及其机理等对于矿区生态系统自然演替与生态恢复的影响, 研究还发现土壤动物群落结构具有明显的表聚效应。这进一步验证了保护表土资源对保护煤矿土壤动物群落恢复的作用。

生物土壤结皮普遍生长在降水较少且以小雨居多、降水量时空差异较大的环境中, 是干旱半干旱沙漠地区最具有特色的生物景观之一。大面积采煤对风沙区土壤生物结皮具有较大的破坏作用。魏婷婷等^[22]对风沙煤矿区开采前、采煤当年和闭矿复垦3年后的结皮厚度和覆盖度进行了对比分析, 发现采煤当年, 生物结皮和物理结皮的覆盖度急剧下降, 经过3年恢复, 结皮覆盖度、生物结皮的含水率、单位面积生物结皮的持水能力都明显高于采煤当年, 但仍低于开采前。赵洋等^[41]对矿区草本、灌草和乔灌草3种植被类型对生物土壤结皮盖度的影响进行了研究, 结果表明, 草本类型> 乔灌草类型> 灌草类型。其原因是草本植物、灌木虽然其防风滞尘能力不是很强, 但由于其植株较矮、枝叶密集, 可有效降低地表风沙活动强度、促进结皮发育; 同时降低了土壤表层的温度而提高了土壤表层的湿度, 为生物土壤结皮有机体的拓殖和发育提供了外部条件。而乔木喜肥水, 在沙区生长状况也较差, 导致结皮形成发育的促进作用也相对较弱。保护表土资源中的物种是煤矿生物多样性恢复的基础。目前的大多数研究仅停留在土壤种子库类型、数量以及与地表植被相互关系等常规静态研究上。而对煤矿区地表生物中的土壤动物、生物土壤结皮与植被间的时空格局动态及其干扰因素的研究则较薄弱。

矿区表土资源不仅含有丰富的生物多样性信息, 而且是矿区植物生长的载体。在煤矿开采阶段优化开采工艺, 施行边采边复的开采技术减少开采中对生物多样性的影响, 是保护矿区生物多样性的有效措施。

边采边复强调开采工艺与复垦工艺的充分结合, 以保证按采矿计划同步进行。美国、西班牙等国家很早就对露天煤矿的开采采取了边采边复技术^[42], 一方面这种开采方式减少了挖占土地面积, 保留部分矿区原有的生态环境; 另一方面由于及时进行边坡复垦, 能够更及时地种植植被, 增加植物的生长周期, 更早地恢复矿区生物多样性。而种植的植被根系又提高了排土场边坡的抗剪强度, 使边坡的稳定性得到提高, 减少了水土流失。通过对排土场、采坑的基础设施等进行边采边复优化布局, 在矿区开采的同时, 构造防风缓冲带, 营造田间空闲地, 建设生物廊道等生物多样性规划设计方案, 减少露天开采过程中对土壤和生态环境的破坏, 保护了生物多样性。针对我国东部高潜水位区, 由于土地沉陷后容易积水造成土地的永久损失, 为了最大限度地保护土地资源, 缩短复垦时间, 边采边复主要研究内容是对土地损毁进行预测, 建立数学模型, 对复垦范围、复垦时机和覆土厚度进行优化设计^[43]。而对于西部煤矿开采沉陷区, 土地、生物多样性损毁的程度主要取决于塌陷裂缝的宽度和密度。边采边复主要是基于地形地貌和地层岩性特征, 及时调整开采工作面的尺寸和布置, 扩大充分采动的均匀沉陷面积, 减少和减轻裂缝的影响并及时进行裂缝的治理, 从而有效遏制和及时修复裂缝对生物生长的影响。杜涛等^[44]探索了煤矿区地表裂缝对油蒿根际生物活性的影响, 通过对比有无裂缝经过的油蒿根际微生物数量和酶活性的动态演变特征, 指出地表裂缝对油蒿根际的生物活性造成明显的干扰破坏。进一步指出施行边采边复的开采技术及时修复土壤对保护生物多样性的必要性。边采边复实质为一种基于采前分析— 采矿动态破坏预测— 复垦虚拟模拟的多阶段多参数驱动的复垦方案优选技术^[43]。目前主要适用于高潜水位矿区, 基于地下开采计划的地面边采边复技术和地下与地面措施充分耦合的边采边复技术是高潜水位矿区最主要的2种边采边复技术。而对于其他矿区尚未形成一套完整的边采边复技术, 今后应加强对各矿区采矿条件、开采工艺等因素的研究, 明确复垦边界、优选复垦时机, 确定覆土厚度是未来边采边复技术研究的重点。

影响煤矿生物多样性的因素主要包括生态因子、生态系统的结构和功能等^[1]。生态因子中包括生物因子和非生物因子:生物因子除了生物之间广泛存在的相互竞争的负相互作用外, 还广泛存在互惠共生的正相互作用。非生物因子主要包括土壤、地形、水分等, 水分是制约生物多样性恢复的关键因素, 同一矿区水分相同条件下, 土壤质量与地形复杂度也是影响生物多样性恢复的关键因子^[47]。

4.1.1 生物间的正相互作用对煤矿复垦生物多样性的影响

生物之间由于分享有限的资源而广泛存在着竞争关系, 但随着大量野外胁迫环境研究的开展, 人们发现在恶劣环境下生物间广泛存在互惠的正相互作用^[48]。胁迫梯度假说(Stress Gradient Hypothesis, SGH)认为:环境胁迫度的增加会导致互利的强度或重要性的增加, 在低胁迫的环境中, 竞争起主导作用; 而在高胁迫的环境中, 互利则起着更重要的作用^[49]。

煤矿复垦区生态系统脆弱属于高胁迫环境, 物种之间为了更好地生存, 建立起了良好的正相互作用的关系。早期对种间互利的认识主要是通过菌根、根瘤等, 对植物间正相互作用主要是先锋植物。先锋物种的成功种植, 对其他植物幼苗起到了保护作用, 为林窗入侵种的入侵和生长创造了有利条件^[50]。豆科植物由于C/N较低, 分解后增加了土壤氮的积累, 能够适应缺水和贫瘠等胁迫环境条件, 被矿区恢复前期选作先锋植物。刘青柏^[51]通过对阜新矿煤矸石山植被恢复研究发现, 把紫穗槐和沙棘结合起来种植成活率较高, 分别为91.7%和87.6%, 比单一物种造林效果更好。矿区排土场复垦中把牧草作为先锋植物, 复垦种植2年后再进行乔灌草的植被配置是一种好的植被恢复措施。前2年牧草可以在较短的时间内形成较高的植被覆盖度和致密的根系, 减轻了径流对土壤的冲刷侵蚀, 为乔灌植物生长提供有利条件。后期乔灌树木除了通过遮阴, 还可以通过根系提水作用或凋落物富集等促进牧草的生长^{[52, 53]}。通过研究土壤动物群落结构变化与复垦植被之间的关系发现, 土壤动物活动改善了土壤理化性质, 其形成的大量巢穴影响地表径流的源— 汇变化, 调控土壤水分和养分的时空变化格局, 进而影响了微生物群落和植被的生长条件; 植被广泛的根系和富集的凋落物为土壤动物的生长提供了生存空间、物质基础。生物间的正相互作用对揭示生物演变规律和制定有效生物恢复措施具有重要指导作用。

4.1.2 土壤质量和地形对煤矿复垦生物多样性的影响

土壤质量是影响矿区生物多样性恢复的主要因素, 而土壤肥力、pH、有机质等是影响土壤质量的主要因子。通过植被种群特征与土壤因子之间的相关性研究发现, 土壤有机质和全氮对乔木林地植被生物量影响最大; 而对刺槐种群生长有影响的土壤环境因子依次为pH、碱解氮和速效磷^[54~56]。随着矿区演替的进行, 土壤质量的好转, 土壤动物、微生物和土壤养分不断增加, 野生物种大量入侵, 土壤种子库逐渐形成, 群落的物种丰富度、多样性和均匀度指数也相应提高^[57]。而植被恢复能够不断改善土壤肥力, 土壤动物和微生物作为分解者共同参与了土壤有机物质的分解、矿化及腐殖质的形成等重要土壤生态过程, 在土壤碳氮等关键元素的生物地球化学循环过程以及土壤肥力形成及质量演变过程中扮演着重要角色^[58]。

除了土壤质量外, 煤矿废弃地地形条件也是影响生物多样性恢复的关键因素。地形复杂度被认为是复垦后地形变化的重要指标, 影响矿区局部的光照、风向和水文格局, 进而改变局部的土壤性质, 对生物多样性具有重要的影响。王改玲等^[59]对安太堡露天煤矿人工植被恢复研究发现, 坡向不同植被所接受的太阳辐射量也不同, 导致土壤湿度、温度不同, 造成阳坡上刺槐长势和越冬情况比阴坡良好。顾卫等^[60]指出矿区排土场边坡复垦为平整坡面后一般裂隙较少, 不利于植物根系的生长发育; 而凹凸坡面裂隙较多, 植物根系容易扎入有利于其生长和发育。在边坡复垦时, 重塑凹凸坡面, 能够使土壤层之间的摩擦力变大, 保持土壤层的稳定; 还能够减少坡面径流, 为动植物物种生长提供地形条件。目前关于煤矿区生物多样性影响因素的研究对象多为植被(或群落), 研究内容多局限于某一阶段的影响, 且对生物因子的研究偏少, 缺少物种之间生态特征的动态变化、长期定位研究, 没有建立物种指标数据库。对影响因子之间的关系大多是定性描述, 缺少定量化研究, 导致在复垦规划制定时, 难以准确把握这些因子之间的权重选择。

煤矿复垦的基础是改良土壤结构和层次, 为生物多样性恢复提供必备的土壤生境; 植被重建是矿区生态系统恢复的前提, 能提高退化土壤的生物活性、增加土壤养分、改善土壤的理化属性等, 二者是煤矿复垦生物多样性恢复的主要内容。

4.2.1 土壤改良

地表是植物生长的介质、生物土壤结皮和土壤动物的生存载体^[61], 生态复垦的关键问题之一就是改善土壤团粒结构、酸碱度和持水保肥能力。其中回填表土是一种常用且最为有效的措施, 表土中土壤结构、养分良好, 同时包含当地物种的重要种子库和较多的微生物与微小动物群落^[62], 但这种方法在土源短缺的矿区很难实现。

Pichtel等^[63]分别采用造纸厂污泥、污水污泥、石灰和粉煤灰作为改良剂修复受损土壤, 结果表明:造纸厂污泥、污水污泥和与石灰处理改良土壤的效果相当, 而粉煤灰作为添加物由于其无法提供适宜的pH值和足够的营养水平而改良效果最差。Zhao等^[64]对平朔露天煤矿不同复垦年限和植被配置下的复垦土壤物理、化学和生物性质进行了分析, 发现随着复垦年限的增加, 土壤发育水平明显升高; 同样是在平朔矿区, 王金满等^[65]利用土壤多重分形理论法分析了排土场4种重构土壤方案的2 mm以下土壤粒径分布分形情况, 发现黄土重构剖面0~90 cm内土壤多重分形参数变化明显。黄元仿等^[18]把露天煤矿土壤改良分为实施前准备、实施过程和实施后维护3个阶段, 对应这3个阶段制定了表土剥离存放、剖面重构、土壤培肥改良和水土保持与人工管护等5个步骤, 使露天煤矿土壤改良措施更加具体化和系统化。

随着生物资源越来越受到人们的重视, 利用植物、土壤动物和土壤微生物的生命活动及其代谢产物来改良土壤越来越受到关注。蚯蚓对土壤翻动起到疏松、拌和的效应, 增加土壤通气性和透水性; 同时其排出的粪便含有丰富的有机质和微生物群落, 能有效促进植物生长发育, 蚯蚓在矿区土壤改良中得到了广泛的应用。植被根系对土壤的挤压、穿插和分割降低了土壤的容重, 根系分泌物可以为根际生物提供氨基酸、维生素等养料, 间接提高了土壤酶活性, 其枯枝落叶产生的有机残体很好地改良了土壤的肥力^[56]。菌根真菌的活动增加了活性微生物菌群, 改善了根际周围的微生态环境, 可以明显提高复垦造林的成活率。李少朋等^[66]在矿区玉米根系受损条件下, 通过接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)明显提高了伤根玉米的生物量, 促进了玉米根系的生长, 熟化了土壤。由于煤矿废弃物构成的多样性、局部地形条件差异、地带性变化、恢复利用目标的不同, 致使煤矿复垦土壤改良十分复杂, 目前尚未形成系统的土壤改良理论与方法体系, 在生物改良矿区土壤方面, 仍然以先锋植被改良土壤为主, 而对先锋植被— 土壤动物— 微生物之间的协同作用对土壤改良的效果有待进一步研究。

4.2.2 植被重建

几乎所有自然生态系统的恢复都以植被恢复为前提, 植被恢复不仅能构建矿区初始物种, 还能恢复土壤结构和肥力, 从而促进整个矿区环境和功能的恢复^[67]。植被适宜性筛选和植被模式配置构建是植被重建工作的重点。

植物种类选择必须考虑其生态适宜性, 一般乡土物种适应当地气候, 能够与当地的其他物种形成稳定的群落, 并促进演替, 所以常被推荐用于矿区的生态重建^{[68, 69]}。其中抗逆性强、根系发育好、生长迅速、成活率高、改土效果好具有固氮能力的物种常被选为先锋植物^[70]。通过开展不同恢复技术条件下植被和土壤因子的变化过程研究发现:不同的土壤限制因子决定了不同的植被类型^[71]。刘卫华等^[72]通过对安太堡露天煤矿排土场植被恢复土壤限制因子研究, 发现土壤碱解氮是刺槐种群生长影响最大的土壤环境因子。而对影响植被生长的土壤pH因子研究发现, 多年生豆科牧草如小叶银合欢、紫花圆叶舞草、大翼豆等适合于酸性土壤^[73]。李道亮等^[74]采用相似算法, 根据待恢复废弃地的气候和土壤因素, 建立了煤矿废弃地植被恢复植物品种选择模型, 为煤矿废弃地适生植物品种的选择提供了决策支持。

植被的群落多样性能够促进生态系统的稳定性, 因此在植被重建时, 除了选择合适的树种外, 还要对植被的配置方式和种植密度给予高度重视。通过比较排土场平台与边坡植被种植方式, 康恩胜等^[75]指出不同的地理位置和坡度角度是影响植被配置模式的重要因素。郭东罡^[76]通过对不同地形下植被配置模式进行研究, 发现刺槐和油松针阔混交林配置模式具有高的存活率, 在复垦初期矿区胁迫环境下, 二者之间相互促进, 且群落结构表现出很好的稳定性。台培东等^[77]认为草原露天矿排土场最理想的恢复植物为沙棘, 其可以在短时期内形成郁闭的人工沙棘灌丛, 并能很好地留住如猪毛菜等风滚植物, 土壤培肥及水土保持效果显著。崔艳等^[19]对平朔煤矿不同植被模式下的大型土壤动物进行分析, 对不同样地的生物量和物种多样性特征进行调查, 结果发现:大型土壤动物多样性有多到少的次序为:针阔叶混交林— 乔灌混交林— 草— 针叶混交林— 灌木。樊文华等^[78]对平朔煤矿不同复垦植被模式下微生物的数量及变化进行了研究, 结果发现土壤中微生物数量的变化趋势是紫穗槐> 沙枣> 沙棘。目前该方面研究多注重某一时点的植被配置研究, 没有基于长时间序列的野外定位试验设计。植被配置模式会随着时间的变化和复垦技术的提高而变更, 前期配置效果好的植被, 由于植被本身生活习性, 到后期这样的植被配置模式就不一定适合, 对不同恢复年限的植被适宜性进行研究, 是未来矿区植被配置模式应该关注的重点。