高寒矿区生态修复技术创新与实践

第1章 高寒矿区生态现状与修复理论 高寒矿区生态修复是生态环境综合整治工作的重点，也是难点。高寒矿区生态修复是世界性难题，从地貌重塑、土壤重构、植被恢复、生物多样性维持与评价 4个方面，营造高原再生生境。如何构建冻土区人工地貌，快速修复土壤微生物环境，达到通过某些特定微生物的代谢活动，促进土壤养分循环，是高寒矿区生态修复的重点；建立植被种群配置合理的高寒植被群落，是植被修复和生物群落修复的关键。 高寒矿区平均海拔在3700m以上，年平均气温小于.4.0℃，年均降水量 470mm左右，矿区多年（季节性）冻土分布，种草复绿基础条件极差。治理模式方面，目前，国内尚无高寒高海拔矿区大面积植被恢复的成熟经验，青海木里矿区种草复绿属于首创性工程，挑战与风险同在。本章系统介绍了高寒矿区生态环境概况、生态修复现状以及生态修复理论。 1.1 高寒矿区生态环境概况 1.1.1 高寒矿区概况 矿产资源是一种非常重要的自然资源，是人类社会赖以生存和发展不可缺少的物质基础。它既是人们生活资料的重要来源，又是极其重要的社会生产资料（吕贻峰，2001）。高寒矿区分布于青藏高原高寒生态区，典型矿区分布如图1-1所示，主要包括祁连山、江河源区、羌塘高原、喀喇昆仑山、可可西里以及柴达木盆地等地区（张进德和郗富瑞， 2020）。青海省是高寒矿区的主要分布区。青海省位于世界屋脊 ——中国青藏高原东北部，北起祁连山主脊以南，南到唐古拉山一带，西至阿尔金山以东，东达积石山，东西长约 1200km、南北宽约 800km，面积 72.1万 km2，位于古亚洲超构造域和特提斯超构造域的结合部位（潘彤等， 2006）。青海省矿产资源十分丰富，是我国有色金属、贵金属、盐类与能源等矿产的主要蕴藏地之一，是中国矿产战略储备基地，成矿地质背景优越，多数矿床开发利用条件较好。截至 2007年底，青海省已发现的矿产有 132种，已探明储量的有 107种，在已探明的矿产保有储量中，有 50种居全国前 10位，其中位居**位的有锂矿、锶矿、冶金用石英岩、芒硝、电石用灰岩、化肥用蛇纹岩、镁盐（含 MgCl2和 MgSO4两种）、钾盐、石棉、玻璃用石英岩等 11种。锌、铜、银、钼、石油、油页岩、炼焦用煤、钨、锑、金等矿产的资源储量列全国前 20位。《青海省矿产资源总体规划（2008—2015年）》中有潜在价值的 62种矿产保有储量潜在价值约17.3万亿元，占全国矿产保有储量潜在价值的 19.2%。青海省国土资源厅（现青海省自然资源厅）统计数据显示， 2009年全省实现矿业总产值 304.19亿元（胡莹， 2011）。青海省虽然矿产资源丰富，但是其地域分布不均衡，贫矿较多，共生伴生矿产多。除众所周知的柴达木盆地盐湖化工区以外，主要矿带有北祁连地区、鄂拉山地区、积石山地区、玉树地区等。北祁连地区多数为多金属矿和煤矿，均产在火山岩中，与早古生代火山活动有关，红沟铜矿、木里煤矿可作为该带的代表；鄂拉山地区，有一系列以铜为主的多金属矿床和矿点，呈北北西向带状分布；积石山地区，矿床（点）几乎都是产在超基性岩中，其中以德尔尼铜矿*为著名；玉树地区，系三江成矿带的北西延伸部分，铜及多金属矿点较多，其中，纳日贡玛铜矿属斑岩型；野马泉地区，主要为与铁矿床共生的铅锌矿，有一定储量；鄂拉山地区，有一些单独的铅锌矿床、矿点和与铜矿共生的多金属矿。全省已知煤系地层有石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系，以侏罗系*为重要。侏罗系煤田多受断陷盆地控制，常沿断裂带分布（章午生和金万福，1985）。 图1-1 青藏高原典型矿区分布示意图 1.1.2 高寒矿区生态环境特征 张进德和郗富瑞（2020）在傅伯杰院士团队对我国生态区域开展系统性研究的基础上，对废弃矿山生态修复分区进行了综合划分。首先，根据地理位置 -温湿条件，将我国划分为东部湿润半湿润、西部干旱半干旱和青藏高原高寒 3个生态大区。其次，依据典型地带性植被、地貌类型、生态系统类型和人类活动等因素，又将 3个生态大区继续细分为 13个生态地区，共包含 57个生态区。青海省高寒矿区属于青藏高原高寒生态大区青藏高原草原和森林草甸区。青海省深居我国内陆，其东部边缘远离太平洋，南部由喜马拉雅山山系所引起的巨大屏障作用以及冈底斯山-念青唐古拉山、唐古拉山等一系列东西走向的高大山系所引起的极大拦截作用削弱了来自印度洋的暖湿海洋性气流，青海省大部分地区处在西风环流和青藏高压的控制范围内。冬季主要受干冷的西风环流控制，长达 7～8个月之久。冷季漫长，暖季短暂，雨季集中在 7月、8月、9月三个月。巍峨的祁连山与唐古拉山耸立在南北两侧，昆仑山系有数条东西走向的山脉伸展至境内。同时，河流长期的切割与寒冻风化，形成了青海省复杂的地形。青海省的矿产资源大多分布在高海拔山区，海拔平均在 3600m以上（表 1-1）。气候寒冷恶劣，年平均气温均在.1℃以下，冬季极端温度可达 .41.8℃（玛多）。无绝对无霜期，大风天数多，蒸发量大，生态极其脆弱。土壤主要受自然因素的影响，形成了高山寒漠土、高山漠土、高山草甸土、高山草原土和高原沼泽土等类型。高山寒漠土主要分布于青藏高原冰雪线以下、高寒草甸以上，其上发育着垫状植被、高山流石坡稀疏植被和苔藓地衣等，如木里煤田哆嗦贡玛矿区的部分区域。高山漠土主要分布在青南高原西部和高海拔地区，以干、寒原始土壤为主，土层薄，石质性强。高山草甸土分布于玉树、果洛、黄南、海南、海北以及天峻等地森林带以上的山地阳坡，是分布昀广泛的类型之一，其上发育着嵩草（Kobresia）草甸和高山杂类草草甸，优势植物主要有高山嵩草（K. pygmaea）、矮生嵩草（K. humilis）、线叶嵩草（K. capillifolia）、短轴嵩草（K. prattii）以及珠芽蓼（Polygonum viviparum）、圆穗蓼（P. macrophyllum）、横断山风毛菊（Saussurea superba）、云雾龙胆（Gentiana nubigena）等，如木里煤田聚乎更矿区广泛分布高山草甸土。高山草原土主要分布于青南高原西部、长江和黄河源一带以及昆仑山内部山地和阿尔金山、祁连山西段，其上发育着以紫花针茅（Stipa purpurea）为主的高寒草原。高原沼泽土是在寒湿环境下，西藏嵩草沼泽化草甸植被下发育的土壤，主要分布在玉树杂多县、治多县西部、果洛玛多县西部、久治县东北部，祁连山中段山地上部的河源，海拔 3800m以上的地区，如木里煤田的江仓矿区、聚乎更矿区广泛分布，是典型的湿地。分布区气候寒冷湿润，年平均气温.5～.3℃，年降水量 400～500mm，地下发育有多年冻土层。泥炭层有机质含量 27%～78%（周兴民等， 1987）。高寒沼泽化草甸植物种类组成丰富，覆盖度大，建群种主要有西藏嵩草（K. tibetica）和华扁穗草（Blysmus sinocompressus）等，湿生植物有长花马先蒿（Pedicularis longiflora）、鹿蹄草（Pyrola calliantha）、发草（Deschampsia caespitosa）等。大多高寒金属矿土壤有一定程度的污染，主要是镉（Cd）、铜（Cu）和锌（Zn），有些矿还有砷（As）、铅（Pb）的轻度污染（刘瑞平等， 2018）。以纳日贡玛铜矿为例，纳日贡玛铜矿属于半湿润寒冻气候区，西部和西北部有现代冰川覆盖，主体地区在距离地表 1.5m以下存在冰冻层，自然景观为高山地衣岩屑带。区内气温极低，常年处于冰冻条件下，植被稀少，局部有高山寒冻草甸发育。以现代冰雪作用引起的寒冰风化为主，岩石的机械崩解作用特别强烈，山体上部常为裸露的岩石，下部岩屑坡、碎石流覆盖较厚。典型意义上，土壤不发育，以高山草甸土、冰沼土为主，多年冰结，季节性融化层发育。 表1-1 高寒地区典型矿生态环境主要指标统计 这些高寒矿区气候类型以高原高寒气候为主，气候干旱寒冷。地貌以高海拔山地丘陵为主，远离交通干线，交通不方便。 1.2 高寒矿区生态修复现状分析 矿山修复即对矿业废弃地污染进行修复，实现对被破坏的生态环境的恢复，以及对土地资源的可持续利用。矿山开采过程中会产生大量非经治理而无法使用的土地，又称矿业废弃地，废弃地存在生产导致的各种污染。大规模开采矿产资源同时带来了诸多生态环境问题，如占压破坏草原、损毁湿地、破坏水系等。遥感调查监测数据显示，截至 2018年底，全国矿山开采占用损毁土地约 360万 hm2，其中正在开采的矿山占用损毁土地约 133.33万 hm2，历史遗留矿山占用损毁土地约226.67万 hm2。为解决矿山生态修复历史欠账多、现实矛盾多、投入不足等突出问题，按照党的十九大“构建政府为主导、企业为主体、社会组织和公众共同参与的环境治理体系”的要求，坚持“谁破坏、谁治理”“谁修复、谁受益”原则，通过政策激励，吸引各方投入，推行市场化运作、科学化治理的模式，加快推进矿山生态修复。2019年，自然资源部发布了《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》。2020年 6月，国家发展和改革委员会、自然资源部发布《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》（发改农经〔2020〕837号）。该规划以国家生态安全战略格局为基础，以国家重点生态功能区、生态保护红线、国家*自然保护地等为重点，提出以青藏高原生态屏障区、黄河重点生态区（含黄土高原生态屏障）、长江重点生态区（含川滇生态屏障）、东北森林带、北方防沙带、南方丘陵山地带、海岸带等“三区四带”为核心的全国重要生态系统保护和修复重大工程总体布局。为贯彻习近平生态文明思想，保护生态环境，树立和践行绿水青山就是金山银山理念，全面开展矿山生态治理。截至 2016年，全国用于矿山地质环境治理恢复资金超过 900亿元，完成治理恢复土地面积约 92万 hm2。2020年青海省对 43个历史遗留矿山开展生态修复，治理总面积 1031.52hm2，自然资源部、财政部下达资金 1.26亿元。 2020年，青海省实施《木里矿区以及祁连山南麓青海片区生态环境综合整治三年行动方案（2020—2023年）》，开展有史以来海拔*高、面积*大的矿区生态恢复。采用“羊板粪+有机肥+大播量乡土草种 +无纺布覆盖”技术模式，种草复绿 2022.09hm2，复绿效果如图1-2所示。植被重建当年，植被覆盖度达到 90%以上，植株密度达到 4000株/m2以上。同期，通过植草复绿、围栏封育等生态修复手段，完成祁连山南麓 771个生态环境突出问题图斑的整治任务，祁连山青海片区生态环境得以进一步修复（图1-3，图1-4）。 图1-2 种草复绿后的江仓 1号井（李长慧，2021年拍摄） 图1-3 祁连县扎麻什乡西山梁多金属矿生态修复后，祁连圆柏染绿了满目疮痍的山体（青海省自然资源厅，2021年供图） 图1-4 祁连山乐都段矿山植被恢复（李生峰，2021年拍摄） 当前高寒矿区生态修复采取的技术措施主要包括地形地貌修复、地质边坡修复、覆土复绿、喷播绿化、植生带绿化、植生毯绿化等。地形地貌修复主要包括拆除工业场区及生活住宅区所有的废弃房屋和地坪等构筑物，对渣山削坡减荷增加稳定性，回填采坑，防止采坑边坑的垮塌。地质边坡修复主要包括对采矿形成的采矿和排土场边坡表层的弃渣进行人工或者机械清理，在废弃渣堆整理前缘设置拦渣墙，在渣山坡面上设置排水沟，将降水形成的地表汇流引导排泄于坡外，减少冲刷坡面。青海省高寒矿区大多分布分散，面积不大，多采用覆土方式，施用有机肥或化肥。对于集中连片大面积的主要采用以肥代土、改良渣土的方法。植被恢复主要应用的是退化草原恢复的乡土草种，主要有披碱草属植物、青海中华羊茅（Festuca sinensis cv. Qinghai）、青海冷地早熟禾（Poa crymophila cv. Qinghai）等 3～4种，采用人工撒播、机械播种。局部地区采用了喷播、植