LA专题 | 袁兴中 张超凡 张冠雄 黄鑫 | 基于生物多样性保育的采煤塌陷区生

全文刊登于《风景园林》2022年第3期P52-57

袁兴中，张超凡，张冠雄，黄鑫.基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复模式[J].风景园林，2022，29（3）：52-57.

基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复模式

袁兴中

男 / 博士 / 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室、建筑城规学院教授、博士生导师 / 研究方向为生态系统设计、湿地生态修复

张超凡

女 / 重庆大学建筑城规学院在读硕士研究生 / 研究方向为大地景观规划与生态修复

张冠雄

男 / 博士 / 曲阜师范大学生命科学学院副教授 / 研究方向为生态修复

黄鑫

男 / 山东省邹城市自然资源和规划局湿地保护中心高级工程师 / 研究方向为湿地生态管理

摘要：以山东省兖州煤田邹城市太平采煤塌陷区为例，在多年调查研究基础上，分析太平采煤塌陷区新生湿地生物多样性特征及变化趋势，结合动态塌陷特点，重点针对生物多样性保护，探索基于自然的解决方案、以塌陷区新生湿地生物多样性保育为核心的生态修复技术。从生态系统整体设计与修复的角度，提出了6种基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复模式，包括顺应塌陷时间节律的动态设计、以生境单元为基础的空间结构设计、地形–底质复合设计、水上–水下一体化设计、动物–植物协同设计、多功能生境设计模式，并进行了相关生态修复实践。结果表明，基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复综合效益明显，修复后的采煤塌陷区成为多样性丰富、多物种协同的共生系统及林–水一体化的动态景观系统，并提供了丰富多样的生态产品。研究结果可为采煤塌陷区生物多样性保护和生态系统修复设计提供科学依据和技术参照。

关键词：基于自然的解决方案；生态修复；生物多样性保育；动态塌陷；新生湿地；采煤塌陷区

采煤塌陷导致地表变形，破坏耕地、地表水体和生态系统结构，导致房屋开裂，威胁居民人身安全。面对采煤导致的大面积塌陷地及其生态变化， 迫切需要系统、深入地研究采煤驱动下塌陷地生态演变规律，尤其是塌陷地生态系统及其生物多样性变化，研发采煤塌陷区生态系统修复关键技术。自2014年8月开始，以位于山东省济宁市邹城太平镇鲍店煤矿采煤塌陷区（简称太平采煤塌陷区）为研究对象，重庆大学生态修复研究团队在完成塌陷区生物多样性本底调查、新生湿地生态系统评估及生态修复设计基础上，进行了生态修复实践。基于自然的解决方案（-based , NbS），从动态生态系统设计角度， 探索以生物多样性为核心的采煤塌陷区生态修复创新技术，为采煤塌陷区生态修复提供科学依据和技术范式参照。

1 研究区域环境概况

研究区域地处山东省鲁西平原中部，济宁市邹城太平镇境内，西邻泗河（图1），该区域为邹城市太平采煤塌陷区，总面积1 143.6 hm 2 ， 属兖州矿务集团鲍店煤矿。从20世纪70年代初至今，历经40多年开采，形成了大面积地下采空区。20世纪80年代开始，煤炭采空后造成地面塌陷，降水汇集，地表积水，加上部分地下水上涌，土壤淹水潜育化，水生植物生长，出现底栖动物、鱼类、水鸟等水生生物，发育形成典型的采煤塌陷区新生湿地。研究区域属于泗河冲积平原区，地势平坦；地处暖温带，为东亚大陆性季风气候区；属淮河流域白马河水系，场地西侧为泗河。

1 山东邹城太平采煤塌陷区地理位置图

2 采煤塌陷区新生湿地生物多样性特征及变化趋势

太平采煤塌陷区的地表塌陷发生于不同年代，塌陷时间不一；即使在同一年代开始塌陷，也因地质条件、土壤性质和地表形态差异，而导致塌陷深度不均。塌陷时间较短的新生湿地水位较低，水深多在0~1 m，以芦苇、香蒲等挺水植物为主；塌陷时间较长的新生湿地水位较高，水深多在2~4 m，以金鱼藻、黑藻、菹草等沉水植物为主。塌陷时间较长的区域形成大面积水面，为雁鸭类等游禽提供了优良的越冬栖息地。

2014—2019年，分别选取10 km 2 的太平采煤塌陷区及位于泗河以西的尚未塌陷的10 km 2 传统农耕区，每年春季和夏季进行生物多样性调查。结果表明，太平采煤塌陷区范围内的物种丰度较高，有维管植物392种， 其中野生草本植物271种，水生植物40种（包括沉水植物12种、漂浮植物3种、浮叶植物6种、挺水植物19种）。而作为对照区的尚未塌陷的传统农耕区仅调查到70种维管植物。

太平采煤塌陷区共发现鸟类138 种，湿地鸟类众多，其中鸭科鸟类有20种，鹭科和丘鹬科鸟类分别有11种。不同塌陷时期的新生湿地鸟类种类数量不同，塌陷中期鸟类种数最高，有84种。在未塌陷的传统农耕区仅调查到30种鸟类，说明采煤塌陷新生湿地具有较高的鸟类多样性保护潜力。在塌陷新生湿地还发现不少珍稀濒危特有鸟类栖息和繁殖，如青头潜鸭（全球最濒危的鸟类之一矿山采空区地面塌陷危险性预测，国家一级保护野生动物）、震旦鸦雀（被誉为“鸟类中的大熊猫”）等。

3 以生物多样性保育为核心的塌陷区生态修复设计

3.1 针对采煤塌陷区新生湿地动态塌陷特点的SDDMS设计策略

针对采煤塌陷区新生湿地的动态塌陷特点，提出了以生物多样性保育为核心的生态修复设计的SDDMS策略，包括：1）S——自然的自我设计策略（self of ）；2）D——多样性设计策略（ ）；3）D——动态设计策略（ ）；4）M——多功能设计策略（multi- ）；5）S——协同共生设计策略（ ）。

3.2 基于生物多样性保育目标的采煤塌陷区生态修复设计技术框架

遵循SDDMS设计策略，基于生物多样性保育目标，提出生态修复设计技术框架（图2）。其中，动态景观设计和生境单元综合设计是针对持续塌陷特点，从时间维度和空间结构两方面进行的针对不同类型生境的设计。地形 – 底质复合设计和水文 – 水环境综合设计则立足于新生湿地的重要环境要素——地形、底质、水文、水环境，进行塌陷区水上、水下的生境综合设计。多物种协同设计和多功能设计，是将生物物种与生态功能相关联，通过多物种协同，实现多功能并存。

2 基于生物多样性保育的采煤塌陷区生态修复设计技术框架

3.3 采煤塌陷区生态修复技术模式

3.3.1 顺应塌陷时间节律的动态设计技术

根据煤炭采空后地表塌陷的动态过程，提出了顺应塌陷节律的动态设计技术：动态林泽技术、动态林网－多塘技术。

动态林泽技术：在塌陷前，在预测将要塌陷、开始变形且已无法耕种的地块上，种植耐水淹适生树木，如乌桕、旱柳、中山杉、池杉等。当初期塌陷深度1~2 m时，树木沉没于水中；随着塌陷持续进行，经历一个“地往下塌，树向上长”的过程；到30~40年稳定沉陷、沉陷深度达6~7 m时，树木长到十几米高，形成美丽的水上林泽。

动态林网 – 多塘技术：将塌陷农业区域拆除房屋的废弃砖石充填于塘基上，形成由塘基围合的湿地多塘。在塘基上种植本地乡土树种（如杨树、旱柳等），形成林网围合的湿地多塘。

3.3.2 以生境单元为基础的空间结构设计技术

3 以生境单元为基础的空间结构设计示意图

3.3.3 地形 – 底质复合设计技术

地形 – 底质复合设计技术可增加塌陷区新生湿地基底环境异质性。在每个塌陷发育时间阶段，除保留原生地形和底质的变化外，根据生物多样性保育目标需求，用塌陷农业区域拆除房屋的废弃砖石镶嵌堆填于部分塌陷基底上，根据稳沉的最大塌陷深度，使堆填结构在水下形成多孔穴空间，为喜穴居的水生无脊椎动物和鱼类提供生境；始终露出水面的堆填结构则形成岛屿，为水鸟栖息、繁殖提供场所。通过地形 – 底质复合设计，形成采煤塌陷区新生湿地系统稳定、生机勃勃的生命基底结构（图4）。

4 地形－底质复合设计模式示意图

3.3.4 水上 – 水下一体化设计技术

通过沟渠保持各塌陷湿地之间地表水的水文连通；不对塌陷区基底结构做任何硬化处理，充分保障西边的泗河与东面塌陷区新生湿地地下水的侧渗连通。通过镶嵌状种植的动态林泽、动态林网 – 多塘湿地，形成水上 – 水下一体化生态结构（图5），保证了垂向空间上的多层空间分异。同时，通过塌陷塘、塌陷湖边岸自然发育的湿地植物群落，对地表径流进行拦截过滤，实现保水、净水、维持水文循环，并构建完整的水生态网络。

5 水上 – 水下一体化设计模式示意图

3.3.5 动物 – 植物协同设计技术

提出了采煤塌陷区新生湿地动物 – 植物多物种协同设计技术，形成多物种协同的稳定食物网结构 （图6）。根据塌陷深度、地形起伏、水文条件、植物种类筛选及动物栖息需求，将新生湿地群落营建及多样化生境设计融为一体。通过在林泽系统、塌陷塘、塌陷湖边岸湿地生境适当种植适生乡土植物矿山采空区地面塌陷危险性预测，形成塌陷地优良的植物群落结构；再通过陆生和湿地生境设计，吸引鸟类、鱼类、水生昆虫。

6 采煤塌陷区新生湿地多物种协同的食物网结构

3.3.6 以生物多样性保育为核心的多功能生境设计技术

强调主导功能优先，多功能并重。塌陷区新生湿地的主导生态功能包括生物多样性保育、水源涵养、水质净化、雨洪调控等。设计和修复中，使生物物种的多样化与生态功能的复杂性和完整性紧密关联，多样化的生境类型及物种不仅奠定了生物多样性的基础，而且其复杂的植物群落结构满足了水源涵养、水质净化等生态服务功能。

4 采煤塌陷区生态修复设计实践及效益分析

2015年开始陆续实施以生物多样性保育为核心的采煤塌陷区生态系统修复。目前，生态修复已产生了明显综合效益。

1）形成了多样性丰富、多物种协同的共生系统。修复后发现维管植物达到397种；越冬水鸟达到40多种，数量超过2万只，常年栖居鸟类超过100种，珍稀濒危特有鸟类众多。林泽区已经成为凤头䴙䴘、黑水鸡、水雉等鸟类的产卵繁殖场所（图7）。凤头䴙䴘、黑水鸡的繁殖活动为植物繁殖体传播提供了帮助，使植物多样性得以维持；普通燕鸥取食鱼类及飞翔活动，是新生湿地鱼类传播的重要媒介。

7 修复后采煤塌陷区新生湿地多样性丰富、多物种协同的共生系统

2）构建了林 – 水一体化的塌陷地动态景观系统。自2015年实施修复以来，呈现出林环水绕、林水相依、林水共荣的美丽图景，形成蓝绿交织、林–水一体化的塌陷地立体生态网络（图8）。

8 修复后采煤塌陷区新生湿地林 – 水一体化的动态景观

3）形成了多物种耦合的塌陷地“减源 – 增汇”系统。 经生态修复后的塌陷区，自下而上的沉水植物—漂浮植物—挺水植物—林泽树木，形成了塌陷区新生湿地上的立体固碳系统（图9），也对周边农田的地表径流发挥着重要的净化作用。

9 修复后采煤塌陷区新生湿地立体固碳系统

4）形成了以生物多样性为核心的塌陷地生态产品系统。修复后的采煤塌陷区新生湿地提供了优良的天然植物种源，同时通过发展湿地农业、湿地产品加工利用、湿地生态旅游业，产生了明显的经济效益，形成了一系列以生物多样性为核心的生态产品。

5 结语

生态修复实践表明，基于生物多样性保育的生态修复技术体系适用于具有动态塌陷特点的采煤塌陷区。通过8年的修复实践，在采煤塌陷区重建了一个生物多样性丰富的生命景观系统。太平采煤塌陷区的生态修复实践，为中国平原采煤塌陷区生态修复及生物多样性提升提供了值得借鉴的模式。今后还需要进一步探索隐含在采煤塌陷区新生湿地生态系统背后的生态学机制及关键控制过程，通过创新性动态设计技术和修复，实施地上—地下一体化修复，促进采煤塌陷区生物多样性的有效保育及提升。