全 文 ：采 矿 地 的 生 态 恢 复 技 术 3
夏汉平1 3 3 　蔡锡安2
(1 中国科学院华南植物研究所生态中心 ,广州 510650 ;2 云南农业大学农学院 ,昆明 650201)
【摘要】　矿藏开采给生态环境带来严重破坏. 矿地与尾矿的自然恢复是相当缓慢的 ,有些甚至是不大可能
自然恢复的. 本文总结了在过去 20 年全球发展起来的各种生态恢复技术措施 ,包括基质的改良 ,优良物种
的选择等 ,并总结出一套人工恢复的一般步骤 ,分析了目前所存在的评判人工生态恢复成功与否的几种评
价体系的优劣.
关键词 　矿地 　尾矿 　生态恢复 　植物修复 　退化生态系统
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 11 - 1471 - 07 　中图分类号 　X171. 5 　文献标识码 　A
Ecological restoration technologies for mined lands : A review. XIA Hanping1 ,CAI Xi’an2 (1 South China Insti2
t ute of Botany , Chinese Academy of Sciences , Guangz hou 510650 ;2 School of A gronomy , Yunnan A gricultur2
al U niversity , Kunming 650201) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (11) :1471～1477.
Mining activities usually cause catastrophic and extensive environmental changes , and eventually cause major
damages to the whole ecosystem. The natural restoration for mine lands and tailings is a very slow process , and
even can hardly reach their original states. Therefore , how to develop rapid and efficient approaches to accelerate
restoration of mined lands has been highlighted by restorationists and environmental engineers during the past
two decades. Almost all studies in this field indicate that the major problems come from soils : such as high metal
concentrations , extremely strong acidity resulting from oxidation of pyrite , and poor fertility. Replacement of
topsoil is therefore regarded as the most efficient method to alleviate adverse conditions of substrates ; if this
method is not available ,other alternatives with lime , fertilizers , organic manures , garbage , mining wastes , and
others will be applicable. In the aspect of using plants , species with strong resistance and rapid growth , like
grasses and herbaceous legume , are always the first choice. If utilizing plants for the purpose of phytoreme2
diation ,species that are capable of accumulating exceptionally high concentrations of phytotoxic metals and of
course , have a huge biomass ,are preferably considered. No matter what type of ecosystem a mined land is re2
stored or reclaimed to , an evaluation on whether it is a successful restoration or reclamation should be given.
However , more practical , simple , and universal evaluation methods as well as more cost2effective , and operation2
easy restoration techniques are still waiting to be developed. A set of artificial restoration methods that can be
widely applied was summarized , and a discussion on the advantage and disadvantage of several evaluation systems
was conducted in this review.
Key words 　Mineland , Mine tailings , Ecological restoration , Phytoremediation , Degraded ecosystem.3 国家自然科学基金 (39870155) 与广东省自然科学基金资助项目
(980479) .3 3 通讯联系人.
2001 - 09 - 21 收稿 ,2002 - 03 - 15 接受.
1 　引 　　言
人类从事采矿业已有数千年的历史 ,开采矿藏给人类带
来了巨大财富 ,但是采矿过程所导致的环境污染与破坏以及
采后留下的尾矿、废弃地、废渣等都带来了许多生态环境问
题.这些环境问题集中起来主要表现在以下几个方面 :1) 生
态景观遭破坏. 通常 ,一个矿地在开采之前都是森林、草地或
植被覆盖的山体. 一旦开采后 ,植被消失 ,山体遭破坏 ,矿渣
与垃圾堆置 ,最终形成一个与周围环境完全不同甚至极不协
调的外观[62 ] . 2)土壤基质被污染. 重金属毒害是矿地普遍存
在且最为严重的问题之一 ,如广东凡口铅锌尾矿 1 号矿的
Pb ,Zn 总量分别高达 34300 和 36500mg·kg - 1 , 有效态 Zn 亦
高达 1963mg·kg - 1 [37 ,39 ] . 如此高的金属含量对绝大多数植
物的生长发育都产生严重抑制和毒害作用 [37 ,57 ] . 尾矿另一
个常见的污染是高度酸化 ,主要是由于硫铁矿 ( FeS2) 或其他
金属硫化物氧化所致. 例如 ,Pb/ Zn 矿的 S 含量高达15. 4 % ,
酸化后能使基质的 p H 降至 2. 4 左右[72 ,77 ] ;渗出液甚至降至
2 左右[22 ] . 高含量的重金属与强的酸度通常是植物在矿地
定居的最大限制因子 [6 ,61 ] . 3)土壤结构变差 ,养分缺乏. 矿地
的表土总是被清除或挖走 ,采矿后留下的通常是心土或矿
渣 ,加上汽车和大型采矿设备的重压 ,结果所暴露出的往往
是坚硬、板结的基质 ,有机质、养分与水分都很缺乏 ,极不利
于植物生长 ,也不利于动物定居. 对于含有 FeS2 的矿地 ,如
果还含有白云石等含 Ca 矿石 ,就很可能会因前者的氧化和
后者的风化淋溶而形成一层石膏 (CaSO4 ) 沉积 ,从而使矿地
的植被恢复变得更加困难 [19 ] . 4) 地下水和下游水质受到影
响.由于雨水的淋溶作用 ,基质中的重金属与一些有机化合
物等有害物质会随雨水渗入到地下水 ,并流向下游的水域
应 用 生 态 学 报 　2002 年 11 月 　第 13 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2002 ,13 (11)∶1471～1477
中 ,可能污染到饮用水和毒害底栖生物 [79 ] . 例如 ,在美国 Ely
Creek 流域的水体因受煤矿影响 ,p H 在 2. 7～5. 2 之间 ,其沉
积物中含有 Fe (约 10 000 mg·kg - 1) 、Al (约 1500 mg·kg - 1)
和 Mn (约 150 mg·kg - 1)等[12 ] . 5) 生物多样性锐减. 采矿要
清除植被 ,挖走表土 ,并导致土壤污染和退化 ,所有这些对矿
地的生物多样性都是致命打击. 生物多样性丧失后 ,受损生
态系统的恢复会变得缓慢得多 [18 ] . 不仅如此 ,由于渗出液对
下游和周围地区产生污染 ,因此还影响到周围地区的生物多
样性[12 ] .
虽然有些矿地会由于自然演替使得某些耐性物种逐渐
侵入而实现植物定居 [6 ,55 ] ,但总的来说 ,由于开矿导致了上
述恶劣生境 ,自然恢复是非常缓慢的 ,通常需要 50～100 年 ,
特别是土壤的恢复 ,可能需要 100～10 000 年[6 ] . 因此 ,为了
加速矿地的生态恢复 ,开展人工修复 ,特别是根据矿地的具
体条件 ,利用一定的技术措施开展恢复工作 ,是十分必要的.
2 　基质改良措施
211 　表土覆盖
土壤是生态系统的基质与生物多样性的载体 . 因此 ,恢
复过程中首先要解决的问题是如何将废渣或心土所形成的
恶劣基质转变成能够植物生长的土壤. 正如著名生态恢复专
家 Bradshaw 所说 :“要想获得恢复的成功 ,首先必需要解决
土壤问题 ,否则是不可能成功的”[7 ] .
　　回填表土是一种常用且最为有效的措施. 很多研究都表
明 ,在无表土回填的矿地 ,生物多样性的恢复速度受到抑
制[28 ,46 ,69 ] .因此 ,要想在短期内将无表土覆盖的矿区实施生
态恢复是不大可能的. 表土是当地物种的重要种子库 ,它为
植被恢复提供了重要种源. Holmes[27 ]研究发现 ,即使是采取
人工播种措施 ,表土的种子库也能提供 60 %的矿地恢复物
种 ,经过 3 年的恢复后 ,这一比例上升至 70 %. 回填表除了
提供土壤贮藏的种子库外 ,土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 ,并包含有
比心土多得多的参与养分循环的微生物与微小动物群落 [3 ] .
表土覆盖的深浅一直是研究人员关注的一个研究课题.
覆土太厚无疑会使工作量成倍增加 ,太浅可能又起不到好的
效果. Barth[2 ]认为 ,覆土越厚越好 ,这样可避免根系穿透薄
薄的表土层而扎进有毒的矿土中. Holmes[27 ]的研究表明 ,覆
盖 10 cm 厚的表土能使植物的盖度从 20 %上升至 75 % ,覆
盖 30 cm 则上升到 90 % ;但这 2 个深度的表土对提高植物密
度没有明显差异 ,甚至在播种 18 个月后 ,浅表土 (10 cm) 比
深表土 (30 cm) 有更高的植物密度. Redente 等[49 ]在一个煤
矿地比较了 4 个厚度 (15、30、45 和 60cm) 的表土后 ,发现覆
盖 15cm 就足以获得满意的恢复效果. 看来 ,表土层的覆盖
的确没有必要太厚 ,10～15 cm 就可能产生较好效果. 覆土
的厚度还应考虑被恢复的植被类型 ,草本植物根系浅 ,覆土
厚度显然没有必要象恢复木本植物那样厚. 有趣的是 ,上述
2 篇报道有关覆土后所形成的植物群落类型恰好相反.
Holmes[27 ]发现 ,和深表土 (30 cm) 相比 ,浅表土 (10 cm) 覆盖
使矿地恢复呈现相对较低的灌丛和较高的禾草盖度 ;但 Re2
dente 等[49 ]和 Sydnor 等[59 ]却观测到较深的表土覆盖形成以
禾草为主的植被类型 ,而浅表土则以非禾本科与灌丛类型为
主.
无论所形成的植被如何 ,回填表土所产生的改土效果与
恢复效果都是显然易见的 ,因此 ,只要有可能 ,在采矿前就应
将表土挖掘放在一边 ,采矿结束后再尽快覆上. 如果原地表
土无法保留 ,也可采用客土法 ,即将别处的表土挖来覆
上[73 ] . 表土回填或客土覆盖措施也存在以下问题 :1) 表土与
心土或与矿渣之间存在一障碍层 ,它对根冠的发育会有一定
的阻碍[21 ] ;2)工作量巨大 ,特别是客土法 ,可能要从远处将
土运来. 当矿地面积较大时 ,无论是表土或客土覆盖几乎都
难以实现 ;3)有些矿区的采矿时间过长 ,可能会使得堆置一
旁的表土丧失原有的特性 ,因为表土堆放的时间越长 ,土壤
的优良性状与养分就会损失越多 ,土体内植物繁殖体的死亡
率也越高 ,结果就可能导致表土失去回填价值 [3 ,25 ] ;4) 如果
表土是覆盖在有一定坡度的矿山上 ,由于质地不连续性与层
次的松散性 ,有可能导致由降雨引起的滑坡 ;5) 掩埋在表土
下的盐分与重金属等有害物质有可能通过土壤毛细管作用
上升到表土层甚至地表 ,继续产生危害 [58 ,65 ] .
212 　其他的基质改良措施
　　由于表土覆盖的上述局限性及高成本 ,人们便指望能根
据基质存在的具体问题寻找到其他更简易、廉价且有效的改
良措施. 在打破紧实或坚硬的基质状态 ,增加土壤的渗透性
方面 ,一个简单的措施是深耕土壤 [13 ] . Dunker 等[20 ]观测到 ,
矿地恢复后的作物产量与翻耕深度呈良好的线性关系 ,相关
程度达 99 %以上. 在降低酸度方面 ,传统的办法是施用石
灰. Ye 等[77 ]观测到施用 160 kg·hm - 2石灰能使基质的 p H
从 2. 4 上升至 7 左右. 但是 ,这一改良措施可能只在一段时
间内有效 ,原因是所加入的石灰量通常是从土壤的有效酸度
计算出来的 ,并没有考虑潜在酸度和未风化的硫铁矿的进一
步氧化[6 ,53 ] ;而且硫铁矿的氧化并不会因为酸度升高而停
止 ,特别是非微生物因子所引起的氧化还会随 p H 升高而增
加[23 ] . 因此 ,为了确定所需的总石灰量 ,就必须要考虑硫铁
矿的总量和所有残留酸量 [14 ] ,这可能会使某些矿地的石灰
需要量高达 100～200 t·hm - 2 [6 ,53 ] . 最近 , Evangelou[22 ]创造
了一种硫铁矿的“微胶囊技术 ( microencapsulation technolo2
gy)”,即用 H2 O4或次氯酸盐、KH2 PO4或 H4 SiO4 以及 NaAC
或石灰石组成的溶液淋洗含 S矿渣 ,使淋洗过程中所生成的
磷酸铁或硅酸铁作为包衣覆盖在 FeS2 表面 ,从而使得它不
再被氧化. 不过该方法的有效性与可靠性还有待在实践中检
验.
　　矿渣或矿地恢复初期 ,施肥能显著提高植被的覆盖度 ,
特别是无表土覆盖的矿地 ,这种提高的幅度更大 ,但基本不
影响植物种数[27 ,32 ] . 例如 , Ye 等人[77 ]观测到 ,每公顷施用
80 t 以上的石灰配合施用 100t 有机肥 ,不仅显著降低土壤
酸度、电导率和 Pb、Zn 的有效性 ,而且有效促进植物萌发 ,并
使生物产量达最大值 . 但是化肥的效果只是短期的 ,停止施
2741 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
表 1 　矿地恢复过程中的土壤问题及其除表土覆盖外的即时的与长期解决办法
Table 1 Immediate and long2term measures in addition to surface covering for soil problems in mineland restoration
类型
Category
问题
Problem
即时处理措施
Immediate treatment method
来源举例
Source
长期处理措施
Long2term treatment method 来源举例Source
重金属 Heavy metal 过高 Too high 有机物质 (如生活垃圾) Organic matter (e. g. garbage) [76 ] 生物固定 Phytoremediation [60 ]
酸碱度 偏酸 Too low 石灰 Lime [61 ] 耐酸物种 Tolerant species
Acidity 偏碱 Too high 硫铁矿渣或有机物质 Pyritic waste or organic matter [6 ] 风化淋溶或耐性物种 Weathering or tolerant species [68 ]
有机质 Organic matter 缺乏 Deficiency 有机肥、塘泥、垃圾等 Manure , sludge , garbage [38 ] 植被覆盖 Vegetation
养分 缺 N N deficiency N肥 N fertilizer [26 ] 固 N物种 N2fixer [27 ]
Nutrient 缺其他元素 Other deficiency 肥料或石灰 Fertilizer or lime [50 ] 矿物风化或肥料、石灰 Mineral weathering or fertilizer and lime
水分 过多 Too wet 排水 Drainage [56 ] 排水或耐渍植被 Drainage or tolerant species [24 ]
Moisture 过少 Too dry 灌溉或覆盖 Irrigation or cover [54 ] 耐旱物种 Drought tolerant species [75 ]
结构 过紧 Too compact 翻松或弄碎 Rip or scarify [42 ] 植被 Vegetation
Sturcture 过松 Too loose 压实 Press 2 植被或淋溶 Vegetation or leaching
有机污染物 Organic pollutant 过高 Too high 2 2 生物降解 Bio2degradation [45 ]
盐度 Salinity 过高 Too high 灌溉淋洗 Irrigation [24 ] 淋溶或耐盐植被 Leaching or tolerant species [29 ]
稳定性 流失 Erosion 覆盖 Cover [40 ] 植被 Vegetation [40 ]
Stability 滑坡或崩塌 Slippage 工程措施 (如挡土墙等) Physical measure (e. g. stone wall) 2 工程措施 Physical measure
质地 过粗 Too coarse 有机物质或细土 Organic matter or clayed soil [6 ] 自然风化 Natural weather [6 ]
Texture 过细 Too fine 有机物质 Organic matter 2 植被 Vegetation
肥后 ,覆盖度、物种数和生物量都会下降[32 ,71 ] . 也有人发现
肥料主要是在前期有效 ,当植物特别是以豆科为主的植被形
成之后 ,就无需再施肥了 [4 ] . 还有人发现在煤矿上造林时 ,只
要控制好杂草 ,有无施肥对树木生长没有明显的影响 [64 ] . 对
于回填了表土的矿地 ,施肥可能是不必的 ,甚至可能是有害
的.如果基质问题是来自养分不足的话 ,首先考虑的是现场
的“废物”利用 ,而不应是施肥[6 ] . 因为有些矿物余泥或废渣
可能含有较高浓度的养分 ,而且可实现废物再利用 [10 ] .
　　总之 ,基质改良是矿地生态恢复的最主要问题 ,但对其
所出现的每一个问题 ,基本上都能找到即时的或长期的解决
办法[6 ,18 ] . 表 1 是目前全球出现的除表土覆盖外解决这些问
题的办法或措施的汇总 ,是根据矿地恢复过程中 ,土壤各类
问题出现的频率进行编排的. 总体上 ,这些改良措施在世界
各地都是成功的 ,但也有一些失败. 失败的原因主要是由于
土壤极差的理化性状、硫铁矿导致土壤高度酸化、土壤养分
(特别是 N)的严重缺乏、重金属极度污染、P 的固定和排水
不畅等[7 ] .
3 　人工播种与植物种类选择
311 　植物种类选择
　　用于矿地恢复的植物通常应该是抗逆性强、生长迅速、
改土效果好和生态功能明显的种类. 禾草与豆科植物往往是
首选物种 ,因为这 2 类植物大多有顽强的生命力和耐瘠能
力 ,生长迅速 ,而且后者能固 N [4 ,41 ] . 在禾本科植物中 ,狗牙
根 ( Cynodon dactylon ) 是被用得最早、最频、最广的种之
一[30 ,77 ] . 不过 ,Holmes[27 ]发现狗牙根在人工模拟的采矿地表
现并不好. 近几年 ,香根草 ( V etiveria z iz anioides) 和百喜草
( Paspalum notatum)被发现对酸、贫瘠和重金属都有很强的
抗性 ,适合用于矿地的植被恢复 [66 ,75 ,76 ] .
　　在豆科植物方面 , Holmes[27 ]认为 ,首先应撒播非侵入性
的、生长迅速的一年生乡土豆科植物. 目前一些草本豆科植
物如 (三叶草 ( Trif olium)和胡枝子 ( Lespedez a) 等) 以及一些
木本豆科植物 (如金合欢 ( Acacia) 等) 在全球很多矿地被广
泛采用 ,大多取得良好的恢复效果 ,特别是将非豆科与豆科
间种时 ,前者被促进的效果是十分明显的 [35 ] . 这是因为 ,一
个豆科的草本与木本混合种类能生产超过 100 kg N hm - 2·
yr - 1 ,因此对于缺 N 矿地选择豆科植物就显得更为重
要[6 ,18 ] . 禾草与豆科的草本植物大多只不过是恢复过程的先
锋种. 在热带亚热带地区 ,植被的顶极群落往往是森林 ;更为
重要的是 ,根据植物群落学原理 ,物种多样性是生态系统稳
定的基础. 使用一个混合种 ,特别是将乔、灌、草、藤多层配置
结合起来进行恢复的效果肯定要比单一种或少数几个种的
效果好 ,因为前者能为适应环境变化提供比后者大得多的生
存机会 ,并能产生稳定得多的生态系统[32 ,74 ] . 因而 ,矿地恢
复时除选择禾本科与豆科植物外 ,还应将其他种类的植物
(包括乔木、灌木等) 结合起来种植 ,以便形成一个多物种的
生态系统. 我们还可从生物工程角度选择优良品种 ,即通过转
基因、遗传突变等方式培育出适合在矿地这一恶劣环境中生长
且具有良好恢复效果的新品种.
312 　人工播种的优势
　　当矿地面积较大且采取多种类、多层次的植物搭配时 ,
人工播种的优势就充分体现出来. 它除了省时省工外 ,还表
现在 :1) 有些矿地土质较差 ,并存在水土流失威胁 ,采用人
工播种生长迅速、抗逆强的草本植物就可保证尽早覆盖表
土 ,防治水土流失[27 ] ;2)尽管回填表土的措施已被越来越广
地采纳 ,但实际上若要恢复成当地的植被类型 ,仅靠表土内
的种子库很难达到这一目的. 表土内一般不可能含有当地开
矿前所生长的全部物种 ,而且土内的种子密度与发芽率也
低 ,特别是那些堆放时间过长的表土更是如此 [3 ] . 因此 ,为了
保证恢复的快速与成功 ,就应考虑人工播种 ,即把在当地所
能采集到的各类种子混合后播入土中. 这对未回填表土的矿
地显得更为重要.
　　由于矿地生境条件的恶劣 ,人工播种有时也难保证有很
高的发芽率 ,即使是在改良的基质上也可能会如此. 例如 ,
Parrotta 等[44 ]对巴西矾土矿的播种情况经过统计后发现 ,采
自矿区周围的 160 个树种中 ,适合直接播种在矿地上的 (成
374111 期 　　　　　　　　　　　　　　　　夏汉平等 :采矿地的生态恢复技术 　　　
活率 ≥75 %)仅 34 个. 为了提高播种的成活率 ,人们又试图
对种子进行处理 ,并发现热、灰、烟都能打破种子休眠 ,提高
发芽率[17 ,34 ,51 ] . 因此播种后对地表纵火焚烧 ,种子的发芽率
能提高 50 % ,并节省 40 %的种子购买费[3 ] . 实际上 ,在播种
前用烟熏种子也能提高发芽率 [9 ,27 ] ;不过某些植物的种子烟
熏后 ,其发芽率反而下降 ,如 S tipa scaba 会从 30. 2 %下降至
19. 9 %[47 ] . Keeley 等[34 ]描述了能被烟诱导或促进发芽的种
子的特性 ,如外种皮粗糙、皮下组织膜为半透性等. 看来 ,烟
熏法也不是对各种种子都有效. 此外 ,还有提高其他提高种
子发芽率的处理方法 ,如擦破种皮 ,酸、碱等化学物质或热水
浸泡 ,控制光照、温度等 ,但不同科属的种子可能要采用不同
的处理方式[31 ,34 ,44 ] .
　　总的来说 ,无论采用何种植物进行恢复 ,也无论恢复成
什么样的植被类型 ,都需要对欲选择的物种有全面的了解 ,
包括它们的生物学特性、对土壤的选择、对当地气候的适应
性和与其他物种的反应等 , 否则就可能导致恢复失
败[6 ,18 ,44 ] .
313 　植物修复作用
　　在矿地生态恢复中最引人注目的焦点莫过于植物修复
(phytoremediation) ,即植物对土壤重金属和某此有机化合物
的净化作用 ,它包括植物吸收 (phytoextraction or phytoaccu2
mulation) 、植物降解 (phytodegradation) 、植物挥发 (phyto2
volatilization) 和 植 物 固 定 ( phytostabilization ) 等 4 个 方
面[18 ,30 ] ,如果用植物清除矿区水体中的重金属时 ,则还包括
根际过滤 (rhizofiltration) [52 ] . 植物的主要净化机制取决于被
净化的有毒物质种类 ,而且基质改良后往往能增强植物修复
效果[38 ,76 ] .
　　若要植物吸收有较明显的效果 ,就必须选择吸收能力强
且生物量大的种类. 香根草被证明属于这类植物 [66 ,76 ] . 它在
Cd浓度仅为 0. 33mg·kg - 1 的土壤上 ,能吸收 218 g Cd·
hm - 2 [11 ] ;而被认为是“超富集植物 ( hyperaccumulator)”的
Thlaspi caerulescens 在 Cd 含量为 13. 6 mg·kg - 1的土壤中只
能吸走 143g·hm - 2 [1 ] . 目前至少发现了 400 多种对重金属有
强大吸收能力的超富积植物 [18 ] . 实际上 ,植物所具有的富集
重金属的能力通常是来自于长期适应这类环境和自然演替
的结果.
4 　生态恢复过程与生态系统全面恢复
411 　被恢复的生态系统类型
　　热带雨林和高山森林被认为是破坏后最难恢复的生态
景观之一 . 然而 ,Parrotta 等[44 ]只用 15 年时间便把热带雨林
恢复 ,Berdusco 等[4 ] 用 25 年时间也把亚高山 (海拔 1650～
2285 m)针叶林恢复. 他们的工作表明 ,受采矿破坏的植被是
可以人工恢复的. 诚然 ,恢复取决于生态系统的恢复 ,如果没
做到这一点 ,就不能算完全恢复 ,而只能算是局部修补 [7 ] . 生
态系统恢复不仅仅是恢复几种植物或将裸地覆盖 ,它还至少
应包括以下 3 个方面 : 1) 土壤养分积累与生物地球化学循
环 ,包括对养分的滞留与损失、土壤的化学过程、有机物质的
合成与降解等[53 ] ;2)生物多样性的恢复 ,包括生物种类与功
能是否达到开矿前或邻近自然景观的水平 ;3) 植被演替方向
与生态系统的自我维持能力 [3 ] .
　　矿地的生态恢复首先考虑的是恢复它的“本来面目”,即
将它恢复到开矿前原有景观或与周围景观一致或协调的状
态 ,因为在理论上原有景观是“最适景观”与“最美景观”. 例
如 ,在采矿业较发达的澳大利亚 ,采矿地基本上都进行了成
功恢复 ,而且很多恢复成以 Eucalyptus m arginata 和 E. te2
t radonta 为主的当地生态系统 ,其特征是没有外来种 ,在结构
与物种组成上与当地森林类似 ,而且生态系统建起来后能自
我维持 ,长期稳定 ,无需再为管理投入 [16 ,70 ] . 又如 ,南非很多
金矿原来生长着高山硬叶灌木林 (fynbo) ,开矿后通过采取一
定的措施 (包括恢复表土 ,合理施肥 ,严格控制外来种入侵
等) ,最终也恢复成当地的植被 [27 ,28 ,33 ] . 他们的工作表明 ,只
要采取一定的措施 ,即使象亚马逊流域这样高度生物多样性
的热带雨林被破坏后 ,也能恢复到接近原有植被类型 [44 ] .
　　也有学者认为 ,要想完全或基本恢复到原有状态 ,特别
是生物多样性要达到原有水平是相当困难的或需要经过相
当长的时间[18 ,59 ,68 ] . 这是因为很多采矿地的基质被严重破
坏或污染 ,即使采取上述改良措施也不可能使其形成能适合
原有植被或生态系统生存的生境 ,因而不可避免地减缓恢复
速度、形成新的植被或新的生态系统类型. 其中以恢复成草
地 (牧场) 、森林或农田的情形最多 ,因为这些相对最容易也
最廉价[7 ,24 ] .
　　有些矿地由于挖掘太深或堆置过高或其他原因 ,地貌都
发生了明显变化 ,因而也不可能恢复成原貌 [62 ] . 美国明尼苏
达州一个矿坑湖就是一个由 200 多个铁矿坑形成的人工
湖[78 ] . 位于澳大利亚西南部 Capel 地区的一个矿砂地在采矿
后就恢复成了湿地. 该矿地于 1976～1981 年间进行采矿 ,挖
掘深度为 8m ,从 1980 年起进行人工恢复 ,最初试图将它建
成工人湖 ,后来发现它更适宜建成湿地. 于是经过 10 年努
力 ,一个集鸟类和野生动物栖息、生态科学综合研究以及旅
游与环境教育为一体的人工湿地终于建成 ,并获得巨大成
功[8 ] . Bradshaw[6 ]指出 ,将一些水分过多且有露天坑池的矿
地恢复成湿地可能是最廉价、最有效的恢复途径.
412 　人工恢复过程
　　对矿地开展人工生态恢复 ,特别是要恢复成原有的或与
周围一致的植被类型与生态景观时 ,通常应采取以下 10 个
步骤 :1)采矿前开展本底调查 ,即对土壤、植被、动物、自然资
源 ,甚至人文遗产等进行详查记录 ,并拍下原貌照片 ;2) 从矿
区内广泛采集各种植物的种子以保存种质资源 ,特别是对关
键种要进行种子采收或幼苗移栽 ,做好种子贮藏工作 ,确保
被贮藏的种子不会退化变质 ,同时还要对一些珍稀濒危种进
行迁地保护 ,开展种苗繁育 ;3) 开矿前烧尽所有欲开挖地段
的植被 ,而且最好是将表土散开放在一边以减少土壤中繁殖
体的死亡率[27 ] ;4) 规定开矿期限 ,尽量缩短开矿时间 ,条件
允许时可在开矿的中后期即开展恢复工作 ,即边开矿 ,边恢
复 ;5)开矿结束后立即修整地形 ,对陡坡或堆积过高的废渣
4741 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
要适当推平 ,对坑洼部分要填埋 ;6) 回填表土 ,并对铺在坡面
的表土采取一定措施 ,防止水土流失 ,同时还要注意建好排
灌系统 ,对无法回填表土的矿地 ,调查分析土壤基质可能存
在的不良因子 ,然后参照表 1 采取相应的改良措施 ;7) 将采
集的种子与培育的种苗按一定的规格种植入土. 如果在种类
与数量上还不够的话 ,就必须通过其他渠道 (如购买) 来补
足 ;8)对生态系统的恢复过程进行管理 ,发现问题及时进行
补救. 管理内容包括可能的病虫害、抚育、施肥、灌溉等 ,如果
某些关键种的种子发芽或种苗成活失败 ,则必须重新在苗圃
育苗 ,然后再采取新的栽培措施移栽到现场 ;9) 对生态系统
的恢复过程进行监测 ,监测内容包括物种的发芽率、成活率、
生长速率、生物多样性变化、植被演替速度及其对基质的改
良效果等 ;10)参照一定标准 (见下文) ,对人工恢复的效果进
行评价. 当然 ,这些步骤并不是一成不变的 ,实际的恢复过程
与应采取的措施往往还是根据各个矿地的具体情况来确定.
此外 ,为了使被恢复的系统能自我维持下去 ,可能还要对它
进行一些人为干扰活动 ,如清除侵入植物和每隔 20～50 年
左右 (取决于植被发展情况) 进行一次烧山等. 若不烧山 ,则
枯枝落叶聚积 ,易形成火灾隐患 [67 ] . 有些植被排除火的干扰
后还可能走入偏途演替 ,向人们并不希望的方向发展 [15 ] . 此
外 ,对想维持在草地状态而不想让其发展为森林的修复地而
言 ,纵火就是一种好的维持手段 [24 ] .
5 　生态系统成功恢复的指标及评价
511 　早期的评价方法
　　一个受损的生态系统是否成功恢复须有一定的评价指
标对它进行衡量 . 但是 ,由于环境条件的巨大差异和评价体
系的不完善 ,目前对矿地恢复是否成功往往很难做出确切的
评判. 通常被恢复的群落结构与组成可以与当地天然的群落
进行比较 ,以评价恢复的目标是否达到 [18 ,28 ,43 ] . 显然 ,如果
矿地周围没有植被 ,这一方法就可能无法付诸实施.
　　迄今全球尚未有一个通用的评价体系可供采用 ,但至少
存在一些公认的评价指标 ,如生物种类、数量、生物量的增加
速度 ,土壤理化性状 ,小气候和地下水位变化等. 早在 10 年
前 ,Berger[5 ]就建立了一个评价框架 ,用于评价各类受损生态
系统的生态恢复效果. 虽然该模型采用的评价指标基本属于
上面所提到的这些 ,但由于它过于理论化、一般化 (包括矿
地、森林、草原等) 和复杂化 (包括生态、经济和社会 3 个方
面) ,在实际工作中较难操作运用. 1993 年 , Krabbenhoft 等也
提出了地形2土壤单元 ( Topoedaphic Unit) 评价方法[36 ] . 该方
法是在被恢复的矿地附近找一个参照地 ,分别对矿地和参照
地的土壤因子 (包括物理的、化学的和地形的) 与植被因子进
行调查 ,先对参照地的调查数据做主成分分析 (principal com2
ponent analysis) 、聚类分析 (cluster analysis) 和多重反应排序
(multiresponse permutation procedure) ,从中找出导致其植被
因子 (如物种、植被类型等) 具有显著性差异的地形2土壤因
子 ,然后以此为参照应用于矿地 ,考察矿地与之相匹配的地
形2土壤单元是否也导致了这些不同的植被因子之间的显著
性差异. 如果是 ,则表明这个矿地已经成功恢复. 显然 ,该方
法的优点在于用原有未破坏的自然植被作对比 ,且对多项生
态因子进行考察 ,推导过程较严谨. 但由于被考察的生态因
子是人为确定的 ,因而存在某个 (或某些) 重要因子被遗漏的
可能.
512 　生态功能分析
　　Bell 对澳大利亚各类矿地恢复的经验进行总结后 ,认为
采用生态功能分析可评价一个矿地是否被成功恢复 [3 ] . 生态
功能分析包括景观功能、植被动态以及生境复杂性 3 个方
面 ,其改进后的主要内容如下.
51211 景观功能分析 　这一分析包括 2 步 :一是沿着样带收
集连续的数据 ,进行景观分层 (landscape stratification) ,数据
来自观测区资源运动的主导方向 (往下坡或下游) ,包括运动
资源的丢失 (源 source) 与积累 (库 sink) ;二是在每一类景观
区沿一条样带对土壤表面状况进行表 2 所示的 10 个特征的
评价分析. 其方法是将这 10 个田间观测的特征值分成以下 3
类进行数据分析 :1) 抗蚀的稳定性 (包括特征 1、3、4、5、6、7、
9、10) ;2)水分的渗透与保存能力 (包括特征 3、8、9 和表土质
地) ;3)养分循环状况 (包括特征 2、3、4 和 8) ,通过分析便可
了解样带上每个源和库的上述 3 类特征.
表 2 　土壤表面特征及其用于生态恢复评价的内容[ 63]
Table 2 Soil surface features and their functions for assessing eco2reha2
bilitation
序号
No.
土壤表面特征
Soil surface feature
评价内容
Functions for assessing eco2rehabilitation
1 土壤覆盖 评价雨溅侵蚀
2 多年生植物的基盖度 了解地下器官对养分循环过程的贡献
3 凋落物盖度与降解程度 评价地表有机质降解与养分循环
4 隐花植物盖度 是了解地表稳定性、侵蚀抗性和养分有效性的批标
5 地表 (地壳)破碎度 了解松散的地表 (地壳)物质遭受风蚀与雨蚀的程度
6 侵蚀特征 评价目前土壤的侵蚀特征 ,包括侵蚀类型与严重程度
7 沉积物质 识别被冲蚀的土壤成分
8 微地形 用于了解水分渗透、水流受阻以及种子聚积的情况
9 地表的抗冲击性 评价土壤受机械干扰后的稳定性
10 松散抗性 评价土壤变湿时的稳定性或松散程度
51212 植被动态与特征分析 　植被动态包括观测物种组成 ,
与类似地点 (未受干扰) 的物种相似性 ,框架种 (framework
species)的存在情况、以及目标种 (target species) 的发展情况.
框架种是指提供阴蔽与保护 ,有利于水分和养分循环和资源
调节的物种 ,没有它们 ,生态系统不能获得持续发展. 这些测
量主要用来评价源库区之间的空间关系. 植被特征包括主要
种类的 (特别是框架种的)株高、冠幅、胸径、盖度等.
51213 生境复杂性分析 　生境复杂性用以下 5 个特征进行
评价 ,即树冠盖度、灌丛盖度、地被物盖度、凋落物与枯倒木
量、自由水有效性. 每个特征根据量的多少用 0～3 分进行分
级 ,然后将这 5 个特征的得分进行统计 ,从而得出整个生境
复杂性的分值.
　　生态功能分析的优点在于 :1) 被恢复地区的指标值能在
时间和空间上和周围未干扰点的相比较 ,从而查明生态系统
功能的发展趋势 ;2)与前 2 个方法相比 ,该方法相对更迅速、
简单、直观 ,但能否被广泛采用 ,还有待进一步的科学验证.
574111 期 　　　　　　　　　　　　　　　　夏汉平等 :采矿地的生态恢复技术 　　　
6 　结 　　语
　　采矿所导致的环境破坏是巨大的 ,修复其受损生态系统
所需的花费亦是惊人的. 例如 ,仅在美国就有 557650 个废
矿 ,为修整它们需要花费 710 亿美元 ,如果连同去除废矿中
的重金属和有机化合物 ,则还需另加 354 亿美元 [52 ] . 虽然人
类采矿的历史悠久 ,但对它进行修复或生态恢复 ,则还不足
100 年的历史. 本文所总结的这些恢复方法主要是近 20 年的
研究与实践中探索出来的 ,总体上都还是属于常规方法 ,因
为它们都需要花费相对较多的资金和较长的时间 ,而且一些
方法可能还导致新的环境破坏 (如客土法) 或二次污染 (如植
物吸收) . 因此 ,寻求新的、有效的、廉价的修复技术和创立一
套完整的、实用的、可靠的恢复评价体系是全球生态学家和
环境保护专家们今后进一步努力奋斗的目标. 但可以肯定的
是 ,不论探求什么方法 ,都离不开生态学原理的应用.
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作者简介 　夏汉平 ,男 ,1966 年生 ,博士 ,研究员 ,主要从事恢
复生态学、生态工程学和草地生态学方面的研究 ,发表论文
70 余篇.
774111 期 　　　　　　　　　　　　　　　　夏汉平等 :采矿地的生态恢复技术