矿业开采产生大量的矿业废物, 引发大气污染、土壤破坏、水体污染等生态环境问题, 也严重破坏地表和地下空间, 引发地质灾害和环境破坏, 形成大面积挖损、塌陷、污染需要经过修复治理才能使用的矿业废弃地。由于历史发展原因和技术水平限制, 中国矿业废弃地面积累计达4 000万亩 (1亩=666.7m²) , 直接经济损失超过160亿元^[1]。

矿业废弃地再生利用是中国绿色矿山建设和可持续发展战略的重要组成部分。矿业废弃地再生利用不仅可以修复受损的生态环境, 也有利于提高城镇土地利用效率, 符合中国坚持最严格的节约用地制度要求。随着中国城镇化进程中城市环境急剧恶化和土地资源严重紧缺问题的日益凸显, 矿业废弃地再生利用成为新时期中国土地利用方式转变和城镇发展转型升级的重要途径, 是新常态下中国生态文明建设和国民经济健康发展的重要支撑。在此背景下, 总结国内外矿业废弃地再生利用研究现状, 对研究内容进行全面对比分析, 有助于发现我国矿业废弃地再生利用研究的不足。

本文根据矿业废弃地再生利用研究发展的时间进程, 将研究内容分为生态恢复和景观规划两大方面, 从上述两方面梳理矿业废弃地再生利用研究的相关成果, 总结现有研究内容的优缺点, 并对矿业废弃地未来发展趋势进行展望。

矿业废弃地再生利用研究最早从生态恢复领域展开, 国外最早的研究可以追溯至19世纪末期。生态恢复 (restoration) 是矿业废弃地治理修复的核心内容, 以解决土壤结构、土壤肥力、微生物种群、养分循环等技术问题, 使受损土地接近原始状态, 恢复其生态完整性和土地生产力为主要研究目标。矿业废弃地生态恢复研究多集中在土地复垦政策和土壤复垦、植被修复、固体废弃物再利用、酸性矿山排水、重金属去除、生态影响^{[2,3,4,5,6,7]}等恢复技术方面, 以美国、德国、英国和澳大利亚等国家的研究成果最为突出。

美国是开展矿业废弃地生态恢复研究最早的国家之一。由于美国多采用露天开采, 研究也多以露天矿山生态恢复为主。美国最早的生态恢复研究始于威斯康星大学校园内1个24hm²的草场在研究最初就提出了生态恢复应重视生态系统的整体性和稳定性^[8]。1975年, 弗吉尼亚州召开的“恢复受损生态系统”国际研讨会正式拉开了恢复生态学的研究序幕, 围绕受损生态系统恢复机理和方法展开了深入探讨。1977年, 美国联邦政府颁布了第1部全国性质的土地复垦法规《露天矿管理及生态修复法》 (SMCRA, surface mining control and reclamation act of 1977) ^[9], 严格规定了矿山开采的复垦程序, 明确了矿业废弃地生态恢复的责任权属问题, 为全国范围内开展矿业废弃地生态恢复奠定了重要的法律基础。至今, SMCRA仍是美国联邦政府和各州政府矿业废弃地生态恢复遵循的最重要法律依据和标准。结合SMCRA, 美国政府成立了露天开采管理办公室 (office of surface mining) 并建立了废弃地生态恢复基金, 以保证制定的矿业开采恢复环境标准能够得以执行^[10]。同一时期, 美国国会通过了《环境应对、赔偿和责任综合方案》 (CERCLA) , 成立了专门用于修复和管理污染场地的超级基金, 对存在重大威胁的场地设立了“国家优先级表” (national priority list, NPL) 。在超级基金资助恢复的污染场地中, 139个矿业废弃地列入“国家优先级表”, 占全部污染场地的20%。美国矿业废弃地生态恢复相关法律法规建设相对完善, 专项基金制度设立较早, 到20世纪70年代, 美国矿业废弃地的生态恢复率已达到70%, 生态恢复技术处于世界领先地位^[11]。

德国是世界性工业大国, 矿业开采历史悠久且矿产资源需求量大, 煤矿开采量曾达到2亿t/年, 仅在鲁尔区就有12 000多座工厂和600多座矿井。德国政府为恢复治理矿业废弃地, 早在1766年便开始制定相关法律法规和治理措施。1950年, 德国颁布第1部土地复垦法规———《普鲁士采矿法》, 标志着德国的矿业废弃地生态修复正式进入系统性、规范性研究阶段。随后又颁布了《废弃地利用条例》、《矿山保护法》、《联邦环境保护法》等。德国矿业废弃地生态恢复的经验主要有: (1) 从法律上要求矿业公司对破坏土地终身负责; (2) 要求企业必须在闭矿之前对矿区土地的循环再利用和生态恢复进行总体规划, 并依此规划在闭矿后2年内完成土地复垦工作; (3) 建立完整的数字化矿区资料信息库, 为矿区废弃地修复治理提供准确的基础资料。而我国的矿山关闭后存在资料缺失、地下信息不明的问题, 德国的基础数据建立意识值得我国借鉴。到20世纪90年代, 德国土地复垦面积达到61.8%^[12]。

英国是第1个进行工业革命的国家, 也是最早关注矿业废弃地生态恢复的国家。早在19世纪中叶, 英国政府就启动了矿区立法工作, 20世纪60年代末正式颁布了《矿山开采法》, 70年代又补充颁布了《矿山采矿场法》^[13]。英国的矿业废弃地生态恢复大致可分为2个阶段:第1阶段———1971年之前, 矿业废弃地的生态恢复由政府划拨专项治理基金完成;第2阶段———1971年《城乡规划法》颁布后, 由矿业公司自己负责。英国的生态恢复工作尤其重视农地、林地和水环境的保护。法律规定, 矿山公司在申请开矿时, 就需要提出生态恢复和土地复垦方案, 土地复垦应以农业或林业用途为主, 保证矿业开采不会引发水环境变化, 这是与美国、德国土地复垦目标的区别之一。同时, 英国要求矿业公司在制定土地复垦方案时应与《城乡规划法》有机结合, 遵循《城乡规划法》对生态环境保护的要求, 避免矿业开采对生态环境造成不可承受的影响。至20世纪末期, 英国已恢复5万多hm²的废弃土地。

矿业是澳大利亚重要的工业支撑, 澳大利亚在矿业废弃地生态恢复方面也取得了很大成就。在土地复垦管理上, 澳大利亚政府设定了5个复垦原则: (1) 复垦后土地用途应考虑原有土地用途; (2) 复垦成本尽量最小化; (3) 复垦后土地用途应考虑周边环境; (4) 复垦后土地应具有长期经济价值; (5) 复垦后尽量去除原有采煤痕迹^[14]。法律法规上, 澳大利亚政府颁布了《采矿法》《环境保护法》等, 成立了专门的废弃地保证金制度和管理机构。2010年, 澳大利亚发布废弃矿山管理战略框架 (MCMPR/MCA) ^[15], 为矿业废弃地评估和管理提供政策和标准支撑。

中国矿业开采历史悠久, 早在清代便有乡绅学者关注废弃地的生态改造。浙江绍兴东湖采石废弃地修复是记载最早的矿业废弃地生态恢复项目^[11]。但系统性的开展矿业废弃地生态恢复研究则是在新中国成立之后, 比美国、德国、英国等发达国家的起步都晚。新中国成立后, 我国矿业废弃地生态恢复研究大体可分为以下3个阶段。

1) 探索研究阶段 (20世纪50年代—20世纪80年代)

这一时期的研究主要关注土壤退化问题, 多为零散的、小规模的、自发性的研究。由于这一时期技术手段尚不成熟, 加之我国经济尚不发达、土地复垦社会认知度不高、缺少法律法规支撑等原因, 土地复垦率<1%^[16]。

2) 以工程技术为主的土地复垦研究阶段 (20世纪80年代末—20世纪末)

20世纪80年代初, 我国学者翻译了《露天矿土地复垦》和《矿区造地复田中的矿山测量工作》2本国外著作, 率先向国内引进了国际土地复垦和生态恢复技术。1983年, 我国正式立项了第1个土地复垦科研课题“煤矿塌陷地造地复田综合治理研究”, 以东部地区矿业塌陷地为主要研究对象, 探讨了土地复垦的相关工程技术。1988年, 我国颁布《土地复垦规定》 (国务院法规[1988]) , 第1次以法律条款的方式明确了土地复垦的定义, 对复垦后土地的国家征用条件、复垦费用、补偿金等都进行了相应说明, 标志着我国土地复垦已经进入有组织的、规范性的研究阶段。此后, 在国家有关部门组织下, 我国建立了数个矿业废弃地生态恢复研究示范基地, 开始了全国范围的土地复垦推广工作。1998年10月, 我国修订了《土地管理法》, 为土地复垦的资金来源做出了明确说明。至20世纪末, 我国土地复垦率已提高到12%, 但仍低于发达国家至少50%的标准。

3) 多学科综合性研究阶段 (21世纪至今)

进入21世纪后, 我国加大了对生态环境健康和矿山生态治理的重视, 在法律法规上, 跟进出台了《关于加强生态建设项目土地复垦管理工作的通知》《关于组织土地复垦方案编报和审查有关问题的通知》, 要求企业开矿之前必须进行生态环境评价和土地复垦规划。2011年我国颁布《土地复垦条例》, 以“不欠新账, 偿还老账”为指导思想, 明确了土地复垦方案编制的具体要求。国土资源部于2015年下发的《历史遗留工矿废弃地复垦利用试点管理办法》中, 明确提出应科学合理地编制工矿废弃地复垦利用专项规划, 标志着我国的土地复垦工作进一步规范化、科学化、法制化。

这一阶段的矿业废弃地再生利用研究从最初集中在生态技术恢复领域, 以生态恢复的技术研究为主导, 慢慢发展出生态风险评价、经济效益评价、工业遗产保护^[17,18,19]等研究方向。在再利用模式上, 土地复垦仍以农业用地为主要目标, 这是由我国人多地少的国情所决定。但已出现农业、林业、牧业、渔业、公园休闲等多元化的土地利用模式^[20]。研究内容上, 从对单一类型废弃地的研究 (如矸石山、塌陷地、排土场、固废堆等) 发展出对综合多种土地破坏类型矿业废弃地的研究, 甚至对多个矿业废弃地的综合规划研究^[21]。恢复技术也从工程技术向生物技术转变。研究内容涉及矸石山植被修复、沉陷区土地复垦工艺、土地复垦政策、土壤生物技术改良、废水控制与处理、高潜水位生态修复工程等, 部分地区土地复垦率达到50%。总的来说, 我国的矿业废弃地生态恢复研究呈现多元化、综合化、跨学科化的研究趋势。

纵观国内外矿业废弃地生态恢复研究, 不难发现国外矿业废弃地生态恢复率高、执行力度强, 在基础数据建设和法律法规建设方面都有很多值得我国借鉴的地方。我国虽也取得相当瞩目的研究成果, 对比国外研究经验, 依然有许多问题亟待解决。

1) 土地复垦法规尚待完善土地复垦是一项涉及多种研究领域、多个单位配合、多项制度结合的综合性工作。我国虽然开展了大量矿业废弃地生态恢复研究, 且建立了相关的法律法规, 但实践上看, 执行力度尚不理想, 尚未形成协调统一的法律法规, 管理体制和技术措施仍需加强完善。

2) 矿山基础数据库建设不够西方国家多数建立了相对完整的数字化资料信息库, 为未来修复治理工作提供了必要的数据资料。我国基础数据建设方面相对落后, 矿山关闭后资料缺失情况严重, 不利于矿业废弃地的有效整合和利用。

3) 西北地区和小型矿山生态恢复尚未引起足够重视, 生态恢复率几乎为0。虽然我国平均矿业废弃地生态恢复率达到12%, 但恢复较理想区域主要集中在华北和长江中下游地区, 西北地区生态恢复率只有0.6%^[22]。据统计, 我国有小型矿山20多万座, 分布广、数量大, 采矿工艺落后, 环境破坏严重, 目前管理也处于失控状态, 废弃地并未得到有效的治理恢复。

景观规划是通过一定技术手段和设计方法对场地进行景观优化利用的活动。景观规划包含宏观层面的矿区景观重塑, 也包括微观层面的具体场地设计。和生态恢复研究相比, 矿业废弃地景观规划研究起步较晚, 不仅包括生态服务功能的恢复, 也包括对景观自然属性和人文属性的深层挖掘, 更强调人地关系的和谐发展。矿业开采是人地扰动最为强烈的活动之一, 在生态恢复研究基础上, 挖掘矿业废弃地的社会价值、文化价值、经济价值和美学价值, 积极开展景观规划视角下的矿业废弃地综合利用研究, 有利于提高矿业废弃地再利用的生态效益和经济效益。随着定量研究的不断深入, 基于定量分析的矿业废弃地景观规划研究越来越成为矿业废弃地再利用的研究热点之一。

21世纪后, 越来越多的学者认为矿业废弃地再生利用中, 土地复垦、景观设计以及环境再造应该是相互交融、相互受益的。2002年德国科特布斯召开“扰动景观:分析、模拟和评价”会议, 围绕后采矿景观生态系统的重建进行了学术讨论^[23]。会议提出废弃地复垦不仅需要植被、地质知识, 也需要地理学、景观生态学等不同学科的密切合作。研究内容上, 国外矿业废弃地景观规划研究主要集中在矿业废弃地景观重塑和景观综合设计^[24,25,26]等方面。

1) 景观重塑研究

矿业废弃地景观重塑研究主要包括景观生态特征表征和近自然地形重塑等, 常用的理论有分形理论、景观生态学理论、微地形塑造理论等, 常用的研究方法有分形方法、景观指数法和微地形塑造等。其中, 分形理论用于描述矿业废弃地地貌景观和土壤粒径分布^[27], 景观指数法用于描述矿业废弃地的景观格局和土地利用演变特征^[28]。师法自然是应用计算机技术模拟自然地理环境, 新景观与原始地貌相互交融, 设计出近似自然形态的景观重塑理念^[29]。2001年, Bugosh开发了Geogluv^TM模型用于辅助矿业废弃地的师法自然重塑模拟^[30]。微地形塑造是指通过合理改造构建矿区微地形, 修复损坏土壤、水体的方法^[31]。Toy^[32]提出后采矿景观规划应遵循先前的自然景观和地貌特征, 以达到稳定的景观形态。Ivan Svoboda^[33]以露天矿坑形成的水体为例探讨了后采矿景观的重塑方法和目标。截止目前, 矿业废弃地景观重塑研究主要集中在露天矿区受损土地的景观规划中, 井工开采矿区的景观重塑研究尚比较少见。

2) 景观综合设计研究

在景观综合设计上, 随着可持续发展理论的逐渐发展, 生态城市规划理论得到极大发展。代表性的如生态城市主义、景观都市主义、精明增长理论、景观生态学理论等都明确指出, 矿业废弃地景观规划是城市可持续发展的重要组成部分。矿业废弃地景观规划研究的重要性得到了专家学者的普遍认同。许多景观设计师、建筑师、规划师以及设计行业协会加入矿业废弃地景观规划的研究队伍。哈佛大学景观建筑学院教授Alan Berger在《复垦美国西部》^[34]中使用航拍技术从空中展现了矿业废弃地伤痕累累却又超现实、震撼的图片, 并在2004年成立了P-REX小组 (the project for reclamation excellence) , 专门从事矿业废弃地景观规划研究。Alan Berger指出, 复垦设计应强调环境适应性 (adaptive) , 而非环境复制 (replication) 。美国卡耐基梅隆大学的创新探究工作室 (studio for creative inquiry) ^[35]以钢铁城匹兹堡为例开展了有关废弃地景观重塑对城市复兴的研究。美国景观设计师协会 (ASLA) 每年评选的全球景观设计获奖作品都包括废弃地改造为主题的设计项目。澳大利亚景观设计学协会 (AILA) 明确指出应该使用可持续的生态思想进行矿业废弃地修复工作, 衰退的景观也可以产生新的美学价值^[24]。实践上, 矿业废弃地景观综合设计在世界各国进行着多种尝试。既有针对个体的单元式开发模式 (如英国的朗达遗产公园———Rhondda Heritage Park) , 也有以一定范围内若干个废弃地为主体的区域式开发模式 (如德国鲁尔工业区) 。在改造模式上, 景观设计通常与废弃地生态恢复结合, 可分为硬式改造 (例如, 博物馆、创意产业园等) 和软式改造2种 (如农业、林业、公园绿化等) (见表1) 。

我国景观规划研究虽起步较晚, 但矿业废弃地景观规划研究发展迅速, 研究整体处于上升完善阶段。2004年国家土地部门第1次提出矿山公园概念, 启动并批准了28个国家矿山公园建设项目, 标志着我国矿业废弃地景观规划研究进入新的篇章。至2016年, 获批准的国家矿山公园数量已增加至72个。2017年, 住房和城乡建设部印发《关于加强生态修复城市修补工作的指导意见》, 明确指出应合理地修复利用城市废弃土地, 使其从消极状态转化为积极状态。下面从景观重塑和景观综合设计两方面探讨我国矿业废弃地景观规划研究进展。

1) 景观重塑研究

不同于国外学者的景观地形重塑研究, 我国学者对矿业废弃地景观重塑研究多以宏观层面的与城市规划、经济发展相结合的矿业废弃地再利用规划体系研究为主。例如, 常江^[36]从城乡统筹视角出发, 以实现矿-城-乡协同发展为目标, 构建了矿业废弃地的信息检测系统和再利用规划体系。罗萍嘉^[37]参考城市建设用地适宜性评价方法, 构建了城-矿协同规划体系。刘抚英^[38]从协同学理论的视角提出了矿业城市工业废弃地系统概念和协同再生观点。高怀军^[39]从矿业城市经济发展的现实要求出发, 对采矿废弃地生态修复和再利用实现机制进行探讨。虽然我国学者对矿业废弃地景观重塑做出了多角度探讨, 对矿业废弃地对城市端和社会端的影响做出了一定关注, 但研究尚在起步阶段, 并没有形成完整的矿业废弃地景观重塑理论体系。

2) 景观综合设计研究

我国学者对矿业废弃地景观综合设计研究多以场地再利用模式、废旧建筑再利用、矿业遗产保护、后工业景观重塑^[18,40]等具体场地设计为主要研究内容。研究方法上, 融合了绿色基础设施、景观生态学等新兴景观规划理论^[41,42], 构架了适合我国的矿业废弃地景观生态理论框架和对策。我国学者指出, 风景园林学主导下的矿业废弃地修复也是值得倡导的生态修复模式, 但是当代矿业废弃地再利用的污染处理研究和空间设计研究是相互孤立的, 缺乏融合场地污染特征和空间特征的景观设计途径^[43]。针对矿业废弃地再利用模式的研究, 规划学、景观建筑学的学者多以将废弃地改造为公园绿地、休憩场所为目标^[40,44], 而生态学、地理学学者则多以改造为农业用地、林业用地、畜牧业用地为最终目标。学术研究机构是促进科学发展进步的重要力量, 代表性的如清华大学等科研机构和高等院校, 对推动矿业废弃地景观综合设计的理论和实践研究起到了重要作用。我国代表性的矿业废弃地改造再利用经典案例如表2所示, 多以郊野公园、矿山博物馆的形式出现。

经过多年研究积累, 国外矿业废弃地景观规划形成了多层次、多维度的景观重塑和景观综合设计研究, 我国矿业废弃地再生利用研究相对起步较晚。对比国外研究经验, 尚存在下列问题亟待解决。

1) 城市层面的理论指导整体性、系统性不够我国矿业废弃地景观规划研究多从单个地块的生态平衡着手, 再生利用存在功能单一、效益低下等问题, 尚缺少城市可持续发展视角下矿业废弃地再生利用规划方法的研究, 城市整体层面上的功能选择机制研究尚待深入。

2) 矿业废弃地规划理论研究和实践方法总结尚待深入现有研究多集中在工矿废弃地复垦利用专项规划领域, 以使土地恢复到可供利用状态为目标。而与城市规划设计相融合的煤矿废弃地再生利用规划体系研究较少, 其规划理论研究和实践方法总结尚待深入。

3) 鲜见融合城市规划学、建筑学的跨学科研究成果目前的研究成果, 已有基于景观生态学、生态系统服务等生态理念的煤矿废弃地再生利用研究。但融合城市规划学、建筑学、景观设计学、生态学、环境学、地理学等跨学科研究领域成果鲜见。

综上所述, 矿业废弃地再生利用是世界各国的学术研究热点。根据研究进程和研究内容, 可将矿业废弃地再生利用分为生态恢复和景观规划两大方向。西方国家在理论和实践上取得了比较大的进展, 尤其在法律法规建设、理论技术创新方面。我国在矿业废弃地再生利用方面经历了40多年的研究, 也已取得相当瞩目的成果。展望未来, 借鉴国外先进生态恢复和景观规划理念, 结合我国实际国情, 可以在以下几个方面加强我国矿业废弃地再生规划的研究力度。

1) 完善矿业废弃地土地复垦法规我国的矿业废弃地土地复垦法规尚不完善, 需要从制度建立、机构设置、标准设置、组织程序等环节加强土地复垦法规建设, 以保证矿业废弃地再生利用工作的有序推进。

2) 对仍在使用的矿山开展基础数据信息库建设工作, 为矿山枯竭后转型再利用提供重要基础数据。由于矿业废弃地再生利用涉及多个学科领域。加之地下情况复杂, 完整的基础数据信息库是保证矿业废弃地再生利用顺利开展的基础性资料。

3) 加强对西北偏远地区和乡镇小型矿山的生态恢复工作我国幅员辽阔、土地情况复杂, 乡镇类小型矿山分布范围广、数量庞大, 加强对偏远地区和乡镇小型矿山生态恢复的重视程度, 应处理好偏远地区经济发展和生态恢复、社会现状之间的关系。

4) 加强城市层面的矿业废弃地理论指导研究加强城市整体层面上的功能选择机制研究, 关注矿业废弃地对城市端和社会端的影响, 提高矿业废弃地再生利用的整体性和系统性。

5) 探索跨学科融合的矿业废弃地再生利用理论体系把矿业废弃地再生利用与对城市空间和环境的修补、城市功能的完善和城市文化的传承相结合, 使之与城市人居系统达到相对健康、稳定的状态, 解除矿业城市生态安全问题, 进而实现矿业城市的可持续发展和精明型转型升级。