草原露天煤矿土地复垦中表土资源管理研究——以内蒙古呼伦贝尔市伊敏露天矿为例

刘小翠,白中科,2,包妮沙,马萧

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京100083;2.国土资源部土地整治重点实验室,北京 100083)

20世纪以来,矿区开采活动频繁,因挖损、压占等各种人为因素造成破坏废弃的土地约2亿亩,其中80%以上没有得到利用[1],其中,草原煤矿开采影响范围大、程度深,对地表造成影响严重,根据“十一五”规划纲要和中央国务院有关文件中提出的“加快推进土地复垦”的要求,必须对矿区开采破坏的土地进行复垦,而土地复垦需要满足植被恢复的表土资源,因此,必须要求复垦的土壤有较高的生产力和较高的经济效益,而表土的多少与质量对土壤条件有重要作用[2,3]。目前,国内外对表土资源管理的研究比较少,并且局限于存储论方向的研究,因此,本文以内蒙古呼伦贝尔市伊敏露天矿为例,对矿区表土资源管理进行了研究,以保证土地复垦工作的顺利进行。

1 研究区概况

1.1 研究区地理位置及自然环境概况

伊敏煤矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗境内,北距海拉尔区85 km,距滨洲铁路及 301国道 78 km。地理坐标为 E 119°30′～119°50′,N 48°30′～ 48°50′,伊敏煤矿地理位置见图1。

矿区属寒温带大陆性季风气候,冬季寒冷漫长,夏季温凉短促,春秋两季气温变化急促,且春温高于秋温,秋雨多于春雨,无霜期短,气温年、日差较大,光照充足,年平均气温-2.4℃,年降水量358.8 mm,年蒸发量1166.0 mm,年最大蒸发量为1284.0 mm(1987年),无霜期110 d;月平均风速5.2 m◦s-1,大风(风速 17 m◦s-1以上)的天数平均每年21.1 d。区域内地形起伏不大,东西两侧海拔标高在780 m以上,西南较低,海拔标高为740～450 m,中部海拔标高为667～702 m。分布有线叶菊草甸草原,贝加尔针茅草原,羊草草原,大针茅草原,克氏针茅草原等草原类型。植被覆盖率达到70%以上。

图1 伊敏煤矿地理位置Fig.1 Location of Yimin coal mine

1.2 研究区土壤概况

土壤受地形、气候、母质、植被影响,处于黑钙土向暗栗钙土的过渡带。区内地带性土壤有黑钙土、栗钙土、暗栗钙土;非地带性土壤有草甸土、沼泽土、风沙土。研究区内土壤以黑钙土为主,黑钙土发育于温带半湿润半干旱地区草甸草原和草原植被下的土壤,其主要特征是土壤中有机质的积累量大于分解量,土层上部有一黑色或灰黑色肥沃的腐殖质层,在此层以下或者土壤中下部有一石灰富积的钙积层,本区腐殖质层厚度约20～50 cm,有机质含量2.9～4.0%,pH 值为8.0～9.1,土壤质地为轻壤-中壤土,钙积层埋深40～60 cm,厚度20～30 cm,土壤养分状况是缺磷、富钾、氮中等。

1.3 研究区土地复垦概况

研究区属于扩建项目,共三个采区,总面积为2359.61 hm2(见图 2)。首采区占地面积 90.83 hm2,2005年已经全部复垦为牧草地;首采区开采所占用的外排土场截止到2008年末已经全部复垦为牧草地。工业场地位于矿区的东南侧,占地面积133.25 hm2,在后续开采中仍将使用,故不涉及工业场地复垦。

图2 采区划分及开采顺序图Fig.2 Division of mining area and mining sequence

本文研究对象主要为二采区和部分三采区,复垦年限内(2009～2044)二采区和三采区内采掘场的挖损破坏土地面积1022.08 hm2,破坏类型均为天然牧草地,经过回填后形成内排土场,全部复垦,复垦面积为1022.08 hm2,土地复垦率达到100%(见表1);复垦后土地利用结构主要为牧草地,并以3 m×5 m的株行距套种灌木,植被覆盖度大于60%。

表1 研究区土地复垦破坏、复垦表Table 1 Land reclamation and land destruction of study area

2 研究方法

本文采用野外实地调查的方法,对研究区的面积、采区划分、责任复垦面积、土壤质地等进行实地调查,分析表土的作用以及表土管理等措施。

3 研究区表土的作用

研究区土壤以黑钙土为主,黑钙土形成过程复杂且漫长,对防风固沙、保证土地复垦的实施、缓解对周边地区的影响有很大的作用。

3.1 研究区表土的不可替代性

3.1.1 形成过程长

黑钙土的形成主要有两个过程:①腐殖质累积过程,其腐殖层的厚度较薄,一般为30～40 cm,其中区内腐殖层厚度为20～50 cm;②钙化过程。由于半干旱半湿润地区的年降水量不多,水分不足,钙镁等盐类有一部分残留于土壤中,使土壤胶体表面和土壤溶液都为钙(或镁)所饱和,呈中性和碱性反应。土壤表层的钙离子与植物残体分解所产生的碳酸结合,形成重碳酸钙向下移动,并以碳酸钙的形式在腐殖质层以下淀积,形成钙积层。研究区受季风气候的影响,黑钙土的形成过程中尚有明显的草甸化过程特征。

3.1.2 性状特殊

(1)表层土壤有机质含量丰富,种子库密度与多样性均远高于采煤剥离的深层土壤,其庞大的种子库是矿区生态恢复的关键。

(2)表层土壤土层较薄,表层之下的土源多为含石砾较多的砂质土壤与沙化土壤。

(3)矿区表层土壤中的微生物和动物含量相对深层生土丰富,其对于重建生态系统的恢复和稳定起到重要的作用。

(4)矿区土壤受长期强烈的物理风化作用,土质偏砂,土体干旱,通气良好,具有明显的地带性,这是深层土壤所无法代替的。

3.2 防止沙漠化进程

沙漠化是干旱、半干旱及部分半湿润地区由于人地关系不相协调所造成的以风沙活动为主要标志的土地退化[4]。据研究,内蒙古沙漠和沙漠化土地面积居全国第二位,而沙漠化土地扩展速度和可治理沙漠化土地面积居全国第一位[5]。研究区地表土层的机械物质组成与现代风积沙、土层下伏的海拉尔组散沙非常接近,中细沙粒成分在土层中占85.3%,现代风积沙中占 88.4%,散沙中占90.2%。土层中粒径小于0.125 mm的极细沙和粘粉粒物质含量为 7.8%,比海拉尔组散沙的5.7%和现代风积沙的5.6%稍高。

另外,地表土层具有“三明治”型分层结构:上部为植物根系密布、有机质含量比较高的沙质栗钙土层,中部为粗化松散层,下部为钙积层。而且土层中普遍发育沙土楔网格,将土层切割成多边形的“马赛克”块体,块体的内部还有次一级的裂隙或节理。隔绝强大风能与巨厚散沙,在沙漠化控制中起关键性屏障作用的土层,无论从组成成分、分层结构还是厚度、整体性来看都非常脆弱,规模极其有限,是干旱区脆弱生态系统和珍稀自然资源。而土层与草原植被及其根系结合在一起才能发挥显著的抗风蚀防沙化作用。

因此,保护表土资源,特别是浅地表的草原植被及其根系层是防止沙漠化发生发展的关键,促进土层以及草原植被的形成与恢复是沙漠化控制的根本途径。

3.3 保证土地复垦实施

土壤是陆地上能生长植物的疏松表层,是植被赖以生存的基础,采区表层肥沃的土壤是经过多年植物作用而形成的熟化土壤,其容重、水分等理化性状以及其对于植物、动物、尤其对于微生物等生物学性状是深层生土所不能替代的,蒙古高原的草原生态区更是如此。

在土地复垦中,使复垦土壤达到最优的生产力,构造一个较优的土壤物理、化学和生物条件是最基本和最重要的内容[2,3]。而重构土壤是植被重建的基础,重构土壤的质量是决定复垦成败与效益高低的关键[6]。所以,表土资源成为决定土地复垦成败的关键因素,因此,需要合理利用表土资源,从而保证土地复垦的顺利实施。

3.4 缓解对周边地区的影响

研究区位于呼伦贝尔草原,东北林草交错生态脆弱区内,主要分布了呼伦贝尔沙地、嫩江下游沙地、科尔沁沙地等集中连片的沙漠化土地。

呼伦贝尔沙地主要集中在海拉尔河南部,从海拉尔至满洲里铁路线的沙带长150 km,宽4～40 km,距项目区约60 km;科尔沁沙地位于东北和华北的交界地,距研究区直线距离约500 km;嫩江下游沙地,位于我国北方最东端的嫩江下游冲击平原上,沙地面积达到52.8万hm2,距项目区直线距离约400 km,由于上风向植被破坏,沙漠化土地向大庆主城区扩延的速率达到每年500 m。

近10年来,东北沙尘暴频繁发生,对沈阳-长春-哈尔滨一线的城市群造成了严重的污染,也造成停电、停水、停产、妨碍交通并损害建筑物。2002年4月7日,沙尘天气导致长春机场所有航班延误。大庆市每年也大约观测到5次沙尘暴。吉林省的吉林市2003年的沙尘暴次数为5次。

从图3中可以看出,项目区被三大沙地包围,距离呼伦贝尔沙地只有60 km,如果对内蒙东部(本矿区所在地)和东北西部草地不加以保护,对草地沙化现象不加以控制,不仅会使呼伦贝尔沙地面积扩大,而且流沙侵移、沙尘暴肆虐还会给老工业基地和东北商品粮基地带来深重的风沙灾难。

项目区露天开采对地表造成了大规模的破坏,为缓解对项目区及周边地区生态环境的影响,需要对破坏土地进行生态恢复措施。项目区位于草原生态脆弱区,表土形成过程漫长,一旦破坏很难恢复,因此,有表土资源间接缓解了沙漠化推进速度。

4 表土资源管理

为保证后期土地复垦中生物措施的实施,需要在未开采前,对采掘场表层土壤进行剥离、存放,以保证具有充足的表土资源。

4.1 表土剥离

图3 研究区周边位置图Fig.3 The Peripheral location of study area

草原矿区表层土壤是珍贵的熟化资源,含有丰富的有机质、微生物以及庞大的种子库,而表层土壤之下的土壤多为含砾较多的砂质土壤与沙化土壤(图4)。因此,为保证后期复垦工作的实施,需要从基建期开始对表层土壤进行剥离。

表土层相对较软(除冬季),不需要爆破,由挖掘机直接剥离、装运,研究区的冻冰期从9月下旬到翌年4月下旬,长达7个月,这期间剥离工作可以根据具体情况采取适当的爆破方式。

图4 土壤破坏对比图Fig.4 Comparison Chart of soil destruction

在研究区采掘场表层土壤及上层草皮单独剥离。伊敏一号露天矿共分为三个采区(图2),复垦责任面积为1022.08 hm2,研究区范围内,剥离厚度根据表土厚度而定,土壤类型主要为黑钙土,土地构成中具有单独存放意义的土层为腐殖质层,一般厚度为20～40 cm。因土层厚度不均,剥离层可以较原有腐殖质层稍厚,取平均值,为30 cm,整个研究区共剥离表土326.62万m3。

4.2 表土存放

对于基建期间二采区部分剥离的表土直接铺覆于附近存在一定程度退化的草地上作为临时堆土场。

当排土标高达到设计标高后,需要进行及时的覆土,在覆土之前,需使用整平机或推土机平整平台台面,然后将剥离的表土铺覆到上面,以便于后期的土地复垦。

当采取剥离的表土达到一定量后,可以实施“边采边覆”,将剥离的草皮分别铺覆于前面结束整地的内排土场。这样,一方面减少了表层土壤的二次搬运,另一方面减少排土场的地面裸露时间,缓解了风蚀沙化,研究区覆土工程量见表2。

表2 研究区覆土工程量统计表Table 2 The covering soil quantities statistics tables in study area

4.3 表土管护

伊敏一号露天矿到2009年全部实现内排,在全部实现内排前,需对二采区、三采区剥离并铺覆于临时堆土场的表土进行管护,防止其出现退化。

部分二采区剥离的表土主要用于内排土场的表土铺覆,由于表土堆放时间较长、土壤结构松散,易受到风蚀及水蚀的侵害,在堆放的表土周边采用纤维土袋垒砌土墙作为临时挡护,其他裸露面采用撒播草籽防护,研究区内排土场最终复垦为灌草混交地,其中草籽选择羊草和披碱草混播,故在裸露面采用羊草和披碱草1∶1撒播。其他位置可实现剥离后直接回铺到前面结束整地的内排土场。

5 结论

内蒙古伊敏一号露天煤矿处于典型的内蒙古草原生态区,土地表层土壤是经过多年熟化而成的珍贵熟土资源。

研究区的表土主要为黑钙土,黑钙土土壤中有机质的积累量大于分解量,土层上部有一黑色或灰黑色肥沃的腐殖质层,肥沃的腐殖质层有效地减少了草原区水土流失及沙漠化的速度,研究区在开采生产过程中,大量地破坏了表土资源,加剧了当地生态环境的破坏。草原区属于生态脆弱区,表土资源是经过多年熟化形成,一旦破坏,将难以恢复,进而对当地以及周边地区造成的灾难性的影响,甚至对老工业基地和东北商品粮基地带来严重的风沙灾难,将大面积影响人类的生存和发展,带来的负面影响是沉重的。

因此,研究区必须要加强土地复垦,在土地复垦过程中,需要极度重视表土资源,本文通过分析研究区的土壤特点,提出切实可行的表土资源管理措施,其中包括对表土的剥离、存放以及改良等措施,保证肥沃的表土资源得以再利用,进一步确保土地复垦中生物恢复措施的成效。

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