我国煤矸石山水分研究进展

2011-04-12裴宗阳胡振华刘瑞龙陈泽银

山西水土保持科技 2011年2期

裴宗阳胡振华刘瑞龙陈泽银

(1山西农业大学林学院 2云南润滇节水技术推广咨询有限公司)

煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的主要固体废弃物[1]。煤矸石的产量约占煤炭开采量的10%-25%,全国每年约新增煤矸石 4亿 t,综合利用约为 6000万 t,其余部分就近混杂堆积储存形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量积存会导致诸多的环境问题和社会问题。目前,我国除了少部分的煤矸石作为煤矿沉陷区裂缝的填充物、煤矸石发电厂燃料以及建筑材料等,大部分未被利用,对生态环境造成了很大影响。为了改善这种状况,在煤矸石山进行植被恢复与生态重建是解决煤矸石破坏生态环境的最好方法。

水分是一切生物生存和发展的第一要素,土壤水分状况是植物生存和稳定的最敏感的限制因子,也是制约植被恢复与生态环境重建的决定性因子[3]。土壤水分主要存在于土粒间的非毛管孔隙和毛管孔隙中,由于煤矸石山缺乏持水力强的毛管孔隙,导致煤矸石山植被恢复中的土壤水分问题较一般的土壤更加严重。煤矸石山土壤水分的有效供应就成了其生态构建的关键因子。

1 国内研究现状

早在 20世纪 80年代,我国的一些矿区就开展过煤矸石山植被恢复的实践。随着实践中遇到的问题日益增多和突出,许多学者就开始了对煤矸石山立地条件的研究。关于煤矸石的土壤水分研究,也得到了初步的进展,研究的重点主要集中在:水分特征、入渗规律、其他立地条件对水分的影响等方面。

1.1 水分特征

土壤水分条件是影响植被成活、生存和生长最关键的立地因子。只有对煤矸石山的水分特征作系统的、深入的研究,才能为煤矸石山的植被恢复提供科学的参考。

早在 1991年,山西农业大学的段永红等[4]就以阳泉矿务局 9号煤矸石山顶部风化壳为研究基地,取该风化壳 0-30 cm的表层风化物为研究对象,经过 8个月矸石风化物剖面水分含量野外实地调查,结果表明,矸石风化物具有一定的保水性能,其水分含量随降水量的多少而增减,矸石风化层 0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm的水分含量随降水量增减的幅度依次减少。同时,对植物生长状况的调查表明,矸石山上生长的植被也随剖面水分的丰缺而荣枯。这也从侧面反映,水分对矸石山的植物生长至关重要。

如果段永红等的研究还仅限于矸石山 30 cm深以内的浅层风化物的水分特征,且水分含量的测定仍采用传统的烘干称重法,那么杜永吉和张成梁等[5]于 2009年采用澳大利亚生产的 DIVINER2000便携式土壤水分测定仪,定位测定自燃煤矸石山深度为 0-100 cm的黄土矸石复合层、黄土层和裸露矸石层水分体积、含水率的季节变化和垂直变化,既是研究区土壤水分测定技术的一次革新,也是对煤矸石水分特征研究的深入。根据水分含量变化规律,将自燃煤矸石山的水分季节变化分为 4个时段:土壤水分消耗期(3-6月)、土壤水分积累期(7-8月)、土壤水分消退期(9-11月)和土壤水分稳定期(12-2月)。对水分含量随季节的动态变化规律的研究,为煤矸石山植被恢复中的需水过程进行人为控制提供了科学依据。通过标准差将自燃煤矸石山土壤水分的垂直变化分为速变层、活跃层和相对稳定层。

张锐等[6](2008年)以阳泉市 280号煤矸石山为研究对象,初步研究了煤矸石山风化堆积物水分的动态特征,结果表明:煤矸石质地较差,砾石和块石平均含量达 86.07%。煤矸石山孔隙组成以非毛管孔隙为主,其剖面 4个深度(0-15 cm、15-30 cm、30-45 cm、45-60 cm)的毛管孔隙度平均值分别为 1.40%、1.36%、1.32%和 1.17%,导致土壤持水量常年维持在较低水平,0-60 cm的平均土壤持水量为 19.7 t/hm2。煤矸石风化堆积物水分季节性变化主要受降水量及其季节分配的影响,随着季节性降水量的增加,矸石风化物水分平均含量也相应升高。煤矸石山的储水量与降水量之间,表现出较好的一元线性正相关关系。在降水量较少或是降水次数多、雨强较大的情况下,裸露煤矸石地的储水量往往大于覆土煤矸石地的储水量。一般情况下,煤矸石山 30-40 cm深处有明显的干层,使得煤矸石山下层在旱季保持有较多的水分。

综合众多对煤矸石山水分状况的研究[7-10],总结出:煤矸石山的水分条件差,且煤矸石的保水、持水能力远远小于植被自然生长的土壤。这对于大多数植物根系来说,很难吸收利用。这就不难说明煤矸石山植被的生长恢复状况普遍不好的原因。

1.2 入渗规律

土壤入渗是自然降水或人工灌溉水分进入土壤的过程,它是重要的土壤水文和土壤物理指标,对土壤的抗侵蚀能力、涵养水分能力、水分运动性质等具有关键的作用。

张光灿等[11](2002年)通过对山西潞安矿务局王庄煤矿的野外实地调查和试验观测,不仅得出了煤矿区矸石山人工植物群落的生长规律—煤矸石山植物群落经过 9 a的自然演替和生长过程,其种类及数量发生了较大变化,而且通过煤矸石山刺槐种群和混交林群落的土壤入渗性能的观测得出:刺槐种群与混交林群落具有明显减少矸石山土壤渗透速率的作用,尤其在土壤初始入渗阶段更加明显;混交林群落对土壤渗透性的改善作用大于刺槐种群;煤矸石山的累计入渗量随入渗时间的变化呈线性增加,即入渗速率为不随入渗时间变化的常数。胡振琪等[12]于 2005年在某煤矸石山选取了 8个有代表性的地段,测试其入渗规律,结果表明:煤矸石各个测点的入渗量随时间的变化规律成线性关系。

总结上述二人的研究结果,得出煤矸石山入渗的一致规律,表达通式为:I=a+bt,I为入渗量,t为入渗时间。说明煤矸石山的入渗速率是一个常数。

而续海龙和魏忠义[13](2009年)在抚顺西露天煤矿复垦矸石山选取榆树林地、荒草地、农田地 3种典型地段,采用双环法分别对 3种典型复垦植被类型进行煤矸石的水分入渗测定,结果表明:林地质地较差,不同植被类型的初始渗透率、稳渗率、平均入渗率均表现为:榆树林地＞荒草地＞农田地;且不同植被类型煤矸石复垦地的入渗规律仍然与土壤物理中常用的 Kostiakov入渗方程(f(t)=kt-α,f(t)为入渗速率,mm/min;t为入渗时间,min;a为入渗指数)存在较好的拟合关系,说明煤矸石的入渗速率随入渗时间成指数递减。

上述说明:关于煤矸石的入渗问题,仍存在不同的研究观点。笔者结合新近的研究认为,煤矸石不同的入渗规律可能与煤矸石的风化程度有关,续海龙等[13]得出煤矸石的入渗规律与农业土壤、林业土壤相类似的结论,可能是这些试验地的煤矸石风化程度较高,与土壤结构相近;而张光灿、胡振琪[11-12]等持有煤矸石的入渗速率是常数的观点,可能是试验选取地的煤矸石风化程度低,结构性极差,非连续的缝隙和空洞多,保水保肥性强的孔隙少所致。

1.3 其他立地条件的影响

煤矸石山立地条件极其复杂,它是多种多样的气候、地貌、地形、土壤、水文、生物、植被等因子的综合。水分作为煤矸石山植被恢复的限制因子之一,由于生态系统中的各个因子之间的相互作用,水分也会受煤矸石山其他立地条件的影响。

郑国强等[14](2008年)采用野外调查试验、取样和室内分析的方法,研究了煤矸石山温度对水分及植被生长的影响。结果表明:煤矸石山温度在垂直方向随着深度的增加有上升趋势,而水分含量在垂直方向因温度升高逐步下降,其水分含量较自燃煤矸石山平均高出 10%-15%。这个研究结果表明,煤矸石山的自燃以及煤矸石的特性导致了煤矸石的温度与黄土不同,温度对煤矸石水分有较大的影响;要改善煤矸石山的水分状况,为植物提供适宜的生长环境,首先必须解决煤矸石山的自燃问题,控制它的温度。

众多的研究均表明,通过植被恢复及生态重建,煤矸石山的立地条件,包括水分状况,都会得到较大改善。续海龙等[13](2009年)发现不同植被恢复类型煤矸石山的水分入渗差异显著。魏忠义等[15](2008年)对王庄煤矿植被恢复后的煤矸石山的调查试验还得出,高覆盖度林地将改善矸石山土壤渗透特性,并提高煤矸石山表层的持水能力。张光灿等[11](2002年)发现煤矸石山植被具有明显改良土壤的作用,植被恢复 9 a以后,煤矸石山的入渗特征有了较大改善;刺槐种群与混交林群落具有明显减少煤矸石山渗透速率,提高煤矸石山的持水和保肥能力的作用;混交林群落对土壤渗透性的改善作用大于刺槐纯林。

2 国外研究现状

国外对煤矸石的利用较早,但直到 20世纪 60年代煤矸石导致的生态环境问题才引起各国的争相研究。截至目前为止,众多研究中最成功的仍是生物造田。由于技术先进、经济发达,国外对煤矸石山生态恢复的工艺比较细致,先筛选含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙按一定比例混合,加入适量的活化添加剂充分搅匀,加入适量水,堆沤活化即成,或在活化后掺入氮、钾和微量元素等制成全养分矸石肥料。煤矸石有机复合肥料增加土壤疏松、透气性,改善土壤结构,提高土壤肥力,达到增产目的。正是因为国外成熟的煤矸石山生物造田技术,已使得煤矸石的理化特性和结构已经与一般的土壤相近,所以国外关于煤矸石山水分的研究比较少。

3 结论

水分作为煤矸石山生态恢复最重要的限制因子,对其进行科学的研究,将大大提高煤矸石山植被恢复与生态重建的成功机率。但是,关于煤矸石山水分的研究仍存在着诸多亟待解决的问题。

(1)煤矸石山的水分特征和入渗规律的研究,仅简单的考虑煤矸石物理性质对它的影响,缺乏研究化学性质(如随着煤矸石风化程度的加深、煤矸石中重金属的含量等)对煤矸石水分的影响。比如本文中关于煤矸石入渗规律的研究,出现两种差异显著的结论,就是未考虑煤矸石风化程度对入渗的影响。

(2)其他立地条件对煤矸石水分的影响研究欠缺。煤矸石山立地条件极其复杂,它综合了气候、地貌、地形、土壤、水文、生物、植被等多种因子。现有的研究多集中在植被对煤矸石水分的影响,而其他立地条件对煤矸石的影响研究比较欠缺。如那些可以在煤矸石山坡面生长的植物是如何影响煤矸石性质的,是否在它们的根系存在着某种微生物,可以生活在贫瘠的煤矸石中,并改良煤矸石山的立地状况;地下的水文条件是否也会对煤矸石的水分产生影响等。

(3)针对煤矸石水分研究的新进展,加快转化技术应用的速度。如往煤矸石中添加新型材料的粘合剂,促进煤矸石的风化,改善结构,提高植被恢复的成活率;采用科学的节水技术,为干旱的煤矸石山进行灌溉等。

[1]郭云争.大力发展煤矸石的综合利用[J].砖瓦,2004(4):39-41.

[2]王栋民,左彦峰,李俏,等.煤矸石的矿物学特征及建材资源化利用[J].砖瓦,2006(6):17-23.

[3]王红梅,谢应忠,陈来祥.黄土高原坡地土壤水分动态特征及影响因素[J].宁夏农学院学报,2004,25(4):62-66.

[4]段永红,庞亨辉,王景华.阳泉煤矸石山矸石风化物剖面水分变化特征初探[J].山西农业大学学报(自然科学版),2001(2):125-127.

[5]杜永吉,张成梁,李美生,等.基于 DIVINER2000的自燃煤矸石山水分特征研究[J].中国水土保持,2009(5):25-28.

[6]张锐,张成梁,李美生,等.煤矸石山风化堆积物水分动态研究[J].水土保持通报,2008,28(1):124-129.

[7]胡振琪.半干旱地区煤矸石山绿化技术研究[J].煤炭学报,1995(2).

[8]胡振琪,杨秀红,鲍艳.论矿区生态环境修复[J].科技导报,2005,23(1):38-41.

[9]刘青柏.半干旱地区煤矿废弃地植被恢复技术的研究[D].沈阳:沈阳农业大学,2001.

[10]王伟,张洪江,张成梁,等.煤矸石山植被恢复影响因子初探[J].水土保持通报,2008,28(2):147-152.

[11]张光灿,刘霞,王燕.煤矿区生态重建过程中风化矸石山植被生长及土壤水文效应[J].水土保持学报,2002,16(5):21-23,99.