我国煤矸石山的水分研究进展

2011-04-13裴宗阳胡振华刘瑞龙陈泽银

山西农业科学 2011年7期

裴宗阳，胡振华，刘瑞龙，陈泽银

（1.山西农业大学林学院，山西太谷 030801；2.云南润滇节水技术推广咨询有限公司，云南昆明 650033）

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]，其产量占煤炭开采量的10%～25%，全国每年新增煤矸石约4亿t，但综合利用约为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和社会问题。目前，在我国，虽然部分煤矸石可作为煤矿沉陷裂缝的填充物、煤矸石发电燃料以及建筑材料再利用，但大量的煤矸石仍以堆积成矸石山的形式存在。因此，煤矸石山的植被恢复与生态重建是解决煤矸石山生态环境问题的最佳途径。

煤矸石山制约植被生长恢复的立地因子很多，研究主要集中在煤矸石中的重金属[3]、pH值和全盐含量[4]等方面，对于煤矸石水分方面的研究较少。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[5]。而土壤水分主要存在于土粒表面或土粒间的毛管孔隙中，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，我国一些矿区就已开展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，我国的许多学者开始对煤矸石山立地条件进行研究。关于煤矸石的水分研究，也有初步进展，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。

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、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，段永红等[6]就以山西阳泉9号煤矸石山顶部风化壳为研究地，取该风化壳0～30cm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，其水分含量随降雨量的多少而增减，且矸石风化层0～10，10～20，20～30cm的水分含量随降雨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枯荣，从侧面反映出水分对矸石山的植物生长至关重要。

杜永吉等[7]采用澳大利亚生产的DIVINER 2000便携式土壤水分测定仪，定位测定了自燃煤矸石山深度为0～100cm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，对煤矸石水分特征作了进一步研究。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进行研究，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[8]以山西省阳泉市280煤矸石山为对象，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 0～15，15～30，30～45，45～60cm这4个深度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，0～60cm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会相应升高。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。在降雨量较少，或降雨次数多或雨强较大的情况下，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30～40cm深处有明显的干层，使煤矸石山下层在旱季保持有较多的水分。

对煤矸石山水分状况的研究表明[9-12]，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，对于大多数植物根系来说，很难吸收利用。

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、涵养水源能力、水分运动性质等具有关键的作用。

张光灿等[13]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，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，而且通过对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，即入渗速率为常数。胡振琪等[14]在某煤矸石山选取了8个有代表性的地段，测试了煤矸石的入渗规律，结果表明，煤矸石各个被测点的入渗量随时间的变化呈线性关系。煤矸石山入渗规律用通式表达为：I=a＋bt，其中，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。

续海龙等[15]在抚顺西露天煤矿复垦矸石山，采用双环法对榆树林地、荒草地、农田地3种典型地段下的煤矸石，进行水分入渗测定，结果表明，林地质地较差，初始渗透率、稳渗率、平均入渗率均表现为榆树林地＞荒地＞农用地；且不同植被类型煤矸石复垦地的入渗规律模型，可较好地拟合土壤物理中常用的Kostiakov入渗方程为f（t）＝kt-a（式中，f（t）为入渗速率，单位为mm/min；t为入渗时间，单位为min；a为入渗指数），进而说明煤矸石的入渗速率随入渗时间呈指数递减。

关于煤矸石的入渗问题，仍存在不同的观点。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[15]得出，煤矸石的入渗规律与农业土壤、林业土壤存在类似的结论，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；张光灿等[13-14]认为，煤矸石的入渗速率是常数，可能是由于试验选取地的煤矸石风化程度较低，结构性差，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，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。由于生态系统中的各个因子之间的相互作用，水分作为煤矸石山植被恢复的限制因子之一，也会受到煤矸石山其他立地条件的影响。

郑国强等[16]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：煤矸石山的温度在垂直方向上随着深度的增加有上升趋势，而水分含量在垂直方向上因温度升高逐步下降，其水分含量较自燃恢复煤矸石山平均高出10%～15%，表明煤矸石山的自燃及其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高的影响；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，控制好温度。

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、水分状况都会得到较大的改善。续海龙等[15]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[17]对王庄煤矿植被恢复后的煤矸石山的调查试验得出，高覆盖度林地能改善矸石山土壤渗透特性，并能提高煤矸石山表层的持水能力。张光灿等[13]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降低煤矸石山渗透速率、提高煤矸石山的持水和保肥能力的作用，且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重视。截至目前，众多研究中最成功的是生物造田。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[18]，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可使土壤疏松，增加透气性，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，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

水分为煤矸石山生态恢复最重要的限制因子，对其作出科学的研究，将会大大提高煤矸石山植被恢复与生态重建的成功性。但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，仅简单地考虑煤矸石物理性质对它的影响，缺乏研究化学性质对煤矸石水分的影响。例如随着风化程度的不同，煤矸石中的水分含量是否也会发生变化（本文中关于煤矸石入渗规律的研究，出现2种差异显著的结论，可能就是未考虑煤矸石风化程度对入渗产生的影响）以及煤矸石中不同重金属的含量是否也会对煤矸石水分变化产生影响等。

（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，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，在它们的根系中是否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）煤矸石水分研究转化成经济有效的实用技术较慢。应结合煤矸石水分研究的最新进展，加快其转化技术应用的速度。如根据煤矸石风化程度对水分影响的研究，往煤矸石中添加新型材料的黏合剂，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。这些实用技术的应用，将会极大地改善煤矸石山的生态环境，为煤矸石的科学治理提供必要的技术支撑。

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