煤矸石山生态恢复理论研究和工程实践的进展初探

2011-07-26裴宗阳陈泽银邵学栋胡振华

中国水土保持 2011年8期

裴宗阳，陈泽银，邵学栋，胡振华

(1.山西农业大学研究生院，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;3.山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024)

煤炭作为一次性能源，在我国能源构成比例中占74%左右，对国民经济的发展起着举足轻重的作用，但是煤炭的开采和加工对矿区及其周边的环境造成了严重的破坏。煤矸石即采煤过程和洗煤过程中排出的矸石，作为煤炭开采和加工过程中的必然产物，占原煤产量的10%～30%，我国每年要排放煤矸石1.5亿～2.0亿t［1］。在我国，煤矸石的处理方式主要是露天堆放，据统计我国国有重点煤矿现有矸石山1500多座，堆积量达30亿t，占地约5500 hm2;今后我国每年排放矸石约3亿t，占地面积 300～400 hm2［2］。大量的煤矸石长期露天堆放，不仅侵占大量耕地，矸石山的淋溶水污染地下水源和江河地表水，而且自燃的矸石释放大量有害气体，造成大气污染，破坏生态平衡。虽然近几年煤矸石的综合利用研究有了较大的进展，但是限于我国的国情，煤矸石的利用率还不到30%［3］，煤矸石的综合利用远远不够，因此对煤矸石山的绿化复垦、生态修复就显得尤为重要。

1 我国对煤矸石山的研究现状

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，如黑龙江鹤岗矿区于1985—1987年成功对煤矸石山进行了针叶林造林试验;山东新汶矿务局从1986年开始对煤矸石山进行了4年的阔叶树种造林试验;1987年阳泉矿务局与山西农业大学合作，对阳泉矿区煤矸石山做了覆土培育抗旱耐贫瘠牧草的栽培试验，同时对10种抗旱耐贫瘠的乔灌木树种及观赏植物进行了容器育苗栽植试验等［4］。随着实践中遇到问题的增多，相关方面的研究也相继展开。

1.1 背景理论

1.1.1 恢复生态学

恢复生态学是进行煤矸石山生态恢复治理研究应用最多的基础理论。杨主泉等［5］针对煤矸石山极其恶劣的立地条件难以适应植物生长的问题，提出以恢复生态学的主要理论为依托，对植物生长限制因子进行系统研究，建立立地条件评价指标体系，为生态恢复中的新方法、新技术应用效果评价提供理论依据。张成梁［6］以环境生态学为理论基础，通过研究煤矸石山的自燃、水分和理化特性，分析研究了自燃煤矸石山植被构建的制约因素，提出了自燃煤矸石山生境构建的关键技术;在研究植物对煤矸石山环境胁迫下的抗性特点的基础上，提出了煤矸石山植被构建的基本理论和技术方法。

1.1.2 土地复垦学

土地复垦学提倡的是将煤矸石山作为工矿废弃地，运用土地复垦的相关理论对矸石山进行科学的整治、复垦利用。

李鹏波等［7］以土地复垦学为依托，在分析了煤矸石山植被恢复的研究现状和存在困难的基础上，提出了由立地条件分析与评价、矸石山基质改良技术、树种选择和规划、抗旱造林栽植技术、植被抚育管理技术和植被恢复的监测与评价等组成的矸石山的植被恢复“六阶段”技术模式(如图1)，加深了煤矸石山植被恢复的理论研究，为矸石山的植被恢复提供了系统的技术支持。

图1 煤矸石山植被恢复“六阶段“技术模式

1.1.3 景观生态学

煤矸石废弃地的范畴逐步扩大，已不仅限于煤矸石山，如何利用生态的、可持续性的理论和方法来进行煤矸石废弃地的景观重建已成为当下急需解决的问题。强调景观整体性和异质性的景观三要素——斑块、廊道和本底，作为描述和分析景观结构和功能性特征的理论基础也被引入煤矸石废弃地的景观生态设计规划。

李东升［8］针对当前矸石废弃地植被恢复、生态景观重建过程中存在的一些问题，以义马矿区整个区域为研究对象，提出把握场地禀赋、综合生态设计模式的设计策略，将矿工生活、奋斗的工作场景保留下来，景观整合历史遗迹，建成“人—煤矿—植物”和谐对话的主题公园，并最终将义马矿区建成“以一心、两轴为主的景观结构，以追忆采煤文化、回归自然生态和重现田园风光为三卷的景观布局，以义马生态公园、鸿庆公园、银杏公园和滨河公园等城市绿地形成连续的斑块群的景点设计”的景观生态。

1.2 立地条件

矸石山作为一种特殊的立地条件，与植物生长的一般土壤条件不同，存在着限制植物生长的诸多因素。隋淑梅等［9］通过对阜新地区矸石山的研究分析，发现矸石山植被恢复的限制性条件主要是矸石中的有害成分、较差的物理结构、养分的贫乏。王伟等［10］对山西省阳泉市280煤矸石山小气候特征、地形条件、煤矸石理化性质、水分和生物特点进行了调查分析，并且指出地表温度、侵蚀状况、酸性和含水量是影响煤矸石山植物生长的重要因子。

目前，研究煤矸石山立地条件中限制植物生长的因素主要集中在重金属(包括重金属的淋溶规律和重金属对植物、周边土壤、水体的影响)和水分条件(煤矸石水分入渗规律)等方面。

1.2.1 重金属

对煤矸石中重金属的研究，多是通过淋溶模拟试验来进行的。

肖利萍等［11］对新邱露天矿不同风化程度的煤矸石在不同固液比条件下溶解释放污染物的规律进行了浸泡试验研究，结果表明:煤矸石风化程度越高，溶解释放的无机盐类污染物的量越多;固液比对煤矸石中污染物的溶解释放有重要影响。

张明亮等［12］以山东某矿区为例，通过淋溶模拟试验，研究了煤矸石中重金属的淋溶规律，并探讨了煤矸石山周边土壤重金属污染特征。结果表明:风化矸石淋滤液中的Zn、Pb、Cr和Cu浓度较高，并很快稳定;新鲜矸石在淋溶初期检出Zn，其他重金属元素没有检出;风化矸石淋滤液中重金属的含量要高于未风化矸石。矸石山周边表层土壤中的Zn、Pb、Cr和Cu浓度较高，且浓度高出矸石淋溶液许多倍，表层土壤重金属含量随着距煤矸石堆的距离增加而呈明显的下降趋势。

1.2.2 水分

煤矸石山坡面较陡不利于保水、矸石的组成特征、水分入渗过快和经常自燃导致地温过高等因素，使得水分成为限制矸石山植物生长的重要因素之一。

段永红等［13］经过8个月矸石风化物剖面水分含量与植物生长状况的野外实地调查与降雨年变化的比较研究发现:矸石风化物具有一定的保水性能，矸石风化物中的水分含量随降雨量的多少而增减，矸石风化层0—10、10—20、20—30 cm的水分含量随降雨量增减的幅度依次减少。矸石山上生长的植被也随剖面水分的丰缺而荣枯。水分对矸石山的植物生长至关重要。

张光灿等［14］通过对煤矸石山刺槐种群和混交林群落土壤入渗性能的观测，发现:植物群落具有明显减小煤矸石山渗透速率，提高煤矸石山保水和持水能力的作用;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。

胡振华等［15］采用室内模拟径流冲刷试验，对煤矸石堆置体水土流失规律进行了研究，发现集中径流对煤矸石堆置体具有很强的冲刷作用，会造成严重的侵蚀，总侵蚀量的大小与设计流量呈线性关系，与坡面坡度呈幂函数关系。

张锐等［16］以山西省阳泉市280煤矸石山为研究对象，通过对煤矸石的物理性质、水分入渗特性和水分含量的分析，发现Kostiakov入渗模型能较好地反映研究地区煤矸石风化物的入渗过程，且在入渗过程中煤矸石风化物一直保持着较高的渗透速率。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。

郑国强等［17］采用野外调查试验、取样和室内分析的方法，研究煤矸石山温度对水分及植被生长的影响，发现覆土煤矸石山水分含量在垂直方向因温度升高逐步下降，其水分含量较自然恢复煤矸石山平均高出10%～15%。

续海龙等［18］以抚顺西露天煤矿复垦矸石山为研究对象，对矸石山的水分物理特性进行分析测定后发现: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＞荒地＞农用地;不同植被类型的容重大小为农用地＞荒草地＞榆树林地，导致了复垦矸石山不同植被类型水分入渗的差异。

1.2.3 其他的立地条件

矸石山植被恢复的限制性条件除了上述重金属对植物的毒害作用和水分缺乏外，还有其他一些困难的立地条件限制植物生长。

如冯启言等［19］以兖州煤田山西组和太原组煤矸石为对象，研究了 As、Cr、Hg、Cd、Pb、Cu、Zn 共 7 种微量有害元素在矸石及其周围土壤中的分布规律，其含量多数高于地壳克拉克值和土壤背景值，土壤中的含量离矸石越远越小，因此矸石灰尘和溶出液可污染土壤和水体。

许丽等［20］采用野外调查与统计分析相结合的方法，对阜新市孙家湾矸石山不同坡向的风速变化进行研究的结果表明:在整个生长季中，对于排矸年限相同的样地，阳坡的风速均大于阴坡，阳坡样地的风速减弱系数平均低于阴坡样地13.67%;各月风速由大到小的次序为5月＞6月＞7月＞9月＞8月;生长季盛行西南风和南风。

张成梁［6］在自燃煤矸石山生境及植被构建技术研究中，首先对阳泉煤矸石山自燃及其引发的爆炸等灾害的原因、理化特征、水分动态和高温特性等进行了研究，为分析研究自燃煤矸石山植被构建的制约因素及探讨解决途径奠定了理论和实践技术基础。

2 工程实践中的技术利用

就煤矸石山的生态恢复工程实践而言，首先必须探讨的是矸石山适宜植物种的筛选。不论是理论研究，还是工程实践，我国学者都已做了大量相关的工作。如常用于矿区水土保持林营造的油松、侧柏、刺槐等乔木和紫穗槐、柠条、荆条等灌木，这些树种都已在实践中得到很好的应用和证明。

在国家技术标准——《土地复垦技术标准(试行)》之外，我国工程技术人员在实践中不断推新，创造发明了煤矸石山生态修复的诸多可行的技术和专利等。

如面对矸石山坡面水土流失严重、不利于植被恢复的问题，湖南省双胜生态环保有限公司成功研制了CS高次团粒混合纤维法植被恢复技术(简称CS植被恢复技术)［21］，该技术使用富含有机质和黏土的腐殖质土等客土材料，加入团粒剂、纯天然黏土剂、多种灌木植物的种子等材料在喷播瞬间与空气发生作用，诱发团粒反应，形成与自然界表土具有相同结构的高次团粒人造绿化基盘。沈守云等［22］运用CS高次团粒混合纤维法植被恢复技术对金竹山煤矸石矿区进行植被恢复，25个月后发现喷播刺槐等10种植物的土壤中矿质营养元素含量明显升高。

面对煤矸石山自燃所导致的高温、干旱等无法适应植物生长的苛刻立地条件，林森等［23］从废物利用、污染物减量化的角度考虑，提出用粉煤灰和煤矸石风化物作为制浆材料。张成梁［6］针对地处黄土高原的阳泉具有丰富的黄土的特点，将黄土作为制浆的主要原料，可以大大降低灭火成本，并通过试验测定得出以10%黄土加5%石灰配制浆液为好的结论。同时，针对传统的注浆方法无法大规模灌浆灭火，注水掺入空气易发生爆炸的弊病，张成梁研制出了一种注水管械，申请了“自燃煤矸石山隔氧灭火注浆管”实用新型专利(专利号:ZL 200620024643.0)。与传统的矸石覆土技术相比，张成梁还提出复层结构覆土，即在30 cm黄土压实层上面覆盖20 cm原状土壤，可以兼顾灭火和种植的要求。

为解决煤矸石中硫含量高毒害植物、污染土壤和地下水的问题，毕银丽等［24］提出利用微生物去除矸石中的硫，形成的酸性废水用碱性粉煤灰中和，同时结合菌根真菌和其他微生物来进行生态恢复。

3 结语

在探讨了我国煤矸石山生态恢复方面的研究进展和工程实践中的技术利用之后，发现我国在煤矸石山生态恢复研究方面仍然存在着很大的欠缺，有待进一步研究。

(1)煤矸石山植被恢复体系的构建。传统意义上的煤矸石山植被恢复，仅仅局限于矸石山覆土后，选择并栽植个别耐旱、耐贫瘠的植物种，尚未形成系统的体系。构建系统的植被恢复体系，不仅可以提高植被的存活率，而且更重要的是能够尽快实现煤矸石山的生态恢复，发挥它的生态功能。生态恢复体系的构建既要结合煤矸石山的立地条件中的各个因子，包括主要的限制因子，也要符合生态系统的规律，构建出的生态恢复体系如图2。

(2)立地条件的系统研究。由于煤矸石山复杂的立地条件，与植被生长一般意义上的土壤条件差异显著，在实际中若考虑不全面，则进行的植被恢复就有可能失败。只有对矸石山的立地条件作出全面的、科学的、系统的研究，才能避免植被恢复失败的发生。除了上述的重金属状况(包括重金属的种类、含量、分布、淋溶规律以及对植物的影响等)、水分条件(包括水分的变化、入渗规律等)以及其他一些立地条件外，需要作进一步研究的煤矸石山立地条件仍有很多，如现有的煤矸石山堆放时间长短不一，因此亟待研究煤矸石的风化程度对植物生长的影响;矸石中的各种养分(包括各种速效养分)含量显著大于黄土，即矸石中潜在养分巨大，如何将这一部分转化成可被植被吸收利用的养分，相对于矸石山养分贫瘠的现状，具有重要的现实意义;矸石山坡面一般较陡，与黄土坡面土壤侵蚀方面的大量研究相比，矸石山坡面侵蚀的研究还未深入开展等。

图2 煤矸石山生态恢复体系

(3)煤矸石山植被恢复的演替规律。现有的煤矸石山生态恢复研究，多集中在短期的、能明显得出结论的植被与矸石山的相互作用，如某种植物是否适应矸石山的苛刻立地条件，但是缺乏长期的观测和试验，未就煤矸石山的植被恢复动态变化(即演替规律)作出研究。

(4)煤矸石山植被恢复的生态评价体系。煤矸石山的生态恢复是一项重大的、长期的任务，并非一次前期投入就能取得效果。煤矸石山的生态恢复往往被简单地理解成覆土栽树，由此导致许多煤矸石山投入大量的人力、财力进行的植被恢复，或由于煤矸石山的自燃导致功亏一篑，或由于一场暴雨将坡面的覆土冲刷，使植物失去赖以生长的土壤而死亡。因此，急需建立一套科学、合理的矸石山植被恢复的生态评价体系。

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