不同覆盖方式对自燃煤矸石山坡面土壤水分动态的影响

宋 楠，张成梁，张洪江，张静雯，耿胜慧，张 焜

（1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.轻工业环境保护研究所，北京 100089）

煤矸石是煤矿生产过程中的必然产物，是矿区的主要污染源之一，它既占地又污染环境[1]。煤矸石的产量约占煤炭开采量的10%～25%，全国每年新增矸石约4 亿t，综合利用约为6 000 万t，其余部分就近混杂堆积储存，形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量积存及其自燃会导致多种环境问题和社会问题，煤矸石山的植被恢复和重建与矿区、矿业城市的环境和可持续发展关系密切。

植物的生长离不开水分，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]。煤矸石山的物理结构极差，尤其是保水持水能力差，故对煤矸石山的整形整地关系到植被恢复工作的成败。过去，对煤矸石山的复垦主要采用直接覆土的方式，即煤矸石填充后根据用地需求采取不同厚度的覆土[4-5]，但这种复垦模式投资大、复垦绿化效果不理想、在土源缺乏的地方无法进行，且在异地取土的过程中有可能对生态环境造成更大范围的破坏[6-8]，因此有必要寻求更理想的覆盖模式。

本研究采用TDR 土壤水分测定仪，对山西省阳泉煤业集团三矿280 自燃煤矸石山中不同覆盖方式的煤矸石样地进行定位观测，以期掌握各覆盖方式对煤矸石山水分及植物生长的影响，为自燃煤矸石山的植被恢复和生态重建提供理论和技术依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省阳泉市阳泉矿区,地理坐标为东经112°54′～114°04′,北纬37°40′～38°31′。矿区沟谷纵横，为低山丘陵区，地势西北高，东南低，海拔660～1 373 m 。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明。夏季日照时间长，辐射强度大，气温较高，降水比较集中，降水量占年降水量的70%左右；冬季冷空气活动频繁，气候寒冷干燥，多晴天，降水稀少。年降水量北部多于南部，多年平均降水量为564.2 mm[9]。

阳泉矿区三矿280 煤矸石山排矸结束20 余年,已整平并覆盖黄土。其地形复杂多样，风化层厚度不一，成土母质多为炭质页岩，少数为煤质泥岩和砂岩，主要以砾石和块石为主，总孔隙度25.29%～32.21%，非毛管孔隙度24.14%～30.8%，土壤持水能力17.6～21.0 t/hm2，煤矸石风化物的初渗速率、稳渗速率分别为8.00 和1.87mm/min。山体自燃并未结束，平均地温61℃，最高可达192℃[10]。主要植物种为升马唐（Digitaria ciliaris）、马齿苋（Portulaca oleracea）、蒺藜（Tribulus terrestris）、臭蒿（Artemisia annus）、荆条（Vitex negundo） 和狗尾草（Setaria viridis）等，人工引种植物主要为紫穗槐（Amorpha fruticosa）、高羊茅（Festuca arundinacea）、百脉根（Lotus corniculatus）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等[11]。

2 研究内容与方法

2.1 煤矸石样地布设

在280 煤矸石山阳坡的上部，用煤矸石铺设12 块3 m×5 m 的混合覆盖实验样地，每块样地采用不同的覆盖间距和覆盖率，设置一块纯黄土覆盖的对照样地，并在实验样地上播撒植物种子。样地的具体铺设情况见表1。

2.2 煤矸石样地的水分测定

采用TDR 便携式土壤水分测定仪对煤矸石样地进行水分监测。监测时间为2009年9月～2010年9月，测量深度为10 cm。每次测量时，每块样地重复3 次，并对纯覆土的矸石山坡面进行水分测定，作为对照。

表1 煤矸石样地具体铺设情况

2.3 样地植被的调查

在播撒种子1 a 后，采取数码照相法对样地植被的盖度进行估算[12]。用数码相机对样地进行垂直拍摄，并用arcgis 和erdas 软件对照片进行分析，得出各块样地的植被盖度。

3 结果与分析

3.1 煤矸石山土壤水分季节变化

3.1.1 煤矸石样地土壤水分季节变化 土壤水分季节变化主要是指在一年内的不同季节土壤水分随时间变化的趋势，是土壤水分增势规律的直观反映。煤矸石山不同坡面覆盖模式下土壤水分季节变化如图1 所示。

图1 煤矸石山不同坡面覆盖模式下土壤水分季节变化

不同覆盖方式煤矸石样地的水分含量呈相似的季节动态变化规律，与降水季节变化规律相一致，主要受降水量季节分配的影响。从9月到12月，煤矸石样地的土壤水分逐渐减少，主要原因是降水量逐渐减少，而植物的蒸腾作用和土壤的蒸发作用较强烈。到12月份，含水量达到最低点。从12月到次年3月，煤矸石样地土壤含水量急剧增加，主要原因是冰雪融水的补给。从3月份到6月，煤矸石样地的土壤含水量缓慢降低，主要原因是随着温度的上升，植物的生长速度加快，吸收了大量的水分，虽然降水量有所增加，但是土壤水分的消耗大于供给[11]。6月到9月，矸石样地的土壤含水量逐渐达到峰值，因为此时正值当地的雨季，土壤水分得到充分的补充和续存，虽然土壤蒸发较强，且植物的耗水也加大，但土壤水分的供给大于消耗。

虽然不同煤矸石样地土壤水分动态变化规律相一致，但由于煤矸石铺盖方式的不同，不同煤矸石样地在同一时期内土壤水分状况表现出明显的差异，1、2、3、4 样地的土壤含水率低于5、6、7、8、9、10、11 样地的含水率。这是由于表层矸石风化失水后，一般形成5～10 cm 的干层，由于其颗粒较粗，与下层的毛细管联系较弱，下层的大部分水分须通过扩散作用方可被蒸发，故表层失水后反而对下层水分的保存有利，致使下层在旱季可能含有较多的水分，这个干层具有一定的保水性能[6]。由于1、2、3、4样地的煤矸石铺设间距远大于5、6、7、8、9、10、11样地，形成的干层不如后者完整，还有黄土的裸露，保水性能不好，故其土壤含水率也不如后者。

3.1.2 混合覆盖和传统黄土覆盖下煤矸石山水分季节变化 采用矸石和土壤相混合的覆盖模式，既能减轻对土源的需求，又能很好地改良矸石山的水分状况。混合覆盖样地和纯黄土覆盖样地水分季节变化如图2 所示。

图2 混合覆盖样地和纯黄土覆盖样地水分季节变化

由图2 可以看出，由于煤矸石风化层良好的保水性能，故煤矸石和黄土混合覆盖样地的土壤水分状况明显优于纯黄土覆盖的样地。这种优势在3、4、5、6月更为明显，其原因是在旱季，土壤水分供给不足，随着温度的升高，土壤蒸发逐渐增强，煤矸石风化层的保水作用更加突出；虽然7、8、9月土壤蒸发很强，但由于充足的大气降水，使得土壤水分有充足的供给，煤矸石风化层的保水作用不明显；10、11、12、1、2月份大气降水急剧减少，且温度很低，土壤蒸发很弱，煤矸石风化层的保水作用同样不明显。

3.2 煤矸石山植被恢复调查

植被的覆盖度能很好地反映植被的生长状况。通过对12 块样地植被覆盖度的调查，来反映其植被恢复状况。12 块样地的植被覆盖度如表2 所示。

表2 12 块样地的植被覆盖度

1、2、3、4、6、9、10、11、12 号样地，植被覆盖度低；5、7、8 号样地，植被覆盖度高，生长良好。相对5、7、8 号样地，1、2、3、4 号样地的植被生长状况不好，其原因是矸石的覆盖率低，表层的矸石风化层不完整，保水性能差，不能为植被的生长提供充足的水分。相对5、7、8 号样地，6、9、10、11、12 号样地的植被生长状况也不好，其原因是虽然这些样地的矸石覆盖率高，能够形成完整的矸石风化层，具有良好的保水性能，但其含土量过低，大面积的深色矸石易吸热升温（可高达39℃以上），灼伤幼苗，从而降低了植被产量。

4 结 论

不同覆盖方式煤矸石样地的水分含量呈现相似的季节动态变化规律，与降水季节变化规律相一致，说明其主要受降水量季节分配的影响。在同一时期内，随着矸石覆盖率的增加，煤矸石样地的土壤含水量也随之增加，且矸石与黄土混合覆盖的煤矸石样地的表层土壤水分状况明显好于纯黄土覆盖的煤矸石山。

矸石覆盖间隔在0.3～1 m，覆盖率在10%～30%的煤矸石覆盖模式，土壤保水性能不好，植被成活率低；矸石覆盖间隔在0～0.1 m，覆盖率在45%～100%的煤矸石覆盖模式，土壤表层温度过高，种子出苗率低；矸石覆盖间隔在0.15～0.25 m，覆盖率在35%～45%的煤矸石覆盖模式，既能为植物的生长提供充足的水分，又能保证良好的出苗率，植被恢复状况最优。

在煤矸石与黄土混合覆盖模式下，样地植物生长良好，且工程投资小，对土源依赖度低。由此可见，煤矸石与黄土混合覆盖模式是一项廉价、高效、保水、保苗的矸石山复垦新技术。

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