煤矸石山坡面不同覆盖的水土保持效益分析

2013-12-16张成梁张洪江耿胜慧张静雯

水土保持通报 2013年1期

宋楠，张成梁，张洪江，耿胜慧，张静雯，王贤

（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）

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，其中矿区水土流失又是最严重的一种类型［1］。煤矸石是煤矿生产过程中所形成的必然产物，是矿区的主要污染源之一，它既占地又污染环境。煤矸石的产量约占煤炭开采量的10%～25%，全国每年约新增矸石4．00×108t，综合利用约为6．00×107t，其余部分就近混杂堆积储存形成煤矸石山［2］。自然堆放的煤矸石山，表层形成的风化物不断受到风吹雨淋的作用，细小颗粒几乎全部流失。没有细小的风化物，植物就难以定居；没有植被，风化物就容易遭受风蚀和水蚀，这样的恶性循环使得煤矸石山的植被长期不能自然恢复，水土流失严重［3］。传统对煤矸石山治理主要采用直接覆土的方式，即煤矸石填充后根据用地的需求采取不同厚度的覆土，但是直接覆土这种治理模式投资大，尤其在土源缺乏的地方无法进行，且异地取土有可能造成更大范围的水土流失，故直接覆土的模式水土保持效益并不理想［4］。目前煤矿区环境整治与生态恢复日益受到重视，矿区水土保持逐渐成为热点研究领域，尤其是煤矸石山治理模式的研究，但迄今为止的所有研究多是针对裸露矸石山或纯黄土覆盖的治理模式。

本文通过在山西省阳泉煤业集团三矿280自燃煤矸石山铺设不同覆盖方式煤矸石样地，研究不同的煤矸石覆盖对煤矸石山坡面水土保持及植物生长的影响，为寻求更理想的煤矸石山治理模式提供理论支持。

1 材料与方法

1．1 试验区概况

试验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 373m。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，多年平均降水量为564．2mm，降水比较集中，6—9月降水量约占年降水量的70%；冬季冷空气活动频繁，气候寒冷干燥，多晴天，降水稀少。多年平均气温为11．3℃，全年以西，北偏西风为主，年均风速2m／s。280煤矸石山由三矿开采时产生的煤矸石堆积而成，为小型煤矸石山，排矸结束20a余，整平并覆盖黄土。2005年6月开始采用自然恢复和人工引种相结合的方法进行植被恢复，引进的植物主要有臭蒿（Artemisiaannua）、荆条（Vitexxnegundo）和狗尾草（Setariaviridis）、紫穗槐（Amorphafruticosa）、高羊茅（Festucaarundinacea）、百脉根（Lotus corniculatus）和刺槐（Robiniapseudoacacia）、山皂角（Gleditsiamicrophylla）等抗逆性较强的植物［5］。

1．2 试验设计

在280煤矸石山阳坡的上部，铺设11块3m×5m混合覆盖的试验样地，其水平投影面积为15m2，坡度均为33°，试验样地铺设方式见图1。每块样地采用不同的覆盖间距和覆盖率，并在其上均匀播撒植物种子，同时设置纯黄土覆盖和裸露矸石山2块对照样地，各样地具体铺设情况见表1。每块试验样地同时设有2块同种覆盖的对照样地。

在试验样地铺设1a后，采用侵蚀沟测量法测算每块样地的沟蚀量，并用测针法测定1a的面蚀量。采用TDR便携式土壤水分测定仪对试验样地进行水分监测，监测时间为2009年9月—2010年9月，测量深度为20cm。在播撒种子1a后用数码照相法对样地植被盖度进行测定，即用数码相机对样地进行垂直拍摄，并用 ArcGIS 10．0和 Erdas 9．2软件对照片进行分析，得出各块样地的植被盖度［6］。

表1 煤矸石样地具体铺设情况

2 结果与讨论

2．1 保水效益分析

对13种样地土壤浅层含水率全年的监测数据进行分析，结果见图2和表2。

图2 不同样地土壤表层水分季节变化

表2 不同样地土壤表层年平均含水率

从土壤水分的季节变化可以看出，按不同方式覆盖的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一致，主要受降水量和季节分配的影响。9—12月，样地土壤水分含量逐渐降低，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加强，到12月，水分含量达到最低点；从12月份到翌年3月，样地土壤水分含量急剧增加，主要原因是冰雪融水的补给；3—6月，样地土壤水分含量缓慢降低，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；6—9月，样地土壤水分含量逐渐达到峰值，此时正值当地的雨季，土壤水分得到充分的补充，虽然土壤蒸发较强，而且植物的耗水也加大，但土壤水分的供给大于消耗。不同样地的土壤水分含量变化趋势基本上一致，土壤水分的总体变化为高—低—高。

虽然不同煤矸石样地土壤水分动态变化的规律一致，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，1，2，3，4，12号样地的土壤含水率明显低于5，6，7，8，9，10，11，13号样地的含水率。这是由于表层矸石风化失水后，一般形成5～10cm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，致使下层尤其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［7］。由于1，2，3，4号样地的煤矸石铺设间距远大于5，6，7，8，9，10，11号样地，形成的干层不如后者完整，还有黄土的裸露，保水性能不好，因此其土壤含水率也不如后者。

可见，随着煤矸石覆盖率的增加土壤浅层含水率也在不断增加，矸石的覆盖能够减少蒸发，大大提高蓄水效益。

2．2 保土效益分析

对13种样地的侵蚀量采用下面公式进行计算，其结果如表3所示：

分析表3可知，1—11号样地的单位面积侵蚀量明显低于12，13号样地，相对于裸露和纯黄土覆盖的矸石山，采用混合覆盖的矸石山的保土效益显著提高。采用不同措施的煤矸石山的保土效益的总体趋势为：混合覆盖的矸石山保土效益＞纯黄土覆盖的矸石山保土效益＞裸露矸石山保土效益。在1—11号样地中，随着煤矸石覆盖率的增加，样地单位面积的侵蚀量先减后增，5，7，8号样地的保土效益最好。

表3 不同样地的侵蚀模数

可见，采用煤矸石和黄土的混合覆盖的煤矸石山具有良好的保土效益，并且煤矸石覆盖率在35%～45%时，保土效益达到最优。

2．3 植被盖度分析

植被的覆盖度能很好地反映植被的生长状况。通过对13种样地植被盖度的调查，来反映其植被恢复状况。13种样地的植被盖度如表4所示。

表4 不同样地的植被盖度

分析表4可知，1—11号样地的植被盖度明显高于12，13号样地，相对于裸露和纯黄土覆盖的矸石山，采用混合覆盖的矸石山有利于植被的恢复。在1—11号样地中，5，7，8号植被覆盖度最高，植被生长良好。1，2，3，4号样地相对5，7，8号样地植被生长状况不好，这是由于矸石的覆盖率低，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。6，9，10，11号样地相对5，7，8号样地植被生长状况也不好，这是由于6，9，10，11号样地虽然矸石覆盖率高，能够形成完整的矸石风化层，具有良好的保水性能，但是由于6，9，10，11号样地含土量过低，大面积的深色矸石易吸热升温（可高达39℃以上）灼伤幼苗［7］，难保证出苗率。

可见，煤矸石和黄土的混合覆盖的煤矸石山有利于植被的生长，并且煤矸石覆盖率在35%～45%时，植被生长最好。