内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式

2014-12-21陈玉碧黄锦楼徐华清陈文虾程冠全马慧君

生态学报 2014年1期

陈玉碧，黄锦楼，* ，徐华清，2，赵波，陈文虾，程冠全，马慧君

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085;2.西南大学资源环境学院，重庆 400716)

随着我国经济的快速发展，对能源的需求日益增长，煤炭作为主要能源开采量越来越大，开采带来的人为干预和扰动强度大，造成生态系统的严重破坏。存在问题主要是煤炭开发占用和破坏土地、地形地貌及景观破坏，其次是矿业活动引发的地面塌(沉)陷、崩塌、滑坡等地质灾害，固体废弃物对环境的影响以及矿业开发对地下水系统的影响与破坏等问题。针对这些问题，国家、地方投入大量的人力财力，如神华集团马家塔露天煤矿投入资金2650万元，复垦土地 124.87 hm2，也初见成效［1］。而目前矿山生态修复工作还停留在完成复垦任务和单一技术的研究，并未形成一个“以集成统筹技术，以技术指导修复，以修复实现复垦，以复垦创造产业，以产业发展经济，以经济回馈修复”的生态修复与产业模式耦合系统。

1 研究区域概况及研究现状

内蒙古煤炭资源极其丰富，已查明和预测含煤盆地180余个，面积约1118万km2。该地区属于半干早大陆性气候，常年干早少雨，平均降水量为400mm左右，年蒸发量是年降雨量的5—6倍，水资源严重缺乏，生态环境十分脆弱，春秋冬三季的风蚀和夏季水蚀严重，导致植被覆盖率低。一方面是矿区资源日益枯竭，产业链条难以维继;另一方面是矿区生态环境日益恶化，地表塌陷、水土流失和土地沙漠化、固体废弃物压占污染土地等，人民生活环境受到严重威胁。

针对以上问题，不少专家学者从生态修复和环境治理方法进行了探索与试验研究。张成梁［2］提出师法自然生态修复法，模拟自然，修复之后无受损痕迹;肖武和胡振琪［3］等人在分析采前地面地形特征的基础上，结合煤矿开采计划，对地表动态沉陷过程进行了模拟，分析煤炭开采影响下地面土地利用变化的动态过程，以确定复垦时机，实现边采边复;肖雪毅和陈保冬［4］试验证明丛枝菌根真菌对矿山重建具有物种多样性的植被具有潜在作用，毕银丽等人［5］通过接种菌根真菌和根瘤菌等微生物，对煤矸石和粉煤灰进行生物改良，表明植物根系对基质理化性状有一定的改良与培肥作用;曹世雄等人［6］提出穴衬膜栽植技术防渗漏抗旱造林方法，确保水分在短期内不会被蒸发、渗漏，大大提高了树木的成活率，同时，随着雨季到来，充足的水分还可使薄膜自动降解，防止了水分无法正常渗漏的危险。

本文在此基础上进一步深入研究了半干旱生态脆弱矿区生态修复及矿区生态修复与产业模式耦合系统的实现途径及优势，并重点分析了该耦合系统的关键技术和生产潜力。

2 生态修复与产业模式的耦合系统

2.1 耦合系统流程

该耦合核心围绕“1大生态系统，6个技术系列”进行技术集成，以重塑的地形作为中心，自然有山脊和低洼地起起伏伏，向外发散各个子环节。废弃的煤矸石可作为处理矿井水的人工湿地基质和制保水增肥基质的原料，处理矿井水吸附饱和的基质又能和农林有机废弃物做保水增肥的基质;利用处理的矿井水可以作为非食用作物的灌溉，种植的能源作物可以通过能源转化或提取得到能源和其他资源性产物;利用太阳能风能集成作为灌溉、矿井水净化等系统动力和能源，将地下水、经净化的矿井水或储蓄的雨水，提升至经地形重塑后的高程点进行贮存进而根据重力流作用适时对周边土地进行灌溉;废弃的煤矸石与农业废弃物经过免烧或低温烧制成具有一定形态的保水增肥材料，铺设于复垦土地之下作为输水和蓄水管道，同时释放肥力和增加氧气;经复垦土地用以种植黄芪等中草药经济、能源作物，最后进行高附加值产品提取和转化。具体工艺流程如图1所示。

2.2 耦合系统的全新理念

该耦合系统实现了六方面的全新理念:

一是社会-经济-环境效益的复合与博弈。最大程度挖掘土地产出和土地价值，最大化现有资源，为缓解当地产业单一和农业生产中土壤贫瘠、水源匮乏的形势提供了新途径。

二是生物链-矿物链-服务链-静脉链-智慧链的复合。由于矿区受损土地修复之后种植作物需要养分水分，因此在煤矸石和矿井水的处理过程中可做到恰如其分的利用，经过煤矸石元素调配、微生物作用制复合功能肥料和保水材料，经免烧或低温烧制成渗灌管道，矿井水则经过人工湿地系统可作为灌溉水。

三是政-产-研-民的结合。使政府、企业和科研单位力量集中化，使治理、修复、复垦工作科研化、产业化、规模化和标准化。最终，让矿区生态修复与土地复垦成为政府、企业、科研单位大力推动和民众积极参与的工作，实现利益多元化与全民化。

图1 耦合系统工艺流程图Fig.1 Process flow chart of coupled systems

四是物质流-能量流-信息流-资金流-人力流的结合。将矿区生态修复的过程导为物质、能量、信息、资金和人力循环和流动的生态代谢系统，供给平衡，自行运作。

五是观念-体制-技术-文化的复合。建立矿区生态修复的平衡观念，生态代谢系统自行运作体制，技术集成，文化融入，让生态修复工程拥有精神和灵魂，赋予生命内涵，展现自然与人文关怀。

六是环境污染的负面控制与生态服务的正向涵养复合。在未来的煤炭开采中，关注点不应仅局限于破坏后的修复治理，而应将修复治理和以受损土地和废弃物为“资源”的生产和耕作过程相耦合，开采和修复同时进行的生产方式转变。在生态修复的同时，获取“新”资源和“新”能源，从而可实现矿区生态修复从“处理工艺”向“生产工艺”的转化。

3 耦合系统的关键技术

目前，基于废弃物、矿井水和风能太阳能综合利用矿区生态修复与产业模式耦合系统仍处于概念提出阶段，关于耦合系统的关键技术和工艺集成的研究几乎为空白。综合考虑该耦合系统的工艺特点、耦合目的及总体收益，以下关键技术应得到充分重视并重点研究。

3.1 露天矿区地形重塑技术

对不同历史时期矿区及其周边开采前后地形地貌分析研究，利用或开发地形重塑软件，设计出一种或多种近自然地形，重塑后的景观可最大限度保蓄水土，为本土微生物植被和动物提供长期稳定态环境;结合地形重塑技术，改进开采工艺，使煤矿开采和矿区地形重塑同时进行，减少表层土壤、矸石堆放的土地占用和生态破坏。

3.2 矿区土壤系统恢复重构技术

将煤矸石、秸秆与畜禽粪便等构成矿区复合基质，结合菌根技术，借助向矿区复合基质中新栽植的植物接种菌根，筛选矿区复合基质的较优配比以及复合基质与菌根组合的矿区修复工艺，构建复合基质-植物-菌根的矿区生态修复系统，揭示菌根对矿区土壤的修复效应、矿区恢复土壤的微生物生态特征的影响。

3.3 矿区植被恢复与群落构建技术

通过对露天和井工开采的生态影响机理研究，构建对应生态恢复技术，根据地貌构成，结合物种筛选，研究露天和井工煤矿关键复垦模式。从整个矿区的土壤、地形、降雨及生态类型等综合考虑，探讨矿区植被恢复模式，开展生态安全格局设计。

3.4 井工开采矿区损伤监测与综合整治技术

针对半干旱草原退化矿区煤炭开采引起的地表塌陷、裂缝情况，利用实测数据获取采煤沉陷预测模型软件的关键预测参数，预测出地形地貌变化，减少灾害发生对土地和环境的的影响;开发半干旱地区煤炭开采扰动下的土地损害综合评价系统与基于信息多源数据的快速监测技术;构建植被快速修复与群落配置技术。

4 耦合系统的潜力

4.1 矿区受损环境修复的生态价值潜力

假设内蒙全区范围内煤炭开采受损土地(包括历史遗留和每年新增)全部采用本文所设计的耦合系统进行地形重塑、土壤恢复和生态群落构建，历史遗留和每年开采新增破损土地的环境修复的生态价值潜力进行估算。

(1)已有未复垦受损土地

根据内蒙古自治区矿山地质环境保护与治理规划(2011—2015年)调查，煤矿开采占用土地面积达6.41 万 hm2，形成塌(沉)陷面积为 2.53 万 hm2，煤矸石累计积存量10.66×108t，以煤矸石占地系数为0.04 m2/t［7］，已有未利用煤矸石占地 0.43 万 hm2。因此，已有未复垦可修复用于耕作土地至少2.96万hm2。

(2)每年新增受损土地

平均每开采1万吨煤地表塌陷0.1 hm2，露天矿每开采1万吨煤要挖损土地约0.2 hm2，露天矿正常生产时每采1万吨煤，排土场平均压占0.16 hm2土地。内蒙古80%的煤炭产量来自井工开采［8］，根据内蒙古自治区2012年国民经济和社会发展统计公报，原煤产量106194.31万t，按采矸排矸率和洗矸排矸率综合取15%煤矸石产量约15929.15万t，可以推出，在内蒙古自治区，每年大约会因煤炭资源的开采造成0.85万hm2的地表塌陷，挖损土地0.42万hm2，排土场压占土地0.34万hm2，煤矸石压占土地637.17 hm2。因此，累积每年可修复用于耕作土地超过1.67 万 hm2。

4.2 生态修复产品和能源经济作物生产潜力

假设内蒙全区范围内的煤矸石、农牧林废弃物全部采用本文所设计的耦合系统进行处理与生产生态修复产品，及在此基础上种植的能源经济作物每年的生产潜力可进行估算。

根据内蒙古自治区2012年国民经济和社会发展统计公报，玉米产量1784.39万t，猪牛羊存栏量分别是 1418.9、1238.7、8605.4 万头，原煤产量106194.31万t，煤矸石15%产量，按并根据玉米秸秆［9］、牛粪［10］、羊粪［11］、猪粪［12］和煤矸石(以土壤农业化学分析方法［13］测得，由于煤矸石中速效氮磷钾含量极少，本估算中忽略不计)的养分含量，可预估全区废弃物的年产量如表1所示。参考土壤营养等级标准二级有机质含量30—40 g/kg、全氮1.5—2 g/kg、速效磷20—40 mg/kg、速效钾150—200 mg/kg，取有机质 35 g/kg、全氮 1.75 g/kg、速效磷 30 mg/kg、速效钾175 mg/kg进行估算，得内蒙古全区农牧业废弃物及煤矸石中养分用于配复合基质对应有机质288077.4、全氮 21915.51、速效磷 2421010.53、速效钾2126418.29万t，即该耦合系统每年最少可生产复合基质21915.51万t作为生态修复产品进行土壤恢复。

表1 内蒙古全区农牧业废弃物及煤矸石产量(万t)Table 1 Agricultural waste and coal gangue output in Inner Mongolia

假设内蒙全区范围内每年新增受损土地全部修复后的80%用于种植能源经济作物，其中40%土地5344 hm2种植能源作物菊芋，按块茎30t/hm2和茎叶30t/hm2［14］估算，可年产16万t块茎用于生产乙醇，16万t茎叶作为复合基质原料;40%土地5344 hm2种植中草药黄芪，按鲜产量 642.3 kg/666.7m2［15］估算，可年产5.15万t黄芪用于入药。

5 结语

(1)受损土地修复任务繁重，耦合系统生态价值潜力巨大。已有受损未复垦土地可修复用于耕作面积至少2.96万hm2，每年新增受损土地可修复用于耕作面积超过1.67万hm2。

(2)煤矸石、农牧林废弃物来源广泛，原料充足，可就近改良土壤。每年最少可生产复合基质21915.51万t作为生态修复产品进行土壤恢复。

(3)耦合系统经济价值显著。每年新增受损土地全部修复后的80%用于种植能源经济作物，可年产16万t块茎用于生产乙醇和5.15万t黄芪。

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