浅析常村煤矿矸石山植被生态重建技术及效益

冯国宝，阮梦颖，李海波，李鹏波，胡振琪

(1.山西潞安矿业(集团)有限责任公司，山西省长治市，046204；2. 中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083；3. 天津城建大学，天津市西青区，300384)

0 引言

煤矸石是煤炭开采、分选及加工过程中产生的固体废弃物，随着煤矿的开采，煤矸石的产出量一般占原煤产量的10%～30%，据不完全统计，我国煤矸石累计量已达35亿t以上。煤矸石的大量堆弃不仅对大气、水体及土体造成污染，而且会对矿区的生态环境造成破坏，最终导致矿区内植物物种多样性降低，生态系统稳定性下降以及生态功能的退化[1-2]。近年来，国内外对煤矸石山的复垦大多通过灭火、整地、植被重建等方法，对煤矸石山进行生态环境修复。煤矸石山的绿化造林也是我国矿山复垦工作的重要内容之一[3-4]。

潞安矿区位于山西省东南部的沁水煤田东部边缘中段，地跨长治、襄垣、屯留、潞城和长子等市县。矿区分为南北二区，北区包括现有的生产矿井及近期规划区，南区为长治矿区。潞安矿区矸石山的类型主要分为填沟堆放和平地起堆。山西潞安矿业(集团)有限责任公司常村煤矿(以下简称“常村煤矿”)矸石山位于长治市屯留县境内208国道西，北靠常村矿区，西倚太长高速公路，总占地面积为0.066 1 km2，东西走向256 m，南北宽为256 m。

常村煤矿煤矸石山的总堆量约为300万t，矿井平均每天出矸2 980 t。治理前矸石山南北宽约为260 m，东西长约为260 m，高度约为55 m，坡度为21°～43°，由地面起堆，未发生过自燃。常村煤矸石山治理前如图1所示。

图1 常村煤矿煤矸石山治理前

1 常村煤矿煤矸石山整形整地

1.1 煤矸石山整形

煤矸石山整形分为全面整形和局部整形。全面整形主要是指全面客土覆盖，改良矸石山表层土壤理化性质，便于全面恢复植被，提高地表植被覆盖率；局部整形主要指局部带式客土整形，形式包括水平带状、带状、水平阶、水平沟、反坡梯田和鱼鳞坑。

常村煤矿按照既经济省工又能较大程度改善立地质量的原则，采用了局部整地的方式。在局部整地方式中，主要采用了带状整地法和块状整地法。带状整地采用反坡梯田的方法，块状整地采用鱼鳞坑的方法。常村煤矿煤矸石山整形示意如图2所示。

图2 常村煤矿煤矸石山整形示意

根据煤矸石山具体的地形情况，将坡面自上而下整理成反坡倾斜梯田，梯田的田面宽度为1～3 m、反坡倾斜角度为2°～8°，梯田隔坡的水平间距为2～5 m，整地后坡面坡度要降低到30°以内，遇到火点尤其要推散开降温；鱼鳞坑是指形似半月形的坑穴，规格分为大小2种，整形时沿着等高线自上而下开挖，大鱼鳞坑长度为0.8～1.5 m、宽度为0.6～1.0 m，小鱼鳞坑长度约为0.7 m、宽度约为0.8 m，坑与坑呈“品”字形，以利于保土蓄水。

1.2 覆土整地

对常村煤矿煤矸石山进行整形后，再进行覆土工程再塑土体。覆土深度是各种覆土整地技术指标中最重要的一个指标[5-6]，适当地增加覆土深度，加厚疏松肥沃土层，有利于植物的生长和发育，加快山体植被恢复的速度。一般煤矸石山覆土整地的厚度依照植物种类的不同采取不同的覆土厚度，草本植物为15 cm、小灌木为30 cm、大灌木为45 cm、小乔木为60 cm、大乔木为100 cm。整地宽度不宜过大，以反坡梯田为例，在坡度分别为20°、30°和40°条件下，其整地宽度依次以1.5 m、1.0 m和0.8 m为宜。整地长度随地形破碎程度、裸岩和坡度而确定。

1.3 灌溉与排水

为了合理、有效地利用水资源，沿煤矸石山建立灌溉和排水系统，用于保持修复后矸石山植被的水肥需求和山体排水需求，保持植物生长，避免水土流失[1, 5, 7]。为满足矸石山的灌溉需求，在山顶构建蓄水池，蓄水池的大小视降雨量多少和被浇灌植物需水量的大小而确定。山上浇灌水的主管道、支管道布置要满足山体各部位都能浇到水，有条件的地区还可安装喷灌设备和滴管，以便节约用水，并能多次少量浇水，既能满足植物需要、降低地表温度，又能增加叶面湿度。

截水工程是将矸石山的雨水截留在排水沟和草沟之内，既满足植物对水分的需求，也可预防径流水冲刷坡体[6]。一般草沟在平台内侧，按照地形调整至平顺曲线为草沟中心线，挖到设计深度、宽度且成形后，用疏松表土覆盖上面，每隔10～20 cm挖出1条横向直沟，用分株法种植匍匐性草类，再覆土充分踏实。山体排水采用分级截留排水的方法，防止因雨水冲刷而引起矸石山体滑坡。排水工程为浆砌石水渠的明排工程。

2 煤矸石山植被选择

2.1 植物选择的原则

2.1.1优先选择乡土树种的原则

煤矸石山与其他土壤有着完全不同的理化性质，立地环境与乡土树种正常生长发育的土壤条件有较大差异，需要参照区域性森林群落组成，选择有价值的、适合生存的乡土建群种或优势树种，辅助外来树种进行植被恢复。

2.1.2乔、灌、草相结合的原则

困难立地条件下的植被恢复应遵循植被演替规律[5]，模拟天然植被结构，实行乔、灌、草复层混交是快速建造稳定植被的科学途径。在煤矸石山植被配置一般建议采用以灌木草本为主的群落结构，减少乔木的使用，在斜坡上建议构建以草本为主的草本灌木群落，在平台上构建以灌木为主的灌木草本群落，覆土较厚的区域可以部分种植乔木。

2.1.3抗性与生态效益优先的原则

煤矸石山立地条件极差，覆土和整地后的土壤也会随着煤矸石山的燃烧、微量元素的释出等对植物的立地条件造成较大影响，因此在植物选择中要考虑选择耐瘠薄、耐高温、耐污染气体和灰尘等耐性较强的树种。同时作为通过植被自身生产改良的土壤，在植物选择方面要综合植物自身的生产力和植物对土壤的稳固作用，选择具有较强的护土、固碳等能力的树种，以尽快形成自然生态修复机制。

2.1.4平衡投资与效益原则

植被生态恢复过程中，由于不合理的配置和土壤改良等问题，极容易造成植被群落的再次损毁。因此在不影响植被恢复质量的前提下，应合理安排好时间进程，在植被大面积栽植前，应对植物群落配置和植物栽植技术方法进行小面积实验，成功后再进行大面积推广种植，减少投资成本，避免因大面积工程失败造成的经济损失。

2.2 植物种类

根据常村煤矿的气候条件、地形条件和煤矸石山的立地条件，特别是已有的煤矸石山绿化的经验，结合我国煤矸石山适宜植物种类选择的经验，常村煤矿煤矸石山植被恢复选择的树种包括9种乔木、11种灌木、10种草本、5种宿根花卉、3种藤本植物等，常村煤矿煤矸石山选择植物种类如下：乔木：刺槐(Robiniapseudoacacia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、枸树(Broussonetiapapyrifera)、侧柏(Platycladusorientalis)、白皮松(Pinusbungeana)、香花槐(Robiniaidaho)、白蜡(Fraxinuschinensis)、火炬树(RhusTyphina)、油松(Pinustabuliformis)；灌木：紫穗槐(AmorphafruticosaL.)、柽柳(Tamarixchinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、木槿(Hibiscussyriacus)、柠条(CaraganaKorshinskii)、锦鸡儿(Caraganasinica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、连翘(ForsythiasuspensaVahl)、榆叶梅(Amygdalustriloba)、红瑞木(Cornusalba)、铺地柏(Sabinaprocumbens)；草本：沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)、狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaarundinacea)、冰草(Agropyroncristatum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、早熟禾(PoaannuaL.)、白三叶(Trifoliumrepens)；宿根花卉：打碗花(Calysteginhederacea)、牵牛花(Pharbitisnil(Linn.)Choisy)、红花酢浆草(Oxaliscorymbosa)、蜀葵(Alcearosea)、金光菊(RudbeckiahirtaL.)；藤本：葛藤(Puerarialobata)、紫藤(Wisteriasinensis)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)。

3 煤矸石山植物配置模式

按照矿区废弃地植被恢复的目的，利用植物耐瘠薄、抗干旱、繁衍迅速、覆盖效果好、根系发达等特点，最大程度体现水土保持生态效应。同时考虑常绿植物以及观花、观型植物的结合配置，营造适宜的生态景观效果，发挥植被群落的效能[5, 8, 9]。

3.1 纯植草型配置模式

以草本植物为主的植被配置模式。主要种植紫花苜蓿、高羊茅等喜温暖、适合半干旱气候的植物，利用其侧根发达、繁殖快、能快速适应环境的特点，起到防止降水冲刷的护坡作用，特别是矸石山边坡，采取植草护坡措施，以达到防止水土流失的目的。设计紫花苜蓿模式、高羊茅模式和高羊茅-紫花苜蓿模式这3种单纯草本配置模式，主要播种在中坡位。

3.2 草灌型配置模式

草灌型模式主要用于固坡或熟化土壤，防止水土流失，增加土壤的有机质含量，促进煤矸石风化，提高土壤肥力，为引入乔木打下基础。单一的草本植物根系较浅，集中分布在土壤表层，较少能深入到岩砾层中，因此固坡能力稍差。而灌木与草本植物相比根系较深，可以达到土壤较深层，草灌结合的模式中，其根系交织在一起形成网络，固坡能力增强。设计紫穗槐模式、紫穗槐-紫花苜蓿模式、紫穗槐-高羊茅模式、紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿模式和黄芪模式这5种灌木或草灌型模式，主要集中在中上坡位。

3.3 乔灌和乔草配置模式

这种模式的特点是树木和草本植物同时覆盖地表减少了地表水分蒸发，增加有机质含量。树木强大的深根系统和草本植物的浅根系统形成了网络结构，对改良土壤结构并稳固煤矸石起到了很好的作用。从自然植被恢复看，自然植被恢复盖度在20%以上的矸石废弃地即可采用乔木的模式，在乔、草复合型配置中，以乔木占65%、草本占35%为宜。

4 煤矸石山植被种植技术要点

为了保证煤矸石山植物的成活率，根据植苗造林成活的基本原理与关键因子，在煤矸石山植被恢复过程中不仅要重视植物品种的选择，还要考虑植物种植技术的适宜性，以保证矸石山植物栽植的成活率。

4.1 种植时间

4.1.1春季种植

春季在土壤化冻后到树木发芽前正是树木开始萌动的时期，此时树体内贮藏营养物质丰富，生理机制开始活跃，树木的生长环境也开始好转，主要表现在地温升高、土壤解冻返潮。另外土壤化冻后，也便于掘苗、刨坑等工程的操作。因此春季造林应在地温升高到植物根系开始活动，但地上部分还未发芽之前进行种植。

4.1.2夏季(雨季)造林

雨季是全年降水集中、气温最高的季节，土壤水分条件好，所以雨季造林有利于根系恢复和生长。但植物生长蒸腾量大，掌握好造林时间也是非常关键的。雨季造林关键是要掌握好雨情，一般是在下过1～2场透雨而且降雨稳定之后开始造林。在华北地区，适宜的时间是“头伏”末和“二伏”初最好，以连阴天气为最佳时间。

4.2 种植方法

一般大面积植被恢复主要采用裸根苗种植。裸根苗造林最常用的是穴植法，种植技术的关键是保证苗木根系舒展，一般采用“三埋、两踩、一提苗”的苗木栽植技术。

苗木栽植前，开挖树穴时应将表土(浅层土)放成一堆，将心土(深层土)另外放成一堆，避免将表土和心土混放。树穴挖好后，先将基肥放在树穴的最下层，然后将表土碾碎，平整、均匀地放在肥料上，这样树苗的根部不直接接触肥料，碾碎的表土又为根部提供了向下生长、扩展舒张的良好条件，这是第一埋，埋的是肥料和表土；接着放入树苗，树苗放入后进行第二埋，就是培入心土，在培土操作进行到一半时，暂停培土；将树苗稍微向上提一下，目的是防止树苗窝根，影响成活和生长；提苗后，不要立即埋土，这时要将已埋的土向下踩实，目的是使树苗的根须和土壤紧密接触，尽快吸收水分和营养元素，以便扎根生长，有利于树木的成活和生长；接着进行第三埋，就是将剩下的心土埋入，一直埋到与地面平齐，进行第二次踩实，目的是使树苗树干挺直，也使树苗与土壤紧密结合，以防被风吹斜；最后将土在树苗根部打成围土堰，注意要打成倒漏斗状，这样可承接雨水和灌溉水，便于水流顺着树根流下，浇水后最好覆上土(仍成倒漏斗状)，以防水分散失，提高成活率。

4.3 苗木保护与保水

在煤矸石山这样极端缺水的立地条件下复垦造林，苗木的水分保持是植物成活和生长的关键因素。苗木成活的关键是维持苗木体内的水分平衡，增加种植时的苗木含水量、增加种植时的根系量和种植后的吸水量、减少种植时的叶量和种植后的蒸腾量等是苗木保护的关键，因此，要采取适当措施避免苗木失水和供给苗木足够的水分。

4.4 后期养护

栽植完工后的苗木养护管理是煤矸石山植被恢复工作的一项关键任务。煤矸石山植被生态重建的管理重点是要加强水、肥的管理。从施工结束到植物群落成型的一段时间内，必须适时进行基材修补、追肥、浇水、植物补种和病虫害防治，来促进植被生态系统实现自我演替。

5 常村煤矿煤矸石山植被重建效益

5.1 常村煤矿煤矸石山植物多样性

2018年，根据在常村煤矿煤矸石山采集的植物标本以及调查的相关数据，常村煤矿煤矸石山已经有植物22种，属于11科，21属。常村煤矿煤矸石山种植植物见表1。

5.2 常村煤矿煤矸石山土壤恢复效果

表1 常村煤矿煤矸石山种植植物

续表1

常村煤矿煤矸石山植被重建后，土壤理化性质发生了巨大的变化。针对不同坡度、坡向和坡位监测分析了不同模式下植被恢复对土壤的改良效益，课题组选择了常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式的样地见表2。

表2 常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式的样地

常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式下土壤理化性质见表3。

表3 常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式下土壤理化性质

由表3可以看出，经过不同模式的植被恢复，常村煤矿煤矸石山的地温降至23.91～26.25 ℃。高羊茅-紫花苜蓿恢复模式下土壤含水量最高，黄芪模式下土壤含水量最低，仅有8.90 %。土壤pH的变化范围为5.29～7.98，铺地柏在改良土壤酸碱度方面较弱。

常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式下土壤养分含量见表4。

表4 常村煤矿煤矸石山不同植被恢复模式下土壤养分含量

植被恢复后，土壤养分含量中速效氮的改良效果为紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿混合模式>紫花苜蓿>高羊茅-紫花苜蓿>黄芪>紫穗槐>铺地柏；速效钾的改良效果为紫花苜蓿>高羊茅-紫花苜蓿>黄芪>紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿混合模式>紫穗槐>铺地柏；速效磷的改良效果为紫花苜蓿>紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿混合模式>紫穗槐>黄芪>高羊茅-紫花苜蓿>铺地柏；有机质恢复质量为紫花苜蓿>紫穗槐>紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿混合模式>高羊茅-紫花苜蓿>黄芪>铺地柏。

通过对地温、土壤含水量、土壤酸碱度及土壤养分的测定和评价，铺地柏在降低地温、提高土壤含水量方面具有较强的潜力，而对土壤酸碱度的调节能力较弱；紫穗槐、紫花苜蓿和榆树在调节地温、含水量及土壤养分方面均表现出较好的效果；高羊茅和火炬树在改善矸石山土壤环境方面处于中等水平；黄芪在调节土壤含水量和土壤养分的能力方面稍差。

5.3 综合效益分析

根据监测分析，常村煤矿煤矸石山现有乔木7 062株、灌木370 894株和大量花草。如果林木价值按照乔木90元/株、灌木40元/株、花草按照12元/m2计算，可取得直接经济效益1 626.51万元；废弃地变为林地的土地价值按照22.5元/m2计，因恢复土地资源而创造的经济效益总计148.76万元；通过煤矸石山植被恢复，为企业节省排污、环境损害罚款可达1 292.70万元。因此，煤矸石山植被恢复可产生巨大的经济效益。

常村煤矿煤矸石山植被重建可以有效控制大气环境污染，杜绝SO2、CO、H2S等有害气体的排放，控制了周边水和土壤环境污染，防止了煤矸石中重金属和酸性物质对周边土地的污染，对区域生态环境改善具有较大的作用。同时良好的煤矸石山环境景观，也为周边居民提供了一个休闲娱乐的场所，减少了社会矛盾，提升了周边居民的生活质量。常村煤矿煤矸石山治理后如图3所示。

图3 常村煤矿煤矸石山治理后

6 结语

煤矸石山作为一种特殊的造林立地种类型，其立地条件较差，环境污染严重，对植被恢复提出了较高的要求。建立稳定、高效的煤矸石山植被生态系统，需要针对煤矸石山的立地条件和区域植被条件，在整形整地、植被选择、种植技术、抚育管理等方面选择适宜的技术方法，并结合矿区生态环境、重建投资等条件进行建设，才能建立煤矸石山自我演替的植被生态系统，实现矿区矸石山生态环境的综合治理。