陕北采煤塌陷区植被恢复的水文过程及其作用研究探讨

李刚王娜

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710000；2.陕西省土地整治重点实验室，陕西 西安 710000；3.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710000；4.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710000；5.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710000)

引言

我国既是世界上最大的煤炭生产国，也是最大的煤炭消费国。煤炭是我国最主要的能源，约占我国一次性能源消费量的74%[1]。煤炭开采活动往往会对矿区周边造成地面塌陷、煤矸石和粉煤灰大量堆积等危害。此外，我国煤炭开采中井工开采约占96%，只有4%的煤矿是露天开采，由于井工开采形成地下采空区，势必造成严重的地面塌陷。目前，我国由于煤炭开采造成的采煤塌陷、沉陷区面积约200万hm2，并且以每年7万hm2的速度增加，按照现有的生产规模，到2030年采煤塌陷区的规模将达到280万hm2，然而采煤塌陷区的复垦率只有35%左右[2]。采煤所造成的塌陷是一种危害严重的地质灾害，打破了区域原本平衡的生态系统状态，引起了地质、地貌、植被、土壤、水分等因子的变化[3-6]，严重损毁当地农田耕地和生态环境。我国土地资源匮乏，由于采煤塌陷所造成的地质损毁、地貌破坏，使得区域内生态环境极度脆弱，这些问题已经成为我国经济发展中的突出矛盾之一[7-9]。采煤沉陷区治理是践行国家生态文明建设、美丽矿区建设、“绿水青山就是金山银山”的重要内容，加快推进是十分必要的。习近平总书记多次视察采煤沉陷区治理工作，2018年9月28日视察抚顺矿业集团西露天矿时强调，开展采煤沉陷区综合治理要本着科学的态度和精神，搞好评估论证，做好整合利用这篇大文章。

1 研究区概况

陕西省榆林地区煤矿位于黄土高原和毛乌素沙地的复合过渡地带，属我国北方农牧交错带生态脆弱区，加之当地超强度的开采活动，造成了当地矿区植被覆盖率严重减少，荒漠化加剧等一系列生态问题，其中煤矿采空区的土体污染、土体损毁和生态环境问题最为严重，也是当下的研究热点。根据《全国生态功能区划(修编版)》(公告2015年底61号)和《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》(办水保[2013]188号)，榆林市处于我国鄂尔多斯高原防风固沙重要区、黄土高原土壤保持重要区以及黄河多沙粗沙国家级水土流失重点治理区。榆林地区长城沿线防风固沙林带是我国北方防沙带的重要组成部分，东南黄土丘陵沟壑区是黄土高原水土保持重要功能区，在能源经济发展模式下，榆林市本身就很脆弱的生态环境面临着越来越突出的生态环境问题，生态环境安全形势十分严峻，严重制约着榆林市乃至陕西省的经济社会可持续发展。

榆林市是陕西省最为重要的煤炭基地，在陕西有着举足轻重的地位，是一带一路上少有的高端能源化工基地，煤炭资源丰富、潜力巨大、优势明显，全市54%的土地面积含煤，已探明储量1500亿t，预测储量2800亿t。区域内煤炭开发起步于20世纪80年代，当时开采大多为小矿井，存在资源回收利用率低、安全可靠性差等一系列问题，且经过20多年的开发，原采空区所诱发的地表塌陷、地下水位下降、地质灾害及生态环境破坏等已成为困扰当地人们生活、企业和榆林安全、可持续发展的重要问题。因此，对于该区域的生态环境综合治理更要树立“数量、质量、生态、人文”的四位一体土地整治理念，以生态环境“永续发展”为基本原则，开展煤矿采空区生态综合治理。煤矿采空区的治理要坚持保障粮食供给安全、生态环境安全2大方面，实现区域内人居环境、生产环境、生态环境同步发展。

综上所述，煤矿采空区生态综合治理是实现国土和生态安全的必要手段，是解决自然资源供需矛盾和实现人地关系和谐发展的保障，通过煤矿采空区综合治理与重建，可以促进这一生态环境脆弱区的生态恢复重建，因此有必要开展系统的煤矿采空区土体污损状况和生态环境调查研究以及土体有机重构、植被重建技术研究。

2 陕北采煤塌陷区植被恢复的重要性

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是生态系统中物质循环与能量流动的中枢[10]。采煤塌陷区复垦和重建的首要任务是植被恢复，植被作为生态脆弱地区最敏感的生态环境因子，其变化直接影响到其它环境因子的变化[11]，所有自然生态系统的恢复和重建都是以植被恢复为基本前提。植被恢复不仅起着构建退化生态系统初始植物群落的作用，还能够促进土壤结构与肥力以及土壤微生物和动物等的恢复，进而促进整个生态系统结构和功能。此外，植物根系还直接对采煤塌陷区土体结构稳定性起着至关重要的作用。针对采煤塌陷区植被恢复，国内外已经实施了一系列以植被建设为主要措施的重大生态工程，有效促进了采煤塌陷区的生态恢复与重建。然而，在陕西省榆林地区采煤塌陷区开展以植被建设为主的生态恢复过程受到水分因素的限值，该区域煤矿多处于黄土高原与毛乌素沙地的复合过渡地带，自身生态环境脆弱，干旱缺水，很大程度限制了采煤塌陷区的植被恢复效果。相关理论研究，特别是对植被恢复格局变化、水文过程及其作用机制的研究滞后，缺乏对工程实践的有效指导是造成这种现状的重要原因。因此，科学、全面地探究采煤塌陷区植被恢复的水文过程、响应机制，并探索适宜的调控对策和途径是有效提高采煤塌陷区植被恢复、生态重建的关键科技需求。

3 陕北采煤塌陷区植被恢复水文过程及其重要性研究

植被恢复的水文效应是植被生态系统的重要功能[12]，由于植被的拦截、拦蓄作用，植被不仅可以涵养水源，保持水土稳定性；还可以有效减少地表径流，将地表水变为地下水，提高土体结构稳定性；也可以消洪补枯，使降雨在土壤中以“壤中流”的形式汇集，形成稳定平缓的水资源，最终满足农业生产的需要。尽管大量学者针对生态水文学开展了一系列客观、全面的研究，诠释了植被对水文产生影响的过程和机制，但这些研究多集中在沙漠、荒漠、黄土高原、喀斯特地貌地区等区域。陈洪松等研究了西南喀斯特地区土壤-岩石环境中，植被恢复的水文-侵蚀过程和规律[13]；李新荣等研究了沙漠-荒漠地区生物土壤结皮对沙区土壤生态水文过程响应与反馈机理研究[14-17]。但是，对于采煤塌陷区这一特殊生态脆弱区植被恢复的水文过程和响应机制鲜有研究。对于采煤塌陷区植被恢复的研究大多集中在采煤塌陷对植物群落和植被的影响，而植被恢复对采煤塌陷区生态重建以及重建过程中的机理机制研究较少。作为采煤塌陷区生态恢复中最为关键的一环，植被恢复与重建已成为该类型环境脆弱区中生态恢复和生态系统健康的重要指标之一，研究植被恢复的水文过程、机理是揭示采煤塌陷区生态重建和恢复机理，以及生态系统可持续性和稳定性发展的重要基础。

4 陕北采煤塌陷区植被恢复水文过程研究方法探索

陕西省榆林地区煤炭资源丰富，全市54%的土地面积含煤，已探明储量达1500亿t，预测储量2800亿t。区域内煤炭开采起步于20世纪80年代，存在回收利用率低、安全可靠性差等一系列问题，经过多年的开发，原采空区所诱发的地表塌陷、地下水位下降、地质灾害及生态环境破坏等问题已经成为制约当地工农业生产和可持续发展的重要问题。为了从根本上消除遗留塌陷区的安全隐患，提高土地利用效率，当地政府决定开展采煤塌陷区的综合治理工作，对当地采煤塌陷区开展了调研踏勘，并提出了初步的规划和治理措施。但是对于采煤塌陷区植被、水文、土壤的基本作用尚未有一个详细的研究过程。

根据陕北采煤塌陷区的实际状况，以采煤塌陷区土壤水分为切入点，基于不同时空梯度的植被恢复格局开展野外调查与模拟实验，重点研究陕西榆林地区采煤塌陷区不同恢复年限、植被类型、塌陷类型和程度共同作用下的植被格局，寻求不同时空梯度下植被格局的差异性。基于微分方程动力学模型，确定不同恢复年限、植被类型、塌陷类型和程度下的植被稳定性关键过程转化阈值范围，揭示采煤塌陷区植被恢复的水文过程及机理，为采煤塌陷区生态恢复和重建及其可持续发展提供科学依据。通过以上措施，可以摸清采煤塌陷区植被恢复格局特征，探明区域内植被恢复的水分特征，揭示植被恢复对水文过程的适应及反馈机制，确定不同时空梯度下植被稳定性的生态-水文阈值，最终可以因地制宜地提出采煤塌陷区植被恢复可持续性和稳定性的调控对策，为采煤塌陷区生态恢复和重建及其可持续发展提供科学依据。

由于陕北采煤塌陷区处于黄土高原与毛乌素沙地复合过渡带，生态环境脆弱，水分条件差，决定了水分是影响该地区植被恢复的关键因素，因此科学、全面地探究采煤塌陷区植被恢复的水文过程、响应机制是开展相关研究的核心。在研究过程中必须注意3个方面重要内容的探索，采煤塌陷区植被格局识别。植被是决定着采煤塌陷区地质稳定、生态可持续性的关键要素，采煤塌陷区植被受到多种不同因素的共同影响，形成了不同的植被分布格局，明确采煤塌陷区的植被格局，是定量分析采煤塌陷区水文过程的必要前提。植被恢复的水文过程及其响应机制的探索，植被动态直接影响着采煤塌陷区水分的传输和转化，改变了水文过程，而水文过程又反过来驱动着植被的分布格局，探明植被恢复与水文过程的这种耦合互馈机制是解决采煤塌陷区植被恢复可持续性的科学基础。植被稳定性的生态-水文阈值的确定，植被恢复的可持续性与稳定性事关采煤塌陷区生态恢复与重建的成败，通过研究采煤塌陷区植被的水文过程，确定区域内植被稳定性维持的生态-水文阈值，是实现采煤塌陷区植被恢复的关键问题。